專利名稱：改進(jìn)了熱耗散的印刷電路板組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種印刷電路板組件，即PBA，其具有由不導(dǎo)電材料制成的第一支撐層，并且還包括由導(dǎo)電材料制成的第一層和第一電子元件，以及用于從第一電子元件傳輸熱的第一冷卻元件。
背景技術(shù)：
用于當(dāng)前印刷電路板組件(PBA)的許多電子元件產(chǎn)生大量的熱。在例如這些電子元件為高功率放大器(HPA)和功率晶體管時(shí)尤其如此。
因而冷卻PBA成為一個(gè)問題，為此已經(jīng)提出了許多解決方案?，F(xiàn)今已知的解決方案通常包括需要手工勞動(dòng)或使用通孔的生產(chǎn)步驟。
這些已知的解決方案的一些問題在于，通過通孔只能耗散有限量的熱，而手工勞動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品變得相當(dāng)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
因此需要一種可以以比現(xiàn)今已知的解決方案更加有效的方式從例如HPA散熱的PBA。理想上，可以在不用任何手工勞動(dòng)的情況下生產(chǎn)這種PBA。
本發(fā)明通過公開一種印刷電路板組件，即PBA來滿足這些需求，該P(yáng)BA包括由不導(dǎo)電材料制成的第一支撐層，還包括由導(dǎo)電材料制成的第一層和第一電子元件，以及用于從所述第一電子元件傳輸熱的第一冷卻元件。
根據(jù)本發(fā)明，所述第一電子元件被表面安裝在所述PBA上，使得所述第一電子元件至少部分覆蓋所述第一冷卻元件，并且所述第一冷卻元件一體布置在所述PBA中。
此外，所述第一冷卻元件布置在所述PBA中，使其可沿著第一方向和第二主方向傳輸由所述第一電子元件產(chǎn)生的熱，所述第一方向基本垂直于所述PBA的第一主表面，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面。
適當(dāng)?shù)氖?，所述第一電子元件通過焊接、膠合或從外部元件施加的壓力而被表面安裝在所述PBA上。
因此，通過本發(fā)明，并且從以下詳細(xì)說明可清楚的那樣，獲得了一種PBA，該P(yáng)BA具有性能比公知結(jié)構(gòu)更高程度的冷卻結(jié)構(gòu)。而且本發(fā)明的PBA比已知的PBA更易于通過自動(dòng)化方式制造。
本發(fā)明還公開了一種用于制造上述PBA的方法。


下面將參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中圖1表示從根據(jù)本發(fā)明的基礎(chǔ)PBA的側(cè)面觀察的剖視圖；且圖2表示用于本發(fā)明的PBA中的冷卻結(jié)構(gòu)；且圖3表示從根據(jù)本發(fā)明的PBA的側(cè)面觀察的剖視圖；并且圖4表示在根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)方法中的一些主要步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
首先應(yīng)指出，在本文中，將一直使用術(shù)語(yǔ)“印刷電路板組件”來描述本發(fā)明。通常，術(shù)語(yǔ)印刷電路板(PCB)用于表示在其上未安裝任何元件的電路板，而術(shù)語(yǔ)印刷電路板組件(PBA)通常用于描述PCB和一個(gè)或幾個(gè)布置在PCB上的元件的組合。不過，為了不使描述含糊不清，在本文中統(tǒng)一使用術(shù)語(yǔ)PBA。
圖1表示從根據(jù)本發(fā)明的PBA 100的側(cè)面觀察的剖視圖。PBA 100是本發(fā)明非?！盎A(chǔ)”的形式，并且主要用于闡述本發(fā)明所基于的原理。
如圖1所示，PBA具有第一上主表面101，并包括由諸如FR4的不導(dǎo)電層壓材料制成的第一支撐層130。在層壓材料層130的頂部上，布置有由諸如銅的導(dǎo)電材料制成的層120，所述層適當(dāng)?shù)夭贾脼槠谕碾娐穲D案。因此在這種情況下，是導(dǎo)電材料制成的層120主要形成了PBA的第一主表面101。
同樣如圖1所示，PBA 100還包括第一電子元件110，該電子元件通過焊接而表面安裝在PBA上并同樣通過焊接連接到電路圖案120上的觸點(diǎn)。作為本文稍后將闡述的替代方案，第一電子元件可通過膠合或通過布置在PBA上或PBA外部(即，機(jī)架或類似結(jié)構(gòu))的外部元件(所述外部元件沿著PBA的第一主表面101的方向在所述第一電子元件上施加壓力)固定在適當(dāng)位置。
為了有效地散去電子元件110產(chǎn)生的熱，PBA 100還包括第一冷卻元件140。該冷卻元件由高導(dǎo)熱性材料制成，例如銅或黃銅或一些其它相似的金屬或金屬合金。
本發(fā)明所基于的原理在于，電子元件產(chǎn)生的熱應(yīng)該沿著第一方向有效地散至PBA內(nèi)，并沿第二方向有效耗散，第一方向?yàn)榛敬怪庇赑BA的第一主表面101的方向，第二方向?yàn)榛酒叫杏谒龅谝恢鞅砻?01的方向。第一方向?yàn)閳D1中的坐標(biāo)系所示的“x”方向，第二方向?yàn)橥蛔鴺?biāo)系所示的“y”方向。
為了實(shí)現(xiàn)期望的熱耗散，第一冷卻元件包括第一主要部件141和第二主要部件142，它們共同使得該元件具有“倒大寫字母T”的形狀。應(yīng)注意，該形狀只是實(shí)施例的示例，冷卻元件可以具有種類相當(dāng)多的形狀以實(shí)現(xiàn)期望的效果，如同在以下說明中將清楚的那樣。
對(duì)于冷卻元件140的兩個(gè)部件的截面形狀，它們?cè)诒景l(fā)明中可以以許多方式改變，但是較大部件142應(yīng)該適當(dāng)?shù)鼐哂信cPBA 100的大致外形一致或不干涉的截面形狀，即，在本示例中為矩形。
在圖1所示的實(shí)施例100中，冷卻元件140的各部件具有不同的截面面積，第一部件141具有比第二部件142的面積A2小的面積A1。而且，冷卻元件一體布置在PBA中，使得“T的底部”，即較小部件141的不與較大部件142接觸的端部非常接近PBA的第一主表面101或者與其接觸。這是為了便于熱從電子元件傳導(dǎo)至冷卻元件。
圖1還示出了冷卻元件141呈“倒T形狀”的一個(gè)原因經(jīng)由冷卻元件的第一部件141沿x方向傳輸(即，從第一主表面101至PBA中)的熱將通過冷卻元件的第二部件142(即T的“橫條”)橫向傳輸，即，沿著基本平行于PBA的第一主表面101的方向(圖1中的坐標(biāo)系的“y”方向)傳輸。
圖1示出了期望橫向傳輸熱的一個(gè)原因PBA將要以這樣的方式布置成機(jī)架或類似結(jié)構(gòu)，即，PBA的與第一主表面101相對(duì)的表面(即，PBA的下主表面)與可導(dǎo)熱的機(jī)架中的部件150機(jī)械接觸。
應(yīng)注意，部件150不與PBA的整個(gè)底表面接觸，而是僅接觸PBA的底部區(qū)域的外部分區(qū)。所述分區(qū)可以是周邊區(qū)域，或者如圖1所示，是沿著PBA的底表面的相對(duì)邊緣的第一“條帶”103和第二“條帶”104。
由于外部冷卻表面僅接觸PBA的周邊，所以留下了可供來自PBA的元件伸入的空間或空腔160，從而可以形成具有高效冷卻性能的“雙面”PBA。
圖2表示第一冷卻元件140。從該圖中可清楚地看到元件140的形狀，其具有第一部件或部分141，其將與第一主表面101接觸或非常接近；和第二部件或部分142，其由于在布置于PBA中時(shí)的主延伸方向而可以沿著偏離第一部件141的主延伸方向的方向從第一部件141傳輸熱。適當(dāng)?shù)氖?，第二部?42相對(duì)于冷卻元件的第一部件141、341成小于或大于零度的角度。
在冷卻元件布置在PBA中時(shí)的所述主延伸方向?qū)τ诘谝徊考?41而言是圖1的“x”方向，對(duì)于第二部件142而言是圖1所示的“y”方向。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的更加詳細(xì)的PBA 300。如圖所示，該P(yáng)BA 300包括多個(gè)支撐不導(dǎo)電層壓材料的交替層330和345，以及所謂的“預(yù)浸漬體”層335、345。
本文中一致稱為“預(yù)浸漬體”的材料用于將剛性層壓材料固定在一起并且填充例如印刷電路板內(nèi)的層之間的間隔，從而基本消除氣穴。預(yù)浸漬體具有半硬化化學(xué)物，因此可在熱、壓力和真空的特定的預(yù)定組合下形成。
一旦預(yù)浸漬體的化學(xué)物已經(jīng)完全硬化，它就固定并將保持該形狀。
作為預(yù)浸漬體的替代物，也可以使用所謂的粘合膜來將不同的材料層彼此固定，并且填充印刷電路板組件內(nèi)的材料層之間的空間或空腔。粘合膜也可通過熱、壓力和真空形成，但是可以熔融若干次。
現(xiàn)在回到PBA 300，其在不導(dǎo)電層壓材料層的一側(cè)或兩側(cè)上還具有由諸如銅的導(dǎo)電材料層制成的電路圖案320、351。
而且，PBA 300包括第一冷卻元件340，其成形并布置成圖1和2所示的對(duì)應(yīng)元件；和第一電子元件310，其通過與對(duì)圖1中的PBA的描述相關(guān)聯(lián)而提到的方式中的一種方式表面安裝在PBA 300上。
借助圖4，將更加詳細(xì)地描述PBA 300，圖4是概述PBA 300的生產(chǎn)中的一些主要步驟的流程圖。應(yīng)指出的是，圖4所示和以下所述的步驟不需要按照所示和所述的順序執(zhí)行，重要的是最終結(jié)果，即完工的PBA300。
作為初始步驟(圖4中的框410)，制備第一冷卻元件340，即，使其具有以上所示和所述的形狀以及期望的尺寸。該元件應(yīng)由具有高導(dǎo)熱性的材料制成，例如銅、黃銅或其它相似的金屬或金屬合金。可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的多種方式，例如通過磨銑(milling)進(jìn)行元件340的成形。
圖4的框420示出了下一步驟制備所謂的“預(yù)浸漬體”層。預(yù)浸漬體的制備包括使該層具有期望的尺寸，即，未來PBA的寬度和長(zhǎng)度，以及在預(yù)浸漬體層中制造孔或窗口，所述孔具有與冷卻元件340的較窄部件141的截面面積A2對(duì)應(yīng)的尺寸。適當(dāng)?shù)氖?，通過磨銑生成預(yù)浸漬體層中的孔，不過也可以采用其它處理，例如鉆削。這樣制備的預(yù)浸漬體層將變成圖3中的335所示的層。
接著，圖4中的框430，制備諸如FR4的不導(dǎo)電層壓材料層。在這種情況下，該制備包括在層中制造孔或“窗口”，所述窗口在這種情況下略微大于A1，該A1即為冷卻元件的較小的截面面積。合適的是，層壓材料中的孔與A1之間的尺寸差在1-5％的范圍內(nèi)，其在圖3中示出為“Δ”。在該步驟中制備的層壓材料層將成為圖3中的330所示的層。
接著，可執(zhí)行在圖4中未示出的可選步驟如果期望在PBA 300中的層壓材料層的面向“內(nèi)”的那一側(cè)上具有電路圖案，現(xiàn)在就將這些圖案布置在層壓材料上。這通過傳統(tǒng)方式進(jìn)行，例如通過蝕刻或使用光刻膠等，因而這里不再做進(jìn)一步詳細(xì)描述。在圖3中，層壓材料層330示出為在其主表面的兩側(cè)上具有電路圖案。
圖3中的PBA 300示出為具有若干不導(dǎo)電的層壓材料層330、350，以及若干預(yù)浸漬體層335、345，其中層壓材料層在它們的一側(cè)或兩側(cè)上設(shè)有電路圖案。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，PBA 300可設(shè)有或多或少任意數(shù)量的如圖3那樣布置的層。為此，這里不再詳細(xì)描述圖3所示的所有層的制備。
因此，層壓材料層350將按照上述方式制備，預(yù)浸漬體345也按照上述方式制備。當(dāng)然，那些待布置在冷卻元件340的“底部”上(即，齊靠部件342的底表面)的層不需要在其中制造孔或窗口。
從而，現(xiàn)在已經(jīng)制備了若干預(yù)浸漬體層和層壓材料層，而使得它們具有期望的機(jī)械尺寸、包括用于冷卻元件340的開口而。如圖3中的框440所示，現(xiàn)在按照期望的順序?qū)@些層進(jìn)行機(jī)械組裝。
按照期望順序布置未來的PBA的層之后，下一步驟是對(duì)未來的PBA進(jìn)行所謂的“真空層壓處理”(圖4中的框450)，以將這些層永久地相互固定。這例如可以在所謂的“真空層壓爐”中進(jìn)行，其中溫度將根據(jù)所涉及的材料(即預(yù)浸漬體和層壓材料)而變化。
在層壓處理期間，預(yù)浸漬體將變成液體，這解釋了為什么在層壓材料層中制造的開口比冷卻元件的寬度略大(“Δ”)的原因在層壓處理期間，未來的PBA(即，已經(jīng)以正確順序機(jī)械布置的層)受到來自與PBA的上側(cè)和下側(cè)(即，圖1的上下主表面101和102，以及圖3的上下主表面301和302)相對(duì)應(yīng)的方向的壓力。
由于該壓力，液化的預(yù)浸漬體將被壓入層壓材料層與冷卻元件之間的開口Δ，從而基本消除所有的游隙。
在層壓處理之后，將PBA從真空爐移出并使預(yù)浸漬體硬化。在必要時(shí)，為了生成PBA 300的光滑主表面，可隨后進(jìn)行一些表面處理。
如圖4中的框460所示，下一步驟是在PBA 300的上主表面301和/或下主表面302上生成電路圖案。在該階段的上表面優(yōu)選包括不導(dǎo)電的層壓材料330、350，所述層壓材料覆蓋有銅或一些其它導(dǎo)電材料的薄層，這些薄層中通過公知的傳統(tǒng)方式(例如通過光刻法)生成有電路圖案。
作為最后的主要步驟(圖4中的框470和480)，將打算使用冷卻元件340的高功率電子元件310布置在PBA上，并通過焊接固定至上述的導(dǎo)電材料層320。
如圖3所示，現(xiàn)在在高功率元件310的至少一部分的正下方布置有冷卻元件340，并且冷卻元件將能夠沿著PBA的第一方向(在這種情況下，沿著圖1-3的坐標(biāo)系中的“x”所示的方向，即，沿著從第一主表面101、301朝向第二主表面102、302的方向)傳導(dǎo)由高功率元件產(chǎn)生的熱。
此外，冷卻元件340、140由于其部件342、142而還可以沿著第二方向(圖1-3的“y”方向)傳輸熱。因此，由電子元件310在PBA的表面處產(chǎn)生的熱將首先沿x方向傳輸，然后沿y方向傳輸。
從圖3可看到以這種方式(首先x，然后y)傳輸熱的一個(gè)目如圖3所示，PBA布置在例如機(jī)架中，其中PBA的下主表面302的部件303、304與機(jī)架的可用作外部散熱件的機(jī)械部件360接觸。
應(yīng)注意，外部部件360不與PBA的整個(gè)底表面接觸，而是僅接觸PBA的底部區(qū)域的外部分區(qū)。所述分區(qū)可以是周邊區(qū)域，或者如圖1所示，是沿著PBA的底表面的相對(duì)邊緣的第一“條帶”303和第二“條帶”304。
由于外部冷卻表面僅接觸PBA的周邊，所以留下了可供來自PBA的元件伸入的空間160，從而可以形成高效冷卻的“雙面”PBA。在圖3中，PBA的兩個(gè)層345、350示出為布置在PBA的“底”側(cè)302上，所述層沿著x方向以這樣的方式延伸，即，留下供將接觸外部表面360的條帶所用的空間。在這種情況下，所述條帶是冷卻元件340的部件。
本發(fā)明不限于以上所示的實(shí)施例的示例，而是可在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)自由變化。例如，在保持傳輸熱的能力的同時(shí)，可以以許多方式改變冷卻元件140、340的形狀。而且，以上所示的傳輸熱的方向，即x方向和y方向不必是與PBA的主表面垂直(x)和平行(y)的方向，可以通過改變冷卻元件布置在PBA中的方式，以及通過改變冷卻元件的形狀而改變這些方向。
作為對(duì)圖3所示的實(shí)施例的明顯替代，PBA可以布置成使得機(jī)架的可用作外部散熱件的機(jī)械部件360代之以從PBA 300的第一主表面301與PBA接觸。在該實(shí)施例中，重新參照?qǐng)D3，可以移除PBA的第一主表面301的一個(gè)或多個(gè)外邊緣以露出冷卻元件340的較大部件342。
因而當(dāng)PBA 300布置在機(jī)架或類似結(jié)構(gòu)中時(shí)，部件360將按照與其在圖3中包圍PBA的下主表面的方式相同的方式包圍PBA的上表面。
權(quán)利要求
1.一種印刷電路板組件PBA(100，300)，該P(yáng)BA包括由不導(dǎo)電材料制成的第一支撐層(130，330)，還包括由導(dǎo)電材料制成的第一層(120，320)和第一電子元件(110，310)，以及用于從所述第一電子元件傳輸熱的第一冷卻元件(140，340)，所述PBA的特征在于●所述第一電子元件(110，310)被表面安裝在所述PBA上，至少部分位于所述第一冷卻元件(140，340)上方，●所述第一冷卻元件(140，340)一體布置在所述PBA(100，300)中，●所述第一冷卻元件(140，340)布置在所述PBA(100，300)中，從而其可沿著第一方向(x)和第二主方向(y)傳輸由所述第一電子元件(110，310)產(chǎn)生的熱，所述第一方向基本垂直于所述PBA的第一主表面(101，301)，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面。
2.如權(quán)利要求1所述的PBA(100，300)，其中所述第一電子元件(110，310)通過焊接、膠合或從外部元件施加的壓力而表面安裝在所述PBA上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的PBA(100，300)，其中所述冷卻元件包括第一部件(141，341)和第二部件(142，342)，所述第二部件布置成相對(duì)于所述冷卻元件的所述第一部件(141，341)成小于或大于零度的角度。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的PBA(100，300)，其中由于所述冷卻元件的所述第一部件(141)和所述第二部件(142)的布置，所述冷卻元件(140，340)形成為大寫字母“T”，所述冷卻元件的所述第一部件(141，341)布置在所述PBA中的孔內(nèi)。
5.一種用于制造印刷電路板組件PBA(100，300)的方法，該方法包括●在不導(dǎo)電層壓材料的第一層(130，330)中制備用于接收第一冷卻元件(140，340)的開口，●制備用于裝配在所述層壓材料(130，330)中的開口內(nèi)的所述第一冷卻元件(140，340)，●將所述冷卻元件裝配在所述層壓材料中，●在所述層壓材料的至少第一主表面(101，301)上制備電路圖案(120，320)，所述方法的特征在于其還包括以下步驟●處理所述第一層壓材料層(130，330)和所述第一冷卻元件(140，340)，使它們一起成為PBA(100，300)，●制備所述第一冷卻元件并以這樣的方式將所述第一冷卻元件裝配在所述層壓材料中，即，使其可沿著第一方向(x)和第二主方向(y)傳輸熱，所述第一方向基本垂直于所述PBA(100，300)的第一主表面(101，301)，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面，●將第一電子元件(110，310)表面安裝在所述PBA的所述第一主表面(101，301)上，至少部分位于所述第一冷卻元件(140，340)上方。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，根據(jù)該方法，將所述第一電子元件(110，310)通過焊接、膠合或從外部元件施加壓力而表面安裝至所述PBA(100，300)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，根據(jù)該方法，通過使所述冷卻元件(140，340)具有第一部件(141，341)和第二部件(142，342)而制備用于裝配在所述層壓材料中的所述冷卻元件，所述第二部件布置成相對(duì)于所述冷卻元件的所述第一部件(141，341)成小于或大于零度的角度。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的方法，根據(jù)該方法，由于所述冷卻元件(140，340)的所述第一部件(141)和所述第二部件(142)的布置，使得所述冷卻元件具有大寫字母“T”的形狀，所述冷卻元件的所述第一部件(141，341)布置在所述PBA中的孔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)了熱耗散的印刷電路板組件。公開了一種PBA(100，300)，該P(yáng)BA包括由不導(dǎo)電材料制成的第一支撐層(130，330)、由導(dǎo)電材料制成的第一層(120，320)、第一電子元件(110，310)以及用于從第一電子元件傳輸熱的第一冷卻元件(140，340)。第一電子元件(110，310)被表面安裝在所述PBA上，至少部分位于所述第一冷卻元件(140，340)上方，而且所述第一冷卻元件(140，340)一體布置在所述PBA(100，300)中。所述第一冷卻元件(140，340)布置在所述PBA(100，300)中，從而沿著第一方向(x)和第二主方向(y)傳輸來自所述第一電子元件(110，310)的熱，所述第一方向基本垂直于所述PBA的第一主表面(101，301)，所述第二主方向基本平行于所述PBA的所述第一主表面。
文檔編號(hào)H05K7/20GK101066009SQ200480044487
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2004年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者約翰·桑德瓦爾 申請(qǐng)人:Lm愛立信電話有限公司