КОММУТАЦИОННАЯ ПЛАТА

Данное изобретение относится к области конструирования электронных устройств с высокими показателем плотности компоновки и показателями надежности с применением бескорпусных электронных элементов, а конкретно - к конструированию коммутационных плат с расположением электронных элементов в их теле.
Уровень техники
Известны технические решения по патенту SU 1753961, H01L 21/50 от 21.07.89 г.и российскому патенту RU 2222074 H01L 25/04 от 17.12.2002 г., в которых описаны гибридные многоуровневые электронные модули. По данным техническим решениям бескорпусные электронные элементы опрессовываются в полимерный материал таким образом, что их лицевые поверхности с расположением контактных площадок имеют единую поверхность с коммутационной платой. На лицевую и обратную поверхности наносятся проводники преимущественно методом вакуумного напыления.
Известны также технические решения по патенту RU 2190284, H01L 27/00 от 07.07.98 «Двусторонний электронный прибор» и книге И.И. Климачева и В.А. Иовдальского «СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования», Москва, Техносфера, 2006 г. По данным техническим решениям бескорпусные электронные элементы расположены в окнах и углублениях монтажной платы. При этом они также имеют общую лицевую поверхность с монтажной платой. Электронные элементы жестко закреплены по сопрягаемым поверхностям.
Несомненным преимуществом данных решений является увеличение плотности компоновки аппаратуры за счет расположения электронных элементов в теле монтажной платы. К недостаткам следует отнести жесткое закрепление электронных элементов в теле монтажной платы, так как из-за разности в тепловых коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) материалов подложек элементов и плат в местах их соприкосновения возникают напряжения, которые при изготовлении и изменениях температуры окружающей среды (например, при термоциклировании) приводят к возникновению концентрации напряжений и к местному разрушению материала подложки коммутационной платы и электронного элемента. Кроме этого, в полупроводниковой структуре активного элемента могут возникнуть под действием механических нагрузок паразитные явления, влияющие на работоспособность электронного элемента.
Решение, описанное в книге И.И. Климачева и В.А. Иовдальского «СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования», Москва, Техносфера, 2006 г.можно считать прототипом заявляемого изобретения.
Основной задачей данного изобретения является создание конструкции коммутационной платы с размещением в ее теле электронного элемента с повышенными показателями надежности аппаратуры путем исключения возникновения взаимных механических усилий, возникающих при изготовлении и изменении температуры окружающей среды.
Раскрытие изобретения
Для реализации поставленной задачи в коммутационной плате, содержащей подложку с размещенными в ее теле по меньшей мере одним электронным элементом, имеющим общую поверхность с внешней верхней поверхностью подложки на которой расположены проводники, в зонах контакта внешних углов электронного элемента с телом подложки, выполнены сквозные отверстия с линейными размерами не менее 0,1 от минимальной длины сопрягаемой поверхности электронного элемента и/или пазы, расположенные вдоль граней электронного элемента для уменьшения механической нагрузки, а толщина зоны тела подложки перекрывающая обратную поверхность электронного элемента составляет не более 1/3 от толщины электронного элемента
При этом электронный элемент в частности может располагаться в сквозном окне подложки с зазором, для компенсации изменения размеров окна в плате и размеров электронного элемента при изменении температуры окружающей среды, зазор заполнен первоначально фиксирующим материалом, с возможностью удаления, при этом проводники снабжены пружинными изгибами, расположенными в зонах зазора между окном в подложке платы и электронным элементом,
В частности, пазы, расположенные вдоль граней электронного элемента могут иметь П-образный профиль.
-6
-1
-6
-1
Способ размещения электронных элементов в теле коммутационных плат широко используется при проектировании, например, микроплат для трехмерных сборок или для создания СВЧ приборов с целью повышения плотности компоновки электронной аппаратуры. Но при этом способы механической разгрузки элементов и платы не применяются. Однако, например, при опрессовке кристалла интегральной схемы (ИС), выполненного на кремниевой подложке (ТКЛР=2,4·10·K), прессматериалом с ТКЛР=30…70·10K даже после полимеризации материала подложки кристалл испытывает значительные механические нагрузки, которые при снижении температуры хранения или эксплуатации могут привести к расслоению или поломке кристалла, а также к локальному разрушению подложки коммутационной платы. Предварительное покрытие элемента изоляционной пленкой (кроме контактных площадок) необходимо для изолирования сколов на поверхностях элемента, полученные после вычленения его из пластины, а также для возможности размещения соединительных проводников по обратной поверхности электронного элемента.
В случае непосредственного контакта материала коммутационной платы с материалом подложки электронного элемента, средства механической разгрузки заключаются в том, что в зонах контакта внешних углов электронного элемента с коммутационной платой, она имеет сквозные разгрузочные отверстия с линейными размерами не менее 0,1 от минимальной длины сопрягаемой поверхности электронного элемента и/или пазы, расположенные вдоль граней электронного элемента. Это полностью исключает появление концентраций напряжения от механического сжатия элемента и платы во время изготовления платы и последующего изменения температуры окружающей среды. Толщина зоны коммутационной платы, перекрывающая обратную поверхность электронного элемента должна составлять не более 1/3 от толщины электронного элемента. Это ослабляет влияние изгибающих усилий на элемент, которые могут привести к образованию трещин по лицевой поверхности стыка между элементом и платой, а также к обрыву соединительных проводников, нанесенных впоследствии на лицевые поверхности платы и элемента.
Подложка коммутационной платы, перекрывающая обратную поверхность электронного элемента, может иметь окно, полностью или частично открывающее обратную поверхность электронного элемента. Это вообще исключает влияние изгибающих усилий на элемент, но затрудняет размещение соединительных проводников по обратной поверхности платы.
При использовании элементов больших размеров для их механической разгрузки дополнительно используют пазы, расположенные вдоль граней электронного элемента, которые имеют П-образный профиль и обладают необходимой гибкостью и прочностью для компенсации изменения размеров коммутационной платы и электронного элемента при изготовлении платы и изменении температуры окружающей среды. Толщина лицевой поверхности профиля и поверхности, прилегающей к элементу, а также размер внутреннего зазора профиля, не превышает 0,5 мм, длина паза должна быть максимально большой и соизмеримой с длиной поверхности элемента, прилегающей к пазу.
Расположение электронного элемента в сквозном окне подложки с зазором для устранения механической разгрузки, позволяет компенсировать изменение размеров окна в плате и размеров электронного элемента при изменении температуры окружающей среды, при этом зазор заполняют первоначально фиксирующим материалом, удаляемым после нанесения соединительных проводников. Для этого в зоне зазора расстояние между соединительными проводниками должно быть больше ширины проводников. Коммутационная плата с электронным элементом в теле подложки имеют между собой механический контакт через множество соединительных проводников, обеспечивающих неподвижное расположение электронного элемента в окне тела подложки.
При этом соединительные проводники в частности содержат пружинные изгибы, расположенные в зонах зазора между окном в коммутационной плате и электронным элементом, позволяющие изменять размеры зазора при изменении температуры окружающей среды и при этом проводники обеспечивают механический, электрический и тепловой контакт между телом подложки и электронным элементом. Так как зазор между окном в теле подложки и элементом составляет, как правило, не более 0,5 мм, а количество соединительных проводников значительно и они выполнены, как правило, из алюминия или меди толщиной не менее 10 мкм и шириной не менее 100 мкм, то тепловые потери на воздушном зазоре между окном и элементом будут незначительными.
Коммутационная плата выполняется из любого теплопроводного электроизоляционного материала или из металла, или полупроводника с электроизоляционным покрытием, или из виброуплотненного электроизоляционного теплопроводного порошкообразного материала. Это позволяет использовать коммутационную плату в качестве теплорастекателя или внутреннего теплоотвода.
Возможно выполнение, когда поверх проводников, расположенных на лицевой поверхности коммутационной платы и поверхности электронного элемента, имеется защитный слой, имеющий толщину не более 1/3 от толщины электронного элемента и температуру обработки при его нанесении ниже температуры формирования коммутационной платы. Это необходимо для сохранения целостности соединительных проводников.
Краткое описание чертежей
Предложенное техническое решение поясняется чертежом, где на
- фиг. 1 изображена картина напряженного состояния и прогиб электронного элемента при непосредственном контакте материала коммутационной платы с материалом электронного элемента;
- фиг. 2 изображена картина распределения усилий, действующих на электронный элемент при его фиксации по боковым и обратной поверхностям;
- фиг. 3 изображена картина распределения усилий, действующих на электронный элемент при его фиксации только по боковым поверхностям;
- фиг. 4 изображена конструкция коммутационной платы с непосредственной фиксацией в ней электронного элемента со средствами механической разгрузки после нанесения соединительных проводников;
- фиг. 5 изображен поперечный разрез коммутационной платы, показанной на фиг. 4 в месте расположения разгрузочного паза;
- фиг. 6 изображен вариант размещения электронного элемента в окне коммутационной платы с его временным закреплением, фиксирующим составом;
- фиг. 7 изображает вариант конструкции коммутационной платы с электронным элементом в ее окне по фиг. 6 после нанесения соединительных проводников и удаления фиксирующего состава.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показано напряженное состояние, возникающее при непосредственном контакте тела подложки 1 с электронным элементом 2, причем ТКЛР подложки 1 больше, чем ТКЛР элемента 2. Наибольшая концентрация напряжений приходится на контакты угловых зон элемента с платой. На правом фрагменте фиг. 1 показан прогиб элемента, возникающий в этом случае, когда отношение вертикального масштаба к линейному равен 1000:1.
Фиг. 2 иллюстрирует усилия сжатия «P» и изгибающие моменты «M», действующие на элемент 2 при непосредственном контакте подложки 1 с элементом 2. Наличие изгибающих моментов «M» весьма опасно, так как может вызвать появление трещин в местах стыка элемента 2 с поверхностью подложки 1, а это приведет к обрыву проводников, впоследствии наносимых на общую поверхность платы и элемента. Экспериментально обнаружено, что при толщине обратной поверхности подложки «а», не превышающей толщину элемента «б» более чем на 1/3, влияние моментов «M» будет недостаточно для получения трещин в местах стыка элемента с поверхностью платы.
Для того чтобы вообще исключить действие изгибающих моментов «M», можно открыть обратную поверхность элемента 2, образуя окно 3 в теле подложки 1, что показано на фиг. 3. Но при этом появляются затруднения при последующем нанесении соединительных проводников по обратным поверхностям платы и элемента, так как толщина платы и элемента, как правило, не совпадают.
На фиг.4 изображена конструкция коммутационной платы, содержащей подложку 1 с непосредственной фиксацией в ней электронного элемента 2 со средствами механической разгрузки после нанесения соединительных проводников. В зоне углов элемента 2 в подложке 1 имеются сквозные отверстия 4, а с обратной поверхности подложки - разгрузочные пазы 5. На общей поверхности подложки и элемента размещены соединительные проводники 6. Экспериментально установлено, что для устранения напряжения необходимо, чтобы I≥0,1L, где I - линейный размер сквозного разгрузочного отверстия, L - минимальная длина сопрягаемой поверхности электронного элемента.
Поперечный разрез данной конструкции показан на фиг. 5. В подложке 1 имеются П-образные пазы 5, стенки которых имеют непосредственный контакт с элементом 2. На поверхности элемента 2 и подложки 1 нанесены соединительные проводники 6. При изготовлении платы и при изменении температуры окружающей среды, пазы 5 компенсируют взаимное изменение размеров подложки и элемента.
На фиг. 6 показан вариант размещения элемента 2 в окне подложки 1. При этом элемент 2 временно закреплен в окне фиксирующим составом 7. Материал фиксирующего состава 7 выбирается таким, чтобы его можно было бы после нанесения проводников легко удалить, например, растворением в виброванне.
На конструкцию, показанную на фиг. 6, наносят соединительные проводники 6 и удаляют фиксирующий состав 7 (фиг. 7). При этом образуется зазор Δ между элементом 2 и подложкой 1, достаточный для компенсации изменения размеров элемента 2 и подложки 1 при изменении температуры окружающей среды. Соединительные проводники 6 имеют пружинные изгибы 8, расположенные в зонах зазора между окном в подложке 1 в коммутационной плате и электронным элементом 2, позволяющие изменять размеры зазора при изменении температуры окружающей среды и при этом соединительные проводники 6 обеспечивают механический, электрический и тепловой контакт между подложкой 1 и электронным элементом 2.
Реализация данного изобретения позволит значительно увеличить сроки службы электронной аппаратуры при получении высоких показателей по плотности компоновки и надежности. Кроме этого, значительно расширяются температурные условия хранения и эксплуатации аппаратуры вплоть до работы при криогенных температурах и в открытом космосе.