СИЛЬНОТОЧНАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, СОДЕРЖАЩАЯ СЛАБОТОЧНЫЕ ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ
STRONG MULTILAYER PRINTED BOARD, CONTAINING LOW-CUTTING CONTROL CIRCUITS

Область техники
Заявляемое изобретение относится к области радиоэлектронной аппаратуры. Заявляемая сильноточная многослойная печатная плата со слаботочными цепями управления используется в радиоэлектронных устройствах вторичного электропитания.
Предшествующий уровень техники
Среди печатных плат, предназначенных для использования в силовых цепях, известны платы, созданные по технологии "Айсберг", включающие в себя сильноточные слои [1]. Предполагается, что все требуемые электрические соединения с внутренними сильноточными слоями выполняются сквозными металлизированными отверстиями.
Недостатком указанного способа создания сильноточных слоев является то, что после травления толстой медной фольги, на основе которой формируются сильноточные слои, обязательно выполняется режим прессования по заполнению смолой сильно профилированных рисунков соединений. При этом требуется подбор препрега (прокладочной стеклоткани) и особых режимов прессования, что ведет к усложнению и удорожанию процесса создания таких плат.
Известна технология HSMtec компании Hausermann, где для реализации высоких токов и теплоотвода на внутренних слоях многослойной печатной платы применяется медная проволока и профили толщиной до 500 мкм [2].
Недостатком указанного способа, как и в предыдущем случае, является подбор специальных режимов совместного прессования фольгированных материалов и медных вставок, что усложняет процесс изготовления многослойной платы.
Известна также печатная плата, содержащая диэлектрическое основание, на первой и второй стороне которой выполнены проводники и контактные площадки. Контактные площадки двух сторон электрически соединены металлизированными отверстиями [3; стр. 153-155].
Недостатком указанной платы является то, что на обеих сторонах платы располагаются проводники, значительно отличающиеся по толщине, что сильно усложняет обработку платы и покрытие ее фоторезистом.
В патенте WO 2005/005142 [4] описана печатная плата в части подключения внутренних экранных слоев, занимающих всю площадь платы, посредством металлизированных монтажных отверстий к силовым наружным слоям, а также улучшенной топологии для пайки компонентов.
Ее недостатком является недостаточная помехозащищенность, т.к. нет одновременного подключения экранных слоев платы посредством металлизированных крепежных отверстий как к корпусу модуля, так и к свободным металлизированным областям сильноточных слоев, а также недостаточное количество сильноточных слоев.
В патенте RU 2499374 [5] описан способ формирования теплового барьера на печатной плате в области контактных площадок, необходимый для устойчивой пайки выводов силовых компонентов платы.
Недостатком этого способа является недостаточное обеспечение теплового барьера, необходимого для устойчивой пайки выводов требуемых силовых компонентов, устанавливаемых на плату.
Известна печатная плата, описанная в патенте RU 2481754 [6], с металлическим основанием, содержащая сильноточные и слаботочные цепи.
Недостатком данной платы является сильная затрудненность конструктивной установки ЭРИ на двух сторонах платы и реализации сильноточных и слаботочных цепей в заданных габаритах платы, стоимость изготовления.
Указанная печатная плата [6] является по совокупности существенных признаков наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению. Поэтому она принята в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание сильноточной многослойной печатной платы, содержащей слаботочные цепи управления.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявленное изобретение, является обеспечение следующих характеристик:
1) формирование сильноточных проводящих слоев совместно со слаботочными цепями;
2) равномерный отвод тепла от области нагрева платы;
3) создание улучшенных условий пайки электромонтажных элементов, связанных сквозными монтажными металлизированными отверстиями с сильноточными слоями.
Сущность изобретения состоит в том, что сильноточная многослойная печатная плата, содержащая слаботочные цепи управления (далее - СМПП), состоит из внешних слоев, на которых размещаются проводящие рисунки слаботочных цепей управления, внутренних экранных слоев, подключенных к цепям "Земля", и внутренних сильноточных слоев. Сильноточные слои размещены на стеклотекстолитовом основании между экранными слоями, что повышает помехозащищенность печатной платы. Для улучшения режима изготовления СМПП площади, свободные от проводящих рисунков сильноточных слоев, заполнены металлизированными областями аналогичной толщины. Для уменьшения помех эти металлизированные области подключены с помощью сквозных металлизированных отверстий к экранным слоям СМПП.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена внутренняя структура размещения слоев СМПП. На Фиг. 2 - Фиг. 7 представлены топологические рисунки проводящих слоев 1-6. Изображения слоев на Фиг. 5 - Фиг. 7 даны в зеркальном виде (вид "сквозь" диэлектрическое основание). На Фиг. 8 представлена структура размещения отверстий для теплового затвора в поле контактных площадок.
Осуществление изобретения
Сильноточная многослойная печатная плата (СМПП), структура которой представлена на Фиг. 1, состоит из двух пар однослойных металлизированных стеклотекстолитовых оснований (1) и (2) и двуслойного металлизированного основания (3), которые разделены слоями прокладочной стеклоткани (4). На внешние слои платы нанесена паяльная маска (5). Паяльная маска представлена сухим пленочным фоторезистом.
Печатная плата, указанная в патенте [6], является по совокупности существенных признаков наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению. Поэтому она принята в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Однако в отличие от изделия, описанного в [6], в заявленном изобретении используется не металлическое основание, а пакеты из стандартного двустороннего фольгированного стеклотекстолита, составляющих многослойную печатную плату, с дополнительной металлизацией областей сильноточных слоев, свободных от проводящих рисунков.
На внешних слоях СМПП (слой ТОР на Фиг. 2 и слой BOTTOM на Фиг. 7) размещены проводники слаботочных цепей (6), полигоны высоковольтного первичного питания (7) и контактные площадки, предназначенные для монтажа компонентов платы и подключений к электрическим цепям и полигонам платы. Описание контактных площадок представлено ниже.
Слои ТОР и BOTTOM выполнены на металлизированных основаниях (1) печатной платы (Фиг. 1) и представляют собой стеклотекстолитовые поверхности, покрытые медной фольгой. На Фиг. 2 и Фиг. 7 показаны печатные проводники (6), полигоны (7) и различные контактные площадки, которые являются топологическими рисунками внешних слоев ТОР и BOTTOM многослойной печатной платы. Для установки объемных компонентов и выполнения подключений проводного монтажа к корпусу модуля, в который устанавливается плата, в металлизированных основаниях всех слоев платы сделаны окна (8). Размеры окон и их взаимное расположение, как на слоях ТОР и BOTTOM, так на других слоях СМПП, идентичны.
Печатные проводники (6) и электрические полигоны (7) на слое ТОР (Фиг. 2) и слое BOTTOM (Фиг. 7) представляют собой дорожки из токопроводящего материала, нанесенные известными методами печатного монтажа на металлизированные стороны оснований (1), входящих в многослойную печатную плату (Фиг. 1). Электропроводящим материалом печатных проводников является медная фольга с покрытием слоями никеля и оловянно-свинцового припоя, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость проводящего рисунка. Полигоны первичного высоковольтного питания (7) на слоях ТОР и BOTTOM дополнительно наращиваются до толщины, обеспечивающей пропускание входного тока. Данные полигоны либо подключены с одной стороны к контактным площадкам (9), а с другой стороны - к контактным площадкам (10) преобразователей питания типа SynGor, либо подключены с одной стороны к контактным площадкам (11) преобразователей питания типа Vicor, а с другой стороны - к контактным площадкам (10) преобразователей питания типа SynGor. Также наращиваются отдельные участки полигонов на слое ТОР, прерываемые окнами платы (8) и подключенные к планарным контактным площадкам (12, Фиг. 2) для связи проводным монтажом между собой. Печатные проводники (6), выполняющие функции электрических связей между компонентами платы, выполняются шириной, достаточной для устойчивой передачи сигналов. Компоненты на плату устанавливаются на слое BOTTOM. Расчет ширины электрических полигонов первичного высоковольтного питания (7) выполняется таким образом, чтобы с учетом их наращивания обеспечить заданные параметры по входному току. К контактным площадкам (9) производится подпайка входного проводного монтажа питания.
Планарные контактные площадки (12) на слое ТОР (Фиг. 2) также обеспечивают связь монтажных контактов компонентов платы (13), подключенных к цепи "Земля", с корпусом модуля, в который устанавливается плата. Контактные площадки (11) металлизированных отверстий на слое ТОР (Фиг. 2) предназначены для распайки платы на контакты преобразователей питания типа Vicor, а контактные площадки (10) и (14) - для распайки на контакты преобразователей питания типа SynGor. Компоненты на плату устанавливаются на слое BOTTOM в металлизированные отверстия (13). Установка печатного узла в модуль производится с помощью крепежных элементов, присоединяемых как к металлизированным (15), так и к неметаллизированным (16) крепежным отверстиям таким образом, что слой BOTTOM и компоненты платы обращены внутрь модуля. Распайка выводов преобразователей питания производится на контактные площадки (11), (14) и (10) слоя ТОР, обращенного наружу модуля. Металлизированные крепежные отверстия (15) имеют контактные площадки на всех слоях, кроме сильноточных слоев (Фиг. 4, Фиг. 5).
Группы металлизированных отверстий, обозначенные на Фиг. 2, Фиг. 4, Фиг. 5 и Фиг. 7 как Канал А, Канал В, Канал С, Канал D и Группа 1, предназначены для распайки соединителя платы. В поле каждой планарной площадки соответствующего металлизированного отверстия, подключаемого к одному из внутренних сильноточных слоев, размещены сквозные металлизированные отверстия, которые выполняют функцию теплового барьера при пайке соединителя. Связь между поводящими рисунками слоев ТОР и BOTTOM осуществляется с помощью сквозных переходных отверстий (17). Для обеспечения лучшего теплообмена преобразователей питания на всех слоях предусмотрены вырезы (18).
Топологические рисунки внутренних экранных слоев GND1 и GND2 представлены на Фиг. 3 и Фиг. 6 соответственно. Подключение экранных слоев (19) к крепежным металлизированным отверстиям (15) производится с помощью контактных площадок, имеющих тепловой барьер. Примером использования широких полос металлизации, электрически связанных между собой переходными отверстиями, может служить патент [4]. Однако, в отличие от указанного в патенте способа теплоотвода, предлагаемая СМПП имеет ряд существенных отличий. Во-первых, экранные слои, выполняющие не только функции теплоотвода, но и экранировки, реализованы в виде двух внутренних односторонних металлизированных оснований (2, Фиг. 1), размещенных таким образом, что сильноточные слои размещены между ними. Это повышает помехозащищенность платы и улучшает теплоотвод с каждого из сильноточных слоев. Диэлектрические основания при этом ориентируются таким образом, чтобы уменьшить взаимовлияние металлизированных областей экранных и сильноточных слоев, позволяя уменьшить число прокладочных слоев (4, Фиг. 1) и тем самым снизить толщину платы и улучшить режим ее прессования. Во-вторых, на топологических рисунках экранных слоев показано, что области их металлизации (19, Фиг. 3 и Фиг. 6) покрывают всю площадь платы, за исключением вырезов под технологические окна и высвобождений вокруг металлизированных монтажных отверстий. Большая площадь металлизации позволяет эффективно осуществлять теплоотвод с областей сильноточных слоев, занятых токоведущими проводниками. В-третьих, электрическая связь между экранными слоями осуществляется посредством сквозных металлизированных крепежных отверстий, что позволяет за счет крепежных элементов дополнительно увеличить теплоотвод с экранных слоев СМПП на базовые теплоотводящие элементы модуля, в который входит СМПП.
Топологические рисунки внутренних сильноточных слоев +28В и -28В представлены на Фиг. 4 и Фиг. 5 соответственно. Области дополнительной металлизации и их подключение к металлизированным крепежным отверстиям на указанных фигурах не показаны. Элементы проводящих рисунков сильноточных слоев (20, Фиг. 4 и Фиг. 5) подключены к внутренним контактным площадкам монтажных металлизированных отверстий преобразователей питания типа SynGor с использованием теплового барьера. Внутренние контактные площадки соединителя и их подключение аналогичны описанным площадкам для слоев ТОР и BOTTOM. Топология металлизированных отверстий, выполняющих функцию теплового барьера с контактными площадками, в которых они расположены, представлены на Фиг. 8. Примером подобного конструктивного решения может служить топология, описанная в патенте [5].
Однако, в отличие от указанного в патенте [5] способа теплоотвода, предлагаемая СМПП имеет существенные отличия, а именно равномерный отвод тепла обеспечивается подключением металлизированных отверстий не к специализированным участкам металлизации на второй стороне платы, а к проводящим рисункам внутренних сильноточных слоев для устойчивой пайки выводов силовых компонентов, устанавливаемых на плату.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в заявляемой сильноточной многослойной печатной плате, содержащей слаботочные цепи управления заявляемый технический результат: "обеспечение требуемой токовой нагрузки до 20 А для сильноточных проводящих слоев многослойной печатной платы, равномерный отвод тепла от области нагрева платы, а также создание улучшенных условий пайки электромонтажных элементов" достигается за счет того, что многослойная плата содержит двустороннее металлизированное диэлектрическое основание, на котором формируются внутренние сильноточные слои, а также содержит внутренние металлизированные основания, на которых формируются экранные слои, одновременно выполняющие функции теплоотвода, и содержит внешние металлизированные диэлектрические основания, на которых формируются слаботочные слои управления и выполняется монтаж компонентов платы. Улучшенные условия пайки электромонтажных элементов достигаются путем формирования тепловых барьеров возле конкретных монтажных отверстий с помощью создания области металлизированных отверстий. Реализация конструкции и топологии заявленной сильноточной многослойной печатной платы проиллюстрирована на Фиг. 1 - Фиг. 8.
Промышленная применимость.
Авторы изобретения обеспечили изготовление опытных образцов заявленной сильноточной многослойной печатной платы, испытания которой подтвердили достижение технического результата.
Заявляемая сильноточная многослойная печатная плата, содержащая слаботочные слои управления, реализована с применением промышленно выпускаемых устройств и материалов и может быть изготовлена на электромеханическом предприятии и найдет широкое применение в электронной промышленности и приборостроении.
Источники информации
1. Бечтлофф У., Фихлер Р., Шауэр Й., Шмидер К. "Айсберг" опережает!". Технологии в электронной промышленности №3, 2005 г.
2. Оберендер Л. (перевод Новикова А.) "Реализация высоких токов на печатных платах". Технологии в электронной промышленности №5, 6, 2007 г.
3. Е.В. Пирогова "Проектирование и технология печатных плат", Москва: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005 г.
4. Патент WO 2005/005142 (2005 г.).
5. Патент RU 2499374 (2012 г.).
6. Патент RU 2481754 (2011 г.).