CN102612261A

CN102612261A - 一种高导热金属基印刷电路板及其制备方法

Info

Publication number: CN102612261A
Application number: CN2011103692477A
Authority: CN
Inventors: 葛豫卿
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-20
Filing date: 2011-11-20
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及一种热通路填充焊锡的高热导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、以及至少一个填充焊锡的热通路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，本发明使金属基板通过导热率比绝缘介质高的多的锡焊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大幅提升，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。

Description

一种高导热金属基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1W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0.2～2.0W/mK左右，导致现有MCPCB的纵向导热率只有1～4W/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-scale Chip)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一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瓶颈(绝缘层)，填充导热性能良好的焊锡，提升金属基印刷电路板的纵向导热率。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”变为“锡焊层-金属基板”。因为焊锡导热导热率为50～150W/mK，比绝缘材质高出数十倍，可较现有MCPCB的纵向导热率有大幅提升。

本发明高导热金属基印刷电路板主要由三层构成：印刷电路板、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至少有一个热通孔，内部有锡焊填充，与金属基板表面接触焊合。在热通孔边缘处，电路层上留有一圈铜箔，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，即可使焊锡填充表面呈平整状态，与电路层平齐。电路引脚可更根据电气需要与热通孔边缘处的铜箔连接或是绝缘断开。由于焊锡填充上表面可直接与LED散热部位通过锡焊贴合，而下表面直接与金属基板接触，形成全为导热率优良的锡焊合金形成的热通路。从而LED的发热量可透过焊锡高效地传至金属基板，通过金属基板良好的导热性向四周横向扩散，然后传给背面的散热器件散发掉。与现有金属基印刷电路板相比，由于热路径中去除了导热率极低的绝缘层材料，其纵向导热率可获得几十上百倍提升。

本发明同时还揭露了制备该高导热金属基印刷电路板的方法。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流程，先制作普通非金属基板的刚性PCB或者挠性的PCB，开孔后再复合金属基板，然后在孔内用焊锡填充，从而以简单的制备工艺即可大幅提升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，至少含有一层电路层、一层绝缘层以及阻焊保护层。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，可刚性电路板或挠性电路板。

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。

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。在热通孔边缘处，最远离背胶的表层电路层留有一圈铜箔，可被后续锡焊熔剂润湿，通过表面张力控制焊锡填充的表面形态及高度。

4、压合电路板与金属基板，通过定位孔将电路板和金属基板定位对齐后，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。

5、往热通孔内填充锡膏，为了控制锡膏的量，可在刮平后的锡膏挖去一部分，使余下的焊锡体积刚好等于锡膏填充与最表层电路层平齐的体积。挖去部分的量可根据计算和试验得出。

6、过回流焊炉将填充锡膏熔融后固化定型，在一定温度作用下，填充的锡膏熔化润湿金属基板在热通孔内的表面和在通孔上边缘处预留的一圈铜箔，由于填充的锡膏已调整为适量，在表面张力作用下焊锡填充表面呈平整状态，固化后与电路层平齐，便于后续SMT工艺。

附图说明

图1是本发明一个实施例的层状截面示意图

图2是本发明控制焊锡填充表面形貌示意图

图3是本发明一个实施例的具有多层电路的截面示意图

图4是本发明一个实施例与LED贴合示意图

图5是本发明一个实施例的电路板与金属基板一致的透视图

图6是本发明一个实施例的软硬结合板透视图

图7是现有MCPCB的层状结构示意图

图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示意图

图8C是本发明一个实施例的制备步骤3示意图

图8D是本发明一个实施例的制备步骤4示意图

图8E是本发明一个实施例的制备步骤5示意图

图8F是本发明一个实施例的制备步骤6示意图

图9是本发明一个实施例成品的热通路部位截面扫描照片

图10是现有MCPCB的热通路部位截面扫描照片

具体实施方式

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为本发明高导热金属基印刷电路板的一个实施例的层状截面示意图。该金属基板印刷电路板主要由三层构成：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。在印刷电路板101和粘结层103的热通路部位有通孔104，通孔104内部填充有焊锡105，与金属基板102表面接触焊合。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，而下表面直接与金属基板102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高效地传至金属基板102，通过金属基板102良好的导热性向四周横向扩散，然后传给背面的散热器件散发掉。与现有金属基印刷电路板相比，由于热路径中没有了导热率极低的绝缘层材料，其纵向导热率可获得几十上百倍提升。

图2为本发明控制锡焊填充表面形貌示意图。金属基板102材料为铜或经表面处理的铝，其表面可被锡熔液润湿，因此锡液205底面可与金属基板102完好的物理焊合，形成良好的热接触面。由于在通孔104边缘处，电路层1011留有一圈铜箔1014，亦可被锡液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。如果在通孔104边缘处，电路层1011没有留出一圈铜箔1014，则通孔104表面无法与锡液205润湿，锡液205不会向上爬升，只会吸附于金属基板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为本发明另一个实施例，具有多层电路的高导热金属基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、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304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304保持开路，由绝缘介质1016隔断。在通孔304内部有焊锡305，与金属基板102表面接触焊合。在通孔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通过焊锡305直接与LED接触，因此可以同样保持良好的导热性能。

图4为本发明高导热金属基印刷电路板与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，在通孔区域，新的锡焊层402与原有锡焊填充熔合形成最终焊锡405。从而LED 401背部散热区域通过焊锡405与金属基板102相连，形成全由导热良好的金属构成的热路径，导热率大大提高。从而LED 401散发的热量可快速地通过焊锡405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。

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是本发明另一个实施例，高导热金属基印刷电路板与外部电路引脚位置示意图。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701一侧覆有绝缘层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0.2～2.0W/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1～4W/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，然后填充焊锡导通热通路直接到金属基板，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“锡焊层-金属基板”，因为焊锡导热导热率为50～150W/mK，比绝缘材质高出数十倍，可较现有MCPCB的纵向导热率有大幅提升。以下详细说明本发明热通路填充焊锡的金属基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1017露出电路引脚1015锡焊固定电子器件，而在电子器件热通路部位至少预留一个铜箔散热垫1014。预留的铜箔散热垫1014大小应比后续通孔稍大一圈，电路引脚1015可更根据电气需要与铜箔散热垫1014连接或是绝缘断开。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封装背部的散热垫大小而定。在热通孔104边缘处，最远离背胶的表层电路层留有一圈铜箔3014，可被后续锡焊熔剂润湿，通过表面张力控制焊锡的表面形态及高度。

图8D是本发明一个实施例的制备步骤4示意图。第四步即为将电路板101和金属基板102压合。通过定位孔将电路板101和金属基板102定位对齐后，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。

图8E是本发明一个实施例的制备步骤5示意图。第五步是往热通孔内填充锡膏805，为了控制锡膏的量，可在刮平后的锡膏805挖去一部分8051，使余下的焊锡体积刚好等于锡膏填充与最表层电路层平齐的体积。挖去部分8051的量可根据计算和试验得出。

图8F是本发明一个实施例的制备步骤6示意图。第六步是将填充锡膏熔融后固化定型。过回流焊炉，在一定温度作用下，填充的锡膏805熔化润湿金属基板102在热通孔104内的表面和在通孔104上边缘处预留的一圈铜箔1014，由于填充的锡膏已调整为适量，在表面张力作用下焊锡105表面呈平整状态，固化后与电路层1011上表面平齐，便于后续SMT工艺。

图9是本发明高导热金属基印刷电路板一个实施例成品热通路部位截面扫描照片。从照片可以看出，焊锡905与金属基板902完全焊合，无间隙。图10则是现有金属基印刷电路板热通路部位的截面照片，从照片可以看出，尽管电路层上预留的散热垫1005，但在电路层与金属基板1003中间隔有一层导热率极低的绝缘介质1003，正是该绝缘介质1003的存在，隔开了上层LED与金属基板1002之间的热通路，成为整条热路径的瓶颈。对比不难看出，由于本发明的金属基印刷电路板去除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，整个金属基印刷电路板的传热路径由原来的“金属铜箔-绝缘层-金属基板”变为“锡焊层-金属基板”。因为导热导热率为比绝缘材质高出数十倍，消除了传热路径上的瓶颈，因此可较现有金属基印刷电路板的纵向导热率有大幅提升。

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。

Claims

1.一种通过热通路填充焊锡高导热金属基印刷电路板，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；

一层金属基板，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；焊锡顶部与印刷电路板最远离金属基板的电路层平齐，底部与金属基板焊合。

2.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，其特征在于：所述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。

3.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，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。

4.根据权利要求1所述的单面印刷电路板，其特征在于：所述单面电路板形状大小可与金属基板完全一致；也可与金属基板不一致突出而形成软硬结合金属基电路板。

5.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。

6.根据权利要求1所述的填充焊锡的热通路，其特征在于：所述焊锡的表面形状可为方形、矩形、圆形、椭圆形或多边形。

7.根据权利要求1所述的填充焊锡的热通路，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等合金。

8.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于：所述金属基板材料为铜、铝、铜合金、铝合金。

9.根据权利要求1所述的金属基板，其特征在于：所述金属基板厚度为0.5mm~3.0mm。

10.一种用于权利要求1所述高导热金属基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，最表层的电路层在热通孔周壁留有一圈铜箔；

(4) 压合单面印刷电路板与金属基板；

(5) 往热通孔里填充适量锡膏；

(6) 回流焊熔化锡膏并固化，熔化的锡膏焊剂润湿最上层电路层热通孔周壁的铜箔，在表面张力作用下和合适的焊剂量可使焊锡固化后上层表面与该电路层平齐。