一种晶体管和音频驱动器与散热器之间的改进热耦合
阅读说明：本技术 一种晶体管和音频驱动器与散热器之间的改进热耦合 (Improved thermal coupling between transistors and audio driver and heat sink ) 是由 茹利亚诺·安弗洛尔 于 2019-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及音频放大器技术领域,具体包括直接焊接到金属芯板(2)上的SMD晶体管或音频驱动器(1),并将热量传递到增强型散热器(3)。由于部件(1)直接焊接到具有高导热率的材料上,因此这种设计提供了理想的热传递。(The invention relates to the technical field of audio amplifiers, in particular to an SMD transistor or audio driver (1) which is directly welded on a metal core plate (2) and transfers heat to an enhanced heat sink (3). This design provides ideal heat transfer since the component (1) is welded directly to a material with high thermal conductivity.)
技术领域
本发明总体上属于电子设备技术领域，具体涉及音频放大器领域。本发明的目的是改善SMD(表面贴装器件)晶体管和音频驱动器与它们的散热器之间的热耦合，从而降低工作温度，进而提高音频放大器的功率密度，降低产品成本并提高可靠性；同时，使得无需板与散热器之间的紧固和电绝缘组件，从而减少产品制造时间、尺寸和成本。
背景技术
该
技术领域
的现有技术包括两种用于音频放大器的晶体管封装形式，即PTH(引脚通孔)和SMD(表面贴装器件)。PTH组件通过螺钉、紧固件和电绝缘体直接安装在散热器上，因此它们具有适当的热耦合；然而，其紧固成本高，组装缓慢并且占用大量空间。现有的SMD组件是直接焊接到由低导热率玻璃纤维制成的印刷电路板(PCB)上。为了在SMD组件和耦合在印刷电路板 (PCB)下方的散热器之间进行热传递，在晶体管下方使用了“通路”。这些通路是镀铜的孔，可以为PCB板的两侧之间提供电/热连接。在这种布置中，因为镀铜的厚度非常薄，所以“通路”不具有良好的导热性，从而不利于热耦合，这使得SMD组件相对于PTH组件在更高的温度下运行。0.6mm通路的平均热阻为96.8℃/W，这意味着组件中每耗散一瓦特功率，组件温度将升高96.8℃。增加更多通路可降低热阻，但该解决方案受限于晶体管或音频驱动器尺寸的减小。在具有尽可能多的通路的270mm2板中，热阻降至12℃/W。例如，在 100W和90％效率的音频放大器中，晶体管或音频驱动器中耗散的10W功率需要传输到散热器，而通路无法为此应用提供合适的热传导。在此示例中，组件消耗10W的功率，温度将达到120℃，大多数晶体管的最高工作温度为150℃。另一个缺点是需要在板和散热器之间使用电绝缘体。
发明内容
本发明涉及一种SMD晶体管/音频驱动器与散热器之间的改进热耦合，其中所述热耦合包括：在SMD晶体管/音频驱动器下方放置能够消除现有技术中缺陷的金属芯板。因此，本发明包括：用由热效率高的材料(例如铝、铜或陶瓷)制成的芯替换最初用环氧化合物和/或纤维板生产的印刷电路板的芯。通过将晶体管或音频驱动器直接焊接到金属芯板以及等效于PTH组件的热传递，这种替换允许晶体管或音频驱动器与散热器之间直接热耦合。由于晶体管和驱动器被直接焊接到金属芯板上，因此金属芯板和晶体管之间通过其结构中使用的高导热介电材料而电绝缘；本发明无需使用电绝缘体和紧固件(如PTH组件中需要的螺钉和夹子)，因此便于将金属芯板安装在散热器中。本发明的优点是多方面的。通过将现有技术中使用的印刷电路板(PCB)改为金属芯板，SMD组件将在较低的温度下工作，因为晶体管或驱动器的最大工作功率与其工作温度成反比(图1)，从而提高产品的可靠性。这样，还可以使用更小、更便宜的功率元件，以确保应用中有一样的可靠性。因此，这种耗散增强特征将使得音频放大器可以制造得比现有技术中的尺寸更小。
在某些情况下，金属板可以代替散热器，因为它是由与散热器相同的材料制成，可以发挥相同的功能。
附图说明
为了使本技术领域的任意技术人员能够充分理解并实施本发明，下面将结合附图以清楚、简洁和充分的方式对本发明进行描述。以上仅为优选实施例的示例，并不旨在限制本发明的范围，因为本领域的技术人员可以在不脱离保护范围的情况下进行诸多改变、删除、添加和替换。
图1示出了现有技术中的晶体管的最大工作电流相对于温度的典型曲线。
图2示出了现有技术中的器件布置，其中示出了安装在具有热传递通路的标准玻璃纤维板上的SMD晶体管或音频驱动器。
图3示出了本发明，其中SMD晶体管或音频驱动器焊接在金属芯板上，将热量传递到散热器。
具体实施方式
本说明书中揭示的本发明包括SMD晶体管或音频驱动器(1)，其直接焊接在具有金属芯(2)的板的顶部，所述金属芯板促进向散热器(3)进行热传递，所述散热器直接焊接在金属芯板的底部。因为晶体管或音频驱动器(1)通过炉焊重熔工艺直接焊接到高导热材料上，因此这种设计提供了最佳的热传递。
在本发明的优选实施例中，使用了具有铝、铜或陶瓷芯的板(2)。图1显示了晶体管的最大工作电流相对于温度的典型曲线，并且如前文所述，组件通常安装在270mm2的板上，对于100W和90％效率的音频放大器，将在晶体管或音频驱动器中产生10W需要转移到散热器的耗散功率，并且使安装的组件的温度升高120℃。在同样的270mm2的面积内，利用根据本发明安装的组件，金属芯板(2)的热阻仅为0.2℃/W，并且组件(2)在耗散相同的10W功率下温度仅升高2℃。
根据本发明组装了两个原型实施例，一个具有800W放大器，另一个具有1200W放大器。在800W放大器中，功率密度(Watt/cm3)增加了约2倍，而在1200W放大器中，功率密度增加了约3倍。与现有技术相比，在相同的面积下，而减少了最终产品的尺寸，这表明所提出的本专利申请对产品提供了极大的改进，因为板和散热器尺寸的减小大大降低了成本。这两个原型达到了指定的功率，并且实现了与未使用本发明中提出的改进的产品相当或更好的热性能、功率和耐久性。
本说明书涉及的发明具有工业应用性、新颖性和创造性，从而满足获得所申请保护的专利的所有法律要求。
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