專利名稱：熱耗散型高功率系統(tǒng)的制作方法
熱耗散型高功率系統(tǒng)相關串請的交叉引用本公開要求2011年3月11日提交的名稱為“Low Cost Thermal Design for HighPower Systems”的美國臨時申請61/451，771以及2011年6月22日提交的名稱為“LowCost Thermal Design for High Power Systems” 的美國臨時申請 61/499，949 的權益，以上申請在此通過引用整體并入本文。
背景技術：
在此提供的背景技術描述旨在總體上呈現(xiàn)本公開的上下文。在當前提名的發(fā)明人的工作(就在這個背景技術部分中描述的工作的程度而言)以及可能也不合格作為在提交申請時的現(xiàn)有技術的說明書的一些方面既非明示亦非暗示地被承認其為相對本公開的現(xiàn)有技術。 在常規(guī)電子系統(tǒng)中，電子部件的放置通過與經濟效益、定時、信號完整性等有關的各種事情確定。然而，消耗相對大的功率的各種電子系統(tǒng)要求冷卻機構以耗散由電子部件生成的熱量，以便將各種電子部件以及整個系統(tǒng)的溫度維持在可接受的范圍內。冷卻機構可以包括例如用于高功耗部件的散熱器以及甚至產生穿過系統(tǒng)的受迫氣體流的風扇。

發(fā)明內容
本公開的一些方面提供了一種電子系統(tǒng)。該電子系統(tǒng)包括印刷電路板(PCB)以及熱耗散元件。PCB包括裝配在該PCB的第一側上的一個或多個第一電子部件，以及裝配在該PCB的第二側上的一個或多個第二電子部件。第一電子部件具有大于閾值的功耗并且具有在PCB的第一側之上的高度，該高度高于裝配在該PCB的第一側上的任何其他電子部件的高度。第二電子部件中的至少一個具有在PCB的第二側之上的高度，該高度高于第一電子部件的高度。熱耗散元件與第一電子部件鄰接以提供用于耗散由第一電子部件生成的熱量的熱耦合。根據本公開的一個方面，該熱耗散元件是電子系統(tǒng)的外殼的一部分，并且PCB裝配在外殼上，其中第一側面對熱耗散兀件。在一個不例中，該外殼是無風扇外殼。在一個實施例中，熱耗散元件與第一電子部件接觸。熱耗散元件具有相對高的熱耗散能力。在一個示例中，熱耗散元件是金屬平板。根據本公開的一個實施例，第一電子部件是表面裝配的部件，并且第一電子部件中的至少一個是集成電路(IC)芯片。此外，在一個實施例中，第二電子部件是無源非IC部件。在一個示例中，第一電子部件的功耗高于在PCB的第一側上的任何其他電子部件或在PCB的第二側上的第二電子部件的功耗。本公開的一些方面還提供了一種方法。該方法包括將印刷電路板(PCB)與熱耗散元件組裝在一起。該PCB板包括裝配在PCB的第一側上的一個或多個第一電子部件或裝配在PCB的第二側上的一個或多個第二電子部件。第一電子部件具有高于閾值的功耗并且具有在PCB的第一側之上的高度，該高度高于PCB的第一側上裝配的任何其他電子部件的高度。第二電子部件中的至少一個具有在PCB的第二側之上的高度，該高度高于第一電子部件的高度。第一電子部件與提供用于耗散由第一電子部件生成的熱量的熱耦合的熱耗散部件鄰接。


將參照以下附圖詳細描述作為示例提出的本公開的各種實施例，其中相似的標號指代相似的元件，并且在附圖中圖IA和圖IB顯示了根據本公開一個實施例的電子系統(tǒng)100的示意圖；圖2顯示了根據本公開的一個實施例的印刷電路板(PCB)120的一個側 的示意圖；圖3顯示了根據本公開一個實施例的印刷電路板(PCB) 120的另一側的示意圖；以及圖4顯示了概述了根據本公開的一個實施例的過程400的流程圖。
具體實施例方式根據本公開的一個實施例，圖IA顯示了電子系統(tǒng)100的示意圖并且圖IB顯示了電子系統(tǒng)100沿軸線IB的橫截面。電子系統(tǒng)100包括外殼101內的印刷電路板(PCB) 120。電子系統(tǒng)100可以包括任何適合的設備，諸如網絡交換設備、路由器、機頂盒、膝上型筆記本、服務器、臺式計算機等。根據本公開的一個方面，外殼101的一部分被配置成具有相對高的熱耗散能力以充當用于耗散由外殼101內的電子部件生成的熱量的散熱器。在一個實施例中，電子系統(tǒng)100為無風扇系統(tǒng),其不包括用于產生穿過電子系統(tǒng)100的熱耗散氣流的風扇。在一個實施例中，電子系統(tǒng)100被布置成使得各種高功耗型有源熱生成部件被布置在PCB120的第一側上，該第一側定位為非?？拷鼰岷纳峤涌谠摕岷纳峤涌谪＜纬蔀殡娮酉到y(tǒng)100的外殼101的一部分。熱耗散兀件形成用于耗散在外殼101的內部生成的熱量的熱接口。類似地，在一個實施例中，電子系統(tǒng)100進一步被布置成使得各種低功耗型無源部件被布置在PCB120的遠離熱耗散元件的第二側上，該低功耗型無源部件通常比有源熱生成部件生成更少的熱量。通過避免使用風扇以及通過基于部件的熱生成特性和相對高度將部件布置在電路板的一側上，從而使得有源的、高熱生成部件可以被放置為相對非?？拷鼰岷纳峤涌?，從而電子系統(tǒng)100可以以降低的成本來實現(xiàn)并且可以以相對纖細的設計來實現(xiàn)。在另一實施例中，除了熱耗散熱接口之外，電子系統(tǒng)100還可以包括風扇(未示出)以附加地耗散由外殼101的內部的電子部件生成的熱量。在一個實施例中，外殼101的至少一個側(諸如平面?zhèn)?10)具有相對高的熱導率以充當散熱器。在一個示例中，平面?zhèn)?10由諸如金屬平板、合金平板等的金屬材料制成以充當散熱器，從而耗散由電子系統(tǒng)100的電子部件在外殼101的內部生成的熱量。此外,根據本公開的一個實施例，如前所述，消耗相對大的功率并且通常生成相當高水平的熱量的電子部件被放置成相對非?？拷撈矫?zhèn)?10。該布置通過平面?zhèn)?10改進熱耗散。一般而言，PCB120包括第一側120A (例如頂部側)和第二側120B (例如底部側)，并且包括裝配在第一側120A或第二側120B上的各種電子部件。根據本公開的一個實施例，具有相對大的功耗的電子部件被裝配在PCB120的一個側(諸如第一側120A)上，而具有相對大的高度的電子部件被裝配在PCB120的另一側(諸如第二側120B)上。如圖IB所示，PCB120被布置在外殼101內，其中具有所有的低高度部件的第一側120A面對平面?zhèn)?10。正如所述的，在一個實施例中，低高度電子部件也是高的功耗和高的熱生成部件。由于呈現(xiàn)出相對低的高度、高的功耗以及高的熱生成的所有電子部件被布置在第一側120A上，所以可以使得第一側120A和平面?zhèn)?10之間的距離相對較小以改進熱耗散。在一個示例中，諸如集成電路(IC)芯片133之類的有源熱生成部件被裝配在第一側120A上。在一個實施例中，當電子部件的功耗大于功率閾值(諸如IW等)時，該電子部件被裝配在第一側120A上。此外，裝配在第一側120A上的有源熱生成部件具有最大的高度，諸如基本上等于高度閾值135。裝配在第一側120A上的其他一些部件(諸如電阻器等)等于或低于高度閾值135。在一個示例中，裝配在第一側120A上的部件是可以使用表面裝配技術裝配的表面裝配器件。在一個示例中，高度閾值例如是表面裝配器件的最大高度。此外，在一個實施例中，具有相對大的高度(諸如大于高度閾值135)的電子部件140被裝配在第二側120B上，第二側120B在圖IB的示例中是底部側。在一個示例中，諸如 電感器、電容器、連接器等具有相對大的高度(例如高于高度閾值135)并且并不消耗很多功率的無源電子部件被裝配在第二側120B上。在一個實施例中，使用如下的單側組裝來組裝PCB120 :使用表面裝配技術裝配在第一側120A上的電子部件并且使用通孔技術(其例如可以是手動組裝)裝配在第二側120B上的電子部件。在另一實施例中，諸如消耗相對低的功率的IC芯片、具有相對高的可接受溫度范圍等之類的一個或多個IC芯片被裝配在第二側120B上?？梢允褂帽砻嫜b配技術或通孔裝配技術將IC芯片裝配在第二側120B上。此外，根據本公開的一個方面，PCB120被布置在外殼101中，從而使得第一側120A和平面?zhèn)?10之間的距離相對小，諸如大體上等于高度閾值135。注意到，可以使用任何合適的技術將PCB120布置在外殼101中。在圖IA和圖IB的示例中，PCB120經由附接件附接至平面?zhèn)?10。附接件具有在平面?zhèn)?10上的第一部分IllA并且具有在PCB120上的第二部分111B。在將PCB120組裝進外殼101中的組裝過程期間，將第一部分IllA和第二部分IllB對準并且附接在一起以固定PCB120相對于外殼101的位置。附接件合適地被配置成設置PCB120與平面?zhèn)?10之間的距離。在一個實施例中，附接件合適地被配置成使得IC芯片133中的至少一些與平面?zhèn)?10熱接合。在一個實施例中，IC芯片133非?？拷矫?zhèn)?10，但是不與平面?zhèn)?10接觸。在另一示例中，IC芯片133基本上與平面?zhèn)?10接觸。在又一示例中，IC芯片133中的一些非?？拷矫?zhèn)?10，而其他IC芯片133基本上與平面?zhèn)?10接觸。根據本公開的一個實施例，PCB120是使銅用量最小化以降低材料成本賬單的雙層PCB。因此，PCB120具有相對差的熱導性。在一個示例中，在PCB120上的IC芯片133在操作期間消耗比裝配在第一側120A上的諸如電阻器、電容器等之類的其他部件更多的功率。IC芯片133生成熱量，并且IC芯片133的溫度高于PCB120上的其他部件或超出它們允許的最大結溫(例如違反它們的規(guī)范)，并且因此IC芯片133因而變成PCB120上的熱點。根據本公開的一個實施例，IC芯片133是PCB120的第一側120B上的最高部件。當IC芯片133非?？拷矫?zhèn)?10 (諸如與平面?zhèn)?10接觸)時，平面?zhèn)?10合適地耗散由IC芯片133生成的熱量以使IC芯片133冷卻下來。在一個示例中，平面?zhèn)?10由金屬制成并且足夠大以將由IC芯片133發(fā)射的熱量耗散到環(huán)境(諸如環(huán)境氣體等)，并且因而將IC芯片133的溫度(諸如結溫等)維持在可接受的范圍內。在一個示例中，電子系統(tǒng)100是網絡交換系統(tǒng)100。網絡交換系統(tǒng)100例如包括以太網交換機、控制器芯片和多個收發(fā)器芯片。交換機、控制器芯片和多個收發(fā)器芯片被實現(xiàn)為可以裝配在PCB120的第一側120A上的表面裝配芯片。外殼101的平面?zhèn)?10由大的金屬平板制成。PCB120經由附接件附接至平面?zhèn)?10，其中第一側120A面對平面?zhèn)?10并且相對非?？拷矫?zhèn)?10。表面裝配芯片具有在第一側120A上裝配的電子部件中的最大高度。在操作期間，在一個示例中，表面裝配芯片生成最多的熱量。在一個示例中，附接件合適地被配置成使得PCB120和平面?zhèn)?10之間的距離基本上等于表面裝配芯片的高度。因此，在一個示例中，表面裝配芯片與平面?zhèn)?10熱接合，并且平面?zhèn)?10可以有效地耗散由第一側120A上的交換機、控制器芯片和收發(fā)器芯片生成的熱量，從而將芯片上的結溫保持在可接受的范圍內。在一個示例中，表面裝配芯片非常靠近平面?zhèn)?10，但是不與平面?zhèn)?110接觸。在另一示例中，表面裝配IC芯片基本上與平面?zhèn)?10接觸。在又一示例中，一些表面裝配IC芯片非常靠近平面?zhèn)?10，而其它表面裝配IC芯片基本上與平面?zhèn)?10接觸。在一個示例中，在操作期間對網絡交換系統(tǒng)100的IC芯片執(zhí)行結溫測量。在一個實施例中，根據測量，交換機和控制器芯片的結溫約為52°C，而收發(fā)器芯片的結溫約為75°C。網絡交換系統(tǒng)100的結溫比在有源部件上使用常規(guī)散熱器的比較性網絡交換設備的對應結溫低出多于25°C。圖2顯示了根據本公開的一個實施例的網絡交換系統(tǒng)100的印刷電路板(PCB) 120的第一側120A(即頂部側)的示意圖。在一個實施例中，PCB120具有使用最少的銅以減少材料成本賬單的兩個印刷電路層。此外，在一個實施例中，PCB120要求單側組裝以進一步減少制造成本。在圖2的示例中，IC芯片裝配在PCB120的第一側120A上。在一個示例中，網絡交換系統(tǒng)100包括多個IC芯片，諸如交換機和控制芯片131、存儲器芯片132、六個收發(fā)器芯片133等。多個IC芯片是在操作期間一般而言消耗相對大的功率、生成熱量并且具有相對高溫度的有源部件。在一個實施例中，多個IC芯片基本上具有在PCB120的第一側120A的表面之上的相同高度。在一個示例中，網絡交換系統(tǒng)100中的IC芯片的功耗超過18W。此外，在一個實施例中，IC芯片一般而言被設計成在溫度范圍內操作。當諸如IC芯片上的結溫之類的溫度在溫度范圍之外時，芯片上的晶體管可能并不如期望地運行，并且可以引起器件故障。根據本公開的一個實施例，裝配在第一側120A上的其他部件的高度等于或小于產生最大熱量的部件(在一個實施例中為IC芯片)的高度。在一個示例中，IC芯片是表面裝配IC芯片，并且裝配在第一側面120A上的諸如電阻器、電容器等之類的其他部件也是具有與IC芯片約相同高度的表面裝配器件。其他部件比表面裝配IC芯片消耗更少的功率，并且在操作期間一般而言具有比表面裝配IC芯片更低的溫度。因此，在一個示例中，當PCB板120A被組裝在外殼101中時，第一側120A可以被布置成非?？拷矫?zhèn)?10。在一個示例中，IC芯片與平面?zhèn)?10接觸，并且平面?zhèn)?10可以被配置成充當用于耗散由IC芯片生成的熱量的散熱器，以便將IC芯片上的結溫維持在可接受的范圍內。在一個實施例中，在系統(tǒng)設計階段中，基于在操作期間為最熱部件的電子部件的高度來確定平面?zhèn)?10和第一側120A的表面之間的距離。因此，布置在第一側120A上的任何其他部件具有等于或低于在操作期間為最熱部件的電子部件的高度。根據本公開的一個方面，基于部件的功耗與表面面積之間的比率來做出哪個部件是最熱部件的確定。在一個實施例中，當電子部件的功耗大于功率閾值并且電子部件的表面面積小于面積閾值時，該電子部件被確定為最熱部件之一。圖3顯示了根據本公開的一個實施例的網絡交換系統(tǒng)100中的印刷電路板120的第二側120B的示意圖。在圖3的示例中，具有相對大尺寸(諸如具有比裝配在第一側120A上的IC芯片高的高度)的電子部件被裝配在第二側120B上。在一個實施例中，其高度比裝配在第一側120A上裝配的IC芯片高的電子部件被裝配在第二側120B上。在一個示例中，比裝配在第一側120A上的表面裝配IC芯片高的電連接器被裝配在第二側120B上，該電連接器諸如以太網連接器141、小型化可插拔(SFP)籠式連接器143、板連接器145 (例如 聯(lián)合任務動作組(JTAG)、跳線)等。在另一示例中，一般而言具有比表面裝配IC芯片高的高度的大尺寸電容器144被裝配在第二側120B上。在另一示例中，在第二側120B上裝配磁性模塊142，該磁性模塊是用于隔離和低共模發(fā)射并且高于表面裝配IC芯片的以太網線纜接口。在一個實施例中，一般而言為無源非IC部件的高的部件在操作期間消耗較少的功率并且具有比裝配在第一側120A上的IC芯片低的溫度。根據本公開的一個實施例，第二側120B上的第二電子部件是通孔裝配器件，而第一側120A上的電子部件是表面裝配器件。因此，可以使用單側組裝來組裝PCB120。根據本公開的另一實施例，第二側120B可以還包括表面裝配器件，諸如IC芯片等。在一個實施例中，裝配在第二側120B上的IC芯片比裝配在第一側120A上的IC芯片消耗更少的功率，并且具有比裝配在第一側120A上的IC芯片更低的溫度。在另一實施例中，裝配在第二側120B上的IC芯片具有比裝配在第一側120A上的IC芯片更大的表面面積以用于熱耗散，從而使得裝配在側120B上的IC芯片具有比裝配在第一側120A上的IC芯片更低的溫度。圖4顯示了概述根據本公開的一個實施例的用于組裝電子系統(tǒng)100的過程400。該過程始于S401處并且行進至S410。在S410處，在PCB120的第一側120A上裝配第一部件。在一個實施例中，第一部件是有源熱生成部件，諸如IC芯片等。在一個實施例中，還在第一側120A上裝配諸如無源、非IC部件之類的其他部件。在電子系統(tǒng)100的操作期間，第一部件的功耗高于裝配在第一側120A上的其他部件的功耗，并且第一部件的溫度高于裝配在第一側120A上的其他部件的溫度。第一部件具有比裝配在第一側120A上的其他部件更高的高度或具有與其大約相同的高度。在一個示例中，第一部件是表面裝配IC芯片，而其他部件包括與表面裝配IC芯片大約相同高度的表面裝配電阻器、表面裝配電容器等。在印刷電路板組裝線處，表面裝配IC芯片、表面裝配電阻器和表面裝配電容器合適地裝配在它們在PCB120的第一側120A上的相應位置處。在S420處，在PCB120的第二側120B上裝配第二部件。在一個示例中，第二部件包括具有相對大的高度(諸如高于第一側120A上的IC芯片的高度)的電子部件。在一個實施例中，第二部件是通孔裝配部件，該通孔裝配部件在第二側120B上在印刷電路板組裝線處手動組裝。在S430處，將PCB120組裝在外殼101中。外殼101包括平面?zhèn)?10，該平面?zhèn)?10由金屬材料制成以具有相對大的熱耗散能力。在一個示例中，PCB120在如下的外殼101中附接第一側120A上的IC芯片一般而言與平面?zhèn)?10接觸。因此，平面?zhèn)?10充當散熱器以耗散由第一側120A上的IC芯片生成的熱量。然后，該過程行進至S499并且終止。注意到，可以合適地修改過程400。在一個示例中，可以交換步驟S410和S420的順序。在另一示例中，在第一設備中執(zhí)行S410和S420。然后，PCB120被輸運至第二設備，并且在第二設備處執(zhí)行S430。盡管已經結合被提出作為示例的本發(fā)明的具體實施例描述了本發(fā)明，但是可以做 出對以上示例的替代、修改和變化。因此，在此闡述的本發(fā)明的實施例旨在為示例性的而非限制性的。存在可以在不偏離以下闡述的權利要求的范圍情況下可以做出的各種改變。
權利要求
1.一種電子系統(tǒng),包括 印刷電路板(PCB)，其中 一個或多個第一電子部件，其裝配在所述PCB的第一側上，所述第一電子部件具有高于閾值的功耗并且具有在所述PCB的第一側之上的高度，所述高度高于裝配在所述PCB的第一側上的任何其他電子部件的高度；以及 一個或多個第二電子部件，其裝配在所述PCB的第二側上，并且所述第二電子部件中的至少一個具有在所述PCB的第二側 之上的高度，所述高度高于所述第一電子部件的高度；以及 熱耗散元件，其與所述第一電子部件鄰接以便提供用于耗散由所述第一電子部件生成的熱量的熱耦合。
2.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述熱耗散元件是所述電子系統(tǒng)的外殼的一部分。
3.根據權利要求2所述的電子系統(tǒng)，其中所述外殼是無風扇外殼。
4.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述熱耗散元件與所述第一電子部件接觸。
5.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述熱耗散元件是金屬平板。
6.根據權利要求2所述的電子系統(tǒng)，其中所述PCB被裝配在所述外殼上，其中所述第一側面對所述熱耗散元件。
7.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述第一電子部件中的至少一個是集成電路(IC)芯片。
8.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述第一電子部件是表面裝配部件。
9.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述第二電子部件是無源非IC部件。
10.根據權利要求I所述的電子系統(tǒng)，其中所述第一電子部件的功耗大于裝配在所述P CB的第一側上的任何其他電子部件或裝配在所述PCB的第二側上的第二電子部件的功耗。
11.一種方法，包括 將印刷電路板(PCB)與熱耗散元件組裝在一起，其中 將一個或多個第一電子部件裝配在所述PCB的第一側上，所述第一電子部件具有高于閾值的功耗并且具有在所述PCB的第一側之上的高度，所述高度高于裝配在所述PCB的第一側上的任何其他電子部件的高度； 將一個或多個第二電子部件裝配在所述PCB的第二側上，并且所述第二電子部件中的至少一個具有在所述PCB的第二側之上的高度，所述高度高于所述第一電子部件的高度；以及 使所述第一電子部件鄰接所述熱耗散元件以便提供用于耗散由所述第一電子部件生成的熱量的熱耦合。
12.根據權利要求11所述的方法，其中將所述PCB與所述熱耗散元件組裝在一起還包括 將所述PCB與電子系統(tǒng)的外殼組裝在一起，其中所述熱耗散元件是所述外殼的一部分。
13.根據權利要求12所述的方法，其中將所述PCB與所述熱耗散元件組裝在一起還包括 將所述PCB與所述電子系統(tǒng)的無風扇外殼組裝在一起。
14.根據權利要求11所述的方法，其中將所述PCB與所述熱耗散元件組裝在一起還包括 將所述PCB和與所述熱耗散元件接觸的所述第一電子部件組裝在一起。
15.根據權利要求11所述的方法，其中將所述PCB與所述熱耗散元件組裝在一起還包括 將所述PCB與是金屬平板的所述熱耗散元件組裝在一起。
16.根據權利要求11所述的方法，還包括 將是表面裝配部件的所述第一電子部件裝配在所述PCB的第一側上。
17.根據權利要求11所述的方法，還包括 將是無源非IC部件的所述第二電子部件裝配在所述PCB的第二側上。
18.一種印刷電路板(PCB)，包括 一個或多個第一電子部件，其裝配在所述PCB的第一側上，所述第一電子部件具有高于閾值的功耗并且具有在所述PCB的第一側之上的高度，所述高度高于裝配在所述PCB的第一側上的任何其他電子部件的高度；以及 一個或多個第二電子部件，其裝配在所述PCB的第二側上，所述第二電子部件中的至少一個具有在所述PCB的第二側之上的高度，所述高度高于所述第一電子部件的高度。
19.根據權利要求18所述的PCB，其中 所述第一電子部件是表面裝配部件。
20.根據權利要求18所述的PCB，其中 所述第二電子部件是無源非IC部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱耗散型高功率系統(tǒng)。具體而言，一種電子系統(tǒng)包括印刷電路板(PCB)和熱耗散元件。PCB包括裝配在該PCB的第一側上的一個或多個第一電子部件以及裝配在該PCB的第二側上的一個或多個第二電子部件。第一電子部件具有大于閾值的功耗，并且具有在PCB第一側之上的高度，該高度高于裝配在PCB的第一側上的任何其他電子部件的高度。第二電子部件中的至少一個具有在PCB的第二側之上的高度，該高度高于第一電子部件的高度。熱耗散元件與第一電子部件鄰接以便提供用于耗散由第一電子部件生成的熱量的熱耦合。
文檔編號H05K1/18GK102883583SQ201210068718
公開日2013年1月16日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2011年3月11日
發(fā)明者D·埃爾卡斯拉瑟, D·卡爾曼奧維 申請人:馬維爾以色列(M.I.S.L.)有限公司