CN1484210A - 具有高散热性的发光二极管显示模组及其基板 - Google Patents

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Abstract

一种具有高散热性的发光二极管显示模组及其基板。发光二极管显示模组包含一具有高散热性的基板及多数个发光二极管和电子元件设置于基板上。基板是于一金属板材表面形成绝缘层，在绝缘层上再设置铜线路层，此一铜线路层用于粘着发光显示元件。绝缘层为一热传导性佳的材料，特别是传导系数高于树脂或纤维的金属氧化物。该显示模组具有将热量平均扩散至整个电路板，并快速逸散于周围空气中的功效。

Description

具有高散热性的发光二极管显示模组及其基板
技术领域
本发明是关于一种具有高散热性的发光二极管显示模组及其基板，特别是关于该发光二极管显示模组使用一种金属板材及金属氧化物的迭层电路板。
背景技术
目前发光二极管(LED)全彩显示幕已广泛运用于广告看板、户外活动及比赛实况的即时显示，通过电脑的控制，将各种影像在大型的显示幕上播放，以此来取得现场群众的认同和支持。由于该LED全彩显示幕多安装在户外或开放的建筑空间，故组装所使用的(LED)皆需具有高亮度的特性，才能提供远距离的观赏。
传统的高亮度LED的发光效率每颗约在10-15流明/瓦(Lm/W)，经由各方面技术的不断的改善与提升，已使发光效率可达到50流明/瓦以上。为使亮度能继续提高，除了需解决外在封装的问题，亦需设计能接受更高电功率和更大电流表现的特性。由于消耗的电功率增加，也致使热能量的产生问题严重，过热的工作温度会使得LED的亮度无法达到设定规格的标准，而严重影响整个LED显示幕的性能表现。
如图1所示，传统的LED显示幕的显示模组10是将多数个LED11以高密度阵列的型式粘着在一印刷电路板12上。由于LED11的封装体111的热传导性不佳，故晶片110产生的热能量大多是通过外引脚112传导出来。其中一部份的热能量由外引脚112直接散逸至环境空气中(热传路径以箭头表示)，另有一部份热传导至印刷电路板12而逸散出。其主要缺陷在于：
由于印刷电路板12的金属线路121的面积和散热能力有限，主要仍需通过占整体比例最大的复合基材122，例如FR-4来进行散热。然而，FR-4是由环氧树脂与玻璃纤维含浸与压覆而成，其热传导性不佳，所以无法有效传导热能量。换言之，大部分由晶片110传来的热能量并无法通过该基材122的表面而予以散逸出。
同样地，不止FR-4基材有散热不良的缺点，其它种高分子树脂与纤维状补强材料制成的基材，也都有着同样的问题。
此外，目前市面上由日本理化工业所(NIPPON RIKA KOGYOSHO CO.LTD.)所生产的基板模组，宣称具有良好的散热效果，其基板虽由具有良好热传导性能的金属板所组成，但其绝缘层却是由薄型(厚度的140μm左右)高分子材料粘贴于金属基板上而组成。众所皆知高分子材料的热传导性不良，其系数约为1.6-4.0W/m·K，远小于金属或金属氧化物(约为50-200W/m·K)，因此在绝缘层上的电路所产生的热量，难以经由高分子材料所组成的绝缘层到金属基板再到基座。
另外，这种形式的模组无法在模组上穿孔(因为孔内无法绝缘)，因此无法应用于迭层模组。有鉴于此，本发明提出一种崭新的模组结构，除可解决散热问题外，并可以应用于迭层电路板。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有高散热性的发光二极管显示模组，可有效将LED产生的热能量传导至基板的表面，再通过该表面的广大的面积，达到使热迅速散逸至空气中的目的。
本发明的第二目的是提供一种具有高散热性的发光二极管显示模组，通过降低显示模组散热成本的材料，省去显示模组所使用风扇散热器、热导管或散热片等装置，达到降低成本的目的。
本发明的第三目的是提供一种具有高散热性的发光二极管显示模组，通过可靠的散热方式，不必担心散热装置发生故障，达到防止造成显示模组或整个系统的当机发生的目的。
本发明的第四目的是提供一种具有高散热性的发光二极管显示模组的基板，利用金属板材直接在其表面形成绝缘层与电路层，达到比多层电路板有较简易的制造步骤的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种具有高散热性的发光二极管显示模组，包含一具有高散热性的基饭及多数个发光二极管及电子元件设置于该基板上。该基板的主要构成物是一金属板材，并在金属板材的表面形成绝缘层，该绝缘层为一种金属化合物所形成的绝缘物质。经由表面活化及电镀的制程，在绝缘层上方设置有电路层，该电路层是作为电子或光电元件表面粘着及电气连接的用途。由于金属氧化物及金属板材皆为热传导性佳的材料，所以能将设置于基板上的电子或光电元件产生的热能量有效传递至整个基板，使热能量通过更广大的表面积逸散至空气中。
下面结合较佳实施例和附图进一步说明。
附图说明
图1是传统发光二极管显示模组所使用的多层电路板的散热路径示意图；
图2是本发明的发光二极管显示模组的单层基板的结构示意图；
图3是本发明的发光二极管显示模组的另一单层基板的结构示意图；
图4是本发明的发光二极管显示模组的通孔式双层基板的结构示意图；
图5是本发明的发光二极管显示模组的另一双层基板的结构示意图；
图6是本发明的发光二极管显示模组的一种散热路径示意图；
图7是本发明的发光二极管显示模组的另一种散热路径示意图；
图8是本发明的发光二极管显示模组的单层基板的制造流程图；
图9是本发明的发光二极管显示模组的双层基板的制造流程图。
具体实施方式
参阅图2所示，为本发明的发光二极管显示模组的单层基板的结构示意图。在一金属板材23的上方覆盖有一层绝缘层22，该绝缘层22是金属板材的金属化合物，即氧化膜层或氮化膜层，亦可是一种绝缘的陶瓷材料沉积在金属板材23的表面。利用该绝缘膜22可取代传统的复合基材，即作为电路层21与金属板材23之间的电绝缘体。例如，兹取一铝板做为该金属板材23的材料，并在铝板表面形成一氧化铝或氮化铝的绝缘膜层，其不同材料的热传导系数和电阻值如表1所示。
表1
材料 热传导系数(W/M·K) 电阻值(Ω.cm)
铝 237 2.8×106
铜 401 1.7×106
铁 80.2 75-100×106
氧化铝 46 ＞1014
氮化铝 140-230 ＞1014
FR-4 0.2 ＞1014
由表1可得知铝的热传导系数是237W/M·K、氧化铝是46W/M·K及氮化铝是140-230W/M·K。上述材料相较于FR-4是0.2W/M·K而言，具有较优越的热传导性，同时也证明传统的发光二极管显示模组的基板几乎是热的绝缘体。
另一方面，无论是氧化铝或氮化铝亦是很好的电绝缘体，可以防止电路层21的电子穿透至金属板材23而造成短路。
一般而言，红光LED的驱动电压为1.8V，其它如绿光与蓝光则为3.5V，所以本发明的基板用于LED显示幕，具有相当可靠的电气安全性。
如图3所示，为避免金属板材33外露，而易造成碰触系统中其它电路而形成短路，所以需要在金属板材33的底面另形成一绝缘层34，同样地，基板30设有一绝缘层32及电路层31是依序迭置在金属板材33的上表面。
如图4所示，除了考虑表面粘着型元件适用的基板，本发明亦提供插孔式元件使用的基板，在通孔45的内壁设有垂直导线413，使上下两电路层411及412电性连通。在基板40的内部仍有一包含多数个孔洞的金属板材43，而在金属板材43的孔洞及上下表面皆形成保护的绝缘层42。
如图5所示，是另一种表面粘着型元件(SMD)适用的基板50，亦是在金属板材53上钻孔，并在该通孔四周及上下板材的表面形成保护的绝缘层33。在通孔的中间有垂直导线513将上下两电路层511及512的电性连通，此一形式的基板50可于其上下两面均设置有电路图案或焊接表面粘着元件。
图6所示，是本发明的发光二极管显示模组的实施例1的散热路径示意图，其中热传路径以箭头表示。LED11的封装体111内部产生的热能量由外引脚112传导至基板30，一小部分的热能量由该外引脚112的上表面散射出，另一大部分由上绝缘层32传导至下绝缘层34，而逸散至空气中，而中间的金属板材33将上绝缘层32的热能量迅速传导至下绝缘层34。
如图7所示，另一种适用针脚式LED71的基板40的散热路径亦大致相同，封装体711内部产生的大部分热能量亦通过外引脚712传导至基板40，同样热能量也能迅速地传递至整个基板40的上下表面，将散热面积扩充到极致。
上述的基板的制造方法可利用改良现有的印刷电路板的制造方法，及结合半导体制程的优点加以完成。
图8所示，是本发明的显示模组的单层基板的制造流程图。先选择一热传导性佳的金属板材，例如：铝、铜或铁板，并依照步骤81在其表面上形成均匀的绝缘层。形成绝缘层的方法很多，包含有热氧化法、气相沉积或阳极处理等等。因绝缘层的表面不容易附着其它物质，所以要先完成表面活化82的步骤，再进行化学铜析镀83的步骤，如此在绝缘层的表面会均匀覆盖一铜镀层。再采取蚀刻84的步骤，使铜镀层形成一电路的图型，并将电路以外的部分腐蚀掉。
图9所示，是本发明的显示模组的双层基板的另一制造流程图。与图8不同之处是：在形成绝缘层的步骤92前，要在金属板材上钻孔，如步骤91，同样在形成绝缘层的步骤92后，要进行表面活化的步骤93。
另与图8不同之处是：在步骤94，上抗电镀阻剂在绝缘层的表面上，将没有电路的部分披覆抗电镀的材料，因此接着进行化学铜析镀的步骤95时，铜电路的图案直接附着在没有抗电镀阻剂的地方。
本发明的技术内容及技术特点巳揭示如上，然而，熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰。

Claims (18)

1、一种具有高散热性的发光二极管显示模组，包含一具有高散热性的基板及设于该基板上的多数个发光二极管，其特征是：该基板包含有一金属板材；绝缘层是在该金属板材表面包覆有一层绝缘物质；至少一电路层设于该绝缘层的表面。
2、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的绝缘层是该金属板材的金属化合物。
3、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的绝缘层是该金属板材的金属氧化物。
4、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的绝缘层是该金属板材的金属氮化物。
5、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的绝缘层是陶瓷材料。
6、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的绝缘层至少形成于该金属板材之一的表面上。
7、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的电路层是通过化学铜析镀所形成。
8、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的绝缘层是通过热氧化法、气相沉积或阳极处理所形成。
9、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该多数个发光二极管是表面粘着型元件。
10、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该基板的金属板材另包含多数个通孔，该通孔的内壁被该绝缘层覆盖，另有多数个垂直导线设于该通孔的绝缘层表面。
11、根据权利要求1所述的发光二极管显示模组，其特征是：该多数个通孔供多数个插孔式的发光二极管的针脚插入，并通过该多数个垂直导线而电气连接至该电路层。
12、一种具有高散热性的基板，其特征是：它包含有金属板材；绝缘层是在该金属板材表面包覆一层绝缘物质，至少已电路板设于该绝缘层的表面。
13、根据权利要求12所述的具有高散热性的基板，其特征是：该绝缘层是陶瓷材料。
14、根据权利要求12所述的具有高散热性的基板，其特征是：该绝缘层是该金属板材的金属氧化物。
15、根据权利要求12所述的具有高散热性的基板，其特征是：该绝缘层是该金属板材的金属化合物。
16、根据权利要求12所述的具有高散热性的基板，其特征是：该绝缘层是该金属板材的金属氮化物。
17、根据权利要求12所述的具有高散热性的基板，其特征是：该绝缘层是通过热氧化法、气相沉积或阳极处理所形成。
18、根据权利要求12所述的具有高散热性的基板，其特征是：该基板的金属板材另包含有多数个通孔，该通孔的内壁被该绝缘层覆盖，另设有多数个垂直导线设于该通孔的绝缘层表面。
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