CN108474547A - 真空核心电路板 - Google Patents

Abstract

一种用于从产热电子组件散热的真空核心电路板(10)，所述真空核心电路板包括：至少一个电路层(12)，所述产热电子组件(14)电子地耦合到所述至少一个电路层；基底层(16)，其包括具有基本上中空内部(20)的主体结构(19)；以及介电层(18)，其提供于所述电路层(12)的至少一部分与所述基底层(16)之间，其中所述中空内部(20)至少部分排空。

Description

真空核心电路板

技术领域

本发明涉及一种真空核心电路板。预期本发明的真空电路板应用于从产热电子组件中散热。更具体地说，产热电子组件可以呈LED形式提供。

背景技术

背景技术的以下论述仅预期便于理解本发明。所述论述并不认可或承认提及的材料中的任一种在本申请的优先权日是或曾经是公共常识的一部分。

电子装置通常在单个电路板或印刷电路板(PCB)上具有若干离散集成电路封装。这些封装的计算能力很少受限于这些装置的功能大小，而是受限于这些装置的总功率消耗以及产生的热量。智能电话装置在其系统内使用被动或传导冷却，笔记本电脑使用微型传导、相变和风扇强制冷却的组合，并且台式计算机使用大型风扇强制和相变冷却技术来增加冷却效率。装置越小，对被动高速传导冷却的需求就越大。

PCB的进一步使用是在发光二极管(LED)灯中。LED灯是由一个或多个LED的阵列组装而成的灯或电灯。LED灯的使用寿命和电效率优于白炽灯若干倍，并且显著优于大部分荧光灯。已看到LED灯在商业和住宅应用中开始替代白炽灯和荧光灯。在此替代周期期间，LED电灯由具有标准灯泡连接和形状(例如，爱迪生螺丝灯座或GU10卡口接头)的LED灯制成并且与供应到插座的电压兼容。由于与现有接头兼容的需求减小，因此出现设计用于LED灯的较新接头。

尽管LED灯与常规白炽灯和荧光灯相比大幅改进，但是LED灯仍存在若干限制，在LED灯完全替代常规照明系统之前，这些限制必须加以解决。

LED灯的主要限制是在较高温度下LED效率和使用寿命降低。LED中的大部分电作为热量损耗，而不是变换成光(约70％热量和30％光)。如果不除去此热量，则LED在高温下运行，这不仅降低LED的效率，而且还使LED不如原本可靠。因此，这限制了可以用于LED灯中的功率，所述LED灯用于物理地替代现有长丝和紧凑荧光灯类型。因此，LED灯，尤其使用大功率LED的那些LED灯中的热量管理是必需的。

LED灯中的热量管理的一种方法是通过使用金属核心印刷电路板(MCPCB)。在MCPCB中，相较于由隔热材料构成的较便宜板，PCB的基底材料是导热金属。在LED与金属核心之前提供导热介电层，所述导热介电层充当LED与金属核心之间的热桥。常规散热片随后可用于耗散传递到金属核心的热量。与MCPCB相关联的一个问题涉及无效热分布，这导致在板的某些区域中形成热点。这些热点与PCB的其余部分之间的温差可能导致层的弯曲和分离以及不当热传递。

散热片本身也具有主要与商业和住宅LED灯安装带来的尺寸限制有关的局限性。尽管可以通过增加散热片的复杂性和/或在构造中使用特殊合金来改进空间限制，但是这最终会增加LED灯的成本。

特别适用于LED灯的LED的另一问题是所谓的“效率下降”。这指在电流增加超过某一点时，LED的发光效率降低。因此，通常通过将多个LED组合在一个LED灯中来增加亮度。对更多LED的相关需求已显著增加LED灯的生产成本。

在整个本说明书中，除非本文另有规定，否则词语“包括(comprise)”或例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变型应理解为暗示包含所陈述整体或整体的群组，但不排除任何其它整体或整体的群组。

在整个说明书中，除非本文另有规定，否则术语“真空核心”或其变型将理解为暗示核心的至少某一程度的排空并且不限于完全或全部排空。此外，术语“排空”暗示低于大气压的压力。

发明内容

根据本发明，提供一种用于从产热电子组件散热的真空核心电路板，所述真空核心电路板包括：

至少一个电路层，所述产热电子组件电子地耦合到所述至少一个电路层；

基底层，其包括具有基本上中空内部的主体结构；以及

介电层，其提供于电路层的至少一部分与基底层之间，

其中所述中空内部至少部分排空。

在本发明的一种形式中，基底层由金属构成。

主体结构可以是围绕中空内部的任何形状。在本发明的一种形式中，主体结构是由基本上相对的顶面和底面界定的整体板状结构。

如本领域普通技术人员将理解，术语“至少部分真空”是指中空内部内的压力低于大气压。这通过减少中空内部内的气体的体积来实现。申请人应理解，空腔室的至少部分排空允许热量在整个主体结构和电路板中快速且均匀的分布。通过至少部分排空主体结构的中空内部，设想清除通常会抑制热辐射传播的颗粒。

在本发明的一种形式中，中空内部含有已部分排空的空气。在本发明的替代形式中，中空内部含有处于减小的大气压下的相变材料。如本领域普通技术人员将理解，相变材料是具有熔化热的物质，从而使所述相变材料能够存储和释放大量热能。优选地，相变材料选自水、氨水、氧化氘、氯化钠、锑、氯氟碳化物、氢氟碳、乙二醇、丙二醇、全氟聚醚氟液和庚烷中的任一个多个。不希望受理论所束缚，申请人应理解，不同相变材料的选择取决于电子组件的操作温度。例如，在高于1400℃的操作温度下，氯化钠或锑是合适的。

在本发明的替代形式中，主体结构是圆柱形形状。设想，主体结构的形状将取决于多个因素，包含热源在电路层上的布置以及真空核心电路板所用于的应用。

优选地，当主体结构是整体板状结构时，顶面和底面基本上均匀地间隔开以界定主体结构的中空内部。更优选地，顶面和底面在相当大部分其内表面区域上基本上均匀地间隔开。

在本发明的一种形式中，产热电子组件是LED灯。

设想在产热电子组件具有其自身的散热块的情况下，散热块可以直接结合到基底层。优选地，散热块回焊到基底层，或直接沉积在基底层上。设想散热块在需要时可以形成传导路径的一部分。

在本发明的一种形式中，真空核心电路板进一步包括用于将产热组件直接连接到板的基底层的粘合剂。优选地，粘合剂选自金、银、青铜、锡铅焊料和无铅焊料。更优选地，无铅焊料选自锡银铜焊料；锡银铜锌焊料以及锡银铜锰焊料。

在本发明的一种形式中，粘合剂的应用以及组件的结合借助于本领域中已知的任何方式。优选地，通过焊料回焊；溅射、真空沉积、化学键结、电镀、感应焊接/钎焊和电子束焊接中的任一个来应用粘合剂。更优选地，借助于焊料回焊工艺执行粘合剂的应用。

电路层优选地是低电阻金属，例如，铜、银、金、铝。

介电层由电绝缘但导热的介电材料组成。介电层可以包括塑料和弹性材料、玻璃、陶瓷、预浸体(玻璃纤维)、纤维、碳纤维/管、导热聚合物和包层中的至少一个。在本发明的一种形式中，导热聚合物是液晶聚合物(LCP)。如本领域普通技术人员将理解，LCP是基于P羟基苯甲酸和相关单体的部分结晶芳香族聚酯。在本发明的替代形式中，导热聚合物是NCO骨架聚合物。

在本发明的进一步形式中，介电层是具有以电绝缘方式配置的晶体结构的元素碳。优选地，碳借助于低温真空沉积施加。优选地，碳以大致2.0nm的厚度沉积在基底上。申请人应理解，此配置提供高导热速率，同时保持良好的电绝缘特性。

如本领域普通技术人员将理解，必须设计介电层的厚度和结构，使得电路层不短路，同时保持高热性能。在本发明的一种形式中，此层的厚度在2.0nm与0.2mm之间。设想取决于电气组件的电压和电流，可以使用更厚或更薄层。

介电层可以是通过本领域已知的任何常规方式施加的基底层。在本发明的一种形式中，介电层通过物理气相沉积施加到基底层。在本发明的替代形式中，介电层通过溅镀沉积施加到基底层。在另一替代形式中，介电层通过蒸镀技术施加到基底层。如本领域普通技术人员将理解，蒸镀技术包含将介电化合物分散到溶剂中，所述溶剂随后在应用之后蒸发或固化。

在本发明的一种形式中，基底层形成电路层的一部分。在本发明的此形式中，基底层的表面沉积有导电层和介电层的部分。

在本发明的替代形式中，介电层施加到表面并且部分被蚀刻掉以展现传导部分。如本领域普通技术人员将理解，蚀刻可以通过化学或光子(激光)方式来实现。

在本发明的一种形式中，中空内部的表面可以通过表面处理材料处理。优选地，表面处理材料具有高德拜温度。更优选地，表面处理具有高度有序的晶体结构。在本发明的一种形式中，表面处理材料是碳、铍、蓝宝石、二氧化钛、氮化钛、碳酸钛、硼化铪、硼化锆、硼化钛、氮化钪、碳化钒、铬、钌、硅酮和碳酸钙中的任一个或多个。在本发明的一种形式中，表面处理材料具有至少600k的德拜温度。更优选地，表面处理材料具有至少1000k的德拜温度。如本领域技术人员将理解，材料的德拜温度实际上是材料的原子结构的数值表示并且涉及能量保存在固体内的方式。

在本发明的一种形式中，表面处理材料是纳米颗粒。优选地，表面处理材料的平均粒度在约1nm到40nm之间。

在本发明的一种形式中，顶面和底面配备有特征表面。优选地，特征表面包括多个表面区域突出波纹。更优选地，波纹的轮廓是正弦形的或具有鳍状配置。再优选地，波纹的高度不超过主体结构的宽度的三倍。

优选地，主体结构由具有低热阻和电阻的材料，例如铜或铝构成。设想，主体结构的部分可以配备有隔热材料，以便防护电路中的某些电子组件免受通过基底层耗散的热量。

在本发明的一种形式中，基底层和主体腔室可以将电路的一部分妥协为正轨道或负轨道。

在本发明的优选形式中，波纹在从整体主体的横向轴偏移的方向上跨越整体主体的表面延伸。优选地，波纹在与整体主体的横向轴成45度的方向上跨越整体主体的表面延伸。

在本发明的一种形式中，整体主体的顶部表面的波纹方向一般与整体主体的底部表面的波纹方向相反。优选地，方向相反90度。通过提供整体主体的顶部表面和底部表面的相反波纹方向，申请人理解，从顶部表面辐射的热辐射将与具有来自底部表面的热激励空气的局部空气和涡流混合，并且远离主体结构流动。此涡流对散热片设计非常有利，因为所述涡流在不需要风扇的情况下散热。

通过增加效率以及管理LED灯源的外来热能两者，申请人已能够改进LED灯的总体性能。以此方式，可以从LED利用最大可见光，同时从LED灯去除外来能量。

附图说明

在本发明的若干非限制性实施例的以下描述中更完全地描述本发明的其它特征。仅出于例证本发明的目的而包含本说明书。不应将本说明书理解为对上述本发明的广泛发明内容、公开内容或描述的限制。将参考附图进行描述，其中：

图1是根据本发明的第一方面的真空核心电路板的截面图；

图2是根据本发明的第一方面的真空核心电路板的侧视图；

图3是根据本发明的第一方面的真空核心电路板的俯视透视图；以及

图4是实例1的结果的图形表示。

具体实施方式

在图1到3中，示出根据本发明的真空核心电路板10。真空核心电路板10包括电路层12，产热电子组件，例如LED 14电子耦合到所述电路层。真空核心电路板10进一步包括基底层16。介电层18提供于电路层12的至少一部分与基底层16之间。介电层18是电绝缘的，以防止LED 14短路。如图1所示，LED的至少一部分可以直接结合到基底层。或者，LED可以结合到在介电层上或中的电路层。

基底层16包括具有基本上中空内部20的主体结构19。基本上中空内部20涂覆有表面涂层(未示出)。基底层16由具有顶面22和底面24的整体板状结构构成。

很好理解，热量可以借助于传导、对流或辐射传播。用于电子装置的典型热传递方法依赖于传导来从热源去除热量。在此布置中，热量可以从热源去除的速度由热量通过固体传导的速度限制。申请人应理解，通过提供具有中空内部的主体结构19，通过热源产生的热量的至少一部分可以通过中空内部20借助于辐射传递。如本领域普通技术人员将理解，热量借助于辐射传播的速度比传导速度快得多。

在展现适当高的辐射速率的中空内部20的设计中面临的困难是增加从固体表面排放到中空内部中的热量，使得其速度与通过固体的传导竞争。

如本领域普通技术人员将理解，当主体的温度大于绝对零度时，原子间碰撞导致原子或分子的动能改变。这导致产生电磁辐射的电荷加速和/或偶极振荡。

不希望受理论所束缚，申请人理解，材料的辐射率取决于多个因素。这些因素包含材料的化学组成和物理结构、材料的温度、材料的德拜温度和相关联声子振荡率、这些振荡的通过角度，以及最后所述材料的偏振。这些因素类似地影响辐射的吸收。这些因素中的任一个的微调可以用于借助于辐射改进热量的排放和吸收。

本发明人已发现，具有高德拜温度或每摩尔低比热的材料更容易发射和吸收辐射。不希望受理论所束缚，这理解为由于材料的原子结构以及颗粒在温度下的高振荡速率。

由于这是产生辐射的偶极振荡，因此辐射的发射可以仅在材料的表面处发生。另外，可以仅在每次偶极振荡之后发生辐射。因此，有利的是使用具有高声子振荡率的材料以及最大化表面区域。不希望受理论所束缚，本发明人已发现，通过用包括在约1nm到40nm的大小范围中的晶体纳米颗粒的表面涂层涂覆中空内部的内表面，可以增加表面积和传输速度。通过增加发射和吸收表面积，还增加热传递。另外，粒度还与材料热传递速度成反比。材料需要仔细地进行选择，因为材料的粒度会影响结构和德拜温度。

偶极振荡的速率指定发射波长，其中振荡速率由声子振荡速率指定。可以处理高振荡速率的材料将允许更多传递。理想地，接受材料将具有与发射材料类似的波长和声子振荡，并且随后应进行匹配。这理解为通过中空内部22提供最大热传递。

在图1到3中所示的实施例中，主体结构19是板状的，但是设想所述形状可以适用于特定热源。例如，主体结构19可以进行尺寸设定和成形，以用于移动电话，或在笔记本电脑和个人计算机内使用。

在产热电子组件具有其自身的散热块26的情况下，散热块通过介电层18中的孔直接回焊到基底层。

顶面22和底面24两者沿着其表面配备有一系列波纹。在图2和3中所示的实施例中，波纹的方向从基底层16的横轴偏移45度。顶面22和底面24的波纹偏移90度。

中空内部20借助于排空管28排空。在中空内部已排空之后，密封排空管28以便保持其中的真空。

通过增加效率以及管理LED灯源的外来热能两者，申请人已能够改进LED灯的总体性能。以此方式，可以从LED利用最大可见光，同时从LED灯去除外来能量。

实例1

如先前所论述，本发明人已识别用于从LED灯源散热的金属核心电路板的使用。制造LED灯时面对的困难是在较高电流导致来自LED灯源的较高能级的同时，还增加LED的操作温度。操作温度的此增加还会减小LED灯源的效率。典型的导电散热片仅允许在LED效率由于产热受影响之前将电流增加到某一点。为了将本发明的金属核心电路板与典型散热片相比较，执行一系列测试，所述测试将增加的电流对本发明的金属核心电路板上的单个1瓦特LED的影响与对由业界标准散热技术冷却的相同单个1瓦特LED的影响相比较。金属核心电路板的基底层由99.98％纯铜构成，所述纯铜已被压制成由基本上相对的顶面和底面界定的整体板状结构。用由纳米颗粒组成的表面处理材料涂覆中空内部，所述纳米颗粒的大小范围在约1nm到40nm内，所述材料本质上是元素或分子并且包含蓝宝石纳米颗粒、碳纳米颗粒、氮化钛纳米颗粒和碳酸钙纳米颗粒。本发明人应理解，可以使用多个纳米颗粒元素或分子。材料以均匀量混合，其中大致50mg材料注入在腔室内并且均匀地涂覆表面。在涂覆之后，排空并密封腔室。单个LED焊接到电路层。

每个单个1瓦特LED具有0.35A的指定运行电流。通过每个LED的电流的增加通过多个步骤完成，其中在增加电流以到达下一步骤之前，电流的每一步骤保持5分钟。图4中示出测试结果。

如可以从图4中看出，在0.35A处，勒克司在两个产品之间非常相似。然后在2倍运行电流下出现快速发散。在3倍至4倍运行电流下，存在热级联，其中即使供应更多电力，LED正产生的热量也导致光能级降低。

尽管实例1证实本发明的真空核心电路板相对于单个LED灯的优点，但是此作用在LED灯的商业用途中复杂化。为了增加光输出，商业制造商将更多LED放置在其板上，以补偿较低工作电流下的较低光输出。典型商业LED灯可以在单个板上具有多达9个LED。如本发明人所识别，光输出与温度成比例，并且应理解，LED结的温度以及最终穿过散热片的热传递速度在总体光输出中扮演重要因素。在上述商业实例中，存在九个单独LED，所述LED各自促进总体热量以及因此促进总体发光效率。通过提高散热片的能力，本发明人已发现，将使用较少LED以较高可靠性产生较多光。

本领域技术人员将了解，本文所述的本发明除特别描述的那些内容以外容许进行变化和修改。本发明包含所有此类变化和修改。本发明还包含本说明书中个别或共同地提及或指示的所有步骤、特征、配制和化合物以及所述步骤或特征中的任一个和所有组合或任何两个或多于两个。

Claims (21)

1.一种用于从产热电子组件散热的真空核心电路板，所述真空核心电路板包括：

至少一个电路层，所述产热电子组件电子地耦合到所述至少一个电路层；

基底层，其包括具有基本上中空内部的主体结构；以及

介电层，其提供于所述电路层的至少一部分与所述基底层之间，

其中所述中空内部至少部分排空。

2.根据权利要求1所述的金属核心电路板，其中所述主体结构是由基本上相对的顶面和底面界定的整体板状结构。

3.根据权利要求2所述的金属核心电路板，其中所述顶面和底面基本上均匀地间隔开以界定所述主体结构的所述中空内部。

4.根据权利要求2所述的金属核心电路板，其中所述顶面和底面在相当大部分其内表面区域上基本上均匀地间隔开。

5.根据前述权利要求中任一项所述的金属核心电路板，其中所述中空内部含有已部分排空的空气。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的金属核心电路板，其中所述中空内部含有处于减小的大气压下的相变材料。

7.根据前述权利要求中任一项所述的金属核心电路板，其中所述产热电子组件是发光二极管(LED)灯。

8.根据前述权利要求中任一项所述的金属核心电路板，其进一步包括用于将所述电路层结合到所述基底层的在所述电路层与所述基底层之间的粘合剂层。

9.根据前述权利要求中任一项所述的金属核心电路板，其中所述基底层形成所述电路层的一部分。

10.根据权利要求9所述的金属核心电路板，其中所述基底层的所述表面沉积有导电层和介电层的部分。

11.根据权利要求9所述的金属核心电路板，其中所述介电层施加到所述导电层的表面并且部分被蚀刻掉以展现导电部分。

12.根据前述权利要求中任一项所述的金属核心电路板，其中所述中空内部的内表面可以用表面处理材料处理。

13.根据权利要求12所述的金属核心电路板，其中所述表面处理材料具有高德拜温度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的金属核心电路板，其中内表面处理材料具有至少600k的德拜温度。

15.根据权利要求13或14所述的金属核心电路板，其中所述表面处理材料是碳、铍、蓝宝石、二氧化钛、氮化钛、碳酸钛、硼化铪、硼化锆、硼化钛、氮化钪、碳化钒、铬、钌、硅酮和碳酸钙中的任一个或多个。

16.根据权利要求13到15中任一项所述的金属核心电路板，其中所述表面处理材料是纳米颗粒。

17.根据权利要求16所述的金属核心电路板，其中所述表面处理材料的平均粒度是约1nm到40nm。

18.根据权利要求2到17中任一项所述的金属核心电路板，其中所述顶面和底面配备有特征表面。

19.根据权利要求18所述的金属核心电路板，其中所述特征表面包括多个表面区域最大化波纹。

20.根据权利要求19所述的金属核心电路板，其中所述波纹在从整体主体的横向轴偏移的方向上跨越所述整体主体的表面延伸。

21.一种LED灯阵列，所述灯阵列包括：

布置在根据权利要求1到20所述的真空核心电路板上的一个或多个LED。