CN102956787A - 电子模块、发光装置及该电子模块的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子模块,用于安装至一安装面(6),包括:安装有热源(1)的电路板(2),该电路板(2)中形成有贯穿的热孔(3),热源(1)与热孔(3)热接触;以及至少在相对热源(1)的另一侧封装电路板(2)的包封材料(4),其中包封材料(4)在电路板(2)的另一侧在对应于热孔(3)的至少一部分区域中形成有凹槽(8),在凹槽(8)中填充有用于导热连接至安装面的导热材料(5)。此外本发明还涉及一种发光装置和一种制造该电子模块的方法。这种电子模块结构简单而且制造成本低廉,由于对模块的包封材料进行了改进,使根据本发明的电子模块具有较低的热阻和良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子模块、一种发光装置及这种电子模块的制造方法。
背景技术
当今,照明装置日益广泛地应用在日常生活中,这些照明装置的电子模块大多具有塑料的包封材料,其通常以外部壳体的形式出现。这种包封材料确保电子模块满足工业使用中防尘防水的要求,也避免在运输或安装过程中损坏电路板和安装在其上的电子部件、特别是LED。
如在图1中所示的,包封材料4将安装热源1、例如有LED的电路板2整体密封在其中,并且在热源1下方设置有穿过电路板2的热孔3。这种全密封的电子模块可以通过粘贴在其包封材料4的底面上的胶条7、例如双面胶带固定在安装面6上。由此在电子模块中形成了3个等效热阻:在热源1和包封材料4之间的第一热阻主要是电路板2的热阻,其热阻可等效为0.2W/m*K热导率材料所产生的热阻;在包封材料4和胶条7之间的第二热阻主要是包封材料4的热阻,其热阻可等效为0.2W/m*K热导率材料所产生的热阻;在胶条7和安装面6之间的第三热阻主要热阻例如由环氧树脂形成的胶条7的热阻,其热阻可等效为0.2W/m*K热导率材料所产生的热阻。但由于包封材料4厚度较大,密封性较高,不便于将由热源1、例如LED产生的热量向外界导出,也就是说整个电子模块的热阻较高。这常常会导致电子模块稳定性不高进而可能会使整个照明装置损坏。
发明内容
因此本发明的目的在于,提出一种新型电子模块,这种电子模块结构简单而且制造成本低廉,由于对模块的包封材料进行了改进,使根据本发明的电子模块具有较低的热阻和良好的稳定性。
根据本发明提出一种电子模块,用于安装至一安装面,包括:安装有热源的电路板,该电路板中形成有贯穿的热孔,热源与热孔热接触;以及至少在相对热源的另一侧封装电路板的包封材料,其中包封材料在电路板的另一侧在对应于热孔的至少一部分区域中形成有凹槽,在凹槽中填充有用于导热连接至安装面的导热材料。
本发明的设计构思在于,突破对于电子模块的传统封装设计,在此封装材料以封装壳体形式出现。为了使设置在电路板中的热孔中的热量更好地导出,将用于封装电路板的底面中对应于热孔区域的壳体部段(以下简称为“底面壳体部段”)尽可能薄地设计,在最优选的情况下,可以取消该底面壳体部段,使热孔可以直接通至取代该底面壳体部段设置的导热材料,并且电路板底面中的相应区域也直接和导热材料接触,而不是被封装壳体密闭地完全包围。由此利用封装壳体的这种特殊结构,基于导热材料的绝缘导热特性,可以有利地减小整个电子模块的热阻,从而使其可以在工作状态中获得良好的稳定性。
根据本发明的一个优选实施方式,凹槽至少包括位置和大小与热孔相对应的区域。由此可以将热源在工作状态时产生的热量直接向电路板外部引导。
根据本发明的另一个优选实施方式,凹槽的面积覆盖了电路板的另一侧最高90%的面积。将位于电路板另一侧、即背面的凹槽尽可能宽地设置,可以提供充足的散热路径。只要电子模块侧面的包封材料可以延伸包围电 路板另一侧的边缘、即例如从边缘向内仅仅覆盖电路板另一侧的10%,就可以达到这种较好的散热设计。
在优选的实施方式中,凹槽与热孔相连通。这样可以使热孔中引导的热流直接导出到导热材料上。
根据本发明的一个改进方案,凹槽与电路板之间设置有一防护薄层,该防护薄层可以是包封材料的一部分,也可以是由其他低热阻的材料制成。该防护薄层的厚度例如小于0.2mm。由此在使实现热阻最小化的同时,也确保了整个电子模块的高密封性,从而满足工业上的防水防尘要求。
根据本发明的一个改进方案,导热材料设计为阶梯式,包括容纳在凹槽中的第一部分和延伸超过凹槽覆盖包封材料的增大的第二部分。由此可以形成双层导热效果,并且增强了电子模块的密封性。其中第一部分和第二部分的材料可以相同也可以不同。
根据本发明的一个改进方案,导热材料刚好填满凹槽或者导热材料填充为超出凹槽以在凹槽中同样的大小延伸,并且利用导热材料的超出部分安装到安装面。在导热材料刚好填满凹槽的情况下,可以导热材料和凹槽齐平,可以使电子模块的底面可以完全平整地粘贴在安装面上。在后一种情况下,也可以仅仅利用超出凹槽的导热材料的端面作为接触面,粘贴在安装面上,使包封材料和安装面之间存在间隙。
根据本发明的一个改进方案,导热材料的正面和背面分别涂有粘合层,用于分别和凹槽的底面以及和安装面粘合在一起。通过对导热材料双面涂覆粘合层,可以一方面可以将导热材料牢固地固定在凹槽中,另一方面可以使整个电子模块可以被粘贴在不同的安装面上。
根据本发明的一个改进方案,导热材料由电绝缘材料制成。
根据本发明的一个改进方案,导热材料是以树脂、硅胶或塑胶中任一种为基础的填充物,其中含有碳化硅,氧化铝,氧化镁或氮化铝颗粒中一种或多种的颗粒。也就是说,该导热材料是含有高导热率颗粒的填充物。其基体材料可以为树脂,硅胶或塑胶;而其含有的高导热颗粒可以是碳化硅,氧化铝,氧化镁或氮化铝等(纳米级颗粒)颗粒。也可以考虑其他具有同样高导热并且电绝缘特性的材料来制作导热材料。
此外,本发明涉及一种发光装置,包括上述电子模块,其中热源为LED。当然,也可以考虑以光引擎或类似物来取代安装有LED的电路板,形成根据本发明的发光装置。
此外本发明还提出一种制造上述电子模块的方法,具有以下步骤:
(a)提供安装有热源的电路板,其中在电路板中形成有贯穿的热孔,热源与热孔热接触;
(b)将电路板安放到一模具中,该模具设计为与至少电路板上开设有热孔的至少一部分底面接触并与电路板的底面的其余部分之间形成有空隙;
(c)浇注包封材料,形成在所接触的至少一部分底面处的凹槽。
根据本发明的一个改进方案,还包括步骤(d),在脱模后在步骤(d)中,向凹槽喷塑一薄层,该薄层可以为包封材料的一部分,也可以由其他材料制成。该薄层的厚度小于0.2mm。
根据本发明的一个改进方案,还提出一种制造上述电子模块的方法,具有以下步骤:
(a)提供安装有热源的电路板,其中在电路板中形成有贯穿的热孔,热源与热孔热接触;
(b)将电路板安放到一模具中,模具设计为与电路板的部分底面之间形成有第一空隙,并与电路板的底面的其余部分之间形成有第二空隙,其中第一空隙小于第二空隙;
(c)浇注包封材料,在与第一空隙对应处形成凹槽。
由此可以获得底面直接是电路板底面的通透凹槽,也可以获得底面同样由包封材料形成薄膜的凹槽。该薄层最厚小于0.2mm。
根据本发明的一个改进方案,在步骤(d)之后还具有步骤(e):向凹槽中填充固态的导热材料。或者向凹槽中填充液态的导热材料并采用静置或加热的方法使其固化。
优选地,在所述步骤(e)中,其中导热材料在朝向和远离电路板的两侧具有粘合层,导热材料仅仅填满凹槽的区域。由此制成的电子模块可以达到IP65的等级。
根据本发明的一个改进方案,还包括步骤(f),将另外一层导热材料覆盖在电路板背面一侧的填充后的包封材料外侧。由此制成的电子模块可以达到IP66-67的等级。
根据本发明的一个改进方案,在步骤(d)之后还具有步骤(g):利用液态的导热材料填满凹槽并且凝固,以及在步骤(g)之后还包括步骤(h)在电路板背面一侧的填充后的包封材料外侧粘合胶条。由此制成的电子模块可以达到IP66-67的等级。
优选地,导热材料由热介面材料制成,包封材料为硬塑料。
附图说明
以下示例性地参照附图详细地说明本发明。相同或作用相同的部件具有相同的参考标号。图中示出:
图1是现有技术中的电子模块的截面图;
图2是根据本发明的电子模块的截面图;
图3-9是用于制造根据本发明的电子模块的方法的步骤图。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的电子模块的截面图。安装有热源1、例如LED的电路板2例如可以是FR4印刷电路板,这种电路板是双层电路板,具有类似于常规的塑料的低导热性,导热率大约是0.2W/m*K。在电路板2上形成有贯通的热孔3,热源1位于热孔3正上方并且直接和其热接触,由此可以将热源1工作时发出的热量通过热孔3向电路板2外部引导。为了获得良好的导热效果,通常在热孔3中填充导热介质。封装电路板2的包封材料4通常是硬塑料,其热阻可等效为0.2W/m*K热导率材料所产生的热阻。也可以考虑选用其他低热阻的材料作为包封材料。在装配时,电子模块通常利用胶条7(参见图1)固定在安装面6上。
与图1的区别之处在于,对于根据本发明的电子模块的包封材料4在远离热源1的一侧进行改进:将对应于热孔3的区域的部分包封材料4、即底面壳体部段尽可能薄地设计,从而形成凹槽8。凹槽与电路板2之间设置有一保护薄层9,该保护薄层9可以为包封材料4的一部分,也可以由其他低热阻的材料制成。在最佳的情况中,该保护薄层9的厚度小于0.2mm。由此可以在使电子模块的热阻最小化的同时,也确保了整个电子模块的高密封性,从而满足工业上的防水防尘要求。也可以直接以电路板2的背面构成凹槽8的底面。由此可以将热孔3中的热量更有效地导出。
根据本发明的电子模块的热阻可以根据公式:热阻=厚度/(面积*热导率)计算得出。在不影响封装的前提下,通过减小底面的包封材料4的厚度和增大对应的凹槽8的面积,可以使包封材料4的热阻理想地减小。 凹槽8的面积优选地可以是整个电子模块面积的90%。将位于电路板2背面的凹槽8尽可能大地设置,可以提供充足的散热路径。只要电子模块侧面的包封材料4可以延伸包围电路板2背面的边缘、即例如从边缘向内仅仅覆盖电路板2背面的10%,就可以达到这种最佳的散热设计。
为了确保封装效果和进一步改进热性能,可以在凹槽8中填充由热介面材料(TIM)制成的导热材料5。导热材料5具有电绝缘的特性,例如可以是硅胶为基础的空隙填充物。导热材料5的厚度应等于或大于凹槽8的深度。为了使导热材料5牢固地和凹槽8的底面热接触,可以在其正面和背面分别涂覆粘合层,用于分别和凹槽8的底面以及和安装面6粘合在一起。另一种可能性是,也可以在导热材料5朝向安装面6的一侧贴附第二部分双面有粘性的热介面材料(未示出)。第二部分热介面材料的面积应大于导热材料5的面积,并且增大的第二部分延伸超过凹槽8覆盖电路板2背面的包封材料4,形成阶梯状导热结构,由此确保了良好的密封效果和导热效果。
该导热材料5是含有高导热率颗粒的空隙填充物。其基体材料可以为树脂,硅胶或塑胶;而其含有的高导热颗粒可以是碳化硅,氧化铝,氧化镁或氮化铝等(内米级颗粒)颗粒。也可以考虑其他具有同样高导热并且电绝缘特性的材料来制作导热材料。
图3-9是用于制造根据本发明的电子模块的方法的步骤图。
图3中示出,提供安装有热源1的电路板2,其中在电路板2中形成有贯穿的、位于热源1下方的热孔3,热源1与热孔3热接触。将待封装的电路板2居中地安放到一封装模具中,该模具设计至少与电路板2上开设有热孔3的至少一部分底面接触并于电路板2的底面的其余部分之间形成有空隙。随后将上下两部分模具扣合在一起,相其中浇注包封材料,形成在所接触的至少一部分底面处的凹槽8。
在图4中可以看出,通过注塑方法将液态的包封材料4、例如熔融的硬塑料从模具的入料口中注入模具内。经过冷却和脱模之后,可以得到图5a和5b中示出的两种不同封装效果的封装体。图5a中的封装体将电路板2半包围在其中。电路板2的底面暴露于包封材料4以外,也就是说,在封装体底面形成的凹槽8的底面为电路板2的底面。图5b中示出的步骤d)中,在脱模后向凹槽8喷塑一保护薄层,该保护薄层9可以为包封材料4的一部分,也可以由其他材料制成。该保护薄层9最厚可以为0.2mm。
根据另一种制造方法,也可以在模具设计时使得所述凹槽8处预留一部分空间,即模具设计为与电路板2的底面之间形成有第一空隙,并与电路板2的底面的其余部分之间形成有第二空隙,其中第一空隙小于第二空隙。这样使得脱模后在凹槽8处成型一保护薄层9。该保护薄层9构成了凹槽8的底面。根据图6所示,在热源1的出光侧安装透明罩体,用于对其进行保护。
图7至图9示出了三种安装导热材料5的方式。图7中,由热介面材料制成的固体导热材料5仅仅填满凹槽8。或者向凹槽8中填充液态的导热材料5并采用静置或加热的方法使导热材料5固化。该导热材料5设计为具有双面粘合性,因此可以牢固地贴附在凹槽8的底面上,在该实施方式中,是直接贴附在电路板2的底面上。通过这种方式形成的电子模块的密封程度达到IP65的等级,其中应在电路板2的背面涂覆防水层来覆盖电路板2的底面的铜膜层。
在图8中,导热材料5覆盖在电路板2的背面一侧的全部区域,其中导热材料5的上部被填充在凹槽8中,并且下部粘贴在凹槽8两侧的包封材料4的底面上,即可以在图7示出的步骤后将另外一层导热材料5覆盖在电路板2背面一侧的填充后的包封材料4外侧。通过这种方式形成的电子模块的密封程度达到IP66-67的等级。在图9中,直接利用液态热介面材料、例如熔融的有机硅脂填充凹槽8,在该液态热介面材料凝固后形成导热材料5,并且在电子模块的底面上设置用于使电子模块和安装面6粘 合固定的胶条7。通过这种方式形成的电子模块的密封程度也可以达到IP66-67的等级。
优选地,制造导热材料的热介面材料可以是电绝缘材料。特别优选地,导热材料5是以硅胶为基础的空隙填充物。可以选用有机硅脂或其中掺杂由硅颗粒或陶瓷颗粒的硅胶制造根据本发明的导热材料。也可以考虑其他具有同样高导热并且电绝缘特性的材料来制作导热材料。
标号列表
1热源
2电路板
3热孔
4包封材料
5导热材料
6安装面
7胶条
8凹槽
9防护薄层。
Claims (19)
1.一种电子模块,用于安装至一安装面,包括:安装有热源(1)的电路板(2),所述电路板(2)中形成有贯穿的热孔(3),所述热源(1)与所述热孔(3)热接触;以及至少在相对所述热源(1)的另一侧封装所述电路板(2)的包封材料(4),其特征在于,所述包封材料(4)在所述电路板(2)的所述另一侧在对应于所述热孔(3)的至少一部分区域中形成有凹槽(8),在所述凹槽(8)中填充有用于导热连接至所述安装面的导热材料(5)。
2.根据权利要求1所述的电子模块,其特征在于,所述凹槽(8)至少包括位置和大小与所述热孔(3)相对应的区域。
3.根据权利要求2所述的电子模块,其特征在于,所述凹槽(8)的面积覆盖了所述电路板(2)的所述另一侧最高90%的面积。
4.根据权利要求3所述的电子模块,其特征在于,所述凹槽(8)与所述热孔(3)相连通。
5.根据权利要求3所述的电子模块,其特征在于,所述凹槽(8)与电路板(2)之间设置有一防护薄层(9)。
6.根据权利要求5所述的电子模块,其特征在于,所述防护薄层(9)的厚度小于0.2mm。
7.根据权利要求1所述的电子模块,其特征在于,所述导热材料(5)设计为阶梯式,包括容纳在所述凹槽(8)中的第一部分和延伸超过所述凹槽(8)覆盖所述包封材料(4)的增大的第二部分。
8.根据权利要求1所述的电子模块,其特征在于,所述导热材料(5)刚好填满所述凹槽(8)或者所述导热材料(5)填充为超出所述凹槽(8)以在所述凹槽(8)中同样的大小延伸,并且利用所述导热材料(5)的超出部分安装到所述安装面(6)。
9.根据权利要求7或8所述的电子模块,其特征在于,所述导热材料(5)的正面和背面分别涂有粘合层,用于分别和所述凹槽(8)的底面以及所述安装面(6)粘合在一起。
10.根据权利要求9所述的电子模块,其特征在于,所述导热材料(5)由电绝缘材料制成。
11.根据权利要求10所述的电子模块,其特征在于,所述导热材料(5)是以树脂、硅胶或塑胶中任一种为基础的填充物,其中含有碳化硅、氧化铝、氧化镁或氮化铝颗粒中一种或多种的颗粒。
12.一种发光装置,包括根据权利要求1-11中任一项所述的电子模块,其中所述热源为LED。
13.一种用于制造根据权利要求1-12中任一项所述的电子模块的方法,其特征在于以下步骤:
(a)提供安装有热源(1)的电路板(2),其中在所述电路板
(2)中形成有贯穿的热孔(3),所述热源(1)与所述热孔(3)热接触;
(b)将所述电路板(2)安放到一模具中,所述模具设计为与至少与电路板(2)上开设有热孔(3)的至少一部分底面接触并与所述电路板(2)的所述底面的其余部分之间形成有空隙;
(c)浇注包封材料,形成在所接触的所述至少一部分底面处的凹槽(8)。
14.一种用于制造根据权利要求1-12中任一项所述的电子模块的方法,其特征在于以下步骤:
(a)提供安装有热源(1)的电路板(2),其中在所述电路板
(2)中形成有贯穿的热孔(3),所述热源(1)与所述热孔(3)热接触;
(b)将所述电路板(2)安放到一模具中,所述模具设置为与所述电路板(2)的部分底面之间形成有第一空隙,并与所述电路板(2)的底面的其余部分之间形成有第二空隙,其中所述第一空隙小于所述第二空隙;
(c)浇注包封材料,在与所述第一空隙对应处形成凹槽(8)。
15.根据权利要求13所述的方法,其特征在于还包括步骤(d),在脱模后,在所述步骤(d)中,向所述凹槽(8)喷塑一保护薄层(9)。
16.根据权利要求14或15所述的方法,其特征在于,在所述步骤(d)之后还具有步骤(e):向所述凹槽(8)中填充固态的导热材料(5),或者向所述凹槽(8)中填充液态的导热材料(5)并采用静置或加热的方法使所述导热材料(5)固化。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于,在所述步骤(e)中,其中所述导热材料(5)在朝向和远离所述电路板(2)的两侧具有粘合层,所述导热材料(5)仅仅填满所述凹槽(8)的区域。
18.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,还包括步骤(f),将另外一层导热材料(5)覆盖在所述电路板(4)背面一侧的填充后的包封材料外侧。
19.根据权利要求14或15所述的方法,其特征在于,在所述步骤(d)之后还具有步骤(g):利用液态的所述导热材料(5)填满所述凹槽(8)并且凝固,以及在所述步骤(g)之后还包括步骤(h):在所述电路板(4)背面一侧被填充的所述包封材料(4)外侧粘合胶条(7)。
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