CN102184915A - 线路板与散热器高效整合的大功率基板及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种线路板与散热器高效整合的大功率基板及其制作方法，属于电子印刷线路板与电子元件散热领域，具体公开一种将线路板与金属散热器高效整合的、散热性能更好的大功率基板及其制作方法。其结构包括金属散热板(1)，特征在于金属散热板(1)上涂覆导热绝缘陶瓷线路层(2)，导热绝缘陶瓷线路层(2)上设有铜箔线路(3)，铜箔线路(3)上设有焊点(5)，在金属散热板(1)表面的除焊点(5)及电子元件安装区(4)以外的区域喷涂防水绝缘漆(6)。相对现有电子元件热模式，该发明散热效率高，性能稳定，原材料价廉易购，且该方法由现有成熟工艺演化而来，适合大批量生产。

Description

线路板与散热器高效整合的大功率基板及其制作方法
技术领域
一种线路板与散热器高效整合的大功率基板及其制作方法，属于电子印刷线路板领域电子元件散热领域，具体涉及一种将线路板与金属散热器高效整合的、散热性能更好的大功率基板。
背景技术
大功率LED(发光二极管)灯作为新型的照明光源，具有节能、环保、使用寿命长、低耗等优点，已经广泛应用于家庭照明、商业照明、公路照明、工矿照明等领域。目前，功率型白光LED只能将约15～25％的电能转化为光能，而剩下的能量几乎全部转化成热能。随着LED功率的增大，产热量增多，如果散热问题解决不好，将导致器件发光芯片温度过高，引发一系列问题，如加速灌封材料老化、加速芯片光衰，同时由于大量的热积累，热应力会使LED灯损坏，从而导致LED器件寿命缩短。所以，散热问题已成为大功率LED灯装封中的关键因素之一，而LED灯的其它应用如LED显示屏等也存在同样的问题，为了解决这一问题，目前采用的散热方式有以下三种：一种是加装铝散热片。这种方式适合小功率的照明产品散热，温度达到吸、散热平衡后，温度基本稳定，温度不再上升，从而起到散热的效果。另一种是加装铝散热片和风扇。这种方式通常用在功率相对较大的照明产品，散热片增加风扇后，增加了空气的对流，从而起到散热效果。但这种方式体积大，有较大的噪声，风扇的寿命短，风扇坏后，如不及时更换，容易造成产品的损坏。还有一种是利用半导体制冷片在电流流过时一端制冷，一端发热的特性，将LED灯工作中产生的热量及时散发掉，其结构简单、散热效果理想。例如中国专利《一种散热结构改良的LED灯》(专利号ZL200820050115.1)即是利用这一特性公开了一种LED灯。然而这种结构的缺点在于，需要寻求满足工艺并性能要求的半导体制冷片，相对于比较成熟的铝片散热方式，生产成本较大，且半导体制冷片的功耗较大。
关于大功率的LED路灯加装铝散热片的散热方式，目前的结构大部分是：LED灯下加装铝基板，铝基板下加装金属散热片的模式，还有就是灯下设有绝缘陶瓷板，绝缘陶瓷板下添加散热片的形式。现有散热模式如图1所示，LED灯下接铝基板8，LED灯与铝基板8之间涂覆导热硅胶9，铝基板部分包括焊接铜箔、环氧树脂或绝缘材料以及铝合金片。铝基板下再加装铝合金散热片10。铝基板8和铝合金散热片10之间涂覆有导热硅脂11。在这种模式中，LED灯所发出的热量需要经过多个层次，多种介质的传递，才能最终通过金属散热片，传导到空气中。这样热量经过多个层次，多种介质的热传递，往往造成LED灯产生的热量不能及时导出，或导出不畅甚至形成热障碍的事情比比皆是，严重影响了大功率LED路灯的质量与寿命及工作的稳定性。事实上，与LED灯类似的电子元件，如表面贴附式元件等都使用此种散热模式。为进一步实现高效散热，可从基板的设计角度可将电路板和金属散热器进行整合。本电路板和金属散热器整合的基板，不仅可应用于LED照明设备上，同样可应用于类似于表面贴附式电子元件的使用上。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种将电路板与金属散热器进行了整合，结构简单，能够对热敏元件进行进行稳定高效散热的线路板与散热器高效整合的大功率基板及其制作方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：包括金属散热板，金属散热板表面分为电子元件安装区和线路区，电子元件安装区上固定有电子元件，其特征在于：金属散热板表面的线路区上涂覆有导热绝缘陶瓷线路层，导热绝缘陶瓷线路层上覆有铜箔线路，铜箔线路上设有焊点，在金属散热板表面的除焊点及电子元件安装区以外的区域喷涂有防水绝缘漆。
所述的导热绝缘陶瓷线路层采用热喷涂陶瓷粉或涂覆绝缘陶瓷胶的方式形成。
所述的导热绝缘陶瓷线路层厚度为0.1～0.3mm。
所述的铜箔线路是通过厚膜电路印刷生成的铜箔线路或直接粘合的铜箔线路。
所述的电子元件通过低温锡焊膏焊接或绝缘陶瓷胶粘接的方式固定在电子元件安装区上。
本发明还公开了一种线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
a、依据金属散热板线路图制作喷涂模板：裁切一与金属散热板大小一致的钢板，依据金属散热板大小画出线路图，并印制于钢板上，依钢板上的线路图对钢板进行切割；
b、将喷涂模板对贴于金属散热板表面上，透过喷涂模板上的切割孔将镍铬或镍铝合金粉均匀地热喷涂到金属散热板上，形成膨胀缓冲层；
c、将热喷涂工艺用的陶瓷粉通过喷涂模板上的切割孔，再次均匀地喷涂于膨胀缓冲层上，制作导热绝缘陶瓷线路层；
d、在丝网上制作线路图，并用厚膜电路用的可焊导电铜浆或银浆，通过丝网上的线路图均匀地印制在导热绝缘陶瓷线路层上，形成铜箔线路；
e、将印制好线路的金属散热板放入烘箱内进行低温烘烤，在120～180℃下烘烤10～25min进行固化；
f、对铜箔线路上各焊点进行喷锡处理；
g、避开电子元件安装区及焊点，在金属散热板上喷涂线路板用防水绝缘漆；
h、将电子元件通过低温焊锡膏焊接于电子元件安装区，其电极连接于焊点。
上述步骤b中所述的膨胀缓冲层厚度为0.05～0.15mm。
步骤c中所述的陶瓷粉是热喷涂工艺用的氧化铝粉、氧化铬粉、氮化铝粉或氧化锆钇粉中的一种。
步骤h中在对所述的电子元件焊接前，先对电子元件安装区表面进行镀铜处理。
另一种线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在金属散热板的线路区上涂覆绝缘陶瓷胶或将绝缘陶瓷胶通过丝网印刷在金属散热板上，制作导热绝缘陶瓷线路层；
b、静置10～15min后，将用铜箔制作好的铜箔线路粘合于导热绝缘陶瓷线路层上；
c、将粘合的铜箔线路及导热绝缘陶瓷线路层延压、整平，再在120～180℃下固化10～15min；
d、对铜箔线路上各焊点进行喷锡处理；
e、避开电子元件安装区及焊点，在金属散热板上面喷涂线路板用防水绝缘漆；
f、将电子元件通过绝缘陶瓷胶粘接于电子元件安装区，其电极连接于焊点。
上述方法也可采用厚膜印刷法将铜箔线路印制在导热绝缘陶瓷线路层上，具体为，首先将绝缘陶瓷线路层在120～180℃下固化5～15min后，通过丝网再在导热绝缘陶瓷线路层上印刷一层可焊导电铜浆，形成铜箔线路，再直接在120～180℃下固化10～25min即可。
绝缘陶瓷胶是包含树脂组分和陶瓷组分的功能材料，其具有稳定的高温绝缘性，对压敏电子元件提供良好的绝缘保护，还具有良好的导热性能。所用绝缘陶瓷胶为市售产品，属行业内公知技术，例如本发明中使用的绝缘陶瓷胶就选用牌号为CWDRTC-10或CC919BT的一种绝缘陶瓷胶。但是本发明中所述的绝缘陶瓷胶不仅限于此种牌号，任何具有相似性能的绝缘陶瓷胶皆可以应用于本发明中。
本发明从线路板和电子元件整合的角度，设计一种线路板与散热器高效整合的大功率基板。此大功率基板，从金属散热器以及线路板的方向进行优化，既保证电子元件工作产生的热量及时散失，又保证基板各部分联系紧密。
与现有技术相比，本发明的线路板与散热器高效整合的大功率基板及其制作方法所具有的有益效果是：相对现有电子元件散热模式，该大功率基板散热效率高，性能稳定，原材料价格低廉易购，该方法由现有成熟工艺演化而来，适合大批量生产。
附图说明
图1是现有LED灯散热方式示意图。
图2是本发明的LED灯散热方式示意图。
图3是本发明在未安装LED灯时的结构示意图。
图4是本发明在安装LED灯时的结构示意图。
图5是应用本发明的温升曲线与现有散热方式的温升曲线对照图。
其中，1、金属散热板  2、导热绝缘陶瓷线路层  3、铜箔线路  4、电子元件安装区  5、焊点  6、防水绝缘漆  7、电子元件  8、铝基板  9、导热硅胶  10、铝合金散热片  11、导热硅脂  12、绝缘陶瓷胶。
图2～4是本发明的最佳实施方式，下面结合附图1～5对本发明做进一步说明：
具体实施方式
实施例1
以大功率LED照明设备为例，对比说明本发明的具体结构及制作方法。
如图1所示，传统LED灯散热模式是：电子元件7(LED灯)下接铝基板8，电子元件7与铝基板8之间涂布导热硅胶9，铝基板8部分包括焊接铜箔、环氧树脂或绝缘材料以及铝合金片。铝基板8下再加装铝合金散热片10，铝基板8和铝合金散热片10之间涂覆有导热硅脂11。
如图2所示，本发明的散热方式为：电子元件7直接粘接或焊接在金属散热板1上，避免了电子元件7发出能量需要经过多层、多介质传递所造成的散热瓶颈。
如图3～4所示，此线路板与散热器高效整合的大功率基板由带鳍片的金属散热板1、导热绝缘陶瓷线路层2、铜箔线路3及设置于其上的焊点5和防水绝缘漆6组成。其中，金属散热板1表面分为电子元件安装区4和线路区，电子元件安装区4上通过低温锡焊膏焊接固定有电子元件7，金属散热板1表面的线路区上涂覆有膨胀缓冲层，膨胀缓冲层的厚度为0.05～0.15mm，膨胀缓冲层上喷涂导热绝缘陶瓷线路层2，导热绝缘陶瓷线路层2上覆有铜箔线路3，铜箔线路3上设有焊点5，在金属散热板1表面的除焊点5及电子元件安装区4以外的区域喷涂有防水绝缘漆6。
如图5所示，本发明相对于现有LED灯散热方式，散热效率更高。
经检测，传统大功率电子元件基板的导热系数约为1.5W/m·K，热阻≥2.5m2·K/W，本发明的线路板与散热器高效整合的大功率基板的导热系数为30～35W/m·K，热阻≤0.7m2·K/W。
该线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法具体描述为：
a、依据金属散热板线路图制作喷涂模板：首先裁切一与金属散热板1大小一致的钢板，依据金属散热板1大小画出线路图，并印制于钢板上，依钢板上的线路图对钢板进行切割；
b、将切割好的钢板对贴于金属散热板1面上，并通过钢板上的切割孔将镍铬或镍铝合金粉均匀地喷涂到金属散热板1上，作为膨胀缓冲层，膨胀缓冲层的厚度在0.05～0.15mm之间；
c、将热喷工艺用的氮化铝、氧化铬、氧化铝、或氧化锆钇中的一种陶瓷粉再次通过钢板上的切割孔，均匀地喷涂于膨胀缓冲层上，制作导热绝缘陶瓷线路层2，导热绝缘陶瓷线路层2的厚度在0.1～0.3mm之间；
d、取下钢板，再次依照喷涂模板上线路图在丝网上制作丝网线路图，并用厚膜电路用的可焊导电铜浆，通过丝网线路图均匀地印制在导热绝缘陶瓷线路层2上，制作铜箔线路3；
e、将印制好线路的金属散热板1放入烘箱内进行低温烘烤，在120～180℃下烘烤10～25min进行固化；
f、对铜箔线路3上的各个焊点5进行喷锡处理；
g、用不干胶贴住电子元件安装区4及焊点5，然后再在金属散热板1上面喷涂线路板用防水绝缘漆6；
h、电子元件安装区4进行镀铜处理，再将电子元件7通过低温焊锡膏焊接于电子元件安装区4，其电极连接于焊点5。
以上述步骤即可得到本发明所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板。该线路板与散热器高效整合的大功率基板从金属散热器以及线路板的方向进行优化，保证了电子元件7工作产生的热量及时散失。
实施例2
电子元件安装区4上通过绝缘陶瓷胶12固定有电子元件7，线路区上覆有绝缘陶瓷胶12形成的导热绝缘陶瓷线路层2，导热绝缘陶瓷线路层2的厚度在0.1～0.3mm之间，导热绝缘陶瓷线路层2上覆有铜箔线路3，铜箔线路3上设有焊点5，在金属散热板1表面的除焊点5及电子元件安装区4以外的区域喷涂有防水绝缘漆6。
该线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法步骤如下：
a、金属散热板1上的除电子元件安装区4外区域涂覆绝缘陶瓷胶12，制作一层导热绝缘陶瓷线路层2，导热绝缘陶瓷线路层2的厚度在0.1～0.3mm之间；
b、静置10～15min后，将用铜箔制作好的线路粘合于导热绝缘陶瓷线路层2，形成铜箔线路3；
c、将铜箔线路3及导热绝缘陶瓷线路层2延压、整平，再在120～180℃下固化10～15min；
d、对铜箔线路3上各焊点5进行喷锡处理；
e、避开电子元件安装区4及焊点5，在金属散热板1上面喷涂线路板用防水绝缘漆6；
f、将电子元件7通过绝缘陶瓷胶12粘接于电子元件安装区4，其电极连接于焊点5。
该线路板与散热器高效整合的大功率基板其他结构及使用效果同实施例1，所得产品导热系数为30～35W/m·K，热阻≤0.7m2·K/W。
实施例3
该线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法也可为：
a、将绝缘陶瓷胶12通过丝网印刷在金属散热板1的除电子元件安装区4外区域上，制作导热绝缘陶瓷线路层2，导热绝缘陶瓷线路层2的厚度在0.1～0.3mm之间；
b、绝缘陶瓷线路层2在120～180℃下固化5～15min后，通过丝网再在导热绝缘陶瓷线路层2上印刷一层可焊导电铜浆，形成铜箔线路3；
c、对通过丝网印刷的可焊导电铜浆形成的铜箔线路3，直接在120～180℃下固化10～25min；
d、对铜箔线路3上各焊点5进行喷锡处理；
e、避开电子元件安装区4及焊点5，在金属散热板1上面喷涂线路板用防水绝缘漆6；
f、将电子元件7通过绝缘陶瓷胶12粘接于电子元件安装区4，其电极连接于焊点5。
该线路板与散热器高效整合的大功率基板结构同实施例2，所得产品呈现出与实施例1同样的使用效果。
实施例4
该线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法还可为：
a、将绝缘陶瓷胶12通过丝网印刷在金属散热板1的除电子元件安装区4外区域上，制作导热绝缘陶瓷线路层2，导热绝缘陶瓷线路层2的厚度在0.1～0.3mm之间；
b、静置10min，待导热绝缘陶瓷线路层2表面半干时，将用铜箔制作好的线路粘合于导热绝缘陶瓷线路层2，形成铜箔线路3；
c、将铜箔线路3及导热绝缘陶瓷线路层2延压、整平，再在120～180℃下固化10～15min；
d、对铜箔线路3上各焊点5进行喷锡处理；
e、避开电子元件安装区4及焊点5，在金属散热板1上面喷涂线路板用防水绝缘漆6；
f、将电子元件7通过绝缘陶瓷胶12粘接于电子元件安装区4，其电极连接于焊点5。
该线路板与散热器高效整合的大功率基板结构同实施例2，所得产品呈现出与实施例1同样的使用效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种线路板与散热器高效整合的大功率基板，包括金属散热板(1)，金属散热板(1)表面分为电子元件安装区(4)和线路区，电子元件安装区(4)上固定有电子元件(7)，其特征在于：金属散热板(1)表面的线路区上涂覆有导热绝缘陶瓷线路层(2)，导热绝缘陶瓷线路层(2)上覆有铜箔线路(3)，铜箔线路(3)上设有焊点(5)，在金属散热板(1)表面的除焊点(5)及电子元件安装区(4)以外的区域喷涂有防水绝缘漆(6)。
2.根据权利要求1所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板，其特征在于所述的导热绝缘陶瓷线路层(2)采用热喷涂陶瓷粉或涂覆绝缘陶瓷胶(12)的方式形成。
3.根据权利要求1所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板，其特征在于所述的导热绝缘陶瓷线路层(2)厚度为0.1～0.3mm。
4.根据权利要求1所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板，其特征在于：所述的铜箔线路(3)是通过厚膜电路印刷生成的铜箔线路或直接粘合的铜箔线路。
5.根据权利要求1所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板，其特征在于：所述的电子元件(7)通过低温锡焊膏焊接或绝缘陶瓷胶(12)粘接的方式固定在电子元件安装区(4)上。
6.根据权利要求1所述的一种线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
6.1、依据金属散热板(1)线路图制作喷涂模板；
6.2、将喷涂模板对贴于金属散热板(1)表面上，透过喷涂模板上的切割孔将镍铬或镍铝合金粉均匀地热喷涂到金属散热板(1)上，形成膨胀缓冲层；
6.3、将热喷涂工艺用的陶瓷粉通过喷涂模板上的切割孔，再次均匀地喷涂于膨胀缓冲层上，制作导热绝缘陶瓷线路层(2)；
6.4、在丝网上制作线路图，并用厚膜电路用的可焊导电铜浆或银浆，通过丝网上的线路图均匀地印制在导热绝缘陶瓷线路层(2)上，形成铜箔线路(3)；
6.5、将印制好线路的金属散热板(1)放入烘箱内进行低温烘烤，在120～180℃下烘烤10～25min进行固化；
6.6、对铜箔线路(3)上各焊点(5)进行喷锡处理；
6.7、避开电子元件安装区(4)及焊点(5)，在金属散热板(1)上喷涂线路板用防水绝缘漆(6)；
6.8、将电子元件(7)通过低温焊锡膏焊接于电子元件安装区(4)，其电极连接于焊点(5)。
7.根据权利要求6所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于步骤6.2中所述的膨胀缓冲层厚度为0.05～0.15mm。
8.根据权利要求6所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于步骤6.3中所述的陶瓷粉是热喷涂工艺用的氧化铝粉、氧化铬粉、氮化铝粉或氧化锆钇粉中的一种。
9.根据权利要求6所述的线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于步骤6.8中在所述的电子元件(7)焊接前对电子元件安装区(4)进行镀铜处理。
10.根据权利要求1所述的一种线路板与散热器高效整合的大功率基板的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
10.1、在金属散热板(1)的线路区上涂覆绝缘陶瓷胶(12)或将绝缘陶瓷胶(12)通过丝网印刷在金属散热板(1)上，制作导热绝缘陶瓷线路层(2)；
10.2、静置10～15min后，将用铜箔制作好的铜箔线路(3)粘合于导热绝缘陶瓷线路层(2)上；
10.3、将粘合的铜箔线路(3)及导热绝缘陶瓷线路层(2)延压、整平，再在120～180℃下固化10～15min；
10.4、对铜箔线路(3)上各焊点(5)进行喷锡处理；
10.5、避开电子元件安装区(4)及焊点(5)，在金属散热板(1)上面喷涂线路板用防水绝缘漆(6)；
10.6、将电子元件(7)通过绝缘陶瓷胶(12)粘接于电子元件安装区(4)，其电极连接于焊点(5)。
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