CN103517542A - 电路板、具有该电路板的电子模块、照明装置和制造该电路板的方法 - Google Patents

电路板、具有该电路板的电子模块、照明装置和制造该电路板的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电路板（100），包括基底（1）和导电层（2），其特征在于，所述基底（1）在朝向所述导电层（2）的一侧具有第一区域（3）和第二区域（4），所述第一区域（3）相对于所述第二区域（4）凹陷，所述第一区域（3）中容纳有第一绝缘层（5），所述第二区域（4）上设置有第二绝缘层（6），所述第一绝缘层（5）和所述第二绝缘层（6）具有不同的导热率。此外本发明还涉及包括该电路板的一种电子模块以及一种照明装置。本发明还涉及一种制造该电路板的方法。

Description

电路板、具有该电路板的电子模块、照明装置和制造该电路板的方法
技术领域
本发明涉及一种电路板以及具有该电路板的一种电子模块和一种照明装置。此外本发明还涉及一种制造该电路板的方法。 
背景技术
在现代的照明装置中、特别是大功率的LED照明装置中，电路板的热阻占据了照明装置总热阻的绝大部分。以传统的以金属为基底的电路板（MCPCB）为例，可以被视为热源的LED芯片在工作时产生的热量必须分别经过依次设置在金属基底、例如铝制基底的表面上的导电层和绝缘层才能传递给基底。由于绝缘层通常由聚合物制成，因此其导热率非常低。这导致在LED芯片和金属基底之间存在相对较大的热阻。以相对新颖的以陶瓷为基底的电路板（Ceramic PCB）为例，同样被视为热源的LED芯片在工作时产生的热量尽管只经过设置在陶瓷基底的表面上的导电层就可以传递给陶瓷基底，但是受陶瓷自身特性的限制，陶瓷基底的导热率相对于例如由铝制的金属基底而言比较低，因此导致整个照明装置仍具有较高的热阻。并且这种以陶瓷为基础的电路板还容易断裂或被折损，并且具有较大的自重。 
发明内容
因此本发明的一个目的在于，提出一种电路板，该电路板制造简单、成本低廉、重量较轻，并且具有低热阻的优点。安装在这种电路板中的电 子器件在工作时产生的热量可以被迅速地导出到外界环境中，以实现良好的散热效果。 
根据本发明的电路板，包括基底和导电层，其特征在于，所述基底在朝向所述导电层的一侧具有第一区域和第二区域，所述第一区域相对于所述第二区域凹陷，所述第一区域中容纳有第一绝缘层，所述第二区域上设置有第二绝缘层，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层具有不同的导热率。 
本发明的构思在于，在同一电路板上设置导热率不同的区域，由此可以有针对性地承载各种电子器件，特别是对温度敏感的器件或在工作时产热的器件。在电路板的同一侧，由于第一绝缘层以“体”的形式容纳在凹陷的第一区域中，而第二绝缘层以“面”的形式设置在第二区域上，根据本发明的电路板因此包括两个部段，它们的导热率在垂直于第一和/或第二绝缘层的方向上差别较大，其中在具有第一绝缘层的第一部段中，必须取决于第一绝缘层和基底的导热率来计算该部段的导热率；而在具有第二绝缘层的第二部段中，第二绝缘层的导热率相对于第一绝缘层而言，较小地影响该部段中的导热率。这种结构简单的电路板特别适合用于承载大功率的电子器件。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述第一绝缘层具有比所述第二绝缘层高的导热率。由此可以使待散热的电子器件和第一绝缘层热接触，以便主要借助于高导热率的第一绝缘层进行散热。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述基底由金属制成。由于金属具有高导热率、高硬度的特点，因此特别适合用作电路板的基底。此外由于在导电层和基底之间分别设置了第一和第二绝缘层，因此也不会由于基底的金属性而影响整个电路板的导电功能。该金属基底的导热率可以达到140-398K/（W*m）。在此基底可以优选地采用以下材料中的一种制成：铝、铝合金和铜。 
根据本发明的一个优选的设计方案，第一绝缘层为陶瓷绝缘层。陶瓷绝缘层例如可以具有20-39K/（W*m）的导热率。优选地，第一绝缘层由Al2O3制成。第一绝缘层也可以由AlN制成，由此可以使陶瓷绝缘层例如可以具有150-180K/（W*m）的导热率。 
根据本发明的另一个优选的设计方案，所述第二绝缘层为聚合物绝缘层。该聚合物绝缘层的导热率通常小于3K/（W*m）。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述第一区域的内壁和所述第一绝缘层之间设置有接合层，以将所述基底和所述第一绝缘层固定连接。基底和第一绝缘层分别由不同材料制成，而且硬度都比较高，因此必须借助于附加的结合层将两者牢固连接在一起。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述接合层包括分别设置在所述内壁和所述第一绝缘层的、与所述内壁相对应的外壁上的焊盘以及连接所述焊盘的焊料。例如当基底由金属材料制成、第一绝缘层设计为陶瓷体时，陶瓷体需要被固定在例如限定出为矩形凹槽的第一区域中。陶瓷体朝向矩形凹槽的各个表面上以及矩形凹槽的各个表面上分别预设有焊盘，借助于焊料可以将相对设置的焊盘焊接在一起，并进而将基底和作为陶瓷体的第一绝缘层焊接在一起。 
根据本发明的另一个优选的设计方案，所述第二区域设计为平坦的。第二区域可以是基底的顶面，其作为边缘区域限定出凹陷的第一区域。 
根据本发明的另一个优选的设计方案，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的表面处于同一水平面上。由此可以确保设置在第一和第二绝缘层上的导电层具有平坦的走势，可以牢固地承载待安装的电子器件。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层利用焊料固定连接。在平行于导电层的方向上，通过焊接确保了第一绝 缘层和第二绝缘层之间的固定连接，因此可以简单安全地在第一和第二绝缘层的表面上设置导电层。优选地，所述导电层设计为印刷电路层。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述导电层包括设置在第一绝缘层上的第一导电层和设置在所述第二绝缘层上的第二导电层。例如在第一绝缘层导热率高于第二绝缘层的情况下，可以将工作时产生热量的电子器件完全固定在第一导电层上并与其电连接，以便有效地进行散热。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述第一和第二导电层彼此间隔开，并以导线连接，所述第一和第二导电层中的任两个彼此间隔开。由于第一和第二绝缘层之间利用焊料进行连接，因此特别地在该连接区域上避免设置导电层，以避免短路等情况发生。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述第一导电层包括至少两个电连接区域和热连接区域，其中所述至少两个电连接区域和热连接区域中的任两个彼此间隔开。通常设置在电子器件正下方的热连接区域可以将电子器件产生的热量直接传递给高导热率的第一绝缘层。而两个与热连接区域间隔开设置的电连接区域可以分别于电子器件的引脚电连接和固定连接。 
此外本发明还涉及一种电子模块，包括至少一个电子器件，其特征在于，还包括上述电路板，用于承载所述电子器件。 
根据本发明的一个优选的设计方案，所述电子器件具有至少两个导电部和导热部，所述至少两个导电部分别和所述电连接区域连接，并且所述导热部和热连接区域连接。由此可以确保电子器件在和电路板上的电连接区域电连接的同时，还可以将电子器件在工作时产生的热量通过导热部传递到电路板的热连接区域上，用于进行高效的散热。 
此外本发明还涉及一种照明装置，其特征在于，包括上述电子模块，其中所述电子器件包括用作光源的LED芯片。通过在照明装置中安装根 据本发明的电路板，可以对高功率的LED芯片以及其他电子器件进行散热，由此延长整个照明装置的使用寿命。 
本发明的另一个目的在于，提出一种制造上述电路板的方法，其特征在于包括以下步骤： 
a）提供基底，在所述基底的一侧上具有第一区域和第二区域，其中所述第一区域相对于所述第二区域凹陷； 
b）提供导热率不同的第一绝缘层和第二绝缘层，其中将所述第二绝缘层设置在所述第二区域上； 
c）将所述第一绝缘层设置在所述第一区域上。 
在该方法中，特别需要在金属制的基底的一个表面上开设凹槽，作为第一区域，用于容纳第一绝缘层，并且在相对于凹槽平坦的剩余表面上、即第二区域上设置第二绝缘层，其中第一绝缘层和第二绝缘层的导热率不同。 
根据本发明的一个优选的设计方案，在步骤c）之前还具有步骤：d）在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层上分别设置导电层。在实际制造中，可以在单独的块状第一绝缘层上设置导电层，并且同时在设置在第二区域上的第二绝缘层上设置与其对应的导电层。 
通过这种方法制造的电路板具有可以对安装在其上的电子器件高效迅速地进行有针对性的散热，并且电路板自身还具有高硬度的优点，特别适用于承载高功率的电子器件。 
附图说明
附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。图中示出： 
图1示出了根据本发明的电子模块的第一实施例的剖面图，其中包括根据本发明的电路板； 
图2a-2h示出了制造根据本发明的电路板和电子模块流程图。 
具体实施方式
在下面详细描述中，参考形成本说明书的一部分的附图，其中，以例证的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。关于图，诸如“顶”、“底”、“内”、“外”等方向性术语参考所描述的附图的方向使用。由于本发明实施例的组件可以在许多不同方向上放置，所以方向术语仅用于说明，而没有任何限制的意思。应该理解的是，可以使用其它实施例，并且在不背离本发明的范围的前提下可以进行结构或逻辑改变。所以，下面详细描述不应被理解为限制性的意思，并且本发明由所附的权利要求限定。 
应该理解的是，如果没有其它特别注明，这里描述的不同的示例性实施例的特征可以彼此结合。 
图1示出了根据本发明的电子模块的第一实施例的剖面图，其中包括根据本发明的电路板。在电子模块200中用于承载电子器件201的电路板100针对待散热的电子器件201设计具有局部热阻较小的导热路径。具体而言，电路板100包括金属制的基底1和设计为印刷电路层的导电层2，并且在基底1朝向导电层2一侧的表面上包括第一区域3和第二区域4，其中第一区域3相对于第二区域4凹陷，限定出例如矩形的凹槽。在第一区域3中设置有例如导热率较高的块状第一绝缘层5，并且在第二区域4上设置有层状的第二绝缘层6。由此构成的电路板100在垂直于截面的方 向上具有不同的热阻：在具有由陶瓷制成的第一绝缘层5的第一部段B1中热阻较小，在具有由聚合物制成的第二绝缘层6的第二部段B2中热阻较大。 
为了确保电子模块200具有良好的散热效果，因此将在工作时产生热量的电子器件201固定在电路板100的第一部段B1上，电子器件201产生的热量沿着热阻较小的导热路径“导热部203-热连接区域12-第一绝缘层5-基底1”进行传递。 
高导热率的块状陶瓷体作为第一绝缘层5固定在第一区域3上，从图1示出的剖面图中可以看出，截面为矩形的第一绝缘层5、即陶瓷体形状匹配地容纳在第一区域3限定出的矩形凹槽中。由于第一绝缘层5和基底1分别由不同的硬质材料制成，因此必须在陶瓷体的外壁F2和矩形凹槽的朝向外壁F2的内壁F1之间附加地设置结合层，用于将重量以及体积较大的第一绝缘层5固定在第一区域3上、即固定在基底1中。 
结合层包括预先分别设置在内壁F1和外壁F2上的焊盘7′（图中未示出）以及焊料7。在此可以选择导电银膏作为焊料7，非固态的焊料7被灌注在陶瓷体和矩形凹槽之间的缝隙中，在固化后将外壁F2和内壁F1上焊盘7′焊接在一起。以这种方式，可以使陶瓷体牢固地嵌入矩形凹槽中，并和基底1连接成一体。此外，焊料7也将第一绝缘层5和第二绝缘层6连接在一起。 
设计为印刷电路层的导电层2包括设置在第一绝缘层5上的第一导电层8和设置在第二绝缘层6上的第二导电层9。由于第一和第二绝缘层5，6之间通过金属焊料7连接，因此为了防止短路，在该连接区域上并不设置导电层2，而是仅仅以导线10将第一导电层8和第二导电层9电连接。例如通过焊接的方式固定在第一导电层8上的电子器件201一方面利用至少两个设计为引脚的导电部和第一导电层8的至少两个电连接区域11电连接，另一方面利用位于电子器件201正下方的导热部和第一导电层8的 一个热连接区域12热连接。相应于电子器件201的设计，至少两个电连接区域11和一个热连接区域12彼此间隔设置。 
第一绝缘层5在本实施例中是例如由Al2O3或AlN制成的陶瓷导热层。这种绝缘层通常具有20-39K/（W*m）或150-180K/（W*m）的导热率，因此其除了具有良好的电绝缘能力以外，还可以用于进行热传递。第二绝缘层6在本实施例中是聚合物绝缘层，其导热率通常小于3K/（W*m）。这种绝缘层的电绝缘能力良好，但是基本上很难用于导热。 
在本实施例中，第一绝缘层5和第二绝缘层6上的朝向导电层2的表面处于同一水平面，由此可以构成完全覆盖金属基底1的上表面的平坦的绝缘层。 
在一个未示出的实施例中，第一区域3和对应的第一绝缘层5也可以具有其他结构，例如盆形、圆柱形等。 
图2a-2h示出了制造根据本发明的电路板和电子模块的方法的流程图，其中图2a-2g示出了制造根据本发明的电路板的流程图。图2a-2d示出的步骤可以在图2e-2f示出的步骤之前、之后或同时实现。首先在图2a中提供具有剖面例如为矩形凹槽的金属基底1，可以经过利用铣削加工将基底1的第一区域3加工成剖面为矩形的凹槽。在图2b中采用例如厚膜电路工艺在凹槽的内壁F1上制造焊盘7′。在图2c中，例如以真空压合的方式将由聚合物构成的第二绝缘层6固定在第二区域4上。随后在在第二绝缘层6上设置导电层2，这在图2d中示出。 
在时间上和上述步骤无关的是对第一绝缘层3进行加工的过程，如图2e至2f所示。首先提供可以容纳在第一区域3中的第一绝缘层5，其具有块状轮廓，例如由陶瓷制成。在该陶瓷块的上表面上设置导电层2，随后相应于图2b中示出的步骤，在陶瓷块的其余表面上、即用于焊接的外壁F2上设置焊盘7′。 
在图2g中示出了分别具有块状的第一绝缘层5和第二绝缘层6的电路板100。在内壁F1和外壁F2之间灌注焊料7，固化后的焊料7和分别设置在基底1和第一绝缘层5上的焊盘7′构成结合层，用于确保第一绝缘层固定在基底1中，并且和第二绝缘层6彼此连接。 
如在图2h中所示，可以将电子器件201安装在根据本发明的电路板100上，其中电子器件201安装在位于第一绝缘层5上的导电层2上、即第一导电层8上。电子器件201的两个导电部202分别和第一导电层8上的两个电连接区域11连接，电子器件201的导热部203和第一导电层8上的热连接区域12连接。为了避免出现例如短路等情况，在各个电连接区域11和热连接区域12之间设置有间隙，并且在设置在第二绝缘层6上的第二导电层9和第一导电层8之间也具有间隙。借助于导线10将第一导电层8和第二导电层9电连接。 
另外，尽管仅相对于多种实施方式中的一种公开了本发明的实施例的特定特征或方面，但是如任何给定或特定应用所要求的，这些特征或方面可以与其它实施方式的一个或多个其它特征或方面进行结合。此外，就具体实施方式或权利要求中所使用的术语“包括（include）”、“具有（have）”、“带有（with）”、以及它们的其它变体，这些术语旨在以类似于术语“包含（comprise）”的方式被包含。 
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 
参考标号 
1基底 
2导电层 
3第一区域 
4第二区域 
5第一绝缘层 
6第二绝缘层 
7焊料 
7′焊盘 
8第一导电层 
9第二导电层 
10导线 
11电连接区域 
12热连接区域 
100电路板 
200电子模块 
201电子器件 
202导电部 
203导热部 
B1第一部段 
B2第二部段 
F1内壁 
F2外壁。 

Claims (19)

1.一种电路板（100），包括基底（1）和导电层（2），其特征在于，所述基底（1）在朝向所述导电层（2）的一侧具有第一区域（3）和第二区域（4），所述第一区域（3）相对于所述第二区域（4）凹陷，所述第一区域（3）中容纳有第一绝缘层（5），所述第二区域（4）上设置有第二绝缘层（6），所述第一绝缘层（5）和所述第二绝缘层（6）具有不同的导热率。
2.根据权利要求1所述的电路板（100），其特征在于，所述第一绝缘层（5）具有比所述第二绝缘层（6）高的导热率。
3.根据权利要求1或2所述的电路板（100），其特征在于，所述基底（1）由金属制成。
4.根据权利要求3所述的电路板（100），其特征在于，所述第一绝缘层（5）为陶瓷绝缘层。
5.根据权利要求4所述的电路板（100），其特征在于，所述第二绝缘层（6）为聚合物绝缘层。
6.根据权利要求3所述的电路板（100），其特征在于，所述第一区域（3）的内壁（F1）和所述第一绝缘层（5）之间设置有接合层，以将所述基底（1）和所述第一绝缘层（5）固定连接。
7.根据权利要求6所述的电路板（100），其特征在于，所述接合层包括分别设置在所述内壁（F1）和所述第一绝缘层（5）的、与所述内壁（F1）相对应的外壁（F2）上的焊盘（7′）以及连接所述焊盘（7′）的焊料（7）。
8.根据权利要求1或2所述的电路板（100），其特征在于，所述第二区域（4）设计为平坦的。
9.根据权利要求8所述的电路板（100），其特征在于，所述第一绝缘层（5）和所述第二绝缘层（6）的表面处于同一水平面上。
10.根据权利要求8所述的电路板（100），其特征在于，所述第一绝缘层（5）和所述第二绝缘层（6）利用焊料（7）固定连接。
11.根据权利要求3所述的电路板（100），其特征在于，所述基底（1）由以下材料中任一种制成：铝、铝合金、铜。
12.根据权利要求1或2所述的电路板（100），其特征在于，所述导电层（2）设计为印刷电路层。
13.根据权利要求1或2所述的电路板（100），其特征在于，所述导电层（2）包括设置在第一绝缘层（5）上的第一导电层（8）和设置在所述第二绝缘层（6）上的第二导电层（9）。
14.根据权利要求13所述的电路板（100），其特征在于，所述第一和第二导电层（8，9）彼此间隔开，并以导线（10）连接，所述第一和第二导电层（8，9）中的任两个彼此间隔开。
15.根据权利要求14所述的电路板（100），其特征在于，所述第一导电层（8）包括至少两个电连接区域（11）和热连接区域（12），其中所述至少两个电连接区域（11）和热连接区域（12）中的任两个彼此间隔开。
16.一种电子模块（200），包括至少一个电子器件（201），其特征在于，还包括根据权利要求1-15中任一项所述的电路板（100），用于承载所述电子器件（201）。
17.根据权利要求16所述的电子模块（200），其特征在于，所述电子器件（201）具有至少两个导电部（202）和导热部（203），所述至少两个导电部（202）分别和所述电连接区域（11）连接，并且所述导热部（203）和所述热连接区域（12）连接。
18.一种照明装置，其特征在于，包括根据权利要求16或17所述的电子模块（200），其中所述电子器件（201）包括用作光源的LED芯片。
19.一种制造根据权利要求1-15中任一项所述的电路板（100）的方法，其特征在于包括以下步骤：
a）提供基底（1），在所述基底（1）的一侧上具有第一区域（3）和第二区域（4），其中所述第一区域（3）相对于所述第二区域（4）凹陷；
b）提供导热率不同的第一绝缘层（5）和第二绝缘层（6），其中将所述第二绝缘层（6）设置在所述第二区域（4）上；
c）将所述第一绝缘层（5）设置在所述第一区域（3）上。20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述步骤c）之前还具有步骤：
d）在所述第一绝缘层（5）和所述第二绝缘层（6）上分别设置导电层（2）。
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