CN105722308B - 制造具有热的金属化通孔的线路装置 - Google Patents

Abstract

用于在具有热的金属化通孔（20）的基板（10）上制造线路装置（40），所述热的金属化通孔穿过所述基板（10）从所述上侧面（11）延伸至所述下侧面（12），首先，所述热的金属化通孔（20）在所述下侧面（12）处通过加装有导热能力的、电绝缘的材料的层（14）被封闭，所述层在所述下侧面（12）上优选共同覆盖多个金属化通孔（20）的开口，并且此后所述热的金属化通孔（20）从所述上侧面（11）利用钎焊材料（16）被填充。优选地，在所述金属化通孔（20）在回流过程中被填充之前，所述构件（39）被加装在所述基板（10）的上侧面（11）上。

Description

制造具有热的金属化通孔的线路装置

技术领域

本发明涉及用于在基板上制造线路装置的方法，其中构件加装在电路板的上侧面上，其中，电路板具有穿过所述电路板延伸到对置于上侧面的下侧面的热的金属化通孔。

背景技术

此处研究的类型的线路装置典型地在电路板上实施，所述电路板作为基板通常在电路板的两个侧面之一上承载一定数目的电子组件（“构件”）。在该公开文件的范围中，该承载构件的侧面与通常的术语协调一致地被称为“上侧面”；对置于所述上侧面的侧面被称为“下侧面”。用于电子组件的电连接导线可以位于所述电路板的两个侧面上，典型地主要位于下侧面上。所述电路板以传统的方式由塑料或者复合材料、如例如FR4（环氧树脂玻璃纤维材料）构成；合适的电路板材料自身已知并且不是本发明的主题。

因为，在运行期间，所述构件基于不可避免的损失功率产生热量，所以通常也应该关注热量的足够的排出，用以避免所述构件的损害直至构件的毁坏。仅仅在非常简单的情况中，在没有额外的措施下，在电路板中通过围绕的空气和热量管道的冷却是足够的；大多必须采取额外的措施用于被动或者主动的冷却。

热量排出的已知的途径包括，在所述电路板的表面上设置热量张开面（Wärmespreizfläche），也就是由有导热能力的材料制成的面，所述热量张开面与待冷却的构件处于热接触中。这样的热量张开面引起构件的热表面的有效的扩大，热量能够经由所述热表面被发出。电路板上的热预算通过增加的集成度以及变得越来越高的封装密度变得越来越关键，所述封装密度主要基于对可供所述电路板和/或电路板的构件支配的空间的限制得出。因此，对于热压力的构件必要的、能够用于热量张开面的自由空间越来越不再以足够的尺寸存在。除了在电路板上侧面上强烈提高的空间需求外，热量张开面具有另外的缺点，即实现了热量仅仅运走到环境空气处并且没有运走到冷却体中。

热负载的构件的热量排出的其它的途径是热的金属化通孔，常常被称为热通路或者"thermal vias"（英语）。热通路是从电路板上侧面到下侧面上的有导热能力（以及通常也有导电能力）的连接件，用以使横穿过所述电路板的热量输送变得容易并且消除电路板材料的热阻。然而，在应用热通路时，必须考虑到以下三个关键点：

1. 通常的热通路利用金属的材料实施并且因此是到电路板下侧面有导电能力的连接。如果到位于下方的冷却体需要电绝缘，那么所述电绝缘必须因此额外地执行。

2. 为了在热方面最有效，热通路必须直接布置在热压力的构件的垫板连接部的下方。然而，传统的热通路不是封闭的，因此得出从电路板上侧面到下侧面上的通孔。因此，在钎焊时，钎料穿过布置在构件垫板下方的通路通过毛细管引力以及重力向下迁移；由此钎焊质量大幅度地降低。在极限情况下，在所述电路板表面处可供支配的钎料不再足够，用以电接触所述构件。

3. 尽管热通路是有高的导热能力的连接件，但在未填充的通路中，能够供支配的用于热量运走的表面非常小。热量传导能力仅仅由通路中铜层的厚度确定。

因此，在已知的装置中，所述热通路大多位于待钎焊的面之外，由此不是直接位于构件垫板中，这使得热量的排出变得困难；此外，扩大的垫板面是必要的，从而位于构件垫板外的热通路又引起提高的空间需求。

已知的解决途径规定，热通路安置在所述构件垫板中并且在配备构件（例如通过电路板的制造商）之前已经填充地（“塞紧”）实施。这样的填充的通路虽然满足技术的预先规定，然而是昂贵的。

增加的困难为，热通路常常没有能够布置在最有效的部位处并且由此没有实现最佳的热量运出。此外，未填充的通路仅仅具有用于热量运走的较小的表面并且由此得出从构件至冷却体的热量路径的受限制的传导能力。

发明内容

因此，本发明的任务为，克服上面提到的缺点并且提供用于制造有效的热通路的简单以及成本有益的方法。

该任务从开头提到的类型的方法出发通过以下方式得到解决，即，根据本发明：

a) 热的金属化通孔在下侧面处通过加装有导热能力、电绝缘的材料的层得到封闭，并且此后，

b) 所述热的金属化通孔从上侧面利用钎焊材料填充。

该根据本发明的解决方案包括以下作为基本思想，即有导热能力、电绝缘的材料的层在第一过程步骤中加装到还未配备的电路板背侧上，例如通过自身已知的类型的涂刷方法。特别地，所谓的热界面材料（TIM）、如例如热量传导胶被列入考虑作为这样的材料。通过应用该层，通路向下封闭并且在接下来的钎焊过程期间防止钎料的不受控制的流走。一般来说，“有导热能力的材料”或者“有良好热量传导能力的材料”要理解为具有相对高的导热能力的材料，通过所述导热能力所述材料适合于在热的金属化通孔中应用。特别有利的是，该导热能力超过基板的导热能力，优选超过至少一个数量级或者超过更多个数量级。

基于本发明，从电路板上的构件至冷却体的热的路径能够始终利用有良好热量传导能力的材料实现（次序：钎料-铜-利用钎料填充的通路-TIM）。尤其地，根据本发明的有导热能力、电绝缘的材料的层实现

1. 从电路板背侧至冷却体的更好的热量连接，

2. 从电路板背侧至冷却体的电绝缘，

3. 用于所述钎料的机械的屏障，所述屏障防止钎料流动穿过热通路至电路板下侧面处。

该层不引起额外的成本或者仅仅引起微小的额外的成本，并且还是能够确保热量从电路板上侧面上的构件至冷却体的最佳的热的排出。

所述根据本发明的方法尤其适合于在制造车辆大灯的电路板时应用，其中，所述电路板包括具有至少一个热的金属化通孔的基板，所述热的金属化通孔位于产生光的构件的连接垫板的区域中。根据本发明的方法，所述金属化通孔由此被填充。

在本发明的特别有利的改进方案中，当在步骤a)中加装的层在下侧面处共同覆盖多个金属化通孔的开口时，一方面冷却能力能够额外地得到提升并且另一方面TIM层的简单的构造能够被利用。

在特别有利的变型方案中，热的金属化通孔能够在步骤a)中在下侧面和上侧面之间金属化通孔的区域中至少主要保持空着并且在步骤b)中才被填充。

此外，步骤b)在提高的温度下能够通过钎焊方法优选通过回流过程实现。

构件的配备能够以有利的方式在步骤a)和b)之间实现，例如通过以下方式，即在步骤a)之后，钎焊膏才在上侧面上加装到热的金属化通孔上并且此后配备所述构件。

附图说明

接下来，根据没有受到限制的实施例详细解释本发明连同另外的优点和设计方案，所述实施例在附图中示出。附图示出：

图1示出具有根据传统的方式生产的热通路的电路板；

图2a-c示出在应用根据本发明的方法的情况下以钎焊制造电路板；以及，

图3示出完成的线路装置。

具体实施方式

在图1中示出电路板30，在所述电路板中设置两个用钎料填充的热通路34、35在构件39的垫板38的区域中，所述构件布置在所述电路板30的上侧面31上并且所述构件应该通过填充有钎料33的热通路34、35通过下侧面32被冷却。根据所述电路板30的例子，在图1中说明了利用该种类型的热通路会出现的问题。两个通路朝着下侧面32是敞开的。这例如在所述通路34中导致该通路不完全地用钎料33填充并且/或者钎料流出到所述下侧面32处；流出的钎料例如会滴落或者流走到侧面，在那儿所述钎料可能会形成起干扰作用的滴珠36。即使通路35保持完全用钎料33填充，也必须估计到以下情况，即在钎焊过程期间，钎料的或多或少的部分流下穿过该通路，这会导致在上侧面31上所述垫板38的区域中缺少钎料，从而在钎料中形成洞（Lunker）37，所述洞降低了导热能力并且由此妨碍了从所述构件39至下侧面32的热量排出。

根据本发明，在给所述电路板配备钎焊部(Lötung)之前，在所述电路板的下侧面处压上TIM层。所述TIM具有高的导热能力以及足够的电绝缘强度。这使热通路能够直接安置到热压力的构件、如例如大灯的LED的垫板中，而这不导致以上说明的缺点。这接下来利用图2a至2c的实施例解释。

图2a示出了从结构上相应于图1中的电路板30的电路板10。所述电路板例如由FR-4材料构成；在垫板的区域13中存在具有典型地350μm的直径的两个热通路20，设置所述垫板用于在以后的步骤中待加装到电路板的上侧面11上的构件；然而，由于本发明，更大的直径也是可行的，其中，更大的通路此外能够更容易填充并且提供更高的总导热能力。在该示出的实施例中，所述两个通路20代表一个、两个、三个或者更多个任意数目的热通路，其中，所述数目能够按照使用和到所述下侧面12的期望的热量通过量（冷却功率）选择。特别地，能够为各构件设置一个热通路或者两个或者更多个热通路；例如在大灯的LED电路板中，为各OSLON Compact（欧司朗紧凑）型号的LED典型地分配六个热通路。所述热通路20根据已知的方式由各（通常柱形的）孔构成，所述孔的内面利用有导电能力的材料、例如铜铺覆并且在上侧面和下侧面上的两个开口处融合到各面状的区域21、22中。所述上侧面11上的区域21和所述下侧面12上的区域22关于面形状方面可以协调一致或者大小不同（未示出）。

根据本发明，如在图2a中示出的那样，在第一步骤中，将由TIM（例如相对于以后的钎焊过程的温度热稳定的热量传导胶）制成的层14压上到所述下侧面12上，从而所述通路20在其下部的开口处被封闭。所述层14优选覆盖所述通路20的整个区域22并且此外还可以凸出所述区域22的边缘，由此在下侧面处实现所述通路的电绝缘。根据本发明，所述层14的TIM压上到所述通路上，其中，所述TIM（例如基于其黏性）没有侵入所述通路中；TIM层到通路的下侧面的边界面为仅仅略微地月牙状（沿纵截面观察）。压上的层14的单个的区域的尺寸典型地在大约1平方厘米的范围内，其中，所述区域通常不是完全面状的，而是具有结构的。

图2b，然后，钎焊膏15根据自身已知的方式被压在电路板上侧面上并且配备了所述构件39包括构件的面向所述电路板10的构件垫板38。在此，所述垫板38不仅有利于构件39的电接触，而且有利于构件39的热接触；在其它的使用情况中，垫板也可以仅仅用于热连接。所述钎焊膏是以自身已知的方式具有例如3%的银成分的SnAgCu钎料；更高的银成分能够改善导热能力，然而导致形成不期望的、易碎的Ag₃Sn相的风险。

接着，所述装置被送入到回流炉中，在那儿通过回流钎焊（Reflow-Lötung）实现真正的钎焊过程：钎料通过垫板与所述热通路20液化并且流入热通路的空腔中。图2c示出了该过程的结果。钎料16完全填充通路20。钎料16的用于填充通路必要的量能够通过在电路板上侧面11处的钎焊膏扩大部提供（未示出）。然而，通过根据本发明加装在所述下侧面上的TIM层14，防止了钎料16流走到电路板下侧面12上，同样防止如在钎料16中不期望的洞或者气泡的形成，这（类似于图1）否则会由于钎料材料的损失而出现。

在钎焊过程之后，只要需要，能够在电路板10的下侧面12上将冷却体24加装到TIM层14上，所述冷却体通过其造型额外地改善了例如到冷却的空气或者冷却介质（未示出）的热量转移。所述冷却体24可以直接加装到所述TIM层14上或者借助于粘结层（未示出）加装，其中，可以借助于螺纹连接件23或者类似物设置紧固件用于机械的固定。

图3示出了实施例的获得的线路装置40。当然，示出的实施例不应理解为对于本发明是局限的，而仅仅用于说明本发明，本发明扩展到大量的可行的实施方式。

作为根据本发明的方法的结果，存在从构件垫板BP经由所述热通路20直接至冷却体24的高导热能力的连接。经由用钎料填充的通路，相比于利用未填充的通路的实施方案，也强烈地扩大了用于运走热量的在所述电路板10中可供支配的有效的横截面。所述填充的通路具有热阻R_th,所述热阻典型地为相应未填充的通路的热阻R⁰ _th的大约2/3并且通过扩大所述通路的横截面还能够进一步减小。所述在实施例中应用的TIM优选具有20至30kV/mm的耐压强度。这样的耐压强度的值有利于实现电路板上的构件、例如大灯的LED电路板中串联接入的LED的足够的互相的电绝缘，而没有到冷却体24的另外的绝缘件。

TIM的较高的热量传导能力使TIM能够以层14的形式完全面状地覆盖。因此，仅仅要求印刷步骤。通过以下方式，即所述热通路20中的钎料16热接触所述TIM层14，热量传导的路径的有效的横截面扩大。

Claims (7)

1.用于在基板（10）上制造线路装置（40）的方法，其中，构件（39）加装在所述基板（10）的上侧面（11）上，其中，所述基板（10）具有热的金属化通孔（20），所述金属化通孔穿过所述基板（10）延伸至对置于所述上侧面（11）的下侧面（12），其特征在于，

a) 所述热的金属化通孔（20）在所述下侧面（12）处通过加装有导热能力的、电绝缘的材料的层（14）进行封闭，所述有导热能力的、电绝缘的材料没有侵入到热的金属化通孔中，并且此后，

b) 所述热的金属化通孔（20）从所述上侧面（11）利用钎焊材料（15、16）被填充。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中加装的所述层（14）在所述下侧面（12）处共同覆盖多个金属化通孔（20）的开口。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热的金属化通孔（20）在步骤a)中在所述下侧面和所述上侧面之间金属化通孔的区域中至少主要地保持空着并且在步骤b)中才被填充。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤b）在提高的温度下通过钎焊方法实现。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a)之后并且还在步骤b）之前将钎焊膏（15）在所述上侧面（11）上加装到所述热的金属化通孔（20）上并且此后配备所述构件（39）。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤b）通过钎焊方法通过回流过程实现。

7.根据前述的权利要求中任一项所述的方法在制造车辆大灯的电路板时的应用，其中，所述电路板包括具有至少一个热的金属化通孔（20）的基板（10），所述热的金属化通孔位于产生光的构件（39）的连接垫板的区域中。