CN101167414B - 热导体的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子设备的表面装配组件。更具体说，涉及用于高效冷却且具有低成本电路板的高频电子元件的装配。尤其涉及在微波设备中高效地传热和消除空气间隙。

Description

热导体的方法及系统
技术领域
本发明涉及电子设备的装配。更具体地说，本发明涉及用于高效冷却的高频电子元件的装配。本发明尤其涉及在微波设备中高效地传热和消除空气间隙。
背景技术
法兰类预装件的安装在本领域是公知的。已知法兰类预装件具有很好的热处理能力，但同时在回流焊接期间不能自动校准且在微波频率上通常表现不佳。它们不能很好自动校准的一个原因是，焊料或空气外围的表面张力产生的恢复运动相对于重力和空间性/不对称产生的位移运动来说是微不足道的。为了承受来自安装螺钉的压力，法兰类预装件必须是坚固的，坚固与优良特征和高精度结合在一起很难在合理的成本下实现。自动校准、优良特征和高精度对于好的微波性能是关键的。
具有优良特征的预装件，下文称作优良特征预装件，例如BGA(球栅阵列)和LGA(矩栅阵列)在本领域是公知的。这些类型的预装件关于从有源器件到预装件底部的热传递的热性能是可接受的。
各种各样的电路板在本领域也是已知的。FR4(阻燃剂4)多层电路板代表了电路板的一个已知的示例类型。FR4电路板是基本上用在几乎所有的现代的高容量电子产品中。可是，它们不是特别适于高效制冷和高机械精度。
硬质背板代表了适于高效制冷和高机械精度的一类电路板。但是，它们是的价格远高于FR4电路板。
除了通过电路板外，另一种已知的完成热传递的方法是采用对流的散热器。这种方法可通过在电路预装件上装配冷却法兰或依靠风扇强制对流来实现。
回流焊接是一种已知的将部件焊接到电路板上的方法。将部件焊接到电路板上，所述电路板可包括以前已焊接的电路板或部件。
美国专利US5019941公开了具有增强的散热能力的电子组件。散热是通过利用第一金属导体衬垫导体传导来自电子元件的热来完成的。第一衬垫与一个或多个地面衬垫并列放置并从而通过对流热耦合到一个或多个地面衬垫，所述一个或多个的地面衬垫具有连接到接地层或散热器的镀通孔。
现有技术没有揭示：在不降低电路可靠性情况下，从装配电路预装件的板上散热的有效的解决方案；它尤其没有揭示：适于表面装配的热导体，所述表面装配以通过板的热通道为主要特征并且消除或减少在板或板底边散热器之间的间隙，提供可用于装配高频的部件或应用(例如，微波应用)的低成本板。
发明内容
高频电子设备的主要问题是当保持在合理的成本并具有非常高的设备可靠性的优良的电子性能时，获得优良的热性质。
当具有优良的热性质时，法兰类预装件通常不能在高频时实现优良的电子性能(至少在不与具有研磨孔的昂贵的硬性背板结合使用的情况下不行)。
优质预装件在高频时可以实现优良的电子性能，但是强加了关于热传递的问题。
对流散热器通常需要风扇来达到期望的热传递水平。
FR4电路板相对于硬性背板具有成本优势，而对于热性质后者胜过前者。
因此，需要提供用于热传递以及在电路板上适当装配的方法和部件，而不在板上、优选地不在将要被装配的预装件上引入额外的需求。
本发明的一个目的是提高通过电路板的热传递。
本发明的另一个目的是提供用于安排不降低电路可靠性的热传递的方法。
此外，一个目的是消除或减少板或散热器之间的间隙，而在电子元件的紧邻处不需要夹持部件。
再一个目的是提供适于表面装配和回流焊接的方法。
又一个目的是提供沿着适于自动装配的电路板的热传递方法。
另外，一个目的是经济地减少从热源到散热器的热阻。
最后，一个目的是提供可靠装配的电路板、热导体和散热器的方法。
这些目的通过用于表面装配组件的热导体的方法和部件来实现。
下面参照附图，通过示例来描述本发明优选的实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明的焊接到电路板上的示例热导体的侧视图。
图2示出了根据本发明的夹到电路板上的示例热导体的侧视图。
图3示出了根据本发明的示例热导体的俯视图。
图4示出了根据本发明的示例热导体的装配的示意性流程图。
图5从俯视方向描述了根据本发明的具有电子元件和热传导盘的示例板。
图6示出了根据本发明的连接到散热器的图5所示的示例板的侧视图。
具体实施方式
如背景技术中所述，存在可利用的高频法兰类预装件。但是它们相当昂贵，并且不适于表面装配组件。而且，它们需要具有孔的金属背板，这又提高了成本。
优质预装件可具有非常优良的特征并以较低成本在微波频率下很好完成任务的精度。即使从有源器件到预装件底部的热传递处于可接受的水平，贯穿装配它们的板上的通道也比法兰类预装件具有较大的热阻。而且，现有的从板导出热的方法依靠具有有限的横截面区域的通道，并且在预装件下面设置通道也存在各种限制。现有技术技术方案的另一个问题是：即使热传递到板的与安装预装件的一侧相反的一侧，热也需要传递到散热器。当将板固定到散热器时，除非将板夹到散热器上，否则在板和散热器之间可能出现间隙，这是一个真正的问题。这些间隙导致不希望有的热阻。
若用螺钉将板夹紧到散热器上，则不能将它们放到预装件的紧邻处，因为这将降低电路的可靠性，例如，存在焊接接缝破裂和板弯曲的风险。
同样，一般对于优质预装件，贯穿的通道(贯穿板并进入到散热器内)通常具有远高于法兰类预装件的热阻。
作为现有技术中问题的一个解决方案的对流散热器的难题是，为了产生显著进步，将需要强制的对流。
FR4电路板的问题尤其涉及板中有限的热传导和到散热器有限的热传导。
根据本发明，热通道被增加到优质预装件上，因此，与现有技术中的方法相比，在保持所要求的电性质的情况下，改善了热性能。同样根据本发明，对于FR4电路板它也是适用的，并且不需要法兰类预装件通常需要的硬质背板。
图1和图2示出了根据本发明一个实施例的侧视图，图3为其俯视图。热导体“CONDUCTOR”被设计成侧面与图1所示的那个相似并且镀有适于焊接的表面涂层。优选地，它如其他任何的元件一样被提供，用于装配在T&R内或在盘子上。热导体盘“CONDUCTOR”被加工成具有将被焊接“SOLDER”到基本上平的电路板上的相对的腿。优选地，导体已被预成型成可使当放到电路板上时，如图3所示，三个焊接点与电路板接触。只要具有三个点或腿与电路板接触，即使电路板或导热盘歪斜到某一小的角度，也能保证所有的点或腿与板接触。对于超过三个焊接点或腿的情况，这点就不能被保证。预成型优选地可使在导热盘“CONDUCTOR”和电路板的中心和基本上平的部件“C”之间存在小的间隙。当一个或多个的螺钉夹紧导热盘、电路板和散热器时，这个间隙消除。
参照图1，根据本发明优选的模式，成型的导热盘被紧密地焊接到电子元件“IC”  例如IC(集成电路)上以被冷却。导热盘被焊接“SOLDER”到与电子元件“IC”接近的电路板“BOARD”上。优选地，成型的导热盘和IC是装配在电路板“BOARD”上平面。导热盘中金属的量和它的热导体性有助于热传递。分离的导热盘的使用也有助于本发明机械上更耐用和更可靠。优选地，导热盘被成型成可使导热盘的中心部件“C”分隔有小的距离，通常在数百微米的范围内。
参照图2，由于盘子的形状以及它被沿着盘子“CONDUCTOR”的相对侧来焊接，焊接接缝上机械压力是松弛的，并且在不引起焊接接缝破裂的情况下，盘子“CONDUCTOR”的中心区域可被夹紧到电路板“BOARD”上。具有至少一个焊接点的完整的热传递通道“PATH”被形成。而且，在盘的重心处的优选平面区域允许例如通过真空喷嘴来自动装配。
参照图3，导热盘“CONDUCTOR”优选地制作成翼状以进一步减少机械压力同时基本上保持热性质。为了在盘压向板时减少由装配螺丝产生的机械力量，优选地存在一个或多个被铣出或弯曲的导热盘的区域。一个或多个区域优选地包含凹槽“GROOVE”，如图2所示，例如：当穿过装配孔“MOUTING HOLE”的螺钉、螺栓或对应的装置“SCREW”变紧，压着导热盘朝向电路板“BOARD”时，导热盘易于沿着凹槽弯曲。为了使灵活性最大，凹槽优选地沿着平行轴排列。松弛的机械力量将使焊接期间电路板被弯曲的风险最小，以及将使焊接期间或焊接后焊接接缝破裂的风险最小。同样，导热盘“CONDUCTOR”优选地具有多于一个用于装配螺钉、螺栓或对应的装置“SCREW”的孔“MOUTING HOLE”。通过采用多于一个的螺钉、螺栓或对应的装置装配导热盘，在旋紧螺钉之前，多于一个螺钉可被装配上，由此，当将电路板和导热盘装配到散热器上时，扭转产生的扭力以及焊接接缝上的剪应力被缓解。同样，通过采用多个贯穿板“BOARD”的热通道，降低了热阻。为了进一步降低热阻，螺钉、螺栓或相应的装置“SCREW”优选地采用热导体性能高的金属制成。
如图2中虚线箭头“PATH”所示，当固定到散热器上时，贯穿导热盘的装配螺钉、螺栓或对应的装置将从螺钉端部“SCREW”的按侧到散热器导热，同时电子元件将要被冷却。一个或多个的螺钉有助于由螺钉或对应的装置形成低阻通道。热不需要通过板的材料传递到散热器。由于来自螺钉的夹紧力，如图2所示，在由导热盘“CONDUCTOR”、电路板“BOARD”以及在导热盘和其装配螺钉“SCREW”邻近处的散热器“SINK”形成的层之间，不存在或存在可以忽略的可使性能降低的空气间隙“AIR GAP”，并且热传递的主要因素应归于来自螺钉、螺栓或相应的装置压力。
本发明的一个优点是它不需要热间隙装填物(例如热衬垫或热油脂)来实现低热阻。但是，本发明不排除热间隙装填物的使用。导致电接触变差或焊接能力变差的热油脂带来的污染的风险、滞留空气的风险，额外插入热油脂或热衬垫的处理步骤导致了额外的处理时间和成本，以及当需要再工作时新油脂的清洁处理和使用，都是存在的缺点。间隙装填物也可增加热阻以及要求较高的装配精度。
导热盘优选地由具有高导热性的可变形的或弹性的金属制成。如图2所示，导热盘变形，尤其易于沿着凹槽“GROOVE”和延伸部分/翼“WING”变形，允许延伸部分/翼“WING”来进行调整使得在螺钉装配期间热导体的中心部分接近板。
本发明尤其适于电子元件，例如允许从集成电路的半导体芯片到预装件侧面的良好热连接的集成电路。这可例如使用只在两侧具有信号衬垫(pad)的LGA(矩栅阵列)预装件来实现。
定位根据本发明的导热盘装置中的电子元件的影响，不考虑其回流的自校准，可通过确保导热盘的翼和预装件的衬垫中的焊接不互相接触来消除。这可例如通过设置分离衬垫的止焊带来确保。由此，连续的铜平面能用于最大化热传导。
如上所述，本发明的优点是，在不使微波频率范围的电子性能降低以及不在电路板上或焊接处理过程中增加新的需求的条件下，改善了热性能。
当装配到散热器“SINK”时，在上面也已经提及，优选地在旋紧螺钉前，将多于一个的螺钉“SCREW”装配到导热盘“CONDUCTOR”中。
图4示意性示出，装配优选地以两步或更多步骤完成。优选的步骤包括将导热盘焊接到电路板上“S1”。电子元件优选地与导热盘在同一的回流过程中装配“S1”。它们也可在焊接导热盘之前或之后的第二个回流焊过程中被焊接。将电路板装配到底盘或散热器上，优选地在一个步骤内完成，然而，为了清晰起见，在图4中用三个不同的步骤“S2”、“S3”、“S4”示出。具有已装配元件的一个或多个电路板和一个或多个导热盘，相应安置到散热器上的装配孔上，还可安置到安装它的底盘的上“S2”。根据本发明，装配螺钉或相应装置被定位，并且可松散地拧在每一个导热盘的多于一个的孔中“S3”。优选地，在旋紧螺钉“S4”前，将所有的装配螺钉定位，从而固定导热盘、电路板和散热器。当基本上同时将板装配在底盘中时，将电路板保持在底盘上的螺钉也被旋紧。
图5示出了具有电子元件“e1”、“e2”和导热盘“c1”、“c2”、“c3”的示例板的俯视图，所述导热盘“c1”、“c2”、“c3”位于电子元件“e1”、“e2”的邻近处并如上所述装配。图中，针对示例板，示出了安排一个导热板“c1”用于从电子元件“e1”传热，安排多于一个导热盘“c2”、“c3”用于从电子元件“e2”传热。为了使冷却最佳化，优选地，每一个导热盘“c1”、“c2”、“c3”被定位，它们的三个腿中的两个面向将主要被冷却的电子元件“e1”、“e2”。当多于一个热导体放置在预装件的周围时，热阻被进一步降低。随着两个腿焊接在板上，形成两个完整的热传递通道，从而，近似地将热阻平分到每一个盘上。为了使冷却最佳化，在优选的多于一个的方向，示出导热盘“c1”、“c2”、“c3”包括延伸部分/翼。在示例中，说明了每一个装配盘用两个螺钉“sc11”、“sc12”、“sc21”、“sc22”来装配。
图6示出了图5所示的根据本发明示例板的侧视图，所述示例板具有由螺钉或对应装置“sc11”、“sc12”、“sc21”、“sc22”，来夹紧导热盘“c1”、“c2”和板“B”到其上的散热器“s”。
在本专利申请中，使用了首字母的缩写词，例如，FR4、BGA、LGA和IC。但是，本发明不限于具有命名为这些缩写词的实体的装置上，而是包括本质上相似的所有装置。
本发明不是要仅限于上面详述的实施例。可在不背离本发明的情况下进行变化和修改。它覆盖了权利要求的范围内的所有的修改。

Claims (42)

1.一种热导体系统，包括电路板、一个或多个上高频电子元件和导热材料制成的热导体部件，其特征在于，所述热导体部件包括：
至少一个腿，所述热导体部件易于沿着与平行于所述腿的延伸部分的方向垂直的方向弯曲；
至少一个装配孔；
所述电路板包括至少一个对应于所述热导体部件的至少一个装配孔的孔；以及
通过所述热导体部件的至少一个装配孔和所述电路板的至少一个对应孔装配螺钉或螺栓，装配的螺钉或螺栓被钉牢在电路板上与热导体部件相反的一侧上的散热器中，从而向着散热器夹紧热导体部件和电路板，
其中，所述热导体包括中心平面区域。
2.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述电子元件和所述热导体部件表面装配在所述电路板上。
3.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件装配在连续的热导体上，在所述热导体上装配有电子元件。
4.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件包括至少一个沿着与平行于至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向的凹槽。
5.如权利要求4所述的热导体系统，其特征在于，在所述凹槽的数量大于或等于2时，所述凹槽中的至少两个是平行的。
6.如权利要求4所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件被安排用于焊接接缝和电路板中的应变消除。
7.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体包括一个或多个被铣出或弯曲的区域。
8.如权利要求4所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件沿着所述至少一个凹槽弯曲。
9.如权利要求4所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件被设置成易于沿着所述凹槽弯曲。
10.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件包括三个或更少的腿。
11.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件在所述至少一个腿处被焊接到所述电路板上。
12.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件在与电子元件最近的两个焊接点处被焊接到所述电路板上。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述热导体部件在两个或三个焊接点处被焊接到所述电路板上。
14.如权利要求1所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件包括来自中心金属盘中的金属延伸部分。
15.如权利要求14所述的热导体系统，其特征在于，所述热导体部件被安排成一个或多个易于沿着凹槽弯曲的延伸部分。
16.一种装配系统的方法，所述系统包括电路板、一个或多个电子元件和一个或多个导热材料制成的热导体部件，其特征在于，包括以下步骤：
在所述电路板上定位一个或多个热导体部件；
焊接所述一个或多个热导体部件中的每一个热导体部件的至少一个腿，所述热导体部件沿着与平行于所述至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向弯曲；
通过所述一个或多个热导体部件、电路板和散热器的孔，定位并松弛地安装一个或多个螺钉；以及
旋紧所述一个或或多个螺钉，从而夹紧热导体部件、电路板和散热器。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，装配方法包括表面装配。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，定位所述一个或多个热导体部件步骤包括使用一个或多个真空喷嘴定位一个或多个热导体部件。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述焊接步骤包括所述一个或多个热导体部件与所述电子元件在同一焊接周期中被焊接。
20.如权利要求16或19所述的方法，其特征在于，所述方法不降低电子元件的精度。
21.如权利要求16或19所述的方法，其特征在于，所述热导体部件装配在连续的热导体上，所述的热导体上装配有电子元件。
22.如权利要求16或19所述的方法，其特征在于，装配的所述热导体部件和电子元件由止焊带隔开。
23.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件被安排用于焊接接缝和电路板中的应变消除。
24.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件沿着与平行于所述至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向上的一个或多个凹槽弯曲。
25.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件被设置成易于沿着所述凹槽弯曲。
26.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件包括在与平行于至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向上的凹槽。
27.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件沿着垂直于所述至少一个腿的一个或多个凹槽弯曲。
28.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件包含两个或更多平行凹槽。
29.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件在一个或多个腿处被焊接在所述电路板上。
30.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件在三个或更少焊接点处被焊接到所述电路板上。
31.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热导体部件在与电子元件最近的两个焊接点处被焊接到所述电路板上。
32.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述定位一个或多个螺钉的步骤包括，在旋紧所述螺钉之前，对于所述一个或多个热导体部件中的每一个，定位至少两个螺钉。
33.一种用于装配在电路板上的导热材料制成的热导体，其特征在于：
至少一个腿，所述热导体易于沿着与平行于所述至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向弯曲；
至少一个装配孔；以及
在与平行于所述至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向上的至少一个凹槽，
其中，所述热导体包括中心平面区域。
34.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体包括至少两个装配孔。
35.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体包括在所述热导体的重心处没有孔的平面。
36.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体包括在与平行于所述至少一个腿的延伸部分的方向垂直的方向上的凹槽。
37.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体被安排用于焊接接缝和电路板中的应变消除。
38.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体包括三个或更少的腿。
39.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体包括来自中心金属区的金属延伸部分。
40.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体包括一个或多个被铣出或弯曲的区域。
41.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体部件沿着凹槽弯曲。
42.如权利要求33所述的热导体，其特征在于，所述热导体部件被设置成易于沿着凹槽弯曲。
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