TWI612877B - 熱散高功率系統 - Google Patents

Abstract

一種電子系統包含一印刷電路板(PCB)以及一熱散元件。印刷電路板包含一或多個第一電子元件設置於其之一第一側，且一或多個第二電子元件設置於其之一第二側。第一電子元件具有大於一閾值的一功率消耗，以及距離印刷電路板的第一側之一高度，其中該高度大於設置於印刷電路板之第一側之任何其他電子元件。該些第二電子元件之至少其一具有距離印刷電路板的第二側之一高度，其中該高度大於該些第一電子元件。熱散元件與該些第一電子元件相鄰，並提供熱耦合以消散該些第一電子元件產生之熱。

Description

熱散高功率系統 【依據參考文獻的引用】

目前揭露之申請專利範圍主張美國臨時申請案No.61/451,771，申請日2011年3月11日“Low Cost Thermal Design for High Power Systems”以及No.61/499,949，申請日2011年6月22日”Low Cost Thermal Design for High Power Systems”的優先權，上述所列的專利參考文獻全體皆引用作為本說明書的揭示內容。

此文所提供的背景技術說明以對本公開的內容作一般性說明為目的。發明人的某些工作，即已在此背景技術部分中作出描述的工作，以及說明書中關於某些尚未成為申請日之前的現有技術的內容，無論是以明確或隱含的方式均不被視為相對於本公開的現有技術。

在習知之電子系統中，電子元件之設置係依據各種關於經濟、時間、信號完整性及其類似物等因素而設置。然而，各種消耗相對高功率之電子系統需要一冷卻機制以消散電子元件產生之熱，以維持各種電子元件以及整個系統之溫度於一可接受範圍。冷卻機制可包含，例如用於高功率消耗之元件的一散熱器以及製造流動於該系統之一加強氣流的風扇。

所揭示係關於一種電子系統。該電子系統包含一印刷電路板以及一熱散元件。印刷電路板包含一或多個第一電子元件設置於其之一第一側，且一或多個第二電子元件設置於其之一第二側。第一電子元件具有大於一閾值的一功率消耗，以及距離印刷電路板的第一側之一高度，其中該高度大於設置於印刷電路板之第一側之任何其他電子元件。該些第二電子元件之至少其一具有距離印刷電路板的第二側之一高度，其中該高度大於該些第一電子元件。熱散元件與該些第一電子元件相鄰，並提供熱耦合以消散該些第一電子元件產生之熱。

依據揭示，熱散元件一方面為電子系統之一外殼的一部分，且印刷電路板係設置於外殼上，其中第一側面向熱散元件。舉例而言，外殼為一無風扇外殼。

在一實施例中，熱散元件與該些第一電子元件接觸。熱散元件具有一相對高熱散能力。舉例而言，熱散元件為一金屬板。

依據揭示，第一電子元件一方面為表面安裝元件，且至少一第一電子元件為積體電路晶片。再者，在一實施例中，第二電子元件為被動非積體電路晶片。舉例而言，第一電子元件的功率消耗高於任何印刷電路板第一側或第二側之其他電子元件。

所揭示另一方面提供一種方法。該方法包含組裝一印刷電路板以及一熱散元件。印刷電路板包含一或多個設置於其上第一側之第一電子元件以及一或多個設置於其上第二側之第二 電子元件。該些第一電子元件具有大於一閾值之一功率消耗，以及距離印刷電路板之第一側的一高度，其中該高度大於任何設置於印刷電路板之第一側的其他電子元件。該些第二電子元件之至少其一具有距離印刷電路板之第二側的一高度，其中該高度大於第一電子元件。第一電子元件與熱散元件相鄰，其提供一熱耦合以消散第一電子元件產生之熱。

圖1A所示為所揭示電子系統100之實施例的示意圖，且圖1B所示為該電子系統100沿1B軸線之剖視圖。電子系統100包含一印刷電路板(PCB)120於其外殼101內。

電子系統100可包含任何適當裝置例如網路交換裝置、路由器、數控器、膝上型電腦、伺服器、桌上型電腦，以及其他類似裝置。所揭示係一方面關於該外殼101之一部分建構為具有相對高之熱散能力以作為散熱器，用於消散外殼101內之電子元件產生的熱。

在一實施例中，該電子系統100為一無風扇系統，其不包含可製造流動於該電子系統100之氣流的風扇。在一實施例中，電子系統100係於印刷電路板120之第一側配置有數個具有高功率消耗之主動熱產生元件，靠近一熱散熱介面元件，該熱散熱介面元件係作為電子系統100之外殼101的一部分。該熱散元件形成一熱介面以對產生於外殼101內之熱進行消散。同樣地，在一實施例中，該電子系統100進一步配置有數個具有低功率消耗之被動元件，其典型地較主動熱產生元件產 生較少的熱；低功率消耗之被動元件設置於印刷電路板120之第二側，且離開該熱散元件。藉由避免風扇的使用以及依據元件之熱產生特性與相對高度配置元件於電路板之一側，其中主動高熱產生元件係設置相對靠近該熱散熱介面，該電子系統100能以降低之成本來實施，亦能施行於相對薄之設計。

在另一實施例中，除了熱散熱介面以外，電子系統100包含一風扇(圖未示)以附加地消散外殼101內之電子元件產生的熱。

在一實施例中，該外殼101之至少一側例如一平坦側110，具有一相對高的熱導性以作為一散熱器。舉例而言，該平坦側110係以金屬材料製成而為例如一金屬板、一合金板，以及其他類似裝置而作為一散熱器以對該電子系統100之電子元件於該外殼101內產生之熱進行消散。再者，依據所揭示之一實施例，如前述，消耗相對高之功率且典型地產生相較之下高水平之熱的電子元件係設置相對靠近該平坦側110。此一配置藉由該平坦側110增進熱散。

概括來說，印刷電路板120包含一第一側120A例如一頂側以及一第二側120B例如一底側，且包含數個電子元件設置於該第一側120A或該第二側120B。依據所揭示之一實施例，具有相對大之功率消耗的電子元件係設置於印刷電路板之一側例如第一側120A，高度相對高之電子元件則設置於印刷電路板120之另一側例如第二側120B。由圖1B可見，印刷電路板120係設置於外殼101內，其中第一側120A上有所有的低高度電子元件面對平坦側110。如所述，在一實施例中，該些 低高度電子元件也具有高的功率消耗且係高熱產生元件。由於所有具相對低高度、高功率消耗、且高熱產生之電子元件係設置於第一側120A，第一側120A與平坦側110之間的距離可作成相對小以增進熱散。

舉例來說，主動熱產生元件如積體電路(IC)晶片133及其類似物係設置於第一側120A。在一實施例中，當一電子元件之一功率消耗大於一功率閾值如1W及其近似值，則該電子元件係設置於該第一側120A。再者，該設置於第一側120A之主動熱產生元件具有一最大高度例如係實質上相當於一高度閾值135。其他設置於第一側120A的電子元件例如電阻器及其類似物之高度則等於或小於該高度閾值135。舉例來說，第一側120A的電子元件係為以表面安裝技術設置其上的表面安裝元件；其中舉例來說，該高度閾值為該表面安裝元件的最大高度。

再者，在一實施例中，電子元件140具有一相對大之高度，其係大於該高度閾值135並且設置於該第二側120B；第二側120B在如圖1B所示之實施例中即為底側。舉例而言，被動電子元件例如感應器、電容器、連接器，及其類似物係具有相對大、如大於該高度閾值135之高度，不消耗大功率，並且設置於第二側120B。

在一實施例中，印刷電路板120係為單側組裝，其中第一側120A的電子元件係以表面安裝技術設置其上，第二側120B的電子元件係以插入式安裝技術設置其上，並且可以例如手動組裝。

在另一實施例中，一或多個積體電路晶片例如消耗相對低之功率的積體電路晶片、具有相對高的溫度接受範圍程度的積體電路晶片及其類似物，係設置於第二側120B。積體電路晶片能以表面安裝技術或插入式安裝技術設置於第二側120B。

再者，依據揭示，印刷電路板120一方面設置於外殼101內，並且第一側120A與平坦側110之間的一距離相對小而概括來說相當於該高度閾值135。需注意的是，印刷電路板可以任何適當技術設置於外殼101內。

在圖1A與1B所示之實施例中，印刷電路板120係藉由連接部依附於平坦側110。該些連接部具有第一部分111A於該平坦側110上，以及第二部分111B位於印刷電路板120上。在將印刷電路板120組裝於外殼101內的過程中，第一部分111A與第二部分111B係經由對齊與連接而固定印刷電路板120相對於外殼101之位置。連接部係經適當建構以設定印刷電路板120與平坦側110間之該距離。在一實施例中，連接部係經適當建構，使至少一些積體電路晶片133與平坦側110之間具有熱導。舉例而言，積體電路晶片133靠近平坦側110但不與平坦側110接觸。再舉例而言，積體電路晶片133實質上與平坦側110接觸。再舉例而言，一些積體電路晶片133靠近平坦側110，其他則實質上與平坦側110接觸。

依據揭示，一實施例中之印刷電路板120係為雙層印刷電路板，其減少銅使用量並且降低材料開銷。因此，印刷電路板120具有相對弱的熱傳導。舉例而言，印刷電路板120上的積體電路晶片133相較於其他設置第一側120A之其他元件例如 電阻器、電容器及其類似物在運作中消耗較大功率。積體電路晶片133產熱，並且積體電路晶片133的溫度係高於其他印刷電路板120上的元件，或者超過其可允許的最高接面溫度(例如擾亂其規格)，因此成為印刷電路板120上的熱點。依據揭示，一實施例中之積體電路晶片133係為印刷電路板120之第一側120B上之元件中最高者。當積體電路晶片133靠近平坦側110時例如與平坦側110接觸，平坦側110係適當地消散由積體電路晶片133產生之熱，並冷卻該積體電路晶片133。舉例而言，平坦側110由金屬製成，且夠大而足以消散由積體電路晶片133發射至環境例如周圍空氣及其類似物的熱，因此將積體電路晶片133之一溫度例如一接面溫度及其相似物維持於一可接受範圍。

舉例而言，電子系統100為一網路交換系統100。該網路交換系統100包含例如一乙太網路轉換器、控制器晶片，以及多個收發晶片。該轉換與控制器晶片以及該些收發晶片係作為表面安裝晶片實施，其可設置於印刷電路板120之第一側120A。外殼101之平坦側110係以大金屬板製成。印刷電路板120藉由連接部依附於平坦側110，其中第一側120面向且相對靠近平坦側110。在該些設置於第一側120A的電子元件中，表面安裝晶片具有最大高度。在運行時，舉例而言，表面安裝晶片產生最多熱。舉例而言，連接部係經適當建構，因此印刷電路板120與平坦側110之間的該距離實質上等於表面安裝晶片的高度。如此，在一實施例中，表面安裝晶片與平坦側110之間具有熱導，並且平坦側110能有效地消散設置於第一 側120A之轉換與控制器晶片以及該些收發晶片所產生的熱，以將晶片上之一接面溫度維持於一可接受範圍。舉例而言，表面安裝晶片靠近平坦側110但不與平坦側110接觸。在另外一例中，表面安裝積體電路晶片實質上與平坦側110接觸。再在另外一例中，一些表面安裝積體電路晶片靠近平坦側110，並且其他表面安裝積體電路晶片實質上與平坦側110接觸。

舉例而言，接面溫度之量測係在運行中於網路交換系統100之積體電路晶片上進行。在一實施例中，依據測量結果，轉換與控制器晶片的接面溫度約為52℃，收發晶片的接面溫度約為75℃。相較之下，網路交換系統100之接面溫度係超過25℃地低於使用習知使用散熱器於主動元件之網路交換裝置的接面溫度。

依據所揭示之一實施例，圖2示意網路交換系統100中，印刷電路板120的第一側120A，即頂側。在一實施例中，印刷電路板120具有使用最小量銅之二印刷電路層，以降低材料開銷。再者，印刷電路板120之單側組裝可進一步在此實施例中降低製造成本。

在如圖2所示之實施例，積體電路晶片係設置於印刷電路板120的第一側120A。舉例而言，網路交換系統100包含多個積體電路晶片例如一交換與控制器晶片131、一記憶體晶片132、六個收發晶片133及其類似物。該些積體電路晶片為一般而言消耗相對大功率且產熱之主動元件，此外在運行中具有相對高溫度。在一實施例中，該些積體電路晶片實質上具有相同之距離第一側120A之高度。舉例而言，網路交換系統100 中的積體電路晶片之功率消耗超過18W。

再者，在一實施例中，積體電路晶片一般來說係設計在一溫度範圍運行。當一溫度例如積體電路晶片之一接面溫度超出該溫度範圍，則晶片上之電晶體不能如預期般運作，因此，可能導致裝置故障。

依據所揭示之一實施例，其他設置於第一側120A之元件的高度係等於或小於產生最大量熱之元件的高度，亦即一實施例中的積體電路晶片。舉例而言，該些積體電路晶片為表面安裝晶片；其他元件例如電阻器、電容器及其他設置於第一側120A之其類似物亦為具有與積體電路晶片大約相同之高度的表面安裝元件。其他元件較表面安裝積體電路晶片消耗較少功率，且一般而言較表面安裝積體電路晶片在運行時具有較低溫度。如此，舉例而言，印刷電路板120A係組裝於外殼101，且第一側120A能設置靠近平坦側110A。舉例而言，積體電路晶片與平坦側110接觸，且平坦側110可建構作為散熱器，消散積體電路晶片產生之熱，維持積體電路晶片之接面溫度於一可接受範圍。

在一實施例中，在系統設計之階段，平坦側110與第一側120A之表面間的距離係依據電子元件之高度來決定，其中該些電子元件為運作中最熱之元件。因此，任何其他設置於第一側120A之元件具有等於或小於該些運行中最熱之電子元件的高度。依據揭示，哪一元件為最熱元件係依據一功率消耗與該元件之一表面積的比值來決定。在一實施例中，當一電子元件之功率消耗大於一功率閾值，且該電子元件之表面積小於一表 面積閾值，則該電子元件係定為該些最熱元件之一。

依據所揭示之一實施例，圖3示意網路交換系統100中印刷電路板120的第二側120B。在圖3所示之實施例中，具有相對大尺寸例如較設置於第一側120A之積體電路晶片高的電子元件，係設置於第二側120B。在一實施例中，高度大於設置在第一側120A之積體電路晶片之電子元件係設置於第二側120B。舉例而言，電連接器如乙太網路連接器141、小封裝可插拔(SFP)收發器143、板連接器145(例如聯合測試工作組(JTAG)、跨接線)，及其類似物，係高於設置在第一側120A的表面安裝積體電路晶片且設置於第二側120B。再舉例而言，一般高度大於表面安裝積體電路晶片之大尺寸電容器144係設置於第二側120B。再舉例來說，為乙太網路纜線介面並且用於隔離以及低共模發散之磁性模組142係高於表面安裝積體電路晶片，且設置於第二側120B。在一實施例中，一般為被動非積體電路晶片之高元件消耗較少功率，並且在運行中較設置於第一側120A的積體電路晶片具有較低溫度。

依據所揭示之一實施例，第二側120B上之電子元件為插入式安裝元件，且在第一側120A上之電子元件為表面安裝元件。如此，係能以單側組裝組裝印刷電路板120。

依據所揭示之另一實施例，第二側120B亦包含表面安裝元件例如積體電路晶片及其類似物。在一實施例中，設置於第二側120B之積體電路晶片較設置於第一側120A之積體電路晶片消耗較少功率，以及具有較低之溫度。在另一實施例中，設置於第二側120B之積體電路晶片較設置於第一側120A之 積體電路晶片具有較大之表面積，以進行熱消散，因此，設置於第二側120B之積體電路晶片較設置於第一側120A之積體電路晶片具有較低之溫度。

依據所揭示之一實施例，圖4示意之一流程圖概述組裝電子系統100之一過程400。該過程由S401開始，再進行至S410。

在S410，第一元件係設置於印刷電路板120之第一側120A，該第一元件為主動熱產生元件例如積體電路晶片及其類似物。在其他實施例中，其他元件如被動非積體電路晶片亦可設置於第一側120A。當電子系統100運作時，第一元件之功率消耗高於設置於第一側120A之其他元件的功率消耗，且第一元件之溫度高於設置於第一側120A之其他元件的溫度。第一元件之高度大於或大約等於其他設置於第一側120A之元件。舉例而言，第一元件為表面安裝積體電路晶片，而其他元件包含表面安裝電阻器、表面安裝電容器，以及其他高度與表面安裝積體電路晶片大致相同的類似物。在一印刷電路板組裝線上，表面安裝積體電路晶片、表面安裝電阻器，以及表面安裝電容器係適當地分別設置於其位於印刷電路板120之第一側120A的位置。

在S420，第二元件係設置於印刷電路板120之第二側120B。舉例而言，第二元件包含具有相對大高度例如高度大於設置在第一側120A之積體電路晶片的電子元件。在一實施例中，第二元件為插入式安裝元件，其係在印刷電路板組裝線上手動組裝於第二側120B。

在S430，印刷電路板120係組裝於外殼101。外殼101 包含使用金屬材料製成，而具有相對大熱散能力之平坦側110。舉例而言，印刷電路板120依附於外殼101，使第一側120A之積體電路晶片大致上與平坦側110接觸。如此，平坦側110作為一散熱器以消散第一側120A之積體電路晶片產生之熱。於是，過程進行至S499而結束。

需注意的是，過程400可被適當調整。舉例而言，S410與S420的順序能互換。再舉另外一例，S410與S420係在一第一設備進行。之後，印刷電路板120被輸送到一第二設備，S430係在該第二設備進行。

目前之揭示係部分以所例示之具體實施例描述，替換、修飾，以及變化亦能依據所舉之例產生。因此，所提出之實施例並未限制本發明之範圍。所產生之改變可不背離下方提出的申請專利範圍之範圍。

100‧‧‧電子系統/網路交換系統

101‧‧‧外殼

110‧‧‧平坦側

111A‧‧‧第一部分

111B‧‧‧第二部分

120‧‧‧印刷電路板

120A‧‧‧第一側

120B‧‧‧第二側

131‧‧‧控制器晶片

132‧‧‧記憶體晶片

133‧‧‧積體電路晶片/收發晶片

135‧‧‧高度閾值

140‧‧‧電子元件

141‧‧‧乙太網路連接器

142‧‧‧磁性模組

143‧‧‧小封裝可插拔(SFP)收發器

144‧‧‧電容器

145‧‧‧板連接器

400‧‧‧過程

所揭示之各種實施例係參照下方圖式詳細例示與說明，其中數字用以參照元件。

圖1A與1B依據所揭示之一實施例示意一電子系統100；圖2依據所揭示之一實施例示意一印刷電路板(PCB)120之一側；圖3依據所揭示之一實施例示意一印刷電路板(PCB)120之另一側；以及圖4依據所揭示之一實施例示意概述一過程400之一流程圖。

100‧‧‧電子系統/網路交換系統

101‧‧‧外殼

110‧‧‧平坦側

111A‧‧‧第一部分

Claims (19)

1. 一種電子系統，包含：一印刷電路板，其中：一或多個第一電子元件，設置於該印刷電路板之一第一側，該些第一電子元件具有距離該印刷電路板之該第一側之一高度；一或多個第二電子元件，設置於該印刷電路板之一第二側，該些第一電子元件具有一消耗功率，該消耗功率大於一閾值，且大於設置於該印刷電路板之該第一側之任何其他電子元件或設置於印刷電路板之該第二側之該些第二電子元件；該些第一電子元件的該高度大於設置於該印刷電路板之該第一側之任何其他電子元件；其中至少一第二電子元件具有距離該印刷電路板之該第二側之一高度，且該高度大於該些第一電子元件之高度；以及一熱散元件，該熱散元件僅設置於該印刷電路板之該第一側，且該熱散元件係鄰近該些第一電子元件以提供一熱耦合，藉以消散該些第一電子元件產生之熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子系統，其中該熱散元件為該電子系統之一外殼的一部分。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電子系統，其中該外殼為一無風扇外殼。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電子系統，其中該熱散元件與該些第一電子元件接觸。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電子系統，其中該熱散元件為一 金屬板。
6. 如申請專利範圍第2項所述之電子系統，其中該印刷電路板以該第一側面向該熱散元件設置於該外殼。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電子系統，其中該些第一電子元件至少其中之一為一積體電路晶片。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電子系統，其中該些第一電子元件為表面安裝元件。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電子系統，其中該些第二電子元件為被動非積體電路元件。
10. 一種用於製造電子系統的方法，包含：組裝一印刷電路板與一熱散元件，其中：一或多個第一電子元件設置於該印刷電路板之一第一側，該些第一電子元件具有距離該印刷電路板之該第一側之一高度；一或多個第二電子元件，設置於該印刷電路板之一第二側，該些第一電子元件具有一消耗功率，該消耗功率大於一閾值，且大於設置於該印刷電路板之該第一側之任何其他電子元件或設置於印刷電路板之該第二側之該些第二電子元件；該些第一電子元件的該高度大於設置於該印刷電路板之該第一側之任何其他電子元件；其中至少一第二電子元件具有距離該印刷電路板之該第二側之一高度，且該高度大於該些第一電子元件之高度；以及該些第一電子元件與提供一熱耦合之該熱散元件相鄰，該熱散元件僅設置於該印刷電路板之該第一側，藉以消散該些第 一電子元件產生之熱。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中組裝該印刷電路板與該熱散元件進一步包含：組裝該印刷電路板與一電子系統之一外殼，其中該熱散元件為該外殼之一部分。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中組裝該印刷電路板與該電子系統之該外殼進一步包含：組裝該印刷電路板與該電子系統之一無風扇外殼。
13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中組裝該印刷電路板與該熱散元件進一步包含：組裝設置有該些第一電子元件之該印刷電路板以與該熱散元件接觸。
14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中組裝該印刷電路板與該熱散元件進一步包含：組裝該印刷電路板與作為該熱散元件之一金屬板。
15. 如申請專利範圍第10項所述之方法，進一步包含：設置作為該些第一電子元件之表面安裝元件於該印刷電路板之該第一側。
16. 如申請專利範圍第10項所述之方法，進一步包含：設置作為該些第二電子元件之被動非積體電路元件於該印刷電路板之該第二側。
17. 一種印刷電路板，包含：一或多個第一電子元件，設置於該印刷電路板之一第一側，該些第一電子元件具有距離該印刷電路板之該第一側之一 高度；一或多個第二電子元件，設置於該印刷電路板之一第二側，該些第一電子元件具有一消耗功率，該消耗功率大於一閾值，且大於設置於該印刷電路板之該第一側之任何其他電子元件或設置於印刷電路板之該第二側之該些第二電子元件；該些第一電子元件的該高度大於設置於該印刷電路板之該第一側之任何其他電子元件；其中至少一第二電子元件具有距離該印刷電路板之該第二側之一高度，且該高度大於該些第一電子元件之高度。
18. 如申請專利範圍第17項所述之印刷電路板，其中該些第一電子元件為表面安裝元件。
19. 如申請專利範圍第17項所述之印刷電路板，其中該些第二電子元件為被動非積體電路元件。