CN1387746A - 一种印刷电路板装置 - Google Patents

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Abstract

一种作为DC－DC变换器的PCB装置(1),包括单层板(2),用于安装作为高发热元件(3)的功率半导体元件和构成散热元件(4)的磁材料的多个磁芯。导热耦合材料(6)的印制线位于每个发热元件(3)的上方或下方,并且伸入散热元件(4)和发热元件(3)中的一个。在一个实施例中,发热元件(3)被容纳在散热元件(4)内。在另一种PCB装置中,具有附加的插入式PCB,其本身可以具有发热元件(3)或只具有散热元件(4)。在后一种情况下,发热元件(3)被安装在附加的插入式PCB的下方的PCB装置上。

Description

一种印刷电路板装置
前言
本发明涉及一种印刷电路板(PCB)装置，其包括具有不同的热特性的，即在PCB的操作范围内，具有不同的相对发热和散热性能的多个元件。此外，本发明尤其涉及提供用于功率变换的PCBs，它们被用于DC-DC或者AC-DC的功率变换器。
当前制造的多数功率变换产品使用在PCB上通孔安装的元件，其中或者使用用于单个器件或器件组的小的散热器，或者使用导热的机械装置使这种散热元件和外部散热器相连，实现主要功率耗散元件的热管理。这种结构工艺不适应现代的自动制造技术，并且体积效率低，这是因为由其功率耗散元件及其散热装置占据相当大的体积。
在最近的装置中，如在市场上的许多DC-DC中功率变换器(一般功率达100W)中那样，绕组和功率器件一道被集成在一个多层的印刷电路板中。这种使用集成的平面磁体的DC-DC变换器由Philip或Synqor公司制造，其中Synqor公司以PowerQorTM为商标出售这种变换器。关于连接这种多层印刷电路板和金属结构的端子的典型例子在美国专利申请号5973923(Jitaru)以及5990776(Jitaru)中披露。这种单板结构技术对于这种中功率的DC-DC变换器是非常实用的，本发明的-元件涉及到这种用于改善在这种模块内以及在其安装装置中的热管理的技术。这些模块直到近来还趋于使用封装的结构，其中主散热元件被封闭地和底板热耦合，在所述底板上可以设置散热器。在许多情况下，可以使用导热材料制成的封装，但是这种方法成本高，可能带来环境问题，妨碍修改，并且即使使用阻挡层，也可能在元件上产生应力。近来习惯借助于利用具有高的操作效率并且不用外部散热器操作的半导体器件开始趋于使用单板开口框架结构。这使得模块内的热管理对于其环境更为关键。
不过，单板结构方法在中功率变换器的情况下需要过大的面积，特别是在AC-DC变换器的情况下，其中最小高度由例如电解电容器的物品来有效确定，所述电解电容器在输入的交流波形的低压部分期间必须存储能量。结果，使用单板多层方法的这种变换器将具有差的体积效率，当然除非几个较低功率的子块被叠置，以便安装在由电解电容器或类似的体积大的元件强加的高度限制内。不过，这种方法会增加成本，因为在每个模块中的开关级必须重复，还有和安装与连接子模块有关的费用，以及和作为整个功率变换模块的一部分的变换器子模块的叠置有关的热管理问题。
例如，在构成功率变换器的一部分的PCB中，任何特定元件的发热将极大地依赖于功率变换模块的操作条件。一般地说，其中导通损耗占优势的元件在规定的范围内在较低输入电压时将产生更多的热量，而其中开关损耗或磁心损耗占优势的元件在较高的输入电压时可能产生较高的损耗。因而，术语“发热”或“散热”在指特定元件的热特性、容量或性能以及在该术语用高、低来限定时，不指绝对的发热或散热性能或能力，而是简单地指其在实际的特定情况下的性能。元件的散热性能较大地依赖于其固有的物理结构。因而，具有暴露表面的大体积的金属元件比小而紧凑的低传导率材料的元件耗散更多的热量。
当元件的结构使得效率更高时，元件操作时所处的操作温度成为更关键。虽然上面讨论的许多方法和技术，例如使用美国专利申请号5075821(Donnel)披露的散热器，认识到需要耗散来自具有高的发热能力的一些元件的热量，但是在此之前对于需要控制磁元件尚未给予足够的注意，不管是常规的磁元件，还是在最佳温度下的平面磁元件。的确，许多在磁元件中使用的铁氧体材料通常被优化为在大约100℃下操作，因而，在一般的环境温度和气流条件下，磁元件并不是在理想的温度下工作。现有技术的许多功率变换模块可以足够地冷却半导体功率元件，但是遗憾的是，这些元件并未在最佳的温度下工作。
本发明旨在解决现有技术的这些和其它的问题，具体地说，本发明提供一种改进的PCB的结构，尤其是提供一种改进的用于功率变换器元件的PCB的结构，还提供一种利用这种PCB的高效的磁元件。
发明内容
按照本发明，提供一种PCB装置，包括具有不同热特性的，即在PCB的操作范围内具有不同的相对的发热和散热特性的多个元件，其中至少一个高发热元件和高散热元件热耦合。用这种方式，可以有效地进行PCB的热性能或PCB产生的热量的管理，这对于功率变换单元是尤其有效的。PCB不再依赖于例如用于耗散来自高发热元件的热量的散热器或其类似物，而是利用高散热元件的散热性能。
最好是，这些元件通过导热耦合材料热耦合，所述材料例如可以和所述的一种或两种元件直接接触。这种导热耦合材料可以被容纳在至少一个元件内。应当理解，这样的优点在于能够实现进一步的散热。
导热耦合材料可以在板上形成附加的印制线或附加的垫料，并且可以形成热通路，此时一个元件在板的一侧，另一个元件在板的相对侧。这些可以是例如由铜制成的附加的导热印制线或垫料，其覆盖用于传输电信号的印制线和垫料，并位于它们的上方。此外，对于一些元件，尤其是具有非平面的元件，适合的导热材料尤其是电绝缘的材料是尤其有用的。的确，在某些情况下，可以把电导体作得比所需的大，以便利用它们的散热性能。
在理想情况下，这些元件在物理上相互接近，其间具有少量空气，并且，在本发明的一个实施例中，发热元件至少部分地被容纳在散热元件内。或者，散热元件可以被安装在发热元件的上方，所述散热元件可以是磁元件。应当理解，磁元件的大的优点在于，其此时接收热量并被加热，从而使铁氧体能够接近其最佳的热操作条件。
在本发明的一个实施例中，磁元件是一种单独的磁表面安装PCB，具有用于在PCB上装配的插入柱。这种表面安装PCB可以是多层电路板。其可以形成功率变换器的一部分，所述功率变换器包括在表面安装PCB的下方的PCB上的功率半导体元件。
在这后一个实施例中，最好用一层适应的导热材料填充表面安装PCB和功率半导体元件之间的空间。
应当理解，在理想情况下，散热元件和一个以上的发热元件热耦合，或者实际上一个以上的发热元件和一个以上的散热元件热耦合。当发热元件和散热元件在PCB的操作范围内具有不同的热特性时，选择用于热耦合的元件，使得在PCB的操作范围内提供最佳的热传递。因而，可能是，两个不同的发热元件和一个散热元件相连，所述散热元件实际上将不在PCB的整个操作范围内，传递给所述散热元件的热量对于随后的耗散具有较大的波动。
此外，本发明提供一种和底部PCB一道使用的磁元件，其包括单独的磁元件表面安装PCB，具有插入柱，用于在底部PCB上安装。
在所述后一个实施例中，表面安装PCB是多层电路板。
此外，本发明提供一种功率变换器，其包括安装在底部PCB上的一个上述的磁元件和功率半导体元件，所述底部PCB最好这样设置，使得表面安装PCB在功率半导体元件的上方。
在所述的后一种功率变换器中，在理想情况下，一层适应的导热材料填充在表面安装PCB的底部和功率半导体元件之间的空间。
本发明的详细说明
由下面仅以举例方式给出的本发明的一些实施例的结合附图进行的说明，可以更清楚地理解本发明，其中：
图1是一个PCB板结构的DC-DC变换器的平面图；
图2是沿图1的箭头II-II的方向取的截面图；
图3是按照本发明的在E芯中的热耦合器的平面图；
图4是图3的热耦合器的侧视图；
图5是按照本发明的被安装在底部PCB上的磁元件表面安装PCB的截面图；
图6是其上安装有功率半导体元件的部分装配的PCB的平面图；
图7是图6的PCB的截面图，表示其中安装的磁元件；
图8表示按照本发明的表面安装PCB的另一种结构；
图9表示按照本发明的磁元件；以及
图10说明按照本发明的表面安装的PCB的另一种结构。
参看附图，首先参看图1和图2，其中提供了一种呈PCB装置1的形式的DC-DC功率变换器模块，包括一层2，安装有功率半导体元件，其构成高发热元件3，以及由磁材料制成的多个磁心，其构成散热元件4。发热元件3通过导热的连接材料6制成的印制线和散热元件4热耦合。在本实施例中，印制线6实际上凸出进入一个散热元件4中，并且位于每个发热元件3的上方或下方，但是和其电气绝缘。其中使用合适的绝缘材料。
参看图3和图4，其中示出了热耦合器，其由标号10表示，具有底部11和叉部12。底部11被弯成曲柄状，使其通过覆盖在合适的发热元件上面和合适的发热元件紧密热耦合，但是不需要和发热元件接触，或者，如果和发热元件接触，则和发热元件绝缘。此时便使得叉部12例如能够凸出进入磁元件的磁心例如E形磁心内，如截面图中标号13所示。热耦合器10可以是金属例如铜带的冲压件，从而使得热量能够沿横向从发热元件3传递到散热元件4。
参看图5，其中和前面的图中相同的元件用相同的标号表示。在本实施例中，PCB板2具有利用常规的板互连柱15在其上安装的散热元件，所述散热元件由用于固定平面铁氧体磁心17的单独的磁的表面安装PCB16构成。一个热耦合板18被插在磁心17和PCB2之间。热通路19互连热耦合板18和发热元件3，在这种情况下，发热元件是功率半导体元件。热通路19被充以合适的导热的耦合材料，并且热耦合板18也类似地用这种材料制造。表面安装PCB16是多层印刷电路板。
现在参看图6和图7，其中和前面的图中相同的元件用相同的标号表示。在本实施例中，示出了一种由磁心20构成的散热元件，在其中容纳着发热元件3。还提供热耦合器21，用于确保发热高的发热元件3和散热高的散热元件，即磁心20热耦合。
现在参看图8，其中和前面的图中相同的元件用相同的标号表示。在本实施例中，表面安装PCB16上面安装有多个发热元件3和由磁心17构成的一个散热元件。也提供有由导热的耦合材料6制成的印制线构成的热耦合器。表面安装PCB16实际上可以是一个整个的功率变换器，此时其可以被容易地安装在PCB装置1上，PCB装置1实际上构成一个基本的PCB，当需要维修时，便将其取下。
现在参看图9，显然可以理解，从磁材料的磁心的一面向磁材料的磁心的另一面的热传递可以通过使用合适的粘结剂紧密地对准磁材料的匹配表面来实现。这一点可以看出，在输送DC偏置电流的电感器和变压器的情况下，可能需要间隙。
图9表示这种磁材料的磁心30，其中一个间隙被充以导热的耦合材料31，所述材料当然差不多是一种适应的材料。在本实施例中，表面安装PCB16是多层印刷电路板，将会看到，其被安装在发热元件3的上方。
图10表示由标号40表示的另一种PCB装置，其中和前面附图中相同的元件用相同的标号表示。在本实施例中，表面安装PCB16又直接在发热元件3或PCB2的上方安装平面铁氧体磁心。
可以理解，发热元件和散热元件不需接触便可以连接。简单地将其置于一起，或者将其一个置于另一个内，如图所示，就足以具有好的导热耦合。显然，使用任何形式的导热耦合材料都是有利的，并且在许多情况下，当具有不平的和不规则的表面和元件时，适应的导热材料尤其是有用的。适应的导热而电绝缘的材料的一种特定的形式是由Bergquist公司以商标GapPad出售的一种材料。元件的紧密对准和元件的正确的选择也是重要的。
通用的铁氧体材料具有5 Wm-1 K-1数量级的热导率。在一种典型的100W的变换器模块中，其中使用两个E22取芯管，其在一侧上具有320mm2的和印刷电路板接触的整个表面，材料厚度为2.5mm，热阻大约为每个表面2K/W。一般具有大约10W的散热，通过使用铁氧体材料作为向外部散热表面传热的热传递介质，显然可以实现较小功率的半导体器件的很有效的冷却。
可以使用热传导的许多其它的形式，例如底板、散热器等，如现有技术所述，不过，它们对于本发明不构成任何基本的要素。按照本发明的装置使得磁元件能够作为热传递装置，传递来自功率半导体元件的热量。
在大等级的变换器模块的情况下，它们一般具有交流输入，实际的高度由能量存储元件例如电解电容器确定。对于可由功率变换模块占据的面积或“足迹”具有相应的约束。在这种情况下，根据成本或体积效率使用其中磁元件被集成在一个多层板结构中的构造技术可能不再是有利的。
在这种情况下，有利的是具有一个底部印刷电路板，例如图10所示，其中功率半导体元件被安装在磁心的下方，并使用热通路散布板内的热量与/或把热量传递到板的下表面。在这种板中层的数量可以是两个或四个，这和一般在平面板内磁绕组的情况中使用的较高的层数相比是相当廉价的。此时可以在模块中的底部印刷电路板的上方设置一种小型的磁元件，其具有作为印刷电路板提供的绕组，或者具有另外一种小型的并通过一个窗口面积的绕组。为了有助于修改和试验，有利的是，使磁装置可以利用插头和插座装置41，如图10所示，被容易地分离。在较小的磁装置的情况下，在模块的底部印刷电路板上使用连接器，并在磁装置中使用具有保持结构的印刷电路板，可以提供满意的机械固定。在较大的磁结构的情况下，这种连接器装置可增加常规的紧固件。
当小型的磁结构被安装在底部印刷电路板的上方时，关于相对于下方元件的布置有几种选择。在需要时，可以利用合适的屏蔽层与/或电绝缘(通常是导热的适应材料或可压缩材料)在直接位于通常使用的磁材料下方的元件之间得到紧密的热耦合。
作为另外一种方案，磁元件可以和底部印刷电路板齐平，或者位于低高度的元件的上方，并且功率半导体元件可以被安装在紧靠连接器的位置，从而填满在大多数平面磁装置中绕组凸出到磁心之外的位置存在的空隙。在这种情况下，为了能够进行向上的热传递，可以使用连接器和电缆，以便实现材料功率耗散，同时使用散热器，以便实现和磁材料的热耦合。
可以采取上述的措施改善磁材料的面对面的导热率，包括在接口上的仔细的热布置，如上所述。
假定在E1结构中设置E64芯，并假定热传递只通过铁氧体进行(即不通过绕组窗口传递)，采用导热率为4Wm-1K-1的铁氧体时的面对面的热阻经计算为3.7K/W。借助于磁窗口的较大的热“填充”并且改善磁材料时，这个数字可以增加，但是这是一个在许多电路配置的情况下可以实现满意的冷却效果的数字。
借助于确保高发热元件和高散热元件实现热耦合，不管它们是通过导热耦合材料直接耦合，还是简单地相互靠近，在某些情况下，它们甚至可能接触，本发明提供了一种改善这些PCBs的热性能的相当简单的方法。附加的导热印制线、垫料、热通路等都可以使用。本发明不以任何方式限制构成PCB的层数或印制线的数目。
此外，应当理解，按照本发明，提供具有用于在底部PCB上安装的插入柱的单独的磁表面安装PCB是特别有利的。通常使用多层电路板提供平面磁体，如果它们需要被更换，只能是带有难度地被更换。散热元件和发热元件将和一个以上元件或其它元件连接和耦合。还应当理解，需要确保在PCB的操作范围内选择具有不同的热性能的发热元件和散热元件，使得确保在整个PCB的操作范围内实现最佳的热管理性能。
应当理解，按照本发明制造的功率变换器在使用时是尤其有利的。
在本说明书中，术语“包括，由......构成”或其任何改变的形式以及术语“包含，被包括”或其任何改变的形式都被认为它们之间是完全可以互换的，并且应当给予这些术语最宽的解释。
本发明不限于上述的实施例，在权利要求书的范围内，可以作出许多改型。

Claims (24)

1.一种印刷电路板(PCB)装置(1)，包括具有不同热特性的，即在PCB的操作范围内具有不同的相对的发热和散热特性的多个元件(3，4)，其特征在于，至少一个高发热元件(3)和高散热元件(4)热耦合。
2.如权利要求1所述的PCB(1)，其中所述元件(3，4)借助于导热耦合材料(6)热耦合。
3.如权利要求2所述的PCB(1)，其中所述导热耦合材料和所述元件中的一个直接接触。
4.如权利要求2或3所述的PCB(1)，其中所述导热耦合材料(6)被容纳在至少一个元件(3，4)内。
5.如权利要求2-4任何一项所述的PCB(1)，其中导热耦合材料(6)在板(2)上形成印制线。
6.如权利要求2-5任何一项所述的PCB(1)，其中导热耦合材料(6)在板(2)上形成垫料。
7.如权利要求2-6任何一项所述的PCB(1)，其中导热耦合材料(6)和在板(2)的一侧上的一个元件(3)以及在相对侧上的另一个元件(4)形成热通路(19)。
8.如权利要求2-7任何一项所述的PCB(1)，其中导热耦合材料(6)是适应的导热材料。
9.如前面任何一项权利要求所述的PCB(1)，其中元件(3，4)在物理上紧密靠近，其间具有很小的气隙。
10.如前面任何一项权利要求所述的PCB(1)，其中发热元件(3)至少局部地被容纳在散热元件(4)内。
11.如前面任何一项权利要求所述的PCB(1)，其中散热元件(4)被安装在发热元件(3)的上方。
12.如前面任何一项权利要求所述的PCB(1)，其中散热元件(4)是磁元件。
13.如权利要求12所述的PCB(1)，其中所述磁元件是单独的磁表面安装PCB(16)，具有插入式互连柱(15)，用于在板(2)上安装。
14.如权利要求13所述的PCB(1)，其中所述表面安装PCB(16)是多层电路板。
15.如权利要求13或14所述的PCB(1)，其中所述表面安装PCB(16)形成功率变换器的一部分，所述功率变换器包括在表面安装PCB(16)的下方的板(2)上安装的功率半导体元件。
16.如权利要求15所述的PCB(1)，其中一层适应的导热材料(18)填充在表面安装PCB(16)的底部和功率半导体元件之间的空间。
17.如前面任何一项权利要求所述的PCB(1)，其中散热元件(4)和一个以上的发热元件(3)热耦合。
18.如前面任何一项权利要求所述的PCB(1)，其中发热元件(3)和一个以上的散热元件(4)热耦合。
19.如权利要求17或18所述的PCB(1)，其中当发热元件和散热元件(3，4)在PCB(1)的操作范围内具有不同的热性能时，选择用于实现热耦合的元件(3，4)，使得在PCB(1)的操作范围内提供最佳的热传递。
20.一种和PCB(1)一道使用的磁元件，其包括单独的磁元件表面安装PCB(16)，其具有插入柱(5)，用于在PCB(1)的板(2)上安装。
21.如权利要求20所述的磁元件，其中所述表面安装PCB(16)是多层电路板。
22.一种功率变换器，其包括如权利要求20或21所述的磁元件和在PCB装置(1)上的功率半导体元件。
23.如权利要求22所述的功率变换器，其中表面安装PCB(16)被设置在功率半导体元件的上方。
24.如权利要求22所述的功率变换器，其中一层适应的导热材料(6)填充在表面安装PCB(16)的底部和功率半导体元件之间的空间。
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