專利名稱：一種金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提升傳熱效率尤其是縱向導熱率的金屬基印刷電路板及其制備方法，主要解決高功率發(fā)光二極管(LED)應用過程中現(xiàn)有金屬基印刷電路板縱向熱阻過大的問題，尤其適用于單顆封裝功率在5W以上的LED。
背景技術：
LED目前在照明領域已經得到廣泛應用，單顆3W以上的LED在應用中普遍都會采用金屬基印刷電路板(MCPCB)作為電路載體和散熱介質?，F(xiàn)有的MCPCB由于采用金屬復合基板(銅基板或鋁基板)，導熱率相比以前IW以下LED采用的普通FR4印刷電路板(PCB)有了較大的提升。然而，盡管鋁基板甚至銅基板有很好的熱導率，分別達到205W/mK和380W/ mK，但由于電絕緣的需要以及制備工藝的限制，目前的MCPCB電路層和金屬基板之間都有一層絕緣層。該絕緣層的導熱率只有0. 8 2. Off/mK左右，導致現(xiàn)有MCPCB的縱向導熱率只有2 4W/mK，遠不能滿足高功率LED的散熱需求。在使用中由于LED 70 90%的能耗被轉化為熱能，如不能及時將熱量散發(fā)出去， 將會導致LED節(jié)溫過高，造成發(fā)光效率下降，降低LED壽命，嚴重時更可能直接燒毀芯片。 LED由于封裝結構的限制，前端為了透光一般采用高透光率的環(huán)氧樹脂、塑料或者玻璃等材料，導熱率均較低。特別是在使用塑料透鏡或玻璃蓋片封裝時，為了保護LED晶片與封裝基板直接的晶線，塑料透鏡或玻璃蓋片與LED晶片并沒有直接接觸而是預留一定的空隙，因此LED應用中，熱量從前端散發(fā)的比例極少，90 %以上的熱量都需要以熱傳導的方式從LED 封裝基板背部經由電路板最后傳至散熱器。應用中，LED —般都需要焊裝在電路板上供電， 熱量也需要穿透電路板才能到達后面的散熱器。因此，LED的散熱的好壞主要可從三個級別來考量一個是封裝級散熱主要取決于LED封裝熱阻的高低；另一個是板極散熱主要取決于MCPCB的縱向導熱能力及橫向熱擴散能力；再一個是系統(tǒng)級散熱主要取決于整個外部散熱系統(tǒng)的結構和布局。由于現(xiàn)有MCPCB的縱向導熱率較低，已成為高功率LED整個散熱路經的瓶頸，所以本發(fā)明主要集中于板級散熱，解決現(xiàn)有金屬基印刷電路板熱阻過大的問題， 大幅提高金屬基印刷電路板的縱向導熱率。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要針對現(xiàn)有MCPCB縱向導熱率仍較低的問題，通過打穿熱通路部分的絕緣層，讓金屬基板與LED背部直接接觸，由于除去了熱通路部位的金屬銅箔尤其是導熱率極低的絕緣層兩層介質，整個MCPCB的傳熱路徑由原來的“金屬銅箔-絕緣層-金屬基板” 直接變?yōu)橹挥幸粚印敖饘倩濉?，因此整個MCPCB的縱向導熱率即為金屬基板鋁或銅的導熱率，從而可較現(xiàn)有MCPCB的縱向導熱率提升近百倍。本發(fā)明的金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板主要由三部分組成一層單面單層或多層印刷電路板、一層金屬基板以及連接印刷電路板和金屬基板的粘結層。金屬基板的材料為導熱性良好的金屬，如銅、鋁或銅合金、鋁合金。粘結層為環(huán)氧膠膜、環(huán)氧玻纖布粘結片
3或者其他耐高溫的粘結材料，可允許在后續(xù)表面焊接時在回流焊爐高溫環(huán)境中仍保證其粘性。印刷電路板又有至少三層結構電路層、與金屬基板貼合的絕緣層、以及與暴露于外部的阻焊保護層。在印刷電路板和粘結層的熱通路部位有通孔，在通孔處，金屬基板與印刷電路板接合面有一凸包。凸包表面可直接與LED散熱部位通過錫焊貼合，形成全為導熱率優(yōu)良的金屬形成的熱通路，將LED的發(fā)熱量高效向背部縱向傳遞并向四周橫向擴散。為了便于在金屬基板上形成凸包，在凸包背部有一凹坑，在使用過程中凹坑及金屬基板背面會貼附熱界面材料，并不會影響其傳熱性能。為簡化形成凸包的模具結構和成本，凸包周壁可以為一斜面，與金屬基板法向呈一夾角θ。在與LED錫焊結合時，由于焊劑與凸包的潤濕及毛細作用，焊劑會自動填充凸包周面的夾角θ與通孔之間的狹縫，形成良好包覆，增加LED與電路板的焊接力。為防止短路，電路層的線路和通孔周圍有一絕緣介質隔斷。同時還揭露了制備該金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板的方法。現(xiàn)有MCPCB的制造工藝是通過層壓工藝在金屬基板復合絕緣層再生成電路，因此較難開孔打穿至金屬基板。本發(fā)明通過改變制備工藝，先制作普通非金屬基板的剛性PCB或者撓性的PCB，開孔后在與加工處理的金屬基板復合成形后的MCPCB，從而以簡單的制備工藝可大幅提升MCPCB 縱向導熱率，成本低且適合量產。具體制備過程如下1、提供一單面印刷電路板，可按實際使用需求設計成單層電路板或者多層電路板，可采用普通FR4剛性電路板，亦可采用撓性電路板。2、在單面印刷電路板背面貼一層粘結材料，該粘結材料可選用環(huán)氧膠膜、環(huán)氧玻纖布粘結片或者其他耐高溫的粘結材料，可允許在后續(xù)LED表面焊接時在回流焊爐高溫環(huán)境中仍保證其粘性。實際操作中，為保護粘結層，可在其表面覆一層離型紙，粘合時再將其撕掉。3、在電路板及其粘結層裁切熱通孔及外形，熱通孔大小形狀根據(jù)LED封裝背部的散熱墊而定。電路與熱通孔周圍有絕緣介質隔斷，不能相通，以防短路。4、裁切金屬基板外形并在一側表面形成凸包。金屬基板一般采用銅、鋁等塑性良好的金屬，便于鈑金沖裁工藝，可在要形成凸包的背部用沖模沖印一凹坑，在塑性成形作用下，即可形成凸包。凸包的高度應略小于電路板的厚度，凸包大小形狀根據(jù)LED封裝背部的散熱墊而定。5、壓合電路板與金屬基板。將凸包與熱通孔對齊，在一定壓力和溫度作用下，粘結層將電路板和金屬基板緊密粘合。


圖1是本發(fā)明一個實施例的層狀截面示意2是本發(fā)明一個實施例的具有多層電路的截面示意3是本發(fā)明一個實施例與LED貼合示意4是本發(fā)明一個實施例與散熱器貼合示意5是本發(fā)明一個實施例的電路板與金屬基板一致的透視6是本發(fā)明一個實施例的軟硬結合板MCPCB透視7是一個現(xiàn)有MCPCB的層狀結構示意8A是本發(fā)明一個實施例的制備步驟1示意圖
圖8B是本發(fā)明一個實施例的制備步驟2示意8C是本發(fā)明一個實施例的制備步驟3示意8D是本發(fā)明一個實施例的制備步驟4示意8E是本發(fā)明一個實施例的制備步驟5示意圖
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對其作出結構和其它方面的改變而作為其它實施例，各個實施例及其每個不同實施例的各個方面可以以任何合適的方式組合使用。所以，附圖和詳述本質上將被看作是描述性的而非限制性的。圖1為本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板的一個實施例的層狀截面示意圖。該金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板主要由三部分組成印刷電路板101、金屬基板 102以及連接印刷電路板101和金屬基板102的粘結層103。金屬基板102的材料為導熱性良好的金屬，如銅、鋁或銅合金、鋁合金。粘結層103為環(huán)氧膠膜、環(huán)氧玻纖布粘結片或者其他耐高溫的粘結材料，可允許在后續(xù)LED表面焊接時在回流焊爐高溫環(huán)境中并不破環(huán)粘結屬性。印刷電路板101又有至少三層結構至少一層電路層1011、與金屬基板102貼合的絕緣層1012、以及與暴露于外部的阻焊保護層1013。阻焊保護層1013在LED電極部位留有開孔1014，使電路層1011與LED電極相連。在印刷電路板101和粘結層103的熱通路部位有通孔104。在通孔104開孔處，金屬基板102與印刷電路板101接合面有一凸包1031， 該凸包1031表面為一平面且略低于阻焊層護層1013的外表面，便于緊密壓合印刷電路板 101和金屬基板102。凸包1031表面直接與LED散熱部位通過錫焊貼合，形成全為導熱率優(yōu)良的金屬形成的熱通路，將LED的發(fā)熱量高效向背部縱向傳遞并向四周橫向擴散。為了便于在金屬基板102上形成凸包1031，在凸包1031背部有一凹坑1032，在使用過程中凹坑 1032及金屬基板102背面會貼附熱界面材料。另外為了簡化形成凸包1031的模具結構和成本，凸包1031周壁可以為一斜面，與金屬基板102法向呈一夾角Θ。在與LED錫焊結合時，由于焊劑與凸包1031的潤濕及毛細作用，焊劑會自動填充凸包1031周面夾角θ與通孔104之間的狹縫，形成良好包覆，增加LED與電路板的焊接力。為防止短路，電路層1011 和通孔104不能相連，須有一絕緣介質1016隔斷，絕緣介質1016由阻焊保護層1013向電路層1011空隙填充而成。圖2為本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的具有多層印刷電路板的另一個實施例層狀截面示意圖。同樣由三部分組成印刷電路板101、金屬基板102以及連接印刷電路板101 和金屬基板102的粘結層103。與上一個實施例的不同之處在于該印刷電路板101為雙層印刷電路板，具有兩層電路層1011和絕緣層1012。通孔104貫穿粘結層103和印刷電路板 101的所有層。所有電路均須與通孔104保持開路，由絕緣介質1016隔斷。金屬基板102 上的凸包1031高度以及背部凹坑1032應以印刷電路板101的厚度做出相應改變，使凸包 1031上表面略低于阻焊保護層1013的外表面。依此類推，本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板可為更多層印刷電路板，由于傳熱路徑為金屬基板102直接與LED接觸，因此可以同樣保持良好的導熱性能。圖3為本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板與LED貼合的截面示意圖。印刷電路板101上焊有LED 301，LED 301背部散熱區(qū)域與金屬基板102上的凸包1031通過錫焊302緊密結合，從而將LED 301散發(fā)的熱量快速地傳遞給金屬基板102，然后經由金屬基板102向背部縱向傳遞并向四周橫向擴散。由于錫焊302熔劑與凸包1031的潤濕及毛細作用，焊劑會自動填充凸包1031頂部平面以及其周圍斜面夾角θ處的狹縫，形成良好包覆， 從而增加LED與電路板的焊接貼合力，并形成良好的導熱介質。在LED 301的電極部位通過錫焊302與電路層1011電接通。圖4為本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板一個完整的應用實施例。在印刷電路板上通過錫焊302焊接固定LED 301，LED 301電極與電路板101上的電路層接通，同時散熱區(qū)域與金屬基板102上的凸包1031接通。在金屬基板102背面通過貼附熱界面材料401聯(lián)接金屬基板102和散熱器件402，同時利用熱界面材料401質軟的特性在壓力的作用下填充凹坑1032，從而金屬基板102整個背面都可與散熱器件402有良好的熱接觸。 LED 301散發(fā)的熱量快速地傳遞給金屬基板102，然后經由金屬基板102向背部縱向傳遞并向四周橫向擴散，從而可透過金屬基板102的整個背面經由熱界面材料401傳遞給散熱器件402散發(fā)掉。圖5是本發(fā)明一個實施例的電路板與外部電路引腳位置的示意圖。電路板101可以采用剛性FR4印刷電路板，亦可采用撓性電路板，與金屬基板102壓和形成金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板。在該實施例中，電路板101與金屬基板102外形尺寸完全一致，外部電路引腳501均設置于基板范圍內，從而構成金屬基板貫穿熱通路的剛性電路板。電路板的形狀并不只是局限于本圖示例的長方形，可根據(jù)安裝需要為正方形、圓形、六方形或其他形狀，在電路板和金屬基板上亦可根據(jù)需要設置定位孔及安裝孔位。圖6是本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板與外部電路引腳位置的另一個實施例示意圖。與上一個實施例的最大區(qū)別在于該電路板101采用撓性電路板，且外形尺寸與金屬基板102不同，可根據(jù)安裝及外部布線需要，通過撓性電路板的延伸部601將電路引腳501設置于基板外部，從而構成一種軟硬結合金屬基電路板。延伸部601可根據(jù)實際設置在不同位置并可設計成不同形狀。因此，該實施例揭露了本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板可以在保證整個電路板縱向導熱性能的前提下，制成一種軟硬結合金屬基電路板，以滿足布線美觀并節(jié)省外部布線空間的需求，適于產品的輕薄化設計。圖7為現(xiàn)有金屬基印刷電路板層狀截面示意圖。金屬基板701 —側覆有絕緣層 702，在絕緣層702上有銅箔層703，用于蝕刻電路及導熱墊7031，銅箔層703上方有一層阻焊保護層704。應用時，通過錫焊層705固定LED 706。LED 706散發(fā)的熱量經由錫焊層705 傳遞給導熱墊7031，然后熱量必須通過絕緣層702才能傳達至金屬基板701。在整個傳熱路徑中，錫焊層705，銅箔導熱墊7031以及金屬基板701均為金屬材質，有較好的導熱率，但是絕緣層702的導熱率一般只有0. 8 2. Off/mK左右，成為整個散熱通路的瓶頸，導致現(xiàn)有整個金屬基印刷電路板的縱向導熱率只能達到2 4W/mK。因此本發(fā)明針對現(xiàn)有MCPCB縱向導熱率較低的問題，通過改進現(xiàn)有金屬基印刷電路板的制作工藝，打穿熱通路部位的絕緣層、電路層以及阻焊保護層，讓金屬基板與LED背部直接接觸，由于除去了熱通路部位導熱率極低的絕緣層，整個MCPCB的傳熱路徑由原來的“金屬銅箔-絕緣層-金屬基板”直接變?yōu)橹挥幸粚印敖饘倩濉?，因此整個MCPCB的縱向導熱率即為金屬基板鋁或銅的導熱率，可較現(xiàn)有MCPCB的縱向導熱率提升近百倍。以下詳細說明本發(fā)明金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板的制備方法圖8A為本發(fā)明一個實施例的制備步驟1的示意圖。第一步提供一單面印刷電路板 101，至少含有一層電路層1011、一層絕緣層1012以及阻焊保護層1013，阻焊保護層1013 留有焊接位1014露出電路1015錫焊固定電子器件，而在電子器件熱通路部位無需預留銅箔散熱墊。該印刷電路板可按實際使用需求設計成單層電路板或者多層電路板，可采用普通FR4剛性電路板，亦可采用撓性電路板。圖8B為本發(fā)明一個實施例的制備步驟2的示意圖。第二步是單面印刷電路板101 背面貼一層粘結層103。該粘結層103可選用環(huán)氧膠膜、環(huán)氧玻纖布粘結片或者其他耐高溫的粘結材料，可允許在后續(xù)LED表面焊接時在回流焊爐高溫環(huán)境中仍保證其粘性。實際操作中，為保護粘結層103，可在其表面覆一層離型紙，粘合時再將其撕掉。圖8C是本發(fā)明一個實施例的制備步驟3示意圖。第三步是裁切熱通孔104及電路板101連同粘結層103的外圍形狀。熱通孔104大小形狀根據(jù)LED封裝背部的散熱墊而定。電路不能與熱通孔104相通，由絕緣介質1016隔斷，絕緣介質1016由阻焊保護層1013 向電路層1011空隙填充而成。圖8D是本發(fā)明一個實施例的制備步驟4示意圖。第四步是裁切金屬基板102外形并在一側表面形成凸包1031?？刹捎免k金沖裁工藝制成，可在要形成凸包1031的背部用沖模沖印一凹坑1032，金屬基板102 —般采用銅、鋁或其合金，均有良好的塑性，在塑性成形的作用下，即可形成凸包1031。凸包1031的高度略小于電路板101的厚度，凸包1031 大小形狀根據(jù)LED封裝背部的散熱墊而定。為了簡化形成凸包1031的模具結構和成本，凸包1031周壁可以為一斜面，與金屬基板102法向呈一定夾角Θ。在與LED錫焊結合時，由于焊劑與凸包1031的潤濕及毛細作用，焊劑會自動填充凸包1031周面夾角θ與通孔104 之間的狹縫，形成良好包覆，增加LED與電路板的焊接力。圖8E是本發(fā)明一個實施例的制備步驟5示意圖。最后第五步即為將電路板101 和金屬基板102壓合。將凸包1031與熱通孔104對齊，粘結層103在一定壓力和溫度作用下，將電路板101和金屬基板102緊密粘合。雖然已經參照所述實施例特別顯示和描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員將會理解，可以對其格式和細節(jié)作出改變，而不會脫離本發(fā)明的范圍。因此，以上描述意在提供本發(fā)明的示范實施例，而本發(fā)明范圍并不受此提供的具體范例的限制。
權利要求
1.一種通過金屬基板貫穿熱通路提升縱向導熱率的印刷電路板，包括一層單面印刷電路板，其特征在于可為剛性電路板，也可為撓性電路板；一層膠合粘結層，位于單面印刷電路板背部，其特征為耐高溫粘結材料；至少一個熱通孔，其特征在于貫穿單面印刷電路板及膠合粘結層；一層金屬基板，其特征在于與單面印刷電路板背面貼合，在熱通孔對應部位有凸臺，凸臺背面對應有凹坑。
2.根據(jù)權利要求1所述的單面印刷電路板，其特征在于可為單層電路板也可為多層電路板。
3.根據(jù)權利要求1所述的單面印刷電路板，其特征在于其背面有絕緣保護層，正面有阻焊保護層。
4.根據(jù)權利要求1所述的單面印刷電路板，其特征在于形狀大小可與金屬基板完全一致，與金屬基板貼合形成剛性金屬基電路板。
5.根據(jù)權利要求1所述的單面印刷電路板，其特征在于形狀大小可與金屬基板不一致，采用撓性電路板突出于金屬基板而形成一種軟硬結合金屬基電路板。
6.根據(jù)權利要求1所述的膠合粘結層，其特征在于膠合粘結層為環(huán)氧膠膜、環(huán)氧玻纖布粘結片或者其他耐高溫的粘結材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的熱通孔，其特征在于其外形與所承載的LED封裝背部散熱墊的形狀一致。
8.根據(jù)權利要求1所述的熱通孔，其特征在于熱通孔與周邊電路線保持一定距離，以防短路。
9.根據(jù)權利要求1所述的金屬基板，其特征在于金屬基板材料為銅、鋁或其合金。
10.根據(jù)權利要求1所述的金屬基板，其特征在于金屬基板厚度為0.5mnT3. 0mm。
11.根據(jù)權利要求1所述的金屬基板上的凸臺，其特征在于凸臺依靠相應形狀大小的沖頭沖壓其背部使金屬基板發(fā)生塑性變形而成形。
12.根據(jù)權利要求1所述的金屬基板上的凸臺，其特征在于凸臺高度應不高于單面印刷電路板的厚度。
13.根據(jù)權利要求1所述的金屬基板上的凸臺，其特征在于凸臺周壁與基板表面法向呈一定夾角。
14.根據(jù)權利要求1所述的金屬基板上的凸臺，其特征在于凸臺底部外形大小與熱通孔外形大小一致。
15.一種用于權利要求1所述金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板的制備方法，包括以下步驟(1)制備單面印刷電路板，可制成剛性電路板或撓性電路板、單層電路板或多層電路板；(2)在單面印刷電路板背面貼耐高溫的粘結材料；(3)在背膠后的單面印刷電路板上沖裁熱通孔及外形；(4)裁切金屬基板并沖印凸包；( 金屬基板凸包對應電路板熱通孔，壓合單面印刷電路板與金屬基板，形成一種金屬基板貫穿熱通路的印刷電路板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提升傳熱效率尤其是縱向導熱率的金屬基印刷電路板及其制備方法，該金屬基印刷電路板包括一層單面印刷電路板、一層帶凸臺與凹坑結構的金屬基板、一層膠合粘結層將電路板與金屬基板粘為一體、以及至少一個熱通孔貫穿單面印刷電路板及膠合粘結層。由于去除了現(xiàn)有金屬基印刷電路板傳熱路徑中的瓶頸部位——絕緣層，本發(fā)明使金屬基板凸臺通過熱通孔與電路板表面電子器件的散熱部位直接貼合，其縱向導熱率較現(xiàn)有的金屬基印刷電路板可提升近百倍，可解決目前高功率發(fā)光二極管(LED)應用過程中金屬基印刷電路板(MCPCB)縱向熱阻過大的問題，尤其適用于單顆封裝功率在5W以上的LED。
文檔編號H05K1/02GK102404933SQ20111035763
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月12日 優(yōu)先權日2011年11月12日
發(fā)明者葛豫卿 申請人:葛豫卿