TW201622095A - 用於快速邊緣速率環境之電晶體熱及電磁干擾管理解決方案 - Google Patents

用於快速邊緣速率環境之電晶體熱及電磁干擾管理解決方案 Download PDF

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Abstract

一種電子裝置裝設技術，其中絕緣和熱障壁材料配合印刷電路板設計使用，產生較高電氣崩潰電壓而同時使熱阻和電磁干擾最小化。

Description

用於快速邊緣速率環境之電晶體熱及電磁干擾管理解決方案
本發明係有關用於快速邊緣速率環境之電晶體熱及電磁干擾管理解決方案。
發明背景
本發明係有關裝設用於一快速邊緣速率信號環境中操作而無電氣裝置崩潰之電晶體，並且尤其是關於裝設電晶體，以至於它們同時地具有低熱阻和高電場抑制以減低電磁干擾(EMI)。
電晶體之熱管理通常藉由將電晶體之熱調整片附接至一散熱片而達成。該電晶體之熱調整片通常電氣地連接到電極之一者，並且因此其經常是需電氣地隔離電晶體殼與散熱片。其同時也需對於絕緣材料具有可能之最低熱阻，而呈現高電阻。
當電晶體係使用於其中切換邊緣速率是高(例如，100V/ns邊緣速率)之一電路中以及熱調整片是電氣地連接到具有高邊緣速率的節點時，這些高邊緣速率具有降低一般所採用的絕緣材料之電氣崩潰電壓的效應。此外，高切換速率和快速邊緣速率可能是電磁干擾(EMI)之原 因，其通常是非所需的並且必須要管理。
電路設計、電路板佈線以及熱材料之選擇是為了使熱傳導性、電磁干擾(EMI)以及電氣崩潰最佳化之一折衷辦法。此處所述之此等方法的組合效應達成這目的。
發明概要
依據目前請求專利之本發明，一電子裝置裝設技術被提供，其中絕緣和熱障壁材料配合印刷電路板設計使用，產生較高電氣崩潰電壓而同時使熱阻和電磁干擾最小化。
依據目前請求專利之本發明的一實施例，一裝設在一電路基板上供用於快速信號邊緣速率操作之電子裝置包含：一金屬構件；一印刷電路基板，其機械地耦合至該金屬構件，並且包含：具有相互地相對的第一和第二基板側之一電氣絕緣基板，及配置在該第一基板側上之一第一電氣傳導層；以及一半導體裝置，其包含至少第一和第二電極，其中該第一電極是電氣地耦合至該第一電氣傳導層之一部份，並且該第二電極是經由至少一介電質材料層而機械 地耦合至該印刷電路基板和該金屬構件之一者或兩者。
依據目前請求專利之本發明的另一實施例，一種裝設一電子裝置於一電路基板上以供用於快速信號邊緣速率操作之方法，該方法包括下列步驟：機械地耦合一印刷電路基板至一金屬構件，其中該印刷電路基板包含：具有相互地相對的第一和第二基板側之一電氣絕緣基板，及配置在該第一基板側上之一第一電氣傳導層；電氣地耦合一半導體裝置之一第一電極至該第一電氣傳導層之一部份；以及經由至少一介電質材料層而機械地耦合該半導體裝置之一第二電極至該印刷電路基板和該金屬構件之一者或兩者。
101a-101c‧‧‧電晶體
102a、102c‧‧‧散熱片
103a、103c‧‧‧熱傳導材料層
104a、104c‧‧‧高頻率介電質
105a、105c‧‧‧熱傳導材料層
110a、110c‧‧‧熱傳導材料層
120a-b‧‧‧導電跡線區域
121a、121b‧‧‧電晶體插腳
170a-170c‧‧‧電路板
173a、173c‧‧‧導電跡線區域
180b、180c‧‧‧電氣傳導跡線
181c‧‧‧熱通孔
190a-190c‧‧‧銅箔層
195b‧‧‧切口
201‧‧‧電晶體
202‧‧‧散熱片
203‧‧‧高熱傳導材料層
204‧‧‧高頻率介電質
205‧‧‧高熱傳導材料層
206‧‧‧電路板
207‧‧‧電氣傳導跡線
208‧‧‧電氣傳導通孔
209‧‧‧電氣傳導跡線
210‧‧‧高熱傳導材料層
220‧‧‧導電跡線區域
221‧‧‧電晶體插腳
301、302‧‧‧切換電晶體
303‧‧‧電源線
304‧‧‧電路接地
310‧‧‧寄生電容
320‧‧‧電容器
330‧‧‧電流
333‧‧‧電路輸出
340、341‧‧‧切換電晶體
354‧‧‧延遲時間
350-353‧‧‧切換交錯順序
510a、510b‧‧‧熱材料
511a、511b‧‧‧熱材料
512a、512b‧‧‧電晶體
513a、513b‧‧‧電晶體
500a、550b‧‧‧電容器
520c、530d‧‧‧電路板
521c、522c‧‧‧上方導電跡線區域
523c、533d‧‧‧洞孔
531d‧‧‧下方導電跡線區域
551a、551b‧‧‧電晶體引線
圖1展示依據目前請求專利之本發明的一實施範例之一電晶體裝設實行例。
圖2A-2C展示依據目前請求專利之本發明的另一實施範例之一電晶體裝設實行例。
圖3A-B展示一半橋接電路以及其之操作。
圖4A-4D展示使用依據目前請求專利之本發明的實施範例而裝設之電晶體的一半橋接電路佈局範例。
較佳實施例之詳細說明
下面的詳細說明是參照附圖的目前請求專利之本發明的實施範例。此說明是意欲作為例示且不限定關於本發明之範疇。此等實施例是充份詳細地說明以致能一通常熟習本技術者實施本發明標的，並且應了解其他實施例也可以具有一些變化被實施而不脫離本發明標的之精神或範疇。
1.電晶體裝設
電晶體裝設實行例係展示於圖1中。電晶體(201)附接至一印刷電路板(PCB)(206)。該電晶體(201)之插腳(範例221)被截短、向下彎曲且被焊接至一導電跡線區域(220)。在電晶體(201)和PCB(206)之間是三層的熱材料(205、204、203)。該PCB(206)被附接至具有高熱傳導材料層(210)的散熱片(202)以將它與散熱片(202)電氣地隔離而同時提供低熱阻。該PCB(206)具有直接地在電晶體(201)主體之下的任一側上之PCB(206)的電氣傳導跡線(207、209)之局部區域。該等電氣傳導跡線之局部區域藉由熱和電氣傳導通孔(208)經過PCB(206)主體而連接。
圖1之實行例被配置以至於導電跡線區域(207、209)和通孔(208)可以耦合至電路接地。這具有下面之優點：即使散熱片(202)不連接到電路接地，由電晶體(201)所發射之電場耦合至接地而不是耦合至散熱片/金屬外殼(202)，而減低電磁干擾(EMI)。此設計確保在電晶體(201)和導電跡線區域(207)的電路接地之間的距離是短的，而進一步地包含任何電場且最小化EMI。
電路板(207)之上方導電跡線區域是如裝設在其上方的電晶體(201)主體之大約相同大小和形狀。下方導電跡線區域(209)具有較大的區域。此設計允許來自電晶體(201)之超出熱量自上方導電跡線區域移動，經過通孔(208)並且散佈出至較大的下方導電跡線區域(209)，其協助散逸經過高熱傳導材料層3(210)至散熱片(202)。
一替換的實行例係展示於於圖2中。相似於圖1中展示的電晶體(101a)之側視圖係展示於圖2(a)中；圖2(b)展示電晶體(101b)之頂視圖，且圖2(c)展示電晶體(101c)之一端視圖。
於這替換的實行例中，電晶體(101a、101b、101c)是裝設在PCB(170a、170b、170c)的一區域中，其中材料已被移除以形成圍繞電晶體(101a、101b、101c)主體的一切口(195b)。電晶體(101a、101b、101c)插腳(範例121a、121b)係銲接至PCB(170a、170b、170c)上之導電跡線區域(範例120a、120b)。
如前所述，PCB(170a、170b、170c)係裝設至在其之間具有高熱傳導材料層3(110a、110c)的一散熱片/金屬外殼(102a、102c)。
電晶體(101a、101b、101c)主體係附接至在其之間具有一系列材料層(例如，105a、104a、103a、190a、110a)的散熱片/金屬外殼(102a、102c)。這些開始於由緊接至電晶體(101a、101b、101c)主體的一高熱傳導材料層2(105a、105c)、一高頻率介電質層(104a、104c)以及一高 熱傳導層1(103a、103c)所構成之一相似堆疊。這熱材料堆疊是藉由一銅箔層(190a、190b、190c)而與高熱傳導材料層3(110a、110c)分離。
銅箔(190a、190b、190c)被形成，以至於其是能夠彎曲而圍繞著電晶體(101a、101b、101c)主體且能夠向上至PCB(170a、170b、170c)導電跡線區域(例如180b、180c)上並且適當地被銲接。該等導電跡線區域(例如180b、180c)可以藉由熱通孔(181c)而選擇地連接到PCB底部上之導電跡線區域(173a、173c)以協助熱自銅箔轉移至散熱片/金屬外殼(102a、102c)。
替換地，銅箔可以不用被形成如於190中之展示，而是保持平坦。在這實行例中，銅箔將銲接或被疊層至電路板(173a、173c)背面上。
2.電路設計和電路板佈局
圖3之電路是習知的並且通常稱為一半橋接。二個切換電晶體(SW1，301以及SW2，302)是連接在一起。SW1(301)之源極是連接到SW2(302)之汲極，而形成電路輸出(333)。SW1(301)之汲極是連接到電源線Vcc(303)。SW2(302)之源極是連接到電路接地(304)。電路切換經過在SW1(340)和SW2(341)之閘極上的電壓位準而受控制。
各電晶體是以一交錯順序(350、351、352、353)被切換，而在其之間有一小延遲時間(354)，當該期間時兩個電晶體SW1、SW2是在它們的關閉狀態。當電晶體SW2(302)導通時，輸出(333)具有一快速邊緣速率而自高 電壓轉變至低電壓，其經過寄生電容(310)而耦合進入電源線Vcc(303)。為了保持電磁干擾(EMI)為低的，解耦合電容器C(320)被置放而緊密實際近接於SW1(301)之排極接腳和SW2(302)之源極接腳以提供用以切換電流(330)之一低阻抗電容路線。這包含小實際容積之電磁場以降低輻射。
圖3之佈局係展示於圖4中。SW1和SW2是圖解地展示於(a)如513a和512a中，及相片(b)如513b和512b中。各電晶體(SW1、SW2)係裝設在熱材料(205、511a、510a、511b、510b)上。SW1之汲極和SW2之源極具有電容器C(320、500a、550b)連接在它們之間。電晶體之引線被切短並且向下彎曲經過90度(551a、551b、221)成為小的襯墊(220)以降低寄生電容並且允許SW1和SW2儘可能實際地彼此接近。
圖4(c)展示如於(b)中所展示之相同電路板(520c)，但是電晶體SW1(513b)、SW2(512b)及熱材料(511b、510b)被移除。導電跡線區域(207、521c、522c)和通孔(208)是可以看見的。
圖4(d)展示電路板(520c、530d)底部，其展示較大於上方導電跡線區域(207、521c、522c)之區域的下方導電跡線區域(209、531d)。
電晶體SW1、SW2(513a、512a)是經過洞孔(例如，523c、533d)以螺栓固定至散熱片以協助熱轉移。主要的保留區域被提供而圍繞著各個洞孔，其中耦合至電路接地(522c、531d)之導電跡線區域是不呈現接近至各個洞孔。 這確保電氣崩潰不發生在電路接地和散熱片電位之間。
3.熱絕緣
參看至圖1，電路板(206)是電氣地絕緣且熱耦合至具有高熱傳導材料層3(210)之散熱片/金屬外殼(202)。這藉由使用在直流或50/60Hz交流具有良好的熱傳導性以及高介電質崩潰電壓之通常可利用的材料而達成。
電晶體(201)是電氣地絕緣且熱耦合至電路板(206)。例如，被使用於高熱傳導材料層3(210)之材料，不能被使用以絕緣電晶體(201)，因為當快速邊緣速率出現時，它們一般不具有高電氣崩潰電壓。於此情況中，一高頻率介電質(204)被使用。它應該是很薄的，具機械性強度以及具有高至GHz範圍之高介電質崩潰電壓。範例，不作為限制地，包含聚亞胺或聚酯薄膜，例如，聚亞醯胺膜或聚酯樹脂(Kapton或Mylar)。為了提高熱傳導性，需要在高頻率介電質(204)的任一側上增加一個層，例如，材料層1(203)和材料層2(205)。這可以使用熱糊狀物以形成外方層(203、205)之各者而達成。替換地，三個層(203、204、205)可以使用商業上可用的材料(包含，而不受限於貝格斯結合-層(Berquist Bond-Ply)660P)作為一單獨之多層絕緣體而實行。
這實行例達成高容忍度之快速邊緣速率而不會有電氣崩潰，而同時具有低熱阻和高電場圍阻以減低EMI。
那些熟習本技術者應明白，本發明之結構和操 作方法可以有各種其他修改和變化而不脫離本發明之範疇和精神。雖然本發明已配合特定較佳實施例而說明，應了解，本發明如所宣稱地，將不會不相稱地受限定於此等特定實施例。其是意欲在下面的申請專利範圍界定本發明之範疇以及在這些申請專利範圍範疇與因而所涵蓋之它們的等效者之內的結構和方法。
201‧‧‧電晶體
202‧‧‧散熱片
203‧‧‧材料層
204‧‧‧介電質
205‧‧‧材料層
206‧‧‧電路板
207‧‧‧電氣傳導跡線
208‧‧‧通孔
209‧‧‧電氣傳導跡線
210‧‧‧高熱傳導材料層
220‧‧‧導電跡線區域
221‧‧‧電晶體插腳

Claims (16)

  1. 一種設備，其包含裝設在一電路基板上供用於快速信號邊緣速率操作之一電子裝置，該電子裝置包括：一金屬構件；一印刷電路基板，其機械地耦合至該金屬構件，並且包含：具有相互地相對的第一和第二基板側之一電氣絕緣基板，及配置在該第一基板側上之一第一電氣傳導層；以及一半導體裝置，其包含至少第一和第二電極，其中該第一電極是電氣地耦合至該第一電氣傳導層之一部份，並且該第二電極是經由至少一介電質材料層而機械地耦合至該印刷電路基板和該金屬構件之一者或兩者。
  2. 如請求項1之設備，其中該印刷電路基板進一步地包含在該等第一和第二基板側之間的一個或多個熱通孔。
  3. 如請求項1之設備，其中：該第二電極是經由該至少一介電質材料層和該第一電氣傳導層之另一部份而機械地耦合至該印刷電路基板；並且該印刷電路基板進一步地包含： 配置在該第二基板側上之一第二電氣傳導層，以及一個或多個熱通孔，其是在該第一電氣傳導層的該另一部份和該第二電氣傳導層的至少一部份之間。
  4. 如請求項1之設備，其中該印刷電路基板：進一步地包含配置在該第二基板側上之一第二電氣傳導層，並且經由該第二電氣傳導層之至少一部份而機械地耦合至該金屬構件。
  5. 如請求項1之設備，其中該印刷電路基板：進一步地包含配置在該第二基板側上之一第二電氣傳導層，並且經由具有一熱傳導材料的該第二電氣傳導層之至少一部份而機械地耦合至該金屬構件。
  6. 如請求項1之設備，其中該印刷電路基板是經由該第二基板側而機械地耦合至該金屬構件。
  7. 如請求項1之設備，其中該印刷電路基板是經由具有一熱傳導材料之該第二基板側而機械地耦合至該金屬構件。
  8. 如請求項1之設備，其中該第二電極是經由具有一熱傳導材料的該至少一介電質材料層而機械地耦合。
  9. 一種裝設一電子裝置於一電路基板上以供用於快速信號邊緣速率操作之方法，該方法包括下列步驟：機械地耦合一印刷電路基板至一金屬構件，其中該 印刷電路基板包含：具有相互地相對的第一和第二基板側之一電氣絕緣基板，及配置在該第一基板側上之一第一電氣傳導層；電氣地耦合一半導體裝置之一第一電極至該第一電氣傳導層之一部份；以及經由至少一介電質材料層而機械地耦合該半導體裝置之一第二電極至該印刷電路基板和該金屬構件之一者或兩者。
  10. 如請求項9之方法，其中該印刷電路基板進一步地包含在該等第一和第二基板側之間的一個或多個熱通孔。
  11. 如請求項9之方法，其中：該機械地耦合該半導體裝置之一第二電極的步驟包括經由該至少一介電質材料層以及該第一電氣傳導層之另一部份而機械地耦合該半導體裝置之該第二電極至該印刷電路基板；並且該印刷電路基板進一步地包含：配置在該第二基板側上之一第二電氣傳導層，以及一個或多個熱通孔，其是在該第一電氣傳導層的該另一部份和該第二電氣傳導層的至少一部份之間。
  12. 如請求項9之方法，其中：該印刷電路基板進一步地包含配置在該第二基板 側上之一第二電氣傳導層；並且該機械地耦合一印刷電路基板至一金屬構件的步驟包括經由該第二電氣傳導層之至少一部份而機械地耦合該印刷電路基板至該金屬構件。
  13. 如請求項9之方法，其中：該印刷電路基板進一步地包含配置在該第二基板側上之一第二電氣傳導層；並且該機械地耦合一印刷電路基板至一金屬構件的步驟包括經由具有一熱傳導材料的該第二電氣傳導層之至少一部份而機械地耦合該印刷電路基板至該金屬構件。
  14. 如請求項9之方法，其中該機械地耦合一印刷電路基板至一金屬構件的步驟包括經由該第二基板側而機械地耦合該印刷電路基板至該金屬構件。
  15. 如請求項9之方法，其中該機械地耦合一印刷電路基板至一金屬構件的步驟包括經由具有一熱傳導材料之該第二基板側端而機械地耦合該印刷電路基板至該金屬構件。
  16. 如請求項9之方法，其中該機械地耦合該半導體裝置之一第二電極的步驟包括經由具有一熱傳導材料的該至少一介電質材料層而機械地耦合該第二電極。
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