СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕЙ ПРОКЛАДКИ ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
METHOD FOR MANUFACTURING A HEAT-CONDUCTING GASKET FOR HEAT REMOVAL FROM ELECTRONIC COMPONENTS OF PRINTED CIRCUIT BOARDS

Изобретение относится к машиностроению, приборостроению, предназначено для отвода тепла от электронных компонентов приборов, в частности от электронных компонентов печатных плат теплонагруженных бортовых приборов, преимущественно в условиях космического вакуума.
Отвод тепла от электронных компонентов с учетом их постоянно возрастающей интеграции является актуальной задачей, однако наибольшей проблемой является отвод тепла от электронных компонентов печатных плат.
Известны различные способы для отвода тепла от электронных компонентов печатных плат теплонагруженных приборов (см. Ненашев А.П., Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. Для радиотехнич. спец. вузов - М: Высш. шк. 1990, стр. 175) УДК: 621.396.6, такие как конвективный, кондуктивный или теплоотвод излучением.
Известно, что кондуктивный отвод тепла от теплонапряженных интегральных микросхем, устанавливаемых на печатную плату, является самым эффективным и определяется площадью и качеством теплового контакта, выполненного между микросхемой и теплоотводящими элементами конструкции, а также требуемой теплопроводностью материалов элементов этой конструкции. Тепловыделяющим компонентом в микросхеме является кристалл, который располагается, как правило, на основании корпуса и имеет небольшие размеры. Соответственно, выделяемое тепло от кристалла эффективнее всего отводить с основания корпуса в месте его расположения.
Эта задача является актуальной для теплонагруженных бортовых приборов, работающих в условиях высоких механических нагрузок, как вибрационных, так и ударных и преимущественно в вакууме. Для реализации качественного теплового контакта между корпусом микросхемы и печатной платой размещают теплопроводящий материал, который должен удовлетворять целому ряду требований, таких как:
- обладать хорошей адгезией к корпусам микросхем и печатной плате;
- обладать необходимой вязкостью (не растекаться) при установке микросхем с разной глубиной формовки выводов (разной высотой от корпуса основания до печатной платы);
- обеспечивать приклейку основания корпуса микросхемы к печатной плате;
- быть теплопроводным;
- быть электроизоляционным;
- быть эластичным (с демпфирующими свойствами) после полимеризации;
- позволять демонтаж микросхемы.
Также материал должен быть аттестован на применение в космическом приборостроении.
В настоящее время для реализации этих требований известны и применяются теплопроводящие материалы - клеи, пасты, компаунды и изготовленные из композиционных материалов теплопроводящие прокладки.
Однако ни один из применяемых материалов или прокладок не удовлетворяют сразу всем в совокупности предъявляемым требованиям.
Так, особенностью применения теплопроводных клеев, при их хорошей адгезии к корпусам микросхем и печатной плате, является небольшая толщина нанесения (60-120 мкм) клеевого шва, при котором возможно касание (замыкание) токопроводящих частей микросхемы (например, контактов, расположенных на основании корпуса) и печатной платы, что ограничивает применение теплопроводных клеев. При толщине клеевого шва более 0,3 мм из-за реологии вязкого материала, при отсутствии усилия прижатия, клеевой шов получается не сплошным, что не позволяет получить качественный тепловой контакт по всей площади основания корпуса микросхемы. При этом, применение теплопроводного клея позволяет выполнить требование приклейки основания корпуса микросхемы к печатной плате для вибронагруженных изделий.
Применение теплопроводных паст, например, компании НОМАКОН™ КПТД - 3 с толщиной нанесения шва (25-80 мкм), также ограничено, аналогично клеям, при этом не выполняется требование приклейки основания корпуса микросхемы к печатной плате.
Применение теплопроводных компаундов (как правило, заливочных или обволакивающих), например, НОМАКОН™ КПТД - 1 для заполнения пространства под микросхемой с высотой формовки выводов (25-120 мкм) и всей площади основания микросхемы сложно технологически и также имеет ограничения в применении, аналогично клеям и пастам. При высоте формовки больших интегральных микросхем более 0,3 мм компаунды применяют для крепления их корпусов по четырем углам.
Наиболее эффективным для кондуктивного отвода тепла от основания корпуса теплонапряженных интегральных микросхем на печатную плату является применение теплопроводящих прокладок.
Имеется большая номенклатура таких прокладок и способов их изготовления от известных зарубежных производителей, например, компаний "Bergquist", "3М", Gap Pad, Gap Filler, Softtherm, Dow Corning, НОМАКОН™.
Известен способ изготовления теплопроводящей прокладки WO 2011156015A2-15.12.2011 В32В 25/10, состоящей из двух слоев теплопроводного композиционного материала, между которыми расположен электроизоляционный материал. Изготовление прокладки осуществляется способом окунания электроизоляционного материала в приготовленный композиционный материал, а толщина регулируется прижимными роликами.
Наиболее близким аналогом - прототипом изобретения является способ изготовления теплопроводящей прокладки для отвода тепла от электронных компонентов печатных плат (ТУ РБ 100009933.004-2001 компания НОМАКОН™), включающий заливку и полимеризацию теплопроводного композиционного материала в формы с армированием из электроизоляционного материала.
Теплопроводящие прокладки используют после окончания процесса полимеризации композиционного материала.
Недостатком способа изготовления теплопроводящих прокладок, при их известной теплопроводности на толщинах свыше 0,15 мм, является отсутствие хорошей адгезии к корпусу микросхемы и печатной плате после полимеризации и, как следствие, наличие воздушного зазора, что не позволяет получить качественный тепловой контакт по всей площади основания корпуса микросхемы и соответствующего участка печатной платы. Для исключения воздушного зазора и достижения заявленной теплопроводности, соответственно, требуется нормируемое усилие сжатия прокладки (дающее до 50% уменьшения от ее исходной толщины) к печатной плате корпусом электронного компонента, например, транзистора, имеющего фланец(ы) для крепежа, что, однако, не выполнимо для большинства микросхем не имеющих фланцев для крепежа. Некоторое улучшение адгезии дает нанесение (или наличие) липкого слоя (с одной или с двух сторон прокладки), однако это обеспечивает лишь удобство позиционирования при монтаже, но не позволяет выполнить требование приклейки корпуса микросхемы к печатной плате для вибронагруженных изделий.
Это служит дополнительным подтверждением актуальности задач, направленных на поиск и разработку материалов и способов изготовления теплопроводящих прокладок для производства их в России для удовлетворения потребностей отечественной техники и технологии в различных, в том числе специальных областях.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение кондуктивного теплоотвода от электронных компонентов печатных плат, например, микросхем, путем реализации качественного теплового контакта, выполненного между корпусом микросхемы и теплоотводящими элементами конструкции (печатной платой) теплонагруженных бортовых приборов преимущественно в условиях космического вакуума.
Техническим результатом является улучшение кондуктивного теплоотвода от электронных компонентов печатных плат, например, микросхем, применением теплопроводящих прокладок, изготовленных способом полимеризации при монтаже, имеющих качественный тепловой контакт между корпусом микросхемы и теплоотводящими элементами конструкции (печатной платой) для поддержания теплового режима работы бортового прибора преимущественно в условиях космического вакуума.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления теплопроводящей прокладки для отвода тепла от электронных компонентов печатных плат, включающем заливку и полимеризацию теплопроводного композиционного материала с армированием из электроизоляционного материала, в отличие от известного, предварительно устанавливают на печатную плату, выполненную соответствующей заданным размерам прокладки заготовку из сетчатого материала, толщиной, меньшей или равной толщине клеевого шва, соответствующего размеру от корпуса установленного электронного компонента до печатной платы, затем производят заливку в заготовку теплопроводного клея-герметика в качестве теплопроводного композиционного материала, распределяют и разравнивают шпателем до контакта с поверхностью сетчатого материала, заливку и полимеризацию теплопроводного клея-герметика производят непосредственно при монтаже на печатную плату электронного компонента.
При этом теплопроводный композиционный материал предварительно смешивают с алюминиевой пудрой с объемным содержанием 5-10%.
2
2
2
Сущность способа изготовления теплопроводящей прокладки для отвода тепла от электронных компонентов печатных плат заключается в следующем. При монтаже на печатную плату многовыводных интегральных микросхем в качестве композиционного материала может применяться клей-герметик кремнийорганический теплопроводный однокомпонентный типа Эласил 137-182 ТУ 6-02-1-015-89, представляющий собой пастообразную композицию на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука, катализатора и наполнителей, вулканизирующихся под действием влаги воздуха при температуре комнатной среды с образованием резиноподобного материала, а в качестве сетчатого материала могут применяться ткани технические электроизоляционные, разрешенные к применению, преимущественно из полиамида, полиимида и др., с разной поверхностной плотностью (г/м) соответствующей разной толщине ткани или требуемому размеру клеевого шва (от 40 до 600 мкм). Из сетчатого материала требуемой толщины (соответствующей глубине формовки выводов микросхемы) вырезают заготовку прокладки необходимых размеров (согласно чертежу), подают на монтаж печатного узла и устанавливают на печатную плату. В заготовку заливают выдавливаемый из тубы заливочный материал, который распределяется и разравнивается шпателем до контакта с поверхностью сетчатого материала. При этом заливочный материал, за счет поверхностного натяжения и эффекта конфузора, вызванного цилиндрическим формообразованием волокон, легко проникает (самопроизвольно всасывается или оседает) в ячеистую структуру сетчатого материала. Таким образом происходит сплошное (без пустот) заполнение объема сетчатого материала. Затем выполняют монтаж (установка) микросхемы. Ввиду хорошей адгезии и достаточно высокой прочности при растяжении (не менее 20 кгс/см) и сдвиге (не менее 10 кгс/см) материала клея-герметика пайка выводов микросхемы может выполняться сразу, что экономит время сборки, а сам процесс достаточно технологичен. Таким образом, процесс полимеризации композиционного материала (клея-герметика) происходит при монтаже микросхемы. При этом сохраняются все характеристики клеевого соединения, а толщина клеевого шва, за счет применения сетчатого материала, соответствует глубине формовки выводов микросхемы (размеру от корпуса микросхемы до печатной платы) и теплопроводящая прокладка соответствует всем требованиям, предъявляемым в бортовой аппаратуре к теплопроводящему материалу.
Предлагаемый способ пригоден также и для изготовления теплопроводящих прокладок для номенклатуры электронных компонентов имеющих фланец(ы) для крепежа. В этом случае изготовленные прокладки выдерживают на время, необходимое до отверждения (полимеризации) заливочного материала. В заливочный материал, для компенсации снижения теплопроводности из-за наличия сетчатого материала, могут добавляться в небольших количествах высокотеплопроводные материалы, как вариант, алюминиевая пудра. В этом случае теплопроводный композиционный материал предварительно смешивают с алюминиевой пудрой. Так, при теплопроводности 1,6-1,8 Вт/м⋅к, Эласил 137-182 с 5-10% объемным содержанием алюминиевой пудры показывает, при этом, даже увеличение теплопроводности до 2,3-2,4 Вт/м⋅к для толщины прокладки 0,53 мм без заметного ухудшения электроизоляционных свойств.
Таким образом, по сравнению с ранее известным, заявляемый способ позволяет достичь технического результата - улучшить кондуктивный теплоотвод от электронных компонентов печатных плат, например, микросхем, применением теплопроводящих прокладок, изготовленных способом полимеризации при монтаже, имеющих качественный тепловой контакт между корпусом микросхемы и теплоотводящими элементами конструкции (печатной платой) для поддержания теплового режима работы бортового прибора преимущественно в условиях космического вакуума. При этом прокладки просты в изготовлении, технологичны и универсальны в применении для широкой номенклатуры электронных компонентов.