CN105027687B - 用于制造非平面印刷电路板组件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造非平面印刷电路板组件(1)的方法。所述方法包括提供可形成平面的基底(2)以用于支撑传导材料(3)以及至少一个电子部件(4)，将未固化的传导材料(3)的电路图案印刷在平面基底(2)之上，将基底(2)和未固化的传导材料(3)成形为非平面形状，并且固化传导材料(3)，其中基底(2)包括金属片以及布置在所述金属片和传导材料(3)之间的电气绝缘涂层(2b)。

Description

用于制造非平面印刷电路板组件的方法
技术领域
本公开涉及一种用于制造特别地用于照明系统的非平面印刷电路板组件的方法。
背景技术
在现有技术中已知各种用于产生印刷电子器件的方法。其通常涉及通过将传导材料的层印刷到基底之上来电气地连接电子元件。可以采用很多标准的印刷技术，例如丝网印刷和喷墨印刷。当今通过这些方法生产出各种印刷电路组件，例如具有用于照明系统的发光二级管(LED)的组件。布置在基底之上的LED的一个示例在US2013/0082298 A1中公开。LED通过可以印刷在基底之上的传导墨来电气耦接。
印刷电子器件的区域被视为是针对电子产品的成本削减和新设计解决方案提供很大前景的新兴区域。可以识别出多个在印刷电子器件的区域内进行进一步开发的方向。例如，有可能改进当前用于生产具有非平面基底的印刷电子器件的方法。在照明系统中，以及在许多其他的应用中，希望利用这种基底因为其允许了很好地适应于所关注的应用的创新性产品设计。
WO87/01557公开了在尚未固化的绝缘材料的柔软膜之上印刷电子传导的墨。通过进一步的处理来实现固化。随后利用例如热成形而将膜成形为非平面形状。
发明内容
本公开的一般目的在于提供一种改进的或者可代替的用于制造非平面印刷电路板组件的方法。具体的目的包括提供一种改进的或者可代替的用于制造用于照明系统的非平面印刷电路板组件的方法，照明系统特别地是具有固态发光(SSL)器件例如LED光引擎、LED灯以及LED灯具的照明系统。
本发明由独立权利要求来限定。在从属权利要求、说明书和附图中列举出了实施例。
根据第一方面，提供一种用于制造非平面印刷电路板组件的方法。所述方法包括步骤：提供可形成平面的基底以用于支撑传导材料以及至少一个电子部件，将未固化的传导材料的电路图案印刷在所述平面基底之上，将所述基底和未固化的传导材料成形为非平面形状，并且固化所述传导材料，其中所述基底(2)包括金属片以及布置在所述金属片和传导材料(3)之间的电气绝缘涂层(2b)。
该方法暗示了具有印刷传导材料的基底在传导材料被固化之前成形为所希望的非平面形状。所述传导材料于是在成形步骤期间为柔软的并且可以轻易地适配基底的变化形状。作为结果，在完工的非平面印刷电路组件的电路图案中的有害应力和应变风险非常低。在固化的传导材料中的应力和应变可能会降低其传导性，例如通过导致裂缝的形成。于是，通过这种方法，就有可能制造符合高技术性能标准的非平面印刷电路板组件。此外，由于可以使用标准的印刷和成形技术，所述方法提供了简单的办法来制造非平面印刷电路板组件。这种电路板不仅允许高度的设计灵活性，而且由于印刷电路图案，其还可以特别地适于用于高功率电子部件，例如SSL器件。利用其他类型的电路板，例如接线电路板，可能很难提供这种电子部件所要求的传导性水平。
非平面形状例如为波浪形、锯齿形、圆形以及/带角度的形状。例如，非平面形状可以包括两个或多个连接并且互相成角度的平面区域(角度不等于180度)。在其最简单的形式中，非平面形状为将基底沿着线在特定角度上进行弯曲或成形的结果，这导致两个连接的并且互相成角度的平面区域，所述的两个连接的并且互相成角度的平面区域相对于彼此具有不等于180度的角度。
作为成形工艺的结果，所述印刷的传导材料可以在基底变形的非平面位置(也即基底变形离开其原始的平面形状的地方)处具有厚度和/或宽度，并且如果基底未变形的区域(即基底的平面区域)包括在基底的非平面形状中，则上述非平面位置偏离这些平面区域的厚度和/或宽度。进一步，由于根据本发明的方法，相较于现有技术方法而言，在非平面位置或区域处，即基底变形离开其原始平面形状的地方的、所固化的传导材料的诸如裂缝的不连续性显著得以降低甚至消失。由于根据本发明的方法，其中在形成基底之后进行传导材料的固化，所述传导材料将展现较少的应力，从而导致较少甚至为零的传导材料中的裂缝或其他不连续性。
利用丝网印刷技术或喷墨印刷技术可以将未固化的传导材料印刷在基底之上。这些是可以与多种不同种类的传导材料和基底材料共同使用的经济节约并且通用的印刷方法。
通过真空深拉或低压成形或高压成形可以将基底和未固化的材料成形为非平面形状。这些是简单的成形技术，通过其可以快速并且节约地制造不同类型的形状。此外，其尤其适合与具有通常使用在照明系统中的种类的基底共同使用。然而，总体上，任何热成形或其他成形方法可以用于对基底和未固化材料进行成形。如果印刷电路板组件意在于安装在散热器之上时，将基底成形为散热器的表面的形状可能是有利地，因为这将有助于改善热从电路板组件的传送。基底可以例如成形为散热器的顶部之上的非平面形状。
所述方法可以包括将至少一个，典型地为多个电子部件布置在平面基底之上。所述电子部件可以在印刷之前或之后布置在平面基底之上。注意到的是可以构思出在基底已经成形为非平面形状之后将电子部件布置在基底之上，但是典型地是其更易于布置在平面基底之上。
可能有优势的是利用传导材料使得在固化之后，传导材料将电子部件机械地固接到基底。利用这种传导材料可以降低制造步骤的数目，由于可以不需要将电子部件附着到基底上的单独的步骤。这使得简单且经济的制造工艺变为可能。
未固化的传导材料可以印刷在平面基底之上从而电路图案的传导路径具有第一厚度的部分以及具有与第一厚度不同的第二厚度的部分。所述第二厚度可以例如大于所述第一厚度。在成形步骤期间，所述基底和未固化的传导材料的图案可以在传导路径具有第二厚度的地方被弯曲或变形。这可能导致传导电路具有高的可靠性。进一步，这个实施例可以补偿作为传导材料在特定位置或区域处的弯曲或变形的结果所导致的传导材料的厚度变化。“厚度”在这里意味着传导路径在基本上垂直于传导路径布置在其上的基底表面的方向上的尺寸。第一厚度和第二厚度不同意味着具有第一厚度的部分在垂直于其上印刷有传导材料的基底表面的平面中具有与具有第二厚度的部分不同的横截面。附加地或者可代替地，类似于传导路径的厚度，所述电路图案的传导路径可以具有类似于传导路径的厚度的第一宽度的部分和第二宽度的部分。“宽度”在这里意味着传导路径在基本上平行于其上布置有传导路径的基底表面的方向上的尺寸。
所述电子部件可以包括一个或多个SSL器件，例如半导体LED、有机LED、聚合物LED以及/或激光二极管。根据上面描述的方法的变形中任一个所制造的并且包含了一个或多个安装在基底之上的SSL器件的非平面电路板组件可以特别地适合使用在照明系统中，由于这种电路可以有助于提供创新的产品设计以及有效的照明方案。这种照明系统的传导材料可以将所述一个或多个SSL器件机械地固接到基底。在一些应用中，照明系统的基底可以具有优势地提供为形式为具有电气绝缘涂层的金属片。这种涂层典型地布置在金属片和传导材料之间。所述涂层可以包括光反射颗粒，例如漫射反射的颗粒。进一步，所述涂层可以包括意在于改善基底的热传导的颗粒。
为了从电子部件有效地去除热，照明系统可以包括在其上布置有基底的散热器。所述基底可以例如层叠在散热器之上。所述基底可以具有散热器的朝向基底的表面的形状。将非平面基底的形状匹配到散热器的形状可能改善热从电子部件到散热器的转移。可以具有优势的是在散热器之上直接形成基底以及未固化的传导材料，因为这可以降低用于制造非平面印刷电路板组件以及散热器二者的容差要求。这反过来可以实现更快的制造过程并且降低成本且增加制造工具的寿命年限。
注意本发明涉及记载在权利要求中的特征的所有可能的组合。
附图说明
现在将参照示出了本发明的实施例的附图更为详细地描述本发明的这个以及其他方面。
图1为用于制造印刷电路板组件的方法的流程图；
图2a-图2c为图1中所描述的方法的一些步骤的示意性透视图示；
图3a-图3c为图1中所描述的方法的一些步骤的示意性透视图示并且示出了以不同于图2a-图2c中的顺序执行的步骤。
如同在附图中所图示的，为了图示目的，层和区域的尺寸被夸大并且因此提供用于图示本发明实施例的大致结构。贯穿始终，相同的参考标号指代相同的元素。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更为全面的描述，在附图中示出了本发明当前的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施并且不应当被理解为限于这里所列出的实施例，相反地，出于透彻性和完整性而提供了这些实施例，其将本发明的范围完全传达给技术人员。
将参照附图1和附图2a到附图2c来描述用于制造非平面印刷电路板组件1所述的方法。在步骤S1，提供用于支撑传导材料3以及至少一个电子部件4的平面基底2。所述基底2可以是片、板或薄膜。所述基底2可以是层压板。基底2可以为透明或者不透明。所述基底2可以为漫射反射或镜面反射。所述基底2可以由任何适合的材料制成，例如热塑材料。所述热塑材料可以是PET、ABS或聚碳酸酯(PC)。热塑性材料可以是处于乙阶(B-stage)的热固性材料，例如环氧树脂和聚酰亚胺。所述基底2可以利用纸和/或玻璃纤维进行加固。
所述基底2可以具有涂层2b，传导材料3在步骤S2中印刷在所述涂层2b之上(参见以下)。所述涂层2b可以形成图案，并且其可以由塑料材料制成。涂层2b可以为电气绝缘的。作为示例，基底2可以为覆盖有电气绝缘材料的涂层2b的金属片。所述金属片可以是铝片。涂层2b可以为镜面反射或漫射反射。涂层2b可以例如为白色。涂层2b可以包括多个层，其中一个或多个可以为镜面反射或漫射反射。所述多个层中的一个或多个可以为白色。所述涂层2b可以包括颗粒2a用于改善基底2的反射性和/或导热性。所述颗粒2a可以由铝粉和/或二氧化钛粉来形成。颗粒2a可以由覆盖有光反射材料和/或电气绝缘性材料的导热核来形成。
在步骤S2中，传导材料3印刷在基底2之上。印刷方法可以是例如丝网印刷或喷墨印刷。在印刷之后，传导材料3在基底2之上形成具有希望的图案的层。所述图案可以由印刷掩膜5来限定。可以使用各种类型的传导材料3。所述传导材料3可以例如从包括Ag、Cu以及Ag和Cu的混合物的群组中选择。传导材料3可以为印刷膏。
传导材料3可以为例如悬浮物的混合物的一部分。所述混合物可以包括在固化之后形成绝缘体的第二材料。所述第二材料可以从包括丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰亚胺、三聚氰胺树脂和三聚氰胺甲醛的群组中选择。所述混合物可以在印刷后形成基本上平行于基底平面的层。例如，传导材料3可以形成传导层，在其顶上第二材料形成绝缘层，即传导层布置在基底2和绝缘层之间，所述绝缘层于是形成了电气安全屏障。如果利用丝网印刷将混合物印刷到基底之上，传导层和绝缘层的组合厚度典型地约为20μm或更少。如果使用喷墨印刷，则层的组合厚度典型地约为5μm或更少。混合物可以包括添加剂，例如在第二材料中产生胶体的添加剂。使用添加剂将会使得制造过程更为有效。混合物可以包括光反射颗粒，其在印刷电路板组件意在用于照明系统时可以具有优势。所述光反射颗粒可以为镜面反射或漫射反射的。所述光反射颗粒可以为球形。可代替地，或者附加地，混合物可以包括光折射颗粒。所述光折射颗粒的折射率可以从约1.3到约1.7，并且其典型地与混合物的基础材料的折射率相差有0.1或更多。光折射颗粒可以是聚合物球体，或者其可以为具有约1.5的折射率的玻璃球体。
传导材料可以印刷在平面基底之上从而电路图案的传导路径具有第一厚度以及/或第一宽度的部分以及与第一厚度和或第二宽度不同的第二厚度以及/或第二宽度的部分。所述第二厚度和或第二宽度可以例如大于第一厚度和/或第一宽度。在成形步骤期间，基底和传导材料的未固化的图案于是在传导路径具有第二厚度和/或第二宽度的地方被弯曲或变形。这可以导致具有高的可靠性的传导电路。进一步，这可以补偿作为传导材料的弯曲或变形的结果的传导材料的厚度和/或宽度的变化。在一个实施例中，利用丝网印刷将传导材料印刷在基底之上并且传导材料的宽度设计为使得其在基底将变形或弯曲的地方或区域处较大。在另一个实施例中，利用喷墨印刷将传导材料印刷在基底之上并且使得印刷在基底之上的传导材料的厚度在基底将变形或弯曲的地方或区域处较大。在步骤S3中，例如利用取放机器(pick-and-place machine)将至少一个电子部件4放置在基底2和传导材料3之上。在图2b中，将多个电子部件4放置在基底2和传导材料3之上。电子部件4可以包括一个或多个发光器件。所述发光器件可以是SSL器件，例如半导体LED、有机LED、聚合物LED以及/或激光二极管。电子部件4可以包括一个或多个具有一个或多个SSL器件的SSL管芯。
每个电子部件4可以具有在电子部件4和传导材料3的印刷层之间形成电气界面或电气界面的部分的至少一个电气连接部分4a。所述电气连接部分4a可以是金属引脚，并且其可以包括Ag，例如以涂层的形式。
在步骤S4，电子部件4固定在其位置上从而其在将平面基底2形成为非平面形状的步骤(参见下面步骤S5)期间保持就位。电子部件4的固定可以通过例如黏合的化学手段来实现。电子部件4可以例如胶合到基底2。激光器可以用来固化胶。可代替地，或附加地，电子部件4可以通过机械手段固定在其位置上。例如，电子部件4可以通过弹簧、螺丝、钉子和/或夹子固定到基底2。
注意到对于电子部件4的位置的固定并不必须涉及将电子部件4附接到基底2。电子部件4可以例如通过支撑或外部结构，例如机器臂或板而固定在其位置，所述机器臂或板在平面基底2形成为非平面形状(参见下面步骤S5)之后被去除。所述电子部件4接着在制造工艺的稍后阶段被附接到基底2。
在步骤S5，平面基底2例如通过热成形而形成为非平面形状。可以使用低压成形或高压成形。所述平面基底2可以通过真空深拉而形成为非平面形状。这些成形技术被视为对于本领域技术人员已知并且因此不需要进一步的描述。其被频繁地使用来形成各种例如漏斗、杯子、碗、盖子、托盘和隔离板以及容器的家居产品。其可以用来形成厨房水槽、碟形天线、船壳体以及汽车仪表盘。具有例如波浪形、锯齿形、圆形以及/带角度的形状的产品可以用这些方法来制造。非平面可以例如为包括两个或多个平面区域的形状。例如，所述非平面形状可以是将基底沿着线在特定角度上进行弯曲或成形的结果从而导致两个连接的并且互相成不等于180度的角度的平面区域。图2c示出了五个连接的并且具有接近45度的角度的互相成角度的平面区域的示例。
在成形步骤期间，可以有利的是利用保护性结构来有助于防止电子部件4和传导材料3的印刷层被损害，例如该损害是由于它们与用来形成基底2的工具进行接触的结果。可以使用阳模和/或阴模成形工具。
所述基底可以形成为散热器的表面的形状。这可以通过借助于适合的机械铸模来形成基底2来实现。特别地，散热器可以用作机械铸模。这样，基底2可以直接形成在散热器的顶部之上。散热器可以具有通风口从而允许空气在成形步骤期间被去除，其有助于防止形成气穴。此外，在成形步骤期间，基底2可以在一个或多个机械结构上方拉伸，该一个或多个机械结构意在于将基底2固定在散热器的顶部之上。机械结构可以是散热器的一个或多个边沿。可以在散热器和基底2之间提供黏合剂的层。这种层可以帮助改善将基底2黏合到散热器。该黏合剂可以是热可固化黏合剂，其在步骤S6中的传导材料的固化过程中被固化(参见下面)。
在步骤S6，其在步骤S5之后，其中平面基底2形成为非平面形状，所述传导材料3被固化。可以通过例如加热、辐射或实用化学添加剂来实现固化。固化温度可以高于约160℃，可代替地高于约200℃或者高于约300℃。大体上，希望利用高固化温度，因为被固化的传导材料3的传导性典型地随着增加的固化温度而增加。这可以导致较低的制造成本，原因在于传导材料3的传导性越高，就需要越少的传导材料3。
固化可以导致传导材料将电子部件4机械地固接到基底2。关于具有这个能力的传导材料的讨论可见于未公开专利申请EP13175646。此外，在步骤S6中传导材料3的固化可以导致在电子部件4和传导材料3之间形成的电气连接。下面描述的步骤S7于是可以省略。
此外，在固化之后，固化的传导材料的、在非平面位置或区域处的，即在基底变形超出其原始的平面形状的地方处的诸如裂缝的非连续性得以显著地降低，或甚至变得没有。由于传导材料在基底的成形之后被固化，相较于形成具有固化的传导材料的基底而言，传导材料将展示出较少的应力，导致传导材料中较少或甚至零的裂缝或其他不连续性。
在步骤S7，电子部件4电气连接到固化的传导材料，例如通过诸如传导胶的化学手段。焊接可以用于将电子部件4电气地连接到固化的传导材料3。在一些应用中，例如其中电子部件4包括高功率LED的那些应用中，焊接可以是有优势的因为焊接的连接可以导致热被有效地从电子部件4传送走。焊料层可以在其被定位在未固化的传导材料3上之前被提供在电子部件4之上，从而在固化的传导材料3和电子部件4之间存在焊料层。焊接温度可以高于固化温度。固化和焊接于是可以通过首先在特定温度固化传导材料3并且接着将温度升高从而将电子部件4焊接在固化的传导材料3之上来执行。
图3a到图3c类似于图2a到图2c。更精确地，在图2a到图2c中，步骤S2在步骤S3之前执行，即在电子部件4放置在基底2和传导材料3上之前，将传导材料3印刷在基底2之上。然而，在图3a到图3c中，步骤S2在步骤S3之后执行，即在将传导材料3印刷在基底2上之前，将电子部件4放置在基底2之上。在这种情况下，可以在印刷过程期间使用具有用于电子部件4的浮雕区域的阶梯模板(step stencil)。
非平面的电路板组件1可以例如用于具有例如LED光引擎、LED灯或LED照明设备的一个或多个SSL器件的照明系统中。所述照明系统还可以包括用于冷却照明系统的散热器。在非平面印刷电路板组件1和散热器之间可以提供导热膏从而增加在非平面印刷电路板组件1和散热器之间的热传导性。所述导热膏可以为具有高热传性的胶。所述导热膏可以是硅。散热器可以具有改善空气冷却的结构。散热器可以具有提供到另一个散热器的热界面的平坦表面，并且在两个散热器之间可以提供有电气绝缘层。该电气绝缘层可以提供如特定安全标准所要求的电气安全屏障。电气绝缘层可以适于在两个散热器之间提供高热传导性。
本领域的技术人员认识到本发明绝不限于上面所描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内具有很多修改和变形。例如，上面所描述的方法可以包括多个印刷步骤。特别地，绝缘材料层可以印刷在传导材料3的层之上。通常有利的是印刷两个或多个绝缘层，因为这可以降低针孔的风险。
此外，通过对附图、公开以及所附权利要求的研究，本领域的技术人员在对所要求权利的本发明进行实施时可以理解并且实现所公开的实施例的变化。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除复数。在多个不同的从属权利要求中记载了特定的措施的仅有事实并不指示不能对这些措施的组合加以利用。

Claims (12)

1.一种用于制造非平面印刷电路板组件(1)的方法，包括：
提供可形成平面的基底(2)以用于支撑传导材料(3)以及至少一个电子部件(4)，
将未固化的传导材料(3)的电路图案印刷在所述平面基底(2)上，
将所述基底(2)和所述未固化的传导材料(3)成形为非平面形状，并且
固化所述传导材料(3)，
其中所述基底(2)包括金属片以及布置在所述金属片和所述传导材料(3)之间的电气绝缘涂层(2b)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中利用丝网印刷技术将所述未固化的传导材料(3)印刷在所述基底(2)上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中利用喷墨印刷技术将所述未固化的传导材料(3)印刷在所述基底(2)上。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中通过真空深拉将所述基底(2)和所述未固化的传导材料(3)形成为非平面形状。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述基底(2)形成为所述非平面印刷电路板组件(1)意图安装于其上的散热器的表面的形状。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，包括在印刷之前将至少一个电子部件(4)布置在所述平面基底(2)上。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，包括将至少一个电子部件(4)布置在所述平面基底(2)上的所印刷的未固化的传导材料(3)上。
8.根据权利要求7的方法，其中在固化之后，所述传导材料(3)将所述至少一个电子部件(4)机械固接到所述基底(2)。
9.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中所述未固化的传导材料(3)被印刷在所述平面基底(2)上，从而电路图案的传导路径具有第一厚度的部分以及与所述第一厚度不同的第二厚度的部分，并且其中将所述基底(2)和所述未固化的传导材料(3)成形的步骤包括在所述传导路径具有所述第二厚度的地方弯曲所述基底。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二厚度大于所述第一厚度。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述基底(2)安装在散热器上的步骤，其中所述基底(2)具有散热器表面的形状，所述表面面向所述基底(2)。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述电气绝缘涂层(2b)包括光反射颗粒(2a)。
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