用於電路板熱傳遞的系統及其組裝方法
2024-04-02 03:41:05
專利名稱：用於電路板熱傳遞的系統及其組裝方法
技術領域：
本文描述的主題大體涉及改進印刷電路板(PCB)組件的熱傳遞，並且更具體而言，涉及用於減小PCB和底板之間的熱阻的熱接口材料和熱通道。
背景技術：
設計成通過熱傳導來將熱從PCB移到底板的構件(例如包含高功率裝置的那些組件)在移除較高水平的熱方面日益受到挑戰。這是因為新近開發的處理裝置典型地包含較多電路，並且因此易於產生較高的熱負荷，以及/或者因為構件較小，從而容許PCB包含較多構件，從而提高PCB所產生的熱的量。在至少一些已知的PCB組件中，設計成移除熱的構件會接觸PCB上的非傳導性襯 底。為了避免在電接地底板和PCB上的電氣構件(例如電路平面和/或電路構件)之間導電，至少一些已知的PCB組件不包括直接接觸電路平面和/或電路構件的熱移除構件。但是，電路平面和/或電路構件大體是PCB上的主熱源。如果不從PCB中移除和/或消散電路平面和/或電路構件所產生的足夠的熱量，則PCB和電路構件可受到損害和/或出故障。
發明內容
在一方面，提供了一種印刷電路板組件。該組件包括底板、聯接到底板上的熱框架、印刷電路板(PCB)、聯接在PCB和熱框架之間的熱接口材料( Μ)，以及延伸通過PCB且聯接到 Μ上的至少一個熱通道，其中，該組件構造成通過 Μ和該至少一個熱通道將熱從PCB傳遞到底板。在另一方面，提供了一種熱移除系統。該熱移除系統包括印刷電路板(PCB)、延伸通過PCB的至少一個熱通道，以及熱接口材料(TIM)，該熱接口材料(TIM)聯接到該至少一個熱通道上，使得通過該至少一個熱通道和 Μ從PCB中移除熱。在又一方面，提供了一種組裝印刷電路板組件的方法。該方法包括提供印刷電路板(PCB);將至少一個熱通道定位在PCB內；將熱接口材料(TIM)聯接到該至少一個熱通道上；將TM聯接到熱框架上；以及將熱框架聯接到底板上，使得通過該至少一個熱通道和TIM將熱從PCB傳遞到底板。
圖I是示例性印刷電路板組件的示意圖。圖2是圖I中顯示的印刷電路板組件的一部分的橫截面圖。圖3是可用於圖I中顯示的印刷電路板組件的示例性冷卻結構的分解視圖。圖4是圖3中顯示的冷卻結構的橫截面圖。圖5是可用來組裝圖2中顯示的印刷電路板組件的組裝印刷電路板組件的示例性方法的流程圖。部件列表100PCB組件
102底板
104熱框架
106PCB
108、110 冷壁
112槽口
114下表面
116上表面
118楔形鎖定件
120安裝裝置
122TIM
130上表面
132下表面
202電路平面
204PCB襯底
210第一電路平面
212第二電路平面
214第三電路平面
216第四電路平面
220孔口
222熱通道
224下表面
226邊緣
250熱移除系統
260接觸點
300冷卻結構
302熱框架
304PCB
306安裝點
308安裝構件
310孔口
320表面層
322第一平面層
324路由層
326第二平面層
328PCB襯底
330冷卻板
340、342、344熱傳遞路徑
500方法502提供PCB
504將熱通道定位在PCB內
506將 Μ聯接到熱通道上
508將TM聯接到熱框架上
510將熱框架聯接到底板上。
具體實施例方式本文描述的實施例促進移除印刷電路板(PCB)上產生的熱。由導熱且電絕緣的材料構成的熱接口材料(TM)將熱框架聯接到PCB上。PCB包括聯接到 Μ上的至少一個熱 通道。通過熱通道、 Μ和熱框架來移除PCB上產生的熱。由於 Μ是電絕緣的，所以PCB上的電路接地平面可直接連結到熱通道上，從而改進從PCB中移除熱的量和/或速率。最後，因為熱通道可直接連結到電路接地平面上，所以與已知的PCB組件相比，本文描述的系統具有更低的熱阻率，以及因此，具有提高的熱傳遞屬性。圖I是印刷電路板(PCB)組件100的示意圖。組件100包括底板102、熱框架104和PCB 106。底板102包括冷壁108和110，冷壁108和110形成沿著冷壁108和110的長度延伸的槽口 112。冷壁108具有下表面114，而冷壁110具有上表面116。板固持器或任何其它適當的固定機構(例如楔形鎖定件118)聯接在冷壁108和110中的一個或兩者與熱框架104之間。在該示例性實施例中，楔形鎖定件118聯接在下表面114和熱框架104之間且緊靠下表面114和熱框架104。將冷壁108和110保持在恆定的溫度下，使得底板102如下面詳細地描述的那樣用作熱沉。在該示例性實施例中，楔形鎖定件118是設計成通過在熱框架104和下表面114槽口 112之間膨脹和施加接觸壓力經由多個單獨的楔形件(未顯示)而將熱框架104固定在槽口 112中的機械緊固件。在一個實施例中，通過使用膨脹螺釘(未顯示)使多個楔形件膨脹，以及導致對熱框架104和槽口 112的下表面114兩者施加壓力，楔形鎖定件118以機械的方式將熱框架104固定在槽口 112中。楔形鎖定件118所導致的這個壓力迫使熱框架104抵靠著上表面116和冷壁110，以促進從PCB 106中移除熱，如下面詳細地描述的那樣。備選地，楔形鎖定件118可為促進將熱框架104固定在槽口 112內的任何機械緊固件。在該示例性實施例中，熱框架104由導熱金屬製成，例如鋁或銅。備選地，熱框架104由使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何材料製成。熱框架104通過安裝裝置120而聯接到PCB 106上。安裝裝置120可包括例如球柵格陣列(BGA)、引腳柵格陣列(PGA)和/或焊盤柵格陣列(LGA)。熱接口材料( Μ) 122還如下面詳細地描述的那樣聯接在熱框架104和PCB 106之間。在該示例性實施例中，TM 122在熱框架104和PCB106之間保持間隔，使得熱框架104不直接接觸PCB 106。備選地，熱框架104可直接接觸PCB 106的至少一部分，以促進從PCB 106中移除熱。在該示例性實施例中， Μ 122聯接到PCB 106的上表面130和熱框架104的下表面132上。備選地，TIM 122可在使得組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何地方和/或位置處聯接在PCB 106和熱框架104之間。另外，在一些實施例中，TM 122可聯接在PCB 106和底板102之間，使得從PCB 106中移除的熱不傳送通過熱框架104。圖2是圖I中顯示的PCB組件100的一部分的橫截面圖。
Μ 122由導熱但電絕緣的材料構成，使得TIM 122傳導熱能(即熱)，但是不導電。為了高效地從PCB 106中移除熱， Μ 122由具有低熱阻的材料構成。在一個實施例中， Μ 122具有3. 6度絕對溫度每瓦(K/W)的熱阻Θ。備選地，TIM 122可由使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何材料構成。例如，TIM 122可為用氧化鋁、氧化鋅、氮化硼和/或銀浸制的矽基材料。PCB 106包括定位在多層PCB襯底204之間的多個銅電路平面202。PCB襯底204由介電材料構成，例如浸潰有聚醯胺樹脂和/或環氧樹脂的玻璃纖維片材。備選地，PCB襯底204由使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何材料構成。在該示例性實施例中，PCB 106上的電路平面202包括第一電路平面210、第二電路平面212、第三電路平面214和第四電路平面216。電路平面202在PCB 106上定位成堆疊和/或交迭的定向。在該示例性實施例中，第一電路平面210位於PCB 106的上表面130上。第一電路平面210、第二電路平面212、第三電路平面214和第四電路平面216可各自包括電路接地平面(即具有地電勢的電路平面)或電路電源平面(即具有非零電勢的電路 平面)。雖然在該示例性實施例中顯示了四個電路平面202，但是PCB 106可包括使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何數量的電路平面202。在該示例性實施例中，至少一個孔口 220延伸通過PCB 106。孔口 220延伸通過PCB襯底204、第一電路平面210、第二電路平面212、第三電路平面214和第四電路平面216。在該示例性實施例中，孔口 220是基本圓柱形的，並且沿基本垂直於上表面130的方向延伸通過PCB 106。備選地，孔口 220可具有使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何適當的形狀和/或定向。例如，在一些實施例中，孔口 220可相對於上表面130傾斜地或平行地定向。熱通道222延伸通過孔口 220。在該示例性實施例中，熱通道222自PCB 106的上表面130延伸到下表面224。備選地，熱通道222可延伸通過PCB 106的僅一部分。另外，在一些實施例中，不是延伸通過孔口 220，熱通道222而是沿著PCB 106的邊緣226延伸。熱通道222聯接到 Μ 122上。
Μ 122、熱通道222和PCB 106形成熱移除系統250。為了促進將熱從PCB 106傳遞到底板102，至少一個電路平面202連結到熱通道222上，使得電路平面202所產生的熱被傳導通過熱移除系統250。如本文所用，使電路平面202連結到熱通道222上表示在電的方面和/或在機械的方面將電路平面202聯接到熱通道222上，使得熱可從電路平面202傳遞到熱通道222。例如，在一些實施例中，孔口 220包括接觸電路平面202的鍍層，並且熱通道222通過鍍層而聯接到電路平面202上。備選地，電路平面202可通過電導線連結到熱通道222上。另外，在一些實施例中，熱通道222可緊靠著電路平面202。在該示例性實施例中，第三電路平面214在接觸點260處連結到熱通道222上。備選地，第一電路平面210、第二電路平面212、第三電路平面214和第四電路平面216中的任一個均可通過使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何手段而連結到熱通道222上。熱能還可從包圍熱通道222的PCB襯底204流到熱通道222中。為了促進從PCB 106中移除熱，熱通道222由導熱材料構成。因為TM 122，熱通道222與熱框架104和底板102電隔離。因而，連結到熱通道222上的電路平面202也與框架104和底板102電隔離。因此，在該示例性實施例中，熱通道222由導電材料構成，諸如例如銅。備選地，熱通道222可由使得PCB組件100能夠如本文描述的那樣起作用的任何材料構成。如上面描述的那樣，電路平面202可包括電路接地平面和/或電路電源平面。因此，熱通道222可連結到至少一個電路接地平面或至少一個電路電源平面上。另外，雖然在圖2中顯示了僅一個熱通道222，但是在一些實施例中，PCB 106包括各自可聯接到TM 122上的熱通道222陣列。在一些實施例中，第一熱通道在PCB 106上連結到電路接地平面上，而第二熱通道則在PCB 106上連結到電路電源平面上。在操作中，PCB 106和/或電路平面202會產生熱。更具體而言，聯接到電路平面202上且位於電路平面202上的傳輸功率的電路會產生熱。為了促進從PCB 106中移除熱，將第一冷壁108、第二冷壁110和/或底板102保持在比PCB 106的溫度更冷的恆定的溫度下，使得在PCB 106上產生的熱流到底板102。更具體而言，參照圖2中顯示的實施例，在第三電路平面214處產生的熱通過接觸點260流到熱通道222中。熱通過 Μ 122從熱通道222流到熱框架104中。另外，在將冷壁108和110保持在比PCB 106的溫度更冷的恆定的溫度下，並且楔形鎖定件118將熱框架104壓靠在冷壁110上時，熱通過熱框架104流到底板102中。因而，熱通道222、TIM 122和熱框架104提供從電路平面202至底板102的直 接的熱路徑。但是，因為TIM 122是電絕緣的，所以電不會從電路平面202傳導到底板102。因此， Μ 122和熱通道222從PCB 106上的電路平面202中直接移除熱，同時在電路平面202和底板102之間保持電隔離。圖3是可用於圖I中顯示的PCB組件100的示例性冷卻結構300的分解視圖。圖4是圖3中顯示的冷卻結構300的橫截面圖。在圖3和4中顯示的實施例中，熱框架302在安裝點306處安裝到PCB 304上。雖然在圖3和4中顯示了僅一個安裝點306，但是熱框架302可在使得冷卻結構300能夠如本文描述的那樣起作用的任何數量的安裝點306處安裝到 PCB 304 上。通過安裝構件308 (諸如例如安裝螺釘)將熱框架302安裝到PCB 304上。安裝構件308延伸通過PCB 304中的孔口 310。在該示例性實施例中，孔口 310延伸通過PCB 304上的表面層320、第一平面層322、路由層324和第二平面層326。第一平面層322、路由層324和第二平面層326被PCB襯底328隔開。第一平面層322和第二平面層326包含傳輸功率的電路，而路由層324的至少一部分不包括傳輸功率的電路。備選地，PCB 304可包括使得冷卻結構300能夠如本文描述的那樣起作用的任何數量和/或布置的層。在該示例性實施例中，冷卻板330在路由層324處聯接到安裝構件308上。冷卻板330與路由層324基本共面。另外，雖然在該示例性實施例中，冷卻板330具有基本環形的形狀，但是冷卻板330可備選地具有任何適當的形狀，例如正方形、長方形和/或多邊形。如上面描述的那樣，路由層324的至少一部分不包括傳輸功率的電路。因此，冷卻板330與PCB 304上的傳輸功率的電路電隔離。更具體而言，PCB襯底328使冷卻板330與第一平面層322和弟_■平面層326電隔尚。在該示例性實施例中，冷卻板330成形且定向成與第一平面層322和第二平面層326的至少一部分交迭。因此，當在第一平面層322和/或第二平面層326上產生熱時，所產生的熱通過PCB襯底328沿著熱傳遞路徑340和342從第一平面層322和/或第二平面層326流到冷卻板330。另外，熱通過安裝構件308沿著熱傳遞路徑344從冷卻板330流到熱框架302。因此，冷卻結構300促進移除在第一平面層322和/或第二平面層326上產生的熱，同時在冷卻板330和第一平面層322與第二平面層326之間保持電隔離。圖5是用於組裝PCB組件(例如PCB組件100)的示例性方法500的流程圖。方法500包括提供502 PCB,例如PCB 106。至少一個熱通道定位504在PCB內，例如熱通道222。為了促進從PCB中移除熱， Μ(例如 Μ 122)聯接506到該至少一個熱通道上。
Μ還聯接508到熱框架上，例如熱框架104。熱框架聯接510到底板上，例如底板102。將底板保持在低於PCB的溫度的溫度下，使得在PCB上產生熱時，所產生的熱通過熱通道、通過TIM以及通過熱框架而流到底板。這促進冷卻PCB和存儲在其上的任何電氣構件和/或電路構件。本文描述的系統和方法促進移除印刷電路板(PCB)上產生的熱。由導熱且電絕緣的材料構成的熱接口材料(TM)將熱框架聯接到PCB上。PCB包括聯接到 Μ上的至少一個熱通道。通過熱通道、 Μ和熱框架移除在PCB上產生的熱。由於 Μ是電絕緣的，所以PCB上的電路接地平面可直接連結到熱通道上，從而改進從PCB中移除熱的量和/或速率。最後，因為熱通道可直接連結到電路接地平面上，與已知的PCB組件相比，本文描述的系統具有更低的熱阻率，以及因此，具有提高的熱傳遞屬性。上面詳細描述了用於從PCB中移除熱的系統的示例性實施例。方法和系統不限於本文描述的具體實施例，而是相反，系統的構件和/或方法的步驟可獨立地以及與本文描述的其它構件和/或步驟分開來使用。方法和系統還可與其它裝置結合起來使用，並且不限於僅用本文描述的系統和方法來實踐。例如，本文描述的TIM和熱通道可用來在功率供應單元和基板之間、底板和冷卻翅片之間、底板和基板之間等傳遞熱。因此，示例性實施例可與許多其它應用結合起來實施和使用。雖然可在一些圖中顯示本發明的各種實施例的具體特徵，而在其它圖中不顯示，但這僅是為了方便。根據本發明的原理，圖的任何特徵可結合任何其它圖的任何特徵來參照和/或聲明。本書面描述使用實例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。本發明的可授予專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這 樣的其它實例具有不異於權利要求的字面語言的結構元素，或者如果這樣的其它實例包括與權利要求的字面語言無實質性差異的等效結構元素，則它們意圖處於權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種印刷電路板組件(100)，包括 底板(102)； 聯接到所述底板上的熱框架(104)； 印刷電路板(PCB) (106)； 聯接在所述PCB和所述熱框架之間的熱接口材料(TIM) (122);以及 延伸通過所述PCB且聯接到所述TM上的至少一個熱通道(222)，其中，所述組件構造成通過所述TIM和所述至少一個熱通道將熱從所述PCB傳遞到所述底板。
2.根據權利要求I所述的組件(100)，其特徵在於，所述TIM(122)由導熱且電絕緣的材料構成。
3.根據權利要求I所述的組件(100)，其特徵在於，所述至少一個熱通道(222)由導熱且導電的材料構成。
4.根據權利要求I所述的組件(100)，其特徵在於，所述PCB(106)包括多個電路平面(202)，以及其中，所述至少一個熱通道(222)連結到所述多個電路平面中的至少一個上。
5.根據權利要求4所述的組件(100)，其特徵在於，所述至少一個熱通道(222)連結到所述多個電路平面(202)中的至少一個電路接地平面上。
6.根據權利要求4所述的組件(100)，其特徵在於，所述至少一個熱通道(222)連結到所述多個電路平面(202)中的至少一個電路電源平面上。
7.根據權利要求I所述的組件(100)，其特徵在於，所述PCB(106)包括至少一個路由層(324)和至少一個平面層(322)，所述組件進一步包括 聯接到所述熱框架(104)上且延伸通過限定成通過所述PCB的孔口(310)的安裝構件(308)； 聯接到所述安裝構件上且定向成與所述至少一個路由層基本共面的冷卻板(330)，其中，所述冷卻板與所述至少一個平面層的至少一部分交迭，以促進從所述至少一個平面層中移除熱。
8.一種用於電路板組件的熱移除系統(250),所述系統包括 印刷電路板(PCB) (106)； 延伸通過所述PCB的至少一個熱通道(222);以及 熱接口材料(TM) (122)，其聯接到所述至少一個熱通道上，使得通過所述至少一個熱通道和所述TM從所述PCB中移除熱。
9.根據權利要求8所述的系統(250)，其特徵在於，所述TM(122)由導熱且電絕緣的材料構成。
10.根據權利要求8所述的系統(250)，其特徵在於，所述至少一個熱通道(222)由導熱且導電的材料構成。
全文摘要
本發明涉及用於電路板熱傳遞的系統及其組裝方法。提供了一種用於電路板組件的熱移除系統(250)。該系統包括印刷電路板(PCB)(106)、延伸通過該PCB的至少一個熱通道(222)，以及熱接口材料(TIM)(122)，該熱接口材料(TIM)(122)聯接到該至少一個熱通道上，使得通過該至少一個熱通道和TIM從PCB中移除熱。
文檔編號H05K1/02GK102811551SQ20121015298
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月17日 優先權日2011年5月17日
發明者D.S.斯拉頓, D.麥唐納, J.L.賴特 申請人:通用電氣公司