表面安装式热缓冲器
阅读说明：本技术 表面安装式热缓冲器 (Surface-mounted thermal buffer ) 是由 雅克·赫尔斯特罗姆 于 2019-10-03 设计创作，主要内容包括：一种用于消散由发热电气部件(16)产生的热量的组件(110),该发热电气部件在表面安装过程中被表面安装在电路板(11)上。该组件包括热缓冲器(120),该热缓冲器由导热且导电的材料制成,并且被表面安装在电路板(11)上以便焊接至发热电气部件(16)的热标记件(18)上。该组件进一步包括与该热缓冲器热接触的散热器(12)、以及在该热缓冲器与该散热器之间的电流分隔件(13)。在进一步将热量消散到以电流方式分隔的散热器之前,热缓冲器的热容可以吸收电气部件的散热的短时增加。这样可以极大地改善表面安装式部件的性能。(An assembly (110) for dissipating heat generated by a heat-generating electrical component (16) that is surface mounted on a circuit board (11) during a surface mounting process. The assembly includes a heat buffer (120) made of a thermally and electrically conductive material and surface mounted on the circuit board (11) for soldering to a heat flag (18) of the heat generating electrical component (16). The assembly further comprises a heat sink (12) in thermal contact with the heat buffer, and a current partition (13) between the heat buffer and the heat sink. The heat capacity of the heat buffer may absorb a brief increase in the heat dissipation of the electrical components before further dissipating the heat to the galvanically separated heat sink. This can greatly improve the performance of the surface-mounted component.)
技术领域
本发明涉及一种用于从表面安装式电气部件、也称为表面安装式设备(SMD)散热的组件。
背景技术
许多电气部件、特别是比如固态晶体管、固态电源开关和集成电路等半导体部件在运行期间会产生热量。一些最重要的示例包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(隔离栅双极晶体管)。在许多情况下，这些部件的消散所产生的热量的能力会使其性能下降。而且，需要消散这种热量以避免热降解或完全故障。一些部件能够令人满意地消散所产生的热量，而另一些部件则需要如散热器之类的附加冷却元件来散热。
近年来，将部件安装在印刷电路板(PCB)的表面上而不是安装在孔中的表面安装技术(SMT)经常用于生产电子电路。当使用SMT时，在电路板上印刷(例如丝网印刷)焊垫，将部件放置在电路板上、与焊垫接触，并且在炉中对电路板和部件进行加热以融化焊料。适于这种安装类型的部件经常被称为表面安装式设备，即SMD。对于自动和半自动生产过程而言，表面安装经常是优选的安装方法。然而，表面安装在部件的冷却方面提出了挑战。
对表面安装式部件进行冷却的最常见方法是将热量通过电路板消散到布置在另一侧的散热器。该部件通常具有焊接至电路板上的热垫的热“垫”或热“标记件”。多种不同的部件的焊垫通常通过过孔(即，电路板上的填充有金属的通孔)进而热连接至散热器。在热标记件还用作部件的端子(例如功率晶体管的漏极/集电极)的情况下，在部件的热标记件与过孔之间需要电流分隔件，并且这通常是通过电绝缘但导热的层(例如氧化铝)或通过形成“盲”过孔(即未完全穿透电路板的过孔)来设置的。
另一种方法是将散热器单独安装在电气部件的顶部，并且使其与部件热接触。例如，一些微处理器设置有这种“顶部安装”式散热器，通常被绑在处理器上并且利用合适的热胶而热连接至封装件的外部。
例如在US 5,930,114中示出的又一示例是将散热器附接件以与焊接有表面安装式部件的焊垫热连接的方式表面安装至电路板。然后，热量可以在垫的表面上消散至散热器附接件，并且进一步消散至与其附接的散热器。
传统方法的挑战是部件与散热器之间的热阻太大。热阻被定义为以K/W(开尔文每瓦)为单位测量的单位功耗的热量增加。因此，热阻定义了在给定功耗下部件的温度将如何升高。要注意的是，即使散热器具有足够的热容量来消散由部件消耗的平均功率而来的热量，热阻也会阻止与功率峰值相关的所产生的热量的足够快的消散。对于许多部件(比如功率转换器中的固态电源开关)而言，峰值功率可能比平均功耗大几倍。
作为实例，硅结与部件外壳(例如，TO-263封装件)之间的热阻通常在0.5-2K/W的范围内，整个电路板之间的热阻通常在1-5K/W的范围内，并且通过氧化铝层的热阻通常在0.5-3K/W的范围内。所以，保守地讲，总共约5K/W。如果散热器的温度为80℃、并且结点可以承受的温度为175℃，则可获得的温升为95℃。当热阻为5K/W时，部件中的最大允许功耗(损耗)为19W。功率损耗直接影响系统的可用总功率，所以在降低热阻方面具有显著优势。
文件DE 19654353披露了一种用于印刷电路板上的半导体部件的安装布置。散热器布置在部件与电路板之间。散热器通过隔离层与电路板电隔离。
因此，需要一种改进的解决方案，从而得到表面安装式部件的令人满意的散热。
发明内容
本发明的目的是克服该挑战，并且提供改善的对从表面安装在电路板上的发热电气部件的热量的消散。
根据本发明的第一方面，该目的和其他目的是通过一种用于消散由发热电气部件所产生的热量的组件来实现的，该发热电气部件是表面安装在电路板上的，该组件包括由导热且导电的材料制成的热缓冲器，所述缓冲器被表面安装在该电路板上以便焊接至该发热电气部件的热标记件，与该热缓冲器热接触的散热器，以及在该热缓冲器与该散热器之间的电流分隔件。
因此，与传统的解决方案相比，在表面安装过程中将发热部件的热标记件焊接至热缓冲器，以使得该热缓冲器的热容可以吸收电气部件的散热的短时增加。因此，在进一步将热量消散到以电流方式分隔的散热器之前，热缓冲器用作热量的中间储存器。对于许多电气部件而言，这种热缓冲器将能够处理高功耗峰值，从而极大地提高了表面安装式部件的性能。
作为示例，热缓冲器在1-3s的时间跨度内的热阻抗可以小于0.5K/W。适合用于热缓冲器的典型材料是铜、黄铜和类似材料。
由铜或黄铜制成的适当质量的热缓冲器可以在十克量级。可以将其与一克量级的典型的功率晶体管封装件(例如，TO-263)中的铜量进行比较。因此，热容增加了十倍，表明该部件可以承受给定功耗(损耗)的时间长了十倍。
此外，在许多应用中，本发明还使得能够通过电路板降低热阻，并且使得与散热器电流分隔。在常规的解决方案中，该热阻在很大程度上取决于部件的热标记件的焊接面积。根据本发明，其中热标记件也被焊接至热缓冲器，该热缓冲器进而也被表面安装(焊接)至电路板，是热标记件与热缓冲器的组合焊接区域可以用来提供通过电路板的热界面，从而降低热阻。
再次以TO-263封装件为例，其热标记件的表面积为75平方毫米。如果焊接至标记件的表面安装缓冲器的表面安装面积为150平方毫米，则对散热器的热阻可能会减小到三分之一(总表面积的三倍大)。
根据一个实施例，热缓冲器被表面安装在电气部件附近，并且被焊接至热标记件的可从上方触及的端部部分。
此外，部件和热缓冲器都可以表面安装至焊垫，该焊垫通过延伸穿过电路板的多个过孔而热连接至散热器。要注意的是，在这种情况下，焊垫不一定是单个连续焊垫，而是可以由两个或更多个分立的焊垫形成。
对于许多部件(例如功率晶体管)而言，实际的半导体结(在其中产生热量)的表面显著小于热标记件的表面。因此，散热过程涉及使所产生的热量侧向地在热标记件上扩散。由于热标记件并不是特别厚(通常约为1mm)，因此这种侧向的热扩散有助于热阻。
根据解决该特定问题的另一实施例，因此将热缓冲器安装在形成于电路板中的相对应的开口中，并且在表面安装过程中，将热标记件焊接在热缓冲器的基本上平坦的接纳部分的顶部上。为了能够进行表面安装，接纳部分的上表面优选地与电路板的其余部分齐平。
要注意的是，严格地说，该实施例中的热缓冲器不是表面安装式设备SMD，因为它实际上安装在电路板中的开口中。然而，它仍然使用表面安装技术来安装，因此，出于本发明的目的，热缓冲器在该实施例中也将被称为是被表面安装的。
接纳部分的厚度优选地与电路板的厚度类似，例如1.4-1.5mm，并且因此可以更有效地消散来自半导体结的热量，并且甚至可以进一步减小部件与散热器之间的热阻。优选地，接纳部分的厚度在电路板的厚度的90％-110％的范围内。
在一些实施例中，接纳部分的厚度略大于电路板，在这种情况下，电路板的底侧与散热器之间的间隙可以通过弹性层桥接。
在其他实施例中，接纳部分的厚度略小于电路板，在这种情况下，热缓冲器的底侧与散热器之间的间隙可以通过比如间隙垫或间隙填料等导热层桥接。
当将热缓冲器安装在电路板中的开口中时，优选地将热缓冲器的突出部分(突出到开口的外部，以便放置在电路板的表面上)表面安装至电路板上的焊垫，该热垫优选地例如通过延伸穿过电路板的多个过孔而热连接至散热器。
假如热标记件用作电气部件的端子(例如，功率晶体管的漏极/集电极)，则缓冲器可以设置有接触点以促进端子的电气连接。例如，缓冲器可以设置有螺纹孔。
附图说明
将参考附图更详细地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。
图1a-1b示出了根据本发明的第一实施例的组件的立体图。
图2a-2b示出了根据本发明的第二实施例的组件的立体图。
图3a-3c示出了图2a-2b中的缓冲器在表面安装过程中可以被如何支撑的三个示例。
图4示出了根据本发明的另一实施例的组件。
图5是示出图1a-1b中的组件的表面安装过程的流程图。
图6是示出图2a-2b中的组件的表面安装过程的流程图。
具体实施方式
图1a(分解视图)和1b(已安装视图)展示了本发明的第一实施例。组件10在此包括印刷电路板(PCB)11、散热器12以及电流隔离层13。散热器由比如铝等热传导材料制成，并且可以形成有凸缘(未示出)以增加与周围空气的对流。电流隔离层旨在将散热器以电流方式与电路板分隔，同时提供令人满意的热连接。该层可以是氧化铝。使用例如丝网印刷方法将一组焊垫14印刷到PCB的上表面11a上。焊料材料通常是SAC(Sn/Ag/Cu)合金。
这些垫中的至少一个垫被称为热垫14a，并且经由一组过孔15(见图1b)被放置成与散热器12热连接。每个过孔15可以是延伸穿过电路板11的金属填充孔。过孔15提供通过电路板的热连接，而层13提供散热器12的电流隔离。
发热电气部件16已经被表面安装(即，使用表面安装技术SMT安装)至焊垫14。因此，部件16可以被称为表面安装式设备SMD。表面安装过程通常涉及使用取放机(机器人)将SMD放置在相关焊垫上，然后在炉中对电路板和其上布置的SMD进行加热。
作为示例，部件16是半导体设备，例如功率晶体管，比如MOSFET或IGBT，在半导体晶体中具有一个或多个pn结。半导体可以由硅制成。为了可表面安装，可以将比如功率晶体管等半导体部件布置在SMD封装件17内部，对部件16进行包封。在这种情况下，相关的已知SMD封装件的示例包括TO-262、TO-263和TO-268。
部件16(在此是SMD封装件17)具有在表面安装过程中分别焊接至焊垫14a、14的热标记件18和端脚19。热标记件18的目的是确保部件16与散热器12的令人满意的热连接，使得可以消散由部件16(例如由部件中的pn结)产生的热量。
热标记件18通常(但不是必须)用作部件16的端子之一。例如，如果部件是功率晶体管，则热标记件通常是晶体管的漏极/集电极。
该组件进一步包括由比如铜或黄铜等导电且导热的材料制成的热缓冲器20。在相同的表面安装过程中，热缓冲器20也被表面安装至电路板，并且也被焊接至标记件18。
热缓冲器的质量可以为10克量级，例如在5-25克的范围内，并且因此将会显著增加部件16的热容。例如，比如TO-263等SMD封装件仅包含约1克铜。因此，质量为10克的铜缓冲器将会使热容增加10倍。
参考图5，将简要描述部件16和热缓冲器20的表面安装过程。首先，在步骤S1中，在PCB 11上印刷包括焊垫14a的各焊垫。然后，在步骤S2中，例如使用取放机将部件16(及其他SMD)放置在焊垫14a上，并且在步骤S3中，将焊膏施加到标记件18的延伸到部件16/封装件17的侧面的外部以便可以从上方触及的部分18a上。可以例如使用焊膏施加喷嘴或通过使用取放机来施加焊料以将小薄片的焊料材料放置在部分18a上。然后在步骤S4中，将热缓冲器20放置在部件16(或封装件17)附近，使得凹部20a靠在部分18a上。最后，在步骤S5中，将电路板11和放置在其上的SMD在炉中加热以完成表面安装。
现在转到图2a-2b，展示了本发明的第二实施例。再次，组件110包括电路板11、散热器12、电流隔离层13以及电气部件16，该电气部件在此被封装件17包围，该封装件具有热垫18和端脚19。将不再对这些元件进行描述。
在该实施例中，热缓冲器120形成有从热缓冲器120的主体122延伸的基本上平坦的接纳部分121。进一步地，电路板11形成有与热缓冲器120的形状相对应的开口21，使得可以将热缓冲器120安装在该开口中。
紧邻开口印刷小于图2a中的焊垫14a的焊垫114a，并且将热缓冲器的突出部分123焊接至该焊垫。可选地，如图3b所展示的，该焊垫114a可以通过过孔115热连接至散热器12。
在所展示的示例中，接纳部分的厚度对应于电路板的厚度，在典型示例中为1.4mm。进一步地，接纳部分121的上表面121a与电路板的上表面齐平，使得可以将部件的热标记件18焊接至上表面121a，同时将部件的各脚焊接至电路板上的相对应的焊垫14。
参考图6，将对部件16和热缓冲器120的表面安装过程进行简要描述。首先，在步骤S11中，在PCB 11上印刷包括焊垫114a的各焊垫。然后，在步骤S12中，将热缓冲器120放置在开口21中(例如，使用取放机)，在此之后，在步骤S13中，在表面121a上(例如使用焊料分配喷嘴或通过放置焊料薄片)施加焊料。在步骤S14中，将部件16放置在表面121a上。最后，在步骤S15中，然后将电路板11和放置在其上的SMD在炉中加热以完成表面安装。要注意的是，尽管将热缓冲器120布置在开口21中，但仍然将其表面安装至焊垫114a。
要注意的是，电路板11通常在表面安装过程中以没有下面的支撑的方式进行处理。然而，在此，在整个表面安装过程中，都需要将热缓冲器120支撑在开口21中。在图3a-3c中示出了如何实现此目的的多个不同的示例。
在图3a中，在表面安装过程中，将电路板11和布置在其上的所有东西都放置在承载件124上。承载件124可以例如由比如氧化铝等陶瓷材料制成。在表面安装过程之后，可以将电路板11与(陶瓷)承载件124分隔，在此之后，将电路板11安装至设置有电流分隔层13的散热器12。可替代地，陶瓷支撑层被永久地附接至电路板，并且被构造为形成了电流分隔层13的一部分。
在图3b中，接纳部分121的前端设置有突出的“指部”125，这些指部抵靠电路板11的上侧。
最后，在图3c中，开口21的前侧21a是锥形的，并且热缓冲器120的接纳部分121的前侧126具有相对应的锥形，使得电路板11将会支撑热缓冲器。
当采用图3b和图3c中的方法、并且热缓冲器靠在电路板11的上侧而不是靠在电路板下方的支撑件上时，热缓冲器120的底侧的竖直位置可能存在微小的变化。为了补偿这种变化，可以首选使用被称为“间隙填料”的“间隙垫”而不是氧化铝作为隔离层13。
在所展示的实施例中，除了图3b，要注意的是，热缓冲器20、120的形状为在方向A上具有等截面。这使得可以通过挤压来制造热缓冲器，从而显著降低了成本。如果不能进行挤压或者不是优选的，则可以例如通过模制、对已加热的毛坯进行冲压或其他合适的金属加工技术来形成热缓冲器20、120。
进一步地，在所展示的示例中，热缓冲器20、120设置有用于接纳螺钉23的螺纹孔24。在热标记件18用作部件16的端子的情况下，这种螺钉因此提供了方便的电气连接点，例如用于功率晶体管的漏极/集电极。
如果在表面安装中缓冲器120由承载件124支撑，如图3a所展示的，则螺纹孔24可以延伸穿过缓冲器120，以便可以使用螺钉23将缓冲器120紧固在承载件124上。接纳部分121的厚度则可以优选地略大于电路板11的厚度(例如，0.1mm厚的量级)。通过将弹性材料(未示出)放置在承载件124与电路板11之间，电路板11将在表面安装过程中保持固定，同时确保所有缓冲器120的底侧位于同一平面上。当电路板然后通过隔离层13安装至散热器12时，可以再次使用弹性层(再次未示出)来补偿水平差。
图4非常示意性地示出了将热缓冲器220相对于部件16从电路板11的相反一侧安装在开口21中的实施例。
在这种情况下，首先在电路板11的相反一侧11b印刷焊垫(未示出)，并且将热缓冲器220放置在开口21中并且表面安装至电路板。然后翻转PCB 11，在第一表面11a上印刷焊垫(包括在热缓冲器220的接纳部分221的平坦的上表面221a上印刷焊垫)。然后将部件16放置在表面221a上并且通过加热进行表面安装。
在这种情况下，热缓冲器220将会在PCB 11与散热器12之间产生分隔，该分隔需要由合适的填料222填充。
本领域的技术人员认识到，本发明绝不局限于上文描述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变化。例如，热缓冲器的形状可以与所展示的示例不同，并且相反适于特定的应用。进一步地，散热器的细节、其与电路板的附接、以及电流分隔件对于本发明而言并不重要，并且可以有所不同。
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