CN101066009A

CN101066009A - 改进了热耗散的印刷电路板组件

Info

Publication number: CN101066009A
Application number: CNA2004800444878A
Authority: CN
Inventors: 约翰·桑德瓦尔
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Clastres LLC; Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: CN101066009B; EP1825728A1; US20080174969A1; WO2006059925A1

Abstract

本发明提供了一种改进了热耗散的印刷电路板组件。公开了一种PBA(100，300)，该PBA包括由不导电材料制成的第一支撑层(130，330)、由导电材料制成的第一层(120，320)、第一电子元件(110，310)以及用于从第一电子元件传输热的第一冷却元件(140，340)。第一电子元件(110，310)被表面安装在所述PBA上，至少部分位于所述第一冷却元件(140，340)上方，而且所述第一冷却元件(140，340)一体布置在所述PBA(100，300)中。所述第一冷却元件(140，340)布置在所述PBA(100，300)中，从而沿着第一方向(x)和第二主方向(y)传输来自所述第一电子元件(110，310)的热，所述第一方向基本垂直于所述PBA的第一主表面(101，301)，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面。

Description

改进了热耗散的印刷电路板组件

技术领域

本发明公开了一种印刷电路板组件，即PBA，其具有由不导电材料制成的第一支撑层，并且还包括由导电材料制成的第一层和第一电子元件，以及用于从第一电子元件传输热的第一冷却元件。

背景技术

用于当前印刷电路板组件(PBA)的许多电子元件产生大量的热。在例如这些电子元件为高功率放大器(HPA)和功率晶体管时尤其如此。

因而冷却PBA成为一个问题，为此已经提出了许多解决方案。现今已知的解决方案通常包括需要手工劳动或使用通孔的生产步骤。

这些已知的解决方案的一些问题在于，通过通孔只能耗散有限量的热，而手工劳动会导致产品变得相当昂贵。

发明内容

因此需要一种可以以比现今已知的解决方案更加有效的方式从例如HPA散热的PBA。理想上，可以在不用任何手工劳动的情况下生产这种PBA。

本发明通过公开一种印刷电路板组件，即PBA来满足这些需求，该PBA包括由不导电材料制成的第一支撑层，还包括由导电材料制成的第一层和第一电子元件，以及用于从所述第一电子元件传输热的第一冷却元件。

根据本发明，所述第一电子元件被表面安装在所述PBA上，使得所述第一电子元件至少部分覆盖所述第一冷却元件，并且所述第一冷却元件一体布置在所述PBA中。

此外，所述第一冷却元件布置在所述PBA中，使其可沿着第一方向和第二主方向传输由所述第一电子元件产生的热，所述第一方向基本垂直于所述PBA的第一主表面，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面。

适当的是，所述第一电子元件通过焊接、胶合或从外部元件施加的压力而被表面安装在所述PBA上。

因此，通过本发明，并且从以下详细说明可清楚的那样，获得了一种PBA，该PBA具有性能比公知结构更高程度的冷却结构。而且本发明的PBA比已知的PBA更易于通过自动化方式制造。

本发明还公开了一种用于制造上述PBA的方法。

附图说明

下面将参照附图更加详细地描述本发明，附图中：

图1表示从根据本发明的基础PBA的侧面观察的剖视图；且

图2表示用于本发明的PBA中的冷却结构；且

图3表示从根据本发明的PBA的侧面观察的剖视图；并且

图4表示在根据本发明的生产方法中的一些主要步骤的流程图。

具体实施方式

首先应指出，在本文中，将一直使用术语“印刷电路板组件”来描述本发明。通常，术语印刷电路板(PCB)用于表示在其上未安装任何元件的电路板，而术语印刷电路板组件(PBA)通常用于描述PCB和一个或几个布置在PCB上的元件的组合。不过，为了不使描述含糊不清，在本文中统一使用术语PBA。

图1表示从根据本发明的PBA 100的侧面观察的剖视图。PBA 100是本发明非常“基础”的形式，并且主要用于阐述本发明所基于的原理。

如图1所示，PBA具有第一上主表面101，并包括由诸如FR4的不导电层压材料制成的第一支撑层130。在层压材料层130的顶部上，布置有由诸如铜的导电材料制成的层120，所述层适当地布置为期望的电路图案。因此在这种情况下，是导电材料制成的层120主要形成了PBA的第一主表面101。

同样如图1所示，PBA 100还包括第一电子元件110，该电子元件通过焊接而表面安装在PBA上并同样通过焊接连接到电路图案120上的触点。作为本文稍后将阐述的替代方案，第一电子元件可通过胶合或通过布置在PBA上或PBA外部(即，机架或类似结构)的外部元件(所述外部元件沿着PBA的第一主表面101的方向在所述第一电子元件上施加压力)固定在适当位置。

为了有效地散去电子元件110产生的热，PBA 100还包括第一冷却元件140。该冷却元件由高导热性材料制成，例如铜或黄铜或一些其它相似的金属或金属合金。

本发明所基于的原理在于，电子元件产生的热应该沿着第一方向有效地散至PBA内，并沿第二方向有效耗散，第一方向为基本垂直于PBA的第一主表面101的方向，第二方向为基本平行于所述第一主表面101的方向。第一方向为图1中的坐标系所示的“x”方向，第二方向为同一坐标系所示的“y”方向。

为了实现期望的热耗散，第一冷却元件包括第一主要部件141和第二主要部件142，它们共同使得该元件具有“倒大写字母T”的形状。应注意，该形状只是实施例的示例，冷却元件可以具有种类相当多的形状以实现期望的效果，如同在以下说明中将清楚的那样。

对于冷却元件140的两个部件的截面形状，它们在本发明中可以以许多方式改变，但是较大部件142应该适当地具有与PBA 100的大致外形一致或不干涉的截面形状，即，在本示例中为矩形。

在图1所示的实施例100中，冷却元件140的各部件具有不同的截面面积，第一部件141具有比第二部件142的面积A₂小的面积A₁。而且，冷却元件一体布置在PBA中，使得“T的底部”，即较小部件141的不与较大部件142接触的端部非常接近PBA的第一主表面101或者与其接触。这是为了便于热从电子元件传导至冷却元件。

图1还示出了冷却元件141呈“倒T形状”的一个原因：经由冷却元件的第一部件141沿x方向传输(即，从第一主表面101至PBA中)的热将通过冷却元件的第二部件142(即T的“横条”)横向传输，即，沿着基本平行于PBA的第一主表面101的方向(图1中的坐标系的“y”方向)传输。

图1示出了期望横向传输热的一个原因：PBA将要以这样的方式布置成机架或类似结构，即，PBA的与第一主表面101相对的表面(即，PBA的下主表面)与可导热的机架中的部件150机械接触。

应注意，部件150不与PBA的整个底表面接触，而是仅接触PBA的底部区域的外部分区。所述分区可以是周边区域，或者如图1所示，是沿着PBA的底表面的相对边缘的第一“条带”103和第二“条带”104。

由于外部冷却表面仅接触PBA的周边，所以留下了可供来自PBA的元件伸入的空间或空腔160，从而可以形成具有高效冷却性能的“双面”PBA。

图2表示第一冷却元件140。从该图中可清楚地看到元件140的形状，其具有：第一部件或部分141，其将与第一主表面101接触或非常接近；和第二部件或部分142，其由于在布置于PBA中时的主延伸方向而可以沿着偏离第一部件141的主延伸方向的方向从第一部件141传输热。适当的是，第二部件142相对于冷却元件的第一部件141、341成小于或大于零度的角度。

在冷却元件布置在PBA中时的所述主延伸方向对于第一部件141而言是图1的“x”方向，对于第二部件142而言是图1所示的“y”方向。

图3表示根据本发明的更加详细的PBA 300。如图所示，该PBA 300包括多个支撑不导电层压材料的交替层330和345，以及所谓的“预浸渍体”层335、345。

本文中一致称为“预浸渍体”的材料用于将刚性层压材料固定在一起并且填充例如印刷电路板内的层之间的间隔，从而基本消除气穴。预浸渍体具有半硬化化学物，因此可在热、压力和真空的特定的预定组合下形成。

一旦预浸渍体的化学物已经完全硬化，它就固定并将保持该形状。

作为预浸渍体的替代物，也可以使用所谓的粘合膜来将不同的材料层彼此固定，并且填充印刷电路板组件内的材料层之间的空间或空腔。粘合膜也可通过热、压力和真空形成，但是可以熔融若干次。

现在回到PBA 300，其在不导电层压材料层的一侧或两侧上还具有由诸如铜的导电材料层制成的电路图案320、351。

而且，PBA 300包括：第一冷却元件340，其成形并布置成图1和2所示的对应元件；和第一电子元件310，其通过与对图1中的PBA的描述相关联而提到的方式中的一种方式表面安装在PBA 300上。

借助图4，将更加详细地描述PBA 300，图4是概述PBA 300的生产中的一些主要步骤的流程图。应指出的是，图4所示和以下所述的步骤不需要按照所示和所述的顺序执行，重要的是最终结果，即完工的PBA300。

作为初始步骤(图4中的框410)，制备第一冷却元件340，即，使其具有以上所示和所述的形状以及期望的尺寸。该元件应由具有高导热性的材料制成，例如铜、黄铜或其它相似的金属或金属合金。可以以本领域技术人员公知的多种方式，例如通过磨铣(milling)进行元件340的成形。

图4的框420示出了下一步骤：制备所谓的“预浸渍体”层。预浸渍体的制备包括使该层具有期望的尺寸，即，未来PBA的宽度和长度，以及在预浸渍体层中制造孔或窗口，所述孔具有与冷却元件340的较窄部件141的截面面积A₂对应的尺寸。适当的是，通过磨铣生成预浸渍体层中的孔，不过也可以采用其它处理，例如钻削。这样制备的预浸渍体层将变成图3中的335所示的层。

接着，图4中的框430，制备诸如FR4的不导电层压材料层。在这种情况下，该制备包括在层中制造孔或“窗口”，所述窗口在这种情况下略微大于A₁，该A₁即为冷却元件的较小的截面面积。合适的是，层压材料中的孔与A₁之间的尺寸差在1-5％的范围内，其在图3中示出为“Δ”。在该步骤中制备的层压材料层将成为图3中的330所示的层。

接着，可执行在图4中未示出的可选步骤：如果期望在PBA 300中的层压材料层的面向“内”的那一侧上具有电路图案，现在就将这些图案布置在层压材料上。这通过传统方式进行，例如通过蚀刻或使用光刻胶等，因而这里不再做进一步详细描述。在图3中，层压材料层330示出为在其主表面的两侧上具有电路图案。

图3中的PBA 300示出为具有若干不导电的层压材料层330、350，以及若干预浸渍体层335、345，其中层压材料层在它们的一侧或两侧上设有电路图案。本领域技术人员将理解，PBA 300可设有或多或少任意数量的如图3那样布置的层。为此，这里不再详细描述图3所示的所有层的制备。

因此，层压材料层350将按照上述方式制备，预浸渍体345也按照上述方式制备。当然，那些待布置在冷却元件340的“底部”上(即，齐靠部件342的底表面)的层不需要在其中制造孔或窗口。

从而，现在已经制备了若干预浸渍体层和层压材料层，而使得它们具有期望的机械尺寸、包括用于冷却元件340的开口而。如图3中的框440所示，现在按照期望的顺序对这些层进行机械组装。

按照期望顺序布置未来的PBA的层之后，下一步骤是对未来的PBA进行所谓的“真空层压处理”(图4中的框450)，以将这些层永久地相互固定。这例如可以在所谓的“真空层压炉”中进行，其中温度将根据所涉及的材料(即预浸渍体和层压材料)而变化。

在层压处理期间，预浸渍体将变成液体，这解释了为什么在层压材料层中制造的开口比冷却元件的宽度略大(“Δ”)的原因：在层压处理期间，未来的PBA(即，已经以正确顺序机械布置的层)受到来自与PBA的上侧和下侧(即，图1的上下主表面101和102，以及图3的上下主表面301和302)相对应的方向的压力。

由于该压力，液化的预浸渍体将被压入层压材料层与冷却元件之间的开口Δ，从而基本消除所有的游隙。

在层压处理之后，将PBA从真空炉移出并使预浸渍体硬化。在必要时，为了生成PBA 300的光滑主表面，可随后进行一些表面处理。

如图4中的框460所示，下一步骤是在PBA 300的上主表面301和/或下主表面302上生成电路图案。在该阶段的上表面优选包括不导电的层压材料330、350，所述层压材料覆盖有铜或一些其它导电材料的薄层，这些薄层中通过公知的传统方式(例如通过光刻法)生成有电路图案。

作为最后的主要步骤(图4中的框470和480)，将打算使用冷却元件340的高功率电子元件310布置在PBA上，并通过焊接固定至上述的导电材料层320。

如图3所示，现在在高功率元件310的至少一部分的正下方布置有冷却元件340，并且冷却元件将能够沿着PBA的第一方向(在这种情况下，沿着图1-3的坐标系中的“x”所示的方向，即，沿着从第一主表面101、301朝向第二主表面102、302的方向)传导由高功率元件产生的热。

此外，冷却元件340、140由于其部件342、142而还可以沿着第二方向(图1-3的“y”方向)传输热。因此，由电子元件310在PBA的表面处产生的热将首先沿x方向传输，然后沿y方向传输。

从图3可看到以这种方式(首先x，然后y)传输热的一个目：如图3所示，PBA布置在例如机架中，其中PBA的下主表面302的部件303、304与机架的可用作外部散热件的机械部件360接触。

应注意，外部部件360不与PBA的整个底表面接触，而是仅接触PBA的底部区域的外部分区。所述分区可以是周边区域，或者如图1所示，是沿着PBA的底表面的相对边缘的第一“条带”303和第二“条带”304。

由于外部冷却表面仅接触PBA的周边，所以留下了可供来自PBA的元件伸入的空间160，从而可以形成高效冷却的“双面”PBA。在图3中，PBA的两个层345、350示出为布置在PBA的“底”侧302上，所述层沿着x方向以这样的方式延伸，即，留下供将接触外部表面360的条带所用的空间。在这种情况下，所述条带是冷却元件340的部件。

本发明不限于以上所示的实施例的示例，而是可在所附权利要求的范围内自由变化。例如，在保持传输热的能力的同时，可以以许多方式改变冷却元件140、340的形状。而且，以上所示的传输热的方向，即x方向和y方向不必是与PBA的主表面垂直(x)和平行(y)的方向，可以通过改变冷却元件布置在PBA中的方式，以及通过改变冷却元件的形状而改变这些方向。

作为对图3所示的实施例的明显替代，PBA可以布置成使得机架的可用作外部散热件的机械部件360代之以从PBA 300的第一主表面301与PBA接触。在该实施例中，重新参照图3，可以移除PBA的第一主表面301的一个或多个外边缘以露出冷却元件340的较大部件342。

因而当PBA 300布置在机架或类似结构中时，部件360将按照与其在图3中包围PBA的下主表面的方式相同的方式包围PBA的上表面。

Claims

1.一种印刷电路板组件PBA(100，300)，该PBA包括由不导电材料制成的第一支撑层(130，330)，还包括由导电材料制成的第一层(120，320)和第一电子元件(110，310)，以及用于从所述第一电子元件传输热的第一冷却元件(140，340)，所述PBA的特征在于：

●所述第一电子元件(110，310)被表面安装在所述PBA上，至少部分位于所述第一冷却元件(140，340)上方，

●所述第一冷却元件(140，340)一体布置在所述PBA(100，300)中，

●所述第一冷却元件(140，340)布置在所述PBA(100，300)中，从而其可沿着第一方向(x)和第二主方向(y)传输由所述第一电子元件(110，310)产生的热，所述第一方向基本垂直于所述PBA的第一主表面(101，301)，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面。

2.如权利要求1所述的PBA(100，300)，其中所述第一电子元件(110，310)通过焊接、胶合或从外部元件施加的压力而表面安装在所述PBA上。

3.如权利要求1或2所述的PBA(100，300)，其中所述冷却元件包括第一部件(141，341)和第二部件(142，342)，所述第二部件布置成相对于所述冷却元件的所述第一部件(141，341)成小于或大于零度的角度。

4.如权利要求1至3中任一项所述的PBA(100，300)，其中由于所述冷却元件的所述第一部件(141)和所述第二部件(142)的布置，所述冷却元件(140，340)形成为大写字母“T”，所述冷却元件的所述第一部件(141，341)布置在所述PBA中的孔内。

5.一种用于制造印刷电路板组件PBA(100，300)的方法，该方法包括：

●在不导电层压材料的第一层(130，330)中制备用于接收第一冷却元件(140，340)的开口，

●制备用于装配在所述层压材料(130，330)中的开口内的所述第一冷却元件(140，340)，

●将所述冷却元件装配在所述层压材料中，

●在所述层压材料的至少第一主表面(101，301)上制备电路图案(120，320)，

所述方法的特征在于其还包括以下步骤：

●处理所述第一层压材料层(130，330)和所述第一冷却元件(140，340)，使它们一起成为PBA(100，300)，

●制备所述第一冷却元件并以这样的方式将所述第一冷却元件装配在所述层压材料中，即，使其可沿着第一方向(x)和第二主方向(y)传输热，所述第一方向基本垂直于所述PBA(100，300)的第一主表面(101，301)，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面，

●将第一电子元件(110，310)表面安装在所述PBA的所述第一主表面(101，301)上，至少部分位于所述第一冷却元件(140，340)上方。

6.如权利要求5所述的方法，根据该方法，将所述第一电子元件(110，310)通过焊接、胶合或从外部元件施加压力而表面安装至所述PBA(100，300)。

7.如权利要求5或6所述的方法，根据该方法，通过使所述冷却元件(140，340)具有第一部件(141，341)和第二部件(142，342)而制备用于装配在所述层压材料中的所述冷却元件，所述第二部件布置成相对于所述冷却元件的所述第一部件(141，341)成小于或大于零度的角度。

8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，根据该方法，由于所述冷却元件(140，340)的所述第一部件(141)和所述第二部件(142)的布置，使得所述冷却元件具有大写字母“T”的形状，所述冷却元件的所述第一部件(141，341)布置在所述PBA中的孔内。