反向散热的印制板、天线装置和冷却板的制作方法

1.本发明属于技术领域，具体涉及一种反向散热的印制板、天线装置和冷却板。


背景技术：

2.随着应用频率的提高和多功能芯片式tr组件(tr芯片)的大量应用，有源相控阵天线集成度越来越高，一种典型的有源天线子阵构型就是tr芯片、电源芯片、控制芯片等器件表贴在复合材料多层印制板(包括天线、馈线、控制电路、供电的综合电路板)正面上，印制板背面是印制天线(贴片天线或辐射缝)。采用这种构型的有源天线阵面集成度高、结构规整并利于扩展，即通过平铺多块有源子阵就可以形成不同口径的阵面以实现不同天线技术指标要求。因此这种“叠瓦片”式有源天线阵面构型得到了越来越多的研究和应用，尤其是工作频段在x波段以上时这种趋势越发明显。
3.但是天线阵面采用叠瓦片式构型时对器件散热问题带来了很高的难度。印制板一面是贴片天线(及天线罩)无法传导散热仅仅能够进行效率很低的辐射散热；功率器件全部表贴在印制板另一面上，即使提供了传导冷却板(水冷或风冷)也因为器件封装问题不便与冷板直接接触，难以将印制板的热量定向传导到冷却板，散热效率不高。
4.采用复杂金属封装(如bga、cga封装)的表贴式功率型芯片可以实现向芯片的上表面散热，此时通过简单风冷即可实现冷却，然而此类封装通常成本很高导致整个芯片价格高昂。
5.采用普通塑封芯片的散热方向几乎都是该芯片的底面，即与印制板表贴焊接的那一面，由于印制板材料的导热系数不高，因此散热效率很低。
6.有一种方案是采用近年来涌现出的高导热介质板来制作印制板，但是效果很有限。一方面其导热系数一般在3.5w/m*
°
k，远远小于金属的导热能力；另一方面这种材料的电气参数与普通印制板不同，在某些情况下对射频电路会产生较大的不利影响。而且为追求更大的探测威力，未来相控阵雷达射频功率器件的热耗将越来越大。
7.因此能够在普通常用的环氧树脂类(fr4)和聚四氟乙烯类(ptfe)材质印制电路板上开发出能有效传导散热的技术方案是高集成“叠瓦式”有源天线阵面的一个重要内容。


技术实现要素：

8.本发明目的是提供一种反反向散热的印制板、天线装置和冷却板，适用于单面表贴功率型器件，通过多条导热通道将底面散热的功率型器件(例如tr芯片、电源芯片)的工作热耗传递到器件表贴面(反向)，通过与配套设计的金属天线和冷却板可靠接触形成良好的导热通道，解决相控阵雷达高集成度的有源天线子阵的散热难题。
9.具体地说，一方面，本发明提供了一种反向散热的印制板，所述印制板主体为介质板，一面为印制板表贴面，另一面为印制板天线面；所述印制板中设置有贯穿印制板的通槽；
10.所述印制板表贴面上表贴有若干功率型芯片，形成各以所述功率型芯片为中心的
芯片表贴区域；所述印制板表贴面涂覆有阻焊层，形成阻焊区；印制板表贴面部分区域去除阻焊层，露出表贴面铜箔，形成露铜区，以与外部的冷却板直接接触；
11.所述印制板天线面设置有天线辐射工字缝阵列。
12.进一步的，所述印制板还嵌入有嵌入铜块，所述嵌入铜块嵌入在所述功率型芯片底部位置，并延伸到功率型芯片周围的露铜区；
13.所述嵌入铜块与印制板表贴面的表面铜箔镀平。
14.进一步的，所述印制板中靠近印制板表贴面的内层还设置有内层铜箔，所述内层铜箔从所述功率型芯片底部延伸至功率型芯片周围。
15.进一步的，所述露铜区的边缘设置若干个金属实通孔和/或若干普通金属化通孔，与表贴面铜箔镀平
16.另一方面，本发明还提供一种天线反射板，用作上述反向散热的印制板的天线，采用金属制成，主体包括天线基板，所述天线基板朝向所述印制板天线面的一面设置若干天线导热柱，所述天线导热柱穿透印制板的通槽后，与印制板表贴面平齐，且天线基板与印制板天线面紧贴在一起；天线基板的另一面设置齿状一体化阵列天线，齿状一体化阵列天线由若干个齿状槽线天线单元组成，所述天线单元与所述印制板的天线辐射工字缝阵列对应。
17.再一方面，本发明还提供一种反向散热的天线子阵，包括上述反向散热的天线反射板和反向散热的印制板。
18.又一方面，本发明还提供一种反向散热的冷却板，所述冷却板一面分布有若干凸台，包括围绕芯片的第一凸台、对应天线导热柱的第二凸台，所述第一凸台与根据权利要求6所述的反向散热的天线子阵中印制板上功率型芯片周围的露铜区贴合，所述第二凸台与所述反向散热的天线子阵中天线散热柱贴合。
19.进一步的，所述凸台上贴有导热胶垫。
20.进一步的，所述冷却板与另一面采用散热鳍和/或在冷却板部分区域内部设置冷却剂流动管道连通外部冷却设备
21.又一方面，本发明还提供一种反向散热的天线阵面，包括上述反向散热的天线子阵和反向散热的冷却板。
22.本发明的反向散热的印制板、天线装置和冷却板的有益效果如下：
23.采用叠瓦式有源天线往往在一块印制板上集成了天线与馈线、tr芯片、二次电源芯片等，集成度非常高，为了解决高集成有源天线散热问题，本发明的反向散热的印制板，采用反向导热多层印制板架构，通过配套设计的金属天线和冷却板可靠接触形成良好的导热通道，将底面散热的表贴功率型器件(例如tr芯片、电源芯片)的工作热耗反向传递到印制板表贴面(反向)，有效提高了有源天线阵列的热耗处理能力，适用于单面表贴功率型器件的散热，解决了相控阵雷达高集成度的有源天线子阵的散热难题，为进一步提升有源天线辐射功率及探测威力提供了发展空间。
24.为了提高印制板电磁屏蔽，本发明的反向散热的印制板、天线装置和冷却板，印制板上每个tr芯片周围露铜区域直接与对应的冷却板凸台相接触，冷却板上每个凸台都为封闭形式，凸台倒扣形成了围绕tr芯片的封闭金属墙，有效的提高了印制板的抗电磁干扰能力和电磁兼容性。
附图说明
25.图1是本发明实施例的印制板、天线反射板、冷却板安装位置关系示意图。
26.图2是本发明实施例的印制板反向热传导剖面示意图。
27.图3是本发明实施例的印制板表贴面视图。
28.图4是本发明实施例的印制板表贴面上单只tr芯片表贴区域局部透视图。
29.图5是本发明实施例的印制板表贴面上单只tr芯片表贴区域示意图。
30.图6是本发明实施例的印制板天线面视图。
31.图7是本发明实施例的金属天线示意图。
32.图8是本发明实施例的冷却板的局部示意图(与印制板贴合面)。
33.图中标识：1-印制板，11-介质板，12-印制板表贴面，121-露铜区，122-阻焊区，123-芯片表贴区域，13-印制板天线面，131-天线辐射工字缝，14-嵌入铜块，15-内层铜箔，16-通槽，17-金属实通孔，18-普通金属化通孔，19-功率型芯片，20-表贴面铜箔，2-天线反射板，21-天线基板，22-天线单元，23-天线导热柱，3-冷却板，31-凸台，311-第一凸台，312-第二凸台。
具体实施方式
34.下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
35.实施例1：
36.本发明的一个实施例，为一种反向散热的印制板、天线装置和冷却板，反向散热架构包括印制板1、天线反射板2和冷却板3。如图1所示，天线反射板2，用作印制板的天线，由金属制成，与印制板的天线面紧密贴合，紧固后整体安装于冷却板3上，冷却板3上带有凸起31与印制板表贴面12直接接触导热。
37.其中，所述印制板1，由介质板11制成，是包括射频电路、供电电路和数字控制电路的多层印制板。所述介质板11可采用普通的fr4环氧板材和ptfe射频板材通过热压合制作而成。所述印制板1一面为印制板表贴面12，另一面为印制板天线面13。
38.印制板标贴面12上表贴有若干功率型芯片19(例如tr芯片)，形成各以功率型芯片19为中心的芯片表贴区域123。本发明采用在印制板上tr芯片表贴区域123嵌入铜块、增加金属实通孔、采用金属天线等方法，将芯片热耗反向传导至印制板表贴面，从而实现与冷却板直接接触散热，具体散热通道如图2所示。
39.印制板1中设置有贯穿印制板1的通槽16，使得金属天线的导热柱穿过印制板与位于印制板表贴面侧的冷却板相接触。
40.如图2-图5所示，印制板表贴面12按一般印制板工艺涂覆阻焊层(俗称“绿油”)，形成阻焊区122；在与冷却板凸台相接触的区域去除阻焊层，露出表贴面铜箔20，形成露铜区121，露铜区121与冷却板3直接接触，提高导热能力。
41.优选的，在另一个实施例中，如图3-图5所示，印制板1中还嵌入有散热用的嵌入铜块14，嵌入铜块14嵌入在功率型芯片底部位置，并延伸到功率型芯片周围的露铜区121，露铜区与冷却板直接接触，可以将功率型芯片的热量传导到芯片周围。
42.嵌入铜块14与印制板表贴面的铜箔镀平，使表贴面接地信号连接贯通，如图2所示。嵌入铜块14的形状根据具体芯片管脚信号定义进行设计。例如，tr芯片三面管脚有工作
信号，只有一个面的中心管脚为射频口，其余均为接地信号，将嵌入铜块14设计为y型，从有射频口的一管脚面延伸出来，同时对射频端口进行避让，如图4所示。
43.优选的，在另一个实施例中，印制板1中靠近印制板表贴面的内层还设置有散热用的较厚的内层铜箔15，如图2和图3所示，内层铜箔15从功率型芯片底部延伸至功率型芯片周围，以将功率型芯片的热量传导到芯片周围以及传输接地gnd信号。
44.优选的，在另一个实施例中，露铜区121的边缘采若干个金属实通孔17，与表贴面铜箔镀平，如图2、图4和图5所示。金属实通孔17将部分热耗传导至天线反射板2，再传导至冷却板3。
45.优选的，在另一个实施例中，露铜区121还设置有若干普通金属化通孔18，以加强从印制板内层的铜箔向表贴面导热，如图2、图4和图5所示。增加普通金属化孔基本不增加制造成本。
46.如图5所示，印制板表贴面12，所述嵌入铜块14和金属实通孔17经过镀平后，与印制板表贴面12的露铜区121形成完整的表贴铜箔20，表贴功率型芯片(如tr芯片)的表贴焊接不受任何影响，可以与普通印制板表贴工艺兼容。由于该印制板的导热均温性很好，器件表贴回流焊或波峰焊时需适当延长预加热时间以保证焊接可靠性。
47.如图6所示，印制板天线面13设置有天线辐射工字缝阵列，与天线反射板2的天线单元一一对应。
48.所述天线反射板2，主体包括天线基板21，天线基板21朝向印制板天线面13的一面设置若干天线导热柱23，其穿透印制板1的通槽16后，与印制板表贴面12平齐，可与冷却板3直接接触，且天线基板21与印制板天线面13紧贴在一起；天线基板21的另一面设置齿状一体化阵列天线，齿状一体化阵列天线由若干个齿状槽线天线单元22组成，齿状一体化阵列天线排布与印制板1的天线辐射工字缝131严格对齐。天线反射板2全部采用金属材料制成。
49.所述冷却板3，用于天线子阵固定安装的结构主骨架，与印刷板1接触的一面分布有若干冷却板凸台31，包括围绕芯片的第一凸台311、对应天线导热柱的第二凸台312，分别与印刷板表贴面的露铜区121、穿透通槽16的天线导热柱23贴合，完成热传导，如图8所示。有源天线子阵与冷却板3安装完成后，实际上第一凸台311成为一个倒扣的腔体将芯片包裹起来，也非常有利于屏蔽电磁干扰增强电磁兼容性。
50.冷却板3的大小可以制成与天线子阵大小相应，将若干天线子阵分别与相应的各冷却板3固定，再固定在天线阵面架构上；冷却板3也可以是较大的板，固定于天线阵面架构上，将若干天线子阵分别排列固定在该冷却板上。
51.安装时天线导热柱23对准印制板1的通槽16穿透印制板1，并与印制板天线面13紧贴在一起。然后使用紧固装置，如螺钉，将印制板1和天线反射板2紧固在一起，形成完整的有源天线子阵，此时印制板1上器件大部分的热耗都被反向传导至印制板表贴面12。再将有源天线子阵使用紧固装置，如螺钉，贴紧安装在冷却板3上，可以将热耗通过冷却板进行散发。
52.优选的，在另一个实施例中，凸台31上贴有导热胶垫，保证每个芯片周围露铜区121、天线导热柱23都能与凸台31紧密贴合完成热传导。
53.综上所述，本发明在印制板与冷却板之间形成三条散热传导通道：
54.1、芯片底面—》嵌入铜块—》冷却板
55.2、芯片底面—》金属实通孔—》内层铜箔—》金属实通孔—》冷却板
56.3、芯片底面—》金属实通孔—》金属天线—》金属实通孔—》冷却板
57.冷却板自身的散热可以根据散热需求另行设计。优选的，在另一个实施例中，冷却板与印制板接触的另一面在芯片区域制作成凸台形式并通过导热垫与印制板充分接触，另一面采用散热鳍片。在另一个实施例中，根据冷却需求和结构约束，可在骨架部分区域内部增加冷却剂流动管道连通外部冷却设备以保持良好的散热效果，冷却剂可以根据实际天线系统整体设计采用采用液冷或风冷。
58.本发明的反向散热的天线阵列，包括反向散热的印制板、天线和冷却板；第一凸台与印刷板表贴面的露铜区贴合，第二凸台与穿透通槽的天线导热柱贴合。
59.实施例2：
60.本发明的另一实施例，包括反向散热印制板及其附属金属天线。印制板是一块包括射频电路、供电电路和数字控制电路的18层印制板，厚度4.3mm，采用普通的fr4环氧板材和ptfe射频板材通过热压合制作。印制板一面印制板标贴面，其上安装有射频器件等，另一面印制板天线面，设置有天线辐射工字缝的阵列。
61.如图3所示，印制板表贴面包括24个按32mm x 32mm间隔排列的tr芯片，相邻每4个tr芯片对应一组二次电源模块，印制板横条区域为数字控制电路和接头。如图6所示，印制板天线面的中间有8个通槽，使得天线导热柱23穿过印制板1与位于印制板表贴面12侧的冷却板3相接触。印制板1中靠近印制板表贴面12的内层设置了两层4盎司的内层铜箔15，用于导热和传输接地gnd信号。
62.如图3-图5所示，单只tr芯片表贴接地面积7.6mmx7.6mm，是该芯片的主要散热集中区，因此在该区域进行了如下设计。
63.1)中间区域嵌入y型铜块，厚度2mm，延伸到露铜区可与冷却板直接接触。铜块与印制板表贴面铜箔20镀平使表贴面接地信号连接贯通，铜块形状根据具体芯片管脚信号定义进行设计，本实施例中，tr芯片三面管脚有工作信号，只有一个面的中心管脚为射频端口其余均为接地信号，所以设计为y型从此面延伸出来同时对射频端口进行了避让。
64.2)边缘采用8个直径1mm的金属化通孔，中间插入直径0.7mm的铜针进行铜浆灌孔形成实心的通孔并与表贴面铜箔20镀平。
65.3)露铜区补充若干普通金属化通孔并与表贴面铜箔20镀平，加强内层厚铜向表贴面导热。增加普通金属化孔基本不增加制造成本。
66.如图7所示，天线反射板2的一面包括96只齿状槽线天线单元22组成的阵列，阵列排布与印制板1的天线辐射工字缝131严格对齐。天线基板21厚约2毫米，另一面带有8个凸起作为反向导热的导热柱。安装时天线导热柱23对准印制板1的8个通槽16穿透印制板1，并与印制板天线面13紧贴在一起，天线导热柱23穿过印制板1后与印制板表贴面12平齐。然后使用紧固螺钉将两者紧固在一起，形成完整的有源天线子阵。此时印制板上器件大部分的热耗都被反向传导至印制板表贴面12。再将有源天线子阵(的印制板表贴面)通过螺钉贴紧安装在冷却板3上，可以将热耗通过冷却板进行散发。
67.如图8所示，在冷却板3上对应印制板表贴面12的露铜区121制作围绕芯片的第一凸台311，在冷却板3上对应天线导热柱23的区域制作对应天线导热柱的第二凸台312，第一凸台311和第二凸台312上贴有导热胶垫，保证每个芯片周围露铜区121及天线导热柱23都
与凸台31能紧密贴合完成热传导。有源天线子阵与冷却板3安装完成后，实际上第一凸台311成为一个倒扣的腔体将芯片包裹起来，也非常有利于屏蔽电磁干扰增强电磁兼容性。冷却板3同时也是用于天线子阵固定安装的结构主骨架，其自身的散热可以根据散热需求另行设计，本实施例中冷却板背面制作了散热鳍片，利用4个风扇进行主动风冷。
68.经测试，本实施例中tr芯片热耗4w，总计96w，印制板尺寸约190mmx120mm，在此约束条件下，利用反向散热印制板架构，成功实现了芯片壳温比环境风冷的温升小于15℃的散热能力。
69.虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本技术的权利要求所界定的内容为标准。

技术特征：
1.一种反向散热的印制板，其特征在于，所述印制板主体为介质板，一面为印制板表贴面，另一面为印制板天线面；所述印制板中设置有贯穿印制板的通槽；所述印制板表贴面上表贴有若干功率型芯片，形成各以所述功率型芯片为中心的芯片表贴区域；所述印制板表贴面涂覆有阻焊层，形成阻焊区；印制板表贴面部分区域去除阻焊层，露出表贴面铜箔，形成露铜区，以与外部的冷却板直接接触；所述印制板天线面设置有天线辐射工字缝阵列。2.根据权利要求1所述的反向散热的印制板，其特征在于，所述印制板还嵌入有嵌入铜块，所述嵌入铜块嵌入在所述功率型芯片底部位置，并延伸到功率型芯片周围的露铜区；所述嵌入铜块与印制板表贴面的表面铜箔镀平。3.根据权利要求1所述的反向散热的印制板，其特征在于，所述印制板中靠近印制板表贴面的内层还设置有内层铜箔，所述内层铜箔从所述功率型芯片底部延伸至功率型芯片周围。4.根据权利要求1所述的反向散热的印制板，其特征在于，所述露铜区的边缘设置若干个金属实通孔和/或若干普通金属化通孔，与表贴面铜箔镀平。5.一种反向散热的天线反射板，用作根据权利要求1-4任一所述的反向散热的印制板的天线，其特征在于，采用金属制成，主体包括天线基板，所述天线基板朝向所述印制板天线面的一面设置若干天线导热柱，所述天线导热柱穿透印制板的通槽后，与印制板表贴面平齐，且天线基板与印制板天线面紧贴在一起；天线基板的另一面设置齿状一体化阵列天线，齿状一体化阵列天线由若干个齿状槽线天线单元组成，所述天线单元与所述印制板的天线辐射工字缝阵列对应。6.一种反向散热的天线子阵，包括根据权利要求5所述的反向散热的天线反射板和根据权利要求1-4任一所述的反向散热的印制板。7.一种反向散热的冷却板，其特征在于，所述冷却板一面分布有若干凸台，包括围绕芯片的第一凸台、对应天线导热柱的第二凸台，所述第一凸台与根据权利要求6所述的反向散热的天线子阵中印制板上功率型芯片周围的露铜区贴合，所述第二凸台与所述反向散热的天线子阵中天线散热柱贴合。8.根据权利要求7所述的反向散热的冷却板，其特征在于，所述凸台上贴有导热胶垫。9.根据权利要求7所述的反向散热的冷却板，其特征在于，所述冷却板与另一面采用散热鳍和/或在冷却板部分区域内部设置冷却剂流动管道连通外部冷却设备。10.一种反向散热的天线阵面，其特征在于，包括根据权利要求6所述的反向散热的天线子阵和根据权利要求7-9任一所述的反向散热的冷却板。

技术总结
本发明公开了一种反向散热的印制板、天线装置和冷却板，属于微波天线技术领域。本发明的印制板，主体为介质板，一面为印制板表贴面，另一面为印制板天线面；印制板中设置有贯穿印制板的通槽；印制板表贴面上表贴有若干功率型芯片，形成各以功率型芯片为中心的芯片表贴区域；印制板表贴面涂覆有阻焊层，形成阻焊区；印制板表贴面部分区域去除阻焊层，露出表贴面铜箔，形成露铜区，以与外部的冷却板直接接触；印制板天线面设置有天线辐射工字缝阵列。本发明适用于单面表贴功率型器件，能够解决相控阵雷达高集成度的有源天线子阵的散热难题。达高集成度的有源天线子阵的散热难题。达高集成度的有源天线子阵的散热难题。


技术研发人员：熊兴伟 张若峤 张青梅 奚松涛
受保护的技术使用者：南京国睿防务系统有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/21