CN101150121B - 提高了可靠性和散热能力的柔性电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性电路，该柔性电路包括所安装的电部件和用于电连接和热连接的多个冗余过孔，其中向电部件提供电连接的接合线垂直于柔性电路弯曲的主要平面排列。柔性电路可以包括沿柔性发光二极管(LED)带的纵向定位的LED阵列以及附状有多个电部件的柔性印刷电路，其中电部件可以包括LED。本发明还提供一种用于提高柔性电路的可靠性和散热能力的方法，以及生产具有重新排列的接合线和用于电连接和热连接的多个过孔的柔性电路的方法。

Description

提高了可靠性和散热能力的柔性电路
技术领域
本发明涉及提高了可靠性和散热能力的柔性电路。
背景技术
IPC-T-50-F：用于互连和封装电子电路的术语和定义，第F修订本(1996年6月)中的柔性电路的定义为：“利用了具有或没有柔性盖膜的柔性基材的印刷线路的图案化布置”。由该定义可知，存在用于制造柔性电路的多种基材部件：电介质基板材料、电导体、保护漆(protectivefinish)以及将各种材料胶合到一起的粘结剂，其中粘结剂是可以根据情况而设的，因为对于将各种材料胶合到一起，除了利用粘结剂外，还存在其他方式。
一般而言，电介质材料可以是诸如
Figure G2007101541211D00011
或
Figure G2007101541211D00012
的聚酰胺膜或者聚酯。对于电导体，一般将材料选择为铜，其可以多种形式获得。对于柔性电路自身，存在多类变化，诸如单面构造、双面构造、多层构造以及刚柔结合(rigid-flex)构造。在刚柔结合电路的情况下，刚性和柔性基板可以层叠在一起，其中刚性基板通常为印刷电路板(PCB)中常用的材料FR-4。这些材料一起形成基本柔性电路堆叠体，该柔性电路堆叠体可以用作单一线路组件，也可以是在柔性电路堆叠体上直接安装其他器件后作为柔性最终电路组件。
柔性电路的优点在于，它们显著地比标准刚性PCB更薄更轻，通过将柔性电路绕其部或在其本身上弯折以便装配在比刚性PCB需要的空间小很多的器件外壳中，可以将其用于空间非常珍贵的情况下。柔性电路已经在多种类型的应用中得到使用，柔性电路的设计部分地基于其期望寿命期间需要的弯折循环次数，这种次数从组装期间发生几次(即，为了装配或组装而一次弯曲(静态弯曲))到多次弯折(即，在许多循环中重复弯折(动态弯曲))。
随着表面安装技术(SMT)的发展，在柔性电路堆叠体上能够安装多个其它电部件，诸如电阻器、电容器、电流驱动器集成电路(IC)、控制器以及其它IC。发光二极管(LED)亦包括在这些电部件中。LED一般而言是小型化半导体器件，其使用电致发光形式以产生可见光，电致发光由半导体材料的电子激发引起。起初，这些器件的使用主要限于电子设备上的显示功能，并且发射的颜色为红和绿。随着技术的提高，LED已经变得功能更强大，并且现在可用于较宽光谱的颜色，包括蓝色和白色。
利用产生白光的能力，现在可以使用LED取代白炽灯和荧光灯用于照明，包括用于室外照明设备。将LED用于照明的优点在于：它们比传统照明设备的效率高得多，它们耐用并非常紧凑，并且可以比白炽灯泡或荧光灯持续更长的时间。
在现在可以使用LED的这些性能和各种颜色的情况下，则LED可以用于更多的应用，包括利用了柔性电路的那些应用。柔性电路的一个示例为柔性LED阵列(或称为柔性LED)，其是纵向排列的LED阵列，其中柔性LED中的每个LED电连接到相邻的LED，由此进行电连接，使得柔性LED中的每个LED具有偏压。柔性LED还可以包含覆盖每个LED的包封物和安装LED的柔性基板，包封物可以是LED中使用的任意包封物，诸如光学透明的环氧树脂或硅酮系统。柔性LED还可以装在防水/防风的透明壳体中，透明壳体可以由任何聚合物透明材料制成。柔性LED可以以各种标准长度光带的形式从市场上获得，这些光带可以被切割或钻孔，使得使用者可以将多个光带连接起来，并且使柔性LED适合特殊的附装要求。
图1A是图示公知柔性LED 100沿其长度方向的截面示例的示意图。柔性LED 100是可以为标准长度的柔性LED带的一部分，即，柔性LED100仅示出了更长的带的一部分，所述更长的带包含沿整个柔性LED带等距设置的多个LED。这个柔性LED带可以被切割以获得期望的长度，然后可以使用标准连接器(未示出)将多个带连接起来。
柔性LED 100可以包括基板102，基板102可以是包括柔性电介质和电导体的柔性电路堆叠体。多个LED 104附装到基板102。接合线106可以提供每个LED 104所需的两个电连接中的一个，例如阳极连接。然后可以通过背面金属化(未示出)的形式将阴极连接定位于每个LED 104的底表面，背面金属化可以通过将导电材料附装到每个LED 104的底部而实现。随后可以将LED 104和基板102的整个组件包封在被涂覆到组件表面的包封物108中。另外，包括包封物108在内的整个组件还可以装在透明壳体(未示出)中。
图1B示出柔性LED 100沿其宽度方向的剖面侧视图。在图1B中，柔性LED 100包括附装到基板102的LED 104。该封装还可以由包封物108覆盖。接合线106实现与电导体(未示出)的电连接。在图1A中，箭头112表示柔性LED 100的弯折的主要方向。当柔性LED 100沿箭头112的方向弯折时，接合线106将伸展，而在柔性LED 100的重复弯折的情况下，接合线106折断或失效的可能性增大。
图1C是公知柔性LED 100沿其长度方向的一部分的另一个示例的示意图。如图1A中所示，柔性LED 100是可以为标准长度的柔性LED带的一部分，即，柔性LED 100仅示出了更长的带的一部分，所述更长的带包含沿整个柔性LED带等距设置的多个LED。柔性LED 100可以包括基板102，基板102可以包括柔性电介质和电导体。多个LED 104附装到基板102。接合线106可以提供每个LED 104所需的两个电连接中的一个，例如阳极连接。用于每个LED 104的另一个连接(在此情况下是阴极连接)可以由接合线110提供。随后可以将LED 104和基板102的整个组件包封在被涂覆到组件表面的包封物108中。另外，包括包封物108在内的整个组件还可以装在透明壳体(未示出)中。
箭头112表示柔性LED 100的弯折的主要方向。当柔性LED 100沿箭头112的方向弯折时，接合线106和110将伸展，而在柔性LED 100的重复弯折的情况下，接合线106和110折断或失效的可能性增大。
对于过孔来说，亦存在柔性和刚性电路中的类似问题。一般而言，过孔是穿过柔性电路或PCB钻孔的孔，其经过电镀，然后用导电或不导电的聚合物填充，以在柔性电路或PCB的不同层之间提供垂直的电连接或热连接。图2是公知柔性电路的截面示例的示意图。柔性电路200可以包括电介质202，其顶部堆叠有顶部导体204，底部堆叠有底部导体206。柔性电路200还可以包括过孔212，过孔212可以有镀层210并用填料208填充。
当柔性电路200沿箭头214的方向弯折时，填料208容易和过孔212的边缘分开，由此在圆圈216所指示的区域内产生裂纹或裂缝。在柔性电路200重复弯折的情况下，柔性电路200中出现裂纹的可能性增大，这最终可能引起失效。特别是，如果过孔是用于散热，则出现这样裂纹的趋势更大。
图3是图示公知柔性印刷电路(FPC)300的截面示例的示意图。FPC300示出可以为标准长度的柔性电路的一部分的侧视图，即，FPC 300仅示出了更长的带的一部分，所述更长的带包含接合到薄的柔性电介质的阵列。电介质302位于顶部金属层304和底部金属层306之间。部件308可以附装到顶部金属层304，作为示例，部件308可以是LED。接合线310可以提供部分308所需的两个电连接中的一个，例如阳极连接。然后可以通过背面金属化(未示出)的形式将阴极连接定位于部分308的底表面，背面金属化可以通过将导电材料附装到部件308的底部来实现。整个组件然后可以由包封物312所覆盖。
除了由重复弯折柔性LED和柔性电路所引起的问题之外，这些器件还可能具有散热的问题。具体而言，LED产生热量，并且在柔性电路中存在LED阵列的情况下，这种问题更加严重。一般而言，LED器件通常易于因为器件内产生的热量累积以及在室外照明设备的情况下太阳光热量的累积引起损坏。虽然金属化的LED基板是可以结合到LED器件并且可以用于散热的有用设计元件，但是这些元件经常不足以在这些器件中保持合理的适中温度。然而，过多热量累积可能引起这些LED器件中使用的材料(诸如用于LED的包封物)的恶化。当LED附装到还可以包括其它电部件的柔性电路堆叠体时，大大增大了散热的问题。
因此，需要改进柔性电路和柔性LED的设计，以降低重复弯折或剧烈弯曲对这些器件引起的损坏以及提高这些器件的散热性能，重复弯折或剧烈弯曲可能发生在制造、测试、安装或操作期间。
发明内容
一般而言，本发明公开了一种提高柔性电路的可靠性和它们散热性能的系统和方法，其通过在这些器件中对线接合进行重新排列以及通过在柔性线路堆叠体中增加和重新定位用于散热的冗余过孔而实现。在柔性LED器件中，用于每个LED的线接合垂直于主要的弯折方向而排列，即，垂直于柔性LED的纵向轴线的方向。另外，柔性电路可以包括用于散热的多个过孔，这些过孔位于附装到柔性线路堆叠体的部件附近，以提高散热能力。
在本发明的另一示例中，可以不使用过孔，而通过利用柔性电路堆叠体顶表面上的电连接来进行电连接。
通过参考附图和具体实施方式，本领域的一般技术人员可以明白本发明的其它系统、方法和特征。所有这样的其它系统、方法、特征和优点都应当包括在本说明书中、属于本发明的范围、并由权利要求所保护。
附图说明
在参考附图的情况下可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定是按比例绘制的，其重点在于对本发明的原理进行说明。在附图中，所有不同视图中用类似的标号表示对应的部件。
图1A是图示公知柔性LED实施例的剖面侧视图。
图1B示出图1A中所示的公知柔性LED器件的剖面端视图。
图1C是图示每个LED具有两个接合线的公知柔性LED的另一实施例的剖面侧视图。
图2是图示印刷电路板的公知实施例的剖面侧视图。
图3是图示公知柔性电路示例的剖面侧视图。
图4A是图示根据本发明的柔性LED的实施例的剖面侧视图。
图4B是图4A中所示的柔性LED的剖面端视图。
图4C是具有填充过孔的柔性LED的剖面端视图。
图5A是具有多个过孔的柔性电路的实施例的一部分的立体图。
图5B是具有多个过孔的柔性电路的另一个实施例的一部分的立体图。
图6是图示具有用于热连接和电连接的多个过孔的柔性电路实施例的剖面侧视图。
图7A是图示具有多个过孔的柔性电路的实施例的立体图。
图7B是用于图7A中所示的柔性电路的过孔布局示例的俯视图。
图8是图示没有过孔的柔性电路的另一个实施例的立体图。
具体实施方式
在下面对应用示例进行的说明中，参考形成说明书一部分的附图，附图以图示方式示出本发明可以采用的具体实施形式。在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它的实施形式，并可以进行结构变化。
一般而言，本发明公开了一种提高柔性电路的散热性能和这些器件的可靠性的系统和方法，其通过增加用于散热的过孔并对这些过孔进行重新定位来提高散热性能，并通过增加多个电过孔并在这些器件中对接合线进行重新排列来提高可靠性。参考图4A，其图示了根据本发明的柔性LED400的实施例的剖面侧视图。柔性LED 400可以包括基板402，基板402可以包括柔性电介质和电导体。多个LED 404附装到基板402。接合线406可以提供每个LED 404所需的两个电连接中的一个，例如阳极连接。然后可以通过背面金属化(未示出)的形式将阴极连接定位于LED 404的底表面上，背面金属化可以通过将导电材料附装到每个LED 404的底部并将LED 404安装到电极和热焊盘414上来实现。
在图4A中，用于每个LED 404导线接合的导线406垂直于主要弯折方向排列，即，沿垂直于柔性LED 400的纵向轴线的方向排列。在另一示例中，在阳极触点和阴极触点都在LED芯片的相同侧(即，顶表面)的情况下，可以实现双线接合LED芯片。在每个LED芯片具有两条接合线的情况下，两条接合线都被定位成基本垂直于柔性带的纵向轴线。
整个组件可以包封在包封物408中。在另一实施例中，包封物和组件可以装入透明壳体(未示出)中。图4B是柔性LED 400沿其宽度方向的剖面端视图。在图4B中，柔性LED 400包括安装到基板402的LED404。该封装可以包封在包封物408中。接合线406实现与基板402中的第二电极416的电连接。另一电连接是到第一电极414的电连接，其可以是全填充的过孔(例如，盲孔)或填充的过孔(例如，由穿过基板402钻孔、然后镀上导电金属(例如铜、银等)并用树脂/插塞材料填充的孔产生的过孔)。
在图4A中，箭头412表示柔性LED 400弯折的主要方向。在图4B中，接合线406沿与主要弯折方向所在平面(即，由箭头412所定义的平面)垂直的方向固定到LED 404并连接到第二电极416。因此，该平面中的任何弯折不会影响接合线406或在接合线406上引起任何应力。
图4C是图示图4A中所示柔性LED器件另一个实施例的剖面端视图。如图4B中所示，接合线406沿与主要弯折方向所在平面(即，由箭头412所定义的平面)垂直的方向固定到LED 404并连接到第二电极416。通过过孔418实现与第一电极414的连接，过孔418位于LED 404的下方。因此，该平面中的任何弯折不会影响接合线406或过孔418、或在接合线406或过孔418上引起任何应力。
图5A是示出根据本发明的具有多个过孔的柔性电路500的示例一部分的立体图。柔性电路500可以包括基板502，诸如LED的部件504附装到基板502上。接合线506可以提供从部件504到阳极焊盘510的电连接，利用背面金属化(未示出)在部件504的底表面上进行到阴极焊盘508的连接。
柔性电路500还可以包括四个过孔514，过孔514可以位于附装到柔性电路的LED附近。作为示例，柔性电路可以包括多个冗余过孔514，这些冗余过孔514用于散热并设置在部件504附近，它们与部件504的距离大致相等。在这种用于散热的多个热过孔构造的情况下，这些过孔中的至少两个不会经受柔性电路的重复弯折或剧烈弯曲所引起的应力，这些过孔为柔性电路的一部分。
图5B为图示根据本发明的具有多个过孔的柔性电路500的另一个示例的一部分的立体图。部件504(诸如LED)可以附装到基板502，其中接合线506提供从部件504到阳极焊盘510的电连接，接合线512提供到阴极焊盘508的电连接。与图5A中一样，柔性电路500可以包括多个冗余过孔514，这些冗余过孔514用于散热并设置在部件504附近，它们与部件504的距离大致相等，因此能够避免柔性电路的重复弯折或剧烈弯曲所引起的应力，这些过孔为柔性电路的一部分。
图6是图示具有用于热连接和电连接的多个过孔的柔性电路的实施例的剖面侧视图。柔性印刷电路(FPC)600可以包括位于顶部金属层606和底部金属层602之间的电介质604。部件608可以附装到顶部金属层606，作为示例，部件608可以是LED。接合线610可提供部件608所需的两个电连接中的一个，例如阳极连接。然后可以通过背面金属化(未示出)的形式将阴极连接定位于部件608的底表面上，背面金属化可以通过将导电材料附装到部件608的底部来实现。整个部件然后可以由包封物612所覆盖。
FPC 600还可以包括用于散热的过孔614和616，过孔614和616穿过电介质604，并从部件608经过顶部层606到底部层602散发热量，底部层602可以是铝板或铜板。对于另一个电连接(即，本示例中的阴极连接)，FPC 600可以包括位于部件608下方的盲孔618，盲孔618实现与底部层602的电连接。
图7A是具有多个过孔的另一个实施例的立体图。柔性电路700可以包括基板702，诸如LED的部件704可以附装到基板702上。接合线706可以提供从部件704到阳极焊盘710的电连接，在部件704的底表面上利用背面金属化(未示出)实现与阴极焊盘708的连接。在一个实施例中，基板702和LED 704可以用包封物712包封。在另一个实施例中，基板702可以装入透明壳体(未示出)内，然后可以用包封物填充该透明壳体。
柔性电路700可以包括穿过基板702钻孔的多个过孔，诸如可以和阳极焊盘710电连接的过孔714以及可以和阴极焊盘708电连接的过孔716。这些过孔还可以通过填充有导热材料而构造成提供用于从部件704散热的路径。
柔性电路700还可以包括位于部件704下方的盲孔(未示出)，该盲孔提供从部件704到基板702下方的接地面(未示出)的电连接。图7B是图示图7A中所示的柔性电路700的过孔布局示例的俯视图。过孔714和716可以构造用于热连接，而盲孔718可以构造成用于与附装到阴极接头708的部件(未示出)电连接。
图8是没有过孔的柔性电路的实施例的立体图。柔性电路800可以包括基板802，诸如LED的部件804可以附装到基板802。接合线806可以为部件804提供与阳极焊盘810的电连接，在部件804的底表面上利用背面金属化(未示出)实现与阴极焊盘808的连接。在第一实施例中，基板802和LED 804可以用包封物812包封。在第二实施例中，基板802和LED 804可以装入透明壳体(未示出)内，然后可以用包封物填充该透明壳体。
在柔性电路800中，通过电端子的外部尾端814和816将电连接引出柔性电路800，而不利用过孔或焊接焊盘。电端子可以定位成使得它们在柔性电路800的相同侧引出柔性电路800。
虽然上述说明书针对将LED用作附装到柔性LED和柔性电路的部件，但是本发明并不局限于用作柔性电路或柔性LED中部件的LED、或者局限于用作基板的柔性印刷电路。可能从上述部件所提供的功能受益的任何电子部件或任何形式的基板都可以用作本发明的元件。上述的柔性电路适用于相对于传统PCB具有较小厚度的薄堆叠体电路，所述薄堆叠体电路在最终应用中可以经过多次弯折或弯曲，也可以未经过这些弯折或弯曲。在最终应用中，其可以是被弯曲的最终状态或形状、或被弯曲以适合具有直线部分、弯曲部分或其组合的特殊形状。
另外，应当明白，上文为了说明和解释的目的而陈述了上述多个应用的说明。其不是穷尽性的，并且不硬将本发明要求保护的范围限制到所公开的具体形式。各种修改和变化可以根据上述说明书获得，或根据本发明的实施而获得。权利要求及其等同范围限定了本发明的范围。

Claims (20)

1.一种柔性电路，能够在期望寿命期间被弯折，所述柔性电路包括：
能够沿至少一个方向弯折的柔性基板；
多个发光二极管，每个所述发光二极管的底部直接附装到所述柔性基板；
用于每个发光二极管的散热冗余过孔，所述散热冗余过孔能够提供到所述柔性电路的热连接；以及
为所述多个发光二极管中的每个发光二极管实现电连接的至少一个接合线，其中，所述至少一个接合线被构造成与所述柔性电路的弯折方向所在的平面垂直。
2.如权利要求1所述的柔性电路，其中所述柔性基板是包括柔性电介质、第一电导体和第二电导体的柔性电路堆叠体。
3.如权利要求2所述的柔性电路，其中至少一个电部件被附装到所述柔性基板，所述电部件选自由下列项构成的组：电阻器、电容器、驱动器集成电路、控制器集成电路。
4.如权利要求2所述的柔性电路，其中所述多个发光二极管沿纵向方向附装成发光二极管带的形式。
5.如权利要求4所述的柔性电路，还包括用于每个发光二极管的多个冗余过孔，所述冗余过孔能够提供到所述柔性电路的电连接。
6.如权利要求5所述的柔性电路，其中所述冗余过孔相对于每个发光二极管定位于由所述柔性电路可以弯折的方向所限定的平面之外。
7.如权利要求2所述的柔性电路，其中所述柔性基板被构造用于静态弯曲。
8.如权利要求2所述的柔性电路，其中所述柔性基板被构造用于动态弯曲。
9.一种用于提高具有多个发光二极管的柔性电路的可靠性和散热能力的方法，所述方法包括：
将所述发光二极管的底部直接附装到所述柔性电路的柔性基板；
对用于所述多个发光二极管中每个发光二极管的至少一个电连接方式采用导线接合，其中接合线与所述柔性电路可以弯折的方向所在的平面垂直地排列；以及
向所述多个发光二极管中的每个发光二极管提供用于散热的至少一个过孔，其中所述至少一个过孔在所述柔性电路上定位于由所述柔性电路可弯折的方向所限定的平面之外。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述多个发光二极管沿纵向电连接成发光二极管带的形式。
11.如权利要求10所述的方法，还包括利用盲孔在所述多个发光二极管中每个发光二极管的基部处提供电连接的步骤。
12.如权利要求10所述的方法，还包括向所述多个发光二极管中的每个发光二极管提供用于散热的至少一个其它过孔的步骤。
13.一种用于生产具有多个发光二极管的柔性电路的方法，所述方法包括：
将所述多个发光二极管的底部直接附装到柔性电路基板；
使用接合线对所述多个发光二极管中每个发光二极管的至少一个电连接进行导线接合；
与所述柔性电路可弯折的方向所在的平面垂直地排列所述接合线；
向所述柔性电路基板提供至少一个过孔，用于所述多个发光二极管中每个发光二极管的散热；以及
在所述柔性电路基板上将所述至少一个过孔定位于由所述柔性电路可以弯折的方向所限定的平面之外。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述柔性电路基板是包括柔性电介质、第一电导体和第二电导体的柔性电路堆叠体。
15.如权利要求14所述的方法，还包括将至少一个电部件附装到所述柔性电路基板的步骤，所述至少一个电部件选自由下列项构成的组：电阻器、电容器、驱动器集成电路、控制器集成电路。
16.如权利要求15所述的方法，其中附装所述至少一个电部件是采用表面安装技术实施的。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述多个发光二极管沿纵向与所述柔性电路基板电连接，并和所述柔性电路基板形成发光二极管带。
18.如权利要求17所述的方法，还包括利用盲孔在所述多个发光二极管中每个发光二极管的基部处提供电连接的步骤。
19.如权利要求17所述的方法，其中，提供用于散热的至少一个过孔的步骤还包括向所述多个发光二极管中每个发光二极管提供至少一个其它过孔。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述柔性电路基板被构造用于静态弯曲或用于动态弯曲。
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