本發(fā)明涉及被安裝用于在快速邊緣速率信號(hào)環(huán)境(fastedgeratesignalenvironment)中操作而沒(méi)有電氣裝置擊穿的晶體管，并且特別涉及被安裝為使得晶體管同時(shí)具有低熱阻和高電場(chǎng)容納(containment)以減少電磁干擾(emi)的晶體管。

背景技術(shù)：

晶體管的熱管理通常通過(guò)將晶體管的熱調(diào)整片(thermaltab)附接至熱沉(heatsink)來(lái)實(shí)現(xiàn)。晶體管的熱調(diào)整片通常電氣地連接到電極中的一個(gè)電極，以及由此常常期望該熱調(diào)整片使晶體管殼體(case)與熱沉電氣地絕緣。還期望絕緣材料具有可能的最低熱阻，同時(shí)呈現(xiàn)高電阻。

當(dāng)晶體管用在其中切換邊緣速度高(例如，100v/ns邊緣速率)并且熱調(diào)整片電氣地連接到具有高邊緣速率的節(jié)點(diǎn)的電路中時(shí)，這些高邊緣速率具有降低通常所采用的絕緣材料的電氣擊穿電壓的效應(yīng)。另外，高切換速度和快速邊緣速率可能是電磁干擾(emi)的一種起因，電磁干擾(emi)通常是不期望的并且必須被管理。

電路設(shè)計(jì)、電路板布局以及熱材料的選擇是為了優(yōu)化熱傳導(dǎo)性、emi以及電氣擊穿的折衷。此處所描述的方法的組合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)這種折衷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)所要求保護(hù)的本發(fā)明，提供一種電子裝置安裝技術(shù)，其中與印刷電路板設(shè)計(jì)結(jié)合使用絕緣和熱阻擋材料產(chǎn)生更高的電氣擊穿電壓，同時(shí)使熱阻和電磁干擾最小化。

根據(jù)所要求保護(hù)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，安裝在電路基板上用于快速信號(hào)邊緣速率操作的電子裝置包括：

金屬構(gòu)件；

印刷電路基板，機(jī)械地耦接至金屬構(gòu)件，并包括：

具有彼此相反的第一基板側(cè)和第二基板側(cè)的電氣絕緣基板，和配置在第一基板側(cè)上的第一導(dǎo)電層；以及

半導(dǎo)體裝置，至少包括第一電極和第二電極，其中

第一電極電氣地耦接至第一導(dǎo)電層的一部分，以及

第二電極經(jīng)由至少一個(gè)電介質(zhì)材料層機(jī)械地耦接至印刷電路基板和金屬構(gòu)件中的一者或兩者。

根據(jù)目前所要求保護(hù)的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，將電子裝置安裝在電路基板上用于快速信號(hào)邊緣速率操作的方法包括：

將印刷電路基板機(jī)械地耦接至金屬構(gòu)件，其中印刷電路基板包括

具有彼此相反的第一基板側(cè)和第二基板側(cè)的電氣絕緣基板，和配置在第一基板側(cè)上的第一導(dǎo)電層；

將半導(dǎo)體裝置的第一電極電氣地耦接至第一導(dǎo)電層的一部分；以及

經(jīng)由至少一個(gè)電介質(zhì)材料層將半導(dǎo)體裝置的第二電極機(jī)械地耦接至印刷電路基板和金屬構(gòu)件中的一者或兩者。

附圖說(shuō)明

圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的晶體管安裝實(shí)施方式。

圖2a-2c描繪了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例的晶體管安裝實(shí)施方式。

圖3a-b描繪了半橋電路及其操作。

圖4a-4d描繪了使用根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的晶體管安裝的半橋電路的示例性布局。

具體實(shí)施方式

以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。這樣的說(shuō)明意圖是例示性的而不限制關(guān)于本發(fā)明的范圍。這些實(shí)施例被以足以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明的詳細(xì)程度來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，并且應(yīng)理解的是，其它實(shí)施例可以以某些變化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)而不脫離本主題發(fā)明的精神或范圍。

1.晶體管安裝

圖1中示出了晶體管安裝的實(shí)施方式。晶體管(201)附接至印刷電路板(pcb)(206)。晶體管(201)的引腳(示例221)被截短、向下彎曲且被焊接至傳導(dǎo)跡線區(qū)域(220)。在晶體管(201)和pcb(206)之間是三層熱材料(205、204、203)。pcb(206)通過(guò)高熱傳導(dǎo)性材料層(210)附接至熱沉(202)以將pcb(206)與熱沉(202)電氣地隔離同時(shí)提供低熱阻。在直接在晶體管(201)的主體下方的pcb(206)的任一側(cè)上，pcb(206)具有局部區(qū)域的傳導(dǎo)跡線(207、209)。所述局部區(qū)域的傳導(dǎo)跡線借由導(dǎo)熱和導(dǎo)電的通孔(via)(208)通過(guò)pcb(206)主體來(lái)連接。

圖1的實(shí)施方式被布置為使得傳導(dǎo)跡線區(qū)域(207、209)和通孔(208)可以耦接至電路接地。這具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使熱沉(202)不連接到電路接地，由晶體管(201)所輻射的電場(chǎng)也耦接至接地，而不是耦接至熱沉/金屬外殼(202)，降低了電磁干擾(emi)。該設(shè)計(jì)確保了在晶體管(201)和傳導(dǎo)跡線區(qū)域(207)的電路接地之間的距離是短的，進(jìn)一步容納任何電場(chǎng)并且使emi最小化。

電路板的上部傳導(dǎo)跡線區(qū)域(207)與安裝在其上方的晶體管(201)主體具有大致相同的大小和形狀。下部傳導(dǎo)跡線區(qū)域(209)具有較大的區(qū)域。該設(shè)計(jì)允許來(lái)自晶體管(201)的過(guò)多熱量從上部傳導(dǎo)跡線區(qū)域行進(jìn)通過(guò)通孔(208)并且分散至較大的下部導(dǎo)線跡線區(qū)域(209)，這有助于通過(guò)高熱傳導(dǎo)性材料層3(210)至熱沉(202)的消散。

圖2中示出了可替換的實(shí)施方式。圖2(a)中示出了與圖1中示出的側(cè)視圖類(lèi)似的晶體管(101a)的側(cè)視圖；圖2(b)示出了晶體管(101b)的頂視圖，以及圖2(c)示出了晶體管(101c)的端視圖。

在這個(gè)可替換的實(shí)施方式中，晶體管(101a、101b、101c)安裝在pcb(170a、170b、170c)的區(qū)域中，在該區(qū)域中材料已經(jīng)被移除以形成圍繞晶體管(101a、101b、101c)主體的切口(195b)。晶體管(101a、101b、101c)引腳(作為示例，121a、121b)焊接至pcb(170a、170b、170c)上的傳導(dǎo)跡線區(qū)域(作為示例，120a、120b)。

如前所述，pcb(170a、170b、170c)通過(guò)高熱傳導(dǎo)性材料層3(110a、110c)在pcb(170a、170b、170c)和熱沉/金屬外殼(102a、102c)之間的高熱傳導(dǎo)性材料層3(110a、110c)安裝到熱沉/金屬外殼(102a、102c)。

晶體管(101a、101b、101c)主體通過(guò)在晶體管(101a、101b、101c)主體和熱沉/金屬外殼(102a、102c)之間的一系列材料層(例如105a、104a、103a、190a、110a)附接至熱沉/金屬外殼(102a、102c)。這些開(kāi)始于包括緊接晶體管(101a、101b、101c)主體的高熱傳導(dǎo)性材料層2(105a、105c)、高頻電介質(zhì)層(104a、104c)以及高熱傳導(dǎo)性層1(103a、103c)的類(lèi)似的堆疊。這個(gè)熱材料的堆疊通過(guò)銅箔層(190a、190b、190c)與高熱傳導(dǎo)性材料層3(110a、110c)分離。

銅箔(190a、190b、190c)被形成使得銅箔(190a、190b、190c)能夠彎曲圍繞晶體管(101a、101b、101c)主體且向上至pcb(170a、170b、170c)傳導(dǎo)跡線區(qū)域(例如180b、180c)上，并且被焊接在適當(dāng)?shù)奈恢谩？蛇x地，傳導(dǎo)跡線區(qū)域(例如180b、180c)可以借由熱通孔(181c)連接到pcb底部上的傳導(dǎo)跡線區(qū)域(173a、173c)以幫助從銅箔到熱沉/金屬外殼(102a、102c)的熱量轉(zhuǎn)移。

可替換地，銅箔可以不被形成為如190中的所示的那樣，而是保持平坦。在這個(gè)實(shí)施方式中，銅箔將被焊接或被層壓至電路板(173a、173c)背面上。

2.電路設(shè)計(jì)和電路板布局

圖3的電路是眾所周知的并且通常被稱(chēng)為半橋。兩個(gè)切換晶體管(sw1，301以及sw2，302)連接在一起。sw1(301)的源極連接到sw2(302)的漏極，形成電路輸出(333)。sw1(301)的漏極連接到電源軌vcc(303)。sw2(302)的源極連接到電路接地(304)。通過(guò)sw1(340)和sw2(341)的柵極上的電壓電平而控制電路切換。

各個(gè)晶體管是被以其間有小的死區(qū)時(shí)間(354)的交替的序列(350、351、352、353)切換的，在死區(qū)時(shí)間期間兩個(gè)晶體管sw1、sw2都處于它們的關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)晶體管sw2(302)接通時(shí)，輸出(333)以快速邊緣速率從高電壓轉(zhuǎn)變至低電壓，其通過(guò)寄生電容(310)耦合到電源軌vcc(303)中。為了保持電磁干擾(emi)為低，解耦電容器c(320)被放置為與sw1(301)的漏極管腳和sw2(302)的源極管腳物理緊鄰，以為切換電流提供低阻抗電容性路徑(330)。這將電磁場(chǎng)包含在小物理體積中以減小輻射。

在圖4中示出了圖3的布局。在(a)中將sw1和sw2圖示性地示出作為513a和512a，以及在(b)的照片中示出為513b和512b。每個(gè)晶體管(sw1、sw2)都安裝在熱材料(205、511a、510a、511b、510b)上。sw1的漏極和sw2的源極有電容器c(320、500a、550b)連接在它們之間。晶體管的引線被截短并且向下彎曲90度(551a、551b、221)至小的焊盤(pán)(220)，以降低寄生電容以及容許sw1和sw2盡可能物理地接近彼此。

圖4(c)示出了在晶體管sw1(513b)、sw2(512b)和熱材料(511b、510b)被去除的情況下的與(b)中所示的相同的電路板(520c)。傳導(dǎo)跡線區(qū)域(207、521c、522c)和通孔(208)是可見(jiàn)的。

圖4(d)示出了電路板(520c、530d)的底部側(cè)，其示出了面積大于上部傳導(dǎo)跡線區(qū)域(207、521c、522c)的下部傳導(dǎo)跡線區(qū)域(209、531d)。

晶體管sw1、sw2(513a、512a)通過(guò)穿通孔(through-hole)(例如523c、533d)螺栓連接至熱沉以幫助熱量轉(zhuǎn)移。在每個(gè)穿通孔周?chē)O(shè)置了明顯的保留區(qū)域，其中在每個(gè)穿通孔附近不存在耦接至電路接地(522c、531d)的傳導(dǎo)跡線區(qū)域。這確保了在電路接地和熱沉電位之間不發(fā)生電擊穿。

3.熱絕緣

參照?qǐng)D1，電路板(206)與熱沉/金屬外殼(202)電氣地絕緣，并且通過(guò)高熱傳導(dǎo)性材料層3(210)熱耦接到該熱沉/金屬外殼(202)。這通過(guò)使用一般可得的在dc或50/60hzac下具有良好的熱傳導(dǎo)性和高介電擊穿電壓的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

晶體管(201)與電路板(206)電氣地絕緣并且熱耦接到該電路板(206)。諸如用于高熱傳導(dǎo)性材料層3(210)的材料不能用于使晶體管(201)絕緣，因?yàn)楫?dāng)存在快速邊緣速率時(shí)，諸如用于高熱傳導(dǎo)性材料層3(210)的材料通常不具有高電氣擊穿電壓。在這種情況下，使用高頻電介質(zhì)(204)。高頻電介質(zhì)(204)應(yīng)該是薄的、機(jī)械強(qiáng)壯的并且具有直至ghz范圍的高介電擊穿電壓。非限制性的示例包括聚酰亞胺或聚酯膜，諸如kapton或mylar。為了增強(qiáng)熱傳導(dǎo)性，期望在高頻電介質(zhì)(204)的任一側(cè)上增加層，諸如材料層1(203)和材料層2(205)。這可以使用熱膠來(lái)實(shí)現(xiàn)以形成外部層(203、205)中的每個(gè)層。可替換地，三個(gè)層(203、204、205)可以使用商業(yè)可購(gòu)得的材料(包括但不限于berquistbond-ply660p)作為單個(gè)的多層絕緣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)快速邊緣速率的高耐受力而不會(huì)有電氣擊穿，同時(shí)具有低熱阻和高電場(chǎng)容量以降低emi。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和操作方法中的各種其它修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是清楚的而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。雖然已結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解的是，如所要求保護(hù)的本發(fā)明將不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)厥芟抻谶@樣的具體實(shí)施例。所意圖的是，下面的權(quán)利要求限定本發(fā)明的范圍，以及由此覆蓋在這些權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和方法。