TWI597010B - 具有增強的耐久性之印刷電路板及其製造方法 - Google Patents

具有增強的耐久性之印刷電路板及其製造方法 Download PDF

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Description

具有增強的耐久性之印刷電路板及其製造方法
本發明一般係關於印刷電路板(PCB)與印刷電路組件(PCA,printed circuit assembly)，且具體地係關於與PCB或PCA相關的熱問題的管理。
印刷電路板(PCB)用於力學上支撐不同的電子元件，並且使用從導電板(通常為銅)蝕刻的導電線跡、接墊、與其他特徵來電連接不同的電子元件。這些銅板通常層壓至非導電基板上。PCB(也稱為印刷佈線板(PWB,printed wiring board)可為單面(具有一個導電層)、雙面(兩個導電層)、或甚至多層。
當選擇PCB基板材料時，材料的機械、電性、化學、與熱特性應該列入考量。商業應用通常使用的樹脂為FR-4，FR-4為給定給耐火的環氧樹脂黏結劑與織造玻璃纖維布的合成材料之命名。其他雙官能基與多官能基的環氧樹脂也可使用。這些基板材料的玻璃轉變溫度(Tg)通常的範圍為125℃至170℃。具有較高的Tg(>200℃)、長時間的耐熱性、以及較低的熱膨脹係數(CTE)之聚酰亞胺樹脂係用於具有大量的層的高性能多層PCB。
在過去最近這段時間，印刷電路組件(PCA)上的熱負載顯著增加，在一些情況中，從大約30W上升至130W。標準的VME(Versa Module Europa)傳導冷卻設計(例如，VITA 46/48.2)努力要提供足夠的散熱給此種功率位準，並且很大程度上取決於可用的環境控制系統(ECS,Environmental Control System)冷卻的量。大部分的VME模組包括主PCA與一或兩個夾層板。在過去，大部分的熱集中在VME模組的主側部，而目前，夾層的功耗消耗已經因為它們更強大的功能而顯著增加。設計者使用夾層板來定位高功率的中央處理單元(CPU)或圖形處理單元(GPU)，CPU或GPU會產生大約50W的高功率消耗。針對風扇冷卻的平台，因為元件操作溫度的增加，功率限制也受到限制。這些因素會導致板的可靠度與使用壽命的減少。
用於高功率PCA的一些冷卻解決方案係敘述在VITA 48.3液體冷卻標準中。但是，液體冷卻的解決方案顯著增加了冷卻系統的尺寸，因為液體冷卻的解決方案需要額外的物品(例如：液體空氣熱交換器、泵、容積補償器等)。用於高功率PCB的其他冷卻解決方案係敘述在VITA 48.5空氣流動通過冷卻(AFTC,Air Flow Through Cooling)標準中。此種AFTC配置包括單一氣流通道，單一氣流通道延伸通過主要底座單元的內部空腔，如同例如Biemer等人的美國專利第7,995,346號中所揭示的。因為電子模組封入主要底座 單元內，氣流提供內部模組的冷卻，而未直接曝露模組電子系統來直接接觸於空氣，這消除了曝露至空氣中的污染物的風險。
雖然此種AFTC結構提出解決方案來克服許多PCA的實際熱功率要求，仍有限制板設計的許多限制，例如高功率元件的位置，例如中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)與現場可編程閘陣列(FPGA)。因為VITA 48.5 AFTC的特徵為具有單一入口與單一出口的單一氣流通道，最高功率消耗的位置受限為位於入口區域附近。此限制會迫使設計者在相同的板中加入數個高功率元件，這會導致板上不良的熱分佈。此外，這會影響熱交換器的設計，而可能導致壓力下降。為了克服散熱，熱交換器的密度必須增加，且因此，通過通道的壓力下降會增加。壓力下降的增加會引致對於冷卻系統、飛機環境控制系統(ECS,environmental control system)、或風扇冷卻的數種限制。
在PCB的不同層上的導體利用PCB中的孔來連接，這種孔稱為「通孔」。通孔的最常見類型為「鍍通孔(PTH,plated through hole)」，鍍通孔係藉由鑽孔通過多層PCB並且利用導電金屬(通常為銅)電化學電鍍該孔而形成，鍍通孔提供層之間的電連接。通孔可形成為多種結構。一種常見的結構為「殘端通孔(stub via)」，其中通過的部分從頂層延伸至內層， 而殘端部分繼續從內層接面至底層。或者，第一殘端從頂層延伸至第一內部信號層，通過的部分則繼續至第二內層，且第二殘端繼續從第二內層至底層。「貫穿通孔」是沒有殘端但是只有通孔延伸於外層之間的一種基本結構。「盲通孔」源自外層並且終止於某個內層處，而「埋通孔」僅連接一或更多個內層(不連接至任何外層)。「背鑽通孔」係使用製造後的背鑽處理來移除PTH通孔的殘端部分而形成，使用在較厚的PCB，例如厚的高速背板設計。
與PCB可靠度相關的一種熟知的失效模式為通孔裂化與PTH疲勞的現象。通孔裂化的發生是因為PTH通孔的銅鍍層的熱膨脹係數(CTE)(大約17ppm/℃)與周圍的基板材料的熱膨脹係數(大約45-70ppm/℃)之間的出平面方向/z軸不匹配。此材料特性的不匹配導致在溫度變化期間差異的膨脹，且因為機械疲勞而形成通孔桶與內層中的裂縫。當曝露至熱循環時，開始的通孔裂縫會沿著銅電鍍桶行進，並且逐漸擴大，導致劣化與最終的PTH失效。具體地，通孔裂縫持續影響PCB中的電絕緣，這最終會導致整個PCB型裝置的災難性失效。此種失效在某些技術領域中特別會有問題，例如各種軍事、航空、汽車、以及醫療裝置應用。PTH疲勞受到各種參數的影響，例如：最高與最低溫度、PTH的直徑、銅鍍層的厚度與材料特性(例如，延展性，屈服強度)、基板的厚度與材料特性(例如， CTE、彈性模量)、以及銅鍍層中的缺陷(例如，孔隙、褶層、蝕坑)。參見第1圖，第1圖為具有通孔裂縫的鍍通孔的橫截面示意圖，如同本領域中已知的。
許多出版物與業界共同努力要彌補會影響熱循環可靠度的關鍵參數。應變的累積取決於在每一熱循環過程時所引致的應變位準。有數種已知的方法用於增加有用的PCB壽命週期(亦即，在失效之前的熱循環的數量)。一種方法為減小PTH的縱橫比，PTH的縱橫比係界定為板厚度與PTH直徑之間的比率，例如小於大約5：1。縱橫比越小，通過通孔的長度的鍍層就越一致。大縱橫比的通孔往往在每一端處具有較大的鍍層厚度(相較於桶的中心來說)，這會增加有裂縫的通孔桶的可能性，因為焊接時z軸方向的膨脹。但是，減小PTH縱橫比在高密度互連(HDI,High Density Interconnect)PCB設計的目前時代中極為困難(若不是不可能的話)。另一種方法為增加銅(Cu)鍍層的厚度，藉此增加通孔裂縫行進的空間。但是，厚度應該針對處理來最佳化，以降低由於缺陷(例如，Cu鍍層中的孔隙)所導致的應力起源。標準的銅鍍層厚度為大約25μm，且從製造的觀點來看，增加厚度超過大約35μm是極為困難的。
另一種方法為改良且測試Cu箔與層壓板的黏合性。此選項理論上是可能的，但是尚未得到證實。又另一種方法為使用具有較高延展性與較低強度的Cu 材料，但是此種材料尚未在商業上得到認同。其他的選項包括減少或消除在板的處理期間的熱衝擊(例如，藉由在熱風整平、波峰焊接、重做之前將板預熱)，或者減小熱循環的範圍，具體地為避免曝露至樹脂的玻璃轉變溫度(Tg)以上的溫度。這些選項都不可行，因為板的處理需要數種必要的熱處理。
頒發給Kehret等人的US專利第8,427,828號敘述一種印刷電路板模組，印刷電路板模組包括熱分流來提供至少一些電子元件與外殼的前表面之間的路徑。頒發給Porecca等人的US專利第8,477,498號敘述一種傳導冷卻設備，傳導冷卻設備包括電路卡與機殼系統之間的傳導流動路徑。頒發給Slaton等人的US專利第8,482,929號敘述一種用於電路板熱轉移的系統，該系統係配置成透過熱介面材料與熱通孔來從PCB轉移熱至底座。頒發給McCall等人的US專利第7,459,200號敘述一種電路板，其中玻璃纖維的纖維以二維的形態設置。頒發給Lin等人的US專利第7,973,244號敘述一種印刷電路板，印刷電路板包括形成自複數個織造纖維的基底，與設置在基底上的信號線跡。
頒發給Mohamed等人的US專利第6,447,886號(標題為「用於印刷電路板、形成自三維織造纖維結構的基底材料(Base material for a printed circuit board formed from a three-dimensional woven fiber structure)」)揭示一種印刷電路板係建構自形成自三維正交織造織物的基底材料，該織物具有無捲曲的纖維架構在x-y平面中以及整合的多層結構。基底材料包括：在第一平面中沿著第一方向延伸的第一直纖維的第一系統，在平行於第一平面的第二平面中沿著第二方向延伸的第二直纖維的第二系統，以及沿著第三方向延伸通過第一與第二系統並且將第一與第二纖維捆束之第三纖維的第三系統。第三纖維的方向可正交於第一與第二纖維的個別方向。填料材料(例如樹脂)塗覆第一、第二與第三系統的一部分。印刷電路板另外包括一或更多個導電層係附接至基底材料的表面。
頒發給Gall等人的US專利第5,379,193號(標題為「平行處理器結構與封裝(Parallel processor structure and package)」)係關於具有複數個微處理器與記憶體模組安裝在印刷電路板上的平行處理器封裝。印刷電路板安裝在複數個電路化的撓性基板或「撓性片」上，撓性基板通過較剛性的中央層壓部分來連接分開的板。中央層壓部分提供XY平面與Z軸的互連與通信(處理器之間、記憶體之間、處理器/記憶體之間、以及處理器至記憶體的相接)。平面電路(例如，資料線、位址線、與控制線)在個別的印刷電路板上，印刷電路板連接通過電路化的撓性基板，並且 透過中央層壓部分中的Z軸電路(通孔與貫孔)而通訊於撓性基板的其他層。
根據本發明的一態樣，因此提供一種具有增強的耐久性之印刷電路板(PCB)。PCB包括複數個PCB層。至少一PCB層包括基底材料，基底材料形成自三維(3D)織造玻璃纖維織物，三維(3D)織造玻璃纖維織物利用樹脂來浸漬。3D織造玻璃纖維織物包括第一組纖維，第一組纖維係配置在複數個平行層中，其中每一層包括複數個纖維沿著至少第一(x軸)方向延伸並且排列於第一(x-y)平面中，且其中平行層係沿著第二(z軸)方向配置，第二(z軸)方向正交於第一(x-y)平面。3D織造玻璃纖維織物進一步包括第二組纖維，第二組纖維沿著至少第二(z軸)方向延伸，第二組纖維交織於第一組纖維。每一PCB層進一步包括導電材料層，導電材料層沉積至基底材料的表面上；以及至少一導電鍍通孔(PTH)，至少一導電鍍通孔延伸通過多個PCB層的基底材料。基底材料沿著第二(z軸)方向的熱膨脹係數(CTE)實質上匹配於導電材料沿著第一(x軸)方向的CTE。第二組纖維可以以非正交的織造形態交織於第一組纖維，例如有角度雙羅紋織造形態或多層織造形態。第一組纖維或第二組纖維可具有實心幾何形狀、空心幾何形狀、殼幾何形狀、或節幾何形狀。3D織造玻璃纖維織物可包括E玻璃纖維或FR-4玻璃纖維。
根據本發明的另一態樣，因此提供一種用於製造具有增強的耐久性的PCB之方法。該方法包括下述程序：從三維(3D)織造玻璃纖維織物形成基底材料，基底材料用於至少一PCB層，3D織造玻璃纖維織物利用樹脂來浸漬。3D織造玻璃纖維織物包括第一組纖維，第一組纖維係配置在複數個平行層中，其中每一層包括複數個纖維沿著至少第一(x軸)方向延伸並且排列於第一(x-y)平面中，且其中平行層係沿著第二(z軸)方向配置，第二(z軸)方向正交於第一(x-y)平面。3D織造玻璃纖維織物進一步包括第二組纖維，第二組纖維沿著至少第二(z軸)方向延伸，第二組纖維交織於第一組纖維。基底材料沿著第二(z軸)方向的熱膨脹係數(CTE)實質上匹配於導電材料沿著第一(x軸)方向的CTE。該方法進一步包括下述程序：沉積導電材料層至基底材料的表面上，並且形成至少一導電PTH，至少一導電PTH延伸通過多個PCB層的基底材料。第二組纖維可以以非正交的織造形態交織於第一組纖維，例如有角度雙羅紋織造形態或多層織造形態。
100‧‧‧印刷電路組件(PCA)
102‧‧‧主框體
104‧‧‧主板
106‧‧‧夾層框體
108‧‧‧夾層板
110、112‧‧‧氣流通道
110A‧‧‧入口
110B‧‧‧出口
111‧‧‧第一邊緣表面
112A‧‧‧入口
112B‧‧‧出口
113‧‧‧第二邊緣表面
114、116‧‧‧氣流通道
114A‧‧‧入口
114B‧‧‧出口
115‧‧‧第一邊緣表面
116A‧‧‧入口
116B‧‧‧出口
117‧‧‧第二邊緣表面
120‧‧‧PCA
122‧‧‧主框體
124‧‧‧主板
126‧‧‧第一邊緣表面
128‧‧‧第二邊緣表面
130‧‧‧第三邊緣表面
132、134、136、138、140、142‧‧‧氣流通道
132A、134A、136A、138A、140A、142A‧‧‧入口
132B、134B、136B、138B、140B、142B‧‧‧出口
200‧‧‧3D織造織物
202、204‧‧‧第一組纖維
206‧‧‧第二組纖維(z軸纖維)
208‧‧‧導電材料層/導電表面/導電表面
210‧‧‧有角度雙羅紋織造形態的3D織造織物
220‧‧‧多層織造形態的3D織造織物
232‧‧‧呈現鑽污的正交織造形態纖維的分解縱向例示圖
234‧‧‧呈現鑽污的正交織造形態纖維的分解橫截面例示圖
236‧‧‧沒有鑽污的有角度織造形態纖維的分解縱向例示圖
238‧‧‧沒有鑽污的有角度織造形態纖維的分解橫截面例示圖
250‧‧‧圖表
本發明將從以下的詳細說明結合圖式而更完全地瞭解與理解，其中：第1圖為具有通孔裂縫的鍍通孔的橫截面示意圖，如同本領域中已知的； 第2圖為PCA的透視例示圖，包括具有多個空氣流動通道的空氣流動通過(AFT,air flow through)冷卻機構，根據本發明的實施例來建構與操作；第3圖為PCA的透視例示圖，包括具有多個通道的空氣流動通過冷卻機構，通道具有垂直的入口與出口，根據本發明的另一實施例來建構與操作；第4圖為利用3D織造織物來用於非導電基板材料的PCB製造處理的示意例示圖，根據本發明的實施例來操作；第5A圖為具有正交織造形態的3D織造織物的片段的範例性配置的透視例示圖，根據本發明的實施例來建構與操作；第5B圖為具有有角度雙羅紋織造形態的3D織造織物的橫截面例示圖，根據本發明的另一實施例來建構與操作；第5C圖為具有多層織造形態的3D織造織物的透視例示圖，根據本發明的另一實施例來建構與操作；第6A圖為呈現鑽污的正交織造形態纖維的分解縱向例示圖以及分解橫截面例示圖，根據本發明的實施例來操作；第6B圖為沒有鑽污的有角度織造形態纖維的分解縱向例示圖以及分解橫截面例示圖，根據本發明的另一實施例來操作；及 第7圖為圖表，繪示具有不同參數的PCB材料的平均疲勞壽命的模擬結果，使用的是IPC-TR-579失效模型，根據本發明的實施例來操作。
本發明藉由提供用於印刷電路板(PCB)及/或印刷電路組件(PCA)的熱管理方法來克服先前技術的缺點。用語「印刷電路板(PCB)」與「印刷佈線板(PWB,printed wiring board)」係視為類似的並且在本文中可交換使用。對應地，用語「印刷電路組件(PCA)」與「印刷佈線組件(PWA)」係視為類似的並且在本文中可交換使用，其中PCA係用於表示PCB板與組裝在PCB板上的電子元件。第一熱管理方法包括具有多個氣流通道的空氣流動通過冷卻機構，用於減少PCA中的熱負載，其中通過至少一通道的空氣流動方向係不同於通過至少另一通道的空氣流動方向。替代地或額外地，至少一通道的氣流入口相對於通道的氣流出口為離軸的。第二熱管理方法包括用於包括3D織造織物的PCB之製造技術，此技術有助於減輕通孔裂化或PTH疲勞的現象，並且增加PCB的平均失效間隔時間(MTBF,mean time between failures)。
根據本發明的一實施例，個別PCA板的多個氣流通道係配置來導引冷卻空氣於不同的(例如，相反的)方向中。現在參見第2圖，第2圖為PCA的透視例示圖，大體上以100來標號，包括具有多個氣流通道的空 氣流動通過(AFT,air flow through)冷卻機構，根據本發明的實施例來建構與操作。印刷電路組件(PCA)100包括主框體102、主板104、夾層框體106、與夾層板108。主板104的第一表面(例如，「頂側」)安裝或固定至主框體102的一側，而主板104的相對表面(例如，「底側」)安裝或固定至夾層框體106的一側。夾層板108安裝或固定至夾層框體106的相對側。PCA 100可裝入殼體或底座中，並且可包括任何數量的框體與板。
主框體102與夾層框體106各自包括內部空腔或實質上中空的核心。主框體102包括多個氣流通道110、112。具體地，主框體102的第一邊緣表面111包括氣流通道110的入口110A，且主框體102的第二邊緣表面113包括氣流通道110的出口110B。氣流通道112的入口112A在主框體102的第二邊緣表面113上，且氣流通道112的出口112B在主框體102的第一邊緣表面111上。每一入口110A、112A與出口110B、112B為開孔，界定為設置在主框體102的個別邊緣表面(111、113)上的至少一孔。因此，氣流通道110延伸通過一端上的入口110A與另一端上的出口110B之間的主框體102內的容積空腔。類似地，氣流通道112延伸於相反的方向中、通過入口112A與出口112B之間的主框體102內的容積空腔。對應地，夾層框體106包括氣流通道114、116。具體地，氣流通道114延伸通 過第一邊緣表面115上的入口114A與夾層框體106的第二邊緣表面117上的出口114B之間的夾層框體106內的容積空腔。氣流通道116延伸於相反的方向中、通過第二邊緣表面117上的入口116A與第一邊緣表面115上的出口116B之間的夾層框體106內的容積空腔。
每一空氣流動通道(110、112、114、116)可包括至少一元件或機構係配置來沿著選擇的方向、沿著個別的氣流通道導引空氣流動，例如內部鰭片。鰭片(或其他機構)可用各種方式配置，例如根據PCA與通道設計的特別特性。注意到，主框體102與夾層框體106一般可包括任何數量的(多個)氣流通道，而在此所繪示的兩個個別通道僅是為了範例性的目的。進一步注意到，PCA 100可包括多個夾層板及/或多個夾層框體，並且進一步替代地，可有多個板安裝或固定在單一框體內。例如，兩個額外的夾層板可安裝至主板104的相對側上並且附接至主框體102來冷卻(在PCA中產生總共四個夾層板)。
氣流通道110、112用於允許空氣通過，以在主板104的操作期間散去主板104的電子元件產生的熱，具體地為設置在與主框體102內的氣流通道110、112相鄰的主板104區域上的電子元件。具體地，空氣進入入口110A，並且沿著主框體102的長度流動通過通道110，並且從出口110B離開，藉此冷卻位於通道110附近且沿著通道110之主板102的電子元件。類似地， 空氣進入入口112A，並且沿著主框體102的長度流動通過通道112，並且從出口112B離開(亦即，在相對於空氣流動通過通道110的相反方向中)，藉此冷卻位於通道112附近且沿著通道112之主板102的電子元件。
對應地，夾層框體106的氣流通道114、116用於散去夾層板108上的電子元件產生的熱，以及散去位於相鄰於夾層框體106的氣流通道114、116之主板104上的電子元件產生的熱。具體地，空氣進入個別的入口114A、116A，並且沿著夾層框體106的長度流動通過個別的通道114、116，並且從個別的出口114B、116B離開，藉此冷卻位於通道114、116附近且沿著通道114、116之主板102與夾層板108的電子元件。
PCA 100的特徵為多方向的氣流冷卻，因為第一氣流通道出口(110B)與第二氣流通道入口(112B)設置在主框體102的一邊緣表面(113)上，而第二氣流通道出口(112A)與第一氣流通道入口(110)設置在主框體102的另一邊緣表面(111)上。因此，冷卻空氣在第一方向中(亦即，第2圖中所繪的由左至右)沿著通道110從入口110A(邊緣表面111)流動至出口110B(邊緣表面113)，而冷卻空氣在相反方向中(亦即，第2圖中所繪的由右至左)沿著通道112從入口112A(邊緣表面113)流動至出口112B(邊緣表面111)。此種多方向AFT通道配置可提供更均勻的 溫度分佈並且減少整體的PWA溫度，相較於具有單方向氣流冷卻的AFT通道配置來說。
根據本發明的另一實施例，氣流通道出口可相對於氣流通道入口配置成離軸對準。現在參見第3圖，第3圖為PCA的透視例示圖，大體上以120來標號，包括具有多個通道的空氣流動通過冷卻機構，通道具有垂直的入口與出口，根據本發明的另一實施例來建構與操作。PCA 120包括主框體122與主板124。主板124的表面安裝或固定至主框體122的一側。主框體122包括多個氣流通道(132、134、136、138、140、142)延伸通過主框體122的內部空腔，其中每一氣流通道以「L形」的配置來排列。具體地，主框體122的第一邊緣表面126(例如，「頂側」)包括個別的氣流通道132、134、136、138、140、142的個別的入口132A、134A、136A、138A、140A、142A。主框體122的第二邊緣表面128(例如，「左側」)(第二邊緣表面128實質上正交於第一邊緣表面126)包括個別的氣流通道132、134、136的個別的出口132B、134B、136B。主框體122的第三邊緣表面130(例如，「右側」)(第三邊緣表面130實質上正交於第一邊緣表面126)包括個別的氣流通道138、140、142的個別的出口138B、140B、142B。因此，通過氣流通道132、134、136、138、140、142的空氣改變了方向，因為空氣沿著第一軸從邊緣表面126(亦即，從頂側)上的個別入 口進入主框體122，且然後沿著與第一軸不同的第二軸從邊緣表面128或130(亦即，從左側或右側)上的個別出口離開主框體122，使得空氣以「L形」的形態流動。當空氣通過主框體122的氣流通道132、134、136、138、140、142時，散去位於相鄰於個別通道之主板124的電子元件所產生的熱。每一空氣流動通道(132、134、136、138、140、142)可包括至少一元件或機構(例如，內部鰭片)係配置來沿著選擇的方向、通過個別的氣流通道導引空氣流動。可理解到，PCA 120的「離軸的入口/出口」氣流通道配置可提供與板元件的佈局相關的額外彈性，相較於PCA 100(第2圖)的平行氣流通道配置來說。雖然單一直的氣流通道(亦即，單一軸的空氣流動)的特徵在於一個冷卻區域與一個非冷卻(熱)區域，離軸的入口/出口氣流通道配置可允許設計者將板分成兩個分開的冷卻區域與兩個分開的非冷卻區域，提供設計板上的積體電路的佈局時更大的彈性。例如，兩個高功率元件可定位在具有相同冷卻狀況之主板124的每一側上。此外，PCA 120的離軸的入口/出口通道配置可提供更均勻的溫度分佈，以及相同流率之下實質上較低的壓降。
PCA 100、120的至少一氣流通道的特徵可為單一入口與多個出口，或者替代地，多個入口與單一出口。例如，參見第3圖，單一氣流通道可延伸自入口132A通過至邊緣表面128上的出口132B與134B。又 例如，單一氣流通道可延伸自入口132A通過至相對的邊緣表面128、130上的出口132B與142B，產生「T形」的通道配置。
可理解到，PCA 100、120(第2圖與第3圖)的多個氣流通道提供較大的氣流冷卻，相較於具有單一氣流通道的AFT冷卻配置所提供的來說。增強的氣流冷卻可降低PCA板上的溫度分佈，這也允許安裝在PCA板上的電子元件的數量及/或操作功率的增加。此外，多個氣流通道允許板上的熱分佈更均勻，作為每一入口的氣流與功率分佈的函數，相較於具有單一入口的單一通道的情況來說。另外，提供與板上的電子元件的分佈有關的更大彈性給PCA設計者，尤其是高功率元件。也注意到，多個氣流通道導致每一通道中的壓降的減少，相較於具有單一通道的AFT冷卻配置來說。此外，具有多個通道可減少每一個別通道上的熱負載集中，並且因此減少個別通道上的熱通量集中。多個通道也增加流動通過通道的空氣(或其他流體)的熱轉移面積，並且增加可與通道接觸之板元件的數量、尺寸及/或操作功率。
根據本發明的另一實施例中，至少一氣流通道可藉由修改通道的特性或特徵來選擇性地調節，例如藉由調整通道入口及/或通道出口的孔直徑、調整通道體積、或者藉由改變通過通道的氣流方向。例如，參見PCA 100(第2圖)，控制器(未繪示)係配置來根據即時的 要求，調整氣流通道110、112的入口(110A、112A)及/或出口(110B、112B)的直徑。例如，若位於鄰近氣流通道112或沿著氣流通道112之主板104上的電子元件的特徵在於具有較大的功率負載及/或產生較多的熱(相較於位於鄰近氣流通道110或沿著氣流通道110的元件來說)，則控制器可減小入口110A及/或出口110B的孔尺寸，或者替代地或額外地，可增加入口112A及/或出口112B的孔尺寸，使得較大的氣流將發生通過通道112，相較於通過通道110的氣流來說。例如，冷卻空氣可完全轉向至氣流通道112。在另一範例中，控制器可改變通過氣流通道的氣流方向，例如藉由導引冷卻空氣來流動於氣流通道110中的相反方向中(亦即，從先前的出口110B至先前的入口110A)，或者藉由從通道110的不同入口及/或不同出口建立離軸的氣流。當主板的特定區域上的熱負載增加或減少時，可修改通過通道的空氣流動的方向。控制器可耦接至至少一感測器(未圖示)，並且可基於感測器所獲得之關於PCA 100的即時反饋來決定如何或是否調整氣流通道110、112的特性。例如，感測器係配置來偵測主板104及/或夾層板108的至少一參數，例如溫度位準或電流負載(使用熱感測器或電流感測器)。控制器獲得來自感測器的相關參數的指示(例如，不同的板元件的即時熱位準或電流負載)，且然後根據所偵測的參數來選擇性地修改至少一氣流通道110、112的特性(例如， 藉由減少或增加至少一入口/出口的孔直徑，或者藉由改變空氣流動的方向)。通常，延伸通過主框體或夾層框體的氣流通道的特性可基於PCA的即時冷卻要求，來選擇性地調整。例如，PCA可包括與各自具有不同熱負載的不同應用相關的多個板，使得較大的空氣流動導引通過位於具有較大熱負載的板旁的氣流通道(且反之亦然)。氣流冷卻也可選擇性地控制在整個PCA底座或殼體的位準上，例如藉由差異地分散空氣於不同的框體對或板對之間(例如，經由非單向的氣流)。
根據本發明的第二熱管理方法，PCB的非導電基板或基底材料係形成自3D織造織物(例如利用環氧樹脂浸漬的3D織造玻璃纖維)，以減輕通孔裂化與PTH疲勞的現象，藉此提高PCB的耐久性。現在參見第4圖，第4圖為利用3D織造織物來用於非導電基板材料的PCB製造處理的示意例示圖，根據本發明的實施例來操作。用於PCB製造處理的原料包括玻璃織物(例如，玻璃纖維)、環氧樹脂、與銅箔，其中玻璃織物為3D織造織物，如同下文進一步討論的。3D織造玻璃織物利用樹脂來浸漬，隨後將銅箔放置於已浸漬的玻璃織物上並且與已浸漬的玻璃織物壓製在一起。隨後，將壓製的材料分成個別的板。將理解到，第4圖中所示的製造處理實質上為標準的PCB製造處理，其中3D織造玻璃織物係用於非導電基板的原料，而非2D玻璃織物。
現在參見第5A圖，第5A圖為具有正交織造形態的3D織造織物的片段的範例性配置的透視例示圖，大體上以200來標號，根據本發明的實施例來建構與操作。3D織造織物200包括第一組纖維(以202與204來標號)與第二組纖維(以206來標號)。第一組纖維202、204以多個層堆疊。每一纖維202沿著x軸方向延伸(縱長地)，且多列的纖維202連續地沿著y軸方向排列，使得每一層纖維202排列(以連續的列)在共同的平面(x-y平面)中。類似地，每一纖維204沿著y軸方向延伸(縱長地)，且多列的纖維204連續地沿著x軸方向排列，使得每一層纖維204也排列(以連續的列)在相同的x-y平面中。多層的纖維202、204沿著正交方向(z軸，正交於x-y平面)配置或堆疊，因此形成沿著x軸與y軸方向延伸並且沿著z軸方向配置的纖維矩陣。第二組纖維206交織於第一組纖維202與204。第二組纖維206配置在z軸方向中，使得每一纖維206的長度實質上通過至少z軸或沿著至少z軸延伸(亦即，但是也可橫越x軸或y軸)，同時交織通過第一組纖維202、204。
3D織造織物可根據各種參數來分類，包括：卸料機構(shedding mechanism)、織造處理、織造形態/架構、幾何/結構、以及交織與纖維軸。3D織造織物的一種類別包括設計來交織兩組正交的線(「經線」與「緯線」)之傳統的2D織造處理，該2D織造處理產生交織的2D織物於2D織造裝置上。另一種類別使用設 計來交織兩組正交的線(經線與緯線)以及額外組的紗線(作用為通過厚度或z軸方向中的捆束經紗或交織紗線)之傳統的2D織造處理。這稱為「多層織造」，並且產生包括2D織造裝置上的兩組紗線之交織的3D織物。又另一種類別使用傳統的2D織造處理以及三組紗線(地經紗、絨毛經紗、絨毛緯紗)來產生起絨織物，稱為「2.5D織物」。該織物如此製造：藉由切割包括兩個2D織物(由交織的絨毛線連接)之簡單的3D編織，以形成「毛狀」織物。這些2.5D織物以標準的方法利用環氧樹脂來浸漬，並且在高壓鍋中層壓與固化。又另一種類別包括傳統的2D織造處理以及三組紗線，以產生非交織的織物，具有在經紗、緯紗與通過厚度(z軸)方向中的紗線。又另一種類別使用3D織造處理來交織三組正交的紗線，以產生「正交織造」形態。織造梭操作於列方向與行方向兩者。使用專門設計的3D織造機器，這產生完全交織的3D織物，其中所有三組正交的紗線都交織。最後一種類別包括非織造、非交織的3D織物形成處理，設計來連接三組正交的紗線在一起，其中沒有交織(梭織)、套結(針織)、或編結(編織)。此織物藉由特殊的捆束處理而保持在一起。
根據本發明的實施例，3D織造織物的特徵在於有角度的(亦即，非正交的)織造形態或架構，例如第5B圖與第5C圖所示的多層與有角度雙羅紋織造形態。第5B圖為具有有角度雙羅紋織造形態的3D織造織 物的橫截面例示圖，大體上以210來標號，根據本發明的另一實施例來建構與操作。第5C圖為具有多層織造形態的3D織造織物的透視例示圖，大體上以220來標號，根據本發明的另一實施例來建構與操作。正交織造形態的3D織物200的特徵在於所有三個主要方向中直的紗線，且因此對於希望沒有捲曲的紡織品是有用的。有角度雙羅紋織造形態的3D織物210是3D立體配置，其中緯紗保持為直的，而經紗則對角地導引通過織物架構有預定的深度。棉紗(wadding yarn)可加入至經紗方向中，以達成高的拉伸模量與強度。多層織造形態的3D織物220產生的織物包括二或更多層。每一層可具有其自身的織法，且這些層可縫合，以形成整合的3D結構。多層織造處理係設計來交織兩組正交紗線(經紗與緯紗)以及額外組的紗線(作用為通過厚度或z軸方向中的捆束經紗或交織紗線)。注意到，有角度雙羅紋織造形態210與多層織造形態220可利用傳統的2D織造機器來生產，特別是梭織機(shuttle loom)，而正交織造形態200需要特殊設計的3D織造機器。
3D織造織物的纖維幾何形狀(或「結構」)可選自多種已知的幾何形狀形式，例如：實心、空心、殼、與結。實心幾何形狀具有複合結構，具有規則或錐形的幾何形狀。實心幾何形狀通常與多層及有角度雙羅紋架構一起使用。空心幾何形狀提供的形狀為平坦表面與不平坦表面兩者，且在不同的位準上有多方向的通 道。空心幾何形狀通常與多層架構一起使用。3D空心結構具有開孔在織物橫截面中，且所以多層織造形態可應用至具有平坦表面的空心結構以及具有波浪形表面的空心結構兩者。殼幾何形狀具有球殼及/或打開的箱子殼之形狀。殼幾何形狀通常與多層或單層架構一起使用。節幾何形狀具有管狀節及/或實心節的形狀。節幾何形狀通常與多層及有角度雙羅紋架構一起使用。
應注意到，在形成自具有非正交織造形態(例如，有角度雙羅紋或多層)與實心纖維幾何形狀的3D織造織物之PCB中，鑽PTH通孔時的「鑽污(drill smear)」現象可實質上最少化，相較於包括具有正交織造形態的3D織造織物之PCB來說。鑽污係關於在鑽孔處理期間所導致之灰塵與碎屑的形成，這難以移除並且可能覆蓋內層中的導體，並且損害PCB的導電性。參見第6A圖與第6B圖。第6A圖為呈現鑽污的正交織造形態纖維的分解縱向例示圖(以232來標號)以及分解橫截面例示圖(以234來標號)，根據本揭示技術的實施例來操作。第6B圖為沒有鑽污的有角度織造形態纖維的分解縱向例示圖(以236來標號)以及分解橫截面例示圖(以238來標號)，根據本揭示技術的另一實施例來操作。正交織造形態導致鑽污(如同例示圖232與234所見的)，因為任何單一纖維的橫切面沿著孔桶為矩形，且因此銅鍍層連續性受到不利的影響。相反地，當實施有角度織造形態(如同例示圖236與238所見的)，則 實質上沒有鑽污，因為任何單一纖維的橫切面為半橢圓形。因此，在具有有角度(非正交)織造形態的3D織造織物中的銅鍍層連續性事實上類似於2D織物中的銅鍍層連續性，其中對應的區域實質上為有角度的。
z軸纖維206的特性(例如，(z軸)纖維206交織通過(x-y平面)纖維202、204的角度與織造形態的類型)可根據PCB的特定參數及/或要求來選擇。例如，z軸交織角度實質上為銳角，例如稍微小於90度(例如，75-89度之間)，以避免沿著單一纖維或叢聚纖維鑽孔時可能產生之鑽孔中的缺陷與PTH銅鍍層中的缺陷(例如，不均勻、凹坑、起泡等)。通常，用於決定z軸纖維206的特性之範例性參數包括：層數、織物密度、縱橫比、樹脂的種類、及/或在銅電鍍之後用於產生無缺陷的孔之其他相關的鑽孔參數。
返回參見第4圖、第5A圖、第5B圖、與第5C圖，導電材料層(參照208)沉積或設置至PCB的非導電基板的至少一表面上，使得一或更多個導電PTH通孔延伸通過基板，以連接PCB的不同層。3D織造織物(200、210、220)包括配置在通過厚度(z軸)方向中的纖維206。因此，沿著包括3D織造織物(200、210、220)的PCB基板的z軸方向的熱膨脹係數(z-CTE)實質上匹配於PCB通孔銅鍍層的z-CTE(例如，大約17ppm)，藉此減少PCB基板經過熱循環後的熱膨脹。以此方式，通孔裂化(PTH疲勞)的現象實質上可以紓 解，且熱循環至失效的比率或「平均失效間隔時間(MTBF)」大大地增加(亦即，相較於具有從2D織造織物製造的基板之標準PCB來說)。實質上，具有包括2D織造織物的基板之標準PCB為各向異性的(亦即，材料特性取決於方向)，至少相關於CTE特性來說(亦即，z-CTE實質上不同於x-CTE與y-CTE)。相反地，關於CTE，具有3D織造織物型基板的PCB為各向同性的(亦即，材料特性在所有方向都相同)，或者在有角度或非正交的3D織物織造形態的情況中可能為「類似各向同性的」，使得z-CTE實質上匹配於材料的x-CTE與y-CTE。為了比較的目的，市售的2D織造織物的典型x-CTE與y-CTE在玻璃轉變溫度(Tg)時為大約17ppm，而典型的z-CTE在Tg時為大約50ppm。用語「各向同性的」在本文中是以足夠寬廣的方式用於包含材料特性在所有方向中為「實質上類似的」(但不必然是「相同的」)之方案，例如包含有角度織造形態210、220的「類似各向同性的」配置。
此外，若3D織造織物的特徵在於非正交的織造形態(例如形態210、220)，3D織造織物(210、220)的z軸纖維206係定位在不同的(非均勻的)角度處。因此，利用非正交形態的3D織造織物(210、220)所製造的PCB基板的特徵在於減少當PTH鑽孔時導電表面(208)與非導電基板之間的介面處的不均勻，這進 一步用於實質上最少化鑽孔中的缺陷與PTH銅鍍層中的缺陷，例如不均勻性、凹坑、起泡、鑽污、與類似者。
3D織造織物200、210、220可為玻璃纖維，例如E玻璃纖維或FR-4玻璃纖維。PCB的導電材料208可為例如銅(Cu)，使得延伸通過PCB基板的PTH為鍍銅的。PCB可包括任何類型的通孔，具有任何配置，包括但不限於：殘端通孔、貫穿通孔、盲通孔、埋通孔、及/或背鑽通孔。纖維的厚度可在大約10-20μm之間。3D織造織物200、210、220可選擇性地包括表面處理(例如底漆(primer)或電漿)，以改良在PCB製造處理的浸漬步驟期間(第4圖)樹脂的流動以及樹脂對於織物表面的最終附著。
現在參見第7圖，第7圖為圖表，大體上以250來標號，繪示具有不同參數的PCB材料的平均疲勞壽命(MTF,mean fatigue life)的模擬結果，使用的是IPC-TR-579失效模型，根據本發明的實施例來操作。平均疲勞壽命係界定為在失效之前的熱循環的數量，其中「失效」係界定為：在給定的測試溫度，PCB電阻值高於初始電阻值測量值的百分比增加。模擬計算係基於例如以下的參數：PCB材料的類型與厚度、PTH的尺寸、與預期的熱環境。在圖表250中，所有模擬都基於具有3mm的厚度與3447MPa的PCB彈性模量之一般的PCB材料，但是改變z-CTE的值(50ppm/℃；33ppm/℃；17ppm/℃)。圖表250的所有模擬都基 於0.3mm的PTH直徑與0.025mm的PTH壁厚度，但是改變PTH品質因素的值(「差」或「良好」，如同相關於商店或供應商的技藝在IPC-TR-579失效模型標準下所界定的)。圖表250的所有模擬都基於-30℃的最低溫度與71℃的最高溫度。從模擬結果看來，顯而易見的，具有17ppm/℃的z-CTE之PCB材料(例如，根據本發明之包括3D織造織物的PCB)產生明顯較大的「失效週期」值，相較於其他的選擇來說。更具體地，3D織物強化PCB產生的失效週期值為「實質上無限大的」，且因此，此種PCB的耐久性的改良可視為相信是無限的，相對於特徵為各向異性CTE特性之其他PCB來說。進一步注意到，雖然「良好品質」的PCB改良了失效週期比率優於兩種非3D織物型PCB(亦即，「標準」與「最佳」解決方案)至少一個數量級，但是3D織物強化PCB的失效週期維持為「實質上無限大的」，不論PCB品質是否為「差」或「良好」。因此，針對3D織造織物型PCB來說，即使差品質的材料也提供了PCB耐久性與平均疲勞壽命實質上無限的改良。
將理解到，從以上的敘述可以產生許多用於提供PCB及/或PCA的熱管理之方法。用於提供熱管理的一個此種方法為用於冷卻PCA的方法，PCA包括主框體與安裝至主框體的至少一主板。該方法包括以下程序：使用延伸通過主框體內的容積空腔所界定的個別孔之複數個氣流通道，來散去主板所產生的熱，其中每一 通道包括在主框體的第一邊緣表面處的至少一入口以及在主框體的第二邊緣表面處的至少一出口。至少一氣流通道係配置來導引第一方向中的空氣流動，且至少另一氣流通道係配置來導引第二方向中的空氣流動，第二方向不同於第一方向。替代地或額外地，至少一氣流通道係配置有相對於其至少一出口為離軸的至少一入口。
用於提供熱管理的另一個此種方法為用於製造具有增強的耐久性的PCB之方法。該方法包括以下程序：從利用樹脂浸漬的3D織造玻璃纖維織物形成基底材料。3D織造玻璃纖維織物包括第一組纖維，第一組纖維係配置在複數個平行層中，其中每一層包括複數個纖維沿著至少第一(x軸)方向延伸並且排列於第一(x-y)平面中，且其中平行層係沿著第二(z軸)方向配置，第二(z軸)方向正交於第一(x-y)平面。3D織造玻璃纖維織物另外包括第二組纖維，第二組纖維沿著至少第二(z軸)方向延伸，第二組纖維交織於第一組纖維，例如以非正交的織造形態。基底材料沿著第二(z軸)方向的CTE實質上匹配於導電材料沿著第一(x軸)方向的CTE。該方法另外包括以下程序：沉積導電材料層至基底材料的表面上，以及形成至少一導電PTH，至少一導電PTH延伸通過多個PCB層的基底材料。
將理解到，本發明的不同實施例並非互斥的，並且可結合成各種組合，以形成包括一或更多個不同態樣(例如，多方向的氣流通道、具有離軸的入口與 出口之多個氣流通道、以及包括3D織造織物的PCB基板)的單一實施例。例如，PCA 100或120的個別的板120、122(特徵在於多方向的氣流冷卻通道及/或離軸的氣流通道入口/出口)可利用3D織造織物來製造，如同PCB 200、210、220。另外，本發明可結合於或與其他類型的已知的內部或外部冷卻源或熱減輕裝置聯合使用，例如風扇或散熱器。
雖然已經敘述了所揭示的技術內容的某些實施例，以促成本領域中熟習技藝者來實施本發明，但是前面的敘述係打算僅為範例性的。前面的敘述不應用於限制所揭示的技術內容的範圍，所揭示的技術內容的範圍應參見以下的申請專利範圍來決定。
100‧‧‧印刷電路組件(PCA)
102‧‧‧主框體
104‧‧‧主板
106‧‧‧夾層框體
108‧‧‧夾層板
110、112‧‧‧氣流通道
110A‧‧‧入口
110B‧‧‧出口
111‧‧‧第一邊緣表面
112A‧‧‧入口
112B‧‧‧出口
113‧‧‧第二邊緣表面
114、116‧‧‧氣流通道
114A‧‧‧入口
114B‧‧‧出口
115‧‧‧第一邊緣表面
116A‧‧‧入口
116B‧‧‧出口
117‧‧‧第二邊緣表面

Claims (10)

  1. 一種具有增強的耐久性之印刷電路板(PCB)，該PCB包括複數個PCB層，其中該等PCB層的至少一者包括：一基底材料，該基底材料形成自一三維(3D)織造玻璃纖維織物，該三維(3D)織造玻璃纖維織物利用一樹脂來浸漬，該3D織造玻璃纖維織物包括：一第一組纖維，該第一組纖維係配置在複數個平行層中，其中每一層包括複數個纖維沿著至少一第一(x軸)方向延伸並且排列於一第一(x-y)平面中，且其中該等平行層係沿著一第二(z軸)方向配置，該第二(z軸)方向正交於該第一(x-y)平面；及一第二組纖維，該第二組纖維沿著至少該第二(z軸)方向延伸，該第二組纖維交織於該第一組纖維；一導電材料層，該導電材料層沉積至該基底材料的一表面上；及至少一導鍍通孔(PTH)，該至少一導電鍍通孔延伸通過複數個該PCB層的該基底材料，其中該基底材料沿著該第二(z軸)方向的一熱膨脹係數(CTE)實質上匹配於該導電材料沿著該第一(x軸)方向的 該CTE。
  2. 如請求項1所述之印刷電路板，其中該基底材料相關於該熱膨脹係數(CTE)實質上為各向同性的。
  3. 如請求項1所述之印刷電路板，其中該第二組纖維以一非正交的織造形態交織於該第一組纖維。
  4. 如請求項3所述之印刷電路板，其中該非正交的織造形態係選自包括下述項目的列表：一有角度雙羅紋織造形態；及一多層織造形態。
  5. 如請求項1所述之印刷電路板，其中該第一組纖維與該第二組纖維的至少一者的該幾何形狀係選自包括下述項目的列表：一實心幾何形狀；一空心幾何形狀；一殼幾何形狀；及一節幾何形狀。
  6. 如請求項1所述之印刷電路板，其中該3D織造玻璃纖維織物係選自包括下述項目的列表：E玻璃纖維；及FR-4玻璃纖維。
  7. 一種用於製造具有增強的耐久性的一PCB 之方法，該方法包括下述程序：從一三維(3D)織造玻璃纖維織物形成一基底材料，該基底材料用於至少一PCB層，該3D織造玻璃纖維織物包括：一第一組纖維，該第一組纖維係配置在複數個平行層中，其中每一層包括複數個纖維沿著一第一(x軸)方向延伸並且排列於一第一(x-y)平面中，且其中該等平行層係沿著一第二(z軸)方向延伸，該第二(z軸)方向正交於該第一(x-y)平面；及一第二組纖維，該第二組纖維沿著至少該第二(z軸)方向延伸，該第二組纖維交織於該第一組纖維；利用一樹脂來浸漬該基底材料；沉積一導電材料層至該基底材料的一表面上；及形成至少一導電鍍通孔(PTH)，該至少一導電鍍通孔延伸通過該PCB的複數個層的該基底材料，其中該基底材料沿著該第二(z軸)方向的一熱膨脹係數(CTE)實質上匹配於該導電材料沿著該第一(x軸)方向的該CTE。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該基底材料相關於該CTE實質上為各向同性的。
  9. 如請求項7所述之方法，其中該第二組纖維以一非正交的織造形態交織於該第一組纖維。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該非正交的織造形態係選自包括下述項目的列表：一有角度雙羅紋織造形態；及一多層織造形態。
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