電路板組件及其熱傳導裝置的製作方法
2023-06-01 17:00:11
專利名稱：電路板組件及其熱傳導裝置的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電路板組件，更具體地，涉及適用於電路板組件中的熱傳導裝置。
電子電路的正常運行的副產品是熱能，即熱。熱能在電子電路的運行期間作為電荷流摩擦影響的結果產生。電荷流越大，即電流越大，產生越大的熱能的聚集。如果沒有適當的散發，熱能的聚集能在電子電路中引起不希望的運行特性，甚至能引起電子電路的元件以及其它鄰近電路的元件的損壞。
熱能的產生在放大裝置例如功率放大器中是特別明顯的。因為功率放大器通常放大向其提供的輸入信號，功率放大器輸出的信號能是輸入信號幅度的很多倍。然而，典型的功率放大器的效率僅是約40％，且因此，提供給這些放大器的輸入電能的約60％被轉化為熱能。必須通過熱耦合功率放大器到散熱器元件散發這個熱能。由於這些功率放大器的運行產生大量的熱能，散熱能用在其上安裝有功率放大器的基底上罩金屬殼容易地完成，該金屬殼作為散熱器元件。通過在功率放大器和金屬殼之間產生熱傳導路徑，功率放大器內含的或其運行期間產生的熱能能被傳導到金屬殼並由對流散發。
現有的功率放大器電路，特別那些用於3W應用的功率放大器電路，典型地封裝在含有大金屬翼的模塊中。為散發這些功率放大器電路產生的熱，模塊被安裝到電路板，因此，金屬翼物理地接觸金屬殼。完成這個方案的一個方法被Moutrie等透露在美國專利第5,459,640號，名為「電模塊安裝裝置及其方法」1995年10月17日頒發，並轉讓給摩託羅拉公司。在Moutrie等的專利中，模塊被安裝在電路板上斷開(breakaway)區域上，它然後被移去以允許金屬翼直接坐到殼上以散熱。可惜的是，這種技術不能用於表面安裝在電路板上的功率放大器電路。
本發明的目的是提供一種電路板組件及其熱傳導裝置，它傳導表面安裝在電路板的永久部分上的電子電路產生的熱到金屬殼以散熱。
本發明提供一種熱傳導裝置，載於基底上，所述基底有頂面和底面，所述熱傳導裝置包括盤，載於所述基底的頂面上，以安裝電子元件；至少一過孔，與所述盤相交且伸展在所述基底的頂面和底面之間；和盤組，載於在所述盤之下的所述基底的底面上，所述至少一過孔與所述盤組之一相交以傳導在所述電子元件運行時對其產生的熱。
本發明提供一種電路板組件包括電路板，有頂面和底面；地盤，載於所述電路板的頂面上；電子元件，通過第一焊料凸起耦合到所述地盤；至少一過孔，耦合到所述第一焊料凸起，並伸展在所述電路板的頂面和底面之間，所述至少一過孔充滿焊料；和盤組，載於在所述地盤之下的所述電路板的底面上，所述盤組的每個有載於其上的第二焊料凸起，所述盤組的至少一個的所述第二焊料凸起耦合到所述至少一過孔。
熱傳導裝置被布置在有頂面和底面的基底上，如印刷電路板。熱傳導裝置包括載於基底的頂面上的元件盤，至少一個伸展在基底的頂面和底面之間的過孔，和一組在元件盤之下的載於基底的底面上的盤。元件盤電連接到電子元件。過孔與元件盤和一盤組之一相交以傳導在電子元件的運行時產生的熱到這一盤組。
本發明的優點是允許在電路板的永久部分上產生高熱的電子元件組件的表面安裝。另外，集成熱傳導裝置提供可靠的地連接，以保證電子元件的穩定運行。這個集成熱傳導裝置也允許內導體或電路板的線路被布線在由高熱產生電子元件或電路佔有的區域之下。在現存的組件中，所有線路必須繞著斷開或剖面的區域布線，這常常引起電路板尺寸的增加。
附圖簡要說明
圖1描繪包括用電路板組件的收發信機的無線電通信系統；圖2描繪圖1的收發信機的電路板組件的局部分解透視圖，示出用熱傳導裝置的電路板的頂面；圖3描繪圖2的電路板的底面視圖，包括熱傳導裝置用的盤分布；圖4描繪圖3的盤分布的放大的局部平面圖5描繪沿圖2的截面線5-5的電路板組件的放大的局部截面圖；圖6描繪圖2的熱傳導裝置用的另一盤分布的平面圖；和圖7描繪用圖6的另一盤分布的另一電路板組件沿圖2的截面線7-7的截面圖。
無線電通信系統100(圖1)包括電子裝置，特別地，移動無線電話102。移動無線電話102包括用戶接口104，天線106，耦合到用戶接口104和天線106的收發信機108。用戶接口104主要包括手機110，它有揚聲器111、麥克風112、袖珍鍵盤113、和顯示器114。移動無線電話102與遠端收發信機116通過射頻(RF)信號118通信。遠端收發信機116發射RF信號118進入移動無線電話102居於其中的無線電覆蓋區域。天線106轉換RF信號118成為電RF接收信號，並耦合電RF接收信號到收發信機108。收發信機108轉換電RF接收信號成為數據接收信號，它分別通過用戶接口104的揚聲器111和顯示器114被輸出為音頻話音和業務信息。通過用戶接口104的袖珍鍵盤113和麥克風112的話音和數據輸入被分別耦合到收發信機108作為數據發射信號。收發信機108轉換數據發射信號成為電RF發射信號。收發信機108包括放大電RF發射信號的功率放大器。收發信機108耦合放大的電RF發射信號到天線106以轉換與發射到遠端收發信機116作為RF信號118。
收發信機108的功率放大器被含於收發信機108用的電路板組件200(圖2)中。電路板組件200包括金屬殼202、電路板204、功率放大器電路205、和金屬安裝螺絲206，每個包括頭和螺絲杆。示出其一部分的殼202包括壓鑄鋁或其它能經受熱傳導的材料。殼202包括頂殼部分207和底殼部分208。底殼部分208包括集成形成的、升起的平臺209。平臺209的頂面確定匹配面210以直接接觸電路板204。匹配面210是橫穿那裡的水平平面，且包括尺寸適於接收安裝螺絲206的相應的螺絲杆的螺母211。
示出其一部分的電路板204是多層板，且包括印刷電路板材料，如聚醯亞胺，環氧樹脂基防燃工業纖維玻璃(G10-FR4)，或其它合適的代替物。電路板204實際上是橫穿平面，且包括頂面212和底面214。優選銅鍍的穿孔216在頂面212和底面214之間伸展通過電路板204。穿孔216被構成允許安裝螺絲206的杆通過的尺寸，但其頭不能通過。
頂面212包括由虛線標明的部件放置區域218。部件放置區域218包括載於電路板204的頂面212上的地盤220和222。地盤220和222被構成適於承載功率放大器電路205並提供其電接地的尺寸。地盤220和222由覆銅或其它合適的材料構成。地盤220和222通過布置在電路板204中並以虛線示出的線路221被耦合到穿孔216。地盤220和222分別包括過孔224和226。過孔224和226是圓柱形的分別通過地盤220和222伸展的、且在電路板204的頂和底面212和214之間的通孔。居於地盤220的過孔224被安排為X-形狀模式。過孔226被安排為一對行，其中每行被沿著相對的邊安排為平行於地盤222的長軸。在描繪的實施方案中，過孔224和226被構成有直徑約0.7毫米的尺寸。
部件放置區域218包括耦合到布置在電路板204中並以虛線示出的線路，如線路229的信號盤227。線路傳送信號進入部件放置區域218，以由功率放大器電路205放大和從功率放大器電路205返回放大的信號到在部件放置區域218之外的其它電路(未示出)。
電路板204的底面214包括熱傳導區域300(圖3)，由虛線標明。熱傳導區域300伸展在位於電路板204的頂面212上的部件放置區域218(圖2)之下，並正好與之並列。部件放置區域218和熱傳導區域300(圖3)被類似定尺寸。熱傳導區域300的尺寸大體對應於底殼部分208的平臺209的匹配面210(圖2)的尺寸。
熱傳導區域300(圖3)中布滿載於電路板204的底面214的組盤302。盤組302由覆銅或其它能連接焊料的材料構成。過孔224和226貫穿、且終止在盤組302中。盤組302的每個有展長的蛋形，包括布置在相對的半圓端E1和E2之間的大致的長方形中節M(圖4)。在描繪的實施方案中，盤組302的每個有約3mm的長度L和約1mm的寬度W。雖然對最大的焊料流通量和最大的焊料覆蓋，使用展長的蛋形盤是優選的，將認識到，其它形狀，如橢圓形、圓形、雨滴形、三草葉形、或類似形狀可被代替使用。然而，為減少焊料虛焊，這種盤應該用圓而不是角、角落。
盤組302被安排在由一組行，如行304(圖3)和一組列，如列306定義的柵格中。這組行的每行平行於熱傳導區域300的縱軸308。這組列的每列相對於熱傳導區域300的縱軸308(圖3)和橫軸310傾斜。這組列的每列平行於旋轉軸312，旋轉軸312與橫軸310形成由弧314所代表的角θ1，且與縱軸308形成由弧316所代表角θ2。在描繪的實施方案中，角θ1是約45度且角θ2是約135度。旋轉軸312平行於盤組302的每個的縱軸400(圖4)且正交於盤組302的每個的橫軸402。雖然優選盤組302傾斜的分布，以增加由於例如對應于波峰焊過程的焊料波峰的角度的增加的可焊接性，將認識到可用其它盤安排方向替代。
盤組302之間的空間在整個熱傳導區域300是統一的。行組被隔開距離D1，在描繪的實施方案中，D1是約0.5mm。列組的每個被隔開距離D2，在描繪的實施方案中，D2是約0.5mm。在列組的每列中，盤組302的鄰接著的盤被隔開距離D3，在描繪的實施方案中，D3是約1mm。雖然因為它使焊料虛焊最少並最大使用熱傳導區域300的面積，上述盤間隔是優選的，將認識到可用其它盤間隔替代。
功率放大器電路205(圖2)包括放大元件228和230。放大元件228和230被封裝以包括地端232和234。雖然未在圖2中示出，地端232和234實際分別包括放大元件228和230的腳印。在放大元件228和230運行期間產生的熱分別通過地端232和234被散發。放大元件228和230也包括信號端235，以接收要放大的信號和輸出放大的信號。在所描繪的實施方案中，放大元件228和230分別是RF功率MOSFET(金屬氧化半導體場效應電晶體)，部件號碼BX，可從Hitachi買到；和RF功率MOSFET，部件號碼AX，可從Hitachi買到；或其它合適的替代品。
電路板組件200優選通過自動的組裝過程組裝。電路板204的頂面212經受回流過程或波峰焊過程。在回流過程中，預定量的焊料通過網被塗在地盤220和222和部件放置區域218的信號盤227。塗在地盤220和222上的預定量的焊料必須足以附接各個放大元件228和230並充滿過孔224和226。焊料是鋅鉛銀合金焊料或合適的替代品。放大元件228和230的地端232和234被分別定位為與在地盤220和222上的焊料分別接合，如線236和238的之一所代表。放大元件228和230的信號端235在對應的信號盤227上接合焊料。這种放置優選由自動部件放置機執行。然後，部件放置區域218經受回流熱，以熔化焊料並粘接地端和信號端232、234、和235到地端和信號盤220、222、和227。來自地盤220和222的熔化的焊料也分別流入並充滿過孔224和226。基於冷卻，焊料電和物理地連接放大元件228和230到地盤220和222之一和信號盤227，並充滿過孔224和226。
在波峰焊過程中，環氧樹脂被塗於部件放置區域218。放大元件228和230被定位與地盤220和222接合，並由環氧樹脂固定。然後，部件放置區域218經受硬化過程、焊劑塗覆、和塗焊料在地盤220和222、信號盤227上、和在過孔224和226中的焊料的熔化波。基於冷卻，焊料電和物理地連接放大元件228和230到地盤220和222之一和信號盤227，並充滿過孔224和226。
下一步，電路板204被翻面，且在底面214的熱傳導區域300(圖3)經受波峰焊過程或回流過程，如上所描繪。在描繪的實施方案中，熱傳導區域300優選經受焊劑塗覆和塗焊料在一盤組302中的焊接波。另外，熱傳導區域300能被回流加熱以熔化網在一盤組302上的預定量的焊料。基於冷卻，在一盤組302的每個盤上的焊料形成大體一樣的、中凸的焊料凸起。
然後，電路板204(圖2)被安裝在金屬殼202的底殼部分208，因此，熱傳導區域300(圖3)與平臺209的匹配面210並列，且電路板204是水平平面。為保證盤組302和匹配面210之間的緊密接觸，電路板204通過轉安裝螺絲206通過對應的通孔216並進入對應的螺母211中固定到平臺209，如線240所代表。安裝螺絲206優選由自動螺絲機釘入。電路板組件200的組裝由周知的附接方法附接頂殼部分207到底殼部分208完成。
相對於放大元件230，組裝的電路板組件200的部分500被示於圖5中。放大元件230的地端234通過焊料凸起501電和物理地附接到地盤222。現在充滿焊料的過孔226從焊料凸起501通過地盤222、電路板204的多層502、和盤組302的各盤503和504向下伸展。過孔226終止在分別載於盤503和504的焊料凸起505和506。焊料凸起505和506接觸底殼部分208的平臺209的匹配面210。焊料凸起505和506是載於熱傳導區域300的盤組302的每個上的焊料凸起的例子。
在運行中，功率放大器電路205(圖2)的放大元件230產生熱。放大元件230(圖5)內部耦合熱到地端234。一旦到地端234，熱通過包括焊料凸起501、地盤222、過孔226、盤503和504、及焊料凸起505和506的金屬化路徑被傳導到匹配面210。匹配面210通過沿盤組302的所有盤經過它們的各個焊料凸起散發熱量防止局部熱聚集，同時，通過平臺209傳導熱進入殼202，以便它能由對流散發。放大元件228(圖2)運行期間產生的熱通過類似的結構被類似地傳導和散發，且為簡潔起見將不各個描繪。因此，不像存在的結構，上述熱傳導裝置從直接安裝在電路板上的永久部分的電子部件傳導出熱。
或多或少的過孔可被用於從安裝在電路板204上的放大元件228和230或其它元件傳導熱。對一些電子元件，如晶片電阻，用於上述方法的單個過孔足以進行熱傳導。在熱傳導必須增加的情況中，可用另外的過孔。所用過孔的量僅受限於電路板設計要求，它要求穿過這種過孔佔據的區域不中斷地布置通路。熱傳導容量也能通過增加熱傳導區域300的面積和其中盤的覆蓋密度增加。
除傳導熱外，上述分別伸展在放大元件228和230的地端232和234之間的金屬化路徑、和匹配面210是不斷開的電導體，它們提供在功率放大器電路205(圖2)和殼202之間額外的可靠的電地連接。這種連接補充由通過金屬安裝螺絲206電耦合到平臺209的通孔216提供的地連接，並提高功率放大器電路205的運行所需的性能連續性和穩定性。為了附加的接地，使用的過孔的量或熱傳導區域300的面積和其中盤的覆蓋密度能被增加。
圖6描繪也能在正對於部件放置區域218的電路板204的底面214(圖2)上使用的熱傳導區域600。熱傳導區域600(圖6)包括一盤組602(圖6)。盤組602的盤具有類似於盤組302(圖3)的展長的蛋形，且以類似於盤組302的方法被分開。盤組602被這樣安排以使每個的縱軸，如縱軸604平行於熱傳導區域600的橫軸606。這樣，盤組602形成一組列，如列608，它們被平行於橫軸606放置。另一盤組602在每個組列中是類似的尺寸。然而，盤組602的尺寸列間不同。在描繪的實施方案中，盤組602的分布對稱於橫軸606。另外，盤組602的尺寸和區域隨著從熱傳導區域600的中心610沿熱傳導區域600的縱軸612向外逐步地增加。
熱傳導區域600經受回流過程或波峰焊過程，如上所述。預定量的焊料被網在盤組602上且回流加熱，或焊料通過波峰焊被塗於盤組602。基於冷卻，焊料在盤組602的每個上形成中凸的焊料凸起700(圖7)。在回流過程中，在布網期間，為在每列的盤組602上塗不同量的焊料，使用分步的模板。分步的模板被校準以在盤組602上塗足夠量的焊料，以便焊料凸起700的高度在列組間變化。在波峰焊過程中，導致的凸起的高度由盤組602的每個的盤面積決定。如圖6所示，在連續的列中，盤組602的尺寸以預定的方法變化，以便焊料凸起700的高度在列組間變化。在描繪的實施方案中，焊料凸起700的高度隨著從代替的熱傳導區域600的中心610沿其縱軸612向外逐步地增加。
用在電路板204上的熱傳導區域600被匹配於底殼部分208的平臺209的匹配面702，因此產生電路板組件703，其一部分示於圖7中。匹配面702從橫向中心面704對稱地向下且縱向向外斜。焊料凸起700的變化的高度補充匹配面702的曲線，以保證電路板204一被安置好，就是水平的平面。焊料凸起700的變化的高度也保證與匹配面702的充分的電和物理接合，以使能參考前述實施方案如前描繪的用過孔的熱傳導。因此，通過改變居於熱傳導區域中盤的尺寸，熱傳導裝置能被用於用缺少水平匹配面的殼的電路板組件。
雖被示為用於移動無線電話，將認識到蜂窩基站、雙向無線電設備、低地球軌道通信設備、計算機設備、立體聲設備、音樂設備、工業馬達控制器、或類似設備能得益於用熱傳導組件的電路板組件的使用，且這裡所用的「裝置」應指任何這種設備和它們的等效物。
通過在電路板組件中用集成的熱傳導裝置，熱能通過電路板和所建立的可靠的地通道而傳導。熱傳導裝置允許在電路板的永久部分上的高熱產生電路，如功率放大器電路的表面安裝。一個或多個過孔從電路通過電路板耦合熱到一焊盤的柵格。焊盤的柵格散發熱以避免熱局部聚集，並進一步耦合熱進入支撐電路板的金屬殼，以由對流散發。能被避免需要電路板的斷開的區域以直接安裝功能類似電路到用於熱消散的金屬殼的現有的組件。
權利要求
1.熱傳導裝置，載於基底上，所述基底有頂面和底面，所述熱傳導裝置包括盤，載於所述基底的頂面上，以安裝電子元件；至少一過孔，與所述盤相交且伸展在所述基底的頂面和底面之間；和盤組，載於在所述盤之下的所述基底的底面上，所述至少一過孔與所述盤組之一相交以傳導在所述電子元件運行時對其產生的熱。
2.如權利要求1所述的熱傳導裝置，進一步包括部件放置區域，位於所述基底的頂面中，所述部件放置區域包括所述盤；和熱傳導區域，位於所述基底的底面中，所述熱傳導區域布滿所述盤組，所述熱傳導區域和所述部件放置區域尺寸類似且相互並列。
3.如權利要求2所述的熱傳導裝置，其中所述熱傳導區域包括第一縱軸，正交於所述第一縱軸的第一橫軸，及與所述第一縱軸形成第一角和與所述第一橫軸形成第二角的旋轉軸；和所述盤組的每個包括第二縱軸，和正交於所述第二縱軸的第二橫軸，所述第二縱軸平行於所述旋轉軸，且所述第二橫軸正交於所述旋轉軸。
4.如權利要求1所述的熱傳導裝置，其中所述盤組的每個是展長的蛋形。
5.如權利要求1所述的熱傳導裝置，其中所述盤組的尺寸是變化的，以保持較多或較少的預定量的焊料，焊料在其上伸展到較高或較低的預定的高度。
6.電路板組件包括電路板，有頂面和底面；地盤，載於所述電路板的頂面上；電子元件，通過第一焊料凸起耦合到所述地盤；至少一過孔，耦合到所述第一焊料凸起，並伸展在所述電路板的頂面和底面之間，所述至少一過孔充滿焊料；和盤組，載於在所述地盤之下的所述電路板的底面上，所述盤組的每個有載於其上的第二焊料凸起，所述盤組的至少一個的所述第二焊料凸起耦合到所述至少一過孔。
7.如權利要求6所述的電路板組件，進一步包括部件放置區域，位於所述電路板的頂面中，所述部件放置區域包括所述地盤；和熱傳導區域，位於所述電路板的底面中，所述熱傳導區域布滿所述盤組，且所述熱傳導區域與所述部件放置區域尺寸類似且相互並列。
8.如權利要求7所述的電路板組件，進一步包括殼，適合於安裝所述電路板，所述殼包括匹配面，以與所述熱傳導區域並列，以直接接觸所述盤組。
9.如權利要求8所述的電路板組件，其中所述電路板大體是平的；所述盤組的每個有類似尺寸；和所述匹配面是水平的平面。
10.如權利要求8所述的電路板組件，其中所述電路板大體是平的；所述盤組的尺寸變化；和所述匹配面是彎曲的。
全文摘要
熱傳導裝置載於有頂面和底面的基底上。熱傳導裝置包括盤,至少一過孔,和一盤組。盤被載於基底的頂面上,以電連接到電子元件。過孔與盤相交且伸展在基底的頂面和底面之間。一盤組被載於盤下的基底的底面上。過孔與一盤組之一相交,以傳導所述電子元件運行時對其產生的熱。
文檔編號H05K3/34GK1177902SQ97116549
公開日1998年4月1日 申請日期1997年9月18日 優先權日1996年9月20日
發明者詹姆斯·E·范·雷斯韋克 申請人:摩託羅拉公司