热管理电路材料、其制造方法以及由其形成的制品的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及包括一个或更多个导电通路的热管理电路材料。这样的电路材料可以用于支承光电子器件、微波器件、射频器件、功率半导体器件或其他电子器件。
[0002]虽然现今存在各种可用的电路材料，但是尤其需要用于高功率应用(S卩，产生高比能或涉及高操作温度的应用)的电路材料。特别地，被设计成载送较高电流负载的半导体可能具有操作温度上限，高于该上限半导体可能发生故障，危害整个电路的操作可靠性。已将被设计用于热管理的电路材料用于需要散热之处，以使操作温度保持在期望的范围内。这样的散热性热管理电路材料可以适用于高功率二极管、晶体管等。例如，可以将光电子器件、微波器件、RF器件、开关器件、放大器件或其他电子器件安装在提供支承并用于将热从器件移除的基底上。这样的基底需要足够的介电强度和良好的导热性。
[0003]热管理电路材料通常具有用于将热从高功率部件传导出去的导热基体或芯基底(通常为导热金属，例如铝)。介电层使芯基底与设置在介电层上的可图案化或经图案化的导电金属层(通常为金属，例如铜)绝缘。这样的电路材料有时被称为绝缘金属基底或IMS。已知使用介电材料来使导热基体在一面或两面上绝缘。这样的绝缘金属基底也可以被称为金属芯印刷电路板(MCPCB) ο热管理电路材料还可以包括任选地通过热界面材料层而附接至散热片的基底层。然而，热管理电路材料可以包括金属板或支承框架作为芯基底，具有或不具有单独配置的散热片。
[0004]热管理电路材料上的介电材料应具有高介电强度，以确保与关联于电子器件的电路电绝缘，从而避免或防止短路。然而，设置在导热芯基底上的一个或更多个介电层可能限制电路材料的期望热导率。因此，介电材料应具有足够的热导率来耗散由器件所产生的热，否则可能对安装在电路材料上的器件的性能、可靠性以及寿命产生负面影响。一般而言，具有增大的介电强度的介电材料使得电路材料能够具有更薄的绝缘层，这可减小热阻(对于相同的绝缘材料而言)。介电材料的其他电子特性也可以是相关的。例如，对于RF和微波应用而言，热管理电路材料包含具有高介电常数的介电材料也可能是有益的。
[0005]在现有技术中已知许多不同的有机及无机介电材料。特别地，已知使用作为聚合物的介电材料来使导热基体绝缘，所述聚合物为例如带有导热陶瓷粉末的环氧树脂、含氟聚合物、聚酰亚胺、或它们的复合材料。然而，这样的聚合物介电材料可能具有低的热导率，此外，可能呈现不足的对于高操作温度(例如，大于150°C)来说所需的热稳定性。另一方面，无机介电材料可以具有较高的热导率(通常大于或等于约20瓦/米.开氏度或W/m.K)、低的热膨胀系数(通常小于或等于百万分之十/摄氏度，ppm/°c)、以及高的热稳定性(例如，最高达约900°C)。然而，无机介电材料可能需要粘合剂以使导电金属层粘合。无机介电材料可以具有较低的介电强度，通常小于或等于约20千伏/每毫米介电厚度(伏/密耳)，因此可能需要较厚的层(大于或等于10密耳/250微米)，这进而可能降低热导率。这对于日益需要更小部件和更尚热导率的应用而目可能是不利的。
[0006]可以通过各种技术获得用于绝缘金属基底的无机介电层。可以通过如在GB2162694中所述的阳极化工艺或如在美国专利2008257585A1中所述的等离子体电解氧化(PEO)而在散热片上直接形成介电层。或者，Shashkov等人在WO 2012/107754中公开了一种通过施加一系列具有交替极性的电压脉冲以相对于电极对金属基底加电偏压而在电解室中的金属基底上形成非金属涂层或非金属层的方法。根据该技术，可以向金属基底施加较高的电压脉冲，同时显著减小或消除不期望的微放电水平，所述微放电可能对所期望的涂层特性具有不利影响。WO 2012/107754的工艺可以有利地使用作为胶态的电解质，该电解质包含分散在水相中的固体颗粒。所述固体颗粒可以被转移到并且被结合到生长中的非金属涂层内，其中所述固体颗粒可以有利地改变生长中的涂层的特征孔尺寸和结晶结构，这进而可以提供改进的硬度、热导率和电击穿。
[0007]同样为Shashkov等人的WO 2012/1077555公开了如通过WO 2012/107754的工艺制造的绝缘金属基底可以被用于支承器件并且可以在一面上被固定至散热片。绝缘金属基底上的陶瓷介电涂层可以具有大于50KV mm—1的介电强度以及大于5Wm—1IT1的热导率。Shashkov等人示出一种与封装器件或芯片(例如，LED)—起使用的绝缘金属基底(MS)，其在一侧上绝缘并在另一侧上具有散热片。贯穿陶瓷涂层的热通路可以连接至金属散热片以提供进一步热传递。WO 2012/107754—般性地公开了可以在形成介电涂层之前通过掩模工艺、在已形成涂层之后通过蚀刻工艺、或者通过对陶瓷介电涂层进行激光烧蚀来形成这样的热通路。
[0008]需要一种用于高功率应用的热管理电路材料，其具有用于与高功率器件例如(HBLED)高亮度发光二极管一起使用的期望热特性和电特性。期望该电路材料较薄。这样的电路材料在芯金属基底的两侧上具有针对芯金属基底的相反侧上的导电金属层的介电绝缘体，其中导电通路连接导电金属层。期望这样的热管理电路材料:其中介电绝缘体提供高热导率与低电导率的良好平衡，该电路材料可以被用于安装用于高功率应用的一个或更多个电子器件例如高亮度发光二极管(HBLED)封装。另外，期望这样的热管理电路材料能够被有效且经济地制造。
【发明内容】
[0009]可以通过如下电路材料来克服或减少现有技术的热管理电路材料的上述及其他缺点和不足，所述电路材料包括:导热金属芯基底;在金属芯基底的第一侧上的第一金属氧化物介电层;在导热金属芯基底的第二侧上的第二金属氧化物介电基底层，金属芯基底的第二侧与第一侧相反;在第一金属氧化物介电层上的第一导电金属层;在第二金属氧化物介电层上的第二导电金属层;在所述金属芯基底中的填充有导电含金属的芯元件的至少一个通孔通路(through-hole via)，所述导电含金属的芯元件电连接第一导电金属层和第二导电金属层中的每一个的至少一部分，其中限定通孔通路的壁覆盖有中间金属氧化物介电层，所述中间金属氧化物介电层将所述第一金属氧化物介电层与所述第二金属氧化物介电层横向地接合，所述金属氧化物介电层使导电金属绝缘。因此，第一介电层、第二介电层和中间介电层(统称为“介电层”)可以形成连续的介电层(在介电层中没有形成可能导致短路的孔)，所述连续的介电层使导热金属芯基底绝缘于导电金属层和通孔通路中的含金属的芯元件，其中介电层通过包括使金属芯基底的表面部分氧化的工艺制成。在一个实施方案中，金属氧化物介电层可以具有大于或等于约5瓦/米.开氏度的热导率和/或大于或等于50KVmm—1的介电强度。
[0010]任选地，在介电层与导电金属层或通孔通路中的含金属的芯元件之间可以存在粘合改进层。在一个实施方案中，金属粘合改进层存在于第一导电金属层与第一金属氧化物介电层之间、第二导电金属层与第二金属氧化物介电层之间、以及通孔通路中的含金属的芯元件与中间金属氧化物层之间，但从金属氧化物介电层的不与导电金属层接触的其他区域去除金属粘合改进层。
[0011]本发明的另一方面涉及一种制品，所述制品包括选自以下中的电子器件:被支承在具有图案化导电层的上述电路材料上的光电子器件(例如，LED(发光二极管)，特别地包括HB LED(高亮度LED)、RF器件、微波器件、开关器件、放大器件或其他电子器件，S卩，其中使用电路材料用于安装电子器件，例如以获得包括绝缘基底的封装LED。所述电子器件可以是生热半导体、二极管或晶体管。
[0012]本发明的又一方面涉及一种制造电路材料的方法，所述方法包括:提供导热金属芯基底;在金属芯基底中形成(例如，钻孔)至少一个通孔通路;通过包括在金属芯基底的金属的表面层中将金属氧化转变成金属氧化物的工艺来在金属芯基底的相反侧上以及在所述通孔通路中形成金属氧化物介电层;至少在金属芯基底的相反侧上施加导电金属(例如，铜)。因此制造而得到的电路材料可以具有大于或等于约50瓦/米.开氏度的热导率。
[0013]本发明的一个实施方案涉及一种制造电路材料的方法，所述方法包括:提供铝芯基底;在铝芯基底中钻出导电通孔通路的图案;通过包括将芯基底的铝氧化转变成氧化铝的工艺来在铝芯基底的相反侧上以及在所述通路中形成氧化铝(氧化铝或Al2O3)介电层，其中所述方法包括:在容纳水性电解液和电极的电解室中布置铝芯基底，其中至少铝芯基底的表面以及电极的一部分接触水性电解液；以及通过施加电压(具体为一系列具有交替极性的电压脉冲)达预定时间段而对铝芯基底相对于电极加电偏压，其中正电压脉冲对铝芯基底相对于电极加阳极偏压并且负电压脉冲对铝芯基底相对于电极加阴极偏压，其中可以控制正电压脉冲和负电压脉冲的幅值，使得铝介电层的表面(包括通孔通路的围阻壁(containing wall))然后可以被选择性的镀覆铜。
[0014]热管理电路材料可以具有期望的特性组合，包括提供较高的热导率、低的电导率、以及高的热稳定性和尺寸稳定性的金属氧化物介电层，其中所述特性组合优于可比较的电路材料中所得到的特性组合。有利地，所述电路材料还可以被设置在薄的截面中。另外，所述电路材料可以被制成较大的面板，其随后可被细分，导致用于制造优良产品的更加经济的工艺。
[0015]本领域技术人员根据下面的详细描述及附图将意识并理解本发明的特征和优点。
【附图说明】
[0016]现在参照示例性附图，其中在若干附图中相同的元件以相同的附图标记表示:
[0017]图1是根据本发明的一个实施方案的热管理电路材料的透视图；
[0018]图2是热管理电路材料的截面的显微图像，例如如图2中所示；
[0019]图3A、图3B和图3C示出根据本发明的一个实施方案的可以用于安装LED封装件的热管理电路材料，其中图3A至图3C是俯视图、仰视图和截面图，其中电路材料芯基底已被钻出多个通孔通路；以及
[0020]图4A和图4B是其中已安装LED器件的热管理电路材料的两个替代实施方案的截面图。
【具体实施方式】
[0021]本发明的发明人已发现可以有利地制造热管理电路材料，所述热管理电路材料包括:导热金属芯基底;在金属芯基底的相反的基本上平坦侧上的金