CN102014600A - 一种散热结构及其制作方法、具有散热结构的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散热结构，其包括：双层线路板，包括相互贴合的第一线路板和第二线路板，第一线路板设有第一开口，第二线路板对应设有较第一开口大的第二开口，第一线路板在第一开口与第二开口之间形成固接带；底壳，贴合设于第二线路板的下方，底壳对应设有与第二开口大小相同的第三开口；散热片，固定设于底壳下方，第二开口与第三开口形成的空间内嵌入一形状适配的金属基层，金属基层上表面固接于固接带，下表面与散热片接触，电子元器件嵌入第一开口且其散热部与金属基层部分上表面固接。本发明相应提供一种具有散热结构的电子设备。本发明还提供一种散热结构的制作方法。借此，本发明散热效果较好，成本较低，产品可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种散热结构及其制作方法、具有散热结构的电子设备。
背景技术
射频功率放大器是无线通信系统中的关键组成部分，为确保无线通信的覆盖距离和通信质量，发射机需输出足够大的射频功率，而射频功率放大器的主要作用就是将发射机前级电路中的射频小信号进行线性功率放大。射频功率放大器工作时具有一定的功率耗散，会产生一定的热量，从而影响功放的工作状态和可靠性。因此射频功率放大器散热设计相当关键，是通信系统可靠性设计中的一个重要环节。传统的散热设计为：功放线路板焊接好电子元器件后，采用螺钉锁在铝底壳上，功放管和铝底壳之间涂上导热硅胶或强力散热膏。这种方法成本低、散热效果差，已经无法满足因功放功率提高而带来的功率耗散要求。
随着无线通信和数字处理技术不断发展，射频功率放大器模块的功率越来越大，而模块体积越来越小型化，传统散热方式已经无法完全满足日益增长的散热要求和成本控制需求。现有散热设计通常采用大面积铜基散热结构，这种结构的散热示意图如图1所示，功率放大器200所产生的热量经过大面积铜基400的传导进入散热片40，再由散热片40将热量散发出去。大面积铜基散热结构又可细分为以下两种方案：
方案一：功放线路板背面通过导电银胶直接固化在大面积铜基400上，然后再表贴电子元器件，功率放大器200采用锡膏焊接在大面积铜基400上。这种方法散热效果较好，但大面积铜基400和导电银胶的成本非常高。
方案二：功放线路板背面通过焊锡焊接在大面积铜基400上，然后再表贴电子元器件，功率放大器200采用锡膏焊接在铜基上。散热效果较好，但需要大面积铜基400和线路板焊接，焊接工艺难度大，容易有空气镂空而导致无法贴紧；锡量不易控制，过孔容易冒锡至正面，从而影响线路板器件的焊接和外观。这种方法成本较高，工艺技术门槛偏高，只有少数厂家有能力实施此种工艺，且影响批量生产时的成品率。
综上可知，现有散热结构在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种散热结构及其制作方法、具有散热结构的电子设备，其散热效果较好，成本较低，产品可靠性高。
为了实现上述目的，本发明提供一种散热结构，用于电子元器件的散热，所述散热结构包括：
双层线路板，包括相互贴合的第一线路板和第二线路板；
底壳，贴合设于所述第二线路板的下方；
散热片，固定设于所述底壳下方，
所述第一线路板设有第一开口；
所述第二线路板对应设有较所述第一开口大的第二开口；
所述底壳对应设有与所述第二开口大小相同的第三开口；
所述第一线路板在所述第一开口与所述第二开口之间形成一固接带，所述第二开口与所述第三开口形成的空间内嵌入一形状适配的金属基层，所述金属基层部分上表面固接于所述第一线路板的固接带，所述金属基层下表面与所述散热片接触，所述电子元器件嵌入所述第一开口，并且所述电子元器件的散热部与所述金属基层部分上表面固接。
根据本发明的散热结构，所述金属基层的下底面超出所述底壳的下底面0.1mm～0.15mm。
根据本发明的散热结构，所述固接带为环形焊接带，所述金属基层部分上表面焊接于所述环形焊接带。
根据本发明的散热结构，所述第一开口、第二开口和第三开口之间同轴设置。
根据本发明的散热结构，所述电子元器件为功率放大器。
本发明还提供一种包括上述的散热结构的电子设备。
本发明还提供一种散热结构的制作方法，所述散热结构用于电子元器件的散热，所述方法包括：
线路板成型步骤，将第一线路板和第二线路板相互贴合形成双层线路板，所述第一线路板设有第一开口，所述第二线路板对应设有较所述第一开口大的第二开口，且所述第一线路板在所述第一开口与所述第二开口之间形成固接带；
嵌金属基层步骤，将一形状适配的金属基层嵌入所述第二开口与所述第三开口形成的空间，并将所述金属基层部分上表面固接于所述第一线路板的固接带；
贴片步骤，将电子元器件表贴到所述双层线路板上，所述电子元器件嵌入所述第一开口且所述电子元器件的散热部与所述金属基层部分上表面固接；
模块装配步骤，将底壳贴合于所述第二线路板的下方，所述底壳对应设有与所述第二开口大小相同的第三开口；
整机装配步骤，将散热片固定在所述底壳的下方，且所述散热片与所述金属基层下表面接触。
根据本发明的制作方法，所述金属基层的下底面超出所述底壳的下底面0.1mm～0.15mm。
根据本发明的制作方法，所述固接带为环形焊接带，所述嵌金属基层步骤中，所述金属基层部分上表面焊接于所述环形焊接带。
根据本发明的制作方法，所述第一开口、第二开口和第三开口之间同轴设置。
本发明通过在双层线路板的第一线路板和第二线路板上设置大小不等的第一开口和第二开口，在底壳上相应开设与第二开口等大的第三开口，第一线路板在第一开口与第二开口之间形成一固接带，在第二开口与第三开口形成的空间内嵌入一形状适配金属基层，该金属基层上表面固接于固接带，该金属基层下表面与散热片接触，电子元器件嵌入第一开口且电子元器件的散热部与该金属基层上表面固接，电子元器件所产生的热量经过金属基层传导到散热片，再由散热片散发出去。与传统散热结构相比，本发明同样采用金属基层作为电子元器件和散热片之间的热量传导部件，散热效果较好；同时，本发明仅在电子元器件下方的第二开口所限定的小范围内设置金属基层，采用局部金属基层结构，而其余部分均为底壳，成本较低且质量较轻；由于金属基层面积较小，在机械加工时其平整度和粗糙度容易控制，有利于机械加工；且由于金属基层面积小，在将其固化在线路板上的过程中，固化工艺难度小，成品率高，有利于PCB的加工制作和批量生产，工艺成本低。由于本发明工艺相对简单，可实现机械化生产，在大批量生产时产品一致性高、可靠性高。借此，本发明散热效果较好，成本较低，产品可靠性高。
优选的是，金属基层的下底面超出底壳的下底面0.1mm～0.15mm。由于底壳与金属基层的下底面间存在一个微小高度差，而散热片与底壳固定，底壳将产生微微的形变，使得金属基层与散热片充分接触，热量能够及时传导，进一步增强了散热效果。
附图说明
图1是现有大面积铜基散热结构的示意图；
图2是本发明实施例的散热结构的剖视图；
图3是本发明实施例的环形焊接带成型示意图；
图4是本发明实施例的散热结构制作方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明一种散热结构100，用于功率放大器200的散热，散热结构100主要包括：双层线路板10、底壳20、金属基层30、散热片40。显而易见，散热结构100不仅可用于功率放大器200的散热，也可用于其他电子元器件的散热。
双层线路板10，包括相互贴合的第一线路板11和第二线路板12。如图3所示，第一线路板11设有第一开口111，第二线路板12对应设有第二开口121，第二开口121的尺寸较第一开口111的尺寸大且第一开口111与第二开口121同轴设置，从而使得第一线路板11在第一开口111与第二开口121之间形成固接带112。第一线路板11和第二线路板12优选为PCB板。第一线路板11的固接带112优选为环形焊接带，金属基层30的部分上表面焊接于该环形焊接带。
底壳20，贴合设于第二线路板12的下底面。底壳20相应设有与第二开口121大小相同的第三开口，第三开口与第一开口111以及第二开口121同轴设置。底壳20优选为铝基底壳。
金属基层30，限制设于第二开口121与第三开口形成的空间内，金属基层30部分上表面固接于第一线路板11的固接带112。功率放大器200嵌入第一开口111，其散热部与金属基层30上表面焊接，其输入输出管脚表贴于第一线路板11的上表面。功率放大器200的散热部优选为接地散热焊盘。金属基层30的材料为散热效果好的金属，优选为经过镀金处理的紫铜，其更加便于焊接。
散热片40，固设于底壳20下方，散热片40与金属基层30下表面接触。
如图2所示，散热结构100还包括顶盖50，顶盖50覆盖于双层线路板10上方，其通过螺钉与双层线路板10以及底壳20固定形成一整体，从而顶盖50、双层线路板10与底壳20形成一功放模块。散热片40通过一组螺钉与该功放模块固定。
功率放大器200所散发的热量经过金属基层30传输到散热片40，从而能够使的功率放大器200产生的热量有效散发，散热效果较好。相对于现有散热结构，本发明的金属基层30仅占据第二开口121限定的局部范围内，面积较小(约为整个底壳的三十分之一)，而其余部分均为底壳20，材料成本低，且质量较轻。同时，由于金属基层30面积较小，在机械加工时其平整度和粗糙度容易控制，有利于机械加工和批量生产；由于金属基层30面积较小，在将其固化在双层线路板10上的过程中，固化工艺难度小，成品率高，有利于PCB的加工制作和批量生产，工艺成本低。在大批量生产的过程中，难免出现功率放大器200工作异常的现象，由此需要更换功率放大器200，由于功率放大器200的散热焊盘与金属基层30焊接，更换时需先将焊点融化再取下功率放大器200，若金属基层30的面积较大，则需要较多热量才能使焊点融化，而本发明的金属基层30的面积较小，不需要过多热量则可使焊点融化，便于更换电子元器件，生产维修简单。
优选的是，金属基层30的下底面超出底壳20的下底面0.1mm～0.15mm。由于底壳20与金属基层30底面间存在一个微小高度差，同时散热片40通过一组螺钉与双层线路板10和底壳20所形成的功放模块固定，底壳20将产生微微形变，使金属基层30与散热片40充分接触，热量能够及时传导，进一步提高了散热结构100的散热效果。显而易见，金属基层30下底面超出底壳20下底面的距离并不限定于0.1mm～0.5mm，也可是其他距离，只要其能起到使金属基层30与散热片40充分接触，使热量及时传导即可。
为验证本发明散热结构100的性能，以功率放大器200的散热为例，分别计算并对比分别采用本发明的散热结构100和现有大面积铜基散热结构时功率放大器200的结温，判断功率放大器200的结温是否小于元器件规定的最大结温。本实施例中金属基层30为铜基，底壳20为铝基底壳，铜基限制于第二开口121限定的局部范围内，为区别于现有大面积铜基散热结构中的大面积铜基400，金属基层30在以下部分文字中描述为局部铜基30。
已知条件：功率放大器200自然冷却；功率放大器200的输出功率为72W，效率约为35％，工作最高环境温度为65℃；功率放大器200容许的最高工作结温为：225℃；局部铜基30长32mm，宽30mm，厚2.54mm；大面积铜基400长240mm，宽132mm，厚2.54mm；散热片40的基板长600mm，宽400mm，厚10.2mm；散热片40的肋片长600mm，宽48mm，厚3mm，肋片个数为25片。
功率放大器结温和总热阻的计算公式为：
功率放大器结温：Tj＝P×θja+Ta，总热阻：θja＝θjc+θcs+θsa。
其中：P为功率放大器耗散功率；Tj为功率放大器结温；Ta为环境温度；θja为总热阻；θjc为功率放大器内热阻；θcs为接触热阻；θsa为散热片热阻。
铜基热阻θrt＝Ht/(kt×Wt×Lt)，它的热阻与铜基的外形与导热系数有关，其中：Ht为铜基厚度；Wt为铜基宽；Lt为铜基长度；kt为铜基导热系数。带入数据，本发明的局部铜基散热结构和现有大面积铜基散热结构的铜基热阻分别为：局部铜基30热阻为0.0068993593℃/W；大面积铜基400热阻为0.0002089025℃/W。
散热片40的基板热阻θb＝Hb/(kb×Wb×Lb)，它的热阻与其外形与导热系数有关。其中：Hb为散热片基板厚度；Wb为散热片基板宽度；Lb为散热片基板长度；kb为散热片基板导热系数。带入数据，计算得到散热片40的基板热阻为0.0002088452℃/W。
散热片40的肋片热阻θr，散热片热阻θr＝1/hcSη，其中hc为对流换热系数，S为散热片散热面积，η为散热片效率。散热片散热面积S＝n×Sj，其中：n为肋片数；Sj为每肋片表面积；Sj＝H′j×Lj，肋片计算高度H′j＝Hj+0.5tf；肋片计算长度L′j＝2×(L+tf)；Hj为肋片高度；Lj为肋片长度；tf为肋片厚度。
散热片效率：
其中：
α为散热片换热系数；L′j为肋片计算长度；H′j为肋片计算高度；k为散热片导热系数；Sff为Sff＝L×tf。带入数据，计算得肋片热阻为：0.1506975498℃/W。
带入数据，计算得到两种方案下的总热阻分别为：本发明局部铜基散热结构的总热阻：0.4578057543℃/W；现有大面积铜基散热结构的总热阻：0.4511152975℃/W。
同时，计算得到两种方案下的结温分别为：本发明局部铜基散热结构的功率放大器结温：173.0151694315℃；现有大面积铜基散热结构的功率放大器结温：172.1205597792℃。
从上述结果可以得到，功率放大器200在最高环境温度(65℃)下工作，且采用自然冷却时，其功率放大器结温低于175℃，远低于功率放大器200容许的最高工作结温225℃，符合使用要求。在两种散热方法下，功率放大器200结温分别为173.015℃和172.120℃，散热效果相当；但本发明散热结构中局部铜基30的材料成本不到现有散热结构中的大面积铜基400的材料成本的十分之一，而局部铜基结构中线路板的生产制作成本约为后者的四分之三。从而本发明的散热效果好且成本较低。
本发明提供一种包括如图1所示的散热结构100的电子设备。散热结构100的具体结构在前文已做详细描述，故在此不再赘述。
图3示出了本发明实施例的一种散热结构的制作方法，用于制作如图1所示的散热结构100，该散热结构100用于电子元器件的散热，电子元器件优选为功率放大器200，该方法至少包括如下步骤：
步骤S401，将第一线路板11和第二线路板12相互贴合形成双层线路板10，第一线路板11设有第一开口111，第二线路板12对应设有较第一开口111大的第二开口121，且第一线路板11在第一开口111与第二开口121之间形成固接带112。本步骤为线路板成型步骤。
步骤S402，将一形状适配的金属基层30嵌入第二开口121与第三开口形成的空间，并将金属基层30部分上表面固接于第一线路板11的固接带112。本步骤为嵌金属基层步骤。
步骤S403，将电子元器件表贴到双层线路板10上，电子元器件嵌入第一开口111且电子元器件的散热部与金属基层30部分上表面固接。本步骤还包括：将电子元器件的输入输出管脚表贴于第一线路板11的上表面。本步骤为贴片步骤。
步骤S404，将底壳20贴合于第二线路板12的下方，底壳20对应设有与第二开口121大小相同的第三开口。本步骤为模块装配步骤。第一开口111、第二开口121以及第三开口之间同轴设置。
步骤S405，将散热片40固定在底壳20下方，且散热片40与金属基层30下表面接触。本步骤为整机装配步骤。
上述制作方法相对简单，可实现机械化生产，在大批量生产时产品一致性高、可靠性高。
优选的是，固接带112为环形焊接带，在步骤S402中，金属基层30部分上表面焊接于该环形焊接带。
优选的是，铜基30的下底面超出铝基底壳20的下底面0.1mm～0.15mm。
优选的是，步骤S404还包括：将顶盖50覆盖于双层线路板10上方，顶盖50通过螺钉与双层线路板10以及铝基底壳20相互固定。
综上所述，本发明通过在双层线路板的第一线路板和第二线路板上设置大小不等的第一开口和第二开口，在底壳上相应开设与第二开口等大的第三开口，第一线路板在第一开口与第二开口之间形成一固接带，在第二开口与第三开口形成的空间内嵌入一形状适配金属基层，该金属基层上表面固接于固接带，该金属基层下表面与散热片接触，电子元器件嵌入第一开口且电子元器件的散热部与该金属基层上表面固接，电子元器件所产生的热量经过金属基层传导到散热片，再由散热片散发出去。与传统散热结构相比，本发明同样采用金属基层作为电子元器件和散热片之间的热量传导部件，散热效果较好；同时，本发明仅在电子元器件下方的第二开口所限定的小范围内设置金属基层，采用局部金属基层结构，而其余部分均为底壳，成本较低且质量较轻；由于金属基层面积较小，在机械加工时其平整度和粗糙度容易控制，有利于机械加工；且由于金属基层面积小，在将其固化在线路板上的过程中，固化工艺难度小，成品率高，有利于PCB的加工制作和批量生产，工艺成本低。由于本发明工艺相对简单，可实现机械化生产，在大批量生产时产品一致性高、可靠性高。借此，本发明散热效果较好，成本较低，产品可靠性高。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种散热结构，用于电子元器件的散热，所述散热结构包括：
双层线路板，包括相互贴合的第一线路板和第二线路板；
底壳，贴合设于所述第二线路板的下方；
散热片，固定设于所述底壳下方，其特征在于，
所述第一线路板设有第一开口；
所述第二线路板对应设有较所述第一开口大的第二开口；
所述底壳对应设有与所述第二开口大小相同的第三开口；
所述第一线路板在所述第一开口与所述第二开口之间形成一固接带，所述第二开口与所述第三开口形成的空间内嵌入一形状适配的金属基层，所述金属基层部分上表面固接于所述第一线路板的固接带，所述金属基层下表面与所述散热片接触，所述电子元器件嵌入所述第一开口，并且所述电子元器件的散热部与所述金属基层部分上表面固接。
2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述金属基层的下底面超出所述底壳的下底面0.1mm～0.15mm。
3.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述固接带为环形焊接带，所述金属基层部分上表面焊接于所述环形焊接带。
4.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述第一开口、第二开口和第三开口之间同轴设置。
5.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述电子元器件为功率放大器。
6.一种包括如权利要求1～5任一项所述的散热结构的电子设备。
7.一种散热结构的制作方法，所述散热结构用于电子元器件的散热，其特征在于，所述方法包括：
线路板成型步骤，将第一线路板和第二线路板相互贴合形成双层线路板，所述第一线路板设有第一开口，所述第二线路板对应设有较所述第一开口大的第二开口，且所述第一线路板在所述第一开口与所述第二开口之间形成固接带；
嵌金属基层步骤，将一形状适配的金属基层嵌入所述第二开口与所述第三开口形成的空间，并将所述金属基层部分上表面固接于所述第一线路板的固接带；
贴片步骤，将电子元器件表贴到所述双层线路板上，所述电子元器件嵌入所述第一开口且所述电子元器件的散热部与所述金属基层部分上表面固接；
模块装配步骤，将底壳贴合于所述第二线路板的下方，所述底壳对应设有与所述第二开口大小相同的第三开口；
整机装配步骤，将散热片固定在所述底壳的下方，且所述散热片与所述金属基层下表面接触。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述金属基层的下底面超出所述底壳的下底面0.1mm～0.15mm。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述固接带为环形焊接带，所述嵌金属基层步骤中，所述金属基层部分上表面焊接于所述环形焊接带。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述第一开口、第二开口和第三开口之间同轴设置。
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