專利名稱：帶整體熱通路的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有整體熱通路的發(fā)光二極管(LED)，此熱通路可改善 LED產(chǎn)生的熱向散熱器，散熱片等的熱傳導(dǎo)。
背景技術(shù)：
印刷電路板一般用玻璃纖維薄板(通稱FR4板)，聚四氟乙烯等介 電材料制造。在這些板的一個(gè)表面上或在各介電材料之間通常是由銅形 成的電路。電路一般通過(guò)光刻方法、濺射、網(wǎng)板印刷等形成(對(duì)于處在 層間的電路，是在薄板形成之前將電路加在介電材料上)。此外，往往 把LED置于板的表面上而與該表面上的電路相接觸，同時(shí)可能產(chǎn)生大量 必須M掉的熱，以使LED可靠地工作并達(dá)到預(yù)期的性能水平。
由于存在LED，必須由印刷電路板幫助耗散的熱量可能很大?，F(xiàn)正開(kāi) 發(fā)所謂的"熱板"，其中一層散熱材料(如銅，鋁及其合金)與介電材 料在電路和發(fā)熱元件的背面或?qū)娱g表面上相疊壓，用作電子元件產(chǎn)生的 熱的散熱器。重要的是，散熱器所處的位置應(yīng)使至少一層介電材料將散 熱器和電路隔開(kāi)，因?yàn)樯崞鞑牧贤ǔＪ菍?dǎo)電的，而且如果與電i^觸 的話會(huì)擾亂電路的工作。
市面上有幾種"熱板，，，有時(shí)把它們叫做金屬芯印刷電路板(MCPCB)， 例如Bergquist公司的絕緣金屬基片T"熱板，Thermagon公司的T-clad 熱板，Denka公司的HITT電鍍板，和TT電子公司的AnothermTM板。這 些熱板采用導(dǎo)熱介電層，它們或者是通過(guò)在介電層中注入導(dǎo)熱顆粒(如 頭三種情況)，或者通過(guò)鋁散熱器層頂層上的薄陽(yáng)極化處理層(如 Anotherm板的情況)而形成的。不過(guò)，使用導(dǎo)熱顆?？赡芎馨嘿F，而且 后續(xù)層必須足夠厚以保證沒(méi)有孔洞，這將增大結(jié)構(gòu)中的熱阻。這種方法 的另一些限制來(lái)自缺乏制造彎曲或非平面電路結(jié)構(gòu)的靈活性，以及介電 材料要復(fù)蓋散熱器層的整個(gè)表面。曾試圖采用陽(yáng)極化處理作為介電層來(lái) 克服其中的某些問(wèn)題，但這時(shí)必須用鋁作散熱器層，因?yàn)殂~不能作陽(yáng)極 化處理。不過(guò)上述所有方法在焊接上都有困難，因?yàn)橄嗤纳崽匦?這 對(duì)印刷電路板和元件的工作有利)使得組裝過(guò)程(它要求在熱條等焊接 時(shí)有點(diǎn)狀熱源)無(wú)法進(jìn)行。為了克服這些問(wèn)題中的某一些(但不是全部)，可在獨(dú)立的工序中把普通印刷電路板和分開(kāi)的金屬散熱器層接合起來(lái)。在這種安置中，將印刷電路板設(shè)計(jì)成帶熱通路(一般是鉆孔后鍍上銅)，以通過(guò)印刷電路板中未填充的介電層更好地傳熱。但這只能用于各元件不需要電絕緣的場(chǎng)合。
另外，普通散熱材料(如銅或鋁)還使板的重量增加很多，這是不
希望的。同時(shí)這些材料的導(dǎo)熱系數(shù)(CTE)可能不是嚴(yán)格地與玻璃纖維薄板的CTE匹配，導(dǎo)致印刷電路板因受熱而產(chǎn)生物理應(yīng)力，并可能出現(xiàn)脫層或裂紋。
此外，由于這些板上的散熱器層是由均質(zhì)的薄(相對(duì)長(zhǎng)度和寬度而言)金屬材料構(gòu)成，熱比較容易流過(guò)散熱器的厚度，而且產(chǎn)生的熱點(diǎn)可能出現(xiàn)在直接面對(duì)熱源的位置。
另一類工業(yè)上稱之為"柔性電路"的電路組件，具有類似的熱控制問(wèn)題。形成柔性電路時(shí)，將如上述的銅電路提供至聚酰亞胺或聚酯一類用作介電層的聚合物材料的表面上。正如名稱所暗示的，這些電路材料是柔軟的，而且甚至可以提供成巻的電路材料，以后再與銅或鋁等散熱器層接合起來(lái)。由于很薄，柔性電路中的介電層仍然使給定結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱阻顯著增加，并遭遇到與印刷電路板中出現(xiàn)的相同的某些問(wèn)題。熱通路的使用仍然限于前面所述的電絕緣的用途中。很顯然，使用銅或鋁等剛性金屬層缺乏柔性電路具有柔軟性的優(yōu)點(diǎn)，而這一特性對(duì)試用期的應(yīng)用是很重要的。
將LED用于與延伸到散熱器(尤其是由壓縮的層狀石墨顆粒層所形成的散熱器，或散熱片，或其它的散熱體)的熱通道的有效接觸，可以克服在使用銅或鋁散熱器時(shí)遭遇到的很多問(wèn)題。
業(yè)內(nèi)對(duì)利用各種固態(tài)結(jié)構(gòu)作傳熱器都4艮熟悉。例如，Banks在美國(guó)專利5， 316， 080和5， 224， 030中披露了使用鉆石和氣體激勵(lì)的石墨纖維連同適當(dāng)?shù)恼辰觿┳鱾鳠嵫b置。這類裝置被用來(lái)把熱從熱源(如半導(dǎo)體)被動(dòng)地傳到散熱片上。
Krassowski和Chen在美國(guó)專利6， 758， 263中將高導(dǎo)熱添加物并入石墨散熱片等散熱元件中，以使熱量從熱源通過(guò)元件的厚度，并從那兒按平面方向傳走。但是，他們根本未提及如何從熱源通過(guò)導(dǎo)熱比較差的材料(如電路組件的介電層)將熱量傳走。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有熱通路的LED,以便把熱量從LED傳至散熱器或散熱片等散熱體。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供電路組件，在該組件一個(gè)表面上具有散熱器層，和使熱量從處于其另一個(gè)表面的LED流向散熱器層的熱通道。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供電路組件，在該組件一個(gè)表面上具有散熱器層，和與LED連成一體的熱通道，以將熱量從處于其另一表面的LED傳至散熱器層。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供其中有整體熱通道的LED，此熱通道穿過(guò)夾在電路組件內(nèi)發(fā)熱元件和以石墨為基礎(chǔ)的散熱器層之間的介電材料。
這些和其它目的可以通過(guò)本發(fā)明達(dá)到，本發(fā)明提供具有與之有效接觸的導(dǎo)熱元件的LED,以在LED和電路組件的散熱器層之間形成熱通道，該組件包含至少一層介電材料，它處在散熱器層和LED之間。最好把導(dǎo)熱元件與LED集成一體。
本專業(yè)技術(shù)人員在閱讀下面結(jié)合附圖的說(shuō)明后，不難了解本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)、和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是按本發(fā)明的具有整體熱通道的LED局部剖視圖。
圖2是按本發(fā)明的電路組件的局部剖開(kāi)透視圖，此組件在它的一個(gè)
表面上具有散熱器層，同時(shí)具有一個(gè)LED,在散熱器層和LED之間有熱通道。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是基于下面的發(fā)現(xiàn)當(dāng)LED和散熱器層之間具有熱通道時(shí)，電路組件上的散熱器層的散熱作用將顯著改善.通過(guò)使用這條熱通道，即使與使用鋁或銅散熱器相比，利用石墨為基礎(chǔ)的散熱器層確實(shí)能改善散熱，同時(shí)還具有減輕重量的優(yōu)點(diǎn)。
術(shù)語(yǔ)"電路組件"是指包含一個(gè)或幾個(gè)處于介電材料上的電子電路，并可以包含好幾層，其中一個(gè)或幾個(gè)電路被夾在各介電材料層之間。電路組件的具體例子是印刷電路板和柔性電路，本專業(yè)技術(shù)人員對(duì)此都很熟悉。
現(xiàn)在來(lái)參照各附圖，尤其是圖1，按本發(fā)明的LED以參考數(shù)字IO標(biāo)示。典型的LED 包括本體21 (包含一般由塑料做的燈玻璃20)，半導(dǎo)體芯片22，密封物，如圍繞芯片22的硅酮密封物24,為芯片供電的引線25，芯片22的安裝座26，在它們之間往往具有熱界面28，以及在引線25和芯片22之間的連線29。
根據(jù)本發(fā)明，LED10還包含高導(dǎo)熱系數(shù)的熱棒或通路30，它形成熱通道，將芯片22產(chǎn)生的熱傳至散熱體，如散熱器或散熱片(未示出)。熱通路30由導(dǎo)熱材料制成，如金屬銅或其合金，或者鋁或其合金，或者石墨體，尤其是由壓縮層狀石墨顆粒構(gòu)成的石墨體。熱通路30延伸到LED10本體21以外，以提供從芯片22至不緊鄰LED10的散熱體的熱通道。實(shí)際上熱通道應(yīng)伸至LED10本體21以外，以跨越本體21和散熱體(如散熱器或散熱片)之間的間隙，同時(shí)穿過(guò)本體21和散熱體之間的任何物體(如介電材料或類似的東西)。
所謂"高導(dǎo)熱系數(shù)"是指熱通道30沿LED10和散熱體(如散熱器)之間方向的導(dǎo)熱系數(shù)大于處在LED10和散熱體間的任何材料(包括空氣)的全厚度導(dǎo)熱系數(shù)；建議熱通道30的導(dǎo)熱系數(shù)至少為100W/m。K左右，200W/m。K左右更好，最好是大于350W/m°K。熱通道30可以是任何截面形狀，雖然最普通的形狀是圓柱形。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，這是在電路組件100中使用本發(fā)明的LED10的一種優(yōu)選環(huán)境。電路組件100包含至少一個(gè)介電層200和一個(gè)散熱器層300，其中散熱器層300貼合在介電層200上。建議散熱器層300包含至少一層壓縮層狀石墨顆粒。電路組件IOO—般為印刷電路板或柔性電路，但也可以包括在介電層200上的印刷或絲網(wǎng)導(dǎo)電油墨圖形。
電路組件100上面通常還包含電路400，它是通過(guò)光刻方法、濺射、網(wǎng)板印刷等將銅加在介電層200上而形成的。如上所述，電路400也可通過(guò)印刷或絲網(wǎng)等工藝將導(dǎo)電油墨加在介電層200上形成。
在傳統(tǒng)印刷電路板工業(yè)中，介電層200可以是具有樹(shù)酯(FR-4)的玻璃纖維(最好做成層狀)；聚四氟乙烯(市面上的特夫龍類材料)；和拉伸的PTFE (有時(shí)叫ePTFE)，及經(jīng)樹(shù)酯浸漬或浸透的變種。另外，用于形成柔性電路的介電層200可以是聚酯亞胺或聚酯等聚合物。介電層200還可以是陶瓷材料，例如，氮化鋁、氧化鋁或剛玉，它們以獨(dú)立層的形式存在，或者是通過(guò)陽(yáng)極化處理、蒸發(fā)沉積，或火焰噴射等工藝加到基底層(例如散熱器層300 )上。當(dāng)散熱器層300為鋁時(shí)，使用陽(yáng)極化處理最合適。建議散熱器層300的厚度約為0. 25mm至25咖，最好是0. 5mm至14咖，而且包含至少一層石墨。散熱器層300最好是由IO層或更多層石墨構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，以提供所需的散熱能力。石墨復(fù)合材料可用來(lái)至少部分(在本優(yōu)選實(shí)施例中是全部)代替銅或其它金屬作為電路組件的散熱器。
石墨/介電材料層板可通過(guò)使用例如粘接劑，將介電層200和散熱器層按普通制造電路組件層板的方式層壓在一起而形成。或者，也可以在壓力下固化石墨材料的同時(shí)，將石墨/介電材料層板做成預(yù)先壓制的疊層。在浸漬石墨層內(nèi)的環(huán)氧聚合物固化后，足以把該結(jié)構(gòu)的非石墨及浸漬石墨層粘接到位。在該優(yōu)選實(shí)施例中，在任何情況下都采用石墨復(fù)合材料作電路組件100的散熱器層300，以代替所謂的"金屬支撐的，，印刷電路板或柔性電路中的銅或鋁散熱器。
如上所述，形成電路組件100中心部分的介電材料200具有兩個(gè)主要表面200a和200b。散熱器層300貼合介電材料200的表面200a中的一個(gè)；另 一個(gè)表面200b上面至少有一個(gè)LED,且往往是多個(gè)LED10a、 10b、10c等，業(yè)內(nèi)人士對(duì)此都;f艮熟悉。LED10所處的位置與位于電路組件100的表面200b上的電路部分400相接觸。
前已指出，為使熱量容易從LED10傳至散熱器層300，熱通路30要穿過(guò)散熱器層300。
為便于定位，熱通路30最好在鄰近介電材料200的一邊有凸肩或臺(tái)階。如要求電絕緣，可在熱通路30的某些或全部表面上設(shè)置氮化鋁、氧化鋁或剛玉等絕緣層，例如，在銅上用火焰噴射或蒸發(fā)沉積氧化鋁，或采用陽(yáng)極化處理鋁作熱通路30。此外，熱通路30的表面可保持可焊接，或經(jīng)電鍍后可焊接，以便將LED10與熱通路30相連接。
熱通路30伸到散熱器層300里面并與散熱器層300熱接觸。例如，可利用熱粘接劑或壓力配合(如所謂的"快速螺母")將熱通路30固定在散熱器層300的槽或孔內(nèi)，以保證熱通路30和散熱器層300之間有良好的熱接觸，并保證從熱通路30穿過(guò)散熱器層300厚度的熱傳導(dǎo)。將熱通路30固定在散熱器層300內(nèi)以建立充分的熱接觸的一種適當(dāng)方式是，將熱通路30壓進(jìn)散熱器層300中的小孔，小孔的直徑小于熱通道60的直徑；這樣在將熱通路30壓進(jìn)小孔時(shí)，兩者之間產(chǎn)生壓配合。或者，也可以利用熱通路30本身作為沖子，在散熱器層300內(nèi)形成小孔。由于壓縮層狀石墨顆粒為薄片，故這種配合對(duì)熱通路30或散熱器層300都不會(huì)造成過(guò)分的損傷。
在熱通路30和散熱器層300之間提供良好熱接觸的一種好方法是，采用"鉚釘，，型熱通路30。這樣按照把鉚釘壓封到基底上相同的方式，可以把"鉚釘，，型熱通路30壓封在散熱器層300的外表面(也即不與介電層貼合的表面)上，以在兩者之間產(chǎn)生良好的熱連接。
最好讓熱通路30的長(zhǎng)度近似等于介電層200和散熱器層300的組合厚度，加上熱通路30從介電層200或散熱器層伸出的任何距離，如圖2所示。當(dāng)然，如果熱通路30不完全穿過(guò)散熱器層300，它的長(zhǎng)度不一定等于介電層200和散熱器層300的組合厚度。 一般而言，熱通路30的長(zhǎng)度取決于所希望的從LED10到散熱體的熱傳導(dǎo)距離。
如上所述，散熱器層300最好是層壓或粘接到介電層200上。但是，采用熱通路30可以讓散熱器層300和介電層200之間存在間隙，使得散熱最佳。換句話說(shuō)，由于LED10和散熱器層300之間的熱傳導(dǎo)主要是通過(guò)熱通路30,而不是主要通過(guò)介電層200，因而不必讓散熱器層300和介電層200作物理接觸。可以使用墊片等(未示出)在散熱器層300和介電層200間提供lmm左右甚至更大的間隙。這樣只要散熱器層300保持與熱通路30的熱接觸，就有更大的散熱器層300表面積暴露在外，并
從那兒散發(fā)出更多的熱量。
因而，利用本發(fā)明可以從LED上實(shí)現(xiàn)迄今從未達(dá)到的有效熱耗散。本申請(qǐng)把所有引用的專利，專利應(yīng)用和出版物用作參考。以上說(shuō)明是為了使本專業(yè)技術(shù)人員能實(shí)施本發(fā)明。這里并未打算對(duì)所有可能的變型和改型作詳細(xì)說(shuō)明，本專業(yè)技術(shù)人員閱讀本說(shuō)明后能了解這些變型和改型。但是，所有這些變型和改型是包含在由下面的權(quán)利要求書(shū)界定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。除非特別指明，此權(quán)利要求書(shū)涵蓋能有效實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的任何裝置或其一部分中標(biāo)明的元件和步驟。
權(quán)利要求
1. 發(fā)光二極管，包括本體和熱通路，后者與前者做成一體并從本體伸出。
2. 如權(quán)利要求l的二極管，其中熱通路由高導(dǎo)熱系數(shù)材料構(gòu)成。
3. 如權(quán)利要求2的二極管，其中熱通路形成從發(fā)光二極管至散熱體 的熱通道。
4. 電路組件，包含基片，后者包括介電層，位于基片第一表面的散 熱器層，位于基片第二表面的發(fā)光二極管，此發(fā)光二極管包括本體及與 本體集成一體的熱通路，后者從本體穿過(guò)介電層而進(jìn)入與散熱器層的熱 連接。
5. 如權(quán)利要求4的電路組件，其中散熱器層包括銅、鋁、銅合金、 鋁合金，壓縮層狀石墨顆粒層，或它們的組合。
6. 如權(quán)利要求4的電路組件，其中基片第二表面上有電路。
7. 如權(quán)利要求4的電路組件，其中介電層的材料選自用樹(shù)酯浸漬 的玻璃纖維組；聚四氟乙烯；拉伸聚四氟乙烯；聚合物；陶瓷材料；或 它們的纟且合。
8. 如權(quán)利要求4的電路組件，其中介電層由陽(yáng)極化處理鋁，氮化鋁， 氧化鋁或剛玉構(gòu)成。
9. 如權(quán)利要求4的電路組件，其中熱通路由高導(dǎo)熱系數(shù)材料構(gòu)成。
10. 如權(quán)利要求9的電路組件，其中熱通路的導(dǎo)熱系數(shù)大于介電層 的全厚度導(dǎo)熱系數(shù)。
11. 如權(quán)利要求9的電路組件，其中熱通路由銅、鋁或其合金構(gòu)成。
12. 如權(quán)利要求4的電路組件，還包括在熱通路上的介電層，其中 介電層由陽(yáng)極化處理鋁，氮化鋁，氧化鋁或剛玉構(gòu)成。
13. 發(fā)光二極管組件，包括發(fā)光二極管和與它有效接觸的熱通路， 其中熱通路的尺寸使它可以伸到與散熱體作熱連接。
14. 如權(quán)利要求13的發(fā)光二極管組件，其中熱通路的尺寸使它可以 穿過(guò)電路組件的介電層，并進(jìn)入與電路組件散熱器層的熱連接。
15. 如權(quán)利要求13的發(fā)光二極管組件，其中熱通路由高導(dǎo)熱系數(shù)材 料構(gòu)成。
16. 如權(quán)利要求15的發(fā)光二極管組件，其中熱通道的導(dǎo)熱系數(shù)大于 介電層的全厚度導(dǎo)熱系數(shù)。
17. 如權(quán)利要求16的發(fā)光二極管組件，其中熱通路由銅、鋁或其合 金構(gòu)成。
18. 如權(quán)利要求17的發(fā)光二極管組件，還包括在熱通路上的介電層， 其中介電層由陽(yáng)極化處理鋁，氮化鋁，氧化鋁或剛玉構(gòu)成。
全文摘要
發(fā)光二極管(10)，包括本體(21)和熱通路(30)，后者與前者集成一體并從本體(21)伸出。
文檔編號(hào)H05K7/20GK101536623SQ200780008373
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者B·E·賴斯, J·R·卡蒂格利亞 申請(qǐng)人:格拉弗技術(shù)國(guó)際控股有限公司