Led照明模块组件的制作方法

专利名称：Led照明模块组件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及照明组件。特别是，其涉及一种LED照明模块组件。 特别是，涉及一种LED照明模块组件，用于大功率LED阵列，其具有受控 的导热通道和散热片以去除由LED和相关电子设备的运行而产生的热量。
2. 相关技术
使用发光二极管(LED)作为光源的照明模块现在广泛用于各种照明系 统中，包括汽车系统。因为其可在单位面积提供相对较高的光输出，以及可 根据不同配置灵活地排列为模块化灯阵列，目前LED照明模块组件的商业需 求在增强。
特别值得注意的是更强光输出，更高功率LED的发展和近来商业的可用 性，如那些由InGaAIP或InGaN半导体材料制成的，其使用功率在l-5W以 及更高的范围。这些高功率，强光输出的LED通常有推荐的温度运行限制。 这些限制中的一个是详细说明关于制成该LED的p-n结的最大温度，并被称 作结温。例如，在一个商业上可用的InGaAIPLED设备的例子中，最大结温 (r》具体为125°C。其他使用不同半导体材料和/或工艺方法制造的LED设 备具有不同但是相似的运行温度限制。而主要的发展用来改进LED的光输出 以及减小其尺寸，其商业化某种程度上受到去除增加的热量相关困难的部分 限制，这些热量是由使用现有的电子封装技术和照明模块设计的大功率设备 产生的。现在，这种LED通常使用标准G10/FR4， CEM和其他印刷电路板 材料以及它们相关的组件封装和结合技术而封装为照明模块，而不使用散热 片或其他从这些模块去除增加的热量的装置，以及也不改进这些照明模块的 热量管理和控制。
除了这些LED增加的功率消耗，还需要增加LED在电路板上的封装密 度，而成为更密的阵列和其他构造，其相当于每单位面积更强的光输出，但 是也增加功率密度和这些设备的运行温度，并且进一步使相互结合的照明模 块的热量管理以及维持必需的运行限制，如7>等相关问题复杂化。这是一 个高密度LED阵列的特别的例子。然而，封装密度的增加受到上述热量管理 问题的限制。
除了上述与封装大功率，高密度LED的限制之外，目前用于照明模块应 用的LED电子封装技术的工艺水平并不能特别好地适用于使用高容量组件 方法的处理和组装。例如，使用标准技术在电路板上用LED回流焊接进行表 面安装，对于许多最新发布的LED大功率包来说，既在目前不可行，和/或 是极端困难的。另外，前述的进入，穿过和围绕该LED照明模块的热量通道 和/或散热片的高容量自动化控制和集成到现在为止还没有大规模的论证。
因此，需要克服LED照明模块组件相关技术的限制。

发明内容
一方面，本发明提供了一种LED照明模块组件，其包括至少一个LED， 其可连接在一个LED托板的第一表面，该LED托板在第二表面上具有托板 金属喷镀； 一个柔性电路板，包括一个第一金属喷镀层， 一个绝缘层和一个 第二金属喷镀层，该绝缘层位于该第一金属喷镀层和第二金属喷镀层之间， 该第一金属喷镀层上设有至少一个LED连接垫板，该连接垫板具有至少一个 穿过该绝缘层的通孔，该通孔具有一个通孔金属喷铍层，其连接该第一金属 喷镀层和该第二金属喷镀层； 一个第一连接装置，用于连接该托板金属喷镀 层与该LED连接垫板，其意味着可用于提供一条在该LED和该LED连接垫 板之间的较佳的热量传导通道； 一个金属散热片，具有一个基体和多个从该 基体延伸出的凸出的冷却翅片；这些翅片互相间隔；以及第二连接装置，用 于连接该第二金属喷镀上距该连接垫板和该通孔最近的部分与该金属散热 片，其意味着可用于提供一条在该第二金属喷镀层和该金属散热片之间的较 佳的热量传导通道。该LED照明模块组件可用广泛用于各种照明系统，包括 汽车系统。
第二方面，本发明的LED照明模块组件可包含多个LED光源，包括LED 间隔阵列。该LED间隔阵列可具有如16.7mm中心距的间隔。
本发明的第三方面，该LED照明模块组件可具有的总的功率输出在
10-14W范围内，同时保持结温低于大约125°C。
本发明的第四方面，该柔性电路板可使用各种镀铜柔性绝缘材料，包括 柔性聚合体绝缘材料，并且特别地包括聚酰亚胺基聚合体，聚酯基聚合体和 聚乙烯酯基聚合体。
本发明的第五方面，与该多个LED关联的连接垫板中的每一个界定出一 个面积为196mm2或更大的传导通道。
本发明的第六方面，该金属散热片从由铜合金，铝合金和镁合金组成的 组中选取。
本发明的第七方面，该金属散热片具有分开的，大体上平行的翅片阵列。 为了自然和非强制对流冷却该金属散热片，该分开的翅片之间的中心距的范 围为6-8mm，并且高度范围大约为6-10mm。
本发明的第八方面，本发明的LED照明模块组件可以使用表面安装LED 和其他电子组件组装，如电容器，电阻和集成电路驱动器，其可安装在该柔 性电路板上并且使用单回流操作组装。进而，通过选择合适的第二连接装置， 如热固型环氧树脂粘合剂，该柔性电路板可使用相同的用于流回表面安装组 件的热循环而与该散热片连接。


本专利或申请文件包含至少一幅彩色绘制的图。带有彩色附图的专利或 专利申请公开文本的副本可以由官方提供，在提出请求并支付必要费用情况 下。当下面的具体描述和附图考虑时，本发明的这些和其他特征及好处可以 更容易理解，其中
图l是本发明的LED照明模块组件的立体图2是图1中的LED照明模块组件的分解图3是柔性电路板上表面的立体图4是图3的柔性电路板的下表面的立体图5是具有通孔的连接垫板的立体图6是图5的连接垫板的放大部分的立体图7是说明LED和LED托板安装在带子上，如用于带子和巻轴处理系 统，以及托板的底面，包括托板金属喷镀；
图8是LED和LED托板的立体图，其连接在柔性电路板上； 图9是本发明的LED照明模块组件的局部剖视图10是散热片的立体图；以及 图11是图10中沿11-11的剖视图。
具体实施例方式
参考图1-11,本发明是一种LED照明模块组件IO，用于多种照明系统， 包括汽车照明系统。该LED照明模块组件10包括至少一个LED12，其可操 作地连接在一个LED托板16的第一表面14上(图1和8)。该LED托板16 在第二表面20上具有托板金属喷镀层18。该LED照明模块组件10也包括 一个柔性电路板22，其包括一个第一金属喷镀层24， 一个绝缘层26和一个 第二金属喷镀层28。该绝缘层26位于该第一金属喷镀层24和该第二金属喷 镀层28之间。该第一金属喷镀层24上设有至少一个LED连接垫板。连接垫 板具有至少一个通孔32或开口 ，其从该第一金属喷镀层24穿过该绝缘层26 延伸至该第二金属喷镀层28。该通孔32具有围绕其周边34的通孔金属喷镀 层36，其与该第一金属喷镀层24和该第二金属喷镀层28相结合。该LED 照明模块组件10也包括一个第一连接装置38，用于将该托板的金属喷镀层 18与该LED连接垫板30相连接。该第一连接装置38可用于提供一条在该 LED 12和该LED托板16以及该LED连接垫板30之间的较佳的热量传导通 道。该LED照明模块组件10还包括一个金属散热片40，其具有一个基体42 和多个凸出的冷却翅片44，冷却翅片44由该基体42向外延伸并且彼此之间 分离。该LED照明模块组件还包括一个第二连接装置46，用于连接该第二 金属喷镀层28上最接近该连接垫板30的部分48和该金属散热片40的通孔。 该第二连接装置46可用于提供一条在该第二金属喷镀层和该金属散热片40 之间的较佳的热量传导通道。这些LED照明模块组件10的部件将在下面详 细的描述。
本发明的LED照明模块组件10特别适用于容置大功率，强光输出的 LED,如那些具有以热量形式大约为l-5W的功率输出的LED,通常如图7 和图8所示的LED。这些LED可由InGaAIP和InGaN或其他合适的众所周 知的半导体材料制成。这种LED的例子如Osmm Opto半导体股份有限公司 制造的型号为LA W57B-FYGY-24和LY W57B-FIGY-26的产品。基于热量模 型分析，可以相信本发明的LED照明模块组件10适于在该组件的所有LED 的组合热量输出下运行，大约在10-14W之间，同时将该模块所有设备的结 温维持在最大推荐结温(其大约为125°C，依赖于特定的LED和用在其结构
中的下层半导体材料)以下，直到环境运行温度升至大约58。C。该LED 12 安置或封装入一个己知结构的托板16以有利于该LED 12设备的维护以及封 装入更高程度的电子组件。这些封装通常具有两个金属导线，其用于向该 LED12提供电力。LED12安装在LED托板16的第一表面，通常是上表面。 LED托板16还包括在第二表面，也就是通常与该第一表面相对的下表面， 的一个托板金属喷镀层18，其用于提供托板16与一个底层的物理连接，也 是在LED 12运行期间从LED托板16和LED 12散热的热量传导通道。
LED 12和LED托板16安装在柔性电路板22上(见图1和图8)。柔性 电路板22用于向LED 12和LED托板16提供电力，也是这些设备的物理连 接装置。柔性电路板22作为电子封装的中间层，并且提供一个供应更高级别 LED设备必要的电输入和机械封装。柔性电路板22是一个双面电路板，具 有位于该第一金属喷镀层24和该第二金属喷镀层28之间的绝缘层26。在图 1-11的实施例中，第一金属喷镀层24用于设置电路通道以向LED托板16 的接头19提供电信号。第一金属喷镀层24也作为一个热传导通道，以扩散 由遍及该柔性电路板22的上表面大部分的LED产生的热量，并且从而提供 一个从该第一金属喷镀层24穿过该绝缘层26至该第二金属喷镀层28的替代 或第二热量传导通道，在该第二金属喷镀层28然后经过导热胶46传导至该 散热片40。因此，需要将该第一金属喷镀层24设计成尽可能多地覆盖该柔 性电路板22上表面，同时仍允许设置通向该LED和其他电子设备的必要电 路路径，其可安装在该电路板的这一侧。第二金属喷镀层28用作电路板的热 底板以及作为热传导通道的一部分，从该LED 12和LED托板16穿过其到 该散热片40。第二金属喷镀层28也可用于提供电路通道，众所周知，既可 与该第一金属喷镀层24中的电路通道分离，也可与之相连。第一金属喷镀层 24和第二金属喷镀层24可使用导电性通孔或其他装置电连接。在托板金属 喷镀层18不是电中性的情况下(例如，形成向该LED加电压的电路的一部 分)，通常优选提供在第二金属喷镀层28和金属散热器40之间的电绝缘，如 通过使用一个电绝缘的第二连接装置46，或通过将该金属散热片40电绝缘 (如，通过阳极氧化)或通过在第二金属喷镀层28的上表面的一部分上使用 一个第二绝缘焊接掩模52。柔性电路板22从用于第一金属喷镀层24，绝缘 层26和第二金属喷镀层28的材料的厚度获取柔性。虽然相对于维护以及能 够结合非常适合高容量，自动化组装和制造的带子、巻轴维护设备使用该柔 性电路板而言，该电路板的柔性是所希望的，但是电路板22的柔性对于本发明并不是必要的。，柔性电路板22也可以用刚性电路板代替，具有与其类似 尺寸，以及与本发明的LED照明模块组件相一致的电子特性和热特性。将绝 缘层26的厚度减到最小是可取，以便改进该热量传导通道，该绝缘层26是 其中一部分。绝缘层26优选为25微米厚，并且可以使用任何适合的绝缘材 料。包括聚酰亚胺基材料和聚乙烯酯基材料(polyethylene napthalate based)。 第一金属喷镀层24和第二金属喷镀层28可具有任何适合的厚度，依赖于特 定的应用。在一个示例性实施例中，第一金属喷镀层厚度大约为50微米，第 二金属喷镀层厚度大约为35微米。第一金属喷镀层24和第二金属喷镀层28 可由任何在印刷电路板制造中使用的许多已知镀金属方法制得，包括许多已 知的铜合金的任何一种。在图1-11的作为示例的实施例中，第一金属喷镀层 24优选地连接在绝缘焊接掩模50的外表面上(见图5， 6和8)。焊接掩模 50用于绝缘和保护电路的下层元件，并且设有第一金属喷镀层24的一部分， 其用于连接和结合接头19和托板金属喷镀层18。第一金属喷镀层24的第一 部分23用于连接和结合接头19，而第一金属喷镀层24的第二部分用作连接 垫板30，用于结合和连接托板金属喷镀层18。连接垫板30结合有至少一个 通孔32，其贯穿第一金属喷镀层24，绝缘层26和第二金属喷镀层28。通孔 32也包括一个通孔金属喷镀层36，其与第一金属喷镀层24和第二金属喷镀 层28的关联部分结合并与他们连续。如果多个连接垫板30连同多个关联的 LED 12和LED托板16 —起使用，每个连接垫板30包含至少一个通孔32; 然而，优选地是连接垫板30包含多个通孔32。通孔32可通过冲压或钻孔成 形，包括机械的或激光钻孔，或使用其他公知技术以形成通孔。通孔金属喷 镀层36可利用任何适合技术增加在柔性电路板22上，包括通孔金属喷镀层 36的电镀和非电镀。柔性电路板22可通过使用制造双面柔性电路板的公知 方法镀上第一金属喷镀层24和第二金属喷镀层28制造。
LED照明模块组件10也包含第一连接装置38，将该拖板金属喷镀层18 与该连接衬板30结合。该第一连接装置38可用于提供在热源之间的较佳的 热量传导通道，即LED 12和关联的LED托板16， 一直到LED连接衬板30。 按照一个较佳的热量传导通道，其意味着该传导通道比其他通道可更好地去 除LED 12和LED托板16的热量，如传导和/或辐射热能。该第一连接装置 38优选地为焊接层，其以锡膏或锡片的形式用在该第一金属喷镀层24的第 一部分23和第二部分25上。然后，LED托板16可放置在柔性电路板22的 这些部分上。按照这种布置，该LED托板和柔性电路板可受到一个热源，如
带状红外烤箱，以便回流锡膏并且分别在拖板接头19和第一金属喷镀层24 的第一部分23和托板金属喷镀层18和第一金属喷镀层24的第二部分25之 间形成连接点(见图8和9)。任何合适的焊接材料可用于第一连接装置38 ， 包括许多公知的铅基焊料的任何一种，也包括许多不含铅焊料。另外，可以 相信许多导热胶可作为第一连接装置38适用于实施例，如许多导热环氧树脂 胶。
LED照明模块组件10也包括一个金属散热片40，其使用第二连接装置 46连接在柔性电路22上。第二连接装置46优选地是一个导热胶层，其可用 于散热片40的上表面49或柔性电路板22的下表面29中两者之一或两个。 第二连接装置46可用于提供在该第二金属喷镀层28和该金属散热片40之间 较佳的热量传导通道，特别是在第二金属喷镀层28上里第一连接装置38最 近的部分48。这也提供了较佳的热传导通道的连续性，其在LED12和托板 16之间通过第一连接装置38，第一金属喷镀层24，通孔金属喷镀层36和第 二金属喷镀层28，也通过第二连接装置46上离LED连接垫板30最近的部 分，并到达散热片40。许多导热胶的任意一种可用作第二连接装置46，包括 许多导热环氧树脂胶。 一个合适的导热胶的例子是3M公司标记为TC2810 的导热环氧树脂胶。这种材料是氮化硼填充，两部，导热环氧树脂胶。
金属散热片40具有一个基体42和多个凸出的、从该机体42向外延伸并 且互相分开的冷却翅片44。在一个较佳实施例中，冷却翅片44具有如图10 和图ll所示的锥状外形。凸出的冷却翅片44彼此之间关于轴A平行，其定 义在该凸出的冷却翅片44的顶端。在LED照明模块组件10的许多应用中， 在运行该模块时，仅用自然发生或非强制对流而从该散热片40去除LED 12 产生的热量是可取的。在这种情况下，申请人确定存在一个较佳的凸出冷却 翅片44的构造，其可在所有LED的组合热负荷在10-14W之间且周围温度 升至58。C时，是LED的结温保持在最大推荐结温(例如，125°C)以下。这 种构造包括一个凸出的冷却翅片44的中心距为6-8mm。在这种构造中，其 优选地是该凸出的冷却翅片44具有高出基体的最大高度(H2)在大约6-10mm 的范围内，进一步优选地是翅片具有锥形厚度外形，并且从顶端厚度(T》 到根厚度(T2)的锥度依照图ll所示的倾斜角(a)。可以相信的是用于浇铸 和铸造镁合金和铝合金的金属散热片的最小顶端厚度大约在1.0-1.5mm之 间，各自不需要随后的机械加工。进一步优选地是该金属散热片40的基体 42的厚度或高度(H》为3mm或更大。虽然任何适合的金属可用于金属散
热片40，可以相信铜合金，铝合金和镁合金是较佳的，特别是为了浇铸和铸 造散热片40。
表1提供了关于LED照明模块组件10的一个实施例的不同部件的厚度， 热膨胀系数和导热性的信息，特别是与此处所述的较佳热量传导通道有关的 部件。如上所述，为保持结温低于最大推荐结温125"C，用在LED照明模块 组件10的LED之间最小中心距大约为16.7mm。也可确定连接垫板30的面 积是关于该较佳热量传导通道的效率和维持LED温度低于最大推荐结温的 能力的重要的需要考虑的事项。在这方面，连接垫板30的最小面积确定为大 约196mm2。连接垫板30可被部分覆盖并在焊接掩模50下延伸。
厚度热膨胀(CTE)热传导(k)
第一连接装置(PbSn焊料)100,28.736
焊接掩模35|amXX0.20
第一金属喷镀层(铜合金)50,17391
绝缘层(聚乙烯酯)25|jm200.12
第二金属喷镀层(铜合金)35}im17391
导热胶36(im621
散热片机体(H》5,21109
散热片翅片(H2)7fjrn21109
本发明的LED照明模块组件使用表面安装LED和其他电阻组件组装， 如电容器，电阻和集成电路驱动器，其可安装在该柔性电路板上并且使用单 回流操作组装。进而，通过选择合适的第二连接装置，如热固型环氧树脂胶， 该柔性电路板可使用相同的用于流回表面安装组件的热循环而与该散热片连 接。
显然，依照上述教导，可对本发明进行多种修改和变化。因此，可以理 解的是在所附权利要求的范围之内，本发明可以与所做详细描述不同的方式 实现。
权利要求
1、一种LED照明模块组件，包括至少一个LED，其可连接在一个LED托板的第一表面，所述LED托板在第二表面上具有托板金属喷镀层；一个柔性电路板，包括一个第一金属喷镀层、一个绝缘层和一个第二金属喷镀层，该绝缘层位于该第一金属喷镀层和第二金属喷镀层之间，该第一金属喷镀层上设有至少一个LED连接垫板，该连接垫板具有至少一个穿过该绝缘层的通孔，该通孔具有一个连接该第一金属喷镀层和该第二金属喷镀层的通孔金属喷镀层；一个第一连接装置，用于连接该托板金属喷镀层与该LED连接垫板，其意味着可用于提供一条在该LED和该LED连接垫板之间的较佳的热量传导通道；一个金属散热片，具有一个基体和多个从该基体延伸出的凸出的冷却翅片；这些翅片互相间隔；以及第二连接装置，用于将该第二金属喷镀层上距离该连接垫板和该通孔最近的部分与该金属散热片连接，其意味着可用于提供一条在该第二金属喷镀层和该金属散热片之间的较佳的热量传导通道。
2、 根据权利要求1所述的组件，其中，所述至少一个LED包括多个LED， 其与相应的多个连接垫板和至少多个相应的通孔相关。
3、 根据权利要求2所述的组件，其中，该多个LED排列为分开的LED 阵列。 '
4、 根据权利要求3所述的组件，其中，该分离阵列具有的LED中心距 大约为16.7mm或更大。
5、 根据权利要求2所述的组件，其中，该多个LED的最大功率输出在 10-14W热负荷的范围内。
6、 根据权利要求1所述的组件，其中，所示第一连接装置包括位于该第 一金属喷镀层和第二金属喷镀层之间，并且通过冶金连接与之结合的金属合 金。
7、 根据权利要求6所述的组件，其中，该第一金属喷镀层和该第二金属 喷镀层包括铜合金。
8、 根据权利要求7所述的组件，其中，其中金属合金是焊料。
9、 根据权利要求9所述的组件，其中，该焊料是不含铅焊料。
10、 根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一连接装置包括一个导 热胶。
11、 根据权利要求1所述的组件，其中，所述第二连接装置包括一个导 热胶。
12、 根据权利要求ll所述的组件，其中，该导热胶为导热环氧树脂。
13、 根据权利要求1所述的组件，其中，金属散热片包括从由铜合金， 铝合金和镁合金组成的组中选取的金属。
14、 根据权利要求1所述的组件，其中，该金属散热片的凸出翅片以大 体上平行的翅片阵列间隔分开。
15、 根据权利要求1所述的组件，其中，间隔分开的翅片的中心距在 6-8mm范围内。
16、 根据权利要求15所述的组件，其中，该翅片高出基体的高度在 6-10mm范围内。
17、 根据权利要求16所述的组件，其中，该翅片具有锥形厚度外形，对 应于一个倾斜角的从顶端厚度到根厚度的锥度，并且其中该顶端厚度小于大 约1.5mm并且该倾斜角的范围在1-4度。
18、 根据权利要求17所述的组件，其中，该基体的厚度为3mm或更大。
19、 根据权利要求2所述的组件，其中，该至少一个通孔包括多个间隔 分开的通孔，其与该多个LED中的的每个相关联。
20、 根据权利要求19所述的组件，其中，各该连接垫板设有传导通道， 面积为196mn^或更大。
21、 根据权利要求1所述的组件，其中，所述绝缘层是聚合体。
22、 根据权利要求21所述的组件，其中，该聚合体从由聚酰亚胺基聚合 体，聚酯基聚合体和聚乙烯酯基聚合体组成的组中选取。
23、 根据权利要求1所述的组件，进一步包括一个第一绝缘焯接掩模， 用于覆盖该第一金属喷镀层的外表面，以及一个第二绝缘焊接掩模，用于覆 盖该第二金属喷镀的外表面。
全文摘要
一种LED照明模块组件(10)，其使用大功率、强光输出LED，包括一个窄的柔性电路板(22)，其带有表面安装LED(12)和其他电子组件，其使用一个导热胶(46)连接在一个金属散热片(40)上，导热胶如导热环氧树脂胶。通过包含一个或多个在该连接垫板(38)区域上的热传导通孔(32)，而从该LED托板(16)经过该柔性电路板(22)的传导通道，连接垫板用于连接LED(12)至该柔性电路板(22)。这些通孔(32)提供从该LED托板(16)穿过该电路板至导热胶(46)和散热片(40)的传导通道。该LED照明模块组件(10)能够在消耗大约10-14W之间功率同时不超过大约125℃最大LED结温。
文档编号F21V29/00GK101180498SQ200680008434
公开日2008年5月14日 申请日期2006年2月16日 优先权日2005年2月17日
发明者格雷格·尤金·伯克霍尔德 申请人:费德罗-莫格尔公司