专利名称：一种金属基板贯穿热通路的印刷电路板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种提升传热效率尤其是纵向导热率的金属基印刷电路板及其制备方法，主要解决高功率发光二极管(LED)应用过程中现有金属基印刷电路板纵向热阻过大的问题，尤其适用于单颗封装功率在5W以上的LED。
背景技术：
LED目前在照明领域已经得到广泛应用，单颗3W以上的LED在应用中普遍都会采用金属基印刷电路板(MCPCB)作为电路载体和散热介质。现有的MCPCB由于采用金属复合基板(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，分别达到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0. 8 2. Off/mK左右，导致现有MCPCB的纵向导热率只有2 4W/mK，远不能满足高功率LED的散热需求。在使用中由于LED 70 90%的能耗被转化为热能，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后面的散热器。因此，LED的散热的好坏主要可从三个级别来考量一个是封装级散热主要取决于LED封装热阻的高低；另一个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；再一个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整个散热路经的瓶颈，所以本发明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， 大幅提高金属基印刷电路板的纵向导热率。
发明内容
本发明主要针对现有MCPCB纵向导热率仍较低的问题，通过打穿热通路部分的绝缘层，让金属基板与LED背部直接接触，由于除去了热通路部位的金属铜箔尤其是导热率极低的绝缘层两层介质，整个MCPCB的传热路径由原来的“金属铜箔-绝缘层-金属基板” 直接变为只有一层“金属基板”，因此整个MCPCB的纵向导热率即为金属基板铝或铜的导热率，从而可较现有MCPCB的纵向导热率提升近百倍。本发明的金属基板贯穿热通路的印刷电路板主要由三部分组成一层单面单层或多层印刷电路板、一层金属基板以及连接印刷电路板和金属基板的粘结层。金属基板的材料为导热性良好的金属，如铜、铝或铜合金、铝合金。粘结层为环氧胶膜、环氧玻纤布粘结片
3或者其他耐高温的粘结材料，可允许在后续表面焊接时在回流焊炉高温环境中仍保证其粘性。印刷电路板又有至少三层结构电路层、与金属基板贴合的绝缘层、以及与暴露于外部的阻焊保护层。在印刷电路板和粘结层的热通路部位有通孔，在通孔处，金属基板与印刷电路板接合面有一凸包。凸包表面可直接与LED散热部位通过锡焊贴合，形成全为导热率优良的金属形成的热通路，将LED的发热量高效向背部纵向传递并向四周横向扩散。为了便于在金属基板上形成凸包，在凸包背部有一凹坑，在使用过程中凹坑及金属基板背面会贴附热界面材料，并不会影响其传热性能。为简化形成凸包的模具结构和成本，凸包周壁可以为一斜面，与金属基板法向呈一夹角θ。在与LED锡焊结合时，由于焊剂与凸包的润湿及毛细作用，焊剂会自动填充凸包周面的夹角θ与通孔之间的狭缝，形成良好包覆，增加LED与电路板的焊接力。为防止短路，电路层的线路和通孔周围有一绝缘介质隔断。同时还揭露了制备该金属基板贯穿热通路的印刷电路板的方法。现有MCPCB的制造工艺是通过层压工艺在金属基板复合绝缘层再生成电路，因此较难开孔打穿至金属基板。本发明通过改变制备工艺，先制作普通非金属基板的刚性PCB或者挠性的PCB，开孔后在与加工处理的金属基板复合成形后的MCPCB，从而以简单的制备工艺可大幅提升MCPCB 纵向导热率，成本低且适合量产。具体制备过程如下1、提供一单面印刷电路板，可按实际使用需求设计成单层电路板或者多层电路板，可采用普通FR4刚性电路板，亦可采用挠性电路板。2、在单面印刷电路板背面贴一层粘结材料，该粘结材料可选用环氧胶膜、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仍保证其粘性。实际操作中，为保护粘结层，可在其表面覆一层离型纸，粘合时再将其撕掉。3、在电路板及其粘结层裁切热通孔及外形，热通孔大小形状根据LED封装背部的散热垫而定。电路与热通孔周围有绝缘介质隔断，不能相通，以防短路。4、裁切金属基板外形并在一侧表面形成凸包。金属基板一般采用铜、铝等塑性良好的金属，便于钣金冲裁工艺，可在要形成凸包的背部用冲模冲印一凹坑，在塑性成形作用下，即可形成凸包。凸包的高度应略小于电路板的厚度，凸包大小形状根据LED封装背部的散热垫而定。5、压合电路板与金属基板。将凸包与热通孔对齐，在一定压力和温度作用下，粘结层将电路板和金属基板紧密粘合。
图1是本发明一个实施例的层状截面示意2是本发明一个实施例的具有多层电路的截面示意3是本发明一个实施例与LED贴合示意4是本发明一个实施例与散热器贴合示意5是本发明一个实施例的电路板与金属基板一致的透视6是本发明一个实施例的软硬结合板MCPCB透视7是一个现有MCPCB的层状结构示意8A是本发明一个实施例的制备步骤1示意图
图8B是本发明一个实施例的制备步骤2示意8C是本发明一个实施例的制备步骤3示意8D是本发明一个实施例的制备步骤4示意8E是本发明一个实施例的制备步骤5示意图
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。在不脱离本发明范围的情况下，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1为本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板的一个实施例的层状截面示意图。该金属基板贯穿热通路的印刷电路板主要由三部分组成印刷电路板101、金属基板 102以及连接印刷电路板101和金属基板102的粘结层103。金属基板102的材料为导热性良好的金属，如铜、铝或铜合金、铝合金。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、与金属基板102贴合的绝缘层1012、以及与暴露于外部的阻焊保护层1013。阻焊保护层1013在LED电极部位留有开孔1014，使电路层1011与LED电极相连。在印刷电路板101和粘结层103的热通路部位有通孔104。在通孔104开孔处，金属基板102与印刷电路板101接合面有一凸包1031， 该凸包1031表面为一平面且略低于阻焊层护层1013的外表面，便于紧密压合印刷电路板 101和金属基板102。凸包1031表面直接与LED散热部位通过锡焊贴合，形成全为导热率优良的金属形成的热通路，将LED的发热量高效向背部纵向传递并向四周横向扩散。为了便于在金属基板102上形成凸包1031，在凸包1031背部有一凹坑1032，在使用过程中凹坑 1032及金属基板102背面会贴附热界面材料。另外为了简化形成凸包1031的模具结构和成本，凸包1031周壁可以为一斜面，与金属基板102法向呈一夹角Θ。在与LED锡焊结合时，由于焊剂与凸包1031的润湿及毛细作用，焊剂会自动填充凸包1031周面夹角θ与通孔104之间的狭缝，形成良好包覆，增加LED与电路板的焊接力。为防止短路，电路层1011 和通孔104不能相连，须有一绝缘介质1016隔断，绝缘介质1016由阻焊保护层1013向电路层1011空隙填充而成。图2为本发明金属基板贯穿热通路的具有多层印刷电路板的另一个实施例层状截面示意图。同样由三部分组成印刷电路板101、金属基板102以及连接印刷电路板101 和金属基板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。通孔104贯穿粘结层103和印刷电路板 101的所有层。所有电路均须与通孔104保持开路，由绝缘介质1016隔断。金属基板102 上的凸包1031高度以及背部凹坑1032应以印刷电路板101的厚度做出相应改变，使凸包 1031上表面略低于阻焊保护层1013的外表面。依此类推，本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板可为更多层印刷电路板，由于传热路径为金属基板102直接与LED接触，因此可以同样保持良好的导热性能。图3为本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板与LED贴合的截面示意图。印刷电路板101上焊有LED 301，LED 301背部散热区域与金属基板102上的凸包1031通过锡焊302紧密结合，从而将LED 301散发的热量快速地传递给金属基板102，然后经由金属基板102向背部纵向传递并向四周横向扩散。由于锡焊302熔剂与凸包1031的润湿及毛细作用，焊剂会自动填充凸包1031顶部平面以及其周围斜面夹角θ处的狭缝，形成良好包覆， 从而增加LED与电路板的焊接贴合力，并形成良好的导热介质。在LED 301的电极部位通过锡焊302与电路层1011电接通。图4为本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板一个完整的应用实施例。在印刷电路板上通过锡焊302焊接固定LED 301，LED 301电极与电路板101上的电路层接通，同时散热区域与金属基板102上的凸包1031接通。在金属基板102背面通过贴附热界面材料401联接金属基板102和散热器件402，同时利用热界面材料401质软的特性在压力的作用下填充凹坑1032，从而金属基板102整个背面都可与散热器件402有良好的热接触。 LED 301散发的热量快速地传递给金属基板102，然后经由金属基板102向背部纵向传递并向四周横向扩散，从而可透过金属基板102的整个背面经由热界面材料401传递给散热器件402散发掉。图5是本发明一个实施例的电路板与外部电路引脚位置的示意图。电路板101可以采用刚性FR4印刷电路板，亦可采用挠性电路板，与金属基板102压和形成金属基板贯穿热通路的印刷电路板。在该实施例中，电路板101与金属基板102外形尺寸完全一致，外部电路引脚501均设置于基板范围内，从而构成金属基板贯穿热通路的刚性电路板。电路板的形状并不只是局限于本图示例的长方形，可根据安装需要为正方形、圆形、六方形或其他形状，在电路板和金属基板上亦可根据需要设置定位孔及安装孔位。图6是本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板与外部电路引脚位置的另一个实施例示意图。与上一个实施例的最大区别在于该电路板101采用挠性电路板，且外形尺寸与金属基板102不同，可根据安装及外部布线需要，通过挠性电路板的延伸部601将电路引脚501设置于基板外部，从而构成一种软硬结合金属基电路板。延伸部601可根据实际设置在不同位置并可设计成不同形状。因此，该实施例揭露了本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板可以在保证整个电路板纵向导热性能的前提下，制成一种软硬结合金属基电路板，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7为现有金属基印刷电路板层状截面示意图。金属基板701 —侧覆有绝缘层 702，在绝缘层702上有铜箔层703，用于蚀刻电路及导热垫7031，铜箔层703上方有一层阻焊保护层704。应用时，通过锡焊层705固定LED 706。LED 706散发的热量经由锡焊层705 传递给导热垫7031，然后热量必须通过绝缘层702才能传达至金属基板701。在整个传热路径中，锡焊层705，铜箔导热垫7031以及金属基板701均为金属材质，有较好的导热率，但是绝缘层702的导热率一般只有0. 8 2. Off/mK左右，成为整个散热通路的瓶颈，导致现有整个金属基印刷电路板的纵向导热率只能达到2 4W/mK。因此本发明针对现有MCPCB纵向导热率较低的问题，通过改进现有金属基印刷电路板的制作工艺，打穿热通路部位的绝缘层、电路层以及阻焊保护层，让金属基板与LED背部直接接触，由于除去了热通路部位导热率极低的绝缘层，整个MCPCB的传热路径由原来的“金属铜箔-绝缘层-金属基板”直接变为只有一层“金属基板”，因此整个MCPCB的纵向导热率即为金属基板铝或铜的导热率，可较现有MCPCB的纵向导热率提升近百倍。以下详细说明本发明金属基板贯穿热通路的印刷电路板的制备方法图8A为本发明一个实施例的制备步骤1的示意图。第一步提供一单面印刷电路板 101，至少含有一层电路层1011、一层绝缘层1012以及阻焊保护层1013，阻焊保护层1013 留有焊接位1014露出电路1015锡焊固定电子器件，而在电子器件热通路部位无需预留铜箔散热垫。该印刷电路板可按实际使用需求设计成单层电路板或者多层电路板，可采用普通FR4刚性电路板，亦可采用挠性电路板。图8B为本发明一个实施例的制备步骤2的示意图。第二步是单面印刷电路板101 背面贴一层粘结层103。该粘结层103可选用环氧胶膜、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仍保证其粘性。实际操作中，为保护粘结层103，可在其表面覆一层离型纸，粘合时再将其撕掉。图8C是本发明一个实施例的制备步骤3示意图。第三步是裁切热通孔104及电路板101连同粘结层103的外围形状。热通孔104大小形状根据LED封装背部的散热垫而定。电路不能与热通孔104相通，由绝缘介质1016隔断，绝缘介质1016由阻焊保护层1013 向电路层1011空隙填充而成。图8D是本发明一个实施例的制备步骤4示意图。第四步是裁切金属基板102外形并在一侧表面形成凸包1031。可采用钣金冲裁工艺制成，可在要形成凸包1031的背部用冲模冲印一凹坑1032，金属基板102 —般采用铜、铝或其合金，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的高度略小于电路板101的厚度，凸包1031 大小形状根据LED封装背部的散热垫而定。为了简化形成凸包1031的模具结构和成本，凸包1031周壁可以为一斜面，与金属基板102法向呈一定夹角Θ。在与LED锡焊结合时，由于焊剂与凸包1031的润湿及毛细作用，焊剂会自动填充凸包1031周面夹角θ与通孔104 之间的狭缝，形成良好包覆，增加LED与电路板的焊接力。图8E是本发明一个实施例的制备步骤5示意图。最后第五步即为将电路板101 和金属基板102压合。将凸包1031与热通孔104对齐，粘结层103在一定压力和温度作用下，将电路板101和金属基板102紧密粘合。虽然已经参照所述实施例特别显示和描述了本发明，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，而不会脱离本发明的范围。因此，以上描述意在提供本发明的示范实施例，而本发明范围并不受此提供的具体范例的限制。
权利要求
1.一种通过金属基板贯穿热通路提升纵向导热率的印刷电路板，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；至少一个热通孔，其特征在于贯穿单面印刷电路板及胶合粘结层；一层金属基板，其特征在于与单面印刷电路板背面贴合，在热通孔对应部位有凸台，凸台背面对应有凹坑。
2.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，其特征在于可为单层电路板也可为多层电路板。
3.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，其特征在于其背面有绝缘保护层，正面有阻焊保护层。
4.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，其特征在于形状大小可与金属基板完全一致，与金属基板贴合形成刚性金属基电路板。
5.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，其特征在于形状大小可与金属基板不一致，采用挠性电路板突出于金属基板而形成一种软硬结合金属基电路板。
6.根据权利要求1所述的胶合粘结层，其特征在于胶合粘结层为环氧胶膜、环氧玻纤布粘结片或者其他耐高温的粘结材料。
7.根据权利要求1所述的热通孔，其特征在于其外形与所承载的LED封装背部散热垫的形状一致。
8.根据权利要求1所述的热通孔，其特征在于热通孔与周边电路线保持一定距离，以防短路。
9.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于金属基板材料为铜、铝或其合金。
10.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于金属基板厚度为0.5mnT3. 0mm。
11.根据权利要求1所述的金属基板上的凸台，其特征在于凸台依靠相应形状大小的冲头冲压其背部使金属基板发生塑性变形而成形。
12.根据权利要求1所述的金属基板上的凸台，其特征在于凸台高度应不高于单面印刷电路板的厚度。
13.根据权利要求1所述的金属基板上的凸台，其特征在于凸台周壁与基板表面法向呈一定夹角。
14.根据权利要求1所述的金属基板上的凸台，其特征在于凸台底部外形大小与热通孔外形大小一致。
15.一种用于权利要求1所述金属基板贯穿热通路的印刷电路板的制备方法，包括以下步骤(1)制备单面印刷电路板，可制成刚性电路板或挠性电路板、单层电路板或多层电路板；(2)在单面印刷电路板背面贴耐高温的粘结材料；(3)在背胶后的单面印刷电路板上冲裁热通孔及外形；(4)裁切金属基板并冲印凸包；( 金属基板凸包对应电路板热通孔，压合单面印刷电路板与金属基板，形成一种金属基板贯穿热通路的印刷电路板。
全文摘要
本发明涉及一种提升传热效率尤其是纵向导热率的金属基印刷电路板及其制备方法，该金属基印刷电路板包括一层单面印刷电路板、一层带凸台与凹坑结构的金属基板、一层胶合粘结层将电路板与金属基板粘为一体、以及至少一个热通孔贯穿单面印刷电路板及胶合粘结层。由于去除了现有金属基印刷电路板传热路径中的瓶颈部位——绝缘层，本发明使金属基板凸台通过热通孔与电路板表面电子器件的散热部位直接贴合，其纵向导热率较现有的金属基印刷电路板可提升近百倍，可解决目前高功率发光二极管(LED)应用过程中金属基印刷电路板(MCPCB)纵向热阻过大的问题，尤其适用于单颗封装功率在5W以上的LED。
文档编号H05K1/02GK102404933SQ20111035763
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月12日 优先权日2011年11月12日
发明者葛豫卿 申请人:葛豫卿