ITTR20120012A1

ITTR20120012A1 - Mpcb-led-sink20 - circuito stampato su base metallica con trasferimento diretto del calore dal pad termico dei led di potenza allo strato metallico della mpcb con capacita' di abbassare la temperatura della giunzione del led di ulteriori 20 °c rispet

Info

Publication number: ITTR20120012A1
Application number: IT000012A
Authority: IT
Inventors: Claudio Sensidoni
Original assignee: Tecnologie E Servizi Innovativi T S I S R L
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-02-19

Description

DESCRIZIONE

di Invenzione Industriale avente per titolo:

“MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICCO DELLA MPCB CON CAPACITA’ DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI

20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD”.

Il nuovo metodo tecnologico di realizzazione di circuiti stampati su base metallica (Metal Print Circuit Board) oggetto della prente richiesta di brevetto è denominato MPCB-LED-SINK20 ed è illustrato da un disegno allegato (Fig. 1) organizzato in tre parti (a, b, c). Nella prima parte (a) è mostrato in vista assonometrica (a1) e in sezione (a2) lo stato raggiunto dalla MPCB alla fine della prima fase di lavorazione, nella seconda parte (b) è mostrato lo stato raggiunto dalla MPCB alla fine delle seconda fase di lavorazione, infine, nella terza parte (c) è mostrato lo stato raggiunto dalla MPCB alla fine della terza fase di lavorazione, immediantamnte prima di passare alla fase conclusiva della saldatura SMD. Il nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20 prevede di utilizzare come base metallica lastre di rame o in alternativa di alluminio con spessore uniforme e compreso tra 1 e 5 mm, la sua peculiarità è quella di aumentare l’asportazione del calore generato dal DIE dei led di potenza, che attraverso il PAD termico del led fluisce direttamente verso la lastra di metallo della MPCB. Questo nuovo sistema tecnologico consente di abbassare la temperatura di giunzione (Tj) dei led di ulteriori (10, 20, 30) °C, rispetto alle MPCB standard ora utilizzate, quando il pilotaggio dei led avviene rispettivamente a (0.5, 1 .0, 1 .5) Ampere. Nel nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20, la maggiore capacità di asportazione del calore generato dai componnti attivi, è ottenuta depositando il primo strato isolante sulla lastra metallica della MPCB mediante maschera serigrafica che ne evita la deposizione sotto al PAD termico di ciascun led. Questa nuova tecnica pone pertanto direttamente in contatto il PAD termico del LED con la lastra in metallo (rame o alluminio), ciò permette praticamente di annullare la resistenza termica tra i generatori di calore (DIE dei led) e il dissipatore di calore costituito dalla base metallica della MPCB. Per garantire l'uniformità di isolamento e di planarità, prima dell’applicazione della pasta saldante, viene inserito un secondo strato isolate di solder resit. Alla MPCB cosi predisposta, mediante maschera di deposizione, è applicata la pasta saldante contemporaneamente ai PAD elettrici (anodo e catodo) ed ai PAD termici dei led. La differenza di profondità ed i volumi delle “casseforme” realizzate sui PAD elettrici e termici dei led sono compatibili con la tecnica di deposizione della pasta saldante mediante maschera ottenuta da processo serigrafico. Il nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20 impiega solo lavorazioni base già in uso presso i produttori di MPCB, non sono necessari processi di deposizione elettrochimica di materiali isolanti e/o conduttivi, pertanto con questa invenzione si ottiene una MPCB di elevata qualità a costi contenuti. Con riferimento particolare alla Tavola 1 “DISEGNO PRINCIPALE" (Fig. 1): (1) è la lastra base in metallo della MPCB utilizzata nel nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20, ha spessore compreso tra 1 e 5 mm, il materiale utilizzato è ad alta conducibilità ed è costituito da rame o in alternativa alluminio; (2) è il primo strato di materiale isolante previsto dal nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20, viene depositato nella prima fase di lavorazione mediante maschera di deposito serigrafica, questa consente di realizzare delle aree tridimensionali “casse-forme" lebere dal materiale isolante in corrispondenza del PAD termico di ciascun led. L’area di base delle “casse-forme” ha i due lati più piccoli di 2/10 della corrispondente area di base del PAD termico del led (11), ciò allo scopo di garantire il massimo isolamento galvanico con i relativi PAD elettrici di anodo e catodo; (3) è il PAD elettrico in rame relativo all’anodo del led su cui si applica la tensione positiva (+), l’area di base del PAD ha i due lati più piccoli di 1/10 della corrispondente area del PAD elettrico dell'anodo del led, ciò allo scopo di garantire il massimo isolamento galvanico con il relativo PAD termico del led; (4) è il PAD elettrico in rame relativo al catodo del led su cui si applica la tensione negativa (-), l’area di base deò PAD ha i due lati più piccoli di 1/10 della corrispondente area del PAD elettrico dell'anodo del led, ciò allo scopo di garantire il massimo isolamento galvanico con il relativo PAD termico del led; (5) è l’area di base della “cassaforma’’ priva di materiale isolante, essa dopo che è stata riempita con la pasta saldante ed esulta la fase di saldatura SMD dei led, consente di asportare in modo diretto il calore generato nel DIE del led. È grazie a questa nuova tecnica a resistenza termica nulla, che il nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20, consente di ottenere temperature di giunzione dei led più basse rispetto alle attuali MPCB che non utilizzano questo accorgimento. Con pilotaggio dei led a (0.5, 1.0, 1.5) Ampere si ottendono in corrispondenza temperature di giunzione (Tj) dei led più basse di (10, 20, 30) °C; (6) è il circuito stampato in rame che collega i PAD elettrici degli anodi dei led (3), è realizzato con la stessa tecnica utilizzata nelle attuali MPCB; (7) è il circuito stampato in rame che collega i PAD elettrici dei catodi dei led (4), è realizzato con la stessa tecnica utilizzata nelle attuali MPCB; (8) è il led di potenza del tipo "CREE XM-L" o con struttura meccanica equivalente costituita da tre PAD indipendenti. Il nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20 è applicabile quando il led di potenza ha tre connessioni SMD a saldare situate nella parte inferiore, due di tipo elettrico (PAD per anodo e catodo (9,10)) ed una di tipo termico (PAD meccanico (11)), la separazione elettrica tra PAD elettrici (9,10) e PAD meccanico (11) deve essere almeno uguale a 5/10; (9) è il PAD elettrico relativo all'anodo del led di potenza (8) su cui va applicata la tensione positiva (+); (10) è il PAD elettrico relativo al catodo del led di potenza (8) su cui va applicata la tensione negativa (-); (11) è il PAD termico relativo al al fissaggio meccanico del led di potenza (8), utilizzato anche per l'asportazione del calore generato nel DIE; (12) è il secondo strato di materiale isolante previsto dal nuovo metodo tecnologico MPCB-LED-SINK20, viene depositato nella fase intermedia di lavorazione con l'ausilio di maschera di deposito serigrafica. Dopo questa lavorazione si ha una struttura equiplanare con faccia superiore completamente isolata, tranne, che in corrispondenza dei PAD elettrici (9, 10) e dei PAD termici (11) di ciascun led di potenza (8). Su questa superficie equiplanare viene posta nella fase finale successiva la maschera di deposito (13) per applicare nelle sue aperture pasta saldante (SINK20); (13) è la maschera di deposizione della pasta saldante (SINK20), essa ha delle aperture in corrispondenza dei PAD elettrici (9, 10) e dei PAD termici (11) su cui vanno saldati i led i potenza (8). L’area di base delle aperture ha i due lati più piccoli di 1/10 della corrispondente area di base dei PAD elettrici (3, 4) su cui vanno saldati i led di potenza (8), ciò allo scopo di garantire il massimo isolamento galvanico con i relativi PAD termici (11 ) dei led di potenza (8); (14) è il collegamento elettrico realizzato con pasta saldante (SINK20) tra il PAD relativo all’anodo del led di potenza (9) e il corrispondente PAD elettrico (3) sulla MPCB; (15) è il collegamento elettrico realizzato con pasta saldante (SINK20) tra il PAD relativo al catodo del led di potenza (10) e il corrispondente PAD elettrico (4) sulla MPCB; (16) è il collegamento meccanico realizzato con pasta saldante (SINK20) tra il PAD termico (11) del led di potenza (8) e la corrisponde area del metallo di base in rame o alluminio (1) della MPCB. Tale collegamento diretto tra led di potenza (8) e base metallica (1) della MPCB con metalli ad alta conducibilità termica (rame, alluminio, pasta saldante (SINK20)), senza alcuna interposizione di strati isolanti, annulla di fatto la resistenza termica ed aumenta lo smaltimento del calore generato nel DIE in modo efficace e veloce.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA' DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD", si rivendica l'intero sistema tecnologico di realizzazione del circuito stampato per la sua innovazione funzionale e reallzzativa; 2) "MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA' DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD”, come da rivendicazione precedente e per la capacità di abbassare la temperatura di giunzione del Led di: ulteriori 10 °C rispetto alle MPCB standard quando il Led è pilotato a 0.5 A, ulteriori 20 °C rispetto alle MPCB standard quando il Led è pilotato a 1.0, ulteriori 30 °C rispetto alle MPCB standard quando il Led è pilotato a 1,5 A; 3) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA' DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD”, come da rivendicazioni precedenti e per la possibilità di utilzzare per la MPCB la base metallica in rame o in alternativa in alluminio; 4) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA’ DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD", come da rivendicazioni precedenti e per la possibilità di ulizzare qualsiasi spessore della MPCB compreso tra 1 e 5 mm.; 5) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA' DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD", come da rivendicazioni precedenti e per il metodo di deposizione del primo strato isolante (solder resist) e la contemporanea realizzazione della sagoma per l’applicazione della via di asportazione diretta del calore (SINK20) dal PAD termico del Led mediante pasta saldante; 6) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA' DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD", come da rivendicazioni precedenti e per il metodo di deposizione del secondo strato isolate (solder resist), al fine di realizzare il necessario isolamento elettrico e la completa planarità su cui applicare la maschera di deposizione della pasta saldante sia per i PAD elettrici di anodo e catodo del Led, sia per il PAD termico (SINK2Q) di asportazione del calore generato dal Led; 7) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA’ DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD", come da rivendicazioni precedenti e per l’impiego della pasta saldante per realizzare contemporaneamente con un’unica fase lavorativa, sia i PAD elettrici di anodo e catodo e sia il PAD termico di ciascun Led della MPCB. Alia MPCB cosi predisposta sono applicabili ì Led, quindi eseguita la saldatura SMD con le tecniche standard già in esercizio. Il nuovo metodo MPCB-LED-SINK20 garantisce che la capacità di autocentraggio dei Led della MPCB rimanga invariata rispetto alle precisioni attualmente raggiungibili; 8) “MPCB-LED-SINK20 - CIRCUITO STAMPATO SU BASE METALLICA CON TRASFERIMENTO DIRETTO DEL CALORE DAL PAD TERMICO DEI LED DI POTENZA ALLO STRATO METALLICO DELLA MPCB CON CAPACITA’ DI ABBASSARE LA TEMPERATURA DELLA GIUNZIONE DEL LED DI ULTERIORI 20 °C RISPETTO ALLE MPCB STANDARD", caratterizzato da tutto ciò che è rivendicato nel presente documento e nelle tavole con i disegni illustrativi.