专利名称：用于电路板热传递的系统及其组装方法
技术领域：
本文描述的主题大体涉及改进印刷电路板(PCB)组件的热传递，并且更具体而言，涉及用于减小PCB和底板之间的热阻的热接口材料和热通道。
背景技术：
设计成通过热传导来将热从PCB移到底板的构件(例如包含高功率装置的那些组件)在移除较高水平的热方面日益受到挑战。这是因为新近开发的处理装置典型地包含较多电路，并且因此易于产生较高的热负荷，以及/或者因为构件较小，从而容许PCB包含较多构件，从而提高PCB所产生的热的量。在至少一些已知的PCB组件中，设计成移除热的构件会接触PCB上的非传导性衬 底。为了避免在电接地底板和PCB上的电气构件(例如电路平面和/或电路构件)之间导电，至少一些已知的PCB组件不包括直接接触电路平面和/或电路构件的热移除构件。但是，电路平面和/或电路构件大体是PCB上的主热源。如果不从PCB中移除和/或消散电路平面和/或电路构件所产生的足够的热量，则PCB和电路构件可受到损害和/或出故障。
发明内容
在一方面，提供了一种印刷电路板组件。该组件包括底板、联接到底板上的热框架、印刷电路板(PCB)、联接在PCB和热框架之间的热接口材料( Μ)，以及延伸通过PCB且联接到 Μ上的至少一个热通道，其中，该组件构造成通过 Μ和该至少一个热通道将热从PCB传递到底板。在另一方面，提供了一种热移除系统。该热移除系统包括印刷电路板(PCB)、延伸通过PCB的至少一个热通道，以及热接口材料(TIM)，该热接口材料(TIM)联接到该至少一个热通道上，使得通过该至少一个热通道和 Μ从PCB中移除热。在又一方面，提供了一种组装印刷电路板组件的方法。该方法包括提供印刷电路板(PCB);将至少一个热通道定位在PCB内；将热接口材料(TIM)联接到该至少一个热通道上；将TM联接到热框架上；以及将热框架联接到底板上，使得通过该至少一个热通道和TIM将热从PCB传递到底板。
图I是示例性印刷电路板组件的示意图。图2是图I中显示的印刷电路板组件的一部分的横截面图。图3是可用于图I中显示的印刷电路板组件的示例性冷却结构的分解视图。图4是图3中显示的冷却结构的横截面图。图5是可用来组装图2中显示的印刷电路板组件的组装印刷电路板组件的示例性方法的流程图。部件列表100PCB组件
102底板
104热框架
106PCB
108、110 冷壁
112槽口
114下表面
116上表面
118楔形锁定件
120安装装置
122TIM
130上表面
132下表面
202电路平面
204PCB衬底
210第一电路平面
212第二电路平面
214第三电路平面
216第四电路平面
220孔口
222热通道
224下表面
226边缘
250热移除系统
260接触点
300冷却结构
302热框架
304PCB
306安装点
308安装构件
310孔口
320表面层
322第一平面层
324路由层
326第二平面层
328PCB衬底
330冷却板
340、342、344热传递路径
500方法502提供PCB
504将热通道定位在PCB内
506将 Μ联接到热通道上
508将TM联接到热框架上
510将热框架联接到底板上。
具体实施例方式本文描述的实施例促进移除印刷电路板(PCB)上产生的热。由导热且电绝缘的材料构成的热接口材料(TM)将热框架联接到PCB上。PCB包括联接到 Μ上的至少一个热 通道。通过热通道、 Μ和热框架来移除PCB上产生的热。由于 Μ是电绝缘的，所以PCB上的电路接地平面可直接连结到热通道上，从而改进从PCB中移除热的量和/或速率。最后，因为热通道可直接连结到电路接地平面上，所以与已知的PCB组件相比，本文描述的系统具有更低的热阻率，以及因此，具有提高的热传递属性。图I是印刷电路板(PCB)组件100的示意图。组件100包括底板102、热框架104和PCB 106。底板102包括冷壁108和110，冷壁108和110形成沿着冷壁108和110的长度延伸的槽口 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适当的固定机构(例如楔形锁定件118)联接在冷壁108和110中的一个或两者与热框架104之间。在该示例性实施例中，楔形锁定件118联接在下表面114和热框架104之间且紧靠下表面114和热框架104。将冷壁108和110保持在恒定的温度下，使得底板102如下面详细地描述的那样用作热沉。在该示例性实施例中，楔形锁定件118是设计成通过在热框架104和下表面114槽口 112之间膨胀和施加接触压力经由多个单独的楔形件(未显示)而将热框架104固定在槽口 112中的机械紧固件。在一个实施例中，通过使用膨胀螺钉(未显示)使多个楔形件膨胀，以及导致对热框架104和槽口 112的下表面114两者施加压力，楔形锁定件118以机械的方式将热框架104固定在槽口 112中。楔形锁定件118所导致的这个压力迫使热框架104抵靠着上表面116和冷壁110，以促进从PCB 106中移除热，如下面详细地描述的那样。备选地，楔形锁定件118可为促进将热框架104固定在槽口 112内的任何机械紧固件。在该示例性实施例中，热框架104由导热金属制成，例如铝或铜。备选地，热框架104由使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何材料制成。热框架104通过安装装置120而联接到PCB 106上。安装装置120可包括例如球栅格阵列(BGA)、引脚栅格阵列(PGA)和/或焊盘栅格阵列(LGA)。热接口材料( Μ) 122还如下面详细地描述的那样联接在热框架104和PCB 106之间。在该示例性实施例中，TM 122在热框架104和PCB106之间保持间隔，使得热框架104不直接接触PCB 106。备选地，热框架104可直接接触PCB 106的至少一部分，以促进从PCB 106中移除热。在该示例性实施例中， Μ 122联接到PCB 106的上表面130和热框架104的下表面132上。备选地，TIM 122可在使得组件100能够如本文描述的那样起作用的任何地方和/或位置处联接在PCB 106和热框架104之间。另外，在一些实施例中，TM 122可联接在PCB 106和底板102之间，使得从PCB 106中移除的热不传送通过热框架104。图2是图I中显示的PCB组件100的一部分的横截面图。
Μ 122由导热但电绝缘的材料构成，使得TIM 122传导热能(即热)，但是不导电。为了高效地从PCB 106中移除热， Μ 122由具有低热阻的材料构成。在一个实施例中， Μ 122具有3. 6度绝对温度每瓦(K/W)的热阻Θ。备选地，TIM 122可由使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何材料构成。例如，TIM 122可为用氧化铝、氧化锌、氮化硼和/或银浸制的硅基材料。PCB 106包括定位在多层PCB衬底204之间的多个铜电路平面202。PCB衬底204由介电材料构成，例如浸溃有聚酰胺树脂和/或环氧树脂的玻璃纤维片材。备选地，PCB衬底204由使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何材料构成。在该示例性实施例中，PCB 106上的电路平面202包括第一电路平面210、第二电路平面212、第三电路平面214和第四电路平面216。电路平面202在PCB 106上定位成堆叠和/或交迭的定向。在该示例性实施例中，第一电路平面210位于PCB 106的上表面130上。第一电路平面210、第二电路平面212、第三电路平面214和第四电路平面216可各自包括电路接地平面(即具有地电势的电路平面)或电路电源平面(即具有非零电势的电路 平面)。虽然在该示例性实施例中显示了四个电路平面202，但是PCB 106可包括使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何数量的电路平面202。在该示例性实施例中，至少一个孔口 220延伸通过PCB 106。孔口 220延伸通过PCB衬底204、第一电路平面210、第二电路平面212、第三电路平面214和第四电路平面216。在该示例性实施例中，孔口 220是基本圆柱形的，并且沿基本垂直于上表面130的方向延伸通过PCB 106。备选地，孔口 220可具有使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何适当的形状和/或定向。例如，在一些实施例中，孔口 220可相对于上表面130倾斜地或平行地定向。热通道222延伸通过孔口 220。在该示例性实施例中，热通道222自PCB 106的上表面130延伸到下表面224。备选地，热通道222可延伸通过PCB 106的仅一部分。另外，在一些实施例中，不是延伸通过孔口 220，热通道222而是沿着PCB 106的边缘226延伸。热通道222联接到 Μ 122上。
Μ 122、热通道222和PCB 106形成热移除系统250。为了促进将热从PCB 106传递到底板102，至少一个电路平面202连结到热通道222上，使得电路平面202所产生的热被传导通过热移除系统250。如本文所用，使电路平面202连结到热通道222上表示在电的方面和/或在机械的方面将电路平面202联接到热通道222上，使得热可从电路平面202传递到热通道222。例如，在一些实施例中，孔口 220包括接触电路平面202的镀层，并且热通道222通过镀层而联接到电路平面202上。备选地，电路平面202可通过电导线连结到热通道222上。另外，在一些实施例中，热通道222可紧靠着电路平面202。在该示例性实施例中，第三电路平面214在接触点260处连结到热通道222上。备选地，第一电路平面210、第二电路平面212、第三电路平面214和第四电路平面216中的任一个均可通过使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何手段而连结到热通道222上。热能还可从包围热通道222的PCB衬底204流到热通道222中。为了促进从PCB 106中移除热，热通道222由导热材料构成。因为TM 122，热通道222与热框架104和底板102电隔离。因而，连结到热通道222上的电路平面202也与框架104和底板102电隔离。因此，在该示例性实施例中，热通道222由导电材料构成，诸如例如铜。备选地，热通道222可由使得PCB组件100能够如本文描述的那样起作用的任何材料构成。如上面描述的那样，电路平面202可包括电路接地平面和/或电路电源平面。因此，热通道222可连结到至少一个电路接地平面或至少一个电路电源平面上。另外，虽然在图2中显示了仅一个热通道222，但是在一些实施例中，PCB 106包括各自可联接到TM 122上的热通道222阵列。在一些实施例中，第一热通道在PCB 106上连结到电路接地平面上，而第二热通道则在PCB 106上连结到电路电源平面上。在操作中，PCB 106和/或电路平面202会产生热。更具体而言，联接到电路平面202上且位于电路平面202上的传输功率的电路会产生热。为了促进从PCB 106中移除热，将第一冷壁108、第二冷壁110和/或底板102保持在比PCB 106的温度更冷的恒定的温度下，使得在PCB 106上产生的热流到底板102。更具体而言，参照图2中显示的实施例，在第三电路平面214处产生的热通过接触点260流到热通道222中。热通过 Μ 122从热通道222流到热框架104中。另外，在将冷壁108和110保持在比PCB 106的温度更冷的恒定的温度下，并且楔形锁定件118将热框架104压靠在冷壁110上时，热通过热框架104流到底板102中。因而，热通道222、TIM 122和热框架104提供从电路平面202至底板102的直 接的热路径。但是，因为TIM 122是电绝缘的，所以电不会从电路平面202传导到底板102。因此， Μ 122和热通道222从PCB 106上的电路平面202中直接移除热，同时在电路平面202和底板102之间保持电隔离。图3是可用于图I中显示的PCB组件100的示例性冷却结构300的分解视图。图4是图3中显示的冷却结构300的横截面图。在图3和4中显示的实施例中，热框架302在安装点306处安装到PCB 304上。虽然在图3和4中显示了仅一个安装点306，但是热框架302可在使得冷却结构300能够如本文描述的那样起作用的任何数量的安装点306处安装到 PCB 304 上。通过安装构件308 (诸如例如安装螺钉)将热框架302安装到PCB 304上。安装构件308延伸通过PCB 304中的孔口 310。在该示例性实施例中，孔口 310延伸通过PCB 304上的表面层320、第一平面层322、路由层324和第二平面层326。第一平面层322、路由层324和第二平面层326被PCB衬底328隔开。第一平面层322和第二平面层326包含传输功率的电路，而路由层324的至少一部分不包括传输功率的电路。备选地，PCB 304可包括使得冷却结构300能够如本文描述的那样起作用的任何数量和/或布置的层。在该示例性实施例中，冷却板330在路由层324处联接到安装构件308上。冷却板330与路由层324基本共面。另外，虽然在该示例性实施例中，冷却板330具有基本环形的形状，但是冷却板330可备选地具有任何适当的形状，例如正方形、长方形和/或多边形。如上面描述的那样，路由层324的至少一部分不包括传输功率的电路。因此，冷却板330与PCB 304上的传输功率的电路电隔离。更具体而言，PCB衬底328使冷却板330与第一平面层322和弟_■平面层326电隔尚。在该示例性实施例中，冷却板330成形且定向成与第一平面层322和第二平面层326的至少一部分交迭。因此，当在第一平面层322和/或第二平面层326上产生热时，所产生的热通过PCB衬底328沿着热传递路径340和342从第一平面层322和/或第二平面层326流到冷却板330。另外，热通过安装构件308沿着热传递路径344从冷却板330流到热框架302。因此，冷却结构300促进移除在第一平面层322和/或第二平面层326上产生的热，同时在冷却板330和第一平面层322与第二平面层326之间保持电隔离。图5是用于组装PCB组件(例如PCB组件100)的示例性方法500的流程图。方法500包括提供502 PCB,例如PCB 106。至少一个热通道定位504在PCB内，例如热通道222。为了促进从PCB中移除热， Μ(例如 Μ 122)联接506到该至少一个热通道上。
Μ还联接508到热框架上，例如热框架104。热框架联接510到底板上，例如底板102。将底板保持在低于PCB的温度的温度下，使得在PCB上产生热时，所产生的热通过热通道、通过TIM以及通过热框架而流到底板。这促进冷却PCB和存储在其上的任何电气构件和/或电路构件。本文描述的系统和方法促进移除印刷电路板(PCB)上产生的热。由导热且电绝缘的材料构成的热接口材料(TM)将热框架联接到PCB上。PCB包括联接到 Μ上的至少一个热通道。通过热通道、 Μ和热框架移除在PCB上产生的热。由于 Μ是电绝缘的，所以PCB上的电路接地平面可直接连结到热通道上，从而改进从PCB中移除热的量和/或速率。最后，因为热通道可直接连结到电路接地平面上，与已知的PCB组件相比，本文描述的系统具有更低的热阻率，以及因此，具有提高的热传递属性。上面详细描述了用于从PCB中移除热的系统的示例性实施例。方法和系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立地以及与本文描述的其它构件和/或步骤分开来使用。方法和系统还可与其它装置结合起来使用，并且不限于仅用本文描述的系统和方法来实践。例如，本文描述的TIM和热通道可用来在功率供应单元和基板之间、底板和冷却翅片之间、底板和基板之间等传递热。因此，示例性实施例可与许多其它应用结合起来实施和使用。虽然可在一些图中显示本发明的各种实施例的具体特征，而在其它图中不显示，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其它图的任何特征来参照和/或声明。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这 样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种印刷电路板组件(100)，包括 底板(102)； 联接到所述底板上的热框架(104)； 印刷电路板(PCB) (106)； 联接在所述PCB和所述热框架之间的热接口材料(TIM) (122);以及 延伸通过所述PCB且联接到所述TM上的至少一个热通道(222)，其中，所述组件构造成通过所述TIM和所述至少一个热通道将热从所述PCB传递到所述底板。
2.根据权利要求I所述的组件(100)，其特征在于，所述TIM(122)由导热且电绝缘的材料构成。
3.根据权利要求I所述的组件(100)，其特征在于，所述至少一个热通道(222)由导热且导电的材料构成。
4.根据权利要求I所述的组件(100)，其特征在于，所述PCB(106)包括多个电路平面(202)，以及其中，所述至少一个热通道(222)连结到所述多个电路平面中的至少一个上。
5.根据权利要求4所述的组件(100)，其特征在于，所述至少一个热通道(222)连结到所述多个电路平面(202)中的至少一个电路接地平面上。
6.根据权利要求4所述的组件(100)，其特征在于，所述至少一个热通道(222)连结到所述多个电路平面(202)中的至少一个电路电源平面上。
7.根据权利要求I所述的组件(100)，其特征在于，所述PCB(106)包括至少一个路由层(324)和至少一个平面层(322)，所述组件进一步包括 联接到所述热框架(104)上且延伸通过限定成通过所述PCB的孔口(310)的安装构件(308)； 联接到所述安装构件上且定向成与所述至少一个路由层基本共面的冷却板(330)，其中，所述冷却板与所述至少一个平面层的至少一部分交迭，以促进从所述至少一个平面层中移除热。
8.一种用于电路板组件的热移除系统(250),所述系统包括 印刷电路板(PCB) (106)； 延伸通过所述PCB的至少一个热通道(222);以及 热接口材料(TM) (122)，其联接到所述至少一个热通道上，使得通过所述至少一个热通道和所述TM从所述PCB中移除热。
9.根据权利要求8所述的系统(250)，其特征在于，所述TM(122)由导热且电绝缘的材料构成。
10.根据权利要求8所述的系统(250)，其特征在于，所述至少一个热通道(222)由导热且导电的材料构成。
全文摘要
本发明涉及用于电路板热传递的系统及其组装方法。提供了一种用于电路板组件的热移除系统(250)。该系统包括印刷电路板(PCB)(106)、延伸通过该PCB的至少一个热通道(222)，以及热接口材料(TIM)(122)，该热接口材料(TIM)(122)联接到该至少一个热通道上，使得通过该至少一个热通道和TIM从PCB中移除热。
文档编号H05K1/02GK102811551SQ20121015298
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者D.S.斯拉顿, D.麦唐纳, J.L.赖特 申请人:通用电气公司