ПАЯНЫЙ КОНТАКТ

Полезная модель относится к области силовой электроники и может использоваться в частности в силовых электронных устройствах для соединения печатных плат пайкой с использованием металлизированных отверстий.
Печатная плата представляет собой сложную композиционную систему, содержащую разнородные материалы: медь, стекло, полимер (например, эпоксидную смолу). Они имеют значительно различающиеся термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). При температурных воздействиях в печатной плате возникают деформации, которые могут привести к разрушению электрических соединений, например, контактных узлов, в частности межплатных соединений или металлизированных переходных отверстий. Деформации при температурных нагрузках и изменение физико-химических свойств припоя и медного слоя может приводить к таким отказам соединений, как показано на фиг.1: кольцевой разрыв по внутреннему диаметру контактной площадки наружного слоя (тип 1), разрыв внутреннего соединения (тип 2), сдвиг металлизации относительно стенок отверстия с разрушением внутренних соединений (тип 3), кольцевой разрыв металлизации (тип 4). Термомеханические напряжения приводят к растяжению металлизации вдоль оси отверстия (осевые напряжения) и изгибу контактных площадок, наибольшая концентрация которого сосредоточивается на стыке с металлическим цилиндром отверстия (напряжение изгиба). Типичное искажение формы отверстия при нагреве показано на фиг.2 (а) - в исходном состоянии, б) - в процессе нагрева) (А.Медведев, «Технологическое обеспечение надежности соединений в печатных платах», Технологии в электронной промышленности, №6, 2005 г).
Известно устройство для изготовления неразъемных соединений (патент на изобретение RU 2134498 «Контактный узел» приоритет от 08.12.1998), которое содержит, по крайней мере, два металлизированных контакта, связанных с токоведущими дорожками, размещенными на поверхностях коммутационных слоев, выполненных на основе из диэлектрического материала, совмещенных друг с другом и соединенных между собой электрически и механически электропроводящим связующим материалом.
Устройство представляет собой стык между контактом, изготовленным в виде металлизированной контактной площадки, связанной с токоведущими дорожками на поверхности нижележащего коммутационного слоя, и состыкованным с ней ответным контактом, выполненным в виде металлизированного отверстия в слое диэлектрического материала, причем нижний край металлизированного отверстия обращен к металлизированной контактной площадке на поверхности нижележащего коммутационного слоя, а его верхний край связан с токоведущими дорожками на верхней поверхности вышележащего коммутационного слоя
Недостатком данного устройства является то, что при протекании через место контакта достаточно больших токов может произойти перегрев места контакта, приводящий к разрушению.
Известно устройство для соединения печатных плат (патент на полезную модель RU 119972 «Плата печатная составная» приоритет от 13.02.2012), содержащее, по меньшей мере, две печатные платы, электрически и механически соединенные между собой с помощью подложки, которая закреплена на поверхностях смежных печатных плат и содержит электрические проводники, электрически соединенные с входными контактными площадками печатных плат. При этом подложка выполнена жесткой и жестко закреплена к печатным платам припоем.
Недостатком данного устройства, как и в предыдущем случае, является то, что при протекании через место контакта достаточно больших токов может произойти перегрев, приводящий к разрушению контакта и возможному разрыву соединения печатных плат.
Известно устройство для соединения контактных площадок на противоположных сторонах печатной платы и обеспечивающее протекание через него больших токов (патент на изобретение US 6081996 «Through hole circuit board interconnect» приоритет 23.10.1998), которое содержит подложку из диэлектрика с расположенным в нем отверстии с контактными площадками по обеим сторонам и расположенном в отверстии штырем с шляпкой, причем диаметр штыря существенно меньше диаметра отверстия, а шляпка смещена относительно оси штыря. Штырь расположен в отверстии асимметрично и закреплен пайкой к контактным площадкам с одной стороны шляпкой, а с другой стороны выступающим концом.
Недостатком данного устройства является его неприменимость при соединении двух и более печатных плат.
Как видно из приведенных выше решений, они позволяют либо соединять элементы (например, две печатные платы или печатную плату и кристалл БИС) при помощи пайки через металлизированные отверстия в одном элементе, но при этом отсутствует возможность эффективного теплоотвода от места паяного соединения при протекании через него достаточно больших токов, либо обеспечивают протекание значительных токов, но не позволяют соединять несколько элементов (печатных плат), а лишь контактные площадки на противоположных сторонах неметаллизированного отверстия.
Целью полезной модели является сохранение прочности паяного контакта путем снижения его проходного сопротивления и дополнительного отвода от него тепла.
Поставленная цель достигается тем, что печатные платы (1, 2), имеющие сквозные металлизированные отверстия располагаются друг над другом так, чтобы оси симметрии металлизированных отверстий (3, 4) совпадали и их контактные площадки на близлежащих сторонах соприкасались друг с другом (фиг.3). Сквозь металлизированные отверстия печатных плат проходит токопроводящий теплорассеивающий элемент (ТТЭ) (5), связанный с их стенками и контактными площадками с помощью припоя (6).
Так, например, в силовой электронике, в частности в преобразователях энергии, при установке планарного трансформатора, обмотки которого выполнены в виде многослойной печатной платы, на основную печатную плату в области контакта протекают значительные токи. При этом проходное сопротивление контакта зависит от многих факторов, таких как качество пайки, толщина олова между сопрягаемыми контактами, качество припоя. При установке в зону контакта ТТЭ значительно уменьшается проходное сопротивление. Причем, варьируя материалом ТТЭ, его диаметром или количеством совместно используемых элементов можно получать необходимое значение проходного сопротивления. Кроме того, увеличивая выходящую за зону контакта область ТТЭ, можно обеспечить дополнительный теплоотвод от места паяного контакта и тем самым сохранить прочность соединения печатных плат.
В предпочтительном варианте выполнения полезной модели производится соединение двух печатных плат. Обе печатные платы выполнены многослойными, а ТТЭ выполнен в форме стержня выступающего за пределы металлизированного отверстия. Тепло, генерируемое в ТТЭ, отдается во внешнюю среду (например, воздух или теплопроводящий компаунд).
В ином варианте исполнения полезной модели, сопрягаемые печатные платы могут быть двусторонними, их количество может быть более двух, а ТТЭ могут иметь различную форму, например: стержня со шляпкой (фиг.4) или выступами на одном конце (фиг.5), быть в поперечном сечении округлым или многоугольным.
Также возможен вариант, в котором при использовании нескольких ТТЭ в форме стержней их выходящие из металлизированных отверстий концы отогнуты друг от друга для увеличения теплоотдающей поверхности и как следствие улучшения теплоотдачи (фиг.6).