CN103179781A - 提高表面贴装器件印制板导热能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，旨在针对现有技术导热印制板导热性能低，导热路径长、导热热阻大，导致工作温度高、热可靠性差等不足之处，提供一种具有指导性、可操作性的实现方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先根据高热流密度表面贴装器件的功耗参数范围，确定金属化孔、导热铜销的布局；根据确定的底面带有金属焊接面的表面贴装器件、印制板及金属盒体的装配关系，建立具有可复制性和可扩展性的导热路径；然后在印制板表面贴装器件导热通孔的反面位置，将所有的导热通孔用耐高温胶带封住；将导热铜销分别压入对应的导热通孔内并焊接。本发明解决了低气压或真空下高热流密度表面贴装器件导热路径导热可靠性低的缺陷。

Description

提高表面贴装器件印制板导热能力的方法

技术领域

本发明关于提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，涉及表面贴装器件印制板、导热铜销的设计、组装工艺流程，尤其是低气压、真空条件下工作的高热流密度表面贴装器件电子设备。

背景技术

在星载有效载荷产品中，高热流密度表面贴装器件的封装形式，大多为非气密性结构，且处于（10^-6～10^-7Pa）真空环境上运行，面临长寿命高可靠要求，热设计是研制中十分重要内容之一。由于散热不畅将导致高热流密度表面贴装器件封装壳体温度较高、热可靠性差，同时地面电子设备中经常利用的空气，对流散热的各种措施都不适用上述环境下工作的高热流密度表面贴装器件电子产品，因此如何增大高热流密度表面贴装器件接触热传导和空间热辐射能力，特别是接触热传导能力，缩短传导路径、降低传导热阻，提高接触导热成为星载电子产品的关键核心问题。

目前现有技术星载高热流密度电子产品器件典型的安装方式主要有图4所示的三种情况：

第一种图4a所示元器件2的引出线直接焊接在印制板1上，外壳表面不与印制板1接触。

第二种图4b所示元器件2壳体带有安装支耳10，用紧固件4将元器件2固定在机箱壳体3上。

第三种图4c所示元器件2的引出线5直接焊接在印制板1上，外壳表面与印制板1或机箱壳体3表面直接或间接接触。

在上述三种安装方式元器件中，靠元器件引脚安装传热和器件直接同金属壳体或导热板接触传热的散热方法和措施已经成熟，只需要在接触面添加合适的导热辅助填料即可满足使用要求。

在实际使用过程中，由于印制板材料与金属材料相比，其导热能力比较差（铜T2：385.1W/m·℃、铝合金2A12：121.4 W/m·℃、环氧玻璃布板FR4: （0.3～0.4） W/m·℃），并且印制板材料多为各向异性的特性，印制板导热性能低，导热路径长、导热热阻大导致高热流密度表面贴装器件热可靠性低的缺陷。虽然可以通过改变印制板表面覆铜率、增加接地层面积等方法，可以改善印制板横向导热性能，但垂直于印制板面电子器件的导热性能提高十分有限。通过串通印制板上下两面的金属化孔可以提高垂直于板面的导热性能，但由于金属化横截面积较小，印制板导热热阻较大导致的表面贴装器件壳体温度较高，该措施对导热性能提升有限。

    如何有效提高表面贴装器件印制板导热能力，保证器件的热耗通过尽量短的散热路径导热传递，技术上迫切需要从结构设计及工艺实现两个方面进行研究，确定一种简单可行的方法途径，是解决表面贴装器件热可靠性的技术难题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术导热印制板导热性能低，导热路径长、导热热阻大，导致器件壳体温度较高、热可靠性差等不足之处，提出一种具有理论指导性、可操作性强的设计和工艺实现方法，以解决低气压或真空条件下高热流密度表面贴装器件导热路径散热可靠性低的缺陷。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）首先根据高热流密度表面贴装器件的封装形状与印制板的接触面形状尺寸及功耗参数范围，确定金属化孔、导热铜销的布局；

（2）根据确定的底面带有金属焊接面的表面贴装器件、印制板及金属盒体的装配关系，建立具有可复制性和可扩展性的导热路径，然后在印制板表面贴装器件导热通孔的反面位置，将所有的导热通孔用胶带封住；

（3）然后将准备好的导热铜销分别压入对应的导热通孔内与印制板安装面齐平，再将上述表面贴装器件底部与导热铜销焊接在一起，最后将印制板背面的耐高温胶带去掉，检查印制板安装面的平整度。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

首先本发明根据高热流密度表面贴装器件的封装形状与印制板的接触面形状尺寸及面积、印制板厚度及功耗参数范围，确定金属化孔、导热铜销的布局，按确定金属化孔布局及尺寸、导热铜销设计要求，可以简化不同表面贴装器件用印制板的设计，通过提高印制板导热能力可有效改善表面贴装器件的散热特性，实现印制板导热能力提升。其次建立的相关设计要求具有可复制性和可扩展性，便于设计经验和知识积累；再其次是定义的组装流程、工艺方法及相关工艺参数要求为保证相关设计要求奠定良好的工程实现基础，其中导热散热是主要的散热途径，通过优化和改进第一条散热路径长度、减小导热热阻对该类器件散热状况改善效果更加明显。满足了实际工程应用中相关表面贴装器件在真空环境中导热散热需求。

本发明通过仿真和实物装配后实际测试，措施效果明显。形成的导热印制板设计、导热铜销设计和印制板电装装联工艺流程，可以用于改善航空及地面设备中类似器件导热问题。本发明弥补了现有技术由于导热路径长、导热热阻大导致高热流密度表面贴装器件热可靠性低的缺陷，可满足高热流密度表面贴装器件快速通过印制板高效导热散热的需求，提升器件热可靠性。对星载有效载荷电子产品中高热流密度表面贴装器件高可靠使用提供了有效途径和方法指导。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

图1显示了安装于底部带金属散热凸台高热流密度表面贴装元器件印制板典型实施例局部示意图。

图2显示了本发明方法的工艺路线流程图。

图3是高热流密度表面贴装元器件印制板元器件典型实施例示意图。

图4显示了现有技术的典型元器件的三种安装方式。

图中：1印制板，2元器件，3机箱壳体，4紧固件，5引出线，6导热铜销，7辐射路径，8导热路径，9金属化孔，10安装支耳。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施步骤作进一步的详细说明。

在利用该方法进行设计时，应先根据器件、印制板及金属盒体的装配关系进行导热路径优化，确定器件为表面焊接贴装的器件，其导热路径与图1所示路径8情形相同或类似。通过提高印制板导热能力可有效改善表面贴装器件的散热特性时，才能利用该方法。

参阅图1～图3。图1显示了高热流密度表面贴装元器件2安装于底部带金属散热凸台，可通过SMT工艺实现同印制板1接地镀层焊接的表面贴装器件属第三种安装方式，其元器件2、机箱壳体3外壳表面与印制板1接触，元器件2的热耗散热路径，一条是通过引出线5和接触面传到印制板1，再经印制板1导热、与机箱壳体3的接触导热，通过导热路径8将热量传至机箱壳体3；另一条是通过元器件2的辐射路径7向元器件2周围其它物体辐射。（1）根据本发明方法，具体实现路径的实现方式应确定星载有效载荷产品中高热流密度表面贴装器件的封装形式及功耗参数范围；（2）依据器件的封装形状、与印制板焊接面尺寸及印制板厚度，确定印制板导热金属化孔布局、尺寸及导热铜销尺寸的设计原则要求；（3）根据表面贴装器件的组装关系，定义组装流程、工艺方法及参数要求，完成表面贴装器件和印制板的装配。设计具体步骤包括：1确定器件必须是底面带有金属焊接面的表面贴装器件，如DDS、VCO及放大器等。同时按照星载产品用器件，其功耗为中等功耗（0.1W～0.3W）和大功耗（≥0.3W）器件。2分析器件热耗主要是按导热路径8方式靠底面通过印制板传递给金属壳体，通过提高印制板导热能力可以有效改善器件工作热环境。3根据器件的底面焊接金属面的布局及尺寸，优化设计确定印制板金属化导热孔的尺寸、数量及分布，根据印制板厚度确定导热铜销的尺寸及表面镀涂镀金或镀银。其中金属化通孔9导热通孔率在5%～15%范围之内，效果比较良好。

参阅图2、图3。首先根据高热流密度表面贴装器件的封装形状与印制板的接触面形状尺寸及面积、印制板厚度及功耗参数范围，确定金属化孔、导热铜销的布局；根据导热通孔的孔径和印制板的板厚，配套与印制板相匹配的铜柱。在完成相应印制板及导热铜柱的设计、加工后，采用合理有效的工艺方法进行装联，是保证该方法正常发挥作用的基础保证。根据确定的底面带有金属焊接面的表面贴装器件、印制板1及金属盒体的装配关系，建立具有可复制性和可扩展性的导热路径，然后在印制板1表面贴装器件导热通孔9的反面位置，将所有的导热通孔9用3M耐高温胶带封住；将印制板平放在金属平台上，用镊子将准备好的导热铜销6分别压入对应的导热通孔9内与印制板1安装面齐平，保证放入的铜柱与印制板安装面齐平。再将上述表面贴装器件底部与导热铜销6焊接在一起。在印制板顶面通过丝印涂抹焊膏，对表贴器件按照器件及所选焊料焊接要求，采用典型SMT工艺流程进行焊接即可；在焊接过程中，熔化的焊膏依靠自身的流动性就可以填补铜柱与印制板金属化通孔的间隙，将器件底部与铜柱焊接在一起，完成了器件及印制板装配工作。最后将印制板1背面的3M耐高温胶带去掉，检查印制板安装面的平整度。可以实现提高表面贴装器件通过印制板导热能力的设计目的。

参阅图3。为了更清楚地理解该发明，下面结合图3对印制板及导热铜柱的设计进行描述。

首先该表面贴装器件为DDS芯片，其封装形式为底部正方形焊盘散热面，根据其热耗及焊接面尺寸，在印制板接地面上制作16×Φ0.9金属化孔。通孔面积率达7.1％。其次根据印制板表面镀涂，设计导热铜销，采用表面镀银处理。

Claims (5)

1.一种提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）首先根据高热流密度表面贴装器件的封装形状与印制板的接触面形状尺寸及功耗参数范围，确定金属化孔、导热铜销的布局；

（2）根据确定的底面带有金属焊接面的表面贴装器件、印制板及金属盒体的装配关系，建立具有可复制性和可扩展性的导热路径，然后在印制板表面贴装器件导热通孔的反面位置，将所有的导热通孔用胶带封住；

（3）将准备好的导热铜销分别压入对应的导热通孔内与印制板安装面齐平，再将上述表面贴装器件底部与导热铜销焊接在一起，最后将印制板背面的胶带去掉，检查印制板安装面的平整度。

2.按权利要求1所述的提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，其特征在于，元器件（2）、机箱壳体（3）外壳表面与印制板（1）接触，元器件（2）的热耗散热路径，一条是通过引出线（5）和接触面传到印制板（1），再经印制板（1）导热、与机箱壳体（3）的接触导热，通过导热路径（8）将热量传至机箱壳体（3）；另一条是通过元器件（2）的辐射路径（7）向元器件（2）周围其它物体辐射。

3.按权利要求1所述的提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，其特征在于，在焊接过程中，熔化的焊膏依靠自身的流动性填补导热铜销（6）与印制板金属化通孔（9）的间隙，将器件底部与导热铜销（6）、印制板（1）焊接在一起，完成了器件及印制板装配工作。

4.按权利要求1所述的提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，其特征在于，根据印制板1厚度确定导热铜销6的尺寸，表面镀涂镀金或镀银。

5.按权利要求1所述的提高表面贴装器件印制板导热能力的方法，其特征在于，金属化通孔（9）的导热通孔率在5%～30%范围之内。

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