KR20170117389A - 인쇄 회로 기판 컴포넌트들의 열 관리 - Google Patents

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엘비트 시스템스 엘티디.
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Abstract

제 1 열 관리 접근법은 PCA에 생성된 열을 소산시키기 위해 다수의 에어플로우 채널들을 갖는 에어 플로우 쓰루 냉각 메커니즘을 포함한다. 채널들 중 적어도 하나의 채널을 통과하는 에어 플로우 방향은 채널들 중 적어도 다른 채널을 통과하는 에어 플로우 방향과 상이하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 채널의 에어플로우 입구는 에어플로우 출구에 대하여 오프-액시스이다. 제 2 열 관리 접근법은 비아 균열 또는 PTH 피로를 완화시킴으로써 증간된 내구성을 갖는 PCB의 제조를 포함한다. 적어도 하나의 PCB 층은 3D 우븐 파이버유리 직물로 형성된 베이스 재료, 및 베이스 재료 표면 상에 증착된 전도성 재료로 구성된다. 전도성 PTH는 다수의 PCB 층들의 베이스 재료를 통과하여 연장되고, z-축 방향을 따라서의 베이스 재료의 CTE는 x-축 방향을 따라서의 전도성 재료의 CTE에 실질적으로 일치한다.

Description

인쇄 회로 기판 컴포넌트들의 열 관리
본 발명은 전반적으로 인쇄 회로 기판들 (PCB들) 및 인쇄 회로 어셈블리들 (PCA들)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PCB 또는 PCA와 관련된 열 이슈들의 관리에 관한 것이다.
인쇄 회로 기판들 (PCB들)은 전도성 시트(sheet)들, 전형적으로 구리로부터 에칭된 전도성 트랙들, 패드들 및 다른 피처(feature)들을 이용하여 상이한 전자 컴포넌트들을 전기적으로 연결하고 그리고 기계적으로 지지하기 위해 사용된다. 이들 구리 시트들은 전형적으로 비-전도성 기판상에 라미네이트(laminate)된다. 또한 인쇄 와이어링 보드들 (PWB들)로 불리우는 PCB들은 단일 측면인(single sided)(하나의 전도성 층을 갖는), 양쪽 측면인 (두개의 전도성 층들), 또는 심지어 다중-층일 수 있다.
PCB 기판 재료들을 선택할 때, 재료의 기계적, 전기적, 화학적, 및 열적 특성들이 고려되어야 한다. 커머셜 애플리케이션들을 위해 흔히 사용되는 수지는 FR-4인데, 이는 방염(flame resistant)인 에폭시 수지 바인더와 우븐 파이버유리(woven fiberglass)의 합성 재료에 주어진 명칭이다. 다른 두가지-기능성(di-functional) 및 폴리-기능성 에폭시들이 또한 사용될 수 있다. 이들 기판 재료들 (Tg)의 유리 전이 온도(glass transition temperature)들은 전형적으로 125℃ 내지 170℃의 범위에 이른다. 더 높은 Tg (>200℃), 장기간의 열저항, 및 더 낮은 열팽창 계수 (CTE)를 갖는 폴리이미드 수지들이 많은 수의 층들을 갖는 고성능 다중층 PCB들에 대하여 사용된다.
가까운 과거에, 인쇄 회로 어셈블리들 (PCA들)상에 열 부하(heat load)들이 상당히 증가하였고, 일부 경우들에서 대략 30W 내지 130W까지 상승하였다. 표준 VME (Versa Module Europa) 전도 냉각 디자인들 (예컨대 VITA 46/48.2)는 이런 파워 레벨에 대한 적절한 열 소산(heat dissipation)을 제공하기 위해 노력하고, 이용 가능한 ECS (Environmental Control System) 냉각의 양 강하게 의존한다. 대부분의 VME 모듈들은 호스트 PCA 및 하나 또는 두개 메자닌 보드(mezzanine board)들로 구성된다. 과거에, 대부분의 열은 VME 모듈의 호스트 측면상에 응집되었지만, 하지만 요즈음의 메자닌 파워 소산은 그것들의 더 큰 기능성 때문에 상당히 증가하였다. 디자이너들은 대략 50W의 고 전력 소산을 생성할 수 있는 고 전력 중앙 프로세싱 유닛들 (CPU들) 또는 그래픽스 프로세싱 유닛들 (GPU들)을 위치시키기 위해 메자닌 보드들을 사용한다. 팬 냉각 플랫폼들을 위한, 파워 제한들은 컴포넌트들 동작 온도의 증가 때문에 또한 엄격하다. 이들 요인들은 보드들의 신뢰성 및 서비스 수명에서의 감소를 야기할 수 있다.
고 전력 PCA들에 대한 일부 냉각 해결책들이 VITA 48.3 액체 냉각 표준에 설명된다. 그러나, 액체 냉각 해결책들은 그것들은 추가의 아이템들 (예컨대: 액체-공기 열 교환기, 펌프, 체적 보정기(volume compensator), 및 유사한 것)을 필요로 하기 때문에 냉각 시스템의 크기를 상당히 증가시킨다. 고 전력 PCB들을 대한 다른 냉각 해결책들은 VITA 48.5 에어 플로우 쓰루 냉각 (AFTC : Air Flow Through Cooling) 표준에 설명된다. 이런 AFTC 구성은 Biemer et al에 예를 들어 US 특허 번호. 7,995,346 에 개시된 메인 섀시 유닛의 내부 공동을 통과하여 연장된 단일 에어플로우 채널(single airflow channel)을 포함한다. 전자 모듈들이 메인 섀시 유닛내에 봉입되기 때문에, 에어플로우는 모듈 전자 기기들을 공기와의 직접 컨택에 직접 노출시키지 않고 내부 모듈들의 냉각(cooling)을 제공하고, 이는 대기중에 오염 물질들에 대한 노출의 위험을 배제시킨다.
이런 AFTC 구성은 많은 PCA들에 대한 실제 열 파워 요건들을 극복하기 위한 해결책을 제안하였지만, 고 전력 컴포넌트들, 예를 들어, 중앙 프로세싱 유닛들 (CPU들), 그래픽스 프로세싱 유닛들 (GPU들) 및 필드-프로그램 가능한 게이트 어레이들 (FPGA들)의 위치와 같은 보드 디자인을 제한하는 몇몇의 제한들이 잔존한다. VITA 48.5 AFTC는 단일 입구 및 단일 출구를 단일 에어플로우 채널에 의해 특징지어 지기 때문에, 가장 높은 파워 소산의 위치는 입구 영역 근처에 있도록 제약된다. 이 제한은 디자이너에 몇몇의 고 전력 컴포넌트들을 동일한 보드에 추가하도록 강요할 수 있고, 이는 보드상의 열악한 열의 분배로 귀결될 수 있다. 더욱이, 그것은 압력 강하를 야기할 수 있는 열 교환기의 디자인에 영향을 미칠 수 있다. 열 소산을 극복하기 위해서, 열 교환기 밀도는 증가되어야 하고 따라서 채널을 통한 압력 강하는 증가한다. 압력 강하에서의 증가는 냉각 시스템, 항공기 환경 제어 시스템 (ECS : environmental control system), 또는 팬 냉각상에 몇몇의 제한들을 유도한다.
PCB의 상이한 층들상에 도전체들은 “비아(via)들”로 지칭된는 PCB내 홀들로 연결된다. 가장 흔한 유형의 비아는 “도금된 쓰루 홀” (PTH : plated through hole)이고, 이는 다중층 PCB을 통과하는 홀을 드릴링함으로써 형성되고 홀을 전도성 금속, 일반적으로 구리로 전기화학적으로(electrochemically) 도금하여, 층들 사이에 전기적 연결들을 제공한다. 비아들은 여러 가지 구성들로 형성될 수 있다. 흔한 구성은 "스터브 비아(stub via)" 인데, 쓰루 부분은 맨 위 층으로부터 안쪽 층으로 연장되지만, 스터브 부분은 안쪽 층 접합부(junction)로부터 바닥 층까지 이어진다. 대안적으로, 제 1 스터브는 맨 위 층으로부터 제 1 안쪽 신호 층까지 연장되고, 쓰루 부분은 제 2 안쪽 층까지 계속 이어지고, 제 2 스터브는 제 2 안쪽 층으로부터 바닥 층까지 이어진다. "쓰루 비아(through via)"는 기본 구성이고 스터브들이 없고 단지 바깥쪽 층들 사이에 연장되는 쓰루 홀만 있다. "블라인드 비아(blind via)"는 바깥쪽 층에서 발원하여 일부 안쪽 층에서 종단되지만, "매립 비아(buried via)"는 하나 이상의 내부의 층들에만 연결된다 (임의의 바깥쪽 층에 연결 없이). "후면-드릴링된 비아(back-drilled via)"는 상대적으로 두꺼운 PCB들 예컨대 두꺼운 고속 백플레인 디자인들에 사용되는 PTH 비아의 스터브 부분들을 제거하기 위해 후-제조 후면-드릴링 프로세스를 이용하여 형성된다.
PCB 신뢰성과 관련된 한가지 잘 알려진 고장 모드는 비아 균열(cracking) 및 PTH 피로(fatigue)의 현상이다. 비아 균열은 PTH 비아의 구리 도금(대략 17 ppm/℃)과 둘러싸는 기판 재료들 (대략 45-70 ppm/℃) 사이의 열팽창 계수 (CTE)의 면외(out-of-plane)/z-축 불일치(mismatch) 때문에 발생한다. 이 재료 특성 불일치는 온도 편차들 동안에 차동 팽창(differential expansion)으로 그리고 기계적 피로의 결과로서 비아 배럴(via barrel) 및 안쪽 층들에 크랙(crack)들의 형성으로 이어진다. 열 사이클링(thermal cycling)에 노출된 때, 개시된 비아 크랙들은 구리 도금된 배럴을 따라서 전파될 수 있고 점차적으로 확장되어, 성능저하(degradation) 및 최종 PTH 고장으로 이어진다. 특별히, 비아 크랙들은 PCB내 전기적 불연속성들에 지속적으로 영향을 미치고, 이는 궁극적으로 전체 PCB기반의 디바이스의 재해적 고장으로 귀결될 수 있다. 이런 고장은 어떤 기술적 필드들, 예컨대 다양한 군대, 항공우주, 자동차, 및 의료 디바이스 애플리케이션들에 특별히 문제가 생긴다. PTH 피로는 다양한 파라미터들, 예컨대: 최대값 및 최소값 온도; PTH 직경; 구리 도금 두께 및 재료 특성들 (예를 들어, 연성, 항복 강도(yield strength); 기판 두께 및 재료 특성들 (예를 들어, CTE, 탄성 계수); 및 구리 도금에 결함들 (예를 들어, 보이드(void)들, 폴드(fold)들, 에칭 피트(etching pit)들)에 의해 영향을 받는다. 관련 기술 분야에서 알려진 비아 크랙들을 갖는 도금된-쓰루 홀 비아(plated-through hole via)의 단면의 개략적인 예시인 도 1에 대한 참조가 이루어진다.
많은 간행물들 및 산업 접합 결과들은 열의 사이클 신뢰성에 영향을 미치는 핵심 파라미터들을 커버한다. 스트레인 축적(strain accumulation)은 각각의 열 사이클 과도출력(thermal cycle excursion)에서 유도되는 스트레인 레벨에 의존한다. 유용한 PCB 수명 사이클 (즉, 고장 전에 열 사이클들의 수)을 증가시키기 위한 몇몇의 알려진 접근법들이 있다. 한가지 접근법은 보드 두께와 PTH 직경간의 비율로서 정의되는 PTH 종횡비(aspect ratio)를, 예를 들어 약 5:1보다 작게 줄이는 것이다. 적은 종횡비가 적을 수록, 비아 길이 전체에 걸친 도금은 더 변함이 없다. 큰 종횡비 비아들은 배럴(barrel)의 중심에 비교하여 각각의 단부에서 더 큰 도금 두께를 갖는 경향이 있어서, 이는 납땜할 때 z-축 팽창 때문에 배럴들을 통하여 크랙될 가능성을 증가시킨다. 그러나, PTH 종횡비를 줄이는 고밀도 상호연결 (HDI : High Density Interconnect) PCB 디자인들의 현재 시대에 극도로 어렵다(불가능하지 않다면). 다른 접근법은 구리 (Cu) 도금 두께를 증가시키는 것으로, 그렇게 함으로써 전파될 비아 크랙에 대한 스페이스를 증가시킨다. 그러나, 두께는 결함들 (예컨대 Cu 도금에 보이드들) 때문에 스트레스 상승자(stress riser)를 줄이는 프로세스에 대하여 최적화되어야 한다. 표준 구리 도금 두께는 대략 25μm이고, 및 약 35μm을 넘는 두께로 증가시키는 것은 제조 관점에서 극도로 어렵다.
추가 접근법은 Cu 포일(foil) 및 라미네이트의 접착력에 대한 테스트 및 개선에 대한 것이다. 이 옵션은 이론적으로 가능할 수 있지만, 입증되지 않은 채로 있다. 또 다른 접근법은 비록 이런 재료는 상업적으로 아직 식별되지 않았지만 더 높은 연성(ductility) 및 더 낮은 강도를 갖는 Cu 재료를 활용하는 것에 대한 것이다. 다른 옵션들은 보드 프로세싱 동안에 열적 쇼크(schock)들을 감소시키거나 배제하는 것 (예컨대 핫-에어(hot-air) 레벨링, 웨이브 납땜(wave soldering), 재작업(rework), 등 전에 미리 가열함으로써), 또는 열 사이클링의 범위를 줄이는 것, 구체적으로 수지의 유리-전이 온도 (Tg) 초과의 온도에 노출을 피하는 것을 포함한다. 이들 옵션들은 보드 프로세싱이 몇몇의 필요한 열적 프로세스들을 필요로 하기 때문에 실행 가능하지 않다.
Kehret et al.에 U.S. 특허 번호. 8,427,828는 전자 컴포넌트들의 적어도 일부와 인클로저의 전면(front surface) 사이의 경로를 제공하는 열적 션트(thermal shunt)를 포함하는 인쇄 회로 기판 모듈을 설명한다. Porecca et al에 U.S. 특허 번호. 8,477,498는 회로 카드와 인클로저 시스템 전도 플로우 경로들을 포함하는 전도-냉각 (conduction-cooled) 장치를 설명한다. Slaton et al.에 U.S. 특허 번호. 8,482,929는 열적 인터페이스 재료와 열적 비아를 통한 PCB로부터 섀시(chassis)까지의 열을 전송하도록 구성된 회로 기판 열 전송을 위한 시스템을 설명한다. McCall et al에 U.S. 특허 번호. 7,459,200는 파이버글래스 파이버들이 2-차원 패턴으로 배치된 회로 기판을 설명한다. Lin et al에 U.S. 특허 번호. 7,973,244는 베이스(base) 위에 놓여진 복수의 우븐 파이버들, 및 신호 트레이스들로 형성된 베이스를 포함하는 인쇄 회로 기판을 설명한다.
“3 차원 우븐 파이버 구조로 형성된 인쇄 회로 기판을 위한 베이스 재료”라는 제목의 Mohamed et al에 U.S. 특허 번호. 6,447,886은 x-y 평면에 크림프-프리 파이버 아키텍처(crimp-free fiber architecture) 및 통합 멀티-층 구조를 갖는 3 차원 직교 우븐 직물로 형성된 베이스 재료로 구성된 인쇄 회로 기판을 개시한다. 베이스 재료는 : 제 1 평면에 제 1 방향을 따라 연장되는 직선 제 1 파이버들의 제 1 계(system), 제 1 평면에 평행인 제 2 평면에 제 2 방향을 따라서 연장되는 직선 제 2 파이버들의 제 2 계, 및 제 1 및 제 2 파이버들을 결합하고 제 1 및 제 2 계들을 통과하는 제 3 방향을 따라서 연장되는 제 3 파이버들의 제 3 계를 포함한다. 제 3 파이버들의 방향은 제 1 및 제 2 파이버들의 개별 방향들에 직교할 수 있다. 충전 재료(filler material), 예컨대 수지는 제 1, 제 2 및 제 3 계들 부분을 코팅한다. 인쇄 회로 기판은 베이스 재료의 표면들에 부착된 하나 이상의 도전층들을 더 포함한다.
“평행 프로세서 구조 및 패키지”라는 제목의 Gall et al에 U.S. 특허 번호. 5,379,193는 인쇄 회로 기판들상에 마운트된 복수의 마이크로프로세서들 및 메모리 모듈들을 갖는 평행 프로세서 패키지에 관한 것이다. 인쇄 회로 기판들은 복수의 회로화된(circuitized) 가요성의 기판들 또는 "플렉스 스트립(flex strip)들" 상에 마운트되고, 이는 상대적으로 강체의 중심 라미네이트 부분을 통하여 별개의 보드들을 연결한다. 중심 라미네이트 부분은 XY 평면 및 Z-축 상호 접속 및 통신 (인터-프로세서, 인터-메모리, 인터-프로세서/메모리 및 프로세서 대 메모리 버싱(bussing)을 제공한다. 데이터 라인들, 어드레스 라인들, 및 제어 라인들로서 평면 회로화(planar circuitization)은 개별 인쇄 회로 기판들상에 있고, 이는 중심 라미네이트 부분에 Z-축 회로화 (비아 및 쓰루 홀들)을 통한 다른 층들의 플렉스(flex)로 통신하고 회로화된 플렉스를 통하여 연결된다.
본 발명의 일 측면에 따라서 호스트-프레임에 마운트되는 적어도 하나의 호스트-보드를 포함하는 인쇄 회로 어셈블리 (PCA)가 제공된다. 상기 호스트-프레임은 상기 호스트-프레임내 체적 공동(volume cavity)을 통하여 정의된 개별 개구들을 통과하여 연장되는 복수의 에어플로우 채널들을 포함하고, 각각의 상기 에어플로우 채널들은 상기 호스트-프레임의 제 1 에지 표면에 적어도 하나의 입구, 및 상기 호스트-프레임의 제 2 에지 표면에 적어도 하나의 출구를 포함한다. 상기 에어플로우 채널들은 상기 호스트-보드에 의해 생성된 열을 소산시키도록 구성된다. 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된다. 상기 제 2 에지 표면에 상기 에어플로우 채널 출구는 상기 제 1 에지 표면에 상기 에어플로우 채널 입구에 직교할 수 있다. 상기 호스트-프레임의 제 1 에지 표면은 제 1 에어플로우 채널의 입구 및 제 2 에어플로우 채널의 출구를 포함할 수 있지만, 하지만 상기 호스트-프레임의 제 2 에지 표면은 상기 제 2 에어플로우 채널의 입구 및 상기 제 1 에어플로우 채널의 출구를 포함할 수 있다. 상기 PCA는 메자닌 프레임에 마운트된 적어도 하나의 메자닌 보드를 더 포함할 수 있고, 상기 메자닌 프레임은 상기 메자닌-보드에 의해 생성된 열을 소산시키도록 구성된 복수의 메자닌 에어플로우 채널들을 포함한다. 상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된다. 상기 PCA는 상기 호스트-보드의 적어도 하나의 감지된 파라미터에 따라 에어플로우 채널의 채널 특성을 선택적으로 조정하도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다. 상기 PCA는 상기 호스트-보드의 파라미터, 예컨대 온도 레벨 또는 전류 부하를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서, 예컨대 열 센서 또는 전류 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라서 호스트-프레임에 마운트되는 적어도 하나의 호스트-보드를 포함하는 PCA를 냉각시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 호스트-프레임내 체적 공동(volume cavity)을 통하여 정의된 개별 개구들을 통과하여 연장되는 복수의 에어플로우 채널들을 이용하여 상기 호스트-보드에 의해 생성된 열을 소산시키는 절차를 포함하고, 각각의 상기 에어플로우 채널들은 상기 호스트-프레임의 제 1 에지 표면에 적어도 하나의 입구, 및 상기 호스트-프레임의 제 2 에지 표면에 적어도 하나의 출구를 포함한다. 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된다. 상기 방법은 상기 호스트-보드의 적어도 하나의 감지된 파라미터에 따라 상기 에어플로우 채널들의 적어도 하나의 적어도 하나의 채널 특성을 선택적으로 조정하는 절차를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 증강된 내구성을 갖는 인쇄 회로 기판 (PCB)이 제공된다. 상기 PCB는 복수의 PCB 층들을 포함한다. 적어도 하나의 PCB층은 수지로 함침된3 차원 (3D) 우븐 파이버유리 직물로 형성된 베이스 재료(base material)를 포함한다. 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 복수의 평행 층들로 배열된 제 1 그룹의 파이버들을 포함하고, 여기서 각각의 층은 제 1 (x-y) 평면에 정렬되고 적어도 제 1 (x-축) 방향을 따라서 연장되는 복수의 파이버들을 포함하고, 여기서 평행 층들은 제 1 (x-y) 평면에 직교하는 제 2 (z-축) 방향을 따라서 배열된다. 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 적어도 상기 제 2 (z-축) 방향을 따라서 연장되는 제 2 그룹의 파이버들을 더 포함하되, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차된다. 각각의 PCB층은 상기 베이스 재료의 표면상에 증착된 전도성 재료의 층, 및 다수의 PCB 층들의 베이스 재료를 통과하여 연장되는 적어도 하나의 전도성 도금된 쓰루 홀 (PTH)을 더 포함한다. 상기 제 2 (z-축) 방향을 따라서의 베이스 재료의 열팽창 계수(CTE)는 상기 제 1 (x-축) 방향을 따라서의 전도성 재료의 CTE에 실질적으로 일치한다. 상기 제 2 그룹의 파이버들은 비-직교하는 제직 패턴으로 예컨대 각진 인터락 제직 패턴 또는 다중층 제직 패턴으로 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차될 수 있다. 상기 제 1 그룹의 파이버들 또는 상기 제 2 그룹의 파이버들은 솔리드 기하학적 구조, 중공 기하학적 구조, 쉘 기하학적 구조, 또는 노달 기하학적 구조를 가질 수 있다. 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 E-글래스 파이버들 또는 FR-4 파이버유리를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 추가 측면에 따라서, 증강된 내구성을 갖는 PCB를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 수지로 함침된 3 차원 (3D) 우븐 파이버유리 직물로 형성된 적어도 하나의 PCB 층을 위한 베이스 재료(base material)를 형성하는 절차를 포함한다. 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 복수의 평행 층들로 배열된 제 1 그룹의 파이버들을 포함하고, 각각의 층은 제 1 (x-y) 평면에 정렬되고 적어도 제 1 (x-축) 방향을 따라서 연장되는 복수의 파이버들을 포함하고, 상기 평행 층들은 제 1 (x-y) 평면에 직교하는 제 2 (z-축) 방향을 따라서 배열된다. 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 적어도 상기 제 2 (z-축) 방향을 따라서 연장되는 제 2 그룹의 파이버들을 더 포함하되, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차된다. 상기 제 2 (z-축) 방향을 따라서의 베이스 재료의 열팽창 계수(CTE)는 상기 제 1 (x-축) 방향을 따라서의 전도성 재료의 CTE에 실질적으로 일치한다. 상기 방법은 베이스 재료의 표면상에 전도성 재료의 층을 증착시키는 단계, 및 다수의 PCB 층들의 베이스 재료를 통과하여 연장되는 적어도 하나의 전도성 PTH 를 형성하는 단계의 절차들을 더 포함한다. 상기 제 2 그룹의 파이버들은 비-직교하는 제직 패턴으로 예컨대 각진 인터락 제직 패턴 또는 다중층 제직 패턴으로 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차될 수 있다.
본 발명은 도면들과 함께 취해진 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완벽하게 이해되고 인식될 것이다:
도 1 은 관련 기술 분야에서 알려진 비아 크랙(via crack)들을 갖는 도금된-쓰루 홀 비아(plated-through hole via)의 단면의 개략적인 예시이다;
도 2 는 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 다수의 에어 플로우 채널들을 갖는 에어 플로우 쓰루 (AFT : air flow through) 냉각 메커니즘을 포함하는 PCA의 사시도 예시이다;
도 3 은 다른 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 수직 입구들 및 출구들을 갖는 복수의 채널들을 갖는 에어 플로우 쓰루 냉각 메커니즘을 포함하는 PCA의 사시도 예시이다;
도 4 는 본 발명의 실시예에 따라 동작하는 비-전도성 기판 재료를 위한 3D 우븐 직물(woven fabric)을 갖는 PCB 제조 프로세스의 개략적인 예시이다;
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 직교하는 제직 패턴(weaving pattern)을 갖는 3D 우븐 직물의 세그먼트의 예시적인 구성의 사시도 예시이다;
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성되고 동작하는 각진-인터락 제직 패턴(angle-interlock weaving pattern) 을 갖는 3D 우븐 직물의 단면 예시이다;
도 5c는 본 발명의 추가 실시예에 따라 구성되고 동작하는 다중층 제직 패턴(multilayer weaving pattern) 을 갖는 3D 우븐 직물의 사시도 예시이다;
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 동작하는 드릴 스미어(drill smear)를 나타내는 직교 위브 패턴 파이버(orthogonal weave pattern fiber)의 분해 조립도의 길이 방향 도면 예시, 및 분해 조립도의 단면도 예시이다;
도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 동작하는 드릴 스미어가 없는 각진 위브 패턴 파이버(angular weave pattern fiber)의 분해 조립도의 길이 방향 도면 예시, 및 분해 조립도의 단면도 예시이다; 및
도 7 은 본 발명의 실시예에 따라 동작하는 IPC-TR-579 고장 모델(Failure Model)을 이용한 상이한 파라미터들을 갖는 PCB 재료들에 대한 평균 피로 수명(mean fatigue lift)의 시뮬레이션 결과들을 도시하는 챠트이다.
본 발명은 인쇄 회로 기판 (PCB) 및/또는 인쇄 회로 어셈블리 (PCA)에 대한 열 관리 접근법들을 제공함으로써 종래 기술의 단점들을 극복한다. 용어들 "인쇄 회로 기판 (PCB : printed circuit board)" 및 "인쇄 와이어링 보드 (PWB : printed wiring board)"는 비슷한 것으로 간주되고 본 출원에서 호환하여 사용된다. 대응하여, 용어들 "인쇄 회로 어셈블리 (PCA : printed circuit assembly)" 및 "인쇄 와이어링 어셈블리 (PWA : printed wiring assembly)"는 비슷한 것으로 간주되고 본 출원에서 호환하여 사용되고, PCA는 보드상에 조립되는 전자 컴포넌트들과 함께 PCB 보드들을 지칭하기 위해 사용된다. 제 1 열 관리 접근법은 PCA에 열 부하를 줄이기 위한 다수의 에어플로우(airflow) 채널들을 갖는 에어 플로우 쓰루 냉각 메커니즘을 포함하고, 채널들 중 적어도 하나의 채널을 통한 에어 플로우 방향은 채널들 중 적어도 다른 채널을 통한 에어 플로우 방향과 상이하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 채널들 중 적어도 하나의 채널의 에어플로우 입구(airflow inlet)는 채널의 에어플로우 출구(outlet)에 대하여 오프-액시스(off-axis) 된다. 제 2 열 관리 접근법은 3D 우븐 직물을 포함하는 PCB를 위한 제조 기술을 포함하고, 이는 비아 균열 또는 PTH 피로의 현상을 완화시키고 PCB의 평균 고장 간격 (MTBF : mean time between failure)을 증가시키는데 도움을 준다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 개별 PCA 보드의 다수의 에어플로우 채널들은 상이한 (예를 들어, 반대) 방향들로 냉각 공기를 보내도록 구성된다. 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 다수의 에어 플로우 채널들을 갖는 에어 플로우 쓰루 (AFT : air flow through) 냉각 메커니즘을 포함하는 전체가 100으로 참조되는 PCA의 사시도 예시인 도 2에 대한 참조가 이제 이루어진다. 인쇄 회로 어셈블리 (PCA) (100)는 호스트-프레임 (102), 호스트-보드 (104), 메자닌(mezzanine)-프레임 (106), 및 메자닌-보드 (108)를 포함한다. 호스트-보드 (104)의 제 1 표면 (예를 들어, "상부 측면(top side)")은 호스트-프레임 (102)의 일 측면에 마운트되거나 고정되지만, 호스트-보드 (104)의 반대 표면 (예를 들어, “하부 측면(bottom side)")은 메자닌-프레임 (106)의 일 측면에 마운트되거나 또는 고정된다. 메자닌-보드 (108)는 메자닌-프레임 (106)의 반대 측면에 마운트되거나 또는 고정된다. PCA (100)는 하우징 또는 섀시내에 봉입될 수 있고, 임의 개수의 프레임들 및 보드들을 포함할 수 있다.
호스트-프레임 (102) 및 메자닌-프레임 (106) 각각은 내부 공동 또는 실질적으로 중공 코어를 포함한다. 호스트-프레임 (102)은 다수의 에어플로우 채널들 (110,112)을 포함한다. 특별히, 호스트-프레임 (102)의 제 1 에지 표면 (111)은 에어플로우 채널 (110)의 입구 (110A)를 포함하고, 호스트-프레임 (102)의 제 2 에지 표면 (113)은 에어플로우 채널 (110)의 출구 (110B)를 포함한다. 에어플로우 채널 (112)의 입구 (112A)는 호스트-프레임 (102)의 제 2 에지 표면 (113)상에 있고, 에어플로우 채널 (112)의 출구 (112B)는 호스트-프레임 (102)의 제 1 에지 표면 (111)상에 있다. 각각의 입구 (110A), (112A) 및 출구 (110B), (112B)는 호스트-프레임 (102)의 개별 에지 표면 (111,113)상에 배치된 적어도 하나의 개구로서 정의된 구멍이다. 따라서, 에어플로우 채널 (110)은 일단상의 입구 (110A)와 타단상의 출구 (110B) 사이에서 호스트-프레임 (102)내에 체적 공동을 통하여 연장된다. 유사하게, 에어플로우 채널 (112)은 입구 (112A)와 출구 (112B) 사이에서 호스트-프레임 (102)내에 체적 공동을 통하여 반대 방향으로 연장된다. 대응하여, 메자닌-프레임 (106)은 에어플로우 채널들 (114,116)을 포함한다. 특별히, 에어플로우 채널 (114)은 제 1 에지 표면 (115)상에 입구 (114A)와 메자닌-프레임 (106)의 제 2 에지 표면 (117)상에 출구 (114B)사이에 메자닌-프레임 (106)의 내부 공동을 통하여 연장된다. 에어플로우 채널 (116)은 제 2 에지 표면 (117)상에 입구 (116A)와 제 1 에지 표면 (115)상에 출구 (116B)사이에 메자닌-프레임 (106)의 내부 공동을 통하여 반대 방향으로 연장된다.
각각의 에어 플로우 채널 (110,112,114,116)은 개별 에어플로우 채널들, 예컨대 내부 핀(fin)들을 따라서 선택된 방향을 따라서 에어 플로우를 보내도록 구성된 적어도 하나의 엘리먼트 또는 메커니즘을 포함할 수 있다. 핀들 (또는 다른 메커니즘)은 다양한 방식들로, 예컨대 PCA의 특정 특성들 및 채널 디자인들에 따라 구성될 수 있다. 두개의 개별 채널들이 단지 예시적인 목적을 위해 본 출원에 도시되었지만 호스트-프레임 (102) 및 메자닌-프레임 (106)은 전체적으로 임의 개수의 (다수의) 에어플로우 채널들을 포함한다는 것에 유의한다. PCA (100)는 다수의 메자닌-보드들 및/또는 다수의 메자닌-프레임을 포함할 수 있고, 추가로 대안적으로 단일 프레임내에 마운트되거나 또는 고정된 다수의 보드들이 있을 수 있다는 것에 또한 유의한다. 예를 들어, 두개의 추가의 메자닌-보드들이 냉각을 위해 호스트-프레임 (102)에 부착되고 호스트-보드 (104)의 반대 측면들상에 마운트될 수 있다(PCA내 총 네개의 메자닌-보드들로 귀결됨).
에어플로우 채널들 (110,112)은 전자 컴포넌트들의 동작 동안에 호스트-보드 (104)의 전자 컴포넌트들에 의해, 특별히 호스트-프레임 (102)내에 에어플로우 채널들 (110,112)에 인접한 호스트-보드 (104)의 영역들상에 배치된 전자 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 소산시키기 위해 공기가 관통하는 것을 허용하는 역할을 한다. 특별히, 공기는 입구 (110A)로 유입되고 호스트-프레임 (102)의 길이를 따라서 채널 (110)을 통과하여 흐르고 출구 (110B)로부터 빠져나감으로써, 채널 (110) 근처에 그리고 채널을 따라서 위치된 호스트-보드 (102)의 전자 컴포넌트들을 냉각시킨다. 유사하게, 공기는 입구 (112A)로 유입되고 호스트-프레임 (102)의 길이를 따라서 채널 (112)을 통과하여 흐르고 출구 (112B)(즉, 에어 플로우 쓰루 채널 (110)에 대하여 반대 방향으로)로부터 빠져나감으로써, 채널 (112) 근처에 그리고 채널을 따라서 위치된 호스트-보드 (102)의 전자 컴포넌트들을 냉각시킨다.
대응하여, 메자닌-프레임 (106)의 에어플로우 채널들 (114,116)은 메자닌-프레임 (106)의 에어플로우 채널들 (114,116)에 인접하여 위치된 호스트-보드 (104)상에 전자 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 소산시킬 뿐만 아니라 메자닌-보드 (108)상에 전자 컴포넌트들에 의해 생성된 열을 소산시키는 역할을 한다. 특별히, 공기는 개별 입구들 (114A), (116A)로 유입되고 메자닌-프레임 (106)의 길이를 따라서 개별 채널들 (114,116)을 통과하여 흐르고 개별 출구들 (114B), (116B)로부터 빠져나감으로써, 채널들 (114,116) 근처에 그리고 채널들을 따라서 위치된 호스트-보드 (102) 및 메자닌-보드 (108)의 전자 컴포넌트들을 냉각시킨다.
PCA (100)는 제 1 에어플로우 채널 출구 (110B) 및 제 2 에어플로우 채널 입구 (112B)는 호스트-프레임 (102)의 하나의 에지 표면 (113)상에 배치되지만, 제 2 에어플로우 채널 출구 (112A) 및 제 1 에어플로우 채널 입구 (110)는 호스트-프레임 (102)의 다른 에지 표면 (111)상에 배치되기 때문에 멀티방향성(multidirectional) 에어플로우 냉각에 의해 특징지어진다. 결과적으로, 냉각 에어는 입구 (110A) (에지 표면 (111)로부터 출구 (110B) (에지 표면 (113)로 제 1 방향 (즉, 도 2에 도시된 대로 왼쪽에서 오른쪽으로)에서 채널 (110)을 따라서 흐르지만, 냉각 에어는 입구 (112A) (에지 표면 (113))로부터 출구 (112B) (에지 표면 (111))로 반대 방향으로 (즉, 도 2에 도시된 대로 오른쪽에서 왼쪽으로) 채널 (112)을 따라서 흐른다. 이런 멀티방향성 AFT 채널 구성은 단방향 에어플로우 냉각을 갖는 AFT 채널 구성에 비교하여 전체 PWA 온도에서의 감소 및 더 균일한 온도 분포를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 에어플로우 채널 출구는 에어플로우 채널 입구에 대한 오프-액시스 정렬(off-axis alignment)로 구성될 수 있다. 다른 본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 수직 입구들 및 출구들을 갖는 복수의 채널들을 갖는 에어 플로우 쓰루 냉각 메커니즘을 포함하는 전체가 120으로 참조되는 PCA의 사시도 예시인 도 3에 대한 참조가 이제 이루어진다. PCA (120)는 호스트-프레임 (122) 및 호스트-보드 (124)를 포함한다. 호스트-보드 (124)의 표면은 호스트-프레임 (122)의 일 측면에 마운트되거나 고정된다. 호스트-프레임 (122)는 호스트-프레임 (122)의 내부 공동을 통하여 연장되는 다수의 에어플로우 채널들 (132,134,136,138,140,142)을 포함하고, 각각의 에어플로우 채널은 "L-형상" 구성으로 정렬된다. 특별히, 호스트-프레임 (122)의 제 1 에지 표면 (126) (예를 들어, "상부 측면")은 개별 에어플로우 채널들 (132,134,136,138,140,142)의 개별 입구들 (132A), (134A), (136A), (138A), (140A), (142A)을 포함한다. 제 1 에지 표면 (126)에 실질적으로 직교하는 호스트-프레임 (122)의 제 2 에지 표면 (128) (예를 들어, "좌측")은 개별 에어플로우 채널들 (132,134,136)의 개별 출구들 (132B), (134B), (136B)을 포함한다. 제 1 에지 표면 (126)에 실질적으로 직교하는 호스트-프레임 (122)의 제 3 에지 표면 (130) (예를 들어, "우측")은 개별 에어플로우 채널들 (138,140,142)의 개별 출구들 (138B), (140B), (142B)을 포함한다. 따라서, 공기는 제 1 축을 따라서 에지 표면 (126) (즉, 상부 측면으로부터)상에 개별 입구로부터 호스트-프레임 (122)으로 진입한 다음 제 1 축과 상이한 제 2 축을 따라서 에지 표면 (128) 또는 (130)상에 개별 출구로부터 (즉, 좌측 또는 우측으로부터) 호스트-프레임 (122)을 빠져나가기 때문에 에어플로우 채널 (132,134,136,138,140,142)을 관통하는 공기는 방향을 바꾸어서 공기는 "L-형상" 패턴으로 흐른다. 공기가 호스트-프레임 (122)의 에어플로우 채널들 (132,134,136,138,140,142)을 관통하기 때문에, 개별 채널들에 인접하여 위치된 호스트-보드 (124)의 전자 컴포넌트들에 의해 생성된 열이 소산된다. 각각의 에어 플로우 채널 (132,134,136,138,140,142)은 개별 에어플로우 채널들을 통과하여 선택된 방향들을 따라서 에어 플로우를 보내도록 구성된 적어도 하나의 엘리먼트 또는 메커니즘 (예컨대 내부 핀들)을 포함할 수 있다. PCA (120)의 "오프-액시스 입구/출구(off-axis inlet/outlet)" 에어플로우 채널 구성은 PCA (100) (도 2)의 평행 에어플로우 채널 구성에 비하여 보드 컴포넌트들의 레이아웃에 관하여 추가의 가요성을 제공할 수 있다는 것이 인식된다. 반면에 단일 직선 에어플로우 채널 (즉, 단일 축 에어 플로우)은 하나의 냉각된 영역과 하나의 냉각되지 않은 (뜨거운) 영역에 의해 특징지어지지만, 오프- 액시스 입구/출구 에어플로우 채널 구성은 디자이너가 두개의 별개의 냉각 영역들 및 두개의 별개의 냉각되지 않은 영역들로 보드를 나누는 것을 허용하여서, 보드상에 집적 회로들의 레이 아웃을 디자인할 때 더 큰 가요성을 제공한다. 예를 들어, 두개의 고 전력 컴포넌트들이 동일한 냉각 상태들을 갖는 호스트-보드 (124)의 각각의 측면상에 위치될 수 있다. 게다가, PCA (120)의 오프-액시스 입구/출구 채널 구성은 더 균일한 온도 분포, 뿐만 아니라 실질적으로 동일한 유량(flow rate)에 대한 더 낮은 압력 강하를 제공할 수 있다.
PCA (100,120)의 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 단일 입구 및 다수의 출구들, 또는 대안적으로, 다수의 입구들 및 단일 출구에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 도 3과 관련하여, 단일 에어플로우 채널은 입구 (132A)로부터 에지 표면 (128) 상에 출구들 (132B) 및 (134B)로 관통하여 연장될 수 있다. 다른 예를 들어, 단일 에어플로우 채널은 입구 (132A)로부터 반대 에지 표면들 (128, 130) 상에 출구들 (132B) 및 (142B)로 관통하여 연장될 수 있어서 "T-형상" 채널 구성으로 귀결된다.
PCA들 (100,120) (도면들 2 및 3)의 다수의 에어플로우 채널들은 단일 에어플로우 채널을 갖는 AFT 냉각 구성에 의해 제공된 것과 비교할 때 더 큰 에어플로우 냉각을 제공한다는 것이 인식된다. 증강된 에어플로우 냉각은 PCA 보드상에서의 온도 분포를 줄이고, 이는 또한 PCA 보드상에 마운트된 전자 컴포넌트들의 양 및/또는 전자 컴포넌트들의 동작 파워 증가를 허용한다. 추가하여, 다수의 에어플로우 채널들은 단일 입구를 갖는 단일 채널을 갖는 경우인 것 보다 파워 분배 및 각각의 입구당 에어플로우의 함수로서 보드상에 열 분배가 더 균일하게 되는 것을 허용한다. 게다가, PCA 디자이너는 보드상에 전자 컴포넌트들, 특별히 고 전력 컴포넌트들의 분배에 관하여 더 큰 가용성이 제공된다. 다수의 에어플로우 채널들은 단일 채널을 갖는 AFT 냉각 구성에 비교하여 각각의 채널에서의 압력 강하에서의 감소로 귀결된다는 것에 또한 유의한다. 더욱이, 복수의 채널들을 갖는 것은 각각의 개별 채널상에서의 열 부하 농도를 줄이고, 따라서 개별 채널상에 열 플럭스 농도(heat flux concentration)를 줄인다. 복수의 채널들은 또한 채널을 관통하여 흐르는 공기 (또는 다른 유동체)의 열 전송 면적을 증가시키고, 채널과 접촉할 수 있는 보드 컴포넌트들의 수, 사이즈 및/또는 동작 파워를 증가시킨다.
본 발명의 추가 실시예에 따라, 채널의 속성 또는 특성을 수정함으로써, 예컨대 채널 입구 및/또는 채널 출구의 개구 직경을 조정함으로싸, 채널 체적을 조정함으로써, 또는 채널을 관통하는 에어플로우 방향을 바꿈으로써 선택적으로 적어도 하나의 에어플로우 채널은 조절될 수 있다. 예를 들어, PCA (100) (도 2)를 참고로 하여, 제어기 (미도시)는 실시간 요건들에 따라 에어플로우 채널 (110,112)의 입구 (110A), (112A) 및/또는 출구 (110B), (112B)의 직경을 조정하도록 구성된다. 예를 들어, 만약 에어플로우 채널 (112) 근처에 또는 그것을 따라서 위치된 호스트-보드 (104)상에 전자 컴포넌트들이 에어플로우 채널 (110) 근처에 또는 그것을 따라서 위치된 컴포넌트에 비교하여 더 많은 열을 생성하고 및/또는 더 큰 파워 부하들로 특징지어지면, 그러면 제어기는 입구 (110A) 및/또는 출구 (110B)의 개구 사이즈를 축소시킬 수 있거나, 또는 대안적으로 또는 추가적으로, 입구 (112A) 및/또는 출구 (112B)의 개구 사이즈를 증가시킬 수 있어서, 더 큰 에어플로우가 채널 (110)을 통하여 보다 채널(112) 통하여 발생할 것이다. 예를 들어, 냉각 공기는 에어플로우 채널 (112)로 완전히 우회될 수 있다. 다른 예에서, 제어기는 예컨대 에어플로우 채널 (110)내 반대 방향으로 흐르는 냉각 공기를 보냄으로써 (즉, 이전 입구 (110A)를 통과한 이전 출구 (110B)로부터), 또는 채널 (110)의 상이한 입구 및/또는 상이한 출구로부터 오프-액시스 에어플로우를 수립함으로써 에어플로우 채널을 통한 에어플로부 방향을 바꿀 수 있다. 에어 플로우 쓰루 채널의 방향은 호스트-보드의 특정 면적상에 열 부하에 증가 또는 축소가 있을 수정될 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 센서 (미도시)에 결합될 수 있고, 센서에 의해 획득된 PCA (100)에 관련된 실시간 피드백에 기초하여 에어플로우 채널 (110,112)의 특성들을 조정할지 여부 또는 어떻게 조정할지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 센서는 호스트-보드 (104) 및/또는 메자닌-보드 (108)의 적어도 하나의 파라미터, 예컨대 온도 레벨 또는 전류 부하 (열 센서 또는 전류 센서를 이용하여)를 검출하도록 구성된다. 제어기는 센서로부터 관련된 파라미터(들)의 표시를 획득하고 (예를 들어, 상이한 보드 컴포넌트들의 실시간 열 레벨 또는 전류 부하), 그런 다음 선택적으로 검출된 파라미터(들)에 따라 적어도 하나의 에어플로우 채널 (110,112)의 특성들을 수정한다 (예를 들어, 적어도 하나의 입구/출구 개구 직경을 줄이거나 또는 증가시킴으로써, 또는 에어 플로우의 방향을 바꿈으로써). 일반적으로, 호스트-프레임 또는 메자닌-프레임을 통과하여 연장되는 에어플로우 채널들의 특성들은 PCA의 실시간 냉각 요건들에 기초하여 선택적으로 조정될 수 있다. 예를 들어, PCA는 각각이 상이한 열 부하들을 갖는 상이한 애플리케이션들과 관련된 다수의 보드들을 포함할 수 있어서, 더 큰 에어 플로우가 더 큰 열 부하들을 갖는 보드들에 인접하여 위치된 에어플로우 채널들을 통과하여 보내진다 (및 반대). 에어플로우 냉각은 또한 전체 PCA 섀시 또는 하우징의 레벨에 기초하여, 예컨대 상이한 프레임 쌍들 또는 보드 쌍들간에 구별하여 공기를 분산시킴으로써 (예를 들어, 비-단방향 에어플로우들을 통하여) 선택적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 제 2 열 관리 접근법에 따라, PCB의 비전도성 기판 또는 베이스 재료는 비아 균열 및 PTH 피로의 현상을 완화시키기 위해 에폭시 수지로 함침된 3D 우븐 직물, 예컨대 3D 우븐 파이버유리로 형성되고, 그렇게 함으로써 PCB 내구성을 증강시킨다. 본 발명의 실시예에 따라 동작하는 비전도성 기판 재료의 3D 우븐 직물로 PCB 제조 프로세스의 개략적인 예시인 도 4에 대한 참조가 이루어진다. PCB 제조 프로세스를 위한 원재료(raw material)들은 유리 직물 (예를 들어, 파이버유리), 에폭시 수지, 및 구리 포일을 포함하고, 여기서 유리 직물은 이하에 추가로 설명되는 3D 우븐 직물이다. 3D 우븐 유리 직물은 수지로 함침되고, 그에 이어서 구리 포일이 위에 놓여지고 함침된 유리 직물과 함께 프레스된다. 이어서, 프레스된 재료는 개별 보드들로 분할된다. 도 4에 도시된 제조 프로세스는 본질적으로 표준 PCB 제조 프로세스이고, 여기서 3D 우븐 유리 직물은 2D 유리 직물 대신에 비-전도성 기판에 대한 원재료들을 위하여 사용된다는 것이 인식될 것이다.
본 발명의 실시예에 따라 구성되고 동작하는 전체가 200으로 참조되는 직교하는 제직 패턴을 갖는 3D 우븐 직물의 세그먼트의 예시적인 구성의 사시도 예시인 도 5a에 대한 참조가 이제 이루어진다. 3D 우븐 직물 (200)은 (202) 및 (204)로 참조되는 제 1 그룹의 파이버들, 및 (206)로 참조되는 제 2 그룹의 파이버들을 포함한다. 제 1 그룹의 파이버들 (202,204)은 다수의 층들로 적층된다. 각각의 파이버 (202)는 x-축 방향을 따라서 연장되고(세로의), 파이버들 (202)의 로우(row)들은 y-축 방향을 따라서 따라서 순차적으로 배열되어, 파이버들 (202)의 각각의 층은 공통 평면 (x-y 평면)에 정렬된다 (순차적인 로우들로). 유사하게, 각각의 파이버 (204)는 y-축 방향을 따라서 연장되고(세로의(lengthwise)), 파이버들 (204)의 로우들은 x-축 방향을 따라서 순차적으로 배열되어 파이버들 (204)의 각각의 층은 동일한 x-y 평면에 또한 정렬된다(순차적인 로우들로). 파이버들 (202,204)의 층들은 x-y 평면에 직교하는 직교 방향 (z-축)을 따라서 배열되거나 또는 적층되어서 x-축 및 y-축 방향을 따라서 연장되고 z-축 방향들을 따라서 배열되는 파이버들의 매트릭스를 형성한다. 제 2 그룹의 파이버들 (206)은 제 1 그룹의 파이버들 (202) 및 (204)과 교차된다(interlaced). 제 2 그룹의 파이버들 (206)은 z-축 방향으로 배열되어, 각각의 파이버 (206)의 길이는 실질적으로 적어도 z-축을 따라서 관통하거나 연장되고 (즉, 그러나 x-축 또는 y-축을 또한 횡단할 수 있다), 반면에 제 1 그룹의 파이버들 (202,204)을 통과하여 교차된다.
3D 우븐 직물은 다양한 파라미터들에 따라 분류될 수 있고: 쉐딩(shedding) 메커니즘들; 제직 프로세스들; 제직 패턴/아키텍처; 기하학적 구조/구조들; 및 꼬임(interlacements) 및 파이버 축을 포함한다. 3D 우븐 직물들의 한가지 분류는 2D 제직 디바이스 상에 교차된 2D 직물을 생성하는 두개의 직교하는 쓰레드들("날실(warp)" 및 "씨실(weft)")의 세트들을 교차하도록 디자인된 통상의 2D 제직 프로세스를 포함한다. 다른 분류는 쓰루-두께(through-the-thickness) 또는 z-축 방향에서의 바인더 날실들 또는 인터레이서(interlacer) 얀으로서 기능하는 추가 셋의 얀(yarn)들을 갖는 쓰레드들 (날실 및 씨실)의 두개의 직교하는 셋들을 교차시키도록 디자인된 통상의 2D 제직 프로세스를 사용한다. 이것은 "다중층 제직(multilayer weaving)"으로 지칭되고 2D 제직 디바이스상에 두개의 셋의 얀들로 구성하는 교차된 3D 직물을 생성한다. 추가 분류는 "2.5D 직물들"로서 알려진 파일 직물(pile fabric)들을 생성하기 위한 세개의 셋의 얀들(접지 날실, 파일 날실, 파일 씨실)을 갖는 통상의 2D 제직 프로세스를 사용한다. 직물은 "털이 많은(hairy)" 직물을 형성하기 위해 인터우븐 파일 쓰레드(interwoven pile thread)들에 의해 연결된 두개의 2D 직물들로 구성한 간단한 3D 위브(weave)를 절단함으로써 제조된다. 이들 2.5D 직물들은 오토클레이브(autoclave)내에서 표준 방식으로, 라미네이트되고 및 경화된 에폭시 수지로 함침된다(impregnate). 또 다른 분류는 날실, 씨실 및 쓰루-두께 (z-축) 방향들에서의 얀들로 비-교차된 직물을 생성하기 위해 세개의 셋들의 얀들을 갖는 통상의 2D 제직 프로세스를 포함한다. 또, 추가 분류는 "직교 제직(orthognal weaving)" 패턴을 생성하기 위해 세개의 직교하는 셋들의 얀들을 교차시키는 3D 제직 프로세스를 사용한다. 제직 쉐드(weaving shed)는 한번에 한 로우(row-wise) 및 한번에 한 컬럼(column-wise)를 동작시킨다. 이것은 전체 세개의 셋들의 직교하는 얀들이 구체적으로 디자인된 3D 제직 기계를 이용하여 교차하는 전체 교차된 3D 직물을 생성한다. 최종 분류는 어떤 교차 (제직(weaving)), 인터로핑(interloping) (니팅(knitting)), 또는 엮기(intertwining) (편조(braiding))도 함께 갖지 않는 세개의 직교하는 셋들의 얀들을 연결하도록 디자인된 비-우븐, 비-교차된 3D 직물 형성 프로세스를 포함한다. 이 직물은 특별한 바인딩(binding) 프로세스에 의해 함께 유지된다.
본 발명의 실시예에 따른, 3D 우븐 직물은 각진 (즉, 비-직교하는) 제직 패턴 또는 아키텍처, 예컨대 도면들 5b 및 5c에 도시된 다중층 및 각도 인터락(interlock) 제직 패턴들에 의해 특징지어진다. 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성되고 동작하는 전체로 210으로 참조되는 각진-인터락 제직 패턴(angle-interlock weaving pattern) 을 갖는 3D 우븐 직물의 단면 예시이다. 도 5c는 본 발명의 추가 실시예에 따라 구성되고 동작하는 전체가 220으로 참조되는 다중층 제직 패턴(multilayer weaving pattern) 을 갖는 3D 우븐 직물의 사시도 예시이다. 직교하는 제직 패턴 3D 직물 (200)은 모두 세개의 주된 방향들에 직선 얀들에 의해 특징지어지고, 따라서 크립핑이 없는 것(non-crimping)이 원해지는 직물들에 대하여 유용하다. 각진-인터락 제직 패턴 3D 직물 (210)은 씨실 얀들은 직선을 유지하지만 날실 얀들은 정의된 깊이로 대각선으로 직물 아키텍처를 관통하도록 지향된 3D 솔리드(solid) 구성이다. 와딩 얀(wadding yarn)들이 고 인장 탄성률(tensile modulus) 및 세기를 달성하기 위해 날실 방향에 추가될 수 있다. 다중층 제직 패턴 3D 직물 (220)은 두개 이상의 층들로 구성된 직물로 귀결된다. 각각의 층은 그것 자체의 위브를 가질 수 있고, 층들은 일체화된(integral) 3D 아키텍처를 형성하기 위해 스티치될 수 있다. 다중층 제직 프로세스는 쓰루-두께 또는 z 방향에서 바인더 날실들 또는 인터레이서 얀들로서 기능하는 추가의 셋의 얀들을 갖는 두개의 셋들의 얀들 (날실 및 씨실)을 교차시키도록 디자인된다. 각진 인터락 제직 패턴 (210) 및 다중층 제직 패턴 (220)은 통상의 2D 제직 기계들, 특별히 셔틀 룸들(shuttle looms)로 생산될 수 있지만, 반면에 직교하는 제직 패턴 (200)는 특별히 디자인된 3D 제직 기계를 필요로 한다는 것에 유의한다.
3D 우븐 직물의 파이버 기하학적 구조 (또는 "구조")는 여러 가지 알려진 기하학적 형태들, 예컨대: 솔리드, 중공, 쉘 및 노달(nodal)에서 선택될 수 있다. 솔리드 기하학적 구조(solid geometry)는 균형잡힌(regular) 또는 테이퍼된(tapered) 기하학적 형상을 갖는 화합물 구조를 가진다. 솔리드 기하학적 구조는 전형적으로 다중층 및 각진 인터락 아키텍처들과 함께 사용된다. 중공 기하학적 구조(hollow geometry)는 고른 표면들 및 고르지 않은 표면들, 및 상이한 레벨들에 멀티-방향 터널들을 갖는 형상을 제공한다. 중공 기하학적 구조는 전형적으로 다중층과 함께 사용된다. 3D-중공 구조는 직물 단면에 구멍들을 가져서, 다중층 제직 패턴은 평평한 표면들을 갖는 중공 구조들 및 물결 모양(wavy) 표면들을 갖는 중공 구조들 둘 모두에 적용될 수 있다. 쉘 기하학적 구조는 구형 쉘들 및/또는 개방 박스 쉘들을 갖는 형상을 가진다. 쉘 기하학적 구조(shell geometry)는 전형적으로 다중층 또는 단일 층 아키텍처와 함께 사용된다. 노달 기하학적 구조(nodal geometry)는 관형 노드들 및/또는 솔리드 노드들을 갖는 형상을 가진다. 노달 기하학적 구조는 전형적으로 다중층 및 각진 인터락 아키텍처들과 함께 사용된다.
비-직교하는 제직 패턴 (예컨대 각진-인터락 또는 다중층) 및 솔리드 파이버 기하학적 구조를 갖는 3D 우븐 직물(woven fabric)로 형성된 PCB에서, 직교하는 제직 패턴을 갖는 3D 우븐 직물로 구성된 PCB에 비교하여 PTH 비아를 드릴링할 때 "드릴 스미어(drill smear)"의 현상이 실질적으로 최소화된다는 것이 주목되어야 한다. 드릴 스미어는 드릴링 프로세스 동안에 발생되는 잔 알갱이(speck)들 및 잔해의 형성에 관한 것이고, 이는 제거하는 것이 어렵고 안쪽 층들에 도전체들을 커버할 수 있고 PCB 전도성을 악화시킬 수 있다. 도면들 6a 및 6b에 대한 참조가 이루어진다. 도 6a는 개시된 기술의 실시예에 따라 동작하는 드릴 스미어(drill smear)를 나타내는 직교 위브 패턴 파이버(orthogonal weave pattern fiber)의 232로 참조되는 분해 조립도의 길이 방향 도면 예시, 및 234로 참조되는 분해 조립도의 단면도 예시이다. 도 6b는 개시된 기술의 실시예에 따라 동작하는 드릴 스미어가 없는 각진 위브 패턴 파이버(angular weave pattern fiber)의 236으로 참조되는 분해 조립도의 길이 방향 도면 예시, 및 238로 참조되는 분해 조립도의 단면도 예시이다. 직교하는 위브 패턴은 임의의 단일 파이버의 단면 섹션은 홀 배럴(hole barrel)을 따라서 직사각형이고, 따라서 구리 도금 연속성은 해롭게 영향을 받기 때문에 드릴 스미어 (예시들 (232) 및 (234)에 도시된)로 귀결된다. 그에 반해서, 임의의 단일 파이버의 단면 섹션은 반-타원형의 형상이기 때문에 각진-위브 패턴 (예시들 (236) 및 (238)에 도시된)을 구현한 때는 드릴 스미어가 실질적으로 없다. 따라서, 각진 (비-직교하는) 위브 패턴을 갖는 3D 우븐 직물에서의 구리 도금 연속성은 대응하는 면적이 필수적으로 각진 2D 직물의 것에 사실상 유사하다.
z-축 파이버들 (206)의 특성들, 예컨대 제직 패턴의 유형 및 (z-축) 파이버들 (206)이 (x-y 평면) 파이버들 (202,204)을 통과하여 교차되는 각도는 특정한 파라미터들 및/또는 PCB의 요건들에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, z-축 교차 각도는 단일 파이버 또는 클러스터를 따라서 드리링할 때 생길 수 있는 드릴링된 홀에서의 결함들 및 PTH 구리 도금에서의 결함들 (예를 들어, 비-균일성, 딤플링(dimpling), 블리스터링(blistering), 등)을 회피하기 위해 약간 90도보다 작은(예를 들어, 75-89 도) 것과 같이 실질적으로 예각이다. 일반적으로, z-축 파이버들 (206)의 특성들을 결정하기 위해 사용되는 예시적인 파라미터들은 : 층들의 수; 직물 밀도; 종횡비; 수지의 유형; 및/또는 구리 도금 후에 결함(defect) 없는 홀을 생성하기 위한 다른 관련 드릴링 파라미터들을 포함한다.
도면들 4, 5a, 5b 및 5c을 다시 참조하여, 전도성 재료의 층은 PCB의 비-전도성 기판의 적어도 하나의 표면 위에 증착되거나 또는 배치되어서, 하나 이상의 전도성 PTH 비아들은 PCB의 상이한 층들을 연결하기 위해 기판을 통과하여 연장된다. 3D 우븐 직물 (200,210,220)는 쓰루-두께 (z-축) 방향으로 배열된 파이버들 (206)을 포함한다. 결과로서, 3D 우븐 직물 (200,210,220)으로 구성된 PCB 기판의 z-축 방향의 열팽창 계수 (z-CTE)는 구리 도금을 통한 PCB의 z-CTE에 실질적으로 일치하고 (예를 들어, 대략 17ppm), 그렇게 함으로써 열 사이클링동안에 PCB 기판의 열팽창을 감소시킨다. 이 방식에서, 비아 균열 (PTH 피로)의 현상은 실질적으로 완화되고, 열 사이클 대 고장의 비율, 또는 "평균 고장 간격(MTBF")은 실질적으로 증가된다 (즉, 2D 우븐 직물로 제조된 기판을 갖는 표준 PCB에 비교하여). 본질적으로, 2D 우븐 직물로 구성된 기판을 갖는 표준 PCB는 적어도 CTE 특성들에 대하여(즉, z-CTE는 x-CTE 및 y-CTE과 실질적으로 상이하다) 이방성(anisotropic)이다 (즉, 방향에 의존하는 재료 특성들). 그에 반해서, 3D 우븐 직물 기반 기판을 갖는 PCB는 CTE에 면에서 등방성 (즉, 모든 방향에서 재료 특성들이 같다)이거나, 또는 각지거나 또는 비-직교하는 3D 직물 제직 패턴들의 경우에 아마도 "준(quasi)-등방성(isotropic)"이어서, z-CTE는 재료의 x-CTE 및 y-CTE에 실질적으로 일치한다. 비교 목적을 위하여, 상업적으로 이용 가능한 2D 우븐 직물에 대한 전형적인 x-CTE 및 y-CTE는 유리 전이 온도 (Tg) 아래에서 대략 17 ppm인데, 반면에 전형적인 z-CTE는 Tg 아래에서 대략 50 ppm이다. 용어 "등방성"은 재료 특성들이 모든 방향들에서 "실질적으로 유사한" (그러나 반드시 "같지는" 않은), 예를 들어 각진(angular) 제직 패턴들 (210,220)의 "준-등방성" 구성을 아우르는 시나리오를 포함하도록 충분하게 광범위한 방식으로 본 출원에서 사용된다.
추가하여, 만약 3D 우븐 직물이 비-직교하는 제직 패턴 (예컨대 패턴들 (210,220))로 특징되면, 3D 우븐 직물 (210,220)의 z-축 파이버들 (206)은 상이한 (비-균일한) 각도들에서 위치된다. 따라서, 비-직교하는 패턴 3D 우븐 직물 (210,220)으로 제조된 PCB 기판은 PTH들이 드리링될 때 전도성 표면과 비전도성 기판 사이에 인터페이스에서 축소된 비-균일성(non-uniformity)에 의해 특징되고, 이는 추가로 드릴링 홀에서 결함들 및 PTH 구리 도금에서 결함들, 예컨대 비-균일성, 딤플링, 블리스터링, 드릴 스미어, 및 유사한 것을 실질적으로 최소화하는 역할을 한다.
3D 우븐 직물 (200,210,220)은 파이버유리, 예컨대 E-글래스 파이버들 또는 FR-4 파이버유리일 수 있다. PCB의 전도성 재료는 예를 들어, 구리 (Cu)일 수 있어서, PCB 기판을 통과하여 연장되는 PTH는 구리-도금된다. PCB는 임의의 구성을 갖는 임의 유형의 비아를 포함할 수 있고, 한정되는 것은 아니지만: 스터브 비아(stub via), 쓰루 비아(through via), 블라인드 비아(blind via), 매립된 비아(buried via), 및/또는 후면-드릴링된 비아(back-drilled via)를 포함한다. 파이버들의 두께는 대략 10-20 μm 사이일 수 있다. 3D 우븐 직물 (200,210,220)은 PCB 제조 프로세스의 함침 단계 (도 4) 동안에 직물 표면에 수지의 흐름 및 그것의 최종 접착력을 개선하기 위해서 표면 처리, 예컨대 프라이머 또는 플라즈마를 옵션으로 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 동작하는 IPC-TR-579 고장 모델(Failure Model)을 이용한 상이한 파라미터들을 갖는 PCB 재료들에 대한 평균 피로 수명(mean fatigue lift)의 시뮬레이션 결과들을 도시하는 전체가 250으로 참조되는 챠트인 도 7에 대하여 이제 참조가 이루어진다. 평균 피로 수명(mean fatigue life)은 고장전에 열 사이클들의 수로서 정의되는데, 여기서 "고장(failure)"는 소정의 테스트 온도에서 최초 저항 측정치를 넘는 PCB의 저항에서의 퍼센티지 증가로 정의된다. 시뮬레이션 계산들은 파라미터들 예컨대: PCB 재료의 유형 및 두께, PTH 사이즈, 및 예상되는 열 환경에 기반된다. 챠트 (250)에서, 모든 시뮬레이션들은 3mm의 두께 및 3447MPa의 PCB 탄성 계수, 하지만 z-CTE의 변화하는 값들 (50ppm/℃; 33ppm/℃; 17ppm/℃)을 갖는 포괄적인 PCB 재료에 기반되었다. 챠트 (250)의 모든 시뮬레이션들은 0.3mm의 PTH 직경, 및 0.025mm의 PTH 벽 두께, 그러나 PTH 품질 인자들의 변화하는 값들 ("불량(poor)" 또는 "양호(good)", 샵 또는 공급자의 기술에 관계하는 IPC-TR-579 고장 모델 표준하에서 정의됨)에 기반되었다. 챠트 (250)의 모든 시뮬레이션들은 -30℃의 최소 온도 및 71℃의 최대 온도에 기반되었다. 시뮬레이션 결과들로부터, 17ppm/℃의 z-CTE를 갖는 PCB재료, 예컨대 본 발명의 실시예에 따른 3D 우븐 직물로 구성된 PCB는 다른 옵션들에 비교하여 "사이클 대 고장" 값이 상당히 더 큰 것으로 귀결됨이 명백하다. 보다 상세하게는, 그 결과로 생긴 3D 직물 보강된 PCB의 사이클 대 고장 값은 "사실상 무한대(virtually infinity)"이어서, 이런 PCB의 내구성 개선은 이방성 CTE 특성들에 의해 특징되는 다른 PCB들에 대비하여 아마도 제한되지 않는 것으로 간주될 수 있다. 추가로 반면에 "양호 품질" PCB은 사이클 대 고장 비율을 두개의 비-3D 직물 기반 PCB들 (즉, "표준" 및 "최상" 해결책들)에 비하여 적어도 10배 만큼 개선시키고, 3D 직물 보강된 PCB의 사이클 대 고장은 PCB 품질이 "불량" 또는 "양호"여부에 관계없이 "사실상 무한대"에 있다는 것에 주목된다. 따라서, 심지어 불량 품질 재료는 3D 우븐 직물 기반 PCB에 대한 평균 피로 수명 및 PCB 내구성에서 본질적으로 제한되지 않은 개선을 제공한다.
PCB 및/또는 PCA에 대한 열 관리를 제공하기 위한 여러 가지 방법들이 상기의 설명으로 기인된다는 것이 인식될 것이다. 열 관리를 제공하기 위한 한가지 이런 방법은 호스트-프레임 및 호스트-프레임에 마운트된 적어도 하나의 호스트-보드를 포함하는 PCA를 냉각하는 방법이다. 방법은 호스트-프레임내 체적 공동(volume cavity)을 통하여 정의된 개별 개구들을 통하여 연장되는 복수의 에어플로우 채널들을 이용하여 호스트-보드에 의해 생성된 열을 소산시키는 절차를 포함하고, 여기서 각각의 채널들은 호스트-프레임의 제 1 에지 표면에 적어도 하나의 입구, 및 호스트-프레임의 제 2 에지 표면에 적어도 하나의 출구를 포함한다. 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된다.
열 관리를 제공하기 위한 다른 이런 방법은 증강된 내구성을 갖는 PCB를 제조하기 위한 방법이다. 방법은 수지로 함침된 3D 우븐 파이버유리 직물로 베이스 재료(base material)를 형성하는 절차를 포함한다. 3D 우븐 파이버유리 직물은 복수의 평행 층들로 배열된 제 1 그룹의 파이버들을 포함하고, 여기서 각각의 층은 제 1 (x-y) 평면에 정렬되고 적어도 제 1 (x-축) 방향을 따라서 연장되는 복수의 파이버들을 포함하고, 여기서 평행 층들은 제 1 (x-y) 평면에 직교하는 제 2 (z-축) 방향을 따라서 배열된다. 3D 우븐 파이버유리 직물은 적어도 제 2 (z-축) 방향을 따라서 연장되는 제 2 그룹의 파이버들을 더 포함하되, 제 2 그룹의 파이버들은 예컨대 비-직교하는 제직 패턴으로 제 1 그룹의 파이버들과 교차된다. 제 2 (z-축) 방향을 따라서의 베이스 재료의 CTE는 제 1 (x-축) 방향을 따라서의 전도성 재료의 CTE에 실질적으로 일치한다. 방법은 베이스 재료의 표면상에 전도성 재료의 층을 증착시키는 단계, 및 다수의 PCB 층들의 베이스 재료를 통과하여 연장되는 적어도 하나의 전도성 PTH 를 형성하는 단계의 절차들을 더 포함한다.
본 발명의 상이한 실시예들은 상호간에 배타적이지 않고 하나 이상의 상이한 측면들을 포함하는 단일 실시예를 형성하기 위해 다양한 조합들로 결합될 수 있다는 것이 인식될 것이다 (예를 들어, 멀티-방향 에어플로우 채널들, 오프-액시스 입구들 및 출구들을 갖는 다수의 에어플로우 채널들, 및 3D 우븐 직물로 구성된 PCB 기판). 예를 들어, PCA들 (100) 또는 (120)의 개별 보드들 (120,122) (멀티-방향 에어플로우 냉각 채널들 및/또는 오프-액시스 에어플로우 채널 입구들/출구들에 의해 특징되는)은 PCB들 (200,210,220)에서 처럼 3D 우븐 직물로 제조될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 다른 유형들의 알려진 내부 또는 외부 냉각원들 또는 열 완화 디바이스들, 예컨대 팬들 또는 열 싱크들과 함께 사용될 수 있거나 또는 그것들과 결합될 수 있다.
관련 기술 분야의 통상의 기술자가 본 발명을 실행하는 것을 가능하게 하기 위해, 개시된 내용의 임의 실시예들이 설명되었지만, 선행하는 설명은 단지 예시적인 것으로 의도된다. 개시된 내용의 범위의 범위를 제한하기 위해 사용되지 않아야 하며, 범위는 이하의 청구항들에 대한 참조에 의해 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 인쇄 회로 어셈블리 (PCA : printed circiut assembly)에 있어서,
    적어도 하나의 호스트-보드(host-board); 및
    호스트-프레임(host-frame)으로서, 상기 호스트-보드는 상기 호스트-프레임에 마운트되고, 상기 호스트-프레임은 상기 호스트-프레임내에 체적 공동을 통하여 정의된 개별 개구들을 통과하여 연장되는 복수의 에어플로우(airflow) 채널들을 포함하고, 각각의 상기 에어플로우 채널들은 상기 호스트-프레임의 제 1 에지 표면에 적어도 하나의 입구, 및 상기 호스트-프레임의 제 2 에지 표면에 적어도 하나의 출구를 포함하고, 상기 에어플로우 채널들은 상기 호스트-보드에 의해 생성된 열을 소산시키도록 구성된, 상기 호스트-프레임을 포함하되,
    상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 :
    i) 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고; 및
    ii) 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된 것으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나에 대하여, 상기 제 2 에지 표면에서 상기 출구는 상기 제 1 에지 표면에서의 입구에 직교하는, 인쇄 회로 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 호스트-프레임의 상기 제 1 에지 표면에 입구 및 상기 호스트-프레임의 상기 제 2 에지 표면에 출구를 포함하는 제 1 에어플로우 채널을 포함하고 상기 호스트-프레임의 상기 제 2 에지 표면에 입구 및 상기 호스트-프레임의 상기 제 1 에지 표면에 출구를 포함하는 제 2 에어플로우 채널을 더 포함하는, 인쇄 회로 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 메자닌-보드(mezzanine-board); 및
    적어도 하나의 메자닌-프레임(mezzanine-frame)으로서, 상기 메자닌-보드 및 상기 호스트-보드는 상기 메자닌-프레임의 개별 표면들에 마운트되고, 상기 메자닌-프레임은 상기 메자닌-프레임내에 체적 공동을 통하여 정의된 개별 개구들을 통과하여 연장되는 복수의 메자닌 에어플로우 채널들을 포함하고, 상기 메자닌 에어플로우 채널들의 각각은 상기 메자닌-프레임의 제 1 에지 표면에 적어도 하나의 입구, 및 상기 메자닌-프레임의 제 2 에지 표면에 적어도 하나의 출구를 포함하고, 상기 메자닌 에어플로우 채널들은 상기 메자닌-보드에 의해 생성된 열을 소산시키도록 구성된, 상기 메자닌-프레임을 더 포함하되,
    상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 :
    i) 상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고; 및
    ii) 상기 메자닌 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된 것으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 어셈블리.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 호스트-보드의 적어도 하나의 감지된 파라미터에 따라 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나의 채널의 적어도 하나의 채널 특성을 선택적으로 조정하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 인쇄 회로 어셈블리.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 채널 특성은 :
    상기 채널 입구 또는 채널 출구의 개구 직경;
    상기 에어플로우 채널의 상기 체적 공동; 및
    상기 채널을 통과하는 에어 플로우의 적어도 하나의 방향으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 어셈블리.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 감지된 파라미터는:
    온도 레벨; 및
    전류 부하로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 어셈블리.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 제어기와 결합된 적어도 하나의 센서를 더 포함하고, 상기 센서는 :
    열 센서; 및
    전류 센서로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 어셈블리.
  9. 호스트-프레임 및 상기 호스트-프레임에 마운트된 적어도 하나의 호스트-보드를 포함하는 PCA를 냉각시키기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은 :
    상기 호스트-프레임내 체적 공동(volume cavity)을 통하여 정의된 개별 개구들을 통과하여 연장되는 복수의 에어플로우 채널들을 이용하여 상기 호스트-보드에 의해 생성된 열을 소산시키는 절차로서, 각각의 상기 에어플로우 채널들은 상기 호스트-프레임의 제 1 에지 표면에 적어도 하나의 입구, 및 상기 호스트-프레임의 제 2 에지 표면에 적어도 하나의 출구를 포함하는, 상기 열을 소산시키는 절차를 포함하되,
    상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 :
    i) 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 제 1 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고, 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 다른 하나는 상기 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서 에어 플로우를 보내도록 구성되고; 및
    ii) 상기 에어플로우 채널들 중 적어도 하나는 그것의 적어도 하나의 출구에 대하여 오프-액시스(off-axis)인 적어도 하나의 입구를 갖도록 구성된 것으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 호스트-보드의 적어도 하나의 감지된 파라미터에 따라 상기 에어플로우 채널들의 적어도 하나의 적어도 하나의 채널 특성을 선택적으로 조정하는 절차를 더 포함하는, 방법.
  11. 증강된 내구성을 갖는 인쇄 회로 기판 (PCB)으로서, 상기 PCB는 복수의 PCB 층들을 포함하고, 상기 PCB 층들 중 적어도 하나는 :
    수지로 함침된 3 차원 (3D) 우븐 파이버유리 직물(woven fiberglass fabric)로 형성된 베이스 재료(base material)로서, 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 :
    복수의 평행 층들로 배열된 제 1 그룹의 파이버들로서, 각각의 층은 제 1 (x-y) 평면에 정렬되고 적어도 제 1 (x-축) 방향을 따라서 연장되는 복수의 파이버들을 포함하고, 상기 평행 층들은 제 1 (x-y) 평면에 직교하는 제 2 (z-축) 방향을 따라서 배열되는, 상기 제 1 그룹의 파이버들; 및
    적어도 제 2 (z-축) 방향을 따라서 연장되는 제 2 그룹의 파이버들로서, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차되는, 상기 제 2 그룹의 파이버들을 포함하는, 상기 베이스 재료;
    상기 베이스 재료의 표면상에 증착된 전도성 재료의 층; 및
    복수의 상기 PCB 층들의 상기 베이스 재료를 통과하여 연장되는 적어도 하나의 전도성 도금된 쓰루 홀 (PTH : plated through hole)로서, 상기 제 2 (z-축) 방향을 따라서의 상기 베이스 재료의 열팽창 계수 (CTE)는 상기 제 1 (x-축) 방향을 따라서의 상기 전도성 재료의 CTE에 실질적으로 일치하는, 상기 전도성 도금된 쓰루 홀을 포함하는, 인쇄 회로 기판.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 비-직교하는 제직 패턴으로 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차되는, 인쇄 회로 기판.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 비-직교하는 제직 패턴(weaving pattern)은:
    각진 인터락 제직 패턴(angle interlock weaving pattern); 및
    다중층 제직 패턴으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 기판.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 상기 제 2 (z-축) 방향에 대하여 비-직교하는 각도에 있는 방향을 따라서 연장되는, 인쇄 회로 기판.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 제 1 그룹의 파이버들; 및 상기 제 2 그룹의 파이버들 중 적어도 하나의 기하학적 구조는 :
    솔리드 기하학적 구조(solid geometry);
    중공 기하학적 구조(hollow geometry);
    쉘 기하학적 구조(shell geometry); 및
    노달 기하학적 구조(nodal geometry)으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 기판.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 :
    E-글래스 파이버들; 및
    FR-4 파이버유리로 이루어진 리스트에서 선택되는, 인쇄 회로 기판.
  17. 청구항 11에 있어서, 상기 PTH는 구리-도금된, 인쇄 회로 기판.
  18. 증강된 내구성을 갖는 PCB를 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은 :
    3 차원 (3D) 우븐 파이버유리 직물로 형성된 적어도 하나의 PCB 층을 위한 베이스 재료(base material)를 형성하는 절차로서, 상기 3D 우븐 파이버유리 직물은 :
    복수의 평행 층들로 배열된 제 1 그룹의 파이버들로서, 각각의 층은 제 1 (x-y) 평면에 정렬되고 제 1 (x-축) 방향을 따라서 연장되는 복수의 파이버들을 포함하고, 상기 평행 층들은 제 1 (x-y) 평면에 직교하는 제 2 (z-축) 방향을 따라서 연장되는, 상기 제 1 그룹의 파이버들; 및
    적어도 제 2 (z-축) 방향을 따라서 연장되는 제 2 그룹의 파이버들로서, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차되는, 상기 제 2 그룹의 파이버들을 포함하는, 상기 베이스 재료를 형성하는 절차;
    수지로 상기 베이스 재료를 함침시키는 절차;
    상기 베이스 재료의 표면상에 전도성 재료의 층을 증착시키는 절차; 및
    복수의 상기 PCB 층들의 상기 베이스 재료를 통과하여 연장되는 적어도 하나의 전도성 도금된 쓰루 홀 (PTH : plated through hole)을 형성하는 절차로서, 상기 제 2 (z-축) 방향을 따라서의 상기 베이스 재료의 열팽창 계수 (CTE)는 상기 제 1 (x-축) 방향을 따라서의 상기 전도성 재료의 CTE에 실질적으로 일치하는, 상기 전도성 도금된 쓰루 홀을 형성하는 절차를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 제 2 그룹의 파이버들은 비-직교하는 제직 패턴으로 상기 제 1 그룹의 파이버들과 교차되는, 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 비-직교하는 제직 패턴(weaving pattern)은:
    각진 인터락 제직 패턴(angle interlock weaving pattern); 및
    다중층 제직 패턴으로 이루어진 리스트에서 선택되는, 방법.
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