CN1251253A - 用于表面安装的电子器件组件的散热片安装装置 - Google Patents

Abstract

一种用于热偶合散热片到表面安装的生热电子器件组件(16)的安装装置(10)。安装装置(10)主要包括一个生热器件组件、一个安装附件(18)、和一个散热片。安装附件和生热器件组件(16)表面安装到一个PCB或其它基片上,以与基片上的热垫(14)相互进行热交换。安装附件(18)便于有效地消散来自表面安装的生热电子器件组件(16)的热量,同时又允许散热片进行制造后的安装和更换。

Description

用于表面安装的电子器件组件的 散热片安装装置

发明领域

本发明涉及用于把散热片热偶合到表面安装的生热器件的组件的安装装置。更加具体地说，本发明涉及一种可拆卸地固定与生热器件组件热交换的散热片的安装附件，其中，生热器件组件和安装附件都是表面安装到一个印刷电路板或其它基片上的。

发明背景

许多电子器件和电子系统，例如，晶体管、集成电路、功率控制器、开关、微处理器、和类似物，在工作期间都要生热。某些电子器件的性能受到它们排除内部产生的热量的能力的限制。必须从器件排走热量，以避免器件总体或局部热性能变坏或失效。在某些器件中，产生的热量可由外壳、封装，管座，或引线充分耗散掉。另外一些器件则需要附加的装置(如散热片)排走和消散过多的热能。

出于本发明的需要，散热片是金属或类似材料的任何主体，它可与电子系统或其它生热部件进行热交换，以便传送器件内部产生的热量并且通过传导、对流、和/或辐射迅速把热量消耗到周围环境。为此，散热片一般由具有高热传导系数的材料(如铝、铜、及其合金)制成。散热片可由金属板材挤压、加工、模压、切割、或成型而成。电子器件的一般的散热片是通过从生热器件传导带走热量并把这个热量消散进周围空气中而起作用的。因此，一般通过加入叶片或散热刺把散热片成型为具有最大表面面积。表面面积的增加加大了从散热片向周围大气的热消散。

为使散热片有效操作，必须将其固定到生热器件上，或者按其它方式使其与生热器件有良好的热交换。已经使用了各种各样的装置固定散热片以与生热器件组件进行热交换。一种已知的做法是，用导热的环氧树脂、热增强型粘接剂、焊剂、等等直接把散热片粘接到、或按其它方式粘接固定到生热器件组件的预定表面。还可以用安装在散热片上的弹性金属夹，或用可促使散热片和电子器件组件相互接触的螺丝、螺栓、夹子、或其它连接装置利用机械的方法将散热片固定到电子器件组件上。此外，还可以通过一个传热器件、热管、或任何其它从热源向散热片传送热量的装置，把散热片远距离地定位并热偶合到生热器件。

近来，技术的发展允许电子器件在增加功率和速度的同时减小尺寸。性能提高的电子器件的这种微型化的结果是在较小的空间中产生更多的热量，同时电子器件组件的散热的物理结构更小了，并且固定用于散热的散热片的表面面积更小了。可使用传热器来增加传热的表面面积。这样一种传热器用于在比该器件或器件组件大的物理结构上消散电子器件产生的热量，从而使电子器件可在增大的表面面积上散热，或者提供较大的表面面积来固定与电子器件组件进行热交换的较大的散热片。

此外，复杂的现代电子热控制越来越热衷于在印刷电路板(PCB)上或其它基片上的表面安装的电子器件。使用表面安装的PCB是人们所期望的，因为和需要在电路板上把器件插入孔内以便随后进行焊接操作的老的装配工艺相比，制造并填充PCB工艺所需的成本较少，并且所消耗的时间较少。表面安装PCB允许更多地使用自动装配技术。具体来说，在一个自动化的制造过程中，表面安装的电子器件一般来说都是自动地在PCB上拾取、放置、然后再焊接到PCB上的。表面安装技术除了要减小装配成本外，还允许在板上使用的电子器件组件有甚致更大程度的微型化。这些较小的组件进一步减小了器件消散它自身的热量的能力，因而更加需要单独的散热片。然而，较小的组件还使直接固定散热片到电子器件组件上的工作变得越来越困难。

已经提出几种消散来自这些表面安装的电子器件组件的热量的方法。一种普通的作法是使用PCB的接地平面或其它类似的导热区作为传热和散热的主要散热片。虽然这足以消散所生的热量，但一般来说都要求有较大的板空间，因而加大了PCB的尺寸，或者限制了填充PCB的可利用空间，这两者都是不期望的不利的影响因素。

使用较大的器件组件是使用PCB的一部分作为散热片的一个替换方案，从而可以提供较大的表面面积直接从器件组件消散热量。此外，这样一种较大的组件通常可为直接向组件安装一个分开的散热片提供一个改进的装置。然而，使用这种较大的器件组件并且使用分开的散热片通常还是需要相当大的板空间。这也和电子器件微型化的总趋势背道而驰。另一个缺点是，在一个自动化制造过程中，在一般情况下，分开的散热片必须在已经焊接了PCB的绝大部分之后再固定到器件组件上去。该制造过程增加了一个附加的步骤，因而增加了装配时间和成本。

此外，还建议把两种想法组合起来，其中把表面安装的电子器件组件热连接到位于PCB上的一个较小的热平面、热垫、或热台上。然后把散热片焊接到热垫上，与生热器件进行间接地热交换。这一替换方案减小了所用的PCB空间的大小，并且不再需要散热片在PCB上的焊后处理。在1994年11月15日颁布给K.Kent和J.Glomski的题目为“用于可表面安装的功率器件的散热装置“的美国专利5365399中示出了这种技术的一个实例。该方法的一个缺点是基于以下事实：在典型的表面安装焊料制造过程期间，必须限制散热片的尺寸，从而在制造期间可能把散热片加热产生焊料回流。因为限制了散热片的尺寸和质量，所以也限制了散热量。

此外，焊接散热片至PCB上意味着不可能轻易地从PCB上拆除散热片。因此不可能把散热片更换成不同尺寸的散热片。因为根据情况有可能利用不同尺寸的散热片，所以改换散热片的能力是人们所期望的。例如，如木果生热器件产生的热量比预期的要大，或者散热片散热比预期的要小，则可能需要较大的散热片。相反，如果器件产生的热量没有预期的那么多，或者散热片的散热比预期的要多，则可以使用较小的散热片，从而可进一步减小电子器件的尺寸。此外，可能需要不同尺寸的散热片对PCB所在的不同环境进行补尝。例如，温度高并且通风差的环境可能需要较大的散热片。

虽然‘399专利企图增加散热片的延长部分来产生各种尺寸的散热片，但它没有提供解决这个问题的有效办法。‘399专利公开了在散热片主体中的多个槽，其中允许插入弹簧夹散热片延长部分。然而，所公开的弹簧夹延长部分和散热片的热连接相当差，这限制了该散热片延长部分的有效性。此外，必须在散热片延长部分中插入弹簧装置以便把该延长部分固定到散热片上。这就限制了作为散热片的延长部分可能采用的形状、尺寸、和材料。

发明的概述

按本发明，提供一种具有安装附件的新颖散热片安装装置，所说安装附件用于可拆卸地固定散热片到一个PCB或其它基片上，所说PCB或其它基片可与生热器件组件进行良好的热交换。在焊接制造装配过程中，生热器件组件和安装附件表面安装到基片上，而散热片是在PCB制造后安装和更换的。对安装附件进行设计，使其具有较小的质量，因此在制造期间容易加热和焊接到PCB上，同时又允许随后固定各种形状、尺寸、和材料的散热片。

本发明的散热片安装装置包括：一个基片；一个由基片支撑的热垫；一个表面安装在基片上并热偶合到热垫上的生热器件组件；一个表面安装到与热垫热交换的基片上的散热片安装附件，它具有一个由至少一个支撑件支撑在基片上的主体，所说支撑件从主体大致向下延伸，其中支撑件包括从主体延伸的一个支柱，一个从支柱大致垂直延伸的底脚，和大致从底脚向上延伸的弹簧夹；和一个具有至少一个延长部分的散热片，通过滑动延长部分进入支撑件来偏转支撑件的支柱和弹簧夹，使散热片延长部分夹持在支柱和弹簧夹之间，从而使所说散热片热偶合到所说安装附件上。

此外，散热片延长部分可包含大致构成U形结构的支柱、底脚、和弹簧夹，而且支撑件可包括大致平板形的部件，其中：通过滑动支撑件进入延长部分，偏转延长部分的支柱和弹簧夹，使支撑件夹持在它们之间，从而把支撑件热偶合到延长部分。该实施例进一步减小了散热片安装附件的质量和复杂性，使在自动化的焊接制造过程中对PCB进行表面安装更加容易。

在另一个可替换的实施例中，散热片安装装置包括：一个基片；一个由基片支撑的热垫；一个表面安装在具有一个散热薄片的基片上的生热器件组件，生热器件组件热偶合到热垫上；一个表面安装到与热垫热交换的基片上的散热片安装附件，具有一个由至少一个支撑件支撑在基片上的主体，所说支撑件从所说主体延伸；一个从安装附件的主体伸出的突出物，它把安装附件热连接到生热电子器件的薄片；和一个热偶合到安装附件的散热片。

下面参照附图完整地描述本发明的各个实施例。

附图简述

通过参照附图可更加全面地理解本发明。其中：

图1是本发明的安装装置的实施例的透视图；

图2是多个视图，表示本发明的安装附件的顶、正和侧视图；

图3是用于本发明的安装装置的各种散热片的透视图；

图4是本发明的安装装置的一个替换实施例的透视图。

附图的详细描述

现在参照附图，其中类似的符号代表对应的部件。

图1表示按本发明的一个散热片安装装置。如图1所示，安装装置10包括在其上面支撑一个热垫14的基片12。基片12一般是一个PCB，或者是用于表面安装电子器件的某些类似的大致平板状的表面。热垫14一般在基片12的一面上形成，并且由具有高热传导系数的材料(如铜)制成。此外，制造热垫14所用的材料应允许使用焊料、导热环氧树脂、热增强型粘结剂等，以固定与热垫14直接热接触的电子器件，例如还是铜。

一个生热器件组件16表面安装到与热垫14进行热交换的基片12。如图所示，安装的生热器件组件16与热垫14是直接热接触的。在此结构中，热垫14必须足够大，可在生热器件组件16的外部尺寸的以外延伸，以允许安装散热片安装附件18。所示的安装附件18具有两个支撑件，第一支撑件20和第二支撑件22，当然可以使用任何数目的支撑件。第一和第二支撑件20、22支撑大致平行于基片12平面的安装附件18的主体24。安装附件18最好有一个如图所示的带孔的主体24，以减小安装附件的质量，从而使装配过程中的加热和回流焊料很容易。带孔的主体24还为自动设备提供一些孔，以便在装配期间容易拾取和放置安装附件18。如这里所使用的，所述的带孔的主体包括(但不限于)具有缝、孔、洞、槽、沟、口、的主体，或主体中的其它通孔或结构。

形成大致U型结构的安装附件18的第一支撑件20，它包括三个部分：从所说安装附件18的主体24伸出的第一支柱26，从所说第一支柱26大致垂直伸出的第一底脚28，和从所说第一底脚28大致向上伸出的第一弹簧夹30。类似地，还形成大致U形结构的优选的第二支撑件22，它包括按类似方式构成的第二支柱32、第二底脚34、和第二弹簧夹36。焊接支撑件20、22的底脚28、34，使它们在制造装配期间可与热垫14直接热接触。因此，形成的底脚28、34的整体或其一部分必须是可焊接材料，如铜。按另一种方式，还可以用导热环氧树脂或热增强型粘结剂把安装附件18的支撑件20、22粘接固定到热垫上。

每个支撑件20、22的大致U形结构为散热片40的延长部分38形成了一个容器、插座、或座位。通过把散热片40的延长部分38压入支撑件20、22的支柱26、32和弹簧夹30、36之间，就可让散热片40和安装附件18进行热交换。所形成的支撑件20、22的弹簧夹30、36有一角度42，以保证与散热片40的延长部分38的紧密物理接触。支撑件20、22还可有一定的弧度，以保证在支撑件20、22的弹簧夹30、36和散热片延长部分38之间的良好物理接触。类似地，所示的支撑件20、22的支柱26、32也有一定角度44，以保证与散热片延长部分38有良好的物理接触。支柱26、32也可以形成有一定弧度。支柱26、32或弹簧夹30、36还可以加大附加的角度，以便为接触散热片40的延长部分38增大表面面积。通过加大在支撑件20、22和散热片延长部分38之间的接触表面面积，就可安装附件18到散热片40建立一个较大的热通路，因而可从安装附件18向散热片40更加有效地传送热量。如这里所使用的，“热通路“指的是从生热器件16向散热器件40传送热量的通路或导热材料。

作为上述结构的结果，支撑件20、22在散热片40和热垫14之间提供直接的热连接，而热垫14又与生热器件组件16直接热交换。这就提供了从生热器件组件16到散热片40的一个有效的热通路，同时还允许对散热片进行制造后的安装和更换。应当说明，可使用任何数目的配接的支撑件20、22和散热片延长部分38来热连接散热片40。

可在安装装置10中加入一个锁紧机构以保证散热片不会从安装附件上脱离。通过在散热片延长部分38中加入配件46并在支撑件20、22中加入配接的锁销48，就可获得一个简单的可拆卸的锁紧机构。当把散热片延长部分38插入支撑件20、22中时，锁销48接合配件46，从而使散热片40可拆卸地固定安装附件18。本发明旨在散热片40和安装附件18上使用任何数目的其它配接的配件，其中包括槽、孔、口、沟、销、柱、闩、等。

图2表示安装附件18的一个实施例的多个视图。具体来说，图2A表示顶视图，图2B表示前视图，图2C表示侧视图。如图2A所示，安装附件18有一带孔的主体24。在主体24中加入的孔有助于安装装置10的自动化装配。此外，带孔的主体24减少了安装附件18的质量，便于安装附件18的加热，以便在装配期间进行回流焊料。但应该说明，在主体24中支撑件20、22之间必须留有足够多的材料，以为安装附件18提供足够大的稳定性。此外，当经支撑件20、22把散热片40固定到安装附件18时，通过固定散热片40使其与安装附件18的主体24热接触，还可能利用主体24热偶合散热片40。此外，如果散热片40支撑在安装附件18的主体24上，带孔的主体24在安装附件18的附近向散热片40的底部提供空气流。

图2B表示安装附件18的前视图，其中第一支撑件20和第二支撑件22从安装附件18的主体24大致向下延伸。所形成的大致U型结构的安装附件18的第一支撑件20包括三个部分：从所说安装附件18的主体24大致向下垂直伸出的第一支柱26，从所说第一支柱26大致垂直伸出的第一底脚28，和从所说第一底脚28大致向上垂直伸出的第一弹簧夹30。类似地，还形成大致U形结构的优选的第二支撑件22，它包括按类似方式构成的第二支柱32、第二底脚34、和第二弹簧夹36。所形成的支撑件20、22的弹簧夹30、36有一角度42，以保证与散热片延长部分38的紧密物理接触。弹簧夹30、36还可形成弧度以保证在支撑件20、22的弹簧夹30、36和散热片延长部分38之间的良好物理接触。类似地，所示的支撑件20、22的支柱26、32也有一定角度44，以保证与散热片延长部分38有良好的物理接触。支柱26、32也可以形成有一定角度。为了在装配制造过程中焊接底脚28、34，使其与热垫14直接热接触，必须形成支撑件20、22一个部分50，所说部分50或全部或部分地由可焊接材料(如铜)制成。

图2表示出安装附件18的一些关键尺寸，以构成图1所示的安装装置10。具体来说，安装附件18的高度52，并因此是支撑件20、22的对应高度，必须大于或等于生热电子器件组件16在表面安装到基片12时的高度。如果高度18等于生热电子器件组件16的高度，安装附件18的主体24将直接接触电子器件组件16的上表面。这可能提供从电子器件组件16向安装附件主体24传送热量的一个较大的热通路。另外，如果该高度18大于生热电子器件组件16的高度，这个结构将在安装附件18和器件组件16之间产生空气流，从而增加了由对流冷却散热的表面面积。

类似地，在支撑件20、22之间的安装附件18的宽度54，因此是安装附件18的主体24的对应宽度54，必须大于或等于生热电子器件组件16在表面安装到基片12时的宽度。和高度的情况一样，如果宽度54等于生热器件16的宽度，安装附件18将与器件16直接接触。如果宽度54大于生热器件16的宽度，这个结构将在安装附件18和器件16之间产生空气流，于是为从对流冷却散热增加了表面面积。

图2C表示的是安装附件18和支撑件22的一个侧视图。在这个实施例中，弹簧夹30、36略短于支柱26、32。本发明期望包括弹簧夹30、36高于支柱26、32的一些实施例。

如以上所述，本发明的一个目的是提供后加工安装和更换的不同尺寸和形状的散热片。图3表示出预期的各种形式和形状的散热片40。每个散热片有一个不同的质量或表面面积。通过更换不同质量和表面面积的散热片，可以获得不同的散热速率和散热量。每个散热片40的延长部分38都是插入安装附件18的支撑件20、22中的。所以，可以按任何方式制造散热片40，只要散热片40包含可与安装附件18的支撑件20、22接合的延长部分38就成。制造散热片的方法包括(但不限于)冲压、挤压、模压、切割和成型。所示的各个散热片实施例的延长部分38都为壁或实心叶片形式，但这些延长部分可以是不连续的散热刺，以增加延长部分的柔性，允许安装附件18的支撑件20、22有容差偏差。

图4表示安装装置10的一个替换实施例。基片12、热垫14、生热器件组件16、和大部分安装附件18都和图1所示相同。但安装附件18进一步还包括一个从安装附件18的主体24伸出的突出物56。所形成的突出物56的一部分大致平行于并且靠近生热电子器件16的散热薄片58。突出物56与散热薄片58直接热接触，并可通过焊接固定。为便于制造过程，在突出物56的平行于生热器件组件16的薄片58的部分形成一个开口60，在开口60中可放置焊料源，例如焊珠、焊塞、或焊剂球。当为回流焊剂而加热安装装置10时，开口60中的焊塞将回流，从而把突出物56焊接到生热器件组件16的薄片58上。生热器件组件16的薄片58的尺寸将决定为把突出物56充分固定到薄片58上而又没有任何过多的焊剂溢出的情况下所用的正确的焊剂量。突出物56对生热器件组件16提供附加的热连接，因而增加了从生热器件组件16、通过安装附件18、到用于散热的散热片40的传送热量的热通路。

虽然已经参照具体的实施例具体地表示并描述了本发明，但应理解，在不偏离本发明的构思和范围的条件下还可以进行各种形式上的和细节方面的变化，这些变化都包括在所附的权利要求书的范围内。

Claims (20)

1、一种散热片安装装置，包括：

一个基片；

一个由所说基片支撑的热垫；

一个表面安装到所说基片并热偶合到所说热垫的生热器件组件；

一个安装到所说基片并与所说热垫热交换的散热片安装附件，它具有一个主体，该主体由从所说主体大致向下延伸的至少一个支撑件支撑在所说基片上，所说支撑件包括一个从所说主体伸出的支柱，一个从所说支柱垂直延伸的底脚，和一个从所说底脚大致向上延伸的弹簧夹；和

一个具有至少一个延长部分的散热片，通过滑动所说延长部分使其进入支撑件中来偏置所说支撑件的支柱和所说弹簧夹，使散热片延长部分夹持在所说支柱和所说弹簧夹之间，从而使所说散热片热偶合到所说安装附件。

2、如权利要求1的安装装置，其特征在于：构成所说支撑件，使所说支柱、底脚和弹簧夹形成一个U形的结构。

3、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说基片大致平板形，所说安装附件的主体以大致平行于所说基片平面的方式被支承。

4、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说支撑件的弹簧夹有一定角度，以使当所说散热片插入支撑件时，一部分所说弹簧夹和散热片的延长部分相互接触。

5、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说支撑件的弹簧夹有一定弧度，以使当所说散热片插入所说支撑件时，一部分所说弹簧夹和散热片的延长部分相互接触。

6、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说支撑件的支柱有一定角度，以使当所说散热片插入所说支撑件时，一部分所说弹簧夹和散热片的延长部分相互接触。

7、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说支撑件的支柱有一定弧度，以使当所说散热片插入支撑件时，一部分所说弹簧夹和散热片的所说延长部分相互接触。

8、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说安装附件有一带孔的主体，以允许在装配期间自动拾取和放置安装附件，并减小所说安装附件的质量，因而容易在装配期间进行加热以回流焊剂。

9、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说散热片延长部分在其内部形成一个配件，所说安装附件的支撑件在其内部形成一个配接的锁销，因而，当所说散热片延长部分插入所说支撑件时，所说锁销接合所说配件，把所说散热片固定到安装附件上。

10、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说安装附件的支撑件在其内部形成一个配件，所说散热片延长部分在其内部形成一个配接的锁销，因而，当所说散热片延长部分插入所说支撑件时，所说锁销接合，把所说散热片固定到安装附件上。

11、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说安装附件进一步包括一个从所说安装附件的所说主体伸出的突出物，所说生热电子器件进一步包括一个薄片，其中所说突出物热偶合到所说薄片上。

12、如权利要求11的安装装置，其特征在于：所说安装附件的突出物的一部分基本上平行于所说生热电子器件的薄片。

13、如权利要求1的安装装置，其特征在于：所说散热片的延长部分大致成U形结构的一个支柱、一个底脚、和一个弹簧夹，所说支撑件包括一个大致平板状的部件，通过滑动所说支撑件使其进入所说延长部分来偏置所说延长部分的支柱和弹簧夹，使所说支撑件夹持在所说支柱和所说弹簧夹这二者之间，从而将所说支撑件热偶合到所说延长部分。

14、一种散热片安装附件，用于可拆卸地固定散热片至一个印刷电路板上以与生热电子器件热交换，包括：

一个主体；

一个从所说主体大致向下垂直延伸的支柱；

一个从所说支柱大致垂直延伸的底脚；

一个从所说底脚大致向上垂直延伸的弹簧夹；

其中：所说底脚适于表面安装到位于基片上的一个热垫上，以及

所说支柱和弹簧夹分开一个足够大的距离以接纳来自散热片的一个延长部分，使得所说弹簧夹和支柱加偏压于散热片的延长部分上。

15、如权利要求14的安装装置，其特征在于：所说安装附件的支撑件在其内部形成一个锁销，所说散热片延长部分在其内部形成一个配接的配件，因而，当所说散热片延长部分插入所说支撑件时，所说锁销接合所说配件，把所说散热片固定到安装附件上。

16、如权利要求14的安装装置，其特征在于：所说安装附件的支撑件在其内部形成一个配件，所说散热片延长部分在其内部形成一个配接的锁销，因而，当所说散热片延长部分插入所说支撑件时，所说锁销接合，把所说散热片固定到所说安装附件。

17、如权利要求14的安装装置，其特征在于：进一步包括一个从所说主体伸出的突出物，适于热连接到一个生热电子器件的散热薄片。

18、一种散热片安装装置，包括：

一个基片；

一个由所说基片支撑的热垫；

一个表面安装到所述基片上的生热器件组件，该组件具有散热薄片并热偶合到所说热垫上；

一个表面安装到所说基片并与所说热垫热交换的散热片安装附件，它具有一个主体，该主体由从所说主体延伸的至少一个支撑件支撑在所说基片上；

一个从所说安装附件的主体伸出的突出物，它把所说安装附件热连接到所说生热电子器件的薄片上；和

一个散热片，它热偶合到所说安装附件上。

19、如权利要求18的安装装置，其特征在于：所说安装附件的所说突出物的一部分基本上平行于所说生热电子器件的薄片。

20、如权利要求19的安装装置，其特征在于：基本上平行于所说生热电子器件的薄片的安装附件的所说突出物的所说部分焊接到所说器件组件的所说薄片上。

Images