专利名称：具有多层热导体的隔热端子盒的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及接线器件，具体涉及用于热电偶引线的端子盒。
多年来，热电偶被用来进行准确的温度测量。在测量中，热电偶产生一与温度相关的热电压(势)，该热电压被加于仪器或其它装置上，产生可用的信息。例如，这种信息可以是温度的显示或控制其它设备的控制信号。热电偶可以直接或通过热电偶延长引线连到仪器上。热电偶的接点和开端之间的热电压加于仪器的端子上。仪器端子上的与温度相关的电压与该端子的温度相结合，从而测定热电偶接点的温度。
仪器端子的温度可以用一温度探测器测定，温度探测器一般(但非必须)位于靠近端子的地方。为了保证仪器对温度的读数准确，重要的是把仪器端子间的温度差别以及端子和温度探测器间的温度差别减至最小。那是因为，热电压依赖于(至少部分地)仪器端子的温度，端子间的温度差别，或端子和温度探测器间的温度差别可能使仪器产生错误的温度读数，为了减轻这个问题，热电偶的引线通常经一隔热端子盒连到仪器上，该端子盒将仪器上的端子和一伴随的端子温度探测器保持在基本相同的温度，即盒是隔热的。
先有技术的隔热端子盒一般由一带有输入端、端子温度探测器和热导体的印刷电路板组成。热导体通常由一块铜或铝或其它具有良导热性的材料组成。在典型的情况下，热导体被螺钉固定在或销在印刷电路板的外向表面上。在有些情况下，热导体也可以被焊在或用导热粘结剂粘在印刷电路板的外向表面上。无论哪种情况，热导体都位于靠近输入端子及温度探测器，因此使端子和探测器热耦合，从而，使它们保持在相同或大体上相同的温度，如上所述，这对于保证精确的温度测量是重要的。
典型的热导体不但导热，而且导电，因此，它必须与电路板的电信号载体部分，例如输入端子及本机温度探测器绝缘，因为温度时常在有交流和直流线电压的情况下测量，所以热导体的带电能引起对其它设备的损坏，甚至会危及操作者的安全。通过维持热导体与电路板的端子间的爬电距离最小，并维护其间的电气间隙，使它们相互绝缘，以便防止端子上的电压产生热导体的电通路或电弧。这些爬电距离和电气间隙由公认的工业标准确定，例如ANSI/ISA-S82·01-1988，IEC1010和CSA C22·2，No 231。
这些标准所确立的电气间隙考虑了在端子上的变化的额定线电压及端子，探测器和热导体之间的绝缘类型。在上述先有技术的隔热盒中，(即热盒被固定在电路板外向表面上的情况)空气和电路板的表面形成绝缘体。以空气作为绝缘体，安全标准要求相对较大的距离或电气间隙，用电路板表面做为绝缘体，安全标准要求在端子，探测器和热导体之间的爬电距离较大。不幸的是，电气间隙和爬电安全间隔减小了输入端子、温度探测器和热导体间的热耦合，特别是当空气作为绝缘介质时，因为所要求的最小间隔太大。因此，改善热耦合的一种办法是将热导体紧靠端子和探测器放置。但是，安全标准限制了它们的接近，因而，在很大程度上限制了热耦合。
改善输入端子和探测器之间热耦合的另一种办法是增加热导体的尺寸(同时仍保持适当的安全间隔)。先有技术克服这个问题的努力包括增加热导体的厚度。事实上，在很多情况下，先有技术的热导体大体上厚于它要附着的印刷电路板。但是，热导体厚度的增加导致隔热盒笨重，制造昂贵。
因此，隔热盒需要体积小，重量轻，热导体造价低，并且具有改善的热耦合。本发明的目的是具有达到这些结果的埋在印刷电路板中的多层热导体的隔热盒。
根据本发明，提供一具有埋入导热层的隔热盒。隔热盒包括一印刷电路板，其上有用于输入端子的安装孔，一安装在印刷电路板上用于探测输入端子温度的温度探测器，以及一多层热导体。多层热导体的一个或多个第一导热体层埋入印刷电路板，与端子安装孔和本机温度探测器隔开一第一距离，并在它们之间提供热耦合。
根据本发明的另一些方面，多层隔热盒包括一个或多个第二导热层，第二导热层安装在多层印刷电路板的外表面。第二导热层与端子安装孔和本机温度探测器隔开一第二距离，它和第一导热层共同作用，在端子安装孔和温度探测器之间提供热耦合。端子安装孔和温度探测器与第一导热层间的第一距离大体上小于第二距离。
仍然根据本发明的另一些方面，第一和第二导热层的每一个都由薄铜层制成，这样，多层热导体可以大体上薄于印刷电路板的基板部分。
如前述概述中很容易地了解的，本发明提供一具有多层热导体的隔热端子盒，它在输入端子的安装在隔热端子盒上的本机温度探测器之间提供改善的热耦合。
结合附图，参考如下详细说明，本发明的前述优点和其它优点将变得更显见和更易于理解。其中
图1是一采用热电偶的温度测量系统的简化方块图;
图2是适于图1系统采用的先有技术隔热端子盒的立体图。
图3是图2中描绘的先有技术隔热盒的截面侧视图，其中，为清楚起见，竖向尺寸被放大，水平层被分开;
图4是按照本发明形成的一个隔热端子盒的立体图，它适用于图1的测量系统;
图5是图4中所描绘的隔热盒的优选实施例的简化截面侧视图，其中，为了更好地画出本发明的各重要特征，竖向尺寸被放大，水平层被分开;
图1以简单的方块图的形式示出了一个温度测量系统中的隔热盒。温度测量仪器10被联到一个或多个温度探头，这里仅代表性地以单探头16表示。最好，探头16是传统的利用任何形式热电偶的热偶型温度探头。而且，虽然探头16被图示为浸入式的，但应当理解，任何其它形式的探头也都可以使用。仪器10包括一测量电路12和一隔热端子盒14。隔热端子盒14电具有连接热电偶的输入端子20和本机的安装在电路板15上温度探测器21组成，温度探测器21可以是任何类型的热敏元件，如热敏电阻或其基极-发射极电压正比于晶体管温度的晶体管。端子20和探测器21经导电迹线24连接到连接器22a。为图示清楚，端子20表示为螺丝型端子，但应当理解，其他型式的线端子或连接器也完全是适用的。探头16经热电偶引线18连接到输入端子20。测量电路12经导线26及与连接器22a配对的连接器22b连接到22a。
测量电路12经隔热盒14接受由探头16产生的与温度相关的热电压。测量电路12还接受温度探测器21产生的表示隔热端子盒14温度的信号。测量电路12对探头16产生的温度相关电压和探测器21提供的温度信息进行处理，产生所要求的结果，比如，探头16的热电偶探测的温度的显示。
隔热盒在这个应用中具有特殊的意义，它把端子20和探测器21保持在相同的温度。换言之，输入端子20和温度传感器21继续隔热。如在温度测量领域中已知的，如果仪器10要准确地度量，端子20和探测器21必须非常接近于同一温度。某一具体热电偶的两个输入端20间的温度差别或输入端子20与温度探测器21间的温度差别可能使仪器10产生错误的温度读数。
隔热盒14的隔热特性由附着在盒14上的热导体28提供。热导体28提供端子20和温度探测器21间的热耦合。图1中，为清楚起见，热导体28用虚线示出，它可以附着在电路板15的外向表面上或埋入其中。不管哪种情况，热导块28都不和端子20、温度探测器21及迹线24接触。
接看图2，这是一适于图1的测量系统使用的典型先有技术隔热盒30的简化立体图，它包括一印刷电路板32和一热导体34。如图2所示，热导体附着在电路板32的顶面。电路板32包括输入端子安装孔40和温度探测器安装孔42，输入端子(未示出)可装在孔40中，本机温度探测器可装在孔42中。安装孔40和42用导电迹线44连到另一电路上。迹线44在图2中用虚线表示，它既可以埋入电路板32，也可以位于电路板32的底面上，这样，无论哪种情况，迹线44都不会与热导体34电接触。
热导体34是一导热材料盒，如铜和铝，它们最易于拧入或销入到电路板32上。此外，热导体34也可以被焊到电路板32上或用适当的粘接剂固定到板上，热导体34除可导热外，也可导电，因此，必须与安装孔40和42绝缘。热导体34在靠近安装孔42和40的地方分别有开孔36和38，它们为使热导体34绝缘于孔40和42(以及相关的输入端和温度探测器)提供了必须的电气间隙和爬电距离。如前所提到的，最小电气间隙和爬电距离是由公认的工业安全标准规定的，这些标准考虑了如端子的电压额定值及端子和热导体34之间的绝缘介质等因素。
图3示出了图2所画先有技术隔热盒30沿线3-3所取的截面图。为清楚起见，图3的竖向尺寸被放大而隔热盒30的各层被分离。电路板32可以是单层或多层板。为讨论方便，图3中画出的电路板32是一个四层板，它们分别是在基板层66a、66b和66c上形成的导电层50a、50b、50c和50d。基板层用68a和68b表示的粘接剂相互粘接，并用传统方式叠在一起，形成电路板32。
每个输入端子安装孔40包括4个导电垫片56a、56b、56c和56d，这些垫片分别是导电层50a-50d的部分。类似，每个探测器安装孔包括4个导电垫片54a、54b、54c和54d，这些垫片也分别是导电层50a-50d的部分。通孔60贯通垫片56a-56d、基板层66a-66c和粘接层68a、68b。同样，通孔58贯通垫片54a-54d、基板层66a-66c和粘接层68a、68b。通孔58和60都有镀层，使能导电。因此，用传统的方式，垫片54a-54d电连接到通孔58形成探测器安装孔42，垫片56a-56d电连接到通孔60形成输入端子安装孔40。
在图3中，迹线44画为导电层50c的组成部分，但可完全相同地在一个或多个导电层50a-50d上形成。如上所指出的，迹线44将安装孔40和42连接到另一电路和/或连接器上。
热导体34与安装孔40和42隔开的距离标为d1。隔开的距离d1使热导体34与输入端子和温度探测器上的(也就分别是安装孔40和42上的)电压绝缘。如前所述，d1的最小值由工业安全标准决定。这些标准规定的隔开距离依赖于各种因素，如端子上的电压，端子和热导体间的绝缘介质等。在图3的先有技术隔热盒30中，绝缘介质是空气和外层50a、50d的表面。安装在孔40中的端子的电压额定值依赖于盒30的具体应用条件。例如，图2和3所示类型的隔热盒30的额定值为250v，所以热导体34和输入端子安装孔40间的电气间隙或爬电距离为0.080英寸(即d1＝0.080″)。
虽然距离d1提供了适当的电绝缘，但是，这减低了输入端子安装孔40和热探测器安装孔42之间的热耦合。如在温度测量领域中普通技术人员所已知的，热耦合至少部分地依赖于热导体靠近保持隔热的器件的程序。因此，安装孔40和42间的热耦合随距离d1的增加而减小。
某种意义上来说，可以增加热导体34的厚度来改善热耦合。例如，为了补偿到安装孔40、42的隔开距离，并提供适合的热耦合，图3中的热导体34的厚度t1大约为0.25英寸(t1＝0.25″)。因此，先有技术的热导体34基本上大于整个电路板32的厚度。在任何情况下，隔热盒30所代表的先有技术隔热盒一般都有较厚的热导体，这就增加了先有技术隔热盒的尺寸和成本。
接看图4，示出了适合图1的温度测量系统的隔热盒70的立体图，它是依据本发明形成的。隔热盒70包括一多层印刷电路板72和一热导体74。根据图5所示和下面将要更充分讨论的一个实施例，热导体74包括多个与电路板72的不同层交错的层，实际形成电路板的一部分。图4中示出一个热导层76a，它位于印刷电路板72的顶表面，印刷电路板72包括用于安装输入端子的端子安装孔78和用于安装本机温度探测器的探测器安装孔80，为清楚起见，输入端子和温度探测器没有在图4中示出。有许多类型的适用输入端子和温度探测器，所以，他们并不形成本发明的内容。安装孔78和80用导电迹线104连到电路和/或连接器上。迹线104用虚线画出，表示他们位于电路板72的内层。
具有多层的热导体74是由导热材料制成，最好用铜，其他材料，如银或铝也可以用，只要他们具有良好的导热性能。因为这些材料还是导电的。热导体74的各层必须与印刷电路板72的导电部分绝缘，如在图5中代表性示出的，热导层76a上有开口82和84，它们提供了与安装孔78和80的电绝缘。
热导体74的各层和导热层76a最好用传统的印刷电路板处理工艺，如刻蚀形成。因此，如将从下面讨论中更清楚地了解的，热导体74大体上薄于先有技术的热导体。而且，热导体74部分由于埋入的导热层(在图4中未示出)而比先有技术热导体提供改善的热耦合。
图5是图4所示的一个隔热盒70的优选实施例沿剖面线5-5取的侧视图。为能更好地了解隔热盒70的重要特征，竖向尺寸被放大。此外，为清楚起见，盒70的各层在竖向上被分离，但是，要理解，在具体实施中，并不存在这些竖向分离。
如图5所示，电路板72是一多层板，它包括4个基板层86a-86d及在三个粘接层88a-88c，它们交错并从顶到底叠起来。更具体说，各层从顶到底按如下次序安排基板层86a，粘接层88a，基板层86b，粘接层88b，基板层86c，粘接层88c，最后是基板层86d。
最好，输入端子安装孔78和温度探测器安装孔80具有传统的结构，并用传统的印刷电路板工艺如光成像和刻蚀技术形成。下面讨论一个安装孔78和80的一个可能结构的例子，来更好地理解隔热盒70的其他特征。每个输入端子安装孔78包括导电垫片92a、92b和92c，其中，92a靠近基板层86a的上表面，垫片92b靠近基板层86b的下表面，垫片92c靠近基板层86d的下表面。一通孔100贯通基板层86a-86d、粘接层88a-88c、垫片92a、92b和92c。通孔100用导电材料镀覆，在通孔中形成导电层(未示出)，这样，垫片92a、92b和92c及通孔100是电耦合的以形成输入端子安装孔78。同样，每个探测器安装孔80包括导电垫片94a、94b和94c，其中，垫片94a靠近基板层86a的上表面，垫片94b靠近基板层86b的下表面，垫片94c靠近基板层86d的下表面。通孔102贯通基板层86a-86d、粘接层88a-88c、垫片94a、94b和94c。通孔102镀有导电材料，在通孔102中形成导电层(未示出)，这样，垫片94a、94b和94c与通孔102电耦合，形成安装孔80。
导电迹线104位于基板层86b的底表面，并把输入端子安装孔78和探测器安装孔80连接到其他电路和连接器上(未示出)。然而，应当了解，迹线104在电路板上的位置并不限于图5所画的位置。相反，根据电路板72的复杂性和其上的线路，迹线104可以形成于任一导电的和导热的层76a-76f上。
如上所简要讨论的，热导体74是多层的。按照本发明的一个优选实施例，多层热导体74包括6层热导层76a-76f，最好用传统印刷电路板处理工艺形成在基板层88a-86d上。热导层76a-76f与基板层86a-86d和粘连层88a-88c交叠的次序如下传导层76a，76b和76d分别靠近基板层86a、86b和86c的顶表面，传导层76c、76e和76f分别靠近基板层86b、86c和86d的底表面。
如上所提到的，热导层76a-76f可以用传统的生长或刻蚀工艺分别形成于基板层上，进一步讲，热导层76a-76f和垫片92a-92c及94a-94c可以用同样的工艺从同一传导层形成。就是说，例如，在一个基板的表面上形成的传导层可以被刻蚀以形成用于安装孔78和80的垫片、迹线104及导热层76a-76f之一。
从以上讨论并参考图5中了解到，导热层76a和76f位于印刷电路板72的外表面，而导热层76b-76e埋入印刷电路板72。安装孔78和80的外边缘与导热层76a和76f隔开的距离标为d2。更具体来说，层76a和76f与垫片92a、92c、94a和94c隔开一距离d2。如上所说，该距离提供了导热层76a和76f与安装孔78和80之间的电绝缘。在这个优选的实施例中，空气和基板层86a、86d的表面是导热层76a、76f与安装孔78、80之间的绝缘物。因此，按照本发明的一个优选实施例形成的隔热盒70导热层76a和76f与孔78和80之间的距离d2可以基本等于隔热盒34与前面讨论的(图2和图3所示)先有技术隔热盒30的安装孔40和42之间的距离d1。
另一方面，埋入的导热层76b、76d和76e与安装孔78和80(更确切说是通孔100和102)隔开一距离d3，同样，导热层76c与垫片92b和94b以及与迹线104隔开一距离d3。由于这些层都是埋在印刷电路板72中的，所以层86b和86c的基板材料以及层88a-88c的粘接剂均是导热层76b-76e与安装孔78和80间的绝缘物。一般来说，传统的基板和粘接剂(如果使用)都是比空气更好的绝缘介质，此外，它们被埋入电路板72，不受表面污染和沾污。安装孔78和80与埋入的导热层76b-76e间的距离d3可以基本上小于外部导热层76a和76f所必须的距离d2，同时仍为给定的端子或探测器电压提供适当的电绝缘。
如前讨论的，安装孔78和80间的热耦合程度部分地由热导体74接近这些孔的程度所决定。因此，由埋入的层76b-76e对安装孔78和80的接近程度所提供的热耦合比先有技术隔热盒中所用的装配在外部的热导体所可能提供的热耦合要好。
导热层76a-76f通常基本上薄于基板层86a-86d。进而多层热导体74的总厚度可以大体上小于先有技术的外部装配的热导体的厚度，这样做是可能的，因为这种多层热导体74提供了改善的热耦合。作为实例，在本发明的一个优选实施例中，电路板72中的六层热导体74比总厚度约为0.080″的电路板约厚出0.017″，而相近额定值(如250V)的先有技术隔热盒30的热导体34要厚出0.250″之多。所以，本发明的隔热盒70与额定值的先有技术隔热盒相比大体要薄些，相应要轻。
虽然借助实例示出并讨论了本发明的优选实施例，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够进行各种改变。例如，热导体可以由埋入电路板的单层组成，只要它能提供适当的热耦合。此外，热导层可以是与多层电路板交叠的薄片，它们用刻蚀等印刷电路板工艺形成于电路板层的反面。本发明可以与以下所述方式不同而得以实践。
权利要求
1.把导线接点保持在基本相同的温度的隔热盒，其特征在于包括(a)一具有联接电引线的连接装置的印刷电路板和(b)一埋入所述印刷电路板、用于与所述连接装置热耦合的第一导热层。
2.根据权利要求1的隔热盒，其特征在于，隔热盒进一步包括一安装在所述印刷电路板一外向表面的第二导热层，它与所述第一导热层配合，实现所述连接装置的热耦合。
3.根据权利要求2的隔热盒，其特征在于，所述第一和第二导热层是导电的，并电绝缘于所述印刷电路板的所述连接装置。
4.根据权利要求3的隔热盒，其特征在于，所述第一和第二导热层由铜制成。
5.一种终接电引线并把电引线端子保持在参考温度的隔热盒，其特征在于，包括(a)一具有第一终接装置和第二终接装置的印刷电路板，第一终接装置用来接受远离所述印刷电路板的热电偶的引线，第二终接装置用来终接来自一温度探测器的引线，该探测器探测所述印刷电路板的温度，所述印刷电路板的温度是所述参考温度;和(b)埋在所述印刷电路板中的第一导热层，用于实现第一和第二终接装置的热耦合。
6.根据权利要求5的隔热盒，其特征在于，隔热盒进一步包括一安装在所述印刷电路板的一外向表面上的第二导热层，它和所述第一导热层配合，实现第一和第二终接装置的热耦合。
7.根据权利要求6的隔热盒，其特征在于，所述第一和第二导热层由铜制成。
8.根据权利要求5的隔热端子盒，其特征在于，所述第一和第二导热层是导电的，并与所述第一和第二终接装置电绝缘。
9.根据权利要求8的隔热盒，其特征在于，所述第一导热层与所述第一和第二终接装置隔开第一距离，所述第二导热层与所述第一和第二终接装置隔开第二距离，所述第一距离大体上小于所述第二距离。
10.根据权利要求9的隔热盒，其特征在于，所述第一和第二导热层大体上薄于所述印刷电路板。
11.根据权利要求10的隔热盒，其特征在于，所述第一和第二导热层由铜制成。
全文摘要
一隔热盒有多层热导体与印刷电路板的各层交叠，从而改善输入端子和安装在隔热盒上的本机温度探测器间的热耦合。每层导热层大体上薄于印刷电路板的基板层，导热层与端子隔开，以形成与端子间的电绝缘。埋入的导热层与端子的隔开距离小于外层导热体与端子的隔开距离。
文档编号H05K1/02GK1056932SQ9010850
公开日1991年12月11日 申请日期1990年10月20日 优先权日1990年5月31日
发明者雷蒙·D·索力克, 彼得·F·巴比 申请人:约翰弗兰克制造公司