CN115119382A - 一种电路泄热元件及具有该元件的电路板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电路泄热元件及具有该元件的电路板，电路板包括：电路板主体以及电路泄热元件。电路板主体设有电路，电路包含焊接部；电路泄热元件包含：陶瓷体以及金属层；金属层镀于陶瓷体的一部位，电路泄热元件以金属层焊接于焊接部。因此，来自电路的热从焊接部经由金属层传导给陶瓷体，陶瓷体的其它部位则做为散热用的散热面。借此，可达成利用陶瓷体来直接吸取废热并将废热有效发散的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电路板散热的技术领域，尤其是涉及一种电路泄热元件及具有该元件的电路板。
背景技术
关于电路板，都会电性配置多数电子元件，这些电子元件依功率高低都会产生相应的热，功率愈高所产生的热也愈高，例如CPU(中央处理器)或GPU(图形处理器)即为能产生高热的高功率元件或驱动元件(以下简称高功率/驱动元件)，所以现有电路板都会特别针对这些高功率/驱动元件配置散热器。
然而，除了这些高功率/驱动元件，电路板上还有许多非属高功率的一般功率/驱动元件(以下简称功率/驱动元件)，这些功率/驱动元件所产生的热虽然不如高功率/驱动元件，但仍会产生热，特别是电路板都会被设置在机壳或机柜内，导致机壳或机柜内的环境温度常常因此而升温，现有电路板却未对此设置相应的散热，从而导致这些功率/驱动元件的运作受到影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路泄热元件及具有该元件的电路板。
为了达成上述目的，本发明提供一种电路泄热元件，用于设有焊接部的电路板，所述电路泄热元件包括：一陶瓷体；以及
一金属层，镀于所述陶瓷体的一部位，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于所述焊接部；
其中，从所述焊接部传来的热经由所述金属层传导给该陶瓷体，所述陶瓷体的其它部位则为散热用的散热面。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体具有一第一表面和至少一第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，至少一所述第二表面则为散热用的散热面。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体的所述其它部位进一步形成波浪状。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体的所述部位为一第一表面，所述陶瓷体的所述其它部位包含至少两个第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，各所述第二表面中的至少一个形成波浪状。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位形成有至少一避让缺口，所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位经由形成有至少一所述避让缺口而缩小面积，所述金属层经由镀于已缩小面积的所述部位或所述其它部位上而具有相应的面积大小。
本发明另提供一种具有电路泄热元件的电路板，包括：
一电路板主体，设有一电路，所述电路包含至少一焊接部；以及
至少一电路泄热元件，所述电路泄热元件包含：
一陶瓷体；及
一金属层，镀于所述陶瓷体的一部位，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于所述焊接部；
其中，来自所述电路的热从所述焊接部经由所述金属层传导给所述陶瓷体，所述陶瓷体的其它部位则为散热用的散热面。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体具有一第一表面和至少一第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，至少一所述第二表面则为散热用的散热面。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体的所述其它部位进一步形成波浪状。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体的所述部位为一第一表面，所述陶瓷体的所述其它部位包含至少两个第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，各所述第二表面中的至少一个形成波浪状。
本发明进一步设置为：其中所述电路包含一功率/驱动元件，所述功率/驱动元件具有至少两个接脚，各所述接脚中的至少一个设定为所述焊接部，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于设定为所述焊接部的所述接脚上。
本发明进一步设置为：其中所述电路包含至少两条电路线，各所述电路线中的至少一条设定为所述焊接部，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于设定为所述焊接部的所述电路线上。
本发明进一步设置为：其中所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位形成有至少一避让缺口，所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位经由形成有至少一所述避让缺口而缩小面积，所述金属层经由镀于已缩小面积的所述部位或所述其它部位上而具有相应的面积大小。
本发明进一步设置为：其中所述电路板主体为一硬式电路板或一软式电路板。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
相较于现有技术，本发明具有以下功效：能利用陶瓷体来直接吸取废热并将废热有效发散，使功率/驱动元件的运作不再受废热影响。
附图说明
图1为本发明电路泄热元件的第一实施例的立体图。
图2为本发明依据图1的剖视图。
图3为本发明电路板的局部俯视示意图，显示设有至少两个电路泄热元件。
图4为本发明依据图3的局部侧视示意图。
图5为本发明电路泄热元件的第二实施例的剖视图。
图6为本发明电路泄热元件的第三实施例的侧视图。
图中，100:电路泄热元件
1a,1b,1c:陶瓷体
11:第一表面
12:第二表面
14:避让缺口
16:第二表面
3:金属层
700:电路板主体
7:功率/驱动元件
71,72:接脚
81,82:电路线
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种电路泄热元件及具有该元件的电路板，如图3所示，用于有效发散废热，从而确保电路板上的功率元件或驱动元件7(以下简称功率/驱动元件7。也可用半导体元件来统称功率元件和驱动元件)的运作得以不受废热影响。如图1至图2所示为本发明的第一实施例，如图5和图6所示则分别为本发明的第二实施例和第三实施例。
如图3至图4所示，本发明具有电路泄热元件的电路板包括：至少一电路泄热元件100以及一电路板主体700。
电路板主体700可为一软式电路板或一硬式电路板，本发明对此并未限定。电路板主体700设有一电路(未标示元件符号)，此电路包含复数(即：至少两个)功率/驱动元件7和连接用的复数电路线81、82。
其中的功率/驱动元件7具有复数接脚71、72，这些金属的接脚71、72可为直立连接的直立接脚(图中未示)，也可为如图3所示呈横向连接的横向接脚，在本实施例中则以横向接脚为例进行说明。
其中的这些金属的电路线81、82在本发明并未限定是如何形成，以硬式电路板为例则是以蚀刻等方式形成电路线81、82，但不以此为限。前述功率/驱动元件7连接于电路线81、82。
如图1至图4所示，本发明电路泄热元件100的第一实施例包含一陶瓷体1a和一金属层3。
陶瓷体1a借由射出成型和烧结等制程所制得，因此陶瓷体1a可射出成各种形状，例如：球形体、柱形体、三角形体、梯形体或矩形体等，当然也可射出成任何自订的形状。如图1所示即为矩形体状的陶瓷体1a，矩形体状的陶瓷体1a具有六个表面，这六个表面包含：一个第一表面11以及五个第二表面12。另需说明的是，本发明中的陶瓷体1a所用的陶瓷材料为高比热、高密度的陶瓷材料，且其所制成的陶瓷体1a具有：绝缘、耐高温、具EMI屏蔽功能、热容量高、散热性佳、刚性结构强以及化学性稳定等优点。
金属层3则被镀(例如电镀，但不以此为限)于陶瓷体3的某一部位，例如镀于球形陶瓷体的局部外表面、镀于柱形体的一端或镀于三角形体的底面，在本实施例中则以镀于矩形体状陶瓷体1a的第一表面11为例进行说明。至于陶瓷体3的其它部位则为矩形体状陶瓷体1a的各第二表面12。金属层3例如可为镍锡，但不以此为限。
电路泄热元件100以金属层3借由焊接剂(例如焊锡，但不以此为限)焊接于前述复数接脚71、72中的一接脚72(如图3和图4所示)，使这接脚72被当成前述电路的焊接部；或焊接于前述复数电路线81、82中的一电路线82(如图3所示)，使这电路线82被当成前述电路的焊接部；又或也可将复数电路泄热元件100分别焊接于接脚72和电路线82；其中，本发明被当成焊接部的接脚72，可以是一般功率/驱动元件的接脚72，也可以是高功率/驱动元件的接脚72。换言之，前述被当成焊接部的接脚72和电路线82为原本即已设于电路板主体700上的既有构件，在图式未绘示的其它实施例中，也可进一步在前述电路增设有专供电路泄热元件100焊接的专用焊接部。
借此，来自功率/驱动元件7的热会先传导到各接脚71、72和各电路线81、82，接着经由金属层3将热直接传导给陶瓷体1a吸热(蓄热)，以利用陶瓷体1a所具有的各第二表面12来散热，各第二表面12等同散热面，因此能有效的让功率/驱动元件7所产生的废热经由各第二表面12泄出进而发散，使功率/驱动元件7的运作不再受废热影响。简言之，本发明电路泄热元件100能直接吸出功率/驱动元件7的废热并发散到环境中，使功率/驱动元件7能因此而降温。
需说明的是，前述用以当成焊接部的电路线82，可选择位于功率/驱动元件7旁边的电路线82来焊接电路泄热元件100，但不以此为限。
另需说明的是，由于本发明能直接吸取功率/驱动元件7所产生的废热，并能直接将所吸取的废热给发散到环境中，使功率/驱动元件7的温度能与环境温度产生均化，因此能有效降低功率/驱动元件7的温度，但大环境的环境温度则没什么变化，如此达到均温效果；换言之，本发明具有很强的均温效果，能借由均温来提升功率/驱动元件7的使用寿命。简单来说，本发明因为均温，所以在相同的工作温度下，能够提高功率/驱动元件7的功率；反过来说，在相同的功率下，工作温度较低，所以能够延长功率/驱动元件7的使用寿命。
如图5所示，为本发明电路泄热元件100的第二实施例，第二实施例大致与前述第一实施例相同，差异仅在第二实施例中的陶瓷体1b进一步形成有至少一避让缺口14。
如此一来，在既有的有限空间里，即使遭遇其它元件(图中未示，可为电子元件，也可为机械元件)的干涉而无法设置原有的电路泄热元件100，但在本第二实施例中却能利用避让缺口14来避开其它元件，因此本发明电路泄热元件100的第二实施例特别适用于有限的空间。
值得说明的是，借由在陶瓷体1b的底面形成有如图5所示的两个避让缺口14，以缩小第一表面11的面积，相对也就能以面积相应缩小的金属层3来焊接于前述焊接部，因此特别适合在有限的空间使用而使金属层3免于与其它图中未示的金属物件接触短路。
如图6所示，则为本发明电路泄热元件100的第三实施例，第三实施例大致与前述第一实施例相同，差异仅在第三实施例中的陶瓷体1c的第二表面16不同于第一实施例的第二表面12。
在第三实施例中，陶瓷体1c的第二表面16被进一步设计成波浪状，使其第二表面16的面积大于第一实施例的第二表面12的面积而更有利于散热。较佳而言，则是如图6所示让矩形体状陶瓷体1c的五个第二表面16都形成波浪状，只有第一表面11仍是平面而在镀上金属层3后得能具有利于焊接的效果。
以下针对本发明电路泄热元件100的散热进行说明：
【1】、散热计算-热传导：
(1-1)、热传导：热源传出的热量，持续传出达到温度平衡：
q＝-KA×ΔTΔd
q：热传量(W) K：热传系数(W/m-°K)
T：温度(°K) d：距离(m)
A：垂直于热传方向的截面积(m^2)
其中，热传系数(热传导率)K可不需特别计较，只要K值大于10的材料，即可以不用去计算。以下第(1-3)点所举的6个例子所用的材料，其K值都大于10。
(1-2)、另种表示法：吸热材料吸收热量，达到温度平衡：
Cp：比热(jol/g.°K) ΔT：温度差(°K)
(注：Jol为焦耳的英文的简称)
(1-3)、举例说明(含单位换算)：
阳极后的纯铝(Al)，比热C为0.9，比重为2.7g/cm^3
氧化铝(Al2O3)，比热C为0.875，比重为3.9g/cm^3
受热后两者的温度都由20℃上升到75℃，则两者的单位体积cm^3吸热量各为：
1.铝Al：0.9×2.7×55＝133.65jol(31.9卡或0.0371W)
2.氧化铝Al2O3：0.875×3.9×55＝188.1jol(44.9卡或0.0523W)
在相同条件下，通用的散热或高热导材料所吸收的热量如下：
3.铜Cu：Q＝0.385×8.96×55＝189.7jol(43.4卡或0.0527W)
4.银Ag：Q＝0.234×10.49×55＝134.9jol(32.3卡或0.0341W)
5.铁Fe：Q＝0.461×7.87×55＝199.5jol(47.7卡或0.0554W)
6.ATZ(氧化铝-氧化锆复合材料,ATZ陶瓷)：Q＝0.89×4.05×55＝198.2jol(47.4卡或0.0551W)
由上述第3、5、6点可知，ATZ陶瓷的吸热量几乎与铁相同且又优于铜；再者，ATZ陶瓷为绝缘体，铁和铜则皆为导体。ATZ陶瓷具有吸热量高且又是绝缘体的双重优点。
需说明的是，若以实用性进行计算到体积mm^3，则上述第6点ATZ的吸热量＝0.0000551W。
【2】、散热计算-热对流：
(2-1)、热对流：热源体与散热体因空气流动，对周围环境释出(或吸收)的热，与物体表面积成正比。
q′＝h×(Tw-Ta)； Q＝h×A×(Tw-Ta)
q′：热流密度(W/m^2) Q：面积A上的传热热量
Tw：固体表面温度(°K) A：接触流体的壁面面积(m^2)
Ta：流体温度(°K) h：表面对流热传系数(W/m^2*K)
(2-2)、实际应用单位：
1.h(表面对流热传系数)：静态＝0～5；一般＝8～10；强制:>15
2.面积：mm^2＝0.000001m^2
3.1jol＝0.239卡；1卡＝0.00116W(或1W＝860卡)
(2-3)、热对流举例说明：
一物体接触流体的总壁面为1m^2，其热流产生的热对流(热导率)为8W/m^2×K；热源温度恒定在75℃(348°K)，而环境温度为20℃(293°K)，则其所散掉的热为：
Q＝h×A×(Tw-Ta)
＝8×1×(348-293)＝440W
以实际的电子元件与电路环境来看，表面积为mm^2，因此热对流的散热是0.00044W/mm^2。
【3】、散热计算-热辐射：
(3-1)、热辐射：物源体与散热体的表面温度与周围环境的差异，产生热辐射，与绝对温度差(°K)的四次方相关；也与物体表面积(A)相关。
q〞：热辐射通量 Q：辐射热总量(W)
σ：Stph-Bog Const.(5.67x10^-8W-m^2×°K^4)
Tw：物体表面温度(°K) Ta：环境温度(°K)
(3-2)、常见物体表面放射率：
一般铝:0.1；阳极铝:0.9；抛光铜:0.04
氧化铜:0.8；红砖:0.85；水泥:0.9
漆:0.9；ATZ:0.9
(3-3)、热辐射举例说明：
一物体接触空气的总壁面为1m^2，该材料的表面放射率为0.9；热源温度恒定在75℃(348°K)，而环境温度为20℃(293°K)，则其散掉的热为：
以实际的电子元件与电路环境来看，表面积为mm^2，而材料放射率为0.9，因此热辐射的散热是0.000373W/mm^2。
总结前述三种散热计算：在同一材料且相同条件的比较之下，前述【1】、热传导(吸热)：ATZ＝0.0000551W，前述【2】、热对流(散热)：ATZ＝0.00044W，前述【3】、热辐射(散热)：ATZ＝0.000373W。因此，比较这三种散热计算可知，ATZ陶瓷的散热能力(第【2】种的热对流的散热+第【3】种的热辐射的散热)远高于ATZ陶瓷的吸热能力(第【1】种的吸热量)，从而证明ATZ陶瓷确实可以进行散热，也就是，本发明电路泄热元件100确具有能将废热有效发散的散热效果。
综上所述，本发明电路泄热元件及具有该元件的电路板，确可达到预期的使用目的，并解决现有技术的缺失，完全符合发明专利申请要件，依据专利法提出申请，敬请详查并赐准本案专利，以保障发明人之权利。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种电路泄热元件，用于设有焊接部的电路板，其特征在于：所述电路泄热元件包括：
一陶瓷体；以及
一金属层，镀于所述陶瓷体的一部位，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于所述焊接部；
其中，从所述焊接部传来的热经由所述金属层传导给该陶瓷体，所述陶瓷体的其它部位则为散热用的散热面。
2.如权利要求1所述的电路泄热元件，其特征在于：其中所述陶瓷体具有一第一表面和至少一第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，至少一所述第二表面则为散热用的散热面。
3.如权利要求1所述的电路泄热元件，其特征在于：其中所述陶瓷体的所述其它部位进一步形成波浪状。
4.如权利要求3所述的电路泄热元件，其特征在于：其中所述陶瓷体的所述部位为一第一表面，所述陶瓷体的所述其它部位包含至少两个第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，各所述第二表面中的至少一个形成波浪状。
5.如权利要求1所述的电路泄热元件，其特征在于：其中所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位形成有至少一避让缺口，所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位经由形成有至少一所述避让缺口而缩小面积，所述金属层经由镀于已缩小面积的所述部位或所述其它部位上而具有相应的面积大小。
6.一种具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：包括：
一电路板主体，设有一电路，所述电路包含至少一焊接部；以及
至少一电路泄热元件，所述电路泄热元件包含：
一陶瓷体；及
一金属层，镀于所述陶瓷体的一部位，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于所述焊接部；
其中，来自所述电路的热从所述焊接部经由所述金属层传导给所述陶瓷体，所述陶瓷体的其它部位则为散热用的散热面。
7.如权利要求6所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述陶瓷体具有一第一表面和至少一第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，至少一所述第二表面则为散热用的散热面。
8.如权利要求6所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述陶瓷体的所述其它部位进一步形成波浪状。
9.如权利要求8所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述陶瓷体的所述部位为一第一表面，所述陶瓷体的所述其它部位包含至少两个第二表面，所述金属层镀于所述第一表面，各所述第二表面中的至少一个形成波浪状。
10.如权利要求6所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述电路包含一功率/驱动元件，所述功率/驱动元件具有至少两个接脚，各所述接脚中的至少一个设定为所述焊接部，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于设定为所述焊接部的所述接脚上。
11.如权利要求6所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述电路包含至少两条电路线，各所述电路线中的至少一条设定为所述焊接部，所述电路泄热元件以所述金属层焊接于设定为所述焊接部的所述电路线上。
12.如权利要求6所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位形成有至少一避让缺口，所述陶瓷体的所述部位或所述其它部位经由形成有至少一所述避让缺口而缩小面积，所述金属层经由镀于已缩小面积的所述部位或所述其它部位上而具有相应的面积大小。
13.如权利要求6所述的具有电路泄热元件的电路板，其特征在于：其中所述电路板主体为一硬式电路板或一软式电路板。
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Citations (5)
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2021
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