提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，旨在針對現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)熱印制板導(dǎo)熱性能低，導(dǎo)熱路徑長、導(dǎo)熱熱阻大，導(dǎo)致工作溫度高、熱可靠性差等不足之處，提供一種具有指導(dǎo)性、可操作性的實現(xiàn)方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：首先根據(jù)高熱流密度表面貼裝器件的功耗參數(shù)范圍，確定金屬化孔、導(dǎo)熱銅銷的布局；根據(jù)確定的底面帶有金屬焊接面的表面貼裝器件、印制板及金屬盒體的裝配關(guān)系，建立具有可復(fù)制性和可擴(kuò)展性的導(dǎo)熱路徑；然后在印制板表面貼裝器件導(dǎo)熱通孔的反面位置，將所有的導(dǎo)熱通孔用耐高溫膠帶封?。粚?dǎo)熱銅銷分別壓入對應(yīng)的導(dǎo)熱通孔內(nèi)并焊接。本發(fā)明解決了低氣壓或真空下高熱流密度表面貼裝器件導(dǎo)熱路徑導(dǎo)熱可靠性低的缺陷。
【專利說明】
提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明關(guān)于提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，涉及表面貼裝器件印制板、導(dǎo)熱銅銷的設(shè)計、組裝工藝流程，尤其是低氣壓、真空條件下工作的高熱流密度表面貼裝器件電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在星載有效荷產(chǎn)品中，高熱流密度表面貼裝期間的封裝形式，大多為非氣密性結(jié)構(gòu)，且處于(10—6~10—7Pa)真空環(huán)境上運行，面臨長壽命高可靠要求，熱設(shè)計是研制中十分重要內(nèi)容之一。由于散熱不暢將導(dǎo)致高熱流密度表面貼裝器件封裝殼體溫度較高、熱可靠性差，同時地面電子設(shè)備中經(jīng)常利用的空氣，對流散熱的各種措施都不適用上述環(huán)境下工作的高熱流密度表面貼裝器件電子產(chǎn)品，因此如何增大高熱流密度表面貼裝器件接觸熱傳導(dǎo)和空間熱輻射能力，特別是接觸熱傳導(dǎo)能力，縮短傳導(dǎo)路徑、降低傳導(dǎo)熱阻，提高接觸導(dǎo)熱成為星載電子產(chǎn)品的關(guān)鍵核心問題。
[0003]目前現(xiàn)有技術(shù)星載高熱流密度電子產(chǎn)品器件典型的安裝方式主要有圖4所示的三種情況。
[0004]第一種圖4a所示元器件2的引出線直接焊接在印制板I上，外殼表面不與印制板I接觸。
[0005]第二種圖4b所示元器件2殼體帶有安裝支耳10，用緊固件4將元器件2固定在機(jī)箱殼體3上。
[0006]第三種圖4c所示元器件2的引出線5直接焊接在印制板I上，外殼表面與印制板I或機(jī)箱殼體3表面直接或間接接觸。
[0007]在上述三種安裝方式元器件中，靠元器件引腳安裝傳熱和器件直接同金屬殼體或?qū)岚褰佑|傳熱的散熱方法和措施已經(jīng)成熟，只需要在接觸面添加合適的導(dǎo)熱輔助填料即可滿足使用要求。
[0008]在實際使用過程中，由于印制板材料與金屬材料相比，其導(dǎo)熱能力比較差(銅T2:385.1ff/m.°C、鋁合金2A12:121.4 ff/m.°C、環(huán)氧玻璃布板FR4: (0.3?0.4)W/m.°C)，并且印制板材料多為各向異性的特性，印制板導(dǎo)熱性能低，導(dǎo)致路徑長、導(dǎo)熱熱阻大導(dǎo)致高熱流密度表面貼裝器件熱可靠性低的缺陷。雖然可以通過改變印制板表面覆銅率、增加接地層面積等方法，額可以改善印制板橫向?qū)嵝阅埽谴怪庇谟≈瓢迕骐娮悠骷膶?dǎo)熱性能，但由于金屬化橫截面積較小，印制板導(dǎo)熱熱阻較大導(dǎo)致的表面貼裝器件殼體溫度較高，該措施對導(dǎo)熱性能提升有限。
[0009]如何有效提高表面貼裝印制板導(dǎo)熱能力，保證器件的熱耗通過盡量短的散熱路徑導(dǎo)熱傳遞，技術(shù)上迫切需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝實現(xiàn)兩個方面進(jìn)行研究，確定一種簡單可行的方法途徑，是解決表面貼裝器件熱可靠性的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)熱印制板導(dǎo)熱性能低，導(dǎo)熱路徑長、導(dǎo)熱熱阻大，導(dǎo)致器件殼體溫度較高、熱可靠性差等不足之處，提出一種具有理論指導(dǎo)性、可操作性強(qiáng)的設(shè)計和工藝實現(xiàn)方法，以解決低氣壓或真空條件下高熱流密度表面貼裝器件導(dǎo)熱路徑散熱可靠性低的缺陷。
[0011]為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供的一種提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，其特征在于包括下列步驟:
(1)首先根據(jù)高熱流密度表面貼裝器件的封裝形狀與印制板的接觸面形狀尺寸及功耗參數(shù)范圍，確定金屬化孔、導(dǎo)熱銅銷的布局；
(2)根據(jù)確定的地面帶有金屬焊接面的表面貼裝器件、印制板及金屬合體的裝配關(guān)系，建立具有可復(fù)制性和可擴(kuò)展性的導(dǎo)熱路徑，然后在印制板表面貼裝器件導(dǎo)熱通孔的反面位置，將所有的導(dǎo)熱通孔用膠帶封?。?br> (3)然后將準(zhǔn)備好的導(dǎo)熱銅銷分別壓入對應(yīng)的導(dǎo)熱通孔內(nèi)與印制板安裝面齊平，再講上述表面貼裝器件底部與導(dǎo)熱銅銷焊接在一起，最后將印制板背面的耐高溫膠帶去掉，檢查印制板安裝的平整度。
[0012]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
[0013]首先本發(fā)明根據(jù)高熱流密度表面貼裝器件的封裝形狀與印制板的接觸面形狀尺寸及面積、印制板厚度及功耗參數(shù)范圍，確定金屬化孔、導(dǎo)熱銅銷的布局，按確定金屬化孔布局及尺寸、導(dǎo)熱銅銷設(shè)計要求，可以簡化不同表面貼裝器件用印制板的設(shè)計，通過提高印制板導(dǎo)熱能力可有效改善表面貼裝器件的散熱特性，實現(xiàn)印制板導(dǎo)熱能力提升。其次建立的相關(guān)設(shè)計要求具有可復(fù)制性和可擴(kuò)展性，便于設(shè)計經(jīng)驗和知識積累；再其次是定義的組裝流程、工藝方法及相關(guān)工藝參數(shù)要求為保證相關(guān)設(shè)計要求奠定良好的工程實現(xiàn)基礎(chǔ)，其由導(dǎo)熱散熱是主要的散熱途徑，通過優(yōu)化和改進(jìn)第一條散熱路徑長度、減小導(dǎo)熱熱阻對該類器件散熱狀況改善效果更佳明顯。滿足了實際工程應(yīng)用中相關(guān)表面貼裝器件在真空環(huán)境中導(dǎo)熱散熱需求。
[0014]本發(fā)明通過仿真和實物裝配后實際測試，措施效果明顯。形成的導(dǎo)熱印制板設(shè)計、導(dǎo)熱銅銷設(shè)計和印制板電裝裝聯(lián)工藝流程，可以用于改善航空及地面設(shè)備中類似器件導(dǎo)熱問題。本發(fā)明彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)由于導(dǎo)熱路徑長、導(dǎo)熱熱阻大導(dǎo)致高熱流密度表面貼裝器件熱可靠性低的缺陷，可滿足高熱流密度表面貼裝器件快速通過印制板高效導(dǎo)熱散熱的需求，提升器件熱可靠性。對星載有效載荷電子產(chǎn)品中高熱流密度表面貼裝器件高可靠使用提供了有效途徑和方法指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不是因此將本發(fā)明限制在所述的實例范圍之中。
[0016]圖1顯示了安裝于底部帶金屬散熱凸臺高熱流密度表面貼裝元器件印制板典型實施例局部示意圖。
[0017]圖2顯示了本發(fā)明方法的工藝路線流程圖。
[0018]圖3是高熱流密度表面貼裝元器件印制板元器件典型實施例示意圖。
[0019]圖4顯示了現(xiàn)有技術(shù)的典型元器件的三種安裝方式。
[0020]圖中:1印制板，2元器件，3機(jī)箱殼體，4緊固件，5引出線，6導(dǎo)熱銅銷，7輻射路徑，8導(dǎo)熱路徑，9金屬化孔，10安裝支耳。
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施步驟作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0022]在利用該方法進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)先根據(jù)器件、印制板及金屬盒體的裝配關(guān)系進(jìn)行導(dǎo)熱路徑優(yōu)化，確定器件為表面焊接貼裝的器件，其導(dǎo)熱路徑與圖1所示路徑8情形相同或類似。通過提高印制板導(dǎo)熱能力可有效改善表面貼裝期間的散熱特性時，才能利用該方法。
[0023]參閱圖1?圖3.圖1顯示了高熱流密度表面貼裝器件2安裝于底部帶金屬散熱凸臺，可通過SMT工藝實現(xiàn)同印制板I接地鍍層焊接的表面貼裝器件屬第三種安裝方式，其元器件
2、機(jī)箱殼體3外殼表面與印制板I接觸，元器件2的熱耗散熱路徑，一條是通過引出線5和接觸面?zhèn)鲗?dǎo)印制板I，在經(jīng)印制板I導(dǎo)熱、與機(jī)箱殼體3的接觸導(dǎo)熱，通過導(dǎo)熱路徑8將熱量傳至機(jī)箱殼體3;另一條是通過元器件2的輻射路徑7向元器件2周圍其他物體輻射。(I)根據(jù)本發(fā)明方法，具體實現(xiàn)路徑的實現(xiàn)方式應(yīng)確定星載有效載荷產(chǎn)品中高熱流密度表面貼裝器件的封裝形式及功能耗參數(shù)范圍；(2)依據(jù)器件的封裝形狀、與印制板焊接面尺寸及印制板厚度，確定印制板導(dǎo)熱金屬化孔布局、尺寸及導(dǎo)熱銅銷尺寸的設(shè)計原則要求；(3)根據(jù)表面貼裝器件的組裝關(guān)系，定義組裝流程、工藝方法及參數(shù)要求，完成表面貼裝器件和印制板的裝配。設(shè)計具體步驟包括:1確定器件必須是地面帶有金屬焊接面的表面貼裝器件，如DDS、VC0及放大器等。同時按照星載產(chǎn)品用器件，其功耗為中等功耗(0.1ff-0.3W)和大功耗(彡0.3W)器件。2分析器件熱耗只要是按導(dǎo)熱路徑8方式靠底面通過印制板傳遞給金屬殼體，通過提高印制板導(dǎo)熱能力可以有效改善器件工件熱環(huán)境。3根據(jù)器件的地面焊接金屬面的布局及尺寸，優(yōu)化設(shè)計確定印制板金屬化導(dǎo)熱孔的尺寸、數(shù)量及分布，根據(jù)印制板厚度確定導(dǎo)熱銅銷的尺寸及表面鍍涂鍍金或鍍銀。其中金屬化通孔9導(dǎo)熱通孔率在5%?15%范圍之內(nèi)，效果比較良好。
[0024]參閱圖2、圖3.首先根據(jù)高熱流密度表面貼裝器件的封裝形狀與印制板的接觸面形狀尺寸及面積、印制板厚度及耗參數(shù)范圍，確定金屬化孔、導(dǎo)熱銅銷的布局;根據(jù)導(dǎo)熱通孔的孔徑和印制板的板厚，配套與印制板相匹配的銅柱。在完成相應(yīng)印制板及導(dǎo)熱銅柱的設(shè)計、加工后，采用合理有效的工藝方法進(jìn)行裝聯(lián)，是保證該方法正常發(fā)揮作用打分基礎(chǔ)保證。根據(jù)確定的地面帶有金屬焊機(jī)面的表面貼裝器件、印制板I及金屬盒體的裝配關(guān)系，建立具有可復(fù)制性和可擴(kuò)展性的導(dǎo)熱路徑，然后在印制板I表面貼裝器件導(dǎo)熱通孔9的發(fā)面位置，將所有的導(dǎo)熱通孔9用3M耐高溫膠帶封住;將印制板平放在金屬平臺上，用鑷子將準(zhǔn)備好的導(dǎo)熱銅銷6分別壓入對應(yīng)的導(dǎo)熱通孔9內(nèi)與印制板I安裝面齊平，保證放入的銅柱與印制板安裝面齊平。在將上述表面貼裝器件底部與導(dǎo)熱銅銷6焊接在一起。在印制板頂面通過絲印涂抹焊膏，對標(biāo)貼器件按照器件及所選焊料焊接要求，采用典型SMT工藝流程進(jìn)行焊接即可;在焊接過程中，熔化的焊膏依靠自身的流動性就可以填補(bǔ)銅柱與印制板金屬化通孔的間隙，件器件底部與銅柱焊接在一起，完成了器件及印制板裝配工作。最后將印制板I背面的3M耐高溫膠帶去掉，檢查印制板安裝面的平整度?？梢詫崿F(xiàn)提高表面貼裝器件通過印制板導(dǎo)熱能力的設(shè)計目的。
[0025]參閱圖3.為了更清楚地理解該發(fā)明，下面結(jié)合圖3對印制板及導(dǎo)熱銅柱的設(shè)計進(jìn)行描述。
[0026]首先該表面貼裝器件為DDS芯片，其封裝形式為底部正方形焊盤散熱面，根據(jù)其熱耗及焊接面尺寸，在印制板接地面上制作16X Φ 0.9金屬化孔。通孔面積率達(dá)7.1%。其次根據(jù)印制板表面鍍涂，設(shè)計導(dǎo)熱銅銷，采用表面鍍銀處理。
【主權(quán)項】
1.提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，其特征在于包括下列步驟: (1)首先根據(jù)高熱流密度表面貼裝器件的封裝形狀與印制板的接觸面形狀尺寸及功耗參數(shù)范圍，確定金屬化孔、導(dǎo)熱銅銷的布局； (2)根據(jù)確定的地面帶有金屬焊接面的表面貼裝器件、印制板及金屬合體的裝配關(guān)系，建立具有可復(fù)制性和可擴(kuò)展性的導(dǎo)熱路徑，然后在印制板表面貼裝器件導(dǎo)熱通孔的反面位置，將所有的導(dǎo)熱通孔用膠帶封??； (3)然后將準(zhǔn)備好的導(dǎo)熱銅銷分別壓入對應(yīng)的導(dǎo)熱通孔內(nèi)與印制板安裝面齊平，再講上述表面貼裝器件底部與導(dǎo)熱銅銷焊接在一起，最后將印制板背面的耐高溫膠帶去掉，檢查印制板安裝的平整度。2.按權(quán)利要求1所述的提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，其特征在于，元器件(2)、機(jī)箱殼體(3)外殼表面與印制板(I)接觸，元器件(2)的熱耗散熱路徑，一條是通過引出線(5)和接觸面?zhèn)鲗?dǎo)印制板(1)，在經(jīng)印制板(I)導(dǎo)熱、與機(jī)箱殼體(3)的接觸導(dǎo)熱，通過導(dǎo)熱路徑(8)將熱量傳至機(jī)箱殼體(3);另一條是通過元器件(2)的輻射路徑(7)向元器件2周圍其他物體輻射。3.按權(quán)利要求1所述的提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，其特征在于，在焊接過程中，熔化的焊膏依靠自身的流動性填補(bǔ)導(dǎo)熱銅銷(6)與印制板金屬化通孔(9)的間隙，將器件底部與導(dǎo)熱銅銷(6)、印制板(I)焊接在一起，完成了器件及印制板裝配工作。4.按權(quán)利要求1所述的提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，其特征在于，很據(jù)印制板(I)厚度確定導(dǎo)熱銅銷6的尺寸，表面鍍涂鍍金或鍍銀。5.按權(quán)利要求1所述的提高表面貼裝器件印制板導(dǎo)熱能力的方法，其特征在于，金屬化通孔(9)的導(dǎo)熱通孔率在5%?30%范圍之內(nèi)； 見附圖:圖1。
【文檔編號】H05K1/02GK105939568SQ201610473323
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月26日
【發(fā)明人】李陽
【申請人】合肥仁德電子科技有限公司