专利名称：一种带液/汽相变传热基板的印刷电路板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种提升纵向导热率及横向热扩散效率的印刷电路板及其制备方法，主要用于解 决超高功率发光二极管(LED)应用过程中的散热问题。
背景技术：
LED目前已在照明领域得到广泛应用，单颗3W以上的LED普遍都会采用金属基印刷电路板(MCPCB)作为电路及散热基板。现有的MCPCB由于采用金属基板(一般为铜基板或铝基板)，导热率相比以前IW以下LED采用的普通FR4印刷电路板(PCB)有了较大的提升。然而，尽管铝基板甚至铜基板有很好的热导率，分别可达205W/mK和380W/mK，但由于电绝缘的需要以及制备工艺的限制，目前的MCPCB电路层和金属基板之间都有一层绝缘层。该绝缘层的导热率只有O. 2 2. Off/mK左右，导致现有MCPCB的纵向导热率只有I 4W/mK,视采用绝缘层的材质。随着目前LED封装水平的不断提高,大尺寸芯片(Large-scaleChip)和多芯片(Multi Chip)封装越来越多，功耗越来越高，对载体基板提出了更高的散热要求，现有的MCPCB在应用中已经出现了诸多的问题，其中最主要的一个原因就是因为散热不充分导致LED失效。LED在使用中由于70 90%的能耗会被转化为热能，如不能及时将热量散发出去，将会导致LED节温过高，造成发光效率下降，降低LED寿命，严重时更可能直接烧毁芯片。LED由于封装结构的限制，前端为了透光一般采用高透光率的环氧树脂、塑料或者玻璃等材料，导热率均较低。特别是在使用塑料透镜或玻璃盖片封装时，为了保护LED晶片与封装基板直接的晶线，塑料透镜或玻璃盖片与LED晶片并没有直接接触而是预留一定的空隙，因此LED应用中，热量从前端散发的比例极少，90%以上的热量都需要以热传导的方式从LED封装基板背部经由电路板最后传至散热器。应用中，LED—般都需要焊装在电路板上供电，热量也需要穿透电路板才能到达其背面的散热器件。因此，LED的散热的好坏主要可从三个级别来考量一是封装级散热主要取决于LED封装热阻的高低；二是板极散热主要取决于MCPCB的纵向导热能力及横向热扩散能力；三是系统级散热主要取决于整个外部散热系统的结构和布局。由于现有MCPCB的纵向导热率较低，已成为高功率LED整个散热路径的瓶颈，所以本实用新型主要集中于板级散热，解决现有金属基印刷电路板热阻过大的问题，通过采用液/汽相变传热装置基板，提升纵向导热率及横向热扩散效率。
发明内容本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板主要针对现有金属基印刷电路板纵向导热率仍较低的问题，在提升电路板传热效率方面主要采取了两项措施一是通过打穿传统金属基印刷电路板热通路部分的瓶颈一绝缘层，填充导热性能良好的焊锡，较现有金属基印刷电路板可大大提升纵向导热率；二是采用了液/汽相变传热基板，通过基板封闭的工作液体的汽/液相变来传递热量，热阻极小，具有很高的导热能力，横向热扩散效率较传统金属基板得到几个数量级的提升。因此该带液/汽相变传热基板的印刷电路板与铜、铝等传统金属基电路板相比，由于纵向导热率和横向热扩散效率都得到新的突破，因此单位重量可多传递几个数量级的热量。本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板主要由三层构成印刷电路板、液/汽相变传热基板以及连接印刷电路板和液/汽相变传热基板的粘结层。液/汽相变传热基板可为均热板或者扁平热管，主要是利用工作液体的汽/液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。该液/汽相变传热基板主要由壳体、毛细吸液芯及工作液体组成。壳体为铜或铜合金材料；毛细吸液芯紧贴于壳体内壁，可为金属丝网、烧结粉末或者微沟槽等构成的毛细孔隙结构；毛细吸液芯含有一定量的工作液体，可在毛细力作用下在毛细吸液芯内流动；毛细吸液芯在两平面中间留有通道，供工作液体受热蒸发汽化后流动。液/汽相变传热基板为一封闭的腔体，周边会设有一个抽/排气、灌注、密封口，将液/汽相变传热基板内部抽成负压，可降低工作液体的沸点，并灌注适量的工作液体后密封，工作液体可为水、乙醇、丙酮等。粘结层为环氧胶膜、环氧玻纤布粘结片或者其他耐高温的粘结材料，可允 许在后续LED表面焊接时在回流焊炉高温环境中并不破环粘结属性。印刷电路板又有至少三层结构至少一层电路层、与液/汽相变传热基板贴合的绝缘层、以及与暴露于外部的阻焊保护层。所述的印刷电路板可为刚性电路板，也可为挠性电路板；可为单层板、双层板甚至多层板。在印刷电路板和粘结层的热通路部位有热通孔，热通孔内部填充有焊锡，与液/汽相变传热基板表面接触焊合。焊锡可为Sn/Cu、Sn/Ag、Sn/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Bi、Sn/Cu/Bi、Sn/Cu/Ni等合金。由于焊锡上表面直接与LED散热部位通过锡焊贴合，而下表面直接与液/汽相变传热基板焊合，形成全为导热率优良的锡焊合金形成的热通路。LED的发热量可透过焊锡传至液/汽相变传热基板，焊锡附近的毛细吸液芯液一汽分界面上的工作液体蒸发吸收热量，蒸汽在压差作用下迅速向四周流动扩散至温度较低的汽一液分界面凝结为液体并释放出热量。热量从汽-液分界面通过毛细吸液芯、工作液体和壳体传给散热装置。在毛细吸液芯内冷凝后的工作液体在毛细作用回流到蒸发面进行补充，如此循环往复，完成热量传递。本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板，具有非常灵活的空间适应能力，其电路板和液/汽相变传热基板可以根据空间要求任意配置其电路板可完全贴附于液/汽相变传热基板表面形成一种刚性板；电路板也可以突出于液/汽相变传热基板形成一种软硬结合电路板，以满足布线美观并节省外部布线空间的需求，适于产品的轻薄化设计；另外在很多产品设计中，因为空间布局的局限，很多情况下电路板背部不一定有散热的空间，此时可以根据整体需要，其液/汽相变传热基板也可以延伸至电路板外部，从而可将电路板上电子器件散发的热量传到空间和位置相对适合放置散热器件的地方。由于液/汽相变传热基板具有优良的等温性，因此与普通金属基板相比，具有更强的空间适应性，并不会因为其形状的改变延伸而大幅降低其传热性能。
图I是本实用新型一个实施例的层状截面示意图图2是本实用新型控制焊锡填充表面形貌意图图3是本实用新型一个实施例的具有多层电路的截面示意图图4是本实用新型一个实施例与LED贴合示意图[0011]图5是本实用新型一个实施例背贴散热器的示意图图6是本实用新型一个实施例的电路板完全贴附在液/汽相变传热基板的透视图图7是本实用新型一个实施例延伸电路板的透视图图8是本实用新型一个实施例延伸液/汽相变传热基板的透视图
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。在不脱离本实用新型范围的情况下，可以对其作出结构和其它方面的改变而作为其它实施例，各个实施例及其每个不同实施例的各个方面可以以任何合适的方式组合使用。所以，附图和详述本质上将被看作是描述性的而非限制性 的。图I为本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板的一个实施例的层状截面示意图。该带液/汽相变传热基板的印刷电路板主要由三层构成印刷电路板101、液/汽相变传热基板102以及连接印刷电路板101和液/汽相变传热基板102的粘结层103。液/汽相变传热基板102可为扁平热管、均热板等利用液体工质在封闭腔体内通过蒸发冷凝相变传热的装置或器件。由于主要是利用工作液体的汽/液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。液/汽相变传热基板102主要由壳体1021、毛细吸液芯1022及工作液体组成。壳体1021为铜或铜合金材料；毛细吸液芯1022紧贴于壳体1021内壁，可为金属丝网、粉末烧结或者微型沟槽等构成的毛细孔隙结构；毛细吸液芯1022含有一定量的工作液体，可在毛细力作用下在毛细吸液芯1022内流动；毛细吸液芯1022在两平面中间留有通道1023，供工作液体受热蒸发汽化后流动。液/汽相变传热基板102为一封闭的腔体，内部抽成负压，可降低工作液体的沸点，工作液体可为水、乙醇、丙酮等。粘结层103为环氧胶膜、环氧玻纤布粘结片或者其他耐高温的粘结材料，可允许在后续LED表面焊接时在回流焊炉高温环境中并不破环粘结属性。印刷电路板101又有至少三层结构至少一层电路层1011、与液/汽相变传热基板102贴合的绝缘层1012、以及与暴露于外部的阻焊保护层1013。在印刷电路板101和粘结层103的热通路部位有热通孔104，热通孔104内部填充有焊锡105，与液/汽相变传热基板102表面接触焊合。热通孔104可为方形、矩形、圆形、椭圆形或多边形。焊锡 105 可为 Sn/Cu、Sn/Ag、Sn/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Bi、Sn/Cu/Bi、Sn/Cu/Ni等合金。在热通孔104边缘处，电路层1011留有一圈铜箔1014，可被锡焊熔剂润湿，在表面张力作用下可控制锡焊熔剂液面凸起或凹陷，从而只要填入合适量的焊锡，可使焊锡105表面呈平整状态，且与电路层1011平齐。电路层1011的电路引脚1015透过阻焊保护层1013上的空白孔1017与LED电极相连。电路引脚1015可更根据电气需要与热通孔104边缘处的铜箔1014连接或是绝缘断开。由于焊锡105上表面可直接与LED散热部位通过锡焊贴合，而下表面直接与液/汽相变传热基板102壳体1021接触，形成全为导热率优良的锡焊合金形成的热通路。LED的发热量可透过焊锡105传至液/汽相变传热基板102，焊锡105附近的毛细吸液芯1022液一汽分界面上的工作液体蒸发吸收大量热量，蒸汽在压差作用下迅速向四周流动扩散至对面温度较低的汽一液分界面凝结为液体并释放出热量。热量从汽-液分界面通过毛细吸液芯1022、工作液体和壳体1021传给散热装置。在毛细吸液芯1022内冷凝后的工作液体在毛细作用回流到蒸发面进行补充，如此循环往复，完成热量传递。该发明带液/汽相变传热基板的印刷电路板主要传热效率提升方面采取了两项措施一是通过打穿热通路部分的瓶颈(绝缘层)，填充导热性能良好的焊锡，较现有金属基印刷电路板可大大提升纵向导热率；二是基板通过工作液体的汽/液相变传热，热阻很小，具有很高的导热能力，横向热扩散效率较传统金属基板得到大幅提升。因此该带液/汽相变传热基板的印刷电路板与铜、铝等传统金属基电路板相比，由于纵向导热率和横向热扩散效率都得到突破，因此单位重量可多传递几个数量级的热量。图2为本实用新型控制锡焊填充表面形貌示意图。液/汽相变传热基板102的壳体1021材料为铜或铜合金，其表面可被锡熔液润湿，因此锡液205底面可与液/汽相变传热基板102完好的物理焊合，形成良好的热接触面。由于在热通孔104边缘处，电路层1011可留有一圈铜箔1014，铜箔1014可被锡液205润湿，在润湿作用下，锡液205会爬升至铜箔1014上层边缘。此时，在表面张力作用下不同的锡液量会导致不同的液面形态如果填充 的锡液205过量，液面呈凸起形态2051 ;如果填充的锡液205不足，液面呈凹陷形态2052 ；如果填充的锡液205刚好适量，则可形成平整液面2053，固化后则可保证锡焊填充表面与电路层1011持平。如果在热通孔104边缘处，电路层1011没有留出一圈铜箔1014，则热通孔104表面无法与锡液205润湿，锡液205不会向上爬升，只会吸附于液/汽相变传热基板102表面，这样无论锡液205量多或量少，都只能呈现凸起表面，不利于SMT工艺。图3为本实用新型另一个实施例，具有多层电路的带液/汽相变传热基板的印刷电路板的层状截面示意图。同样由三部分组成印刷电路板101、液/汽相变传热基板102以及连接印刷电路板101和液/汽相变传热基板102的粘结层103。与上一个实施例的不同之处在于该印刷电路板101为双层印刷电路板，具有两层电路层1011和绝缘层1012。热通孔304贯穿粘结层103和印刷电路板101的所有层。在热通孔304内部有焊锡305，与液/汽相变传热基板102表面接触焊合。在热通孔304边缘处，最表层电路层3011留有一圈铜箔3014，可被锡焊熔剂润湿，同样只需填入合适量的焊锡，在表面张力作用下控制锡焊熔剂液面凸起或凹陷，使焊锡305表面呈平整状态，且与最表层电路层3011上表面平齐。依此类推，本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板可为更多层印刷电路板。图4为本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板与LED贴合后的示意图。印刷电路板101通过锡焊层402固定连接LED 401，新的锡焊层402与原有锡焊填充熔合形成最终焊锡405 ;或者在一次性填充焊锡405和锡焊402，然后直接表面贴装LED 401。由于LED 401背部散热区域通过焊锡405与液/汽相变传热基板102相连，形成全由导热良好的金属构成的热路径，纵向导热率大大提高；加上采用液/汽相变传热基板，热阻极小，横向热扩散效率较传统金属基板得到大幅提升。从而LED 401散发的热量可快速地通过焊锡405传递给液/汽相变传热基板102，然后经由液/汽相变传热基板102向四周横向快速扩散并向背部纵向传递。图5为本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板背贴散热器的示意图。在印刷电路板上通过锡焊402焊接固定LED 401，LED 401电极与电路板101上的电路层接通，同时散热区域与锡焊405连接。在液/汽相变传热基板102背面通过贴附热界面材料506连接散热器件507。LED 401散发的热量经由锡焊405快速地传递给液/汽相变传热基板102，在液-汽-液高效相变传热的推动下，热量向四周横向快速扩散并向背部纵向传递给散热器件507。图6是本实用新型一个实施例的电路板完全贴附在液/汽相变传热基板的透视图。电路板601可以采用刚性FR4印刷电路板，亦可采用挠性电路板，与液/汽相变传热基板102压和。在该实施例中，电路板601完全贴附在液/汽相变传热基板102表面，外部电路引脚6011均设置于基板范围内，从而构成带液/汽相变传热基板的刚性电路板。从图中可看出由于液/汽相变传热基板需要内部抽成负压，液/汽相变传热基板会设有一个抽/排气、灌注、密封口 1024，这是液/汽相变传热基板区别于普通金属基板的一个基本特征。图7是本实用新型一个实施例延伸电路板的透视图。与上一个实施例的最大区别在于该电路板701米用挠性电路板,主体贴附在液/汽相变传热基板102表面,部分延伸出液/汽相变传热基板102外部，从而可根据安装及外部布线需要，通过挠性电路板的延伸部 7011将电路引脚7012设置于基板外部，构成一种软硬结合带液/汽相变传热基板的电路板。延伸部7011可根据实际设置在不同位置并可设计成不同形状。因此，该实施例揭露了本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板可以在保证整个电路板优良导热性能的前提下，制成一种软硬结合的带液/汽相变传热基板的电路板，以满足布线美观并节省外部布线空间的需求，适于产品的轻薄化设计。图8是本实用新型一个实施例延伸液/汽相变传热基板的透视图。本实用新型带液/汽相变传热基板的印刷电路板，具有非常灵活的搭配布局，除了上述电路板701可延伸出液/汽相变传热基板102外部，液/汽相变传热基板802同样也可以延伸至电路板701的外部。在很多产品设计中，因为空间布局的局限，很多情况下电路板背部不一定有散热的空间，此时可以根据整体需要，可将液/汽相变传热基板802延伸至电路板701外部，从而可将电路板701上电子器件散发的热量传到空间和位置相对合适放置散热器件的地方。如图8，液/汽相变传热基板802的一段与电路板701贴合，另一端弯曲延伸与散热器807贴合。从而LED 401散发的热量传递给液/汽相变传热基板802的蒸发端8025，蒸发端8025内的工作液体吸热蒸发，蒸汽经由液/汽相变传热基板802内部通道流到贴有散热器807的冷凝端8027凝结为液体并释放出热量，由散热器807散热掉，冷凝后的工作液体在毛细作用下沿内部毛细芯流回到蒸发端8025，形成循环。由于液/汽相变传热基板802内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发端8025流向冷凝端8027所产生的压降很小，根据热力学原理，温降亦很小，因而液/汽相变传热基板802具有优良的等温性，与普通金属基板相比，具有更强的空间适应性，并不会因为其形状的改变延伸而大幅降低其传热性能。因此本实用新型针对现有MCPCB纵向导热率较低的问题，通过打穿热通路部分的瓶颈(绝缘层)，填充导热性能良好的焊锡，较现有金属基印刷电路板可大大提升纵向导热率；再加上基板是通过工作液体的汽/液相变传热，热阻很小，具有很高的导热能力，横向热扩散效率较传统金属基板得到大幅提升。因此该带液/汽相变传热基板的印刷电路板与铜、铝等传统金属基电路板相比，由于纵向导热率和横向热扩散效率都得到突破，因此单位重量可多传递几个数量级的热量。虽然已经参照所述实施例特别显示和描述了本实用新型，但本领域的技术人员将会理解，可以对其格式和细节作出改变，而不会脱离本实用新型的范围。因此，以上描述意在提供本实用新型的示范实施例，而本实用新型范围并不受此提供的具体范例的限制。
权利要求1.一种带液/汽相变传热基板的印刷电路板，包括 一层单面印刷电路板，其特征在于可为刚性电路板，也可为挠性电路板； 一层胶合粘结层，位于单面印刷电路板背部，其特征为耐高温粘结材料； 一层液/汽相变传热基板，其特征在于与单面印刷电路板背面通过胶合粘结层贴合； 至少一个填充焊锡的热通孔，其特征在于热通孔贯穿单面印刷电路板及胶合粘结层，底部与金属基板焊合。
2.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述单面印刷电路板可为单层板、双层板甚至多层板。
3.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述单面印刷电路板可突出于液/汽相变传热基板形成软硬结合电路板。
4.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述单面印刷电路板可完全贴附于液/汽相变传热基板表面形成刚性电路板。
5.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述单面印刷电路板的最远离金属基板的电路层在热通孔周壁留有一圈铜箔可被锡焊熔剂润湿，在表面张力作用下和控制焊剂量可使焊锡上层表面与该电路层平齐。
6.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述胶合粘结层为耐高温粘结材料。
7.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述热通孔表面形状可为方形、矩形、圆形、椭圆形或多边形。
8.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述焊锡为 Sn/Cu、Sn/Ag、Sn/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Bi、Sn/Cu/Bi、Sn/Cu/Ni 合金。
9.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述液/汽相变传热基板可为扁平热管、均热板等利用液体工质在封闭腔体内的通过蒸发冷凝相变传 热的装置或器件。
10.根据权利要求I所述的带液/汽相变传热基板的印刷电路板，其特征在于所述液/汽相变传热基板可延伸至单面印刷电路板外部，从而可将单面印刷电路板上电子器件散发的热量传递到适合放置散热器件的地方。
专利摘要本实用新型涉及一种带液/汽相变传热基板的印刷电路板，主要包括单面印刷电路板、液/汽相变传热基板、一层胶合粘结层将电路板与液/汽相变传热基板粘为一体、以及至少一个焊锡填充的热通路贯穿单面印刷电路板及胶合粘结层。该带液/汽相变传热基板的印刷电路板具有非常灵活的空间匹配性，其电路板和液/汽相变传热基板均可以根据空间要求任意配置、延伸、弯折。通过打穿传统MCPCB热通路的瓶颈部位绝缘层，填充导热性能良好的焊锡提升了纵向导热率；通过采用液/汽相变传热基板，热阻极小，横向热扩散效率较传统MCPCB得到几个数量级的提升。本实用新型尤其适于超高功率发光二极管(LED)的电路基板，可解决其散热问题。
文档编号H01L33/62GK202652683SQ20112047937
公开日2013年1月2日 申请日期2011年11月27日 优先权日2011年11月27日
发明者葛豫卿 申请人:葛豫卿