CN103079337A - 用于改善的焊料接合的带槽板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于改善的焊料接合的带槽板。多管芯LED发光器衬底上的金属板或安装到发光器衬底的金属芯印刷电路板(MCPCB)上的金属板(或两个板)可以制造有多个大致径向的槽，其中至少一些槽延伸到板的周边。这些槽可以在焊料接合处理期间允许空气散逸，减小焊料空洞的尺寸和/或总面积，从而改善发光器与MCPCB之间的热传输。

Description

用于改善的焊料接合的带槽板
技术领域
本发明涉及连接部件，并具体而言提供了一种带槽金属板，用于在部件被焊接在一起时减少焊料空洞。
背景技术
基于发光二极管(LED)的发光装置系统得到了显著的关注。在一些发光装置中，多个LED管芯被安装在单个衬底上，并彼此电连接以形成发光器。在工作中，发光器可以产生显著的热量，这些热需要被传走以保护LED免受由于过热导致的损伤。LedEngin有限公司，即本申请的申请人已经制造了发光器，其具有在衬底的底部上较大的金属板，以帮助热传输。发光器衬底通常安装在支撑表面(例如具有较大金属板的金属芯印刷电路板(MCPCB))上以与发光器上的一个板相匹配。两个板可以焊接在一起，以提供从发光器到MCPCB的热传输，并且来自MCPCB的热可以进一步传输到散热器。
发明内容
随着发光器变得更大以包含更多LED管芯，底表面上的金属板和MCPCB上的匹配板通常也需要更大以提供有效的热传输。随着增大的面积，因为焊料不一定均匀地加热和扩散，所以带来了将板焊接在一起时的难度。在一些情况下，可能在板之间产生大团空气。因为空气作为导热体而言比通常的焊料金属(例如，锡等)具有显著较低的效率，所以焊料空洞会在板的表面上导致不均匀的温度分布，导致在发光器/MCPCB界面处更高的热阻并/或导致发光器衬底的翘曲和损伤。
根据本发明的某些实施例，发光器或MCPCB(或两者)上的金属板可以制造有多个大致径向的槽，其中至少一些槽延伸到板的周边。这些槽可以提供在焊料接合处理(例如，标准回流和/或热板处理)期间允许空气散逸的通道，从而减小了焊料空洞的尺寸和/或面积并因此改善了发光器和MCPCB之间的热传输。
本发明的某些方面涉及用于接合到支持发光装置的发光器衬底的印刷电路板。可以作为金属芯印刷电路板的印刷电路板至少包括第一绝缘层和位于第一绝缘层的顶表面上的金属板。可以是圆形或其他形状的金属板在其中具有多个槽；槽中的至少一些具有内端和外端，所述内端位于距金属板的中心第一距离(其可以是但不一定是零)的位置处，所述外端位于金属板的周边处。
板可以是多层结构；因此，第二绝缘层可以与第一绝缘层平行并位于第一绝缘层下方，并且至少一个导电材料的图案化层可以布置在第一绝缘层的底表面与第二绝缘层的顶表面之间，提供了用于板的不同部件之间电连接的通路。金属接触垫盘可以布置在所述第一绝缘层的顶表面上，并且金属接触垫盘中的至少一者可以被电连接到图案化层的导电材料。
在一些实施例中，全部槽均需要延伸到周边，但在其他实施例中并非如此。例如，至少一个槽可以具有位于金属板的中心处的内端和位于距中心第二距离的位置处的外端，第二距离小于从金属板的中心到金属板的周边的距离。此第二距离可以等于、小于或大于第一距离。
本发明的某些方面涉及发光器，其用于发光装置。发光器可以包括发光器衬底，其具有顶表面和底表面，所述顶表面适于支持多个发光二极管的。金属板(其可以是圆形或其他形状)布置在发光器衬底的底表面上，并且该所板可以在其中具有多个槽。槽中的至少一些具有内端和外端，所述内端位于距金属板的中心第一距离(其可以是但不一定是零)的位置处，所述外端位于金属板的周边处。
本发明的某些方面涉及发光装置，其具有：印刷电路板，其具有第一绝缘层和位于第一绝缘层的顶表面上的第一金属板；发光器衬底，其具有保持多个发光二极管的顶表面和其上具有第二金属板的底表面；以及焊料层，其布置在第一金属板和第二金属板之间并接合到第一金属板和第二金属板。第一板和第二板可以具有相同尺寸和形状(例如，圆形)。第一和第二金属板中的一个或另一个(或两者)可以在其中具有多个槽，其中所述槽中的至少一些具有位于距所述第一金属板的中心第一距离的位置处的内端和位于所述第一金属板的周边处的外端。
以下说明与附图一起提供对本发明的属性和优点的更好的理解。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的光源组件的简化侧剖视图。
图2是根据本发明的实施例的金属芯印刷电路板(MCPCB)的俯视图。
图3A和3B图示了可以根据本发明的实施例实现的焊料接合部的改善。图3A是LED发光器和传统MCPCB的相应金属板之间的焊料接合部的简化仰视图，并且图3B是LED发光器上的金属板与根据本发明的实施例的具有槽的MCPCB的相应金属板之间的焊料接合部的相应视图。
图4是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
图5是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
图6是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
图7是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
图8是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
图9是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
图10是根据本发明的另一实施例的MCPCB的简化俯视图。
具体实施方式
根据本发明的某些实施例，多管芯LED发光器衬底上的金属板或安装到发光器衬底的金属芯印刷电路板(MCPCB)(或两个板)可以制造有多个通常径向的槽，其中至少一些延伸到板的周边。这些槽可以提供在焊接处理(例如，标准回流和/或热板处理)期间允许空气散逸的通道，减小焊料空洞的尺寸和/或总面积，从而改善发光器与MCPCB之间的热传输。
图1是示出根据本发明的实施例的光源组件100的简化侧剖视图。LED发光器101安装在金属芯印刷电路板(MCPCB)102上。LED发光器101包括布置在发光器衬底106上的大量LED管芯104。较大的圆形金属板108在衬底106的底表面107上。板108的金属可以包括铝、铝合金、其他金属或金属合金，或者不同金属或金属合金的多层层叠。在一些实施例中，板108的主要目的是将热从发光器101传输到MCPCB 102，并且可以因此基于热属性来选择用于板108的材料。
其他电触头110、112、114可以设置在发光器衬底106的底表面、顶表面和/或侧表面。(虽然出于解释目的示出了三个触头，但可以理解的是电触头的数量和位置可以根据期望选择。)发光器衬底106被有利地构造为提供触头110、112、114与LED管芯104之间的导电路径(未示出)。这样的路径可以位于发光器衬底106的表面上或发光器衬底106的内部；例如，发光器衬底106可以具有其中图案化的导电层与绝缘层交替的层叠结构。LED发光器101也可以包括其他部件，例如布置在LED管芯104上的主透镜115。发光器101的主要结构对于理解本发明而言并非关键。
MCPCB 102具有顶表面109，在顶表面109上设置了多个电触头116、118、120以连接到发光器衬底106的触头110、112、114。这些触头可以由铝、铝合金、其他金属或金属合金、或者任意其他导电材料。MCPCB触头116、118、120与发光器触头110、112、114之间的电连接未明显示出，但是可以使用诸如焊料接合、引线接合等的传统技术来提供。
MCPCB 102有利地提供了触头116、118、120与周边触头位置(未示出)之间的导电路径，从而允许组件100电连接到更大的电子装置，例如可以包括一个或多个组件100的灯。例如，MCPCB 102可以是多层结构，其中绝缘材料(例如电介质聚合物)的层印刷有金属图案，以提供导电通路，此后这些层可以融合在一起成为单个板。导电过孔可以形成在板中(通过在一个或多个层中产生孔以及用金属填充或衬垫这些孔)以将不同层中的通路连接。为了帮助热传输和散热，MCPCB 102可以包括金属芯层(例如，铝合金等)，并且可以选择绝缘材料，以具有较高的导热性；合适的构造为本领域所公知。可以使用传统的制造技术，并且由MCPCB102提供的电连接的具体细节对于理解本发明而言并非关键。
在MCPCB 102的顶表面109上具有较大的圆形金属板122，其中具有一个或多个槽124；槽124将在下文进一步描述。金属板122可以适当地具有与发光器衬底106上的金属板108相同的形状和尺寸。板122的金属可以包括铝、铝合金、其他金属或金属合金，或者不同金属或金属合金的多层堆叠。在一些实施例中，板122的主要目的是将热从发光器101传输到MCPCB 102，并且用于板122的材料可以因此基于热属性来选择。
焊料材料126将金属板122接合到金属板108，并可以完全或部分地填充槽124。焊料材料126可以是传统焊料，并有利地选择以具有较高的热传输效率。
应该理解的是，本文所述的发光器和MCPCB是示意性的，并且可以进行变化和修改。图1并不意在作为比例图；例如，金属板和焊料材料可以相对于发光器或MCPCB的厚度比示出的更薄(或更厚)。电触头的数量和布置可以与所示出的不同。由发光器衬底106和MCPCB 102提供的具体导电路径没有被示出，并且应该理解的是，这样的通路的细节对于本发明而言并非关键。较大的金属板108和122可以是任意期望的尺寸，并且可以基于发光器设计来确定尺寸。例如，板108和122可以是具有例如6mm或8mm直径的圆形；两个板都可以是相同或大致相同的尺寸。可以使用更大或更小的板。在一些实施例中，板108和122可以仅用于热传输，而不需要电连接到任意其他结构。但是，如果期望，可以将板108和122电连接到其他结构，例如提供接地连接。
图2是根据本发明的实施例的MCPCB 200(例如，实施了MCPCB102)的俯视图。如上所述，MCPCB 200可以包括夹置于绝缘层之间的一层或更多层图案化导体；传统的技术可以被用来制造这些层。顶表面202向各种金属触头(或垫盘)204和更大的圆形金属板208提供了径向槽210-215。
槽210-215是径向的(或者大致径向)；即，各槽均具有在板208的中心处或中心附近的内端，以及在板208的边缘处或边缘附近的外端。在此具体示例中，槽210-215的内端位于板208的中心处，因此槽210和215相交。外端延伸到板208的周边。在所示示例中，板208是平坦的，并具有均匀的厚度(在制造公差内)，并且槽210-215的深度等于板208的厚度，由此MCPCB 102的顶表面200的绝缘材料暴露。在其他实施例中，槽210-215可以比板208的厚度浅。槽210-215也可以比板208的厚度一定程度地更深；但是，MCPCB 102可以具有内部金属路径，并且槽210-215不应该深到当用焊料填充槽210-215时产生不期望的导电通路。虽然示出了六个径向槽210-215，应该理解的是，可以使用不同数量的槽。在一个实施例中，槽210-215为约0.23mm宽，并且0.07mm深；宽度和深度可以改变。在一些实施例中，可以选择槽210-215的宽度，使得槽210-215的面积是板208的面积的15％以下。
板208和槽210-215可以以多种方式制造。在一些实施例中，通过将导电金属图案印刷到电绝缘材料或电介质材料的片上，然后将印刷的片融合在一起以提供多层电路板，来制造MCPCB 200；此处理自然可以是传统的，因而省略详细说明。在一些实施例中，板208可以不具有槽的情况下印刷到顶片上，并且可以通过在印刷片融合之后从板208的合适区域切走或剥离金属来产生槽210-215。或者，用于板208的印刷图案可以包括槽210-215；此处理通常得到深度与板208的厚度相当的槽210-215。
图3A和3B图示了可以实现为具有诸如图2的槽210-215的焊料接合部的改善。图3A所示的是LED发光器上的金属板与传统MCPCB的相应金属板(其未设置槽)之间的焊料接合部300的简化仰视图。圆310表示MCPCB和发光器板的边缘。(虽然为了清楚起见简化了该附图，但是可以利用例如x射线成像来获得实际的发光器MCPCB的相似视图。)如图所示，存在较大的焊料空洞302，其占据了焊料接合部的面积的20％以上。
图3B所示的是LED发光器上的金属板与MCPCB的相应金属板之间的焊料接合部350的相应视图，在根据本发明的实施例的该MCPCB上设置有槽。圆360示出了MCPCB和发光器板的边缘。存在数个较小的焊料空洞352，但是每个空洞均较小，并且空洞的总面积显著减小(小于接合面积的15％)。如以上参照图2所述，槽210-215有利地延伸到板208的周边。确信的是，在图2的实施例中，槽210-215提供了在焊接期间允许空气散逸的通道，而不会使得空气被限制并形成较大的焊料空洞。
如图3A和3B所示的视图是示例性的。本领域的技术人员将理解的是，焊接处理具有固有的变化性，并且并非所有的在不具有槽的情况下得到的焊料接合部均具有较大的焊料空洞。通常，随着板的尺寸增大以及不存在槽，更容易形成较大的焊料空洞。如上所述的槽可以显著地减小较大的焊料空洞的附带产生。在批量生产的情况下，带槽板的使用可以提高成品率，并/或减少重新处理焊接部件以去除较大空洞的需要，从而提高制造效率。
槽的配置和/或数量可以与如图2所示的不同。图4-图9提供了可以设置的可选布置；应该理解，这些示例并没有穷尽所有可能性。在全部情况下，MCPCB可以如上所述制造，并可以提供对于如图1所示的发光器的电连接。此外，虽然图4-图9中的图示仅示出了意图将MCPCB的顶表面上较大的金属板焊接到发光器的相应板的情况，应该理解，可以存在其他焊盘和结构。
在一些实施例中，槽中的一些或全部的内端位于距金属板的中心距离非零的位置。举例解释，图4是根据本发明的另一实施例的MCPCB 400的简化俯视图。如图所示，MCPCB 400提供了具有槽404-409的较大的圆形金属板402。可以设置用于电触头的其他垫盘(未示出)。槽404-409延伸到板402的外周边缘；然而，与图2的槽210-215不同，槽404-409不在板402的中心相交；槽404-409的内端位于距板402的中心非零距离的位置处。
在其他实施例中，槽中的一些不需要延伸到周边为止的全程。图5的示例是根据本发明的另一实施例的MCPCB 500的简化俯视图。如图所示，MCPCB 500提供了具有内径向槽504-509和外径向槽514-519的较大的圆形金属板502。内径向槽504-509的内端在板502的中心处相交(在其他实施例中，内径向槽不一定相交)，并延伸至通往板502的周边的中途的半径(r1)处。例如，半径r1可以是板502的半径的一半或三分之一或三分之二。在此示例中的外径向槽514-519从半径r1向外延伸到板502的周边，并且在角方向上不与内径向槽504-509对准。在此构造中，预期内槽504-509可以将捕获的空气送走成为相对较小的空洞，而外槽514和519可以允许空气散逸，减小了外侧区域中空洞的尺寸。
在一些实施例中，内槽和外槽可以重叠，在该情况下内槽结束处的径向距离可以大于外槽开始处的径向距离。图6是根据本发明的另一实施例的MCPCB 600的简化俯视图。如图所示，MCPCB 600提供了大的圆形金属板602，其具有内径向槽604-609和外径向槽614-619。内径向槽604-609在板602的中心处相交，并延伸至第一半径(r1)处。外径向槽614-619从第二半径(r2)向外延伸到板602的周边。在该示例中，r1大于r2。
在其他实施例中，槽的一些可以在中心处相交，而其他槽不在中心处相交。例如，图7是根据本发明的另一实施例的MCPCB 700的简化俯视图。如图所示，MCPCB 700提供了大的圆形金属板702，其具有第一组径向槽704-709和第二组径向槽714-719。槽704-709在板702的近似中心处相交，并在该示例中延伸到板702的周边。槽714-719被布置在槽704-709之间的中间角位置处并且不在中心处相交。相反，槽714-719从内径(r2)延伸到板702的外周边缘。这种布置和类似布置可以减小板的外侧区域中的凹槽之间的空间，而不在板地中心附近产生高密度的槽；这对于增加板尺寸特别有用。
在其他实施例中，径向槽可以在距离中心不同距离处开始并且向周边延伸，而不具有在中心处相交的槽。例如，图8是根据本发明的另一实施例的MCPCB 800的简化俯视图。如图所示，MCPCB 800提供了大的圆形金属板802，其具有第一组径向槽804-807和第二组径向槽814-817。槽804-807在该示例中从半径r1延伸到板802的外周边缘。槽814-817被布置在槽804-807之间的中间角位置处并且从半径r2延伸到板802的外周边缘。在该示例中，r2大于r1，使得凹槽的内段与在距离中心不同距离处。在其他实施例中，r2可以等于或小于r1。
在其他实施例中，径向槽不需要遵循实际径向线；槽中的一些或全部可以始于中心附近，并沿着非径向方向延伸到边缘。例如，图9是根据本发明的另一实施例的MCPCB 900的简化俯视图。如图所示，MCPCB 900提供了具有大致径向槽904-909的较大圆形金属板902，槽904-909的内端布置在中心附近(但与中心间隔开)，并且外端布置在周边处。每个槽定向为与径向方向成角度。
在其他实施例中，径向槽不一定是笔直的；槽中的一些或全部可以弯曲。例如，图10是根据本发明的另一实施例的MCPCB 1000的简化俯视图。如图所示，MCPCB 1000提供了具有弯曲径向槽1004-1009的较大圆形金属板1002，槽1004-1009的内端布置在中心附近(但与中心间隔开)，并且外端布置在周边处。每个槽具有从内端到外端的弯曲路径。
任意上述或其他带槽板可以用于实施图1的板122。在其他实施例中，径向槽可以形成在发光器101的金属板108上，而不是在MCPCB板122上。例如，在基于铜的MCPCB的情况下，理想的形成发光器板上的槽。通常，发光器板、MCPCB板或两个板中的任一者可以均有如本文所述的径向槽(不一定完全或大致径向)。
为了将发光器接合到MCPCB，可以使用传统的焊接处理。例如，在回流处理中，焊接膏(通常包含粉末焊料和熔剂)施加到MCPCB 102的板122的顶表面和/或板108的底表面。在施加焊接膏时，不需要对槽124加以关注。接着将部件以期望的排列方式布置为接触。组件放置在烤箱中或热板上，并以受控的温度加热以使焊料回流，从而形成焊料接合126。具体的温度/时间对于本发明而言并非关键；可以使用传统的处理。
虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，大量修改方案是可行的。例如，在本文所述的实施例中，金属板是圆形的(在制造公差内)；但是，也可以使用其他形状。例如，板可以是椭圆或多边形(具有倒角或尖锐角部)，并且“径向”槽可以始于中心附近，并朝向圆形、椭圆形或多边形的周边延伸。槽的数量可以与所示出的不同，槽中的一些或全部可以在板的中心处或附近相交。不同槽的内端可以处于距中心不同距离的位置处。本文示出的示例具有的槽的排列为圆形对称(例如，四折或六折)；但是，不一定要求槽的排列为对称。此外，槽的宽度可以沿着其长度变化，并且不同的槽可以具有不同的宽度。
此外，在前述示例中，槽形成在MCPCB的顶表面上的金属板中。在其他实施例中，槽可以形成在发光器衬底的底表面上(而不是MCPCB的顶表面上)的金属板中。如上所述，在给定的光源组件中的发光器和MCPCB上的金属板可以具有相同尺寸和形状；因此，用于MCPCB的上述任意图案也可以用作发光器的金属板上的槽图案。也可以使用其他图案。在其他实施例中，可以在两个板上(即，在MCPCB上和发光器衬底上)均形成槽。槽可以被布置为使得当板被焊接在一起时，一个板上的槽不与了一个板上的槽对准，从而减小由于槽的存在导致的焊料厚度的变化。
因此，虽然已经针对具体实施例描述了本发明，应该理解，本发明意在覆盖所附权利要求的范围内的全部修改和等同方案。

Claims (20)

1.一种印刷电路板，其用于接合到支持发光装置的发光器衬底，所述印刷电路板包括：
第一绝缘层；以及
金属板，其位于所述第一绝缘层的顶表面上，
所述金属板在其中具有多个槽，其中所述槽中的至少一些具有位于距所述金属板的中心第一距离的位置处的内端和位于所述金属板的周边处的外端。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，还包括：
第二绝缘层，其与所述第一绝缘层平行并位于所述第一绝缘层下方；以及
至少一个导电材料的图案化层，其布置在所述第一绝缘层的底表面与所述第二绝缘层的顶表面之间。
3.根据权利要求2所述的印刷电路板，还包括：
多个金属接触垫盘，其布置在所述第一绝缘层的顶表面上，
其中，所述多个金属接触垫盘中的至少一者被电连接到所述图案化层的导电材料。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述金属板是圆形的。
5.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述第一距离为零。
6.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述第一距离大于零。
7.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述多个槽还包括具有位于所述金属板的中心处的内端和位于距所述中心第二距离的位置处的外端的至少一个槽，其中，所述第二距离小于从所述金属板的中心到所述金属板的周边的距离。
8.根据权利要求7所述的印刷电路板，其中，所述第二距离等于所述第一距离。
9.根据权利要求7所述的印刷电路板，其中，所述第二距离小于所述第一距离。
10.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述多个径向槽中的全部的各外端都位于所述金属板的周边处。
11.一种发光器，用于发光装置，所述发光器包括：
发光器衬底，其具有顶表面和底表面，所述顶表面适于支持多个发光二极管；以及
金属板，其布置在所述发光器衬底的所述底表面上，
所述金属板在其中具有多个槽，其中所述槽中的至少一些具有位于距所述金属板的中心第一距离的位置处的内端和位于所述金属板的周边处的外端。
12.根据权利要求11所述的发光器，其中，所述金属板是圆形的。
13.根据权利要求11所述的发光器，其中，所述第一距离为零。
14.根据权利要求11所述的发光器，其中，所述第一距离大于零。
15.根据权利要求11所述的发光器，其中，所述多个槽还包括具有位于所述金属板的中心处的内端和位于距所述中心第二距离的位置处的外端的至少一个槽，其中，所述第二距离小于从所述金属板的中心到所述金属板的周边的距离。
16.一种发光装置，包括：
印刷电路板，其具有第一绝缘层和位于所述第一绝缘层的顶表面上的第一金属板；
发光器衬底，其具有保持多个发光二极管的顶表面和其上具有第二金属板的底表面；以及
焊料层，其布置在所述第一金属板和所述第二金属板之间并接合到所述第一金属板和所述第二金属板，
其中，所述第一金属板在其中具有多个槽，其中所述槽中的至少一些具有位于距所述第一金属板的中心第一距离的位置处的内端和位于所述第一金属板的周边处的外端。
17.根据权利要求16所述的发光装置，其中，所述第一金属板和所述第二金属板是圆形的。
18.根据权利要求16所述的发光装置，其中，所述第一距离为零。
19.根据权利要求16所述的发光装置，其中，所述多个槽包括具有位于所述金属板的中心处的内端和位于距所述中心第二距离的位置处的外端的至少一个槽，其中，所述第二距离小于从所述金属板的中心到所述金属板的周边的距离。
20.根据权利要求16所述的发光装置，其中，所述多个径向槽中的全部的各外端都位于所述金属板的周边处。
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