CN104425435B - 具有散热器的重叠模塑的基板‑芯片布置 - Google Patents

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Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及具有散热器的重叠模塑的基板‑芯片布置。具体地，一种电子设备，包括基板、被安装在基板上和被电连接至基板并且被配置作为用于控制连接系统的系统控制单元的至少一个电子芯片、被热连接至该至少一个电子芯片并且被配置用于移除在电子设备的操作时由该至少一个电子芯片生成的热量的热量移除结构以及被配置用于至少部分封装至少该至少一个电子芯片和基板的重叠模塑结构。

Description

具有散热器的重叠模塑的基板-芯片布置
技术领域
本发明涉及电子设备、发动机控制模块和制造电子设备的方法。
背景技术
在操作时，具有被安装在基板上的半导体芯片的电子电路生成大量的热量。通常，控制设备的具有集成半导体的电子电路(诸如微控制器)的热量的移除经由基板和连接的盖子或外壳来执行。冷却功能和电连接两者皆由基板的载体材料来执行。在热量传输与电子特性之间必须做出妥协。在这些常规的设备中的机械保护可以经由外部盖子或外壳来实现。备选地，在较小应用的情况下，模塑(mold)系统是可能的。
另一种常规的系统包括具有连接至金属外壳的散热通孔的印刷电路板(PCB)。然而，这要求使用需要分别针对每个应用开发的分离的金属外壳。
发明内容
可能存在对在制造方面简单的同时允许在操作期间生成的热量的有效移除的电子设备的需要。
根据示例性实施例，提供了电子设备，其包括基板、被安装在基板上和被电连接至基板并且被配置作为用于控制连接系统的系统控制单元的至少一个电子芯片、被热连接至该至少一个电子芯片并且被配置用于移除在电子设备的操作时由该至少一个电子芯片生成的热量的热量移除结构以及被配置用于至少部分地封装至少该至少一个电子芯片和基板的重叠模塑(overmolding)结构。
根据另一示例性实施例，提供了制造电子设备的方法，其中该方法包括将至少一个电子芯片安装并且电连接在基板上(其中该至少一个电子芯片被配置作为用于控制被连接或者要被连接至电子设备的系统的系统控制单元)、将热量移除结构热连接至该至少一个电子芯片并且配置热量移除结构用于移除在电子设备的操作时由该至少一个电子芯片生成的热量以及通过重叠模塑结构至少部分地封装至少该至少一个电子芯片和基板。
根据又一示例性实施例，提供了发动机控制模块，其包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的至少一个半导体芯片(其中该至少一个半导体芯片被配置用于执行发动机控制功能)、该至少一个半导体芯片的第一表面被安装并且被电连接至其的印刷电路板、该至少一个半导体芯片的第二表面被安装至其的并且被热连接至该至少一个半导体芯片的第二表面的热量移除结构(其中热量移除结构被配置用于移除在发动机控制模块的操作时由该至少一个半导体芯片生成的热量)以及被配置用于至少部分地封装至少该至少一个半导体芯片和印刷电路板的重叠模塑结构。
示例性实施例的主旨是，用于执行关于电连接系统的控制功能的系统控制单元的一个或多个电子芯片被机械支撑和电支撑在基板上，而同时被至少热连接至热量移除结构。这样的布置被重叠模塑，从而电子芯片或多个电子芯片的外表面的至少一部分和基板的外表面的至少一部分由模塑材料封装。从而，模塑材料可以将各种部件彼此机械固定并且可以使得分离的外壳可有可无，同时结合重叠模塑结构，电子耦合由基板执行并且热耦合由热量移除结构执行。从而，提供了非常适于作为具有高集成度的系统控制单元使用的紧凑的、机械上坚固的、电安全连接的和强散热的电子设备。
进一步的示例性实施例的描述
在本申请的上下文中，术语“基板”可以特别表示被配置用于用作电子芯片的安装基座的任何物理基座结构。例如，基板可以是印刷电路板(PCB)、陶瓷板、柔性板或者适于接收电子芯片以将其电接触并且机械固定到基板的任何其它支撑结构。
术语“电子芯片”可以特别表示具有有源和/或无源电路部件(尤其是集成电路部件)的任何电子构件。特别地，这样的电子芯片可以是半导体芯片。
术语“用于控制连接系统的系统控制单元”可以特别表示，电子芯片或作为整体的多个电子芯片能够控制可以经由电子设备的连接器被电连接和机械连接至电子设备的技术系统。这样的控制可以包括由电子芯片或多个电子芯片对数据的处理，以便生成要从电子设备被发送到连接系统的控制命令，以由此控制后者的操作。在一个实施例中，系统控制单元被配置为用于控制诸如燃烧发动机或电动发动机之类的连接发动机的操作的发动机控制单元。因此，电子设备能够在其中一个或多个发动机被实现的自动化应用领域中被使用。例如，系统控制单元可以被用于诸如车辆的驱动发动机或马达、车辆的车窗升降机马达、车门中的集中式门锁系统的驱动发动机等的控制之类的汽车应用。在另一实施例中，具有其系统控制单元的电子设备可以能够控制诸如钻孔机、螺栓烧制工具等之类的发动机驱动的机械工具。在再一示例性实施例中，系统控制单元还可以能够控制诸如车辆防雷系统等之类的无发动机的系统。
术语“重叠模塑结构”可以特别表示，可以以液体或颗粒形式被供应的模具被沉积在基板——电子芯片——热量移除结构布置之上并且随后被硬化或固化，从而基板表面的至少一部分和电子芯片表面的至少一部分被模具材料覆盖。然后重叠模塑结构可以形成得到的布置的外表面的至少一部分。模具材料可以是(如果期望或要求)具有嵌入在其中用于调整其材料特性(例如用于增加热导率)的填充粒子的塑料材料。这样的重叠模塑不仅将各种部件彼此机械紧固，而且提供了电子设备的坚固构造，并且还可以有助于重叠模塑结构的热量移除能力。
示例性实施例的主旨是，在系统操作期间一个或多个电子芯片关于环境的非常良好的热耦合可以被实现，这转而导致适当的散热。例如，在电子芯片的一个主侧面上，电子芯片可以被电耦合到基板。在另一个主侧面处，电子芯片可以被热连接至诸如冷却板(或任何其它适当的冷却结构)之类的热量移除结构。从而，电子芯片与基板之间的电气路径可以相对电子芯片与热量移除结构之间的热路径被定位。基板、电子芯片和冷却板的整个系统可以被重叠模塑，以便将它们彼此机械固定，并且经由导热模具材料进一步促进散热。热量移除结构(尤其是以冷却板形式的)可以用于容纳用于安装的载体或支架。插头连接器可以被连接至基板(诸如电子电路板)。热量移除结构至电气系统的电连接(例如接地连接和/或用于电屏蔽)是可能的。
通过这样的实施例，在设计具有重叠模塑模块的系统控制单元的时候，分离电气路径与热路径是可能的。这允许用户(诸如系统集成者)在保持制造成本低的同时进行非常有效的热处理。鉴于通过重叠模塑的封装，分离的电子设备外壳是可有可无的。
在示例性实施例中，通过实现重叠模塑的印刷电路板，可以防止功率部件(例如MOSFET)的过热。通过提供散热器(heat sink)，可以改善功率部件的冷却性能。在实施例中，针对环境影响的保护(其通常通过成本密集的、专门适配的和取决于应用的金属外壳来实现)可以通过重叠模塑来实现。通过简单的、普通的重叠模塑过程，仅仅在小的特定于应用的修改的情况下可以容纳不同的电子控制单元/印刷电路板设计。为了加强电子芯片形式的功率构件的热冷却，一个或多个附加散热器结构可以被模塑在电子设备上或其内或者在重叠模塑之后被安装到电子设备上，示例性实施例以这样的方式应用重叠模塑。一个选项是通过重叠模塑集成的、具有散热器的重叠模塑的印刷电路板。另一个选项是具有后来(即在重叠模塑之后)安装的散热器的重叠模塑的印刷电路板，其中安装可以例如通过螺丝接合、夹紧、铆接、粘附等来实现。再一个选项是重叠模塑的印刷电路板，其中电子芯片的上主表面延伸成被暴露在环境中并且被直接或间接连接至在重叠模塑之后安装的热量移除结构。
在下文中，将说明电子设备、发动机控制模块和方法的进一步示例性实施例。
在实施例中，基板具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，其中至少一个电子芯片被安装在第一表面上并且热量移除结构被安装在第二表面上(例如见图20)。在这样的实施例中，热量移除结构和至少一个电子芯片被安装在基板的相对主表面上。主表面可以是被特别配置用于在其上安装电子构件的例如板状基板的表面。主表面可以具有比基板的其余表面显著更大的表面积。为了实现热量移除结构与一个或多个电子芯片之间的适当热耦合，导热结构可以被提供成沿着基板从第一主表面延伸至第二主表面，和/或可以例如以导热材料的一个或多个通孔的形式延伸通过基板。
在另一实施例中，至少一个电子芯片具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，其中至少一个电子芯片通过其第一表面被安装(直接地(即通过直接的物理接触)或者间接地(即通过在其间的至少一个构件))在基板上并且通过其第二表面被安装(直接地(即通过直接的物理接触)或者间接地(即通过在其间的至少一个构件))在热量移除结构上(例如见图3)。在这样的实施例中，一个或多个电子芯片在一侧上用作热量移除结构的安装基座并且可以在另一侧上被电连接和机械连接至基板。通过这样的配置，从电子芯片或多个电子芯片朝向热量移除结构的热路径可以清楚地与从电子芯片或多个电子芯片至基板的电路径分离。通过将电子芯片或多个电子芯片夹在热量移除板与板状基板之间，基板和热量移除板两者还提供对电子芯片或多个电子芯片的机械保护，并且可以围成可以填充有重叠模塑结构的中空空间以进一步加强机械坚固性。
在实施例中，至少一个电子芯片具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，其中至少一个电子芯片通过其第一表面被安装在基板上，并且热量移除结构具有变化高度地被安装在至少一个电子芯片的第二主表面上。为了这个目的，至少部分柔性的(尤其是弹性可变形的)或延性的(尤其是塑性可变形的)热量移除结构可以被实现在设备中。例如，可以形成完全重叠模塑的连接，例如焊接至电缆，或者使用例如楔形连接器。
在实施例中，设备包括与基板电耦合的电连接器(其甚至可以与基板一体形成)，其仅被重叠模塑结构部分覆盖并且延伸超出重叠模塑结构以便被暴露给环境，并且其被配置用于将设备电连接至连接装置(其可以是连接系统，或者其可以至少形成连接系统的一部分，或者其可以被布置在电子设备与连接系统之间)。电连接器可以用于提供从电子设备向要由系统控制单元控制的连接系统的电连接。连接器可以与基板一体形成或者可以是被安装至基板的分离部件。通过用重叠模塑材料部分地覆盖连接器，尤其是至基板的连接可以在机械上被加强。另外，重叠模塑可以同时形成电连接器与基板之间的导电连接的电气绝缘。从而，重叠模塑可以协同地起到针对用户的电气安全特征的作用。
在实施例中，电连接器包括由电缆组成的组和插头连接器中的至少一个。在电连接器被配置为插头连接器的时候，其插头可以被插到例如车辆的电缆树(cable tree)的连接装置(诸如要由系统控制单元控制的连接的或可连接的系统)的相对部分中。各自传输分离的电信号的一个或通常多个电连接元件可以在插头连接器处被提供。在备选实施例中，电连接器被配置为电缆(其可以具有导电芯和包围的电气绝缘材料)，从而插头连接器可以被省略并且基板可以经由简单的电缆被直接电耦合至连接系统。从而，可以提供轻质的、针对故障稳健的和紧凑的系统，其中可以避开用于插头连接器的成本。
在实施例中，设备包括与基板电耦合并且被重叠模塑结构完全覆盖的电连接器，其中设备包括从电连接器延伸超出重叠模塑结构并且被配置用于将设备电连接至连接装置的一个或多个有线互连。从而，整个电连接器可以被塑造结构保护。电信号可以通过简单的导线连接被传输出重叠模塑的体积之外。
在实施例中，重叠模塑结构和热量移除结构被配置用于完全封装至少该至少一个电子芯片和基板，从而该至少一个电子芯片和基板两者皆由重叠模塑结构和热量移除结构完全周向包围。例如，电子芯片和/或基板的表面的一部分可以与热量移除结构直接接触，并且电子芯片和/或基板的剩余表面可以由塑造材料完全覆盖。换句话说，重叠模塑结构连同热量移除结构可以被配置用于完全封装该至少一个电子芯片和基板。于是，没有电子芯片和基板的表面保持暴露于外部环境。因为没有至少一个电子芯片和基板的自由表面保持在重叠模塑结构的外部，所以这样的实施例是有利的。从而，可以实现对电子芯片以及基板的机械保护和电保护。
在实施例中，设备包括被配置用于电耦合基板与热量移除结构的电耦合结构(诸如布线连接或者通过通孔延伸通过基板的电连接)。因此，其有利地可以由导电金属(诸如铜或铝)制成的热量移除结构可以同时用于提供电功能，例如用于提供整体(mass)连接或接地连接。另外地或备选地，热量移除结构还可以有助于屏蔽电子芯片不受外部电磁辐射。在存在电磁杂散辐射的情况下，电子芯片的功能可能退化。
在实施例中，热量移除结构的外表面保持未被重叠模塑结构覆盖。通过使热量移除结构保持至少部分未被覆盖和直接关于环境被暴露，从电子芯片向热量移除结构传导的热量可以通过将其供应至存在于环境中的冷却介质而从电子设备被有效地传输掉。这样的冷却介质可以是诸如气体(例如空气)或液体(例如水)之类的冷却流体。
在实施例中，重叠模塑结构和热量移除结构形成设备的外表面的至少一部分。在这样的实施例中，分离的外部外壳是可有可无的，这使得电子设备紧凑、重量轻和制造便宜。与此相比，重叠模塑结构的外表面结合热量移除结构的外表面可以在功能上替换这样的外壳。从而，根据示例性实施例的电子设备可以没有外部外壳。
在实施例中，热量移除结构包括金属或者由金属组成。诸如铜或铝之类的金属材料在热导率方面表现出适当的性能，并且因此尤其适合作为用于热量移除结构的材料。同时，这些金属材料可以有助于电子设备的电子功能并且可以另外起到屏蔽来自环境的电磁辐射的作用。
在实施例中，热量移除结构被配置为导热板。这样的导热板可以用作用于在其上安装电子芯片的安装平台，并且还可以用作重叠模塑材料可以以液体或粘性形式(即在硬化或固化之前)被应用到其上的基座或支撑物。
在实施例中，重叠模塑结构由塑料材料制成。适于通过模塑来封装电子构件的任何模具材料可以被用于重叠模塑结构。用于改善重叠模塑材料的某些物理性质的诸如导电和/或导热填充粒子之类的填充材料可以被嵌入在塑料材料中。
在实施例中，基板是印刷电路板(PCB)。PCB可以被用于使用从被层叠到非传导薄片上的金属(尤其是铜)层蚀刻的传导通路、轨道或信号轨迹来机械支撑和电连接电子芯片。作为PCB的备选，还可能使用柔性板、陶瓷板或者被配置用于在其上安装电子芯片并且用于在它们之间实现电耦合的任何其它基座结构。
在实施例中，设备包括被安装和电连接在基板上并且由重叠模塑结构封装的微控制器。这样的微控制器可以是在包含处理器内核、存储器和可编程输入/输出外围设备的单个集成电路上的小型计算机。微控制器可以有助于电子芯片或多个电子芯片的系统控制功能。
在实施例中，系统控制单元被配置用于汽车应用，尤其是用于汽车系统的发动机控制。这些汽车应用可以涉及发动机驱动的两轮车辆或四轮车辆。这些汽车应用可以具体涉及车辆的各种部分，诸如燃烧发动机和/或电动机控制、车窗升降电动机的控制、车辆防雷系统的控制等。在这些系统中，系统控制单元必须执行大量的处理任务并且可能必须处理高电流值。从而，在这些系统中散热是至关重要的。被配置用于汽车系统控制的电子设备可以被插到车辆的电缆树。
在实施例中，热连接在封装之前被执行。在这一过程顺序中，封装还可以实现热量移除结构至电子芯片和/或至基板的机械紧固。在这样的实施例中，该方法因此可以包括通过封装将热量移除结构连接至基板。
在备选实施例中，热连接在封装之后被执行。在这样的过程顺序中，热连接可以在使封装材料硬化之后来完成。在这样的实施例中，该方法可以包括通过至少一个附加的机械连接过程(尤其是通过螺丝接合、夹紧、铆接和/或粘附)将热量移除结构连接至基板。从而，一个或多个螺钉、一个或多个夹子、一个或多个铆钉和/或粘性材料可以被用于执行紧固。
在实施例中，该方法包括将热量移除结构安装在基板上并且形成通过基板热连接热量移除结构与至少一个电子芯片的热连接结构。在这样的情景中，至少一个电子芯片可以被布置在与热量移除结构被安装在其处的基板的另一主表面相比的基板的相对主表面上。在这样的实施例中，热量移除结构和电子芯片或多个电子芯片可以被安装在基板的相对侧上。
仍然参照先前描述的实施例，该方法可以进一步包括通过延伸通过基板的至少一个通孔形成热连接结构，以由此热连接被安装在基板的第一主表面上的至少一个电子芯片与被安装在基板的与第一主表面相对的第二主表面上的热量移除结构。延伸通过基板并且填充有导热材料的一个或多个通孔因此可以被用作热连接结构。这样的通孔可以填充有诸如铜或铝之类的导热材料。
在实施例中，热量移除结构具有被配置用于将设备机械紧固到连接系统的安装基座的机械紧固供应物(provision)。这样的机械紧固供应物可以包括一个或多个螺钉、铆钉、螺栓、夹子等。
在实施例中，系统控制单元由具有不同高度并且被安装在基板上和被电连接至基板的多个电子芯片形成，其中热量移除结构和基板中的至少一个具有面向多个电子芯片并且具有至少部分补偿多个电子芯片的不同高度的高度剖面(profile)的安装表面。例如，基板可以是其上安装具有不同高度的电子芯片的平面板。为了在保持设备简单的外部形状的同时通过电子芯片与热量移除结构之间的大接触表面来促进适当的散热，热量移除结构的芯片接触表面可以配备有用作电子芯片与热量移除结构之间的热互连和结构互连的高度平衡化元件。另外地或备选地，这些热量桥接垫片还可以被布置在基板上用于补偿电子芯片的不同高度值。
在实施例中，热量移除结构被配置为具有至少部分填充有重叠模塑结构的材料的凹处(诸如例如以矩阵状图案被布置的通孔)的导热栅格(例如金属栅格)。当重叠模塑结构的材料在电子设备的制造期间仍然是液体的或粘性的时，这些模具材料还将流进或者甚至可以被压进栅格状热量移除结构的凹处中，并且可以在此硬化。这促进了热量移除结构与重叠模塑结构之间的机械连接并且还改善了设备的各部件之间的热耦合。
在实施例中，热量移除结构至少部分由弹性可变形或塑性可变形材料制成，从而在设备的装配期间，热量移除结构的高度剖面是可适于补偿水平偏差的。热量移除结构可以是延性的或柔性的，以补偿由不同电子芯片的制造公差和/或高度尺寸和/或其它影响造成的不同高度水平。热量移除结构可以包括在制造电子设备期间被弹性或塑性变形的柔性或延性材料，以用于补偿高度差(比较图23与图31)。
在实施例中，热量移除结构包括刚性构件并且包括被连接至刚性构件的弹性或塑性可变形构件。刚性构件(诸如梁的阵列或多边形框架)可以提供机械稳定性并且可以支撑可变形构件。可变形构件(诸如可弯曲的板或栅格或长丝网)可以允许热量移除设备对电子设备的不同部件的几何适配(例如高度平衡化)。刚性构件和可变形构件两者皆可以由诸如铜之类的导热材料制成。
重叠模塑复合物(或封装结构)封装、包装或容纳上面提到的电子设备的部件，尤其是基板、热量移除结构和(多个)电子芯片。它也可以包装诸如热互连结构、附加的有源或无源电子部件(诸如电容器、电阻器等)之类的进一步的部件。模塑复合物可以由一种或几种材料制成，并且可以例如由塑料材料或陶瓷材料制成。
在实施例中，至少一个电子芯片可以是包括由处理器、功率芯片、开关(诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等)、二极管、半桥(即具有两个开关和对应二极管的逆变器臂)和逆变器(例如六个开关和对应二极管)组成的组中的至少一个集成电路部件的至少一个半导体芯片。这些和其它电子构件中的多个可以被集成在相同的半导体芯片中，或者包括这些和/或其它集成电路部件的多个半导体芯片可以形成电子设备的一部分。
作为用于在被配置为半导体芯片时的电子芯片的基板或晶片，可以使用半导体基板(优选地，硅基板)。备选地，可以提供氧化硅或另外的绝缘体基板。还可能实现锗基板或III-V族半导体材料。例如，示例性实施例可以用GaN或SiC技术来实现。对于包装、模塑或封装，可以使用塑料材料或陶瓷材料。此外，示例性实施例可以利用标准的半导体加工技术，诸如适当的蚀刻技术(包括各向同性和各向异性蚀刻技术，尤其是等离子体蚀刻、干蚀刻、湿蚀刻)、图案化技术(其可以包含光刻掩模)、沉积技术(诸如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、溅射等)。
根据以下描述和所附权利要求，结合附图(其中相同的部件或要素由相同的附图标记来表示)，本发明的上述和其它目的、特征和优势将变得明显。
附图说明
被包括以提供对本发明的示例性实施例的进一步理解并且构成说明书的一部分的附图图示了本发明的示例性实施例。
在图中：
图1至图3示出了根据本发明的示例性实施例的在制造电子设备的方法期间获得的不同布置的剖视图，其中制造的电子设备被示出在图3中。
图4示出了通过螺丝接合被安装在专用基座上并且被电连接至连接系统的图3的电子设备的剖视图。
图5图示了根据通过连接器元件的配置而不同于图4的实施例的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图6图示了其俯视图。
图7示出了根据通过连接器元件的配置而不同于图5和图6的实施例的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图8示出了其俯视图。
图9示出了根据关于用于将电子设备安装在装置上的供应物(provision)而不同于图5和图6的实施例的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图10示出了其俯视图。
图11示出了根据关于用于将电子设备安装在装置上的供应物而不同于图9和图10的实施例的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图12示出了其俯视图。
图13示出了根据关于用于将电子设备安装在装置上的供应物而不同于图5和图6的又一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图14示出了其俯视图。
图15示出了根据关于其在装置上的安装而不同于图5和图6的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图16示出了其俯视图。
图17示出了根据具有用于安装在装置上的供应物的示例性实施例的电子设备的俯视图。
图18示出了根据通过热量移除结构的附加芯片高度平衡化剖面而不同于图4的示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图19示出了其俯视图。
图20示出了根据具有带有在重叠模塑期间被集成的散热器的重叠模塑的印刷电路板的示例性实施例的电子设备的剖视图。
图21示出了根据具有重叠模塑的印刷电路板以及在重叠模塑之后被安装至重叠模塑结构和印刷电路板的散热器的另一示例性实施例的电子设备的剖视图。
图22示出了根据具有带有在重叠模塑之后被安装的散热器的重叠模塑的印刷电路板的又一示例性实施例的电子设备的剖视图。
图23图示了根据包括由刚性热量移除管布置和附加的延性散热器形成的热量移除结构的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图24图示了其俯视图。
图25图示了根据与图23和图24的实施例相似但是具有附加的弹性柔性散热器的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图26图示了其俯视图。
图27图示了根据包括由热量移除框架和附加的延性散热器形成的热量移除结构的另一示例性实施例的电子设备的剖视图，并且图28图示了其俯视图。
图29示出了根据其中热量移除结构包括热管的示例性实施例的电子设备的剖视图。
图30示出了根据其中热量移除结构包括热管和导电材料的可变形箔或网眼(mesh)的示例性实施例的电子设备的剖视图。
图31示出了根据其中热量移除结构包括短的热管和导电材料的可变形箔或网眼的示例性实施例的电子设备的剖视图。
具体实施方式
图中的图示是示意性的并且不是按比例的。
在将参照图更详细地描述示例性实施例之前，将概述基于其示例性实施例已被开发的一些一般考虑。
示例性实施例提供了具有用于控制连接系统(诸如汽车系统)的基于芯片的系统控制单元的电子设备的部件的电集成、热集成、机械集成和系统集成的非常有利的组合。关于电集成，部件(诸如电子芯片)和连接器可以被底侧焊接至基板(诸如印刷电路板)。关于热集成，(多个)发热组件可以用顶侧连接(例如通过胶或焊料)至冷却板。为了实现机械集成，装配的系统板(例如印刷电路板加上部件和冷却板)可以被重叠模塑。系统集成可以由基于被放置在冷却板上的固定装置的机械装配来实现。电互连可以通过被安装在基板上的一个连接器或多个连接器来形成。通过重叠模塑整个电子控制单元，通常使用的外壳可以被代替。
对应示例性实施例的主旨是，电集成、机械集成和/或系统集成可以在不同层次上来完成，并且对于相关制造公差不是关键的。特别地，可以执行电子控制单元的热互连与电互连的分离。
在下文中，参照图1至图3，将说明根据示例性实施例的制造电子设备300的方法。
图1示出了在这种情况下被体现为半导体芯片的三个电子芯片102被安装在其上的被体现为印刷电路板的基板100的剖视图。电子芯片102经由诸如焊线(wire bond)之类的电连接元件120被电连接至基板100。如可以从图1中获取的，电子芯片102的第一主表面106被机械连接至基板100。此外，诸如电容、欧姆电阻器等之类的多个无源电气元件122可以被电连接至各种电子芯片102并且被电连接在基板100上。针对无源部件122的另外的示例是线圈或者电感。
同时，电子芯片102形成用于控制连接系统的系统控制单元。例如，这样的系统可以经由连接器插头104被电连接，连接器插头104转而被电连接至基板100。连接系统可以是可以经由电缆树等被连接至设备300的汽车系统。例如，具有协同操作电子芯片102的形式的系统控制单元可以控制诸如车辆的燃烧发动机或电动发动机之类的汽车发动机或者其部件(例如用于控制门模块)。然而，被控制的连接系统还可以是诸如钻孔机、铆钉机、凿岩锤等之类的机械工具。另一种连接系统可以是电池加载系统。系统控制单元还可以控制电动车窗升降机或者集中式门锁系统。然而还可能的是，系统控制单元控制作为连接系统的汽车防雷系统、车辆的信息娱乐系统或者驾驶员辅助系统。在实施例中，电子芯片102中的一个电子芯片是微控制器，其中电子芯片102中的其它电子芯片可以是功率管理芯片(诸如功率开关，例如具有电路部件的离散或集成布置)。
如可以从图2中获取的，电子芯片102的第二主表面108被机械连接和热连接至热量移除结构200。在此被体现为平面金属板(例如由铜或铝制成)的热量移除结构200用于移除在电子设备300的操作时由电子芯片102生成的热量。换句话说，当电子设备300通过由电子芯片102形成的系统控制单元来控制连接系统的时候，生成的欧姆损耗等可以通过起冷却板作用的热量移除结构200从电子芯片102被消散。
通过粘附、焊接、熔接或者通过可硬化的模具，电子芯片102和热量移除板200可以彼此连接。
可选地，当通过在热量移除结构200被压在电子芯片102上的时候施加的压力来安装时，突出在面向电子芯片102的第二主表面108的热量移除结构200的表面之上的翅片或叶片(未示出)可以被塑性变形。因此，突出在基板100之上、达到不同高度水平的不同电子芯片102之间的高度差可以通过塑性可变形结构(诸如翅片或叶片)被平衡化，其因此有助于机械连接并且还可以用于改善电子芯片102与热量移除结构200之间的热耦合。
虽然在图中未示出，但是热量移除结构200还可以被配置为可以在将这样的热量移除结构200与电子芯片102压在一起时用于高度平衡化或补偿的(例如金属的)栅格(其可以从板被冲孔或者其可以被长丝缠绕)。将热量移除结构200体现为具有通孔阵列的栅格还允许进一步促进与模塑材料(其可以被压在通孔之间和被压到通孔中以用于连接区域的增加)的刚性机械连接，见图3。当例如被体现为冷却板的热量移除结构200被形成为图案栅格的时候，提供三维剖面(例如微翅片的网眼)是可能的，这还可以平衡化不同电子芯片102之间的高度差。热集成和机械集成不需要被单独执行，而是它们可以被加入在一个过程步骤中。在这种情况下，三维剖面可以是非常有效的。
如还可以从图2中获取的，热量移除结构200还具有安装元件202，其在该实施例中具有用于将电子设备300连接至连接系统的安装基座400(见图4)的螺纹盲孔(未示出)。
为了获得在图3中示出的电子设备300，液体或粘性模塑材料被沉积在使用热量移除结构200作为支撑物的图2的布置上。通过沉积模塑材料并且通过随后使相同的模塑材料硬化，通过重叠模塑结构302重叠模塑和完全封装电子芯片102和基板100以及无源部件122和电连接120是可能的。形成重叠模塑结构302的液体或粘性材料还填充所描述的部件与热量移除结构200之间的间隙，由此还有助于电子设备300的所有部件的机械连接。而且，电连接器104被部分嵌入在重叠模塑结构302内，然而，电连接器104的导电连接部分延伸出重叠模塑结构302。如可以从图3中获取的，电子设备300的整个外表面由重叠模塑结构302、热量移除结构200和电连接器104构成。不需要分离的外壳。若需要用填充粒子填充，作为用于重叠模塑结构302的材料，环氧树脂、热塑性塑料、塑料材料可以被使用。重叠模塑结构302的形成可以通过注射模塑、嵌入模塑或者将模塑材料溅射到图2的布置上来执行。
图4示出了在电气连接和机械连接至汽车系统之后的电子设备300。
如可以从图4中获取的，电连接器104已经经由电气接口402和电缆404被连接至由电子设备300的电子芯片102控制的连接系统(未示出)。
此外，在此被体现为螺钉的机械固定装置406可以被拧紧以用于提供汽车系统的安装基座400、热量移除结构200和安装元件202之间的机械连接，由此提供电子设备300与连接系统之间的螺钉连接。为了这个目的，通孔被形成在安装基座400和热量移除结构200中。热能沿其从电子芯片102向环境消散的热路径用图4中的附图标记410表示。
此外应当说明的是，连接器104可以与基板100或热量移除结构200一体形成，或者可以如在图4中示出的被提供为在这种情况下被连接至基板100的分离部件。此外，可能的是，连接器104特别适于与连接系统的诸如车辆的电缆树之类的插头连接。备选地，可能的是，利用以直接连接基板100与连接系统的电缆404的形式的直接电缆连接，电缆404被直接连接至基板100以提供轻质的和结构简单的电子设备300。安装基座400例如可以是(例如车辆的)机架部件或者车身覆盖件。
图5示出了根据具有连接器104(其在这种情况下既不包括电子接口402也不包括电缆404)的示例性实施例的电子设备300的剖视图。图6是对应的俯视图。
图7示出了根据其中连接器插头104被直接电缆连接404替换的又一示例性实施例的电子设备300的剖视图，并且图8示出了其对应俯视图。换句话说，电缆404通过焊接结构700已经被直接连接至基板100，并且然后已经被部分重叠模塑。备选地，板连接可以利用像IDC插座那样的简单连接器来实现。因为其可以被模塑复合物灌封，所以这样的连接器可以是甚至更简单的。因此，代替直接的焊接连接，可以使用简单的连接器。这种接触可以是只连接一次的(例如楔型)或者可释放的(例如引脚型连接器)。这种连接器可以被用于在重叠模塑的过程之前对连接器和电气部件的集成测试。
在图9和图10中示出的电子设备300的实施例中，提供了双重机械连接以进一步增加稳定性。因此，两个(而不是一个)机械连接元件202被提供在热量移除结构200处。从而，热量移除结构200在此具有两个安装元件202，电子设备300具有两个机械固定装置406，并且两个通孔被形成在连接系统的安装基座400中。
与此相比，图11和图12的实施例仅仅具有一个机械连接，即仅仅一个机械连接元件202和一个机械固定装置406。
在图13和图14的实施例中，机械连接元件202——其在此被提供在电子设备300的两个相对侧上——被定位在重叠模塑结构302的外部，以便增加电子设备300的外表面面积以另外增加热量移除的效率。
在图15和图16的实施例中，夹紧元件1600被提供在电子设备300的相对端上，以用于将电子设备300夹紧至诸如底盘之类的安装基座400。
在图17的实施例中，示出了(例如车辆的)载体1700，其中电子设备300在三个螺丝接合点处被连接至该载体1700，从而在该实施例中，三个机械连接元件202被形成在电子设备300处。
在图18和图19的实施例中，热量移除结构200不被配置为完全平面的板，而是具有高度剖面，该高度剖面在面向电子芯片102中的一个电子芯片的热量移除结构200的中心部分中具有局部突起1800。通过热量移除结构200的该局部突起1800和高度剖面，针对不同部件高度制造电子设备300是可能的。在示出的实施例中，与在左手侧上和在右手侧上的电子芯片102相比，中心电子设备102的较小高度可以由热量移除结构200的高度剖面来补偿。
在图1至图19的实施例中，电子芯片102的两个相对的主表面106、108都已经在一侧上用基板100覆盖并且在另一侧上用热量移除结构200覆盖。
与此相比，图20的实施例示出了这样的架构，其中基板100具有第一主表面2004和相对的第二主表面2006，其中电子芯片102被安装在基板100的第一主表面2004上，并且热量移除结构200被安装在基板100的第二主表面2006上。被安装在主表面2006(热量移除结构200也被安装在其上)上的微控制器2002被示出为图20的实施例的仅有的电子芯片。填充有诸如铜之类的导电和导热材料的通孔2000热连接电子芯片102与热量移除结构200。
从而，提供了以附加散热器(以热量移除结构200的形式)的形式具有适当的热性能、以基板100的形式的模塑PCB。在图20的实施例中，散热器被集成在热量移除结构200被连接至的模体(即，重叠模塑结构302)中。模塑PCB和散热器使功率部件(即，电子芯片102和微控制器2002)冷却。
与图20相比，图21的实施例示出了其中提供了以热量移除板200的形式的外部装配的散热器的电子设备300。螺钉、铆钉或其它机械固定装置406被用于连接热量移除结构200与基板100(并且可选地与重叠模塑结构302)。模塑PCB和散热器因此被用于使功率部件冷却。另外，在图21的实施例中提供了可选的薄模塑复合物或热界面材料2100。
图22示出了又一示例性实施例，其中以与图1至图19中相似的方式，基板100被安装在电子芯片102的第一主表面106上，而热量移除结构200被安装在电子芯片102的相对的第二主表面108上。热互连垫片2200补偿电子芯片102之间的高度距离，并且分隔电子芯片102中的一些电子芯片的第二主表面108与以导电和导热金属板的形式的平面热量移除结构200之间的间隙。
应当说明的是，所有图仅是草拟的示例，其中在所有方向上的尺寸可以大幅变化。设备尺寸参数的改变是可能的。可以使用不同的设备固定装置。连接器(一个或多个连接器是可能的)的类型、位置和方向也可以是不同的。工艺流程也可以是不同的，以进一步改善可制造性。例如，可以在工艺流程的两个程序中或者在工艺流程的另一点处执行连接器的装配。
图23图示了根据包括由热量移除管布置2300和附加的(柔性或者在此)延性散热器2302形成的双部件热量移除结构200的另一示例性实施例的电子设备300的剖视图，并且图24图示了其俯视图。热量移除管布置2300和散热器2302两者部分被定位在重叠模塑结构302的内部并且部分被定位在重叠模塑结构302的外部。鉴于其可变形性，散热器2302被夹在在一面上的电子芯片102与在另一面上的热量移除管布置2300之间以平衡化不同电子芯片102的高度差。在重叠模塑结构302的外部，散热器2302和热量移除管布置2300彼此连接，并且经由构成可选的分离机械固定装置的诸如螺钉之类的紧固元件2306被连接至导热体2304。如可以从图24特别获得的，由于散热器2302的延性特性，后者可以被塑性变形，从而可以使散热器2302的一个主表面与电子芯片102的第二安装表面108直接物理接触(见图24中的接触区域2400)，由此促进热传导和热量移除功能。可以至少部分地使散热器2302的相对的其它主表面与热量移除管布置2300直接物理接触，以便进一步促进热量移除。该热量可以朝用作外部散热器的导热体2304被传输出重叠模塑结构302。由于散热器2302的柔性或延性特性，其通过(弹性或在此)塑性变形可以从平面默认配置转换成任意期望的特定于用户的三维形状来接触发热构件的热表面，以通过有效的热传导实现其热量移除的功能。
散热器2302例如可以由具有金属粉末(诸如铜粉末)的箔制成，或者由金属网或网眼(诸如铜网眼)制成。在图23和图24的实施例中，热量移除管布置2300由诸如铜之类的金属材料的两个平行梁形成。热量移除管布置2300可以提供稳定性，散热器2302(其可以通过热量移除管布置2300被安装和支撑)可以使得热量移除结构200可调整到不同的几何边界条件。
图25图示了根据与图23和图24的实施例相似的另一示例性实施例的电子设备300的剖视图，并且图26图示了其俯视图。然而，根据该实施例，散热器2302被配置成柔性的和弹性可变形的(例如作为诸如铜线之类的导热长丝的编织网)，并且根据图25不垂直突出在热量移除管布置2300之上。
图27图示了根据包括由热量移除框架2700和附加的(柔性或在此)延性散热器2302形成的热量移除结构200的另一示例性实施例的电子设备300的剖视图，并且图28图示了其俯视图。在图27和图28的实施例中，热量移除框架2700由围绕和支撑柔性或延性散热器2302的刚性环形框架形成。在散热器2302的装配期间，热量移除框架2700可以形成用于金属网眼(其可以构成散热器2302)的固定装置。
图29示出了根据其中热量移除结构200包括热量移除管布置2300的示例性实施例的电子设备300的剖视图。根据该实施例，柔性或延性散热器2302可以被省略，或者可以以柔性形式被提供，但是不垂直突出在热量移除管布置2300之上。备选地，热量移除管布置2300可以被导热材料的刚性或(塑性或弹性)可变形栅格(诸如铜栅格)替换。
图30示出了根据其中热量移除结构200包括热量移除管布置2300和构成柔性或延性散热器2302的导电材料的柔性箔或网眼的示例性实施例的电子设备300的剖视图。根据该实施例，柔性或延性散热器2302不延伸超出重叠模塑结构302，而是被以其完全封装。
图31示出了根据其中热量移除结构200包括热量移除管布置2300和构成柔性或延性散热器2302的导电材料的柔性箔或网眼的示例性实施例的电子设备300的剖视图。根据该实施例，柔性或延性散热器2302不延伸超出重叠模塑结构302，而是被以其完全封装。柔性或延性散热器2302仅仅沿着小的重叠部分被热耦合和机械耦合到热量移除管布置2300，其中热量移除管布置2300的大部分被布置在重叠模塑结构302的外部。
应当注意的是，术语“包括”不排除其它元件或特征并且“一(a)”或“一(an)”不排除复数。还有，可以组合与不同实施例关联进行描述的元件。还应当注意的是，附图标记不应该被理解为限制权利要求的范围。而且，本申请的范围不旨在被限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的特定实施例。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质的组成、装置、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (27)

1.一种电子设备，包括：
·基板；
·至少一个电子芯片，被安装在所述基板上并且被电连接至所述基板，并且被配置作为用于控制连接系统的系统控制单元；
·热量移除结构，被热连接至所述至少一个电子芯片并且被配置用于移除在所述电子设备的操作时由所述至少一个电子芯片生成的热量；以及
·重叠模塑结构，被配置用于至少部分封装所述至少一个电子芯片和所述基板，
其中所述热量移除结构被配置作为具有至少部分填充有所述重叠模塑结构的材料的凹处的导热栅格。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述基板具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，其中所述至少一个电子芯片被安装在所述第一主表面上，并且所述热量移除结构被安装在所述第二主表面上。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个电子芯片具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，其中所述至少一个电子芯片用其第一主表面安装在所述基板上并且用其第二主表面安装在所述热量移除结构上。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个电子芯片具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，其中所述至少一个电子芯片用其第一主表面安装在所述基板上，并且所述热量移除结构具有变化高度地被安装在所述至少一个电子芯片的所述第二主表面上。
5.根据权利要求1所述的设备，包括与所述基板电耦合的电连接器，其被所述重叠模塑结构部分地覆盖但是延伸超出所述重叠模塑结构，并且被配置用于将所述设备电连接至连接装置。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述电连接器包括由电缆组成的组和插头连接器中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的设备，包括与所述基板电耦合并且被所述重叠模塑结构完全覆盖的电连接器，其中所述设备包括从所述电连接器延伸超出所述重叠模塑结构并且被配置用于将所述设备电连接至连接装置的一个或多个有线互连。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述重叠模塑结构和所述热量移除结构被配置用于完全封装至少所述至少一个电子芯片和所述基板，从而所述至少一个电子芯片和所述基板两者被所述重叠模塑结构和所述热量移除结构完全周向包围。
9.根据权利要求1所述的设备，包括被配置用于电耦合所述基板与所述热量移除结构的电耦合结构。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述热量移除结构的外表面至少保持部分未被所述重叠模塑结构覆盖。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述重叠模塑结构和所述热量移除结构形成所述设备的外表面的至少一部分。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述系统控制单元被配置用于汽车应用。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述系统控制单元被配置用于发动机控制。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述热量移除结构具有被配置用于将所述设备机械紧固到所述连接系统的安装基座的机械紧固供应物。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述系统控制单元由具有不同高度并且被安装在所述基板上和被电连接至所述基板的多个电子芯片形成，其中所述热量移除结构和所述基板中的至少一个具有面向所述多个电子芯片的安装表面并且具有补偿所述多个电子芯片的所述不同高度的高度剖面。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述热量移除结构至少部分由弹性可变形或塑性可变形材料制成，从而在所述设备的装配期间，所述热量移除结构的高度剖面是可适于补偿水平偏差的。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述热量移除结构是延性的或柔性的，以补偿由不同电子芯片的制造公差和高度尺寸造成的不同高度。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述热量移除结构包括刚性构件并且包括被连接至所述刚性构件的弹性或塑性可变形构件。
19.一种发动机控制模块，包括：
·至少一个半导体芯片，具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，其中所述至少一个半导体芯片被配置用于执行发动机控制功能；
·印刷电路板，所述至少一个半导体芯片的所述第一主表面被安装并且被电连接至所述印刷电路板；
·热量移除结构，所述至少一个半导体芯片的所述第二主表面被安装至所述热量移除结构并且所述热量移除结构被热连接至所述至少一个半导体芯片的所述第二主表面，其中所述热量移除结构被配置用于移除在所述发动机控制模块的操作时由所述至少一个半导体芯片生成的热量；以及
·重叠模塑结构，被配置用于至少部分封装至少所述至少一个半导体芯片和所述印刷电路板，
其中所述热量移除结构被配置作为具有至少部分填充有所述重叠模塑结构的材料的凹处的导热栅格。
20.一种制造电子设备的方法，所述方法包括：
·将至少一个电子芯片安装并且电连接在基板上，其中所述至少一个电子芯片被配置作为用于控制要被连接至所述电子设备的系统的系统控制单元；
·将热量移除结构热连接至所述至少一个电子芯片，并且配置所述热量移除结构用于移除在所述电子设备的操作时由所述至少一个电子芯片生成的热量；以及
·通过重叠模塑结构至少部分封装至少所述至少一个电子芯片和所述基板，
其中所述热量移除结构被配置作为具有至少部分填充有所述重叠模塑结构的材料的凹处的导热栅格。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法包括在所述封装之前执行所述热连接。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述热量移除结构包括柔性或延性材料，所述柔性或延性材料在制造所述电子设备期间被弹性或塑性变形以用于补偿高度差。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法包括在一个制造过程内连同所述封装将所述热量移除结构连接至所述基板。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法包括在所述封装之后执行所述热连接。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述方法包括通过至少一个附加机械连接过程将所述热量移除结构连接至所述基板。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述方法包括通过由螺丝接合、夹紧、铆接和粘附组成的组中的至少一项将所述热量移除结构连接至所述基板。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法包括将所述热量移除结构安装在所述基板上，并且形成热连接所述热量移除结构与所述至少一个电子芯片的热连接结构。
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