專利名稱：用于短時(shí)間暴露于高溫環(huán)境的空氣間隙隔熱體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子電路的封裝，更具體地說(shuō)，是涉及電子電路在短時(shí)間暴露于高溫后能繼續(xù)工作的電子電路的封裝。本發(fā)明在商業(yè)的和/或軍事的航空器應(yīng)用中特別有用，在這些應(yīng)用中，航空器在起飛和著陸等使用情況下可能存在短時(shí)間的高溫環(huán)境條件。
背景技術(shù)：
隨著尖端電子元件，包括那些能提高處理速度和較高頻率、具有較小尺寸和較復(fù)雜的電源要求的元件的發(fā)展，在電子元件內(nèi)部本身可能產(chǎn)生很高的內(nèi)部溫度。當(dāng)微處理器、集成電路和其它小尺寸電氣元件和系統(tǒng)與其它器件集成或放在一起時(shí)，這些內(nèi)部高溫變得更為嚴(yán)重。
大多數(shù)微處理器、集成電路和其它尖端電子元件，通常只在一定的極限溫度范圍內(nèi)有效地工作。這些極限溫度范圍多半被電氣元件的內(nèi)部溫度和其它周圍電子元件的輻射溫度消耗殆盡。許多現(xiàn)代電路在80-100℃的外部溫度時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題，而且溫度剛超過(guò)100℃就開(kāi)始失效。因此，作用于電氣元件的額外環(huán)境溫度條件可能把元件的溫度提高到它們的工作極限以上，這就不得不限制在很多需要使用、但環(huán)境條件很嚴(yán)酷的地方使用電路。
在這些元件工作過(guò)程中產(chǎn)生或外加的過(guò)多的熱量不僅可能損壞自身的性能，而且還可能使包含這些元件的整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性達(dá)到失效點(diǎn)。電子系統(tǒng)工作的環(huán)境條件包括溫度極限越來(lái)越寬，使得這種負(fù)面影響越來(lái)越大。例如，即使電子元件的溫度短時(shí)間升到工作極限溫度以上，硅器件的結(jié)就可能失效，焊點(diǎn)可能溶化，這樣就要采用不希望的冷焊接，熱敏器和其它溫度傳感元件就可能漂移，而令電路不能工作，印刷電路板及其材料就可能軟化并且容易損壞，同時(shí)還可能發(fā)生其它電氣機(jī)械損壞。
隨著對(duì)在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用微電子器件的需求日漸增多，對(duì)熱的控制在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越重要。眾所周知，電子設(shè)備的性能可靠性和預(yù)期壽命兩者都與設(shè)備元件的溫度成反比。例如，典型硅半導(dǎo)體器件的工作溫度下降可能使器件可靠性和預(yù)期壽命按指數(shù)增加。因此，為了使元件的壽命和可靠性最大，使器件工作溫度控制在設(shè)計(jì)者設(shè)定的范圍以內(nèi)是極其重要的。
許多精細(xì)器件和系統(tǒng)利用散熱器來(lái)對(duì)付內(nèi)部熱耗散和外部所加熱量的有害影響。散熱器是使熱容易從熱源如產(chǎn)生熱的電子元件耗散到較冷的環(huán)境通常為空氣中的元件。散熱器的主要目的是幫助維持器件溫度在設(shè)計(jì)者和/或制造者規(guī)定的最大許可溫度以下。
但是，散熱器的使用是有限的。首先，當(dāng)希望散熱器主要通過(guò)增加其與空氣直接接觸的表面積來(lái)增加元件和周圍空氣之間的熱傳遞效率時(shí)，散熱器可能變得很大。在許多應(yīng)用中，散熱器都帶有翼片或其它結(jié)構(gòu)以增加散熱器的表面積，從而使從電子元件通過(guò)散熱器然后到空氣中的熱耗散更為有效。散熱器和其它相關(guān)電路的固定尺寸大大限制了電子封裝的減小，并妨礙了把電路放在小的空間內(nèi)。
其次，由于散熱器至空氣間的熱傳遞效率低，可能在散熱器起作用之前下面的電路就已損壞。另外，當(dāng)外界溫度遠(yuǎn)比下面電路的內(nèi)部溫度高時(shí)，散熱器可能實(shí)際上已把熱傳到正在工作的電路內(nèi)。同時(shí)由于外部溫度是加到這些散熱器上，對(duì)電路的熱傳遞可能由于散熱器的導(dǎo)熱性而延遲。因此，可能喪失使用保護(hù)下面電路的外部溫度傳感器的可能有的任何好處。
因而，需要有一種裝置和方法，它能在電子器件或組件短時(shí)間暴露在破壞性高溫環(huán)境下起保護(hù)和防護(hù)作用，而不會(huì)對(duì)其中的電子元件的尺寸、重量、成本、維護(hù)和可靠性有太大的限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可以設(shè)置在襯底上的電子電路封裝系統(tǒng)。此封裝系統(tǒng)包括以下組合(i)內(nèi)殼體，它可以包圍襯底，(ii)外殼體，它可以包圍內(nèi)殼體和襯底的組合體，(iii)在內(nèi)、外殼體之間的間隙。此間隙可以用絕緣媒質(zhì)如空氣填充。內(nèi)殼體、外殼體和間隙的這種組合可使電子電路在封裝系統(tǒng)經(jīng)受短時(shí)間暴露于高溫之中和之后保持可工作性能。
下面結(jié)合附圖對(duì)一些示范性實(shí)施例加以說(shuō)明，其中各圖中相似的標(biāo)號(hào)表示類似的元件圖1是按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電子電路的封裝系統(tǒng)局部分解的等角投影圖；圖2是按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電子電路的已組裝封裝系統(tǒng)的分解等角投影圖；圖3是組裝圖1和2所示的按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電子電路封裝系統(tǒng)的流程圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明在下面的詳細(xì)說(shuō)明中，為了全面了解本發(fā)明提供了大量具體詳情。但應(yīng)明白，本發(fā)明拋開(kāi)這些具體詳情也可以實(shí)現(xiàn)。另一方面，對(duì)于眾所周知的方法、步驟、元件和電路則不作詳細(xì)說(shuō)明，以突出本發(fā)明。另外，所提出的優(yōu)選實(shí)施例只是為了便于說(shuō)明，也可以采用其它實(shí)施例來(lái)代替這些實(shí)施例或與它們相結(jié)合。
1.結(jié)構(gòu)實(shí)例圖1表示包含按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的封裝系統(tǒng)的電子模塊100的等角投影圖。此模塊100包括封裝系統(tǒng)102和安裝硬件104，后者用來(lái)把封裝系統(tǒng)102安裝到外部裝置如飛機(jī)上。此電子模塊100包含一條終端電纜106。終端電纜106把封裝在封裝系統(tǒng)102內(nèi)的電路108電連接到外部裝置如控制器上，后者可能置于、安裝、和/或固定在航空器上。
電路108可以置于基片或襯底110上，后者可以被封裝系統(tǒng)102的一個(gè)或多個(gè)元件封裝或包圍。在一個(gè)實(shí)施例中，封裝系統(tǒng)102可包括(i)內(nèi)殼體112，它可將襯底110封裝或包圍在其內(nèi)部；(ii)外殼體114，它將內(nèi)殼體112和襯底110組合封裝或包圍在其內(nèi)部；(iii)位于內(nèi)、外殼體之間的間隙116。此間隙可用空氣等絕緣媒質(zhì)填充。當(dāng)封裝系統(tǒng)102經(jīng)受短時(shí)間(如5至15秒)暴露在高溫(如425℃)時(shí)，內(nèi)、外殼體112、114和間隙116的組合能把電路108與有害和破壞性的熱影響隔離開(kāi)來(lái)，從而使電路108在暴露之前、之中和之后都能保持工作。
圖2為圖1所示電子模塊100的展開(kāi)圖。參見(jiàn)圖2，襯底110可以用硅、陶瓷、電路板材料(如FR4/G10)，軟帶和/或其它基片加工而成，電路108就形成、沉積和/或生長(zhǎng)在此基片上。圖2所示的一種形式中，襯底可以是雙面多層印刷電路板。
電路108可以是任何形式的電路，包括微處理器，射頻、電源、調(diào)節(jié)器、傳感器、和其它集成、單片和/或離散電路。在一個(gè)實(shí)施例中，電路108可包含貼近式傳感電路及其相關(guān)的功能調(diào)節(jié)電路，它們可用來(lái)檢測(cè)是否離電子模塊100有金屬物體存在及/或其距離。
舉例來(lái)說(shuō)，電路108可包含一個(gè)或多個(gè)(i)貼近式傳感元件，用它們來(lái)進(jìn)行實(shí)際的檢測(cè)并提供相應(yīng)的傳感信號(hào)(如對(duì)于距離檢測(cè)的存在/不存在離散信號(hào)或模擬/比例信號(hào))；(ii)溫度補(bǔ)償元件，用來(lái)減小和/或消除溫度效應(yīng)，以穩(wěn)定電子模塊100溫度變化時(shí)貼近式傳感元件的輸出；(iii)放大器元件，用來(lái)放大檢測(cè)信號(hào)并對(duì)它濾波。這類電路可用在航空器輪倉(cāng)內(nèi)檢測(cè)倉(cāng)門的存在(或不存在)，以確定起飛和降落的倉(cāng)門位置(如打開(kāi)或者關(guān)閉)。
可以用其它的傳感元件如磁阻傳感元件、電勢(shì)傳感元件和超聲傳感元件來(lái)代替所例舉的貼近式傳感元件，或作為其補(bǔ)充。若采用這類其它傳感電路，則電路108可能包含與傳感元件相應(yīng)的額外的和/或不同的功能調(diào)節(jié)電路。在另一種替代方案中，電路108只包括傳感元件，這時(shí)由傳感元件產(chǎn)生的傳感信號(hào)被送到功能調(diào)節(jié)電路所在的較遠(yuǎn)的地方。還可以有其它的方案。
再回到圖2，由內(nèi)殼體112界定內(nèi)殼體腔體120。此內(nèi)殼體腔體120的內(nèi)部可用來(lái)封裝襯底110和電路108的組合。
內(nèi)殼體112可用各種材料制造。這些材料可包括塑料、陶瓷、或金屬材料，及其組合，和其它具有低熱傳導(dǎo)性的材料。內(nèi)殼體112可用熟知的加工方法(如模壓、鑄造、機(jī)加工、沖壓和/或其它成形技術(shù))加工成各種形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)殼體112是用注射模壓的、20％玻璃填充的低粘滯性聚醚酰亞胺熱塑性材料加工而成，該熱塑料模壓后的熔點(diǎn)不低于209℃。
表1列舉了一種可用來(lái)加工內(nèi)殼體112的熱塑性材料的大致特性。列出這些特性只是為了便于說(shuō)明。也可以采用具有類似或不同特性的其它材料。另外，除注射模壓法以外，也可以采用其它模壓加工方法或用作它的補(bǔ)充。
表1 熱塑性材料特性(塑料載體)
圖2所示為內(nèi)殼體112為圓柱形的例子，當(dāng)然也可以是其它形狀。圓柱形內(nèi)殼體112可以有近端122和遠(yuǎn)端124。內(nèi)殼體腔體120的開(kāi)口可以開(kāi)在近端122。圓柱形內(nèi)殼體112還包括內(nèi)、外表面126，128。為將內(nèi)殼體112和外殼體114分開(kāi)，在外表面128上安置了一個(gè)或多個(gè)凸起。當(dāng)內(nèi)殼體112被外殼體114封裝或包圍時(shí)，這些凸起可能接觸外殼體114的內(nèi)表面130。
凸起的尺寸，形狀和數(shù)量可以改變以減少外殼體114(以及電子模塊100)短時(shí)間承受高溫時(shí)產(chǎn)生的熱傳遞。但是，凸起的特征尺寸和形狀以及數(shù)量可相互關(guān)聯(lián)。因而這可能意味著改變這些特性中的一個(gè)可能需要改變另一個(gè)。
例如，在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)凸起的特征尺寸可能是降低外殼體114熱傳遞的最小值，同時(shí)每個(gè)凸起的形狀可選擇成讓熱的傳播使與外殼體114的接觸面積最小。但在這樣做時(shí)，可能使凸起的數(shù)量多于在另一些具有較大特征尺寸的實(shí)施例中的凸起數(shù)量。
或者，可以讓凸起的尺寸，形狀和數(shù)量改變成平衡內(nèi)、外殼體112，114和減少熱傳遞之間的結(jié)構(gòu)分離。也可以由于其它原因(如成本和制造的復(fù)雜程度)來(lái)改變凸起的尺寸，形狀和數(shù)量。
在圖2所示圓柱形內(nèi)殼體112的結(jié)構(gòu)示例中，此凸起包含(i)處于遠(yuǎn)端124的一個(gè)或多個(gè)第一支座(也叫支架)132，(ii)一個(gè)或多個(gè)第二支座134(A-B)，它們沿軸向處于或接近遠(yuǎn)端124的外表面128的周邊上，(iii)一個(gè)或多個(gè)環(huán)135(A-C)，它們沿徑向處于或接近近端122的外表面128的周邊上。
在采用一個(gè)以上支架的一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二支座132，134(A-B)可以在外表面128的周邊等距分布。這些第一和第二支座132，134(A-B)可以在內(nèi)殼體112的遠(yuǎn)端和外表面128圓柱形部分之間的交界面上相交，從而形成一些連續(xù)的支座。
象內(nèi)殼體112一樣，外殼體114也可以用各種材料來(lái)加工。這些材料可能包括金屬、塑料或陶瓷和/或其它材料，以及它們的混合和組合。外殼體114可用現(xiàn)有的加工方法如模壓、鑄造、機(jī)加工、沖壓和/或其它成形方法等做成各種形狀。這些不同形狀可以模仿或不模仿內(nèi)殼體112的形狀。
在一種實(shí)施例中，外殼體材料是從一組具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)如陶瓷的材料中選擇。這種選擇除了抵御嚴(yán)酷環(huán)境條件外，還提供高溫隔離屏障，以及與相同和不同電子模塊100安裝處的材料的兼容性。但由于陶瓷外殼體很脆，其應(yīng)用范圍可能受到限制。
在另一個(gè)實(shí)施例中，外殼體114是用具有高熱傳導(dǎo)系數(shù)材料如鋁或不銹鋼加工而成。除了上面的判斷標(biāo)準(zhǔn)外，這些材料還具有結(jié)構(gòu)剛性好等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)剛性好等優(yōu)點(diǎn)在商業(yè)和軍事航空器應(yīng)用中可以得到實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楹娇掌鞯陌惭b地點(diǎn)和工作對(duì)電子模塊100施加物理應(yīng)力，所以需要有這方面的性能。
在一個(gè)這種實(shí)施例中，外殼體114是用不銹鋼桿加工的。表2列舉了一例這種外殼體的特性。列出這些特性只是為了便于說(shuō)明。也可以采用其它具有相同或不同特性的材料。
表2 不銹鋼外殼體特性
在圖2所示的實(shí)施例中，外殼體114是圓柱形。此圓柱形外殼體具有外表面138，遠(yuǎn)端140和近端142。象內(nèi)殼體112一樣，外殼體114界定腔體136(“外殼體腔體”)。這個(gè)“外殼體腔體”136用來(lái)封裝或包圍內(nèi)殼體112。此外殼體可以直接圍繞內(nèi)殼體112而形成，例如圍繞內(nèi)殼體112模壓出外殼體114。
或者，外殼體腔體136成形有開(kāi)口。此外殼體腔體136的開(kāi)口可以處在外殼體114的近端142。這樣的話，內(nèi)殼體112可通過(guò)這個(gè)開(kāi)口插入(例如壓入)外殼體腔體136，使得內(nèi)外殼體112，114成為同軸設(shè)置。插入時(shí)，內(nèi)殼體112的凸起或者內(nèi)殼體112本身與外殼體腔體136可以是松配合，滑配合或緊配合。
在圖2所示的實(shí)施例中，也可以把外殼體腔體136做成圓柱形。這樣，當(dāng)內(nèi)殼體112插入外殼體腔體136時(shí)，(i)某些或者全部第一支座可接觸它的遠(yuǎn)端144，和(ii)一些或全部第二支座與某些或全部環(huán)135(A-C)一起可接觸它的內(nèi)表面130。
一起參看圖1和2，處在內(nèi)外殼體112，114之間的是間隙116，它可以用一種絕緣媒質(zhì)填充。這種絕緣媒質(zhì)可以是空氣等流體，陶瓷等固體，或者流體和固體的某種組合。該間隙可以做成各種形狀，每種形狀具有不同的物理尺寸(如長(zhǎng)度、寬度、高度)，因而容納絕緣媒質(zhì)的體積可能不同。
在一種形狀例中，在將內(nèi)殼體112封裝在外殼體114里面之后，間隙116處在圓柱形外殼體腔體136和內(nèi)殼體112的外表面128之間。間隙116的邊界可通過(guò)將內(nèi)殼體與外殼體分離而形成。這種分離通過(guò)下列接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)(i)第一支座132與外殼體腔體136的遠(yuǎn)端144接觸，(ii)第二支座134(A-B)與外殼體腔體136的內(nèi)表面130接觸，(iii)環(huán)135(A-C)與外殼體腔體136的內(nèi)表面130接觸。
上面已指出，凸起(如第一支座132，第二支座134(A-B)和環(huán)135(A-C))的尺寸，形狀和數(shù)量可以改變，而這又可能改變間隙116的尺寸和形狀。這些改變可用來(lái)減小從外殼體114的熱傳遞，并/或平衡內(nèi)、外殼體112，114間的結(jié)構(gòu)分離，以在經(jīng)受短時(shí)間暴露于高溫時(shí)將電路與不利的溫度條件隔開(kāi)。
絕緣媒質(zhì)的類型對(duì)間隙116的尺寸和形狀也有影響。例如，若絕緣媒質(zhì)具有低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，那么低熱傳導(dǎo)系數(shù)絕緣媒質(zhì)的量(如體積)可以比高熱傳導(dǎo)系數(shù)絕緣媒質(zhì)少。因而在這種示例情況下，間隙116的尺寸和形狀(即內(nèi)、外殼體間的距離)可以按照媒質(zhì)類型的熱傳導(dǎo)系數(shù)按比例尺變化。按照這個(gè)比例，當(dāng)絕緣媒質(zhì)具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)時(shí)可以用較小的間隙116，而絕緣媒質(zhì)具有高熱傳導(dǎo)系數(shù)時(shí)可以用較大的間隙。另外，組成內(nèi)、外殼體112，114的材料也可以影響間隙116的尺寸和形狀。
表3列舉了內(nèi)殼體112，外殼體114，和間隙116的示例尺寸和材料。列出的這些尺寸只是為了便于說(shuō)明。也可以采用具有類似或不同尺寸的其它結(jié)構(gòu)。
表3
除了內(nèi)、外殼體112、114之外，封裝系統(tǒng)102中還可包括電磁干擾和射頻干擾屏蔽150(EMI/RFI屏蔽)。EMI和RFI引起系統(tǒng)的擾動(dòng)。這些擾動(dòng)是由自然現(xiàn)象、機(jī)電裝置的低頻波，或其它電子器件的高頻波(RFI)造成的。通常允許的EMI/RFI限制由聯(lián)邦通訊委員會(huì)或其它管理機(jī)構(gòu)規(guī)定。在較大的系統(tǒng)(如航空器)中，有許多電子子系統(tǒng)混在一起，EMI/RFI可能使包含在電子模塊100內(nèi)的電路中斷或?qū)λa(chǎn)生不希望有的影響。為減小或消除EMI，可采用EMI屏蔽(如EMI屏蔽150)。
EMI屏蔽可以用各種材料加工。這些材料可包括各種導(dǎo)電金屬，薄板，及其混合或組合。通常是把EMI/RFI屏蔽150與電路108的接地點(diǎn)相聯(lián)接，以使不希望的EMI/RFI被該節(jié)點(diǎn)吸收。
屏蔽層板可包括與塑料絕緣薄膜組合的金屬箔。這些部分可以在壓力下用丙烯酸膠結(jié)合在一起。此箔提供屏蔽性能而絕緣物防止與元件或電路板電短路。這些絕緣物增加了最后結(jié)構(gòu)的剛性。材料可根據(jù)屏蔽的形式，配合和功能來(lái)選擇。這些屏蔽可設(shè)計(jì)和加工成各種形狀和尺寸。
EMI/RFI屏蔽150也可以用沖壓鋼、銅、鋁和/或其它導(dǎo)電材料制成。EMI/RFI屏蔽150可以模壓進(jìn)內(nèi)殼體112內(nèi)或設(shè)計(jì)成使屏蔽的材料不把電路短路。例如，EMI/RFI屏蔽150或電路可以噴涂或用絕緣涂層涂敷，以防止與電路短路。EMI/RFI屏蔽150不只限于這些材料，也可以采用其它類似或不同特性的材料。另外，除沖壓和模壓以下，還可以采用其它的加工方法。
EMI/RFI屏蔽150可以做成如圖2所示的圓柱形。圓柱形EMI/RFI屏蔽150可以有近端和遠(yuǎn)端。在EMI/RFI屏蔽150的近端可以有接納襯底110的開(kāi)口。圓柱形EMI/RFI 屏蔽150也可以有內(nèi)和外表面。當(dāng)組裝時(shí)，EMI/RFI屏蔽150的內(nèi)外表面與襯底110和內(nèi)殼體腔體120是松配合，滑配合或緊配合。也可以是其它結(jié)構(gòu)。
倘若內(nèi)殼體112不對(duì)襯底110和電路108組合進(jìn)行真空密封，如將內(nèi)殼體112直接模壓到組合就是這種情況，則在襯底110和內(nèi)殼體腔體120之間可能出現(xiàn)第二間隙117。第二間隙117可以用一種絕緣媒質(zhì)填充。象間隙116一樣，絕緣媒質(zhì)可以是流體，如空氣，固體，如已固化的硅酮粘合劑或流體和固體的某種組合。第二間隙117可以代替間隙116或作為它的補(bǔ)充。
圖2中還顯示了密封系統(tǒng)160。此密封系統(tǒng)160可包含一個(gè)或多個(gè)密封機(jī)構(gòu)，將襯底密封到內(nèi)殼體腔體120內(nèi)和內(nèi)、外殼體122和142的近端，不過(guò)要讓終端電纜106通到外面去。在一個(gè)實(shí)施例中，密封系統(tǒng)160包含墊圈162，橡膠密封圈164，和襯套166。
墊圈162，橡膠密封圈164，和襯套166的材料可以根據(jù)以下各件之間的形狀和配合選擇(i)襯底110和內(nèi)殼體112，(ii)內(nèi)殼體112和外殼體114，(iii)終端電纜106和密封系統(tǒng)160。在一個(gè)實(shí)施例中，墊圈162可用不銹鋼加工，橡膠密封圈164可用硅或硅橡膠混合體加工，襯套166可用不銹鋼加工。也可以采用其它材料。
2.電子模塊組裝例子圖3表示組裝按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示于圖1和2的電子模塊100的流程圖300。以下對(duì)組裝電子模塊100的說(shuō)明采用圖2所示的元件標(biāo)號(hào)。
參考圖3，在方框310，在終端電纜106上組裝或按其它方式安置密封系統(tǒng)160。這里要將終端電纜106松動(dòng)地穿過(guò)墊圈162，橡膠密封圈164，和襯套166，為以后的密封作準(zhǔn)備。
在方框312，組裝終端電纜106并與襯底110相連接。在一個(gè)實(shí)施例中，終端電纜106穿過(guò)襯底110(例如一塊印刷電路板)留下足夠的電纜以便在焊接時(shí)不產(chǎn)生應(yīng)力。終端電纜106可以穿過(guò)襯底110以防止振動(dòng)，熱膨脹，以及其它可能影響在襯底110和終端電纜106交界面處焊料連接的機(jī)械應(yīng)力。也可以采用其它方式把終端電纜組裝并與襯底相連接。
在方框314，可以組裝EMI/RFI屏蔽150并與襯底110相連接。這可能包括將EMI/RFI屏蔽150安置在襯底110上并把它焊到襯底110的接地點(diǎn)上。如上所述，EMI/RFI屏蔽150可以模壓進(jìn)或用其它方法裝進(jìn)內(nèi)殼體112內(nèi)。如果是這樣，則這一步驟可以省略，但在襯底插入或封裝到內(nèi)殼體112內(nèi)時(shí)，仍需將EMI/RFI屏蔽150與襯底110相連接。
在方框316，襯底110被插入或者封裝進(jìn)內(nèi)殼體112內(nèi)。這個(gè)組裝可以利用機(jī)械上省力的(如杠桿)，液壓的、或空氣動(dòng)力壓力機(jī)、和/或其它插入工具或儀器來(lái)進(jìn)行。如果EMI/RFI屏蔽150是組裝并連接到襯底110上，則這個(gè)組合件可以插入內(nèi)殼體腔體120內(nèi)。實(shí)際上，EMI/RFI屏蔽150和襯底110的組合件與內(nèi)殼體腔體120的內(nèi)表面126是用滑配合至緊配合連接。
為了把該組合件插入或“壓入”內(nèi)殼體腔體120內(nèi)，在內(nèi)表面126和襯底110上可以使用潤(rùn)滑密封劑(如在高溫下可以固化的硅保護(hù)膜凝膠)，以便于安裝并保護(hù)電路不受環(huán)境有害物的影響。EMI/RFI屏蔽150不論是模壓或是用其它方式封裝進(jìn)內(nèi)殼體112內(nèi)，在將襯底110插入內(nèi)殼體腔體120中時(shí)都可以使用這種潤(rùn)滑劑。
在這個(gè)結(jié)構(gòu)示例中，使用了第二間隙117，它位于襯底110和內(nèi)殼體腔體120之間。此第二間隙117可用空氣和少量可固化硅粘合劑的混合物填充。如果希望的話，將襯底110和電路108的組合物組裝進(jìn)內(nèi)殼體112可以在真空室內(nèi)進(jìn)行，這樣一旦被插入和密封后，此第二間隙117可能包含一種可固化粘合劑和真空的組合物。當(dāng)使用第二間隙117時(shí)，內(nèi)殼體112，外殼體114，間隙116和/或第二間隙117的組合件可以與電路隔開(kāi)，使電路108在封裝系統(tǒng)102承受短時(shí)間暴露于高溫之前，之中和之后都能保持工作。
在方框318，內(nèi)殼體112被同軸地封裝或插入外殼體114中。實(shí)際上，內(nèi)殼體112是用省力杠桿，液壓和/或空氣動(dòng)力壓力機(jī)等機(jī)械“壓入”外殼體I 14內(nèi)，使得內(nèi)殼體112的凸起與外殼體腔體142的內(nèi)表面成為滑配合至緊配合狀態(tài)。就象襯底110插入內(nèi)殼體腔體126的過(guò)程，可以用硅凝膠等潤(rùn)滑劑來(lái)方便內(nèi)殼體插入外殼體腔體142。和以前一樣，可以把潤(rùn)滑劑加在外殼體腔體142的內(nèi)表面130和/或內(nèi)殼體的外表面128。
在方框320，將內(nèi)殼體112插入外殼體114后，可以把密封系統(tǒng)160組裝到位。在組裝密封系統(tǒng)160時(shí)，襯底110和電路108的組合件(但沒(méi)有終端電纜)，可以通過(guò)墊圈162的強(qiáng)制推入和粘接(如使用粘合劑或熱熔方法)或其它密封辦法，面對(duì)內(nèi)殼體腔體120的近端122和/或外殼體114的內(nèi)表面130而密封到內(nèi)殼體腔體122內(nèi)。上面已指出，這可以在真空下進(jìn)行。或者，密封系統(tǒng)160各部分也可以在將襯底110和電路組合件密封進(jìn)內(nèi)殼體腔體120時(shí)，在方框316中組裝。
在密封了襯底110和電路組合件后，可把橡膠密封圈164和襯套166連同可固化粘合劑(如高溫固化環(huán)氧樹(shù)脂)壓入或插入外殼體114的近端142。在這種結(jié)構(gòu)中，環(huán)135(A-C)在與外殼體114內(nèi)表面130的滑動(dòng)或緊配合中很有用。它可以防止可固化粘合劑在其中的阻止劑在隨時(shí)間和/或溫度固化過(guò)程中釋放時(shí)流入間隙116。象墊圈162那樣，橡膠密封圈164和襯套166可以一起密封在內(nèi)和外殼體的近端122，142，但讓終端電纜106通過(guò)。
在按剛才所述組裝密封系統(tǒng)160時(shí)，間隙116出現(xiàn)并處在內(nèi)殼體112的外表面128及外殼體114的內(nèi)表面130之間，并可用空氣和少量可固化硅酮鈍化物填充。但若需要，在將密封系統(tǒng)160組裝到內(nèi)殼體112，外殼體114和襯底110的組合件時(shí)，可以在真空中進(jìn)行，這樣一旦插好并密封后，間隙116就可以抽真空并保持真空狀態(tài)。
(i)內(nèi)殼體112，(ii)外殼體114，(iii)間隙116和/或(iv)第二間隙117組合件的安置和組裝可以避免某些或很多對(duì)電路108有害的溫度方面的危害，從而使電路能在寬范圍的溫度極限內(nèi)有效地工作。組合件(i)-(iv)可以展寬閾值溫度的范圍，后者本來(lái)也許已經(jīng)被電子元件的內(nèi)部溫度和其它周圍電路的輻射溫度消耗殆盡。另外，這種組合件可以讓電路108承受高于傳統(tǒng)失效點(diǎn)溫度的外部溫度，從而為在很多環(huán)境惡劣而又希望使用電子模塊100的地方展現(xiàn)了廣闊的前景。
當(dāng)上述組合件(i)-(iv)經(jīng)受短時(shí)間暴露在高溫下時(shí)，一般這將使電子元件的溫度升到工作極限溫度以上并失效，這種組合件可以讓硅器件的結(jié)不損壞并在整個(gè)暴露期間繼續(xù)工作，防止焊料堆熔化，防止熱敏器件和其它溫度傳感元件變得不穩(wěn)定，減輕襯底110的軟化，并避免其它電氣-機(jī)械故障。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表4列舉了8種用作貼近式傳感器的電子模塊100試樣的工作特性。此電子模塊100包括貼近式傳感元件和相關(guān)的功能調(diào)節(jié)電路。對(duì)于每一個(gè)試樣，列出了工作位置(“o.p”)，釋放位置(“r.p”)，電壓降或“飽和電壓”(“Vsat”)，電路108工作時(shí)的電流負(fù)荷(“工作電流負(fù)荷”)和電路108不工作時(shí)的電流負(fù)荷(“不工作電流負(fù)荷”)。
工作位置可定義為一個(gè)或數(shù)個(gè)點(diǎn)，貼近式傳感器在那兒檢測(cè)物體的存在和/或該物體離某個(gè)參考點(diǎn)的距離。這些點(diǎn)可以從外殼體114的遠(yuǎn)端140(即從貼近式傳感器的參考點(diǎn))測(cè)量。釋放位置可以定義為貼近式傳感器不再檢測(cè)物體的點(diǎn)。就象工作位置一樣，這些點(diǎn)可以從貼近式傳感器的參考點(diǎn)測(cè)量。
飽和電壓可以定義為降落在與電路108的輸出相連的負(fù)載上的電壓。此電壓降或飽和電壓往往隨著流過(guò)電路108輸出段的電流量和負(fù)載而變化。因此，表中列出了此電路108工作時(shí)的電流負(fù)載和電路108不工作時(shí)的電流負(fù)載。
表4 (列出這些特性只為了便于舉例說(shuō)明)
4.結(jié)論看過(guò)可應(yīng)于本發(fā)明原理的多種實(shí)施例后，應(yīng)當(dāng)指出，所列舉的實(shí)施例僅僅是用于舉例，而不應(yīng)當(dāng)作是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，上面所述的運(yùn)作可以按與此不同的順序進(jìn)行，而且在方框圖中所用的元件可多可少。
另外，除非特別指明，不應(yīng)把權(quán)利要求書看作只限于所說(shuō)明的順序和元件。同時(shí)，在任一條權(quán)利要求中使用術(shù)語(yǔ)“裝置”則表示引用美國(guó)法典35 U.S.C.112,6，而沒(méi)有“裝置”一詞的任一條權(quán)利要求則不引用。因此，所有屬于下列權(quán)利要求書范圍和精神之內(nèi)的實(shí)施例及與其等效物均是本發(fā)明的范疇。
上面已經(jīng)列舉并說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選和一些替代實(shí)施例。但是必須指出，對(duì)本發(fā)明可以作更改和修正而不背離下面權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的實(shí)際精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于電子電路的封裝系統(tǒng)，其中電子電路被設(shè)置在襯底上，該封裝系統(tǒng)包括以下各件的組合包圍襯底的內(nèi)殼體；包圍內(nèi)殼體和襯底的外殼體；和位于內(nèi)殼體和外殼體之間的間隙，該間隙中填充了絕緣媒質(zhì)，當(dāng)此封裝系統(tǒng)短時(shí)間暴露于高溫時(shí)，內(nèi)殼體、外殼體和間隙的組合可以讓電子電路維持工作。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，絕緣媒質(zhì)為流體。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，流體為空氣。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，上面設(shè)置了電子電路的襯底包括從由硅基襯底、陶瓷基襯底和電子電路板襯底構(gòu)成的一組襯底中選擇的襯底。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，電子電路包括傳感電子電路。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，傳感電子電路包括貼近式傳感器。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，貼近式傳感器包括從下面一組中選擇的傳感元件霍爾效應(yīng)傳感元件、磁阻傳感元件、電勢(shì)傳感元件和超聲傳感元件。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)殼體是用低熱傳導(dǎo)系數(shù)材料制造。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)殼體是用從下面一組中選擇的材料加工的塑料、陶瓷和金屬材料。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，外殼體是用高熱傳導(dǎo)系數(shù)材料制造。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，外殼體是用從下面一組中選擇的材料加工的鋼、塑料和陶瓷材料。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，如果內(nèi)殼體是用低熱傳導(dǎo)系數(shù)材料加工而外殼體是用高熱傳導(dǎo)系數(shù)材料加工，則間隙具有第一厚度，若內(nèi)殼體和外殼體都是用低熱傳導(dǎo)系數(shù)材料加工，則間隙具有第二厚度，且該第一厚度大于該第二厚度。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，高溫包括高達(dá)約425℃的溫度。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，短時(shí)間包括直到約15秒的時(shí)間。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，電子電路在短時(shí)間暴露于高溫的過(guò)程之中或之后維持工作能力。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括處于內(nèi)殼體和襯底之間的第二間隙，該第二間隙用絕緣媒質(zhì)填充，該第二間隙提供額外的絕緣層。
17.一個(gè)電子電路封裝系統(tǒng)，其中電子電路設(shè)置在襯底上，此封裝系統(tǒng)包括以下各件的組合用低熱傳導(dǎo)性材料加工的內(nèi)殼體，此內(nèi)殼體界定用來(lái)接納襯底的第一腔體，內(nèi)殼體包含外表面，該外表面具有從外表面伸出的至少一個(gè)凸起；外殼體，其界定接納內(nèi)殼體和襯底的第二腔體，此第二腔體包含用來(lái)與從內(nèi)殼體外表面伸出的所述至少一個(gè)凸起相接觸的內(nèi)表面；和位于內(nèi)殼體外表面和外殼體內(nèi)表面之間的間隙，此間隙用絕緣媒質(zhì)填充，當(dāng)此封裝系統(tǒng)短時(shí)間暴露于高溫時(shí)，內(nèi)殼體、外殼體和間隙的組合可以讓電子電路維持工作。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，內(nèi)殼體基本為圓柱形且有遠(yuǎn)端和近端，近端具有用于第一腔體的開(kāi)口，從內(nèi)殼體外表面伸出的至少一個(gè)凸起界定(i)位于遠(yuǎn)端的至少一個(gè)第一支座，(ii)沿軸向處在靠近遠(yuǎn)端的內(nèi)殼體外表面上的數(shù)個(gè)第二支座，和(iii)沿徑向處于靠近近端的內(nèi)殼體外表面上的至少一個(gè)環(huán))，外殼體的第二腔體內(nèi)表面界定具有遠(yuǎn)端和近端的圓柱形部分，近端有用于第二腔體的開(kāi)口，其中當(dāng)內(nèi)殼體被插入外殼體內(nèi)時(shí)，(i)至少一個(gè)第一支座與第二腔體的遠(yuǎn)端相接觸，(ii)數(shù)個(gè)第二支座與第二腔體的內(nèi)表面相接觸，(iii)至少一個(gè)環(huán)與第二腔體的內(nèi)表面相接觸，而且用絕緣媒質(zhì)填充的間隙在內(nèi)殼體插入外殼體時(shí)界定位于內(nèi)殼體外表面和外殼體內(nèi)表面之間的區(qū)域。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，襯底有遠(yuǎn)端和近端。當(dāng)襯底被第一腔體接納時(shí)，襯底的遠(yuǎn)端靠近第一腔體的遠(yuǎn)端，且襯底的近端靠近第一腔體的近端，同時(shí)電子電路包含傳感電子電路，其有終端電纜將傳感電子電路連至外部裝置，當(dāng)襯底裝入第一腔體時(shí)，此終端電纜從第一腔體的近端伸出。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)密封，用來(lái)(i)將襯底密封在第一腔體內(nèi)，(ii)使內(nèi)殼體和外殼體的近端相對(duì)密封，同時(shí)該終端電纜通過(guò)該密封。
21.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括處于第一腔體和襯底之間的第二間隙，該第二間隙中用絕緣媒質(zhì)填充，并該第二間隙提供附加的絕緣層。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括電磁干擾屏蔽，其處于內(nèi)殼體的外表面和襯底之間，該電磁干擾屏蔽包圍襯底的至少一部分。
23.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括電磁干擾屏蔽，其處于內(nèi)殼體的外表面和襯底之間，該電磁干擾屏蔽包圍襯底的至少一部分。
24.一套工具，包括權(quán)利要求21所述的電子電路封裝系統(tǒng)和安裝硬件。
全文摘要
提供一種電子電路的封裝系統(tǒng)。此電子電路可安置在襯底上，后者可被該封裝系統(tǒng)的一個(gè)或數(shù)個(gè)元件封裝或包圍。此封裝系統(tǒng)可包括(i)內(nèi)殼體，它可將襯底封裝或包圍在其內(nèi)部；(ii)外殼體，它再將內(nèi)殼體和襯底的組合封裝或包圍在其內(nèi)部；和(iii)一個(gè)或數(shù)個(gè)間隙，它們處在電路、內(nèi)殼體和外殼體之間。這些間隙可用流體或固體絕緣媒質(zhì)填充。當(dāng)此封裝系統(tǒng)短時(shí)間暴露于高溫時(shí)，內(nèi)殼體、外殼體和間隙的組合可將電路與有害和破壞性的熱影響隔開(kāi)，從而使電路在這種暴露之前之中和之后都能工作。
文檔編號(hào)H05K5/02GK1879009SQ200480032864
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2004年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月8日
發(fā)明者D·R·麥科盧姆, M·J·斯卡盧普卡, W·L·埃萊爾斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司