CN113574974A - 具有工程化的热路径的印刷电路板组件以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了具有工程化的热路径的印刷电路板（PCB）以及制造方法。在一方面中，PCB包括形成在PCB的相对侧上的互补腔。互补腔处于热连通和/或电连通以形成工程化的热路径，并且每个腔填充有导热材料以为PCB的电路和元件提供热通路。该制造方法可以还包括：对每个腔进行钻孔和/或铣削；对腔进行板面敷镀；以及用合适的填充材料来填充腔。

Description

具有工程化的热路径的印刷电路板组件以及制造方法
相关专利申请的交叉引用
本专利申请根据35 USC§119（e）要求2020年1月31日提交的标题为“PrintedCircuit Board Assemblies With Engineered Thermal Paths and Methods ofManufacture（具有工程化的热路径的印刷电路板组件和制造方法）”的美国专利申请序列号62 / 968807的权益，其全部内容通过引用而合并到本文中。
技术领域
本公开涉及用于为印刷电路板提供改进的热路径的方法。该方法提供了成本高效的用于制造具有金属块（coin）方式的典型热性能的改进热路径的方法。
背景技术
印刷电路板（PCB）组件可以由具有集成电路（IC）的表面贴装技术（SMT）元件的多层PCB形成。随着SMT元件和IC要求更多的功率并结合不断朝小型化的趋势，PCB组件上的热管理变成更大的管理挑战。
PCB组件通常具有范围从0.25 W/mK至3 W/mK的热导率，这导致经过PCB的高热阻并且因此导致PCB中的大温度变化。耗散大量功率的典型应用使用热金属块。具体而言，将铜金属块插入PCB中以帮助将热量从热源（例如IC、管芯或其他元件）传导离开到PCB下方的散热器。在金属块制造过程中，在PCB中切割孔，并且将导热金属块（例如铜金属块）插入到该孔中。然而，用于生产具有铜金属块的PCB的当前制造过程是劳动密集型的且昂贵的。因此，存在对以下方法的需要：更加成本高效的用于提供金属块状热通路的方法。
发明内容
本公开提供具有工程化的热路径的印刷电路板（PCB）以及用于制造PCB组件的方法。在一方面中，印刷电路板组件包括具有一层或多层的印刷电路板。印刷电路板具有：在顶表面中的第一腔，其中第一腔填充有第一导热材料；以及在印刷电路板的底表面中的第二腔，其中第二腔填充有第二导热材料。第一腔与第二腔热连通和/或电连通以形成填充的腔结构作为工程化的热和/或电路径。
在另一方面中，印刷电路板（PCB）组件包括PCB，该PCB包括具有多个迹线和多个导电焊盘的多层。该组件还包括安装在PCB的顶侧上的表面贴装技术（SMT）元件。该组件还包括：在印刷电路板的顶表面中的第一腔，其中第一腔填充有第一导热材料；以及在印刷电路板的底表面中的第二腔，其中第二腔填充有第二导热材料。第一腔与第二腔热连通和/或电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热和/或电路径。
在又一方面中，用于形成具有工程化的热和/或电路径的印刷电路板的方法包括在印刷电路板的顶表面中形成第一腔。该方法还包括用第一导热材料填充第一腔。该方法还包括在印刷电路板的底表面中形成第二腔，其中第一腔与第二腔热连通和/或电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热和/或电路径。最后，第二腔填充有第二导热材料。
在再一方面中，提供用于形成具有工程化的热路径的印刷电路板的方法。该方法可以包括在印刷电路板（PCB）的顶表面中形成第一腔以及对PCB和第一腔进行板面敷镀（panel plating）。该方法可以还包括在印刷电路板的底表面中形成第二腔。该方法可以还包括将光致抗蚀剂掩模施加到PCB以暴露第一腔和第二腔。该方法可以还包括同时敷镀以用导热材料填充第一腔和第二腔。第一腔与第二腔热连通，电连通，或者既热连通又电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热路径、电路径或两者。
另外的实施例、方面和特征部分地在下面的描述中被阐述，并且在检查说明书后部分地对于本领域技术人员将变得显而易见，或者可以通过实践本文所讨论的实施例而获知。通过参考形成本公开的一部分的说明书和附图的其余部分，可以实现对某些实施例的性质和优点的进一步理解。
附图说明
参考以下附图和数据图，将更全面地理解本描述，所述附图和数据图被作为本公开的各种实施例呈现并且不应被解释为对本公开的范围的完整叙述，其中：
图1描绘了根据一个实施例的用于提供填充的腔结构的流程；
图2是根据一个实施例的具有工程化的热路径的PCB的截面图；
图3是根据一个实施例的具有工程化的热路径的PCB的截面图；和
图4描绘了根据另一实施例的用于提供填充的腔结构的流程。
具体实施方式
通过参考结合如下所述的附图进行的以下详细描述，可以理解本公开。注意，为了说明清楚，各种附图中的某些元件可能没有按比例绘制。
典型PCB组件的基板具有低的热导率。相反，复杂的PCB组件可能导致经过PCB组件的高热阻并且因此导致大的温度增量。为了减小温度增量，如本文所公开的，可以使用包括填充的腔结构的工程化的热路径来降低PCB组件的热阻。这样，根据在一方面中，用填充的腔结构代替传统的预制金属块可以减小制造成本，同时增加PCB布局灵活性。
本公开涉及具有工程化的热路径的印刷电路板（PCB）及其制造方法。在一方面中，PCB包括形成在PCB的相对侧上的互补腔。互补腔处于热连通和/或电连通以形成工程化的热路径。每个腔填充有导热材料，以为PCB的电路和元件提供热通路。该制造方法可以还包括：对每个腔进行钻孔和/或铣削；对腔进行板面敷镀；以及用合适的填充材料来填充腔。
在各个方面中，所公开的装置和方法提供固体连续无空隙填充的腔结构，其提供与传统的金属块方式等效或改进的热性能。在其他方面中，可以通过用铜来填充在PCB中形成的前侧腔和后侧腔而产生填充的腔结构。作为示例而非限制，腔可以被铣削或激光钻孔，然后在一系列敷镀步骤之后被填充。
在一方面中，工程化的热路径或金属块状结构是在两步过程中创建的。例如，形成从PCB的顶表面延伸到大约PCB深度的中心的第一腔，并且将第一腔敷镀以准备填充。接下来，将PCB翻转到相对侧；形成从底表面朝向第一铜填充的腔延伸的第二腔，并且第二腔被敷镀。在另一方面中，该过程可以创建腔并且同时敷镀PCB的两侧，而不是分开地填充顶腔和底腔。
在各个方面中，腔可以填充有铜、其他合适的导热填充材料或其组合。在各个方面中，期望填充材料具有在从0.25 W/mK至1200 W/mK的范围内的热导率。如本文所使用的，热导率是材料传导热量的度量。作为示例而非限制，填充材料可以包括导电材料，例如铜，焊料，金，银，镍，铝，导热材料和导电聚合物（例如，导电环氧树脂）。填充材料可以还包括非导电材料，例如非导电聚合物（例如，非导电环氧树脂）。在各个方面中，可以选择、配制或以其他方式工程化填充材料以提供期望的热性能（例如，以最大化比热（Cp）或热导率（K））或者应力降低（例如，以匹配PCB基板的热膨胀系数（CTE）或提供低弹性模量（E））。
图1描绘了根据一个方面的用于制造具有填充的腔结构的PCB的方法或流程。如图所示，在步骤A提供了包含一层或多层的PCB 100。PCB 100可以包括具有多个迹线和多个导电焊盘的多层103。在一方面中，顶层和底层103是导电的。例如，顶层和底层103可以是铜箔。与顶层和底层103相邻的层105是绝缘层，并且可以例如由嵌入在环氧树脂中的纤维增强玻璃形成。
接下来，在PCB 100的顶表面104中机械地钻孔、或铣削、或以其他方式形成第一腔102以延伸到PCB中。第一腔102包括两个侧表面107A-B和在两个侧表面107A-B之间的底表面107C。在一方面中，钻孔轴向切割并产生圆柱孔，而铣削可以轴向和横向切割。在各个方面中，第一腔102可以被形成并且可以具有任何形状或横截面，包括但不限于圆形、正方形、另一四边形或另一多边形形状。在PCB 100中形成第一腔102之后，在步骤C，用铜对PCB的顶侧进行化学镀以形成化学镀的铜层106。铜层106覆盖顶表面104、第一腔102的两个侧表面107A-B和底表面107C。不管表面的几何形状如何，化学镀铜都创建均匀的金属层。此外，可以将化学镀铜应用于非导电表面。
在步骤D，进一步用金属对顶表面104和第一腔102进行板面敷镀或电镀，以在化学镀的铜层106上形成电镀层108。在板面敷镀中，PCB的整个顶侧（包括顶表面104以及腔104的侧表面107A-B和底表面107C）被敷镀上并且金属在PCB的所有顶表面上堆积（build up）。板面敷镀的金属层，例如镀铜层，可以为至少2密耳（mil）厚，这可能厚得足以提供稳定性。在一些变型中，板面敷镀的金属层可以高达6密耳厚，等等。
在一个方面中，在步骤E，将光致抗蚀剂掩模或层110或类似的屏蔽材料放置在顶表面104上。对光致抗蚀剂掩模110进行图案化以暴露第一腔102，但覆盖顶表面104。然后，第一腔102填充有填充材料以形成填充的第一腔。作为示例，在步骤F，第一腔102可以敷镀有填充材料112。在各个方面中，填充材料112可以是铜；然而，可以使用一种或多种其他填充材料或其组合。在敷镀第一腔102之后，在步骤G剥离或以其他方式去除光致抗蚀剂掩模110。最后，如果期望如此，则可以在步骤H可选地将PCB 100的顶表面104和在第一腔102中的填充材料112的暴露表面平坦化以提供均匀的平坦表面。
然后，在步骤I，PCB 100被钻孔、铣削或以其他方式修改以在PCB 100的底表面116上提供第二腔114。第二腔114从底表面116延伸到PCB中并且包括两个侧表面109A-B和两个侧表面109A-B之间的底表面109C。在一个方面中，对PCB 100进行钻孔直到到达板面敷镀层（panel plating）108以确保与第一腔102的填充材料112的热连通。
类似于第一腔102的创建，在步骤J，用铜对底表面116和第二腔114进行化学镀以形成化学镀的铜层118。在步骤K，进一步对底侧和第二腔114进行板面敷镀或电镀以形成电镀层120。将层120敷镀在化学镀的铜层118上。层120覆盖PCB的底表面116、第二腔114的两个侧表面109A-B和底表面109C。
接下来，在步骤L，由光致抗蚀剂掩模或层122或类似的屏蔽材料覆盖底表面116。对光致抗蚀剂掩模122进行图案化以暴露第二腔114，但是覆盖底表面116。然后，在步骤M，第二腔114被敷镀有填充材料124以形成填充的第二腔。在各个方面中，填充材料124是铜；然而，可以使用一种或多种其他填充材料或其组合。在敷镀腔114之后，在步骤N剥离或以其他方式去除光致抗蚀剂掩模122。最后，如果期望如此，则在步骤O，可选地平坦化PCB 100的底表面116和在腔114中的填充材料124的暴露表面，以提供均匀的平坦表面。
在一些方面中，填充的腔结构包括与填充的第二腔热连通和/或电连通的填充的第一腔。填充的腔结构提供工程化的热和/或电路径。
填充的腔结构或热路径和/或电路径可以具有不同的形状，所述不同的形状可以通过改变腔图案来创建。腔结构可以还在顶侧和底侧或者前侧和后侧之间不同。在一个示例中，如图3所见，可以形成具有“T”形或倒“T”形的热路径和/或电路径。期望顶腔和底腔是邻接的或重叠的取向。
在各个方面中，如图2所示，第二腔114的尺寸和形状可以与第一腔102相同。可替代地，第二腔114可以是与第一腔102不同的尺寸或形状，如图3所示。进一步，如图2和图3所示，可能期望第一腔和第二腔是邻接的或具有重叠的取向。
本领域技术人员将理解，腔的形状和尺寸可以变化以获得各种热路径和/或电路径。多种因素可能影响腔的形状和尺寸，包括在x、y和z方向上的PCB尺寸、层数、迹线密度、迹线尺寸、在PCB的顶侧上的耗散功率、在PCB的底侧上的散热器效率、等等。
在各个方面中，第一腔和第二腔可以具有相同的或者不同的填充材料。例如，第一腔可以填充有具有与安装在其上方的SMT元件的CTE匹配的CTE的材料，而第二腔可以被填充以最大化热传递。
在各个方面中，填充材料112、124可以是固体镀铜填充物。在其他方面中，填充材料112、124可以是其他导热填充材料，包括但不限于铜、银（Ag）、镍（Ni）、锡（Sn）或金（Au）等等或者具有类似特性的其他导电材料或其组合。银比铜（Cu）具有更高的热导率和电导率，但比铜更昂贵。Cu的热导率和电导率优于Au。Ni和Sn可以被使用，但是具有比Cu和Au更低的热导率和电导率。在一些实施例中，可以使用将敷镀到Cu的任何材料。在各个方面中，可能期望使用具有高热导率、高电导率和低成本的组合的材料。
在各个方面中，腔中的填充材料可以是固体镀铜。在其他方面中，填充材料可以是其他导热材料，包括但不限于固体银或固体金、具有类似特性的其他等效材料或其组合。另外，在一些方面中，该过程可以创建腔并且同时敷镀PCB的两侧，而不是如图1所示的那样分开地填充顶腔和底腔。
图4描绘了根据另一实施例的用于提供填充的腔结构的流程。如图所示，过程400可以包括步骤A-K。过程400包括在步骤（A）在最终外部层蚀刻之前制造PCB停止层（即，在最终层压堆积之后的停止层）。如图所示，提供包含多层403和404的PCB 402。PCB 402包括顶表面402A和底表面402B。在一方面中，顶层和底层403是导电的。例如，顶层和底层403可以是铜箔。与顶层和底层403相邻的层404是例如由嵌入在环氧树脂中的纤维增强玻璃形成的绝缘层。
接下来，在步骤（B），执行对顶侧腔的机械钻孔和/或铣削或激光钻孔以部分地延伸穿过PCB并通过PCB的中心线。如图所示，顶腔410A被钻孔、铣削或以其他方式形成以从顶表面402A延伸到PCB中。钻孔操作轴向切割并产生圆柱孔，而铣削操作可以轴向和横向切割。
在PCB 402中形成顶腔410A之后，在步骤（C）用金属对PCB 402进行化学镀以形成第一化学镀的金属层（例如，铜）。第一化学镀的金属层包括在PCB上方的顶部分412A和底部分412B，并且还包括顶腔410A中的侧部分412D和412E以及底部分412C。不管表面的几何形状如何，化学镀铜都创建均匀的金属层。此外，化学镀铜可以应用于非导电表面。
在步骤（D），进一步对顶侧和腔进行板面敷镀或电镀以形成板面敷镀的金属层，该金属层包括PCB的顶部分414A和底部分414B并且还包括顶腔410A的底部分414C和侧部分414D-E。通过使用电镀过程对PCB进行板面敷镀。板面敷镀层在所有暴露的表面上堆积。板面敷镀的金属层，例如镀铜层，可以为至少2密耳厚，这可能厚得足以提供稳定性。在一些变型中，板面敷镀的金属层可以高达6密耳厚，等等。
将会理解，其他导电材料，例如银、金、镍、锡等等，可以用于化学镀和电镀中。在一些变型中，可以使用将敷镀到铜的任何金属或材料。期望该材料具有高的热导率和电导率以及低成本。
接下来，在步骤（E）执行对底侧腔的铣削或激光钻孔。如图所示，底腔410B被钻孔、铣削或以其他方式形成以从底表面402B延伸到PCB中。然后，在步骤（F），用金属对PCB 402进行化学镀以形成第二化学镀的金属层（例如，铜），该第二化学镀的金属层包括PCB的顶部分416A和底部分416B并且还包括底腔410B的底部分416C和侧部分416D-E。
过程400可以包括在化学镀的顶部分和底部分416A-B上施加光致抗蚀剂掩模或层。光致抗蚀剂掩模被配置为暴露顶腔和底腔410A-B。然后，在步骤（H），进一步对顶腔410A和底腔410B进行板面敷镀或电镀，以用在PCB的顶侧和底侧上的敷镀堆积层420A和420B填充顶腔和底腔。敷镀堆积层420A和420B足够厚以填充顶腔和底腔410A-B。在各个方面中，顶腔和底腔中的填充材料是铜；然而，可以使用一种或多种其他填充材料或其组合。
如图4所示，填充的腔结构可以包括填充的第一腔和第二腔，所述填充的第一腔和第二腔可以通过板面敷镀的底部分414C以及化学镀部分412C和416C邻接。填充的腔结构可以用作工程化的热路径、电路径或两者。
在一些方面中，填充的腔结构可以包括与填充的第二腔邻接的填充的第一腔。在其他方面中，填充的腔结构可以包括通过使用导电材料（例如，敷镀的金属等等）而与填充的第二腔邻接的填充的第一腔。
可以在步骤（I）剥离光致抗蚀剂掩模或层418A-B，以暴露化学镀的顶部分和底部分416A-B。然后，过程400可以可选地包括在步骤（J）对PCB的顶部和底部进行平坦化以形成填充的顶腔和底腔410A-B。如图所示，可以通过平坦化来去除化学镀部分416A-B。另外，可以通过平坦化来去除板面敷镀的顶部分和底部分414A-B，以暴露PCB的顶表面和底表面402A-B。然后，在步骤（K），通过用于完成制造过程的常规操作（包括钻孔、镀铜和最终精加工敷镀）来处理PCB。
在一些方面中，过程400可以包括在对PCB和第一腔进行板面敷镀之前对PCB的顶部和底部以及第一腔进行化学镀。在其他方面中，过程400可以包括在同时敷镀以填充第一腔和第二腔之前对PCB的顶部和底部以及第一腔和第二腔进行化学镀。在另外的方面中，印刷电路板可以包括在离散位置处的一个或多个敷镀或填充的通孔。
已经描述了几个方面和实施例，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开精神的情况下，可以使用各种修改、替代构造和等效物。另外，为了避免不必要地模糊本文所公开的实施例，许多众所周知的过程和元件没有被描述。因此，以上描述不应被视为限制本文档的范围。
本领域技术人员将理解，当前公开的实施例作为示例而非通过限制进行教导。因此，以上描述中包含的或附图中所示的内容应该被解释为说明性的，而不以限制性意义被解释。下面的权利要求旨在覆盖本文描述的所有一般和特定特征，以及方法和系统的范围的所有陈述，这从语言的角度来说可以说介于它们之间。

Claims (30)

1.一种具有工程化的热路径、电路径或两者的印刷电路板（PCB）；PCB包括：
一层或多层；
在所述印刷电路板的顶表面中的第一腔，其中所述第一腔填充有第一导热材料；
在所述印刷电路板的底表面中的第二腔，其中所述第二腔填充有第二导热材料；并且，
其中所述第一腔与所述第二腔热连通，电连通，或者既热连通又电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热路径、电路径或两者。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述第二腔具有与所述第一腔相同的尺寸。
3.根据前述权利要求中任一项所述的印刷电路板，其中，所述第二腔具有与所述第一腔不同的尺寸。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述第一腔与所述第二腔邻接。
5.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料选自由铜、银、金、铝和镍组成的组。
6.根据权利要求1所述的印刷电路板，还包括在离散位置处的一个或多个敷镀或填充的通孔。
7.一种PCB组件，包括前述权利要求中任一项所述的PCB和集成电路（IC）的表面贴装技术（SMT）元件。
8.一种印刷电路板（PCB）组件，包括：
PCB，包括具有多个迹线和多个导电焊盘的多层；
表面贴装技术（SMT）元件，安装在所述PCB的第一面上；
在所述印刷电路板的顶表面中的第一腔，其中所述第一腔填充有第一导热材料；以及，
在所述印刷电路板的底表面中的第二腔，其中所述第二腔填充有第二导热材料，其中所述第一腔与所述第二腔热连通，电连通，或者既热连通又电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热路径、电路径或两者。
9.根据权利要求8所述的印刷电路板组件，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料具有相同的成分。
10.根据前述权利要求8至9中任一项所述的印刷电路板组件，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料具有不同的成分。
11.根据权利要求8所述的印刷电路板组件，其中，所述第二腔具有比所述第一腔更大的横截面积。
12.一种用于形成具有工程化的热路径的印刷电路板的方法，所述方法包括：
在所述印刷电路板的顶表面中形成第一腔；
用第一导热材料填充所述第一腔；
在所述印刷电路板的底表面中形成第二腔，其中所述第一腔与所述第二腔热连通，电连通，或者既热连通又电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热路径、电路径或两者；以及，
用第二导热材料填充所述第二腔。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括通过钻孔、铣削或其组合来形成所述第一腔和第二腔。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二腔被形成为具有与所述第一腔不同的尺寸和比所述第一腔更大的横截面积。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二腔被形成为具有与所述第一腔相同的尺寸。
16.根据权利要求12所述的方法，包括在填充所述第一腔之前对所述第一腔进行板面敷镀以及在填充所述第二腔之前对所述第二腔进行板面敷镀。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二腔被形成为与所述第一腔邻接。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括平坦化所述顶表面和所述底表面中的至少一个。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料选自由以下项组成的组：铜，锡，金，银，镍，铝，导电聚合物，导电环氧树脂，非导电聚合物，以及其组合。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料具有相同的成分或不同的成分。
21.一种用于形成具有工程化的热路径的印刷电路板的方法，所述方法包括：
在所述印刷电路板（PCB）的顶表面中形成第一腔；
对所述PCB和所述第一腔进行板面敷镀；
在所述印刷电路板的底表面中形成第二腔；
将光致抗蚀剂掩模施加到所述PCB上以暴露所述第一腔和所述第二腔；和
同时敷镀以用导热材料填充所述第一腔和所述第二腔，其中所述第一腔与所述第二腔热连通，电连通，或者既热连通又电连通，以形成填充的腔结构作为工程化的热路径、电路径或两者。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括通过钻孔、铣削或其组合来形成所述第一腔和第二腔。
23.根据前述权利要求21至22中任一项所述的方法，其中，所述第二腔被形成为具有与所述第一腔不同的尺寸和比所述第一腔更大的横截面积。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第二腔被形成为具有与所述第一腔相同的尺寸。
25.根据权利要求21所述的方法，包括在对所述PCB和所述第一腔进行板面敷镀之前对所述PCB的顶部和底部以及所述第一腔进行化学镀。
26.根据权利要求21所述的方法，包括在同时敷镀以填充所述第一腔和所述第二腔之前对所述PCB的顶部和底部以及所述第一腔和第二腔进行化学镀。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第二腔被形成为与所述第一腔邻接。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括去除所述抗蚀剂并且平坦化所述顶表面和所述底表面中的至少一个。
29.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料选自由以下项组成的组：铜，锡，金，银，镍，铝，导电聚合物，导电环氧树脂，非导电聚合物，以及其组合。
30.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一导热材料和所述第二导热材料具有相同的成分或不同的成分。
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