CN109417847B - 储热部件载体及生产所述部件载体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种部件载体(10)，所述部件载体(10)实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板，所述部件载体(10)包括至少一个热传递部件(30)，所述至少一个热传递部件(30)以安装于外表面层(21、22)上或嵌入部件载体(10)的至少一个内层(23、24)内的生热或吸热部件的形式实现，并且所述部件载体(10)进一步包括至少一个带相变材料(45)的潜热蓄热单元(40)。所述相变材料(45)层压于并且整合入所述部件载体(10)的至少一个腔体(25)内，并且直接与所述至少一个热传递部件(30)热导耦合。本发明还涉及一种部件载体(10)的生产方法。

Description

储热部件载体及生产所述部件载体的方法
技术领域
本发明涉及一种部件载体，该部件载体实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板，该部件载体包括至少一个热传递部件，所述至少一个热传递部件以安装于外表面层上或嵌入部件载体的至少一个内层内的发热部件或吸热部件的形式实现，并且该部件载体进一步包括至少一个具有相变材料的潜热蓄热单元。本发明还涉及一种用于生产所述部件载体的方法。
背景技术
相变材料(缩写为：PCM)是例如在某个温度下熔融和固化并且能够存储和释放较大能量的高热熔点物质。当材料从固体变为液体时吸收或者释放热量，反之亦然。因此，相变材料是潜热储热(缩写为：LHS)单元。在相变时，PCM热力学***的温度保持恒定。对于相变材料，还必须考虑气化相变并且因此必须考虑液体到气体的相变的情况。例如，热管基于液体-气体相变工作。
有关材料还有固/固相变材料：这些是在发生有关吸收和释放大量热量的情况下发生固/固相转移的PCM。这些材料的晶体结构在严格限定的固定温度下从一种晶格构造转变为另一种晶格构造，并且这种转化能够包括与最有效的固/液PCM可比的潜热。这种材料有用，因为与固/液PCM不同，其不为了防止过冷而要求成核。此外，因为其是固/固相变，所以除了相变时发生稍许膨胀或收缩，在PCM的外表中没有可见变化。此外，对于固/固相变材料，不存在与处理液体关联的问题，如密封或可能的泄漏。
在限定时间将PCM材料分别用作印刷电路板的热库(heat reservoir)或热沉(heat sink)在本技术领域内公知。因此，能够增强类似PCB的基本器件的耗散能力。例如，文献EP 0 732 743 A2和US 5,007,478 B分别涉及包括PCM材料的热沉，该热沉能够从外部装接到例如印刷电路板(缩写为：PCB)上来吸收散出热量并且将散出热量保存特定时长。
文献WO 2005/036587 A2说明了包括蓄热器的电子单元。在第一实施例中，在PCB与通过粘性膜装接到PCB上的外部热沉之间的间隙中，一层PCM材料布置于印刷电路板(PCB)的外侧。不利的是，在该实施例中，PCM材料未整合入印刷电路板中，而是为了使热传递到独立的外部热沉而布置于PCB的外侧。
在WO 2005/036587 A2公开的另一个实施例中，PCM材料通过已经完成的印刷电路板的敞口切口充满到或部分地***敞口槽内。不利的是，此后，该敞口切口必须被密封，以避免PCM材料泄漏。因此，一定数量的空气或气体也与PCM材料一起挤在密封槽体积内。必须指出所述实施例的另一个缺点：当接近完成的印刷电路板中的敞口槽在之后的组装过程中充满PCM材料时，将不可避免地在PCM材料与PCB之间产生不希望的气隙或气泡。特别是，当采用带固体盖或固体外壳的PCM材料，类似充满PCM的陶瓷或环氧树脂组合物时，在固体PCM外壳与PCB的槽壁之间残余不希望的气隙，并将分别对热流或热传递产生不利影响。因此，在WO 2005/036587 A2的第二实施例中，PCM材料也未整合入印刷电路板内。
此外，文献WO 2004/109798涉及一种在电子器件中对电子单元热保护的组件，其中在将放热电子部件表面安装于PCB上之后，将PCM材料布置于装接到印刷电路板的顶上的容器中。
此外，文献US 2006/0088271 A1涉及一种作为生热光电发射器件的载体的瞬变热导冷却(TEC)器件。与热沉类似，外部相变材料(PCM)模块装接于TEC器件的背侧上。通过在载板上蚀刻坑、用相变材料充满坑并且通过沉积金属层包封相变材料，形成PCM模块。因此，作为充满PCM材料的蚀刻金属载板的PCM模块分别装接于TEC器件的外侧上，并且具有热沉功能。生热光电发射器件不与PCM模块直接接触，这是该特定实施例的显著缺点。
然而，上述设计技术至少具有PCM材料不直接热接触放热部件和/或结构的热点的缺陷，当这些部件或结构嵌入多层印刷电路板结构内时，这尤其不利。不利的是，布置于PCB外的外层中或PCB的敞口槽中但是与所述放热部件和/或结构隔开的PCM材料仅能够分别存储并且耗散有限程度的放热，因为导热率较低或者传热阻(heat transfer resistance)较高。
文献US 2014/0054077 A1涉及一种半导体器件，该半导体器件连接到含有带充满物的电绝缘树脂的基础衬底层(base substrate layer)。该充满物本身含有充满PCM材料的电绝缘囊。由于该基础衬底以层状布置，所以该实施例至少具有微囊包封的PCM材料不直接接触半导体器件的缺点。此外，基础衬底层的层状布置具有的缺陷是不能制造类似铜眼的直通连接。通过钻基础衬底层，一些包封的充满物颗粒可能被破坏，并且包封的PCM材料被打开，这导致PCM漏出并且在钻孔壁内形成不希望的腔体。除了上述缺点，还必须指出文献US 2014/0054077A1涉及一种半导体器件。相反，本申请涉及印刷电路板、印刷电路板中间产物或IC载板和与其制造有关的问题，其材料和工艺与对半导体技术应用的材料和工艺显著不同。
发明内容
因此，本发明的目的是克服本技术领域内已知的上述缺点，并且提供一种改进型部件载体，比如PCB、印刷电路板中间产品或IC载板，其中至少一个PCM材料布置成其在部件载体内与放热部件和/或结构直接热接触。
本发明的另一个更具体目的是提供一种改进型部件载体，该改进型部件载体包括至少一个PCM材料，其中增强热扩散能力，并且发热部件和/或吸热部件布置成确保在各自的部件与PCM材料之间实现适当热连接。
此外，本发明的目标针对一种部件载体，其中安装于或嵌于部件载体的层上或内的热敏部件和/或器件在工作周期时能够以比较恒定的温度运行。该改进型部件载体尤其适用于具有高峰值负荷和低占空因数的部件或器件，诸如，功率变换器、机电致动器、电容器、处理器和/或IGBT模块。
在这里，可以将术语“载板”理解为电连接或电网络的载体以及可与印刷电路板(PCB)相比的部件载体，然而，横向和/或纵向布置的连接具有相当高的密度。横向连接例如是导电通路，而重直连接是例如钻孔。这些横向和/或纵向连接布置于载板内，并且通常用于使部件或被包围的部件，特别是IC芯片与印刷电路板或印刷电路板中间产品电连接和/或机械连接。因此，术语“载板”还包含所谓“IC载板”。
此外，可以将术语“部件”分别理解为电子部件或电子芯片。部件可以是：每个有源电子部件，如芯片，特别是半导体芯片；或每个无源电子部件，如电容器(condenser)、电阻器、电感器或磁性元件，如，铁氧体磁芯元件。能够嵌于部件载体内或位于部件载体上的电子部件的更多示例有：数据储存器件，如动态随机存取存储器(DRAM)；滤波器，该滤波器能够配置为例如高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器或能够用作频率滤波器。此外，单独地包括或者分别与上述部件组合地或与部件或电子部件的上述术语中提及的其他功能电子部件一起地包括：集成电路(IC)，如所谓逻辑IC；任意信号处理部件，如微处理器；任意性能功率部件；任意光电器件；任意电压变换器，如DC/DC变换器或AC/DC变换器；任意机电变换器，如锆钛酸铅(PZT)传感器和/或行动器；以及电磁波的任意发送单元或接收单元，如RFID芯片或RFID应答器；任意密码部件；电容器；电感器；或开关，如基于晶体管的开关。此外，电子部件还可以包括微机电***(缩写为MEMS)、电池、累加器、摄像头或天线。然而，其他电子部件也可以嵌入电子器件中。例如，磁性元件能够用作电子部件。该磁性元件可以是永磁性元件，如铁磁性元件、反铁磁性元件或铁氧体磁性元件，例如，铁氧体磁芯，还可以包括例如顺磁性元件。该电子部件可以表面安装于部件载体上并且/或者可以嵌入其内。
此外，在本申请的语境下，术语“热传递部件”指如上述电子部件的部件，或者指分别具有热传递或热扩散特性的结构。热传递部件可以是例如在运行时产生散出热量或余热的生热电子部件。热传递部件还可以是适合采集来自所述部件载体的环境或周围的能量的吸热部件或结构。因此，从热平衡的角度看，根据本发明的热传递部件能够分别是准“有源”生热或准“无源”吸热部件或结构，因此，“有源”热传递部件是本身产生余热的部件，而“无源”热传递部件是采集并且吸收来自环境的能量的部件。
此外，本发明的另一个任务是改善包括热传递部件和PCM材料的部件载体的热管理并且对于恒温下的快速热扩散，提高部件载体的吸热能力。
本发明的进一步目的是提供一种生产具有至少一个热扩散或热传递部件和至少一个带相变材料的潜热蓄热单元的所述部件载体的方法，其中增强所述部件载体的热扩散能力。
通过提供根据权利要求1的前序部分所述的具有权利要求1的特征部分所述的特征的部件载体，本发明满足上述目的。
根据本发明，一种部件载体，该部件载体实现为印刷电路板、实现为印刷电路板中间产品或实现为IC载板，该部件载体包括至少一个热传递部件，其中所述至少一个热传递部件以安装于外表面层上或嵌入部件载体的至少一个内层内的生热或吸热部件的形式实现，并且该部件载体进一步包括至少一个带相变材料的潜热蓄热单元，该部件载体布置成使相变材料被布置于至少一个腔体内和整合在该部件载体的层压构建之内，并且直接与至少一个热传递部件热导耦合。
有利的是，利用根据本发明的部件载体，热传递部件在运行时产生的散出热量能够可靠传导到层压于并且整合入部件载体内的相变材料。热传递部件能够嵌入部件载体的层内并且/或者能够在表面安装。
有利的是，相变材料在局部布置于始终与热传递部件紧邻的一个腔体或者几个腔体内。因此，相变材料的使用能够被优化，并且在要求的局部相变材料能够布置成使每个热传递部件能够直接与PCM材料热导耦合。这样还增强设计灵活性，因为部件载体的没有整合入PCM材料的其他区域不会因为施用了PCM材料而受到组装局限性的影响。
因为相变材料通过层压工艺分别整合入实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板的部件载体内，所以在充满特定PCM材料的腔体内能够避免不希望的气囊或气泡。在执行层压工艺时，当与相变材料一起层压各层以容纳第一中间产品时，存在于施用的预浸渍材料内的过量树脂将分别从周围预浸渍层渗入或漏入腔体内。在层压时，利用进入腔体内的该过量树脂，腔体内位于PCM材料之间的不希望的气泡和气囊会被吸收。因此，通过层压步骤，PCM材料整合入至少一个腔体内，通过过量环氧树脂，还机械地固定PCM材料，并且同时使气泡排出腔体。这是显著优点，因为在制造印刷电路板或IC载板时，通常必须避免气泡。通过与整合入层之间的腔体内的相变材料一起层压PCB层，增强PCM材料的导热率。有利的是，部件载体的同质性也被增强，因为气泡从层状组拼中排出。
在热传递部件表面安装于外表面层上的情况下，其可作为例如一个采集并且吸收来自周围的能量的部件或结构来实现。在该实施例中，分别来自部件载体的环境或周围的热量被热传递部件吸收、被PCM材料采集，并且之后能够被转换，以供给例如使自主***运行的能量。因此，部件载体能够用于例如能量收集应用，以使如自主传感器***的自主***工作。
因此，对于根据本发明的部件载体，整合了的相变材料还能够用于收集来自环境的能量。此外，整合入部件载体内的相变材料还能够用于分别屏蔽嵌入或表面安装于所述部件载体内或上的温度敏感器件或部件的温度或使其温度稳定。
由于使用熔点较低，例如，在-30℃至55℃范围内的相变材料(缩写为：PCM)，所以其能够吸收并且释放大量热量。最常见将水合盐、脂肪酸和脂肪酸酯以及各种石蜡用作PCM。最近，还发现一些离子液体适合用作PCM。由于大多数有机溶液是无水的，所以其能够暴露在空气中，但是基于盐的PCM溶液必须被包封，以防止水蒸发或摄入。两种类型的相变材料，即，有机相变材料或基于盐的相变材料都具有特定优点和缺点，并且如果正确施用，则对于特定应用，一些缺点变成优点。根据各自的相变材料提供的温度范围，还能够实现中温蓄能应用。
有利的是，根据本发明的部件载体能够包括通过至少一个热通道、电镀通孔和/或热管与至少一个热传递部件热导耦合的相变材料。
因为利用热通道、PTH和/或热管热导耦合，所以各自的热传递部件或结构与整合入部件载体内的PCM之间的热传递被增强。有利的是，如相变材料的冷却体一样设计潜热蓄热单元，以有效耗散储热。例如，由铜或另一种高导热率的金属制成的金属结构能够封闭相变材料，该相变材料能够是例如微囊包封相变材料或PCM的浆料。
在本发明的更优选实施例中，部件载体能够包括作为微囊包封的相变材料、优选地具有1至50微米的平价粒度、尤其优选地具有5至30微米的平价粒度的相变材料。此外或者作为另一种选择，所施用的相变材料还能够是固-固相变材料。
由于在热循环中相变材料在固-液之间转换，所以包封是显而易见的储存选择。如果大型大规模进行PCM包封，则导热率不佳，因为PCM在防止有效热传递的储存容器的边缘往往发生固化。因此，微囊包封不表现这些缺点，并且还允许PCM早期***具有小尺寸的结构材料内。微囊包封PCM还提供便携式蓄热***。通过对显微级PCM喷涂保护涂层，颗粒能够悬浮于诸如水的连续相内。作为囊壁，例如，能够使用惰性稳定聚合物或塑料材料。能够将该***看作相变浆料(PCS)。
分子包封(Molecular-encapsulation)是Dupont de Nemours开发的另一种技术，其允许PCM在聚合物配混料中具有非常高的浓度。例如，对于5mm的板(103MJ/m3)，允许高达515kJ/m2的储存容量。有利的是，分子包封允许钻和切割材料，而不发生PCM泄漏。
在另一个优选实施例中，根据本发明的部件载体能够包括包封于整合入部件载体内的基质材料载体的腔体内的相变材料。
因为相变材料在小容器中表现最佳，所以能够将其分割并且包封于基质材料载体内的室体或腔体内。所述室体能够是浅的，以降低静压头。基质材料应当导热良好；并且应当足够耐久，以在发生相变时经得住积存的相变材料的体积的频繁变化。还应当限制水流过壁的通路，因此，如果材料是吸湿的，则该材料不干燥，或者分别被水淹。基质材料载体还必须耐得住泄漏和腐蚀。与室温PCM呈现化学相容性的常见基质材料包含例如不锈钢和如聚丙烯的塑料材料。
在部件载体的更实用实施例中，基质材料载体能够由金属基质复合材料制成。
导热率是常见特性，目标是通过产生热复合物，使导热率最大化。这种复合材料的目的是通过将如铜网的非常导电的固体金属加入如石蜡的较弱导电相变材料，并且因此提高整体或体导热率来提高导热率。如果要求PCM流动，则该固体必须是多孔的，诸如网。
有利的是，根据本发明的部件载体能够包括由编织基质复合材料制成的基质材料载体。
如玻璃纤维或预浸渍凯夫拉(kevlar-pre-preg)的固体复合物通常指如凯夫拉或玻璃的编织织物，当胶液固化时该编织织物嵌入基质中，以保持织物并且提供抗压强度。
在本发明的适当实施中，该部件载体能够包括至少一个能量收集元件，其中该能量收集元件含有直接与至少一个热传递部件热导耦合的相变材料。
在本发明的进一步改进例中，该部件载体能够包括能量收集元件，该能量收集元件是热电冷却器或热电发电器。
热电冷却利用珀耳帖-塞贝克(Peltier-Seebeck)效应通过两种不同类型的材料之间的界面产生热通量。尽管珀耳帖效应涉及在两种不同导体的带电结处存在加热或冷却，但是塞贝克效应涉及在不同金属/金属结处热直接转换为电。
珀耳帖冷却器、加热器或热电热泵是固态有源热泵，该固态有源热泵在消耗电能的情况下根据电流的方向使热从器件的一端传递到另一端。这种仪器还被称为珀耳帖器件、珀耳帖热泵、固态冷冻器、或热电冷却器(TEC)。其能够用于加热或冷却，但是实际上主要应用是冷却。珀耳帖冷却器的主要优点是没有运动零件或循环液体、寿命非常长、不会受伤而泄漏、尺寸小以及软质形状(flexible shape)。
珀耳帖冷却器还能够用作热电发电器。当作为冷却器工作时，电压施加于该器件两端，并且因此，在两端之间产生温差。当作为发电器工作时，该器件的一端被加热到高于另一端的温度，并且因此，在两端之间产生电压差。因此，热电发电器直接将热或温差分别转换为电能。
在本发明的优选修改例中，部件载体包括能够直接与至少一个热传递部件接触的相变材料。
在该实施例中，PCM直接装接到各自的热传递部件上。因此，进一步增强导热率。
通过提供具有权利要求10或11所述特征的部件载体的生产方法，也满足本发明的目的。
一种所述部件载体的生产方法，所述部件载体实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板，其中至少一个热传递部件以生热或吸热部件的形式实现，并且至少一个潜热蓄热单元带相变材料，该方法包括下面的顺序步骤：
-a-提供相变材料；
-b-视情况，布置相变材料作为潜热蓄热单元并且/或者将相变材料嵌入基质材料载体内；
-c-提供部件载体的至少一层，优选地至少一个内层；
-d-视情况，在所述至少一层内制造至少一个腔体；
并且
-e-将相变材料嵌入部件载体的所述至少一层的所述至少一个腔体内，该相变材料已经视情况嵌入基质材料载体内；
或者
-f-将相变材料部分性地布置于部件载体的至少一层的表面面积的至少一部分上；
并且还有
-g-视情况，将至少一个热传递部件嵌入部件载体的至少一层内或相变材料内；
-h-将另外的一个或者多个层布置在至少一层的外侧上，以覆盖并且包围相变材料；
-i-将该层与相变材料层压在一起，以容纳第一中间产品；
-j-视情况，将至少一个热传递部件安装于外表面层上；
-k-相变材料与至少一个热传递部件热导耦合。
关于该生产方法，提供如何生产具有至少一个热传递部件和至少一个带相变材料的潜热蓄热单元的部件载体的不同实施例的灵活指南。
根据本发明方法的第一选项中的步骤-e-，相变材料能够嵌入部件载体的一个或者几个层的至少一个腔体内。根据使用的PCM的类型，由于在后面将相变材料嵌入部件载体的一个或者多个腔体内之前已经使PCM嵌入或包封于基质材料载体内，所以也能够施用相变材料。
根据生产步骤-f-，该生产步骤-f-是上述步骤-e-的替换步骤并且是本发明的生产方法的第二选项，相变材料能够部分性地布置于部件载体的至少一层的表面面积的至少一部分上。
有利的是，在邻近热传递部件的位置的局部地方，相变材料安置成确保在相变材料与热传递部件之间发生直接热导耦合。而且，这能够通过生产步骤-e-实现，在该生产步骤-e-，相变材料嵌入邻近热传递部件的位置的至少一个腔体内。或者，在根据生产步骤-f-的生产方法的变型实施例中，相变材料布置于层的部分表面面积上，该部分表面面积邻近热传递部件的位置。因此，能够减少施用的相变材料的数量，能够降低生产成本，并且能够增强部件载体的效率，因为相变材料正好位于要求与热传递部件直接接触的地方。此外，部件载体的柔性增强，因为仅在层的腔体内或限定的部分表面面积上在局部施用相变材料。有利的是，在部件载体的设计中保留了未施用相变材料的区域。在没有PCM的这些区域中，例如，能够钻通孔，而不破坏整合了的相变材料。
在优选实施例中，具有整合了PCM的区域的面积范围等于热导耦合的发热部件的表面面积的大小。根据单独应用，在另一个优选实施例中，局部布置PCM材料的面积范围也能够相当于各自生热部件的表面面积的多倍尺寸，如二倍尺寸或三倍尺寸。
根据选项布置-g-，至少一个热传递部件能够嵌入部件载体的至少一层内或能够嵌入相变材料内。该热传递部件能够是例如在工作时产生热量的电子部件。
根据生产步骤-h-，另外的一个或者多个层布置在至少一层的外侧上，以覆盖并且包围相变材料。在已经执行了生产步骤-e-的情况下，PCM仍嵌入形成于部件载体的一层或者几层内的至少一个腔体内。该至少一层已经包围PCM。因此，仅至少一个覆盖层必须布置于腔体的顶上，以封闭带嵌入的相变材料的腔体。作为另一种选择，在已经执行了生产步骤-f-的情况下，优选地，必须首先布置几个附加层，以包围相变材料，并且其次，之后覆盖其。
因此，一层或几层布置成围绕相变材料，使得PCM被该层包围和封闭，从而为后续层压步骤-i-安置PCM。
在生产步骤-i-，使该层与相变材料层压在一起，以容纳第一中间产品。如上所述，通过层压，相变材料整合入部件载体的至少一个腔体内。有利的是，通过层压，能够在充满PCM的腔体内避免不希望的气泡。
作为生产步骤-g-的另一种选择或者除了生产步骤-g-以外，在选项步骤-j-，至少一个热传递部件能够安装于部件载体的外表面层上。在热传递部件表面安装于外表面层上的情况下，该热传递部件可例如实现为收集并且吸收来自环境的能量的一个部件或结构。
根据生产部件载体的本发明方法的特别有效实施例，相变材料通过至少一个热通道、电镀通孔和/或热管能够直接与至少一个热传递部件热导耦合。
有利的是，在生产部件载体的方法中，相变材料通过印刷工艺和/或丝网印刷工艺能够部分性地布置于部件载体的至少一层的表面面积的至少一部分上并且/或者通过施用能够嵌入编织基质复合材料的层内。如上所述，相变材料优选地仅布置于之后安置热传递部件的所述部分表面面积中。
在本发明的进一步改进例中，用于生产部件载体的方法能够包括相变材料，该相变材料嵌入基质材料载体内，优选地嵌入由金属基质复合材料和/或编织基质复合材料制成的基质材料载体内。
用于生产部件载体的特别实用的本发明方法能够适用于微囊包封的相变材料和/或者固-固相变材料。
在本发明的另一个实施例中，用于生产部件载体的方法能够包括至少一个能量收集元件，该能量收集元件整合入部件载体内，其中至少一个能量收集元件含有直接与至少一个热传递部件热导耦合的相变材料。
部件载体的上述优点也同样适用于生产根据本发明的这种部件载体的方法。
附图说明
通过下面结合所附示意图所做的详细描述，本发明的其他目的、优点和新颖特征更加显而易见：
-图1是示出相变材料发生熔融和汽化的相变时输入的能量随温度变化的曲线图；
-图2A至图2C分别以侧视截面图示出相变材料在循环工作时的基本原理；
-图3以侧视截面图绘出根据本发明的部件载体的第一实施例；
-图4以侧视截面图示出根据本发明的部件载体的第二实施例；
-图5以侧视截面图绘出根据本发明的部件载体的第三实施例；
-图6以侧视截面图示出根据本发明的部件载体的第四实施例；
-图7以侧视截面图描绘根据本发明的部件载体的第五实施例；
-图8A至8C分别以部分侧视截面图说明生产带嵌入相变材料的多层部件载体的第一方法；
-图9A至图9C以侧视截面图示出生产带嵌入相变材料的多层部件载体的第二方法；
-图10A和图10B以部分侧视截面图示出生产带整合了相变材料的部件载体的中间产品的不同方法；
-图11A和图11B分别以侧视截面图示出生产带印刷相变材料的部件载体的方法步骤；
-图12A和图12B以详图示出生产带整合入编织基质材料中的相变材料的部件载体的中间产物的方法的分阶段步骤；
-图13A至图13C以侧视截面图示出生产带直接接触嵌入热传递部件的相变材料的部件载体的中间产物的方法。
具体实施方式
图1示出相变材料发生熔融和汽化的相变时输入的能量(焦耳[J])随温度(开氏[K])变化的曲线图。在用“A”和“B”标记的点之间，相变材料处于固态。在用“B”和“C”标记的点之间，相变材料熔融，并且在该相变期间，能够吸收并且存储特定能量输入，而相变材料的温度近乎保持恒定。当能量输入进一步增强时，液体相变材料的温度升高，直到到达开始汽化时的点“D”。在点“D”与“E”之间，相变材料汽化，并且在该进一步相变期间，能够再次吸收并且存储特定能量输入，而相变材料的温度保持近乎恒定。当能量输入进一步持续时，气体相变材料的温度将进一步升高，直到到达点“F”。
PCM的上述特性，即，在安装于其上的器件以峰值性能工作并且产生散出热量时，作为热库将潜热存储有限时间的能力能够用于根据本发明的部件载体。根据部件载体的特定工作温度，能够设计PCM的相变温度-例如熔融温度。
图2A至图2C分别以侧视截面图示出相变材料在循环工作时的基本原理。
图2A绘出部件载体10，例如，印刷电路板或PCB中间产品。部件载体10包括几个层20，例如，部件载体10的上外表面第一层21、下外表面第二层22、第一内层23和第二内层24。至少一个热传递部件30安装于外表面层21、22上，也能够嵌入部件载体10的至少一个内层23、24中。部件载体10进一步包括至少一个带相变材料45的潜热蓄热单元40，其中相变材料45整合入部件载体10的腔体内，并且利用至少一个热通道50，与至少一个热传递部件30直接热导耦合。热传递部件30在工作时产生散出热量，该散出热量被标注为热输入100箭头，并且通过接触热传递部件30和PCM 45的热通道50提供的直接热导耦合，其传导到印刷电路板内。
因为热输入100，相变材料45例如熔融，并且在这样熔融时，相变能够吸收并且存储特定能量输入，而相变材料45的温度近乎保持固定。因此，有利的是，因为PCM 45被认为非常低的内部热阻，热传递部件30的温度不发生变化，或者发生非常小的变化。只要相变材料45能够吸收多余热量100，这种状态就保持。
如图2B所示，相变材料45的相变完成，并且PCM 45液化。在热输入100进一步增强时，液体相变材料45的温度升高。此外，随着相变材料45的冷却能力或蓄热能力被分别用尽，热传递部件30的温度升高。然后，例如，热传递部件30或含有所述热传递部件30的器件必须关闭，或者以较低性能继续其工作，以避免热击穿。
在图2C中，示出相变材料45，在其再生循环中，热量释放到环境中。该热耗散由导热200的箭头指出，该箭头示出导热200流入印刷电路板内。热输出300的箭头指出热输出300流过电子器件的外壳90进入各自电子器件的周围。因为相变材料45还接触印刷电路板的其他机件或层20，所以热传递部件30仅吸收一少部分释放散出热量200、300。因此，预期几乎不因为导热200或热输出300导致热传递部件30的温度升高。
图3以侧视截面图绘出根据本发明的部件载体10的第一实施例的细节。在此示出构建的一种可能印刷电路板，具有包括相变材料45的潜热蓄热单元40。在此，铜结构构建为冷却体42，以封闭相变材料45，例如，该相变材料45是微囊包封相变材料47。冷却体42设计成带放大内表面的热交换器。带铜结构42的潜热蓄热单元40利用几个热通道50直接连接到热传递部件30的热点，该热传递部件30嵌入未明确示出的层20内，如部件载体10的外层21、22和内层23、24内。依据层设计，可以存在由导电材料制成的层20，并且还可以存在由绝缘预浸渍材料28制成的层20。另一个热传递部件30表面安装于印刷电路板的顶部上，并且再利用热通道50热导耦合到充满相变材料47的潜热蓄热单元40。
图4以侧视截面图示出根据本发明的部件载体10的第二实施例的细节。在此，在印刷电路板中间产品内，热传递部件30的热点通过热通道50热连接到中心热管52。然而，热管52直接连接到潜热蓄热单元40，该潜热蓄热单元40具有由铜结构制成的冷却体42并且充满相变材料45，在此，该相变材料45是微囊包封相变材料47。冷却体42设计为热交换器，该热交换器具有放大内表面，以增强存储的潜热的导热，从而迅速反转该相变过程并且降低相变材料47的温度。
图5以侧视截面图绘出根据本发明的部件载体10的第三实施例的细节。在此，热传递部件30表面安装于印刷电路板中间产品上，该印刷电路板中间产品包括基质材料载体60，作为由泡沫材料29制成的潜热蓄热单元40。在此作为微囊包封相变材料47的相变材料45布置于基质材料载体60的腔体61内。热传递部件30的热点通过热通道50热连接到中心热管52，该中心热管52通过充满PCM 45的基质材料载体60延伸。
图6以侧视截面图示出根据本发明的部件载体10的第四实施例的细节。如上所述，出于能量收集的目的，PCM材料45还能够用于遍布如PCB的部件载体10采集来自***的能量。在此，示出一种利用PCM 45热库采集通过安置于部件载体内的如珀耳帖元件(Peltierelement)的能量收集元件70转换的余能的可能方案。能量收集元件70通过热管52和几个热通道50与热传递部件30热导耦合，在部件载体10的峰值性能期间，热传递部件30能够是热点。在此，从热平衡的角度看，所绘的热传递部件30是本身产生余热的“有源”生热部件。
图7以侧视截面图描绘根据本发明的部件载体10的第五实施例的细节。在此，用热输入100的箭头表示从环境采集的能量。该热输入100能够例如从光或如汽车应用中的发动机的散出热量获得，在车辆内通常可以靠近热点布置PCB或部件载体10。在此，热传递部件30可以分别是“无源”吸热部件或结构，因此“无源”热传递部件30采集并且吸收来自环境的能量。两个能量收集元件70分别通过热管52和几个热通道50与部件载体10的各自热传递部件30热导耦合。
图8A至8C分别以部分侧视截面图说明生产带嵌入相变材料45的多层部件载体10的第一方法的细节。
图8A示出带由铜制成的冷却体42、充满相变材料45的潜热蓄热单元40。相变材料45是例如布置于金属基质复合材料65的腔体66内的微囊包封相变材料47。
图8B绘出部件载体10的具有腔体25并且由预浸渍材料28制成的内层23。带如图8A所示冷却体42的潜热蓄热单元40的大小与腔体25的大小匹配。因此，当冷却体42被***腔体25中时，内层23的表面面积27是连续的。或者换句话说，潜热蓄热单元40的冷却体42的尺寸确定成当被***所述层23的腔体25中时其外表面外延该内层的表面面积27。
图8C示出嵌入部件载体10的内层23的腔体25内的潜热蓄热单元40。装接到内层23上的是上外表面第一层21和下外表面第二层22。在此，层20由预浸渍材料28制成。在上外表面层21的一部分上，分别布置金属镀层55，该金属镀层55形成热传递部件30的基底，在此，从热平衡的角度看，该热传递部件30可以是“有源”生热部件或热点。热传递部件30通过由铜制成的金属镀层55并且进一步通过几个热通道50热导耦合到充满PCM 45的潜热蓄热单元40。视情况，在此还能够将另一层20附加到部件载体10的一个外侧或两个外侧上。因此，热传递部件30能够表面安装于或嵌于另外的一个或者几个层20上或内。
图9A至图9C以侧视截面图示出生产带嵌入相变材料45的多层部件载体10的第二方法的细节。
在图9A中，示出部件载体10的内层23，该内层23具有腔体25并且由预浸渍材料28制成。在内层23的上侧上，装接另一层20，在此，该另一层20是例如铜层20。腔体25在其内壁上敷铜，以形成金属镀层55。例如通过由本申请人开发的所谓2.5D技术制造腔体25。
图9B示出如图9A所示已经充满PCM 45的浆料的腔体25，其中例如以微囊包封相变材料47提供相变材料45。
图9C示出在接着图9B的后续制造步骤中，已经封闭的布置中的被充满的腔体25，其中围绕微囊包封相变材料47的金属镀层55与相变材料45的顶上的铜层20一起形成潜热蓄热单元40。在内层23和铜层20的上侧上，分别布置部件载体10的上外表面层21。在外表面层21的顶上，热传递部件30通过热通道50与潜热蓄热单元40和充在内部的PCM 45热导耦合。在蓄热单元40的对置侧上，也布置几个热通道50，该热通道50使金属镀层55与内层23的下部外侧连接，从而或者与另外的一个或者多个未绘出的热传递部件连接，或者与另一层连接。
图10A和图10B以部分侧视截面图示出如何生产带整合了相变材料45的部件载体10的中间产品的不同方法的细节。
图10A说明一种方法，利用该方法，PCM材料(在此，例如，是微囊包封相变材料47)由注射设备80注入由泡沫材料29制成的基质材料载体60的腔体内，能够进一步处理泡沫材料29，以转化为根据本发明的印刷电路板。
图10B示出由注射设备80将相变材料浆料48注入由泡沫材料29制成的基质材料载体60内。此外，在该实施例中，要转变为PCB材料，必须进一步处理泡沫材料29，以转化为PCB材料。此外，PCM浆料48必须在注入后而在能够进一步处理PCB材料前固化。此后，如果需要例如另一层55，则在能够热传递部件30能够热耦合到其之前，能够布置热通道50或电镀通孔51。
图11A和图11B分别以侧视截面图示如何出生产带印刷相变材料45的部件载体10的方法步骤的细节。
在图11A中，利用印刷头85在层20的部分外表面上(例如预浸渍材料28的层上)印刷微囊包封相变材料浆料49。优选地，印刷之后，必须在较高温度下利用干燥工艺使包封的相变材料浆料49的结构硬化。代替利用印刷头印刷包封的相变材料浆料49，还能够利用丝网印刷涂敷并结构化该包封的相变材料浆料49。
图11B示出图11A所示布置处于在印刷相变材料45的顶上层压另一预浸渍材料28层后的后续处理步骤中。因此，相变材料浆料49的印刷结构嵌于两个预浸渍28层之间。此后，一个或者多个热传递部件30能够布置于层28的外表面上，并且通过热通道50，能够与嵌入PCM 45热导耦合。此后，例如，通过装接另一层，能够进一步处理如图11所示的中间产品，以容纳印刷电路板。
图12A和图12B以详图示出生产如何带整合入编织基质材料67中的相变材料45的部件载体10的中间产物的方法的分阶段步骤。
在图12A中，以等角图示出带嵌入PCM 45的编织基质材料67的详图，该嵌入PCM 45是微囊包封相变材料47形式的。
图12B说明如图12A所示的编织基质材料67的详图，该详图绘出嵌入形成根据本发明的印刷电路板中间产品的基底的层20内的侧视截面图的详图。内层20能够例如由预浸渍材料28制成。此外，因为简洁的原因未示出的一个或者多个热传递部件30能够安装于外表面层21、22上，也能够嵌入层20内，并且与至少一个热传递部件30直接热导耦合，以容纳部件载体10。
图13A至图13C分别以侧视截面图示出生产带直接接触嵌入热扩散热传递部件的相变材料的部件载体的印刷电路板中间产品的方法。
图13A说明具有腔体25的部件载体10的内层23。腔体25例如由本申请人开发的2.5D技术制造。在腔体25的底部上，热传递部件30装接到内层23，并且利用热通道50热导耦合到其。
图13B示出如图13A绘出的已经充满PCM 45浆料的腔体25，其中例如以微囊包封相变材料47提供相变材料45。嵌入热传递部件30由PCM 45覆盖，PCM 45直接接触热传递部件30的上表面。
图13C示出在接着图13B的后续制造步骤中，已经封闭的布置中的被充满腔体25，其中另一外表面层21位于相变材料45的顶部，以封闭腔体25。因此，形成嵌入潜热蓄热单元40。端部现在位于印刷电路板中间产品的内层23内的热通道50能够进一步分别连接到未示出的热传递部件30，从热平衡的角度看，该热传递部件30能够是准“有源”生热或准“无源”吸热部件或结构，因此，“有源”热传递部件是本身产生余热的部件，而“无源”热传递部件是采集并且吸收来自环境的能量的部件。热通道50还可以连接到安装于印刷电路板中间产品的外侧上的冷却器件，并且增强输出到部件载体的周围的热量。
参考符号清单
10：部件载体
20：部件载体层
21：部件载体的(第一、上)外表面层
22：(第二、下)外表面层
23：部件载体的(第一)内层
24：部件载体的(第二)内层
25：层的腔体
27：层的表面面积
28：预浸渍材料
29：泡沫材料
30：热传递部件
40：潜热蓄热单元
42：冷却体、铜结构
45：相变材料
47：微囊包封相变材料
48：相变材料浆料
49：包封相变材料浆料
50：热通道
51：电镀通孔
52：热管
55：金属镀层
60：基质材料载体
61：基质材料载体的腔体
65：金属基质复合材料
66：金属基质材料的腔体
67：编织基质复合材料
70：能量收集元件
75：热电冷却器/发电器
80：注射设备
85：印刷头
90：电子器件的外壳
100：热输入(箭头)
200：导热(箭头)
300：热输出(箭头)

Claims (28)

1.部件载体(10)，所述部件载体(10)实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板，所述部件载体(10)包括至少一个热传递部件(30)，所述至少一个热传递部件(30)以安装于外表面层(21、22)上或嵌入部件载体(10)的至少一个内层(23、24)内的生热或吸热部件的形式实现，并且所述部件载体(10)进一步包括至少一个带相变材料(45)的潜热蓄热单元(40)，其特征在于，所述相变材料(45)被布置于至少一个腔体(25)内并且整合入和经由层压步骤层压入所述部件载体(10)内，并且所述相变材料(45)通过至少一个热通道(50)、电镀通孔(51)和/或热管(52)直接与所述至少一个热传递部件(30)热导耦合，
其中所述潜热蓄热单元(40)被设计为冷却体(42)，以封闭所述相变材料(45)，
其中铜结构构建为带有扩大的内表面的热交换器的所述冷却体(42)，
其中所述冷却体(42)在所述部件载体上构造，并且通过热通道直接连接到热传递部件(30)。
2.根据权利要求1所述的部件载体(10)，其特征在于，所述相变材料(45)是微囊包封相变材料(47)和/或固－固相变材料。
3.根据权利要求2所述的部件载体(10)，其特征在于，所述微囊包封相变材料(47)具有1μm至50μm的平均粒度。
4.根据权利要求3所述的部件载体(10)，其特征在于，所述微囊包封相变材料(47)具有5μm至30μm的平均粒度。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的部件载体(10)，其特征在于，所述相变材料(45)包封于基质材料载体(60)的腔体(61)内，所述基质材料载体(60)整合入所述部件载体(10)内。
6.根据权利要求5所述的部件载体(10)，其特征在于，所述基质材料载体(60)由金属基质复合材料(65)制成。
7.根据权利要求5所述的部件载体(10)，其特征在于，所述基质材料载体(60)由编织基质复合材料(67)制成。
8.根据权利要求1所述的部件载体(10)，进一步包括至少一个能量收集元件(70)，其特征在于，所述至少一个能量收集元件(70)含有直接与所述至少一个热传递部件(30)热导耦合的相变材料(45)。
9.根据权利要求8所述的部件载体(10)，其特征在于，所述能量收集元件(70)是热电冷却器或热电发电器。
10.根据权利要求1所述的部件载体(10)，其特征在于，所述相变材料(45)与所述至少一个热传递部件(30)直接接触。
11.一种部件载体(10)的生产方法，所述部件载体(10)实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板，其中至少一个热传递部件(30)以生热或吸热部件的形式实现，并且至少一个潜热蓄热单元(40)带相变材料(45)，所述方法包括下面的顺序步骤：
-a-提供相变材料(45)；
-b-提供所述部件载体(10)的至少一层(20、23、24)；
-c-在所述至少一层(20、23、24)内制造至少一个腔体(25)；
-d-将所述相变材料(45)嵌入所述部件载体(10)的所述至少一层(20、23、24)的所述至少一个腔体(25)内；
-e-将另外的一个或者多个层(20、21、22、23、24)布置在所述至少一层(20、23、24)的外侧上，以覆盖并且包围所述相变材料(45)；
-f-将所述层(20、21、22、23、24)与所述相变材料(45)层压在一起，以容纳第一中间产品；
-g-所述相变材料(45)通过至少一个热通道(50)、电镀通孔(51)和/或热管(52)直接与所述至少一个热传递部件(30)热导耦合。
12.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(a)和步骤(b)之间还包括以下的步骤：布置所述相变材料(45)作为潜热蓄热单元(40)或者将所述相变材料(45)嵌入基质材料载体(60)内。
13.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(d)之中，所述相变材料(45)已经嵌入基质材料载体(60)内。
14.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(d)和步骤(e)之间还包括以下的步骤：将至少一个热传递部件(30)嵌入所述部件载体(10)的所述至少一层(20、23、24)内或所述相变材料(45)内。
15.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(f)和步骤(g)之间还包括以下的步骤：将至少一个热传递部件(30)安装于外表面层(21、22)上。
16.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(b)中，提供所述部件载体(10)的至少一个内层(23、24)。
17.一种部件载体(10)的生产方法，所述部件载体(10)实现为印刷电路板、印刷电路板中间产品或IC载板，其中至少一个热传递部件(30)以生热或吸热部件的形式实现，并且至少一个潜热蓄热单元(40)带相变材料(45)，所述方法包括下面的顺序步骤：
-a-提供相变材料(45)；
-b-提供所述部件载体(10)的至少一层(20、23、24)；
-c-将所述相变材料(45)部分性地布置于所述部件载体(10)的所述至少一层(20、23、24)的表面面积(27)的至少一部分上；
-d-将另外的一个或者多个层(20、21、22、23、24)布置在所述至少一层(20、23、24)的外侧上，以覆盖并且包围所述相变材料(45)；
-e-将所述层(20、21、22、23、24)与所述相变材料(45)层压在一起，以容纳第一中间产品；
-f-所述相变材料(45)通过至少一个热通道(50)、电镀通孔(51)和/或热管(52)直接与所述至少一个热传递部件(30)热导耦合。
18.根据权利要求17所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(a)和步骤(b)之间还包括以下的步骤：布置所述相变材料(45)作为潜热蓄热单元(40)或者将所述相变材料(45)嵌入基质材料载体(60)内。
19.根据权利要求17所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(b)和步骤(c)之间还包括以下的步骤：在所述至少一层(20、23、24)内制造至少一个腔体(25)。
20.根据权利要求17所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(c)和步骤(d)之间还包括以下的步骤：将至少一个热传递部件(30)嵌入所述部件载体(10)的所述至少一层(20、23、24)内或所述相变材料(45)内。
21.根据权利要求17所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(e)和步骤(f)之间还包括以下的步骤：将至少一个热传递部件(30)安装于外表面层(21、22)上。
22.根据权利要求17所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，在步骤(b)中，提供所述部件载体(10)的至少一个内层(23、24)。
23.根据权利要求17所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，所述相变材料(45)通过印刷工艺部分性地布置于所述部件载体(10)的所述至少一层(20、23、24)的表面面积(27)的至少一部分上并且/或者嵌入编织基质复合材料(67)的层内。
24.根据权利要求23所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，所述的印刷工艺是丝网印刷工艺。
25.根据权利要求11至23中的任何一项所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，所述相变材料(45)嵌入基质材料载体(60)内。
26.根据权利要求25所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，所述相变材料(45)嵌入由金属基质复合材料(65)和/或编织基质复合材料(67)制成的基质材料载体(60)内。
27.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，所述相变材料(45)是微囊包封相变材料(47)和/或固－固相变材料。
28.根据权利要求11所述的部件载体(10)的生产方法，其特征在于，至少一个能量收集元件(70)整合入所述部件载体(10)内，其中所述至少一个能量收集元件(70)含有直接与所述至少一个热传递部件(30)热导耦合的相变材料(45)。
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