专利名称：高功率散热模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷/金属复合结构，尤其是指利用一种铜薄片，氧化铝基板，铜块结
合的复合结构。
背景技术：
电子零件在电子流动的情况下，均会产生热，而热的产生会提升电阻，阻碍电子的流动，继而大幅影响电子零件的功能。在电子零件制造技术大幅提升的现况下，电子零件中的线宽越来越小，线路密度却越来越高，因而使得电子零件所产生的热也快速增加。以计算机的中央处理器(CentralProcessing Unit, CPU)为例，Intel公司最早版本的Pentium只需搭配散热功率16W的封装即可。但是，2004年所生产的中央处理器的发热量已达84W，2006年所生产的中央处理器的发热量更已达98W，若热不能快速被带走，则计算机的中央处理器的温度将快速增加，最终使计算机的中央处理器不再能运转。因此，与计算机的中央处理器接触的封装是否具有快速的散热能力，是主导计算机能否正常运转的关键因素。
—般功率组件，类似于计算机的中央处理器，也在运作过程中产生高热。因此，功率组件也需利用与其接触的封装将热快速散去，方能正常运转。 再以发光二极管(Light Emitting Diode，LED)为例，各种颜色的发光二极管在近几年陆续被开发出来，其中又以白光发光二极管的开发成功最为重要。这是因为白光发光二极管可作为照明灯具的光源，这种光源的用电量比水银灯少75%，比高压钠灯少49%，故具有低耗能的优势，为节约能源的一项重要发展。然而大功率的白光发光二极管也会放出高热，但LED照明的最大问题在于LED不耐高热， 一般来说温度不能超过120°C ，若超过此温度，则发光二极管的亮度将快速下降，甚至失效，故与LED接触的散热机构的快速散热能力是发光二极管能应用的最大挑战，这也说明了散热模块的开发对发光二极管在照明方面的应用，具有举足轻重的关键地位。 为同时兼顾现今3C电子产品轻薄短小的设计要求，与以上这些计算机的中央处
理器、功率组件或发光二极管组件接触的基板须同时符合以下三个基本要求 1.散热方面的要求该基板的材料须具有很好的散热能力，以满足快速散热的要求。 2.绝缘方面的要求为避免高功率电子零件短路，该基板的材料须同时具有高电阻。 3.长时间使用的可靠度这是因高功率电子零件在封装后，高功率电子零件会进行数以万次的开-关(on-off)循环，而与高功率电子零件接触的模块会瞬间随之升降温数万次，长时间使用后的可靠度是极重要的要求。而这与陶瓷与金属键结强度有绝对关系。
目前在电子零件的散热机构方面，大量的使用了散热鳍片及热管等机构，再辅以风扇，以期能将高功率的电子零件所产生的热快速带走。但这些散热鳍片及热管等的形状复杂，限制了其与电子零件直接接合的可能性，而必须藉由一基板与电子零件接合，再与散热鳍片及热管及均热板(vapor chamber)等接合。与电子零件接合的基板若导热不佳，将成为散热瓶颈。 又，目前各种陶瓷基板约只有1厘米左右，且不易与其他散热机构，如散热鳍片及热管或均热板(vapor chamber)等接合在一起，故这种基板虽具有快速将热分散至整块基板的能力，但仍须将热导至其他具大面积的散热机构接合，才能达成散热的目的。而且一个材料所能带走的热量不仅与热传导系数有关，也与该材料的质量成正比，基板的散热系数虽高，但质量却轻，故只有分散热量的功能，仍须与其他散热机构，如；散热鳍片及热管或均热板(v即or chamber)等接合在一起，才能达成散热的目的。 但须注意的是，所有电子零件均须能在开关数千次后，仍能正常使用。但电子零件
每在开关一次，即快速升降温一次，若热不能快速带走，这将对电子零件的寿命极其不利。
目前产业界虽大量使用焊锡的方式将电子零件与其他金属基板焊接在一起，但金属锡与其
他金属，如铜或铝，在焊接时会反应生成金属间介化合物(intermetallic compound)，因金
属间介化合物的脆性很高，焊锡处往往在承受外加应力，或热应力时，会发生脆性破裂。 因此，如何提供一种结合基板与其他散热机构的结构，并在电子零件开关数千次，
或升降温数千次后，仍能可靠且稳定地运作，实为有待解决的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种散热模块结构，藉以结合陶瓷基板与其他散热机构，提供良好的散热及绝缘功能。 为达上述目的，本发明提供一种陶瓷/金属复合结构，其包含一薄金属上层，一厚金属下层，以及一位于该薄金属层与该厚金属下层的陶瓷中间层，其中该厚金属下层与该陶瓷基板具有一接触面积，而该接触面积的数值的范围是该厚金属下层的厚度的数值的十至一千倍。 为了达到上述目的，本发明再提供一种陶瓷/金属散热模块结构，包括一第一金
属层；一第二金属层，其厚度介于1至25毫米(millimeter)之间且大于该第一金属层的厚
度；以及一绝缘结构，位于该第一金属层与该第二金属层之间并与该第二金属层有一接触
面积，其中，该接触面积的数值是该第二金属层厚度的数值的十至一千倍。 如上所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中该第一金属薄层为一铜片。 如上所述的陶瓷/金属复合结构，其中该第一金属层上具有至少一线路或接点。 如上所述的散热模块结构，其中该第二金属层为一铜块。 如上所述的陶瓷/金属复合结构，其中该绝缘结构的厚度介于0. 1至3毫米之间。
如上所述的陶瓷/金属复合结构，其中该绝缘结构的材料选自由氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃及玻璃陶瓷所组成的组中的一种。 如上所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中该第一金属层的厚度与第二金属层的厚度的比例介于1/5至1/100之间。 为了达到上述的目的，本发明提供一种陶瓷/金属散热模块结构的制造方法，包含以下步骤提供一陶瓷基板；将一第一金属片置于该陶瓷基板层上；将一第二金属片置于该陶瓷基板层下；以及，加热该陶瓷基板、该第一金属片及该第二金属片，使该第一金属片及该第二金属片与该陶瓷基板接合形成强键结合，其中，该第二金属片与该陶瓷基板之间具有一接触面积，而该接触面积的数值是该第二金属片的厚度的数值的十倍至一千倍。
较佳地，其中该第一金属片和/或所述第二金属片的材料选自由金、银、铜及其合金所组成的组。 较佳地，其中该陶瓷基板由氧化铝或氮化铝所形成。 较佳地，其中该直接接合的处理在90(TC的温度以上进行以形成该强键结合。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下面将结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明，具体如下。
图1显示依据本发明实施例的陶瓷/金属散热模块结构的剖面示意图； 图2显示依据本发明实施例的陶瓷/金属散热模块结构的制法的流程图； 图3显示依据本发明实施例的陶瓷/金属散热模块结构的制法的流程图； 图4显示本发明另一种实施例的立体示意图； 图5显示本发明又一种实施例的立体示意图； 图6显示本发明再一种实施例的立体示意图； 图7显示本发明他种实施例的侧视图；以及 图8显示本发明别种实施例的立体示意图。
具体实施例方式图1显示依据本发明第一实施例的散热模块的剖面示意图。如图1所示，本实施
例的散热模块包含一薄金属上层13、一陶瓷基板14、一厚金属下层15。 在本实施例中，陶瓷基板14由氧化铝或氮化铝所形成，然而，本发明并未受限于
此，从以下说明中可以轻易理解到其他材料也可用来形成陶瓷基板14。 金属上层13位于陶瓷基板14上方。金属上层13的材料选自由金、银、铜及其合金所组成的组。金属上层13的厚度介于0. 1毫米(公厘，millimeter)至1毫米之间，更佳是介于0. 2毫米至0. 6毫米之间。金属上层13上可具有一条或多条线路或接点(未显示)。 金属下层15位于陶瓷基板14下方。金属下层15的材料选自由金、银、铜及其合金所组成的组。金属下层15的厚度介于1毫米至25毫米之间，最佳是介于3毫米至10毫米之间。 图2显示依据本发明第一实施例的陶瓷/金属的散热模块的制造方法的流程图。如图2所示，本实施例的陶瓷/金属的散热模块的制造方法包含以下步骤。
首先，在步骤S01，提供一陶瓷基板14。 然后，在步骤S02，对金属上层13及金属下层15进行表面处理。举例而言，表面处理是指将金属层施以去脂处理，以利后续接合；或是施以表面部分氧化处理，以利后续接合；或是施以无电镀方式将一活性金属披覆于金属层(13、15)或陶瓷基板14上。
接着，在步骤S03，加热金属上层13、陶瓷基板14、及金属下层15，使金属上层13同时与陶瓷基板14及金属下层15接合形成强键结合。举例而言，可以将金属上层13、陶瓷基板14及金属下层15加热至900°C以上以形成强键结合。 如图3所示，本实施例的陶瓷/金属的散热模块的制造方法包含以下步骤。
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首先，在步骤Sll，提供陶瓷/金属复合基板21。 然后，在步骤S12，对陶瓷/金属复合基板21进行表面处理。举例而言，表面处理是指将表面层施以去脂处理；或施以表面部分氧化处理；或施以无电镀方式将一活性金属披覆于陶瓷/金属复合基板21上。 接着，在步骤S13，加热陶瓷/金属复合基板21及金属下层15至90(TC上，使陶瓷
/金属复合基板21与金属下层15接合形成强键结合。 本发明所揭示的陶瓷/金属散热模块可同时提供快速散热的能力及绝缘方面的要求。为提升此散热结构的界面强度及长时间的可靠度，不添加任何焊接助剂，如锡合金等，以高温直接接合的方式制备，可制作出具高界面强度的散热模块。依此精神所制作出的陶瓷与金属接合的模块，均可视为本发明的延伸。 陶瓷基板14位于厚金属下层15上。陶瓷基板14的厚度介于0. 1至1毫米之间。陶瓷基板14的材料选自由氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃及玻璃陶瓷所组成的组。 薄金属上层13位于陶瓷基板14上。金属上层13或金属下层15的材料选自由金、银、铜及其合金所组成的组。金属上层的厚度为金属下层厚度的1/5至1/100之间，更佳是介于1/5至1/15之间。 此外，本发明也可由厚度的数值对比面积的数值来界定，而原来的单位则不论。举例而言但不以此为限，如厚金属下层的厚度为10毫米，则厚金属下层与该陶瓷基板的接触面积则可为但不限定为10000平方毫米，由此可见，单纯的就厚金属下层的厚度的数值而言是IO，而接触面积的数值是10000，故而两个数值的比值为一千或一千分之一，亦即接触面积的数值是金属下层的厚度的数值的一千倍。再者，由于接触面积攸关散热的效率，故原则上本发明接触面的数值是厚金属下层的厚度的数值的十倍，最高至一千倍。由此可见，如以另外一个实施例但不以此为限，如厚金属下层的厚度为20毫米，则厚金属下层与该陶瓷基板的接触面积则可为但不限定为2000平方毫米，此依旧被本案的范围所包含。
请参阅图4，其显示本发明另一种实施例的立体示意图。其中揭示了金属下层15远大于金属上层13与陶瓷基板14，亦即用来负责散热的金属下层15的表面积增加了，因此，除了通过增加金属下层15的厚度来加强散热效果外，也可通过横向的增加金属下层15的宽度，进而增加金属下层15的表面积以增进散热效率。为了再更进一步的增进散热效果，在金属下层15上以各层的排列方向为准，钻了多个散热孔15a，以方便流体可以自金属下层15的下方流动到其上方。或是可以通过强制对流的方式强制流体穿过散热孔15a以增强散热效果。 请参阅图5，其显示本发明又一种实施例的立体示意图。其中揭露在陶瓷基板14的上方有金属上层13，而下方则有金属下层15，且在金属下层15上铣有沟槽15b，藉以增加金属下层15的表面积，进而增进散热效率。 请参阅图6，其显示本发明再一种实施例的立体示意图。其中揭露在陶瓷基板14的上方有金属上层13，而下方则有金属下层15，且各层均同为一不规则的五边形，这是因为金属上层13所配合的电路(图中未揭示)，有时候形状也不规则，因此金属上层13也需配合，进而使得陶瓷基板14与金属下层15也需配合。 请参阅图7，其显示本发明再一种实施例的侧视图。其中揭露在陶瓷基板14的上方有金属上层13，而下方则有金属下层15。又，金属下层15内开设有流道15c，流道15c通常是平行于金属下层15的平面或是沿其层向而成形的，以供流体通过，如气体或是液体流经流道15c时，即会将金属下层15的热带走，从而达到了散热的目的。而这样的方式，也只有本发明的具有相当厚度的金属下层15才有足够的空间来形成流道15c。
请参阅图8，其显示本发明别种实施例的立体示意图。图8揭露在陶瓷基板14的上方有金属上层13，而下方则有金属下层15，此外，金属上层13是被分隔成多个独立的区域，而金属下层15则大致上是呈一块状物体。金属上层13被分隔为多个独立的区域，这是因为各个区域之间不可以有电连接，因此需要隔离开来，而即使是在这种情况下，本发明的结构依然适用。 综上所述，本发明揭露一种结合金属及陶瓷的散热模块结构，此模块同时提供散热及绝缘的基本要求。若以铜为例，因铜的电阻系数极低，只有10-4Qm，故可以蚀刻方式在铜的部分做出各种线路或接点。藉由此线路或接点，此复合结构可与高功率电子零件整合及封装，达成良好的电连接及散热的功能。此外，以高温直接接合的制程方式来制作此散热模块，因金属及陶瓷的界面没有脆性的合金中间界层，故具有高强度的特征，对往后会进行数以万次的开-关(on-off)循环的高功率电子零件的寿命的增长，也有极大帮助。
附图标记说明 S01-S03 :步骤01-步骤03 S11-S13 :步骤11-步骤13
13 :金属上层 14 :陶瓷基板 15 :金属下层 15a :散热孔 15b :沟槽 15c :流道 在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，均属于本发明的保护范围。
权利要求
一种陶瓷/金属散热模块结构，包含一陶瓷基板；一薄的金属上层，其位于所述陶瓷基板上；及一厚的金属下层，其位于所述陶瓷基板下，且与所述陶瓷基板具有一接触面积，其中所述接触面积的数值的范围是该厚金属块下层的厚度的数值的十至一千倍。
2. 如权利要求l所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层的材料选自由金、 银、铜及其合金所组成的组。
3. 如权利要求1所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层的材料选自铜及 铜合金所组成的组。
4. 如权利要求1所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层的厚度介于0. 1 毫米至l毫米之间。
5. 如权利要求1所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层的厚度介于0. 2 毫米至0.6毫米之间。
6. 如权利要求1所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层具有至少一线路 或接点。
7. 如权利要求1所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述陶瓷基板的材料选自由氧 化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃及玻璃陶瓷所组成的组。
8. 如权利要求l所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属下层的材料选自由金、 银、铜及其合金所组成的组。
9. 如权利要求l所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属下层的材料选自铜及 铜合金所组成的组。
10. 如权利要求l所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层的厚度与金属下 层的厚度比例介于1/5至1/100之间。
11. 如权利要求l所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述金属上层的厚度与金属下 层的厚度比例介于1/5至1/15之间。
12. —种陶瓷/金属散热模块结构，包括 一第一金属层；一第二金属层，其厚度介于1至25毫米之间，且所述第二金属层的厚度大于所述第一 金属层的厚度；以及一绝缘结构，其位于所述第一金属层与所述第二金属层之间，且所述绝缘结构与所述 第二金属层之间的接触面积的数值，是所述第二金属层的厚度的数值的十至一千倍。
13. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第一金属层为一铜片。
14. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第一金属层上具有至少 一线路或接点。
15. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第二金属层为一铜块。
16. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述绝缘结构的厚度介于 0. 1至3毫米之间。
17. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述绝缘结构的材料选自由 氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅、玻璃及玻璃陶瓷所组成的组。
18. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第一金属层的厚度与所 述第二金属层的厚度的比例介于1/5至1/100之间。
19. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第一金属层的厚度与所 述第二金属层的厚度的比例介于1/5至1/15之间。
20. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第二金属层的宽度大于 所述绝缘结构的宽度。
21. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第二金属层沿平面方向 铣有沟槽。
22. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中在所述第二金属层内沿层向 开设有流道。
23. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第二金属层位于所述绝 缘结构的下方而成为下层，所述第一金属层位于所述绝缘结构的上方而成为上层。
24. 如权利要求12所述的陶瓷/金属散热模块结构，其中所述第一金属层可分隔为多 个区域。
25. —种陶瓷/金属散热模块结构的制造方法，包含以下步骤 提供一陶瓷基板；将一第一金属片置于所述陶瓷基板层上； 将一第二金属片置于所述陶瓷基板层下；及加热所述陶瓷基板、所述第一金属片及所述第二金属片，使所述第一金属片及所述第 二金属片与所述陶瓷基板接合形成强键结合，其中，所述第二金属片与所述陶瓷基板之间 具有一接触面积，而所述接触面积的数值是所述第二金属片的厚度的数值的十倍至一千 倍。
26. 如权利要求25所述的陶瓷/金属散热模块结构的制造方法，其中所述第一金属片 和/或所述第二金属片的材料选自由金、银、铜及其合金所组成的组。
27. 如权利要求25所述的陶瓷/金属散热模块结构的制造方法，其中所述陶瓷基板由 氧化铝或氮化铝所形成。
28. 如权利要求25所述的陶瓷/金属散热模块结构的制造方法，其中所述直接接合的 处理在90(TC的温度以上进行以形成所述强键结合。
全文摘要
一种具有高功率散热能力的陶瓷/金属复合模块，其具有一金属上层；一陶瓷基板中间层，位于该金属上层下方；及一大面积的金属下层，位于该陶瓷基板下方。该金属上层为该金属下层厚度的五分之一以下。高温加热此金属上层，陶瓷基板中间层及金属下层，以形成强键结合。
文档编号F21V29/00GK101765350SQ200810186489
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者戚国强, 林总贤, 段维新 申请人:明景科技股份有限公司