CN104582430A - 具有附连到散热器的焊料球体的电气组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电气组件(10)，其包括：电路板(12)、电气装置(14)、散热器(26)和焊料球体(36)。电气装置(14)是附连到电路板(12)上的表面安装型封装。散热器(26)覆盖并且延伸超过该装置(14)的轮廓并且与该表面安装型封装的顶侧进行热接触。散热器(26)的接触表面(30)与电路板(12)的安装表面(18)以基于顶侧在安装表面(18)上方的高度(34)的距离(18)间隔开。焊料球体(36)具有预回流直径，预回流直径足以在回流焊料球体(36)之后将接触表面(30)耦合到安装表面(18)上。

Description

具有附连到散热器的焊料球体的电气组件
技术领域
本发明总地涉及具有散热器的电气组件，并且更特定而言涉及使用较大焊料球体，焊料球体再流动以将散热器耦合到电路板或基板。
背景技术
已知将热沉或散热器附连或热耦合到封装的电气装置上(例如，封装的集成电路)上以帮助耗散由电气装置生成的热。对于相对较高功率情形，例如大于2瓦(2W)，外壳或封壳可能被配置成与电气装置的顶侧接触以提供使电气装置生成的热耗散的热路径。然而，应了解设计和制造下面这样的布置是较难的和/或昂贵的：其也避免了向电气装置赋予不当应力，特别是当暴露于较宽温度变化(这可能由于失配的热膨胀系数(CTE)而导致应力)时。
发明内容
根据一实施例，提供一种电气组件。该电气组件包括电路板、电气装置、散热器和焊料球体。电气装置附连到所述电路板。该电气装置封装于表面安装型封装中。表面安装型封装的底侧朝向电路板的安装表面定向。表面安装型封装将来自该装置的热耦合到该表面安装型封装的与底侧相反的顶侧。散热器覆盖电气装置。散热器被配置成延伸超过该装置的轮廓。散热器的接触表面与顶侧进行热接触，并且接触表面与安装表面以基于顶侧在安装表面上方的高度的距离间隔开。焊料球体具有预回流直径，预回流直径足以在回流焊料球体之后将接触表面耦合到安装表面。
通过阅读下文优选实施例的详细描述，另外的特征和优点将更加显然，仅以非限制性示例的方式并且参考附图给出了优选实施例的详细描述。
附图说明
现将参考附图仅以举例说明的方式描述本发明，在附图中：
图1是根据一实施例的电气组件的侧视图；
图2是根据一实施例的替代电气组件的侧视图；以及
图3是根据一实施例的替代电气组件的侧视图。
具体实施方式
图1示出了电气组件10(在下文中被称作组件10)的非限制性示例。虽然未图示，设想到组件10可以包括外壳或封壳以保护本文所描述的组件10的各种零件避免由于物理冲击、潮湿、化学污染等损坏。如将在下文中更详细地描述，该组件10提供一种低成本方式来向表面安装型封装装置提供散热，与将表面安装型封装装置的顶侧热耦合到外壳或封壳上的散热方案相比，这种方式通常赋予封装的装置更低的应力/应变。而且，本文所描述的组件10还可以在装置的周围提供法拉第屏蔽，其旨在用于改进电磁干涉(EMI)性能。
该组件10通常包括电路板12。电路板12可以由若干已知材料中的任何材料形成，包括陶瓷材料，诸如氧化铝(Al2O3)，具有由厚膜金属墨或沉积薄膜形成的可钎焊的接触件；或者，玻璃-环氧化物材料，诸如FR-4，具有由铜箔形成的可钎焊的接触件。选择材料以形成电路板12可以例如基于组件的预期操作环境和/或基于由于将附连到电路板12上的部件的限制所导致的优选的选择，如将由本领域技术人员认识到的那样。
该组件10通常包括附连到电路板12上的电气装置14，在下文中被称作装置14。如本文所用的装置14是半导体部件，诸如封装于表面安装型封装中的集成电路或晶体管，表面安装型封装被密封到环氧化物、热固性化合物或用于密封通常被称作塑料密封部件的封装部件的任何其它已知的材料。已知的相当的封装配置包括(但不限于)诸如小外形(SO)和四边引出扁平(QFP)的鸥翼型引线封装、诸如塑料引线芯片载体(PLCC)的J-引线(在封装主体中弯曲成‘J’形的引线)和诸如无引线芯片载体(LCC)和球栅阵列(BGA)的无引线封装。
一般而言，该装置14(即，装置14的封装)限定朝向电路板12的安装表面18定向的底侧16和与底侧16相反的顶侧20。一般而言，用于将装置14的封装附连到电路板上的引线或焊球可能在底侧16与安装表面18之间造成空气间隙22。本领域技术人员将认识到空气间隙22通常减小在该装置14与电路12之间的热耦合。因此，来自该装置的热可能并非尽可能高效地耗散。特别地，该封装将来自该装置14的热耦合到该封装的顶侧20并且因此得到了改进散热的机会。而且，该封装的顶侧20可选地包括热导体24，热导体24被配置成将来自该封装内的装置14的热耦合到顶侧20。热导体24在此处被图示为从封装的主体突伸只是为了简化图示。设想到热导体24可以被集成到封装内以便使得热导体24看起来与顶面20对齐或齐平。即，热导体24可以与该封装协作以限定顶侧20。
为了改进散热，该组件10可以包括覆盖该装置14并且与装置14热接触的散热器26。出于将变得显然的原因，散热器26优选地被配置成延伸超过该装置的轮廓28。一般而言，散热器26限定与顶侧20热接触的散热器26的接触表面30。一般而言，接触表面30与安装表面18以基于顶侧20在安装表面18上方的的高度34的距离32间隔开。应当指出的是距离32可能大于高度34，如果例如该组件10包括在散热器26与装置14之间的导热材料(例如热油脂)。
散热器26优选地由导热材料形成以便于从装置14散热。由于将变得显然的原因，散热器26也优选地由热膨胀系数(CTE)类似于电路板12的CTE的材料制成。例如，如果电路板12由陶瓷材料形成，散热板26可以由相同的陶瓷材料或者具有类似CTE的导热材料诸如合金形成。如果电路板12是由铜箔层和FR-4环氧化物/玻璃层合件形成的通常被称作印刷电路板的电路板，那么散热器26也可以由类似材料例如特定厚的铜箔层形成，以便于扩散热。
通过将散热器26配置成延伸超过该装置14的轮廓28，该组件10可以包括焊料球体36，焊料球体36具有一定预回流直径，在使焊料球体回流之后该预回流直径足以耦合或粘附到与安装表面的接触表面上。在如图所示放置焊料球体36之后，该组件10经受适当温度分布以使焊料球体36回流。应当认识到安装表面18和接触表面30将被合适地制备使得焊料球体36将在回流期间湿润安装表面18和接触表面30。焊料球体36被图示为具有回流之前预期的球形形状。然而，应了解在回流之后，焊料球体36将不具有球形形状，而是将表现出湿润到安装表面18和接触表面30上的迹象，可能呈现沙漏形状。
如本文所用的术语焊料球体用于指示大于或多于通常用于球栅阵列(BGA)型封装的焊球的大小或量。用于BGA封装的焊球通常具有小于一毫米(1.0mm)的预回流直径(即，在回流之前的直径)，而本文所描述的焊料球体36将具有大于一毫米(1.0mm)的预回流直径。
已观察到如果散热器26具有相对较轻的重量和/或足量的焊料球体存在于散热器26与电路板23之间，距离32可以得到良好控制，例如在+/-0.1mm内。然而，如果散热器26的重量对于焊料球体而言太大而不能在回流期间进行支承，可能发生焊料球体的过度缩塌。为了避免这个问题，该组件10可以包括插置于接触侧30与安装表面18之间的一个或多个支座38以在回流期间防止焊料球体36过度缩塌。支座38的形状可以与支柱或杆相当，使得无论希望距离32是什么值，这三个支座38都可以用于支承散热器36。替代地，支座38的形状可能与壁相当，使得可使用两个壁部段来支承散热器26。支座38可以是单独零件，因此散热器26可以是简单的并且廉价的平坦形状的零件。替代地，支座38可以一体地形成为散热器26的一部分。
如上文所表示，该组件10可以包括在散热器26与装置14之间的导热材料40。导热材料40可以是常常被施加在电气部件与热沉之间的熟知的热油脂。替代地，导热材料40可以是在呈液态形式或糊状施加金属粒子或陶瓷粒子融合粘合剂，这些材料随后将固化就位。为了允许在利用焊料球体36将散热器26固定到电路板12上之后施加导热材料40，散热器26可以包括或形成有孔42，该孔42靠近该装置14，特别是热导体24。照此，该组件10可以包括在散热器26与装置14之间、注射到孔42内的导热材料40。
图2示出了该组件10的实施例的非限制性示例，其中散热器26是多层印刷电路板。这种配置可能是有利的，因为散热器26也可以用于在散热器26上方和/或散热器26与电路板12之间支承各种电气部件44。对于这个示例，散热器26包括第一金属层46，第一金属层46热耦合到装置14并且附连到基板层50的第一侧，基板层50的第一侧被配置成支承第一金属层46。散热器26也可以包括第二金属层48，第二金属层48附连到基板层50与第一侧相反的第二侧。散热器26还可以包括通孔52，通孔52被配置成将第一金属层46热耦合到第二金属层48。适合用作散热器26的多层印刷电路板的材料和制造技术是熟知的并且普遍易得的。还应当指出的是，焊料球体36可以在散热器26与电路板12之间提供电连接并且由此形成法拉第笼来帮助保护该装置14避免电磁干涉。
图3示出了该组件的非限制性示例，其中该装置14为多芯片球栅阵列(BGA)型封装，其使用焊球54用于在限定装置14的外部的密封剂56内的互连，并且使用焊球54将装置14附连到电路板上。虽然并未具体地示出导热材料40并且因此距离32被示出等于高度34，设想到若需要，可以施加导热材料40。而且，在图1和图2中示出的其它特征诸如支座38和电气部件44并未被示出，这只是为了简化图示，并且其不存在并不表示它们在此示例中从使用中排除。应当指出的是，焊料球体36的大小适于跨越距离32并且因此显著地大于焊球54。
因此，提供了一种带有焊料球体附连的散热器的电气组件(组件10)。该组件10提供一种经济的方式来从装置14散热，其并不耗散太多能量以至于需要到外壳或类似较大结构的热耦合。而且，可以选择合适材料使得构成该组件10的各个零件的热膨胀系数(CTE)特征使得在例如将该装置附连到电路板12上的钎焊接合部上的应力和应变最小。
虽然关于本发明的优选实施例描述了本发明，其并无限制意图，而是本发明仅由所附权利要求中陈述的范围限制。

Claims (10)

1.一种电气组件(10)，包括：
电路板(12)；
电气装置(14)，其附连到所述电路板(12)，其中所述装置(14)封装于表面安装型封装中，其中所述封装的底侧朝向所述电路板(12)的安装表面(18)定向，其中所述封装将来自所述装置(14)的热耦合到所述封装与所述底侧相反的顶侧上；
散热器(26)，其覆盖所述电气装置(14)并且被配置成延伸超过所述装置(14)的轮廓(28)，其中所述散热器(26)的接触表面(30)与所述顶侧热接触，并且所述接触表面(30)与所述安装表面(18)以基于所述顶侧在所述安装表面(18)上方的高度(34)的距离(32)间隔开；以及
焊料球体(36)，其具有预回流直径，所述预回流直径足以在回流所述焊料球体(36)之后将所述接触表面(30)耦合到所述安装表面(18)。
2.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述预回流直径大于一毫米(1.0mm)。
3.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)包括插置于所述接触侧与所述安装表面(18)之间的支座(38)，以在回流期间防止所述焊料球体(36)过度缩塌。
4.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述散热器(26)形成有靠近所述装置(14)的孔(42)。
5.根据权利要求4所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)包括在所述散热器(26)与装置(14)之间、注射到所述孔(42)内的导热材料(40)。
6.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述散热器(26)包括热耦合到所述装置(14)的第一金属层(46)，其中所述第一金属层(46)附连到基板层(50)的第一侧，所述基板层(50)的第一侧被配置成支承所述第一金属层(46)。
7.根据权利要求6所述的组件(10)，其特征在于，所述散热器(26)包括：第二金属层(48)，其附连到所述基板层(50)与所述第一侧相反的第二侧上；以及，通孔，其被配置成将所述第一金属层(46)热耦合到所述第二金属层(48)。
8.根据权利要求7所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)包括附连到所述第一金属层的电气部件。
9.根据权利要求7所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)包括附连到所述第二金属层的电气部件。
10.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述封装的顶侧包括热导体(24)，所述热导体(24)被配置成将来自所述装置(14)的热耦合到所述顶侧。
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