陽極氧化金屬基板模塊的製作方法
2024-02-15 23:47:15
專利名稱：陽極氧化金屬基板模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種安裝有諸如發光二極體和功率晶片(powerchip)的發熱器件的基板模塊，更具體地，涉及一種熱輻射性能較好的陽極氧化金屬基板模塊，其可應用於背光組件和表面光源裝置。
背景技術：
近來，已經在進行研究，以提高電路板的熱輻射性能。傳統地，將發熱器件安裝在具有絕緣基底(base)基板的印刷電路板(PCB)上。然而，典型的PCB(比如安裝有諸如產生相當多熱量的發光二極體或功率晶片的器件)由於其低劣的傳熱性能會在可靠性方面降低。具有低熱輻射性能的典型PCB證實對液晶顯示器(LCD)的背光組件或表面光源裝置不利。
圖1是示出了傳統印刷電路板(PCB)的示意性橫截面圖。參照圖1，PCB 10包括由樹脂或塑料製成的絕緣基底基板11和分別形成在基底基板11上面和下面的上部和下部導線14。上部和下部導線14可以通過例如導電過孔彼此電連接。除了電連接的這種作用外，該過孔15可以作為傳熱路徑。將元件(如，LED或功率晶片)安裝在基底基板11上，以使其連接至導線14。
由於低成本的材料和簡單的可加工性，這種傳統PCB 10相對便宜。但是，由於其高熱阻，PCB 10熱輻射性能較差。在克服該問題的努力中，已經提出一種金屬芯PCB(MCPCB)，其採用具有極好的傳熱性能的金屬元件。圖2是示出MCPCB的示意性橫截面圖。參照圖2，MCPCB 20包括由Al製成的金屬芯基板21和形成在其上的聚合物絕緣層23。導線25形成在聚合物絕緣層23上，並且必要器件27和28安裝在聚合物絕緣層23上。該MCPCB 20表現出高於傳統的PCB(如圖1)的熱輻射性能。然而，MCPCB 20採用具有相對較高導熱性的高成本聚合物絕緣層23，因此，其製造成本顯著增加。
發明內容
為了解決現有技術的上述問題而提出了本發明，且因此本發明的一個方面在於提供一種熱輻射性能優異的陽極氧化金屬基板模塊，其可以以低成本來製造，且適用於內部具有發光二極體的表面光源裝置或背光單元。
根據本發明的一方面，該陽極氧化金屬基板模塊包括金屬板；陽極氧化膜，形成在金屬板上；發熱器件，諸如安裝在該金屬板上的LED或功率晶片；以及導線，形成在陽極氧化膜上。
金屬板可由以相對較低成本可得到的Al或Al合金製成。可替換地，金屬板可由諸如鈦和鎂的可陽極氧化材料製成。
根據本發明的實施例，發熱器件包括至少一個發光二極體。例如，陽極氧化金屬基板模塊可以具有諸如安裝在金屬板上的LED的多個光源，從而，用作表面光源裝置或背光組件。發熱器件可以包括諸如功率晶片的功率器件。
根據本發明的實施例，陽極氧化膜形成在金屬板上，以選擇性地露出金屬板上表面的部分。此處，為了更有效地輻射來自發熱器件的熱量，將發熱器件安裝在金屬板上表面的露出部分上。
陽極氧化金屬基板模塊可以進一步包括金屬層，該金屬層形成在金屬板上表面的露出部分上。金屬層可以是安裝發熱器件時用於焊接的鍍層。可替換地，金屬層可以是用於安裝發熱器件的金屬糊(paste)。陽極氧化金屬基板模塊可以進一步包括絕緣層，該絕緣層介於金屬層與金屬板之間。絕緣層用於使安裝在金屬層上的器件與金屬板絕緣。
根據本發明另一實施例，陽極氧化膜形成在金屬板上，以選擇性地露出金屬板上表面的部分，且至少一個凹槽形成在金屬板上表面的露出部分內，該凹槽限定反射杯。發光二極體可以設置在反射杯的底面上。
從而，基板模塊的熱輻射性能得以顯著提高，且因此可以向表面光源裝置或具有高發光效率的基於LED的背光組件提供高發光效率。
根據本發明的另一實施例，陽極氧化金屬基板模塊進一步包括散熱片，該散熱片一體形成在金屬板的下面，以使得能夠進行更大面積的空氣接觸。例如，散熱片包括從金屬板的下側表面垂直延伸的冷卻翅片。
與傳統的基板模塊相比，本發明的基板模塊在熱輻射性能和製造成本方面得以顯著提高。該基板模塊可以具有安裝在其上的多個LED(例如，多個藍色的、綠色的和紅色的LED)，以適用於高質量的表面光源或背光組件。可替換地，本發明的基板模塊可被用作用於安裝諸如產生大量熱量的功率晶片的器件的電路板模塊，。
通過下面結合附圖的詳細描述，本發明的上述和其它目的、特徵及其它優點將變得更容易理解，附圖中圖1是示出傳統印刷電路板(PCB)的示意性橫截面圖；圖2是示出傳統金屬芯印刷電路板(MCPCB)的示意性橫截面圖；圖3是示出根據本發明實施例的陽極氧化基板模塊的示意圖；圖4是示出根據本發明另一實施例的陽極氧化金屬基板模塊的示意圖；圖5是示出根據本發明修改實施例的陽極氧化金屬基板模塊的視圖；圖6是示出根據本發明又一實施例的陽極氧化金屬基板模塊的局部橫截面圖；圖7是示出根據本發明又一實施例的陽極氧化金屬基板的一部分的局部橫截面圖；
圖8是示出根據本發明又一實施例的陽極氧化金屬基板模塊的示意性橫截面圖；圖9是示出用於對比實例1的熱阻的模擬結果的視圖；圖10是示出用於對比實例2的熱阻的模擬結果的視圖；以及圖11示出用於發明實例的熱阻的模擬結果。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式來實施，而不應該被理解為局限於此處所列出的實施例。相反，提供這些實施例，是為了使本公開更全面和完整，並向本領域技術人員充分傳達本發明的範圍。附圖中，為了清楚起見，放大了形狀和尺寸，且在整個說明書中，使用相同的參考標號表示相同或相似的部件。
圖3是示出根據本發明實施例的陽極氧化金屬基板的示意圖，其中，圖3(a)是橫截面圖，圖3(b)是平面圖。參照圖3，陽極氧化金屬基板100包括由Al或Al合金製成的金屬板101和形成在金屬板101上的Al陽極氧化膜103。諸如發光二極體和功率晶片的多個發熱器件106至111安裝在金屬板101上。導線105形成在陽極氧化膜103上，以使器件106至111彼此電連接。因此，陽極氧化膜103用於使導線105與金屬板101絕緣。諸如連接器120的其它元件可以設置在陽極氧化膜103的部分上，以電連接至導線。導線105可以通過塗敷導電糊(paste)、沉積金屬或進行噴墨印刷法而形成。
Al是金屬材料，其可以容易地以相對較低的成本而獲得，且具有極好的熱傳遞性能。此外，通過使Al陽極氧化而得到的Al陽極氧化膜Al2O3具有10至30W/mK的相對較高的熱傳遞係數。因此，陽極氧化金屬基板100表現出比諸如PCB或MCPCB的傳統聚合物基板更好的熱輻射性能。此外，對Al進行陽極氧化是眾所周知的簡單工藝，其成本低廉且加工時間短。從而，本發明的基板模塊可以通過非常簡單的工藝來製造。
在該實施例中，基底基板(即，金屬板102)由Al或Al合金製成，而陽極氧化膜103由Al2O3製成。但是本發明不限於此。金屬板可以由其它可陽極氧化的金屬(例如，鈦或鎂)製成。但是優選地，金屬板主要由便宜且穩定的Al構成。
陽極氧化金屬基板模塊100適宜用於LCD顯示器的背光組件或表面光源裝置。即，所安裝的發熱器件106至111被設置為多個LED，從而獲得熱輻射性能極好的高質量表面光源裝置。例如，在陽極氧化金屬基板模塊100內設置多個紅色的、綠色的和藍色的發光的LED。這使得陽極氧化基板模塊100能夠用作用於背光的發射白光的表面光源。將LED基板作為表面光源的一個問題涉及到如何有效地將由LED產生的大量的熱輻射到外部。從這方面來看，本發明的陽極氧化金屬基板模塊作為表面光源或背光組件是非常有用的。
陽極氧化金屬基板模塊100不僅可以作為表面光源而且也可以作為通常的電路基板模塊而提供其實用性。例如，陽極氧化金屬基板模塊100可以用作適於安裝諸如產生大量熱的功率晶片或其它集成電路器件的器件的電路板，。
圖4是示出根據本發明另一實施例的陽極氧化金屬基板模塊200的示意圖，其中圖4(a)是橫截面圖，圖4(b)是示意性平面圖。在該實施例中，陽極氧化膜形成在金屬板101的選擇部分上，以更有效地輻射來自發熱器件的熱量。這裡，金屬板101直接用作傳熱路徑。
參照圖4，陽極氧化膜113形成在金屬板101上，以選擇地露出金屬板101上表面的部分。多個發熱器件106至108安裝在金屬板101上表面的露出部分104上。金屬板101的導熱率(幾百W/mK)比陽極氧化膜113的高很多。因此，由直接安裝在露出部分104上的器件所產生的熱量可以更有效地輻射到外部。為了方便起見，導線105和器件106至108未在圖4(b)的平面圖中示出。
為了在金屬板101上選擇性地形成陽極氧化膜113，對金屬板的整個上表面進行陽極氧化，以形成陽極氧化膜，接著，去除陽極氧化膜的選擇部分。即，相繼進行金屬板整個上表面的陽極氧化和陽極氧化膜的選擇部分的去除(或蝕刻)，以在金屬板101上形成選擇性陽極氧化膜113。
可替換地，通過在陽極氧化期間使用適當的掩膜圖案，可以直接形成選擇性陽極氧化膜113。例如，在金屬板101的上表面上形成諸如抗蝕圖案或氧化膜圖案的掩膜圖案，接著，對金屬板101進行陽極氧化。這使得金屬板101上表面的選擇部分被陽極氧化，從而形成陽極氧化膜113，該膜選擇性地露出金屬板101上表面的其它部分。
圖5示出根據本發明修改實例的圖4的陽極氧化金屬基板模塊。參照圖5，陽極氧化金屬基板模塊200′包括陽極氧化膜113，該膜以與圖4中的模塊相同的方式形成在金屬板的部分上。在該實施例中，金屬層130附加地形成在金屬板101上表面的露出部分104上。諸如LED和功率晶片的發熱器件106至108安裝在金屬層130上。
金屬層130可以是安裝發熱器件106至108時用於焊接的鍍層。可替換地，金屬層130可以是用於安裝發熱器件106至108的金屬糊。例如，金屬糊形成在露出部分104上，接著，在LED或功率晶片設置在露出部分104上之後被固化。這明顯縮短了具有極好熱輻射性能的基板模塊的製造時間。
圖6是示出根據本發明實施例的陽極氧化金屬基板的局部橫截面圖。如圖6所示，絕緣層140和金屬層130順序疊置在金屬板101上表面的每個露出部分104上。即，金屬層130不直接形成在金屬板101上，而是絕緣層140介於金屬層130與金屬板101之間。絕緣層140可以由表現出相對好的熱傳遞性能的Al2O3製成。絕緣層140使金屬層130與金屬板101絕緣。從而，這使得安裝在金屬層130上的發熱器件(未示出)的底面與金屬板101絕緣。當發熱器件不能使用金屬板作為共同電極時，這種結構可能是必要的。
圖7是示出根據本發明另一實施例的陽極氧化金屬基板的局部橫截面圖。參照圖7，在金屬板101上形成陽極氧化膜113，以選擇性地露出金屬板101上表面的部分。同樣，在金屬板101上表面的露出部分內形成至少一個凹槽114，以限定反射杯。諸如LED 126的發光器件可以安裝在反射杯的底面上。可以通過選擇性陽極氧化和蝕刻來形成凹槽114。即，通過使用選擇性陽極氧化膜113作為掩膜來對金屬板上表面的露出部分(圖4的104)進行陽極氧化。然後，對陽極氧化得到的結構進行蝕刻，以形成凹槽114。
圖7的陽極氧化金屬基板模塊可用作具有極好熱輻射性能和高發光效率的表面光源裝置或基於LED的背光組件。即，反射杯由諸如Al的高反射金屬製成，從而其內表面可以提供具有高反射率的反射表面124。該反射杯沿期望的射出方向有效地反射來自LED的光，從而進一步提高發光效率。同樣，由諸如Al的金屬材料製成的基板本身保證了極好的傳熱性能。
圖8是示出根據本發明又一實施例的陽極氧化金屬基板模塊的示意圖。參照圖8，陽極氧化金屬基板模塊300包括作為下部結構的金屬板102，其有利於更有效地輻射熱量。即，在金屬板102的下面一體形成散熱片，以使得能夠進行更大面積的空氣接觸。因此，這產生附加的冷卻效果。具體地，散熱片從金屬板102的下側表面垂直延伸。
如上所述，散熱片一體形成在金屬板102的下面。這消除了對於將離散的散熱片結合到PCB或MCPCB的下側表面的傳統繁瑣工藝的需要。同樣，一體形成的散熱片(較寬意義上的散熱片)解決了諸如可由散熱片與基板之間的結合引起的結合材料性能退化等的可靠性問題。
實例為了在PCB或MCPCB與本發明的陽極氧化金屬基板模塊之間進行傳熱性能的比較和確認，發明者進行了基於計算機模擬的試驗。為了進行這些模擬試驗，根據對比實例1、對比實例2和發明實例設定樣本。對比實例1是傳統的基於樹脂(FR4)的PCB(如圖1中所設置)。對比實例2是使用Al芯的MCPCB(參照圖2)。發明實例(如圖3所示)是具有Al板/Al陽極氧化膜的疊置結構的陽極氧化基板模塊。在對比實例2中，MCPCB包括傳統聚合物絕緣層，其具有大約1.3W/mK的導熱係數。相反，Al陽極氧化膜具有10W/mK到30W/mK的導熱係數。
圖9至圖11示出關於三個樣本(對比實例1、對比實例2和發明實例)的熱阻的模擬結果。圖9和圖10分別示出對比實例1和2的熱阻的模擬結果。圖11示出發明實例的熱阻的模擬結果。參照圖9至圖11，最上層內的一小部分表示發熱器件。最下層對應基板(圖11中的Al板)。中間層表示聚合物(圖9和圖10)或Al陽極氧化膜(圖11)。
在圖9至圖11中，相同顏色代表相同溫度。根據模擬結果，對比實例1中的熱阻係數標示在17.9，對比實例2中的熱阻係數標示在12.171。同時，發明實例的熱阻係數僅標示在10.6。此處，熱阻係數表示溫度最高的發熱器件D與溫度最低的基板底面之間的溫差。對於熱阻的這些模擬結果證實了，本發明的基板模塊相對於現有技術顯示出優異的熱輻射性能。
如上所述，根據本發明的示例性實施例，使用了金屬板/陽極氧化膜的疊置結構，從而顯著地提高熱輻射性能、降低製造成本、以及簡化製造工藝。所採用的陽極氧化金屬基板模塊使得具有極好熱輻射性能的安裝有表面光源、背光組件或其它發熱器件的電路板的結構變得簡單。
雖然已經結合優選實施例示出並描述了本發明，但是對本領域技術人員來說很顯然，在不背離所附權利要求所限定的本發明精神和範圍的前提下，可以進行各種修改和變化。
權利要求
1.一種陽極氧化金屬基板模塊，包括金屬板；陽極氧化膜，形成在所述金屬板上；發熱器件，安裝在所述金屬板上；以及導線，形成在所述陽極氧化膜上。
2.根據權利要求1所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述金屬基板包含Al或Al合金。
3.根據權利要求1所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述發熱器件包括至少一個發光二極體。
4.根據權利要求1所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述陽極氧化金屬基板模塊用於表面光源裝置或背光組件。
5.根據權利要求1所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述陽極氧化膜形成在所述金屬板上，以選擇性地露出所述金屬板的上表面的一部分。
6.根據權利要求5所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述發熱器件安裝在所述金屬板的上表面的所述露出部分上。
7.根據權利要求5所述的陽極氧化金屬基板模塊，進一步包括形成在所述金屬板的上表面的所述露出部分上的金屬層。
8.根據權利要求7所述的陽極氧化金屬基板模塊，進一步包括介於所述金屬層與所述金屬板之間的絕緣層。
9.根據權利要求3所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述陽極氧化膜形成在所述金屬板上，以選擇性地露出所述金屬板的上表面的一部分，所述金屬板具有至少一個凹槽，所述凹槽形成在所述金屬板的上表面的所述露出部分內，所述凹槽限定反射杯，以及所述發光二極體設置在所述反射杯的底面上。
10.根據權利要求9所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述陽極氧化金屬基板模塊用於表面光源裝置或背光組件。
11.根據權利要求1所述的陽極氧化金屬基板模塊，進一步包括一體形成在所述金屬板的下面的散熱片，使得能夠進行更大面積的空氣接觸。
12.根據權利要求11所述的陽極氧化金屬基板模塊，其中，所述散熱片包括從所述金屬板的下側表面垂直延伸的冷卻翅片。
全文摘要
本發明公開了一種熱輻射性能較好且製造成本降低了的陽極氧化金屬基板模塊。其設置有金屬板。在該金屬基板上形成陽極氧化膜。在該金屬基板上安裝發熱器件。同樣，在該陽極氧化膜上形成導線。
文檔編號H05K1/00GK101039548SQ20071008752
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月16日 優先權日2006年3月17日
發明者李榮基, 崔碩文, 尹永復, 申常鉉 申請人:三星電機株式會社