КАРКАСЫ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ИЛИ СХЕМ
FRAMES FOR PARTS OR CIRCUITS

Изобретение касается каркасов для электрических или электронных деталей или схем, причем каркасы не обладают или почти не обладают электропроводностью.
На нынешнем техническом уровне для отведения тепла от модулей сильноточной электроники формируют плоские структуры, которые отводят тепло, диффундирующее от источника тепла (активного или пассивного электрического компонента), через многочисленные промежуточные слои (припой, проводящая паста, клеящие составы, металлизация) на простое геометрическое тело (диск, прямоугольный субстрат), обладающее равномерностью формы и не обладающее электропроводностью. Хотя геометрическая форма отдельных компонентов и проста, общее строение слоев сложно и требует последовательного использования различных технологий, как то: склейки, прессовки, завинчивания, а также в ограниченных масштабах, пайки, которые могут быть источниками дефектов. Каждый пограничный слой этой многослойной конструкции представляет собой барьер для теплопередачи и либо снижает надежность и/или срок службы модуля (из-за окисления, прогорания, старения), либо ограничивает его эффективность.
Органические или керамические каркасы для схем, обладающие малой или недостаточной теплопроводностью, приходится постоянным образом, с геометрическим замыканием соединять с металлическим радиатором посредством дополнительных мероприятий, например, используя промежуточные изолирующие слои. При возрастании тепловых нагрузок источники тепла необходимо частично выводить с платы, классическим образом монтировать на металлическом радиаторе и формировать электрическое соединение с каркасом схемы.
Конструкция из нескольких различных материалов сложна, а с точки зрения надежности в долгосрочной перспективе представляет собой компромисс. Повышение плотности мощности возможно лишь в ограниченной степени.
Теплопроводность можно использовать лишь условно, поскольку речь идет о плоскопараллельной конструкции.
Прямая связь между электропроводящим генератором и источником тепла также невозможна.
Для упрощения конструкции каркасов с одновременным улучшением теплоотвода согласно изобретению предлагается выполнять каркас в виде одного блока с теплоотводящими или подводящими охлаждающими элементами (радиаторами).
В варианте исполнения согласно изобретению каркас представляет собой печатную плату. На каркас в этом случае наносят токопроводящие дорожки. Токопроводящие дорожки платы можно, например, тесно соединить с каркасом с помощью термического процесса, либо же можно наклеить металлические токопроводящие дорожки, либо можно использовать токопроводящий клей. Также возможно использование сочетания различных типов печатных проводников.
Целесообразно, чтобы компоненты имели прямой отток тепла на каркас или на охлаждающие элементы. Компоненты могут быть соединены с каркасом, например, непосредственно или через один или несколько слоев.
Термины «детали» и «компоненты» означают одни и те же предметы.
Предпочтительно, чтобы охлаждающие элементы представляли собой отверстия, каналы, ребра и/или выемки, которые можно заполнить охлаждающей средой (хладагентом).
Теплоносителем или хладагентом может быть газ, как, например, воздух, или жидкость, как, например, вода или масло.
В предпочтительном варианте исполнения каркас состоит, по меньшей мере из одного керамического компонента или композита различных видов керамики. С точки зрения кристаллографии керамические компоненты могут быть монокристаллами или поликристаллами, либо же представлять собой сочетание таковых.
Керамическими компонентами или видами керамики могут быть, например, оксид алюминия, технический оксид алюминия, оксид циркония, оксиды циркония с различными добавками, нитрид алюминия, нитрид кремния, оксид кремния, стеклокерамика, низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (LTCC) карбид кремния, нитрид бора, оксид бора.
Особое техническое значение имеет технический оксид алюминия 96% со значениями теплопроводности около 24 Вт/мК, а также технический оксид алюминия более 99% со значениями теплопроводности около 28 Вт/мК, технические или чистые нитриды алюминия, имеющие, например, теплопроводность около 180 Вт/мК, усиленные оксидом циркония оксиды алюминия с теплопроводностью около 24 Вт/мК, а также стеклокерамические материалы со значениями около 2 Вт/мК.
Высокие значения теплопроводности имеют особое техническое значение в таких вариантах применения, как, например, силовая электроника, светодиоды (LED) высокой мощности, инерционные предохранители высокой нагрузки, мощные сопротивления. Низкие значения теплопроводности обладают особым техническим значением в случае безинерционных предохранителей высокой нагрузки, а также в вариантах применения, в которых необходимо обеспечить по возможности максимально равномерное распределение температуры по поверхности каркаса. В качестве примера здесь следует упомянуть измерительные устройства для температурного анализа.
Целесообразно, чтобы охлаждающие элементы были введены в каркас при спекании, благодаря чему упрощается производство, а во многих случаях также улучшаются показатели срока службы всей конструкции.
В особом варианте исполнения каркас состоит из композитного материала, причем композитный материал содержит материалы матрикса, не обладающие или почти не обладающие теплопроводностью, с теплопроводящими добавками.
В качестве материалов матрикса предпочтительно применяют смолы, полимеры или силиконы.
В предпочтительном варианте исполнения композитные материалы представляют собой системы из нескольких веществ, состоящие из полимеров или силиконов, смешанных с керамическими компонентами, как, например:
2
3
a) Полимеры с AlO
b) Полимеры с AlN
2
3
c) Силиконы с AlO/AlN
2
2
3
d) Силиконы и полимеры с ZrO/YO
Каркас и/или охлаждающий элемент могут также представлять собой композит из металла и/или керамики или соединение керамики и металла.
В одном из вариантов исполнения каркас и/или охлаждающий элемент обладают многослойным строением.
Целесообразно, чтобы соединение деталей с каркасом было электропроводящим и/или теплопроводящим. Детали могут представлять собой, например, электрические, электронные, активные или пассивные, или геометрические тела, либо же произвольные сочетания таковых.
В развитие изобретения с каркасом или охлаждающим элементом связана, по меньшей мере одна возможность монтажа.
Через монтажный элемент каркас может быть связан с другими каркасами, с электрическими или электронными деталями или схемами или без таковых.
Крепление можно осуществлять посредством винтового соединения, заклепок, клемм, клея, обжима, сварки, пайки или иными способами крепления.
Каркас может брать на себя функции радиатора и наоборот.
Охлаждающие элементы предпочтительно соединены с каркасом в один блок в одинаковых или в произвольных размерах и/или в одинаковых или различных пространственных направлениях.
Охлаждающие элементы могут характеризоваться любыми поверхностными структурами, ведущими к эффекту изменения поверхности, или же нести их.
Целесообразно, чтобы на одном или нескольких охлаждающих элементах была одна или несколько поверхностных структур или их сочетаний, например шероховатость, бороздки, волны, отверстия в поверхности или дендритообразные или разветвленные структуры.
Предпочтительно, чтобы поверхностные структуры, например плоские или неровные или шероховатые поверхности каркасов или охлаждающих элементов, были соединены также с неровными плоскими или шероховатыми поверхностями подлежащих монтажу компонентов, в особенности - с геометрическим замыканием и/или постоянно, и/или временно или с сочетанием этих качеств. Пример способа соединения - это пайка или склейка.
В особой форме исполнения каркасы или охлаждающие элементы соединяются с деталями с полным или частичным геометрическим замыканием. Соединение может быть, например, постоянным или временным, либо же представлять собой сочетание обоих вариантов. Детали могут представлять собой, например, электрические, электронные, активные или пассивные, или геометрические тела, либо же произвольные сочетания таковых.
В одном из вариантов исполнения каркасы или охлаждающие элементы плоские либо снабжены выемками или выступами, причем последние предпочтительно выполнены заедино с каркасом или охлаждающими элементами.
Кроме того, каркас предпочтительно соединять с металлическими слоями толщиной более 5 мкм, нанесенными, например, посредством технологий DCB (Direct Copper Bonding, прямая металлизация медью) или АМВ (Active Metal Brazing, активная пайка металлом).
Конструкция с деталями согласно изобретению в состоянии покоя обладает, например, комнатной температурой. Во время эксплуатации на деталях ввиду их работы могут очень быстро сформироваться локальные максимумы температуры. В окружении компонента возникает так называемый термошок. Конструкция согласно изобретению может перенести это состояние, не получая повреждений. Если эти состояния возникают попеременно (т.н. смена температур), то в обычных конструкциях, например, с наклеенными печатными проводниками, уже по прошествии относительно небольшого числа циклов, печатные проводники могут отделяться от каркасов. Конструкция согласно изобретению демонстрирует существенное улучшение устойчивости к сменам температур, чем обычные конструкции.
В развитие изобретения на каркасе закрепляют одинаковые или различные детали в одинаковой или различной пространственной ориентации. Ориентацию можно обеспечивать, например, посредством различных количеств припоя, или выемок, или выступов, либо же путем сочетания нескольких возможностей. Например, в случае светодиодов эта ориентация позволяет простым образом обеспечить различное направление светового потока.
Каркасы или охлаждающий элемент согласно изобретению целесообразно использовать в качестве монтажного элемента.
В одном из вариантов исполнения изобретения с каркасом связывают сенсорные компоненты (датчики). Сенсорные компоненты могут, например, подавать сигналы, из которых можно получить такие величины, как давление, температуру, массу и т.д.
В одном из вариантов исполнения изобретения сенсорные сигналы получают за счет частичной или полной деформации каркаса.
Предпочтительно, чтобы каркасы были частично металлическими. Эти металлические области могут, например, обеспечивать электрическую связь верхней и нижней сторон каркаса между собой.
Предпочтительно, чтобы на каркасе практически не формировался какой-либо электрохимический потенциал относительно других материалов. Это позволяет, например, существенно снизить коррозию каркаса или окружения при соответствующем сопряжении.
В соответствующем смыслу изобретения исполнении каркас применяют как источник тепла, причем выделяющееся тепло через каркас или охлаждающий элемент отводят в подлежащую нагреву среду.
Предпочтительно, чтобы благодаря подведенному теплу, передаваемому на каркас, или холоду, подводимому через охлаждающие элементы, на каркасе было целенаправленно обеспечено распределение температур. В качестве примера можно указать целенаправленное уравнивание температурной разницы с окружением.
На каркас целесообразно наносить вещества, которые обеспечивают возможность связывания. Например, здесь можно применять металлизацию типа W-Ni-Au (вольфрам-никель-золото), чтобы создать возможность приваривания золотых проводов. Эти вещества могут представлять собой один материал или несколько, нанесение их на каркас может происходить в смеси или, по меньшей мере, в один слой. Этими веществами могут быть такие материалы, как золото или слои из нескольких материалов, как то: медь, никель и золото, или из смесей, по меньшей мере, двух различных материалов, как, например, металлов и/или добавок, а также слои из одинаковых или различных металлов или добавок.
В качестве усовершенствования изобретения с каркасом связаны одно или несколько излучающих свет веществ, или один или несколько излучающих свет компонентов, или сочетание таковых. Это может быть, например, полупроводник или корпус с полупроводником, подобные применяемым для освещения с использованием светодиодов.
С каркасом предпочтительно соединять - плотным соединением или путем механического геометрического замыкания, по всей площади или по ее части -металлы, обладающие той же теплопроводностью, что и каркас, или отличной от нее. Металлы или металлические слои могут представлять собой вольфрам, серебро, золото, медь, платину, палладий, никель класса чистоты «чистый» или «технический», либо же смесь, по меньшей мере двух различных металлов. Металлы или металлические слои также могут быть, например, смешаны с улучшающими сцепление добавками или иными добавками, как то: стеклом или полимерными материалами. Металлы или металлические слои могут, например, представлять собой также припой для химической пайки, легкоплавкий или тугоплавкий припой.
Следует особо подчеркнуть, что в том случае, когда источники тепла имеют форму точки, теплоту необходимо очень быстро развести, т.е. распространить по всей поверхности каркаса. Таким образом, возникающую теплоту можно через металл распределить по всей поверхности каркаса, имеющего сравнительно низкую теплопроводность. Так можно отвести теплоту на охлаждающие элементы. Поскольку каркас является электроизолятором, металл может одновременно брать на себя функцию электропроводности и теплопроводности.
В варианте исполнения согласно изобретению металлы или металлические слои на каркасах могут исполнять различные функции. Так, они могут исполнять функцию электрической и/или теплопроводности, либо же изменения цвета поверхности, либо теплового рассеяния, либо обеспечения сцепления с третьими материалами, как, например, припоями, клеящими веществами; также они могут характеризоваться произвольными сочетаниями функций одинаковых или различных участков металлизации.
Преимущество состоит в согласованных значениях предельно допустимой силы тока участков металлизации. Поэтому они не обязательно должны иметь, например, одинаковую высоту или толщину.
Следовательно, металлы предпочтительно соединены с каркасом на всей своей площади или частично, на одинаковых или различных участках металлизации, с одинаковыми или различными значениями толщины (высоты).
В другом варианте исполнения согласно изобретению одинаковые или различные металлы соединены с каркасом на всей своей площади или частично, в один или несколько слоев, с одинаковыми или различными значениями толщины (высоты).
Еще в одном варианте исполнения каркас имеет собственную окраску используемого металла на всей площади или на ее части, либо же отдельные участки каркаса окрашены иным цветом, нежели собственная окраска. Окрашивание можно формировать различными способами и сочетанием этих способов:
В каркас, например, на основе технического оксида алюминия можно в процессе его изготовления ввести красящие добавки, так что в результате температурной обработки сплошной материал будет полностью прокрашен без возможности механического отделения краски.
На каркас, например, на основе технического оксида циркония можно по окончании его изготовления нанести по поверхности красящие добавки, так что в результате температурной обработки поверхность сплошного материала будет полностью прокрашена. В зависимости от глубины проникновения итоговой окраски, внутри сплошного материала может сохраниться и его собственная окраска. Градиент окраски может приобретать самые разные свойства.
На каркас, например, на основе технического нитрида алюминия, можно нанести красящие слои, так что в результате сплошной материал каркаса не окрашивается, а изменение цвета создают только посредством одного или нескольких слоев, которые можно отделить механически. Красящие слои могут представлять собой, например, лаки, глазури, клейкие пленки, металлы и т.д.
В другом варианте исполнения каркас посредством надлежащих связующих материалов соединен, по меньшей мере с еще одним каркасом той же или иной геометрической формы в трехмерную конструкцию некоторого рода.
Связующие материалы могут быть однослойными или многослойными. Связующие материалы могут быть одинаковыми или различными, либо же их можно применять в сочетании с однослойной или многослойной конструкцией. В качестве примеров можно назвать применение таких связующих материалов, как клеящие составы, металлизация, металлы, связанные с каркасом, например, посредством технологий DCB (Direct Copper Bonding, прямая металлизация медью) или АМВ (Active Metal Brazing, активная пайка металлом). Также возможно применение припоя, химического припоя, двусторонних клейких пленок и т.д.
В одной из форм исполнения каркас связан с одним или нескольким компонентами, испускающими свет, либо же сочетанием таковых, и одновременно оснащен стандартными или нестандартными электрическими разъемами. Также можно использовать сочетания одинаковых или различных электрических разъемов. Предпочтительно применяют механическое соединение с каркасом, подходящее для электрического разъема. В качестве примеров электрических разъемов можно упомянуть цоколи Е27 и Е14 для ламп, разъемы серий GU, G, U, R, штекерные колодки, байонетные (штыковые) соединения, разъемы с зажимами, разъемы на винтовых соединениях, штекерные разъемы и т.д. Механические соединения или сочетания механических соединений - это, например, склейка, пайка, зажим, клепка, клеммное соединение и т.д.
Еще в одном варианте исполнения, по меньшей мере один каркас соединен с помощью надлежащих связующих материалов по меньшей мере с еще одним геометрическим телом в определенного рода трехмерную конструкцию. Связующие материалы могут иметь однослойную или многослойную природу. Связующие материалы могут быть одинаковыми или различными, их можно применять в сочетании с однослойным или многослойным формированием. По меньшей мере, один или несколько одинаковых или различных каркасов можно крепить в любых местах в одинаковой или различной ориентации. В качестве примеров следует назвать такие связующие материалы, как клеящие вещества, металлизацию, металлы, металлы, связанные с каркасом, например, посредством технологий DCB (Direct Copper Bonding, прямая металлизация медью) или АМВ (Active Metal Brazing, активная пайка металлом), припои, химические припои, двусторонние клейкие пленки и т.д. Указанные геометрические тела могут представлять собой пластины, на которых в различных областях находится по меньшей мере одно или несколько одинаковых или различных каркасов.
Каркас может, например, быть частью пластмассового корпуса.
В другом варианте исполнения, по меньшей мере один, и/или различные или одинаковые каркасы в произвольной или одинаковой ориентации введены в материал матрикса. Введение можно осуществлять, например, с помощью литья под давлением. Сами массы, в которые осуществляют введение, произвольны, их выбирают в соответствии с конкретным предназначением. Предпочтительно использование пластмасс.
Согласно изобретению добиться изменения теплопереноса на каркасе можно, изменяя размер или окраску, или размер, или распределение металлизированных участков, или геометрические параметры или исполнение охлаждающих элементов, или количество охлаждающих элементов, или сочетая таковые. Если изменяют, например, конструкцию охлаждающих элементов, то при постоянной подаче тепла можно через отдачу или прием тепловой энергии изменить абсолютную температуру в стационарном режиме или в режиме равновесия. Это можно осуществить, например, также с помощью целенаправленного добавления или изъятия, либо же увеличения или уменьшения охлаждающих элементов. Изменение можно осуществлять, например, также посредством изменения цвета. Так как характеристики излучения черного тела иные, нежели белого.
В предпочтительном варианте исполнения площадь поверхности каркаса относится к площади поверхности охлаждающего элемента как 1 к х, причем х>=1,1. Особое техническое значение имеет X>=1,8, поскольку благодаря этому возрастает количество теплоты, которое можно перенести.
Предпочтительно, чтобы на поверхность каркаса были путем спекания нанесены участки металлизации.
В варианте исполнения согласно изобретению участки металлизации состоят из вольфрама, они никелированы химическим путем. В одном из вариантов исполнения участки металлизации выполнены в форме круга.
В особом варианте исполнения каркас оснащен электропроводящими дорожками, по которым возможна передача напряжения порядка вплоть до диапазона киловольт без того, чтобы происходила утечка напряжения через материал вещества каркаса. Особый технический интерес представляет диапазон электрического напряжения от 80 В до 600 В, а также значения напряжения >>2 кВ (2000 вольт).
В предпочтительной форме исполнения каркас не обладает экранирующим действием против электрических, магнитных или электромагнитных полей или сочетания таковых, либо это действие незначительно, и таким образом эти поля могут проходить через каркас.
В одном из вариантов исполнения на каркас - на всю его поверхность или на ее часть - целенаправленно нанесены материалы, функция которых состоит в создании участков, экранирующая способность которых в отношении магнитных или электромагнитных полей или сочетания таковых отлична по сравнению с экранирующей способностью материала каркаса.
Предпочтительно, чтобы посредством целенаправленного нанесения надлежащих материалов, как, например, металлов, на каркасе были созданы участки, которые, ввиду своих геометрических параметров либо же индуктивных или емкостных эффектов или сочетания таковых, в состоянии принимать или испускать электрические, или магнитные, или электромагнитные сигналы. Сигналы в самом широком смысле служат для беспроводной передачи энергии. Совместно с энергией, например, посредством модуляции, можно передавать дополнительную информацию.
В одном из вариантов конструкции согласно изобретению каркас оснащен функцией «интеллектуальной» его идентификации. Идентификатор может представлять собой, например, надпись или маркировку, или магнитную полоску с соответствующей информацией, или блок радиочастотной идентификации, или сочетание таковых.
В одном из примеров исполнения каркас состоит из технического оксида алюминия с минимальным содержанием оксида алюминия, составляющим 89%. Участки металлизации пригодны для того, чтобы, например, припаять детали и создать, таким образом, тесную связь. Например, связь с обычным, представленным на рынке светодиодом можно создать с помощью соединения пайкой. Пайка несет, по меньшей мере функцию механического соединения светодиода и каркаса. Кроме того, участки металлизации дают возможность электрического контакта со светодиодом, а также термического контакта.
На примере конструкции каркаса с надпечатанными и спеченными участками металлизации (сечениями проводящих дорожек) и нанесенными пайкой точечными источниками тепла, например, светодиодами, можно выбрать технически необходимое электрическое сечение токопроводящих дорожек значительно выше, чем требуется, поскольку одновременно с проведением электрического тока через участки металлизации и сечения печатных проводников осуществляют также распространение тепла на большую поверхность каркаса и распределение его на охлаждающие элементы. По сравнению с целесообразным и достаточным в смысле электропроводности меньшим участком металлизации и сечением печатных проводников, через увеличенные участки металлизации и сечения печатных проводников можно распределить по поверхности каркаса, а оттуда на охлаждающие элементы большее количество теплоты за более короткий промежуток времени.
Каркас или охлаждающий элемент, в дальнейшем также именуемый корпусом, предпочтительно может состоять из по меньшей мере одного керамического компонента или сочетания (композита) различных видов керамики. В качестве примеров следует назвать технический оксид алюминия 80-99,9%, оксид алюминия, оксид бериллия, оксид циркония, стабилизированный оксид циркония, нитрид алюминия, усиленный цирконием оксид алюминия, стеклокерамику или керамические материалы, созданные смешением, по меньшей мере двух различных видов керамики или добавок. Пример монокристаллической керамики - это сапфир.
2
3
2
3
Корпус может состоять также и из композитного материала. Можно использовать материалы матрикса, например, смолы, полимеры или силиконы с добавками. Добавки вызывают изменение теплопроводности материалов матрикса. Примеры систем из многих веществ (многокомпонентных систем) - это предпочтительно полимеры с AlO, полимеры c AlN, силиконы с AlO/AlN.
Корпус может быть жестким или гибким или обладать сочетанием этих качеств.
Корпус может быть композитом «металл-керамика» или соединением корпуса и металла.
Корпус может иметь многослойное строение с внутренним расположением токопроводящих дорожек и электрических деталей, как то: сопротивлений, катушек, конденсаторов и т.д., причем между слоями также возможны электропроводные участки.
Корпус также можно использовать в качестве замены электропроводящему охлаждающему элементу (радиатору), в особенности, если окружающая среда обладает коррозионным воздействием.
Корпус может также одновременно быть корпусом для монтажа. Использование каркаса согласно изобретению дает следующие преимущества:
- Снижение многообразия компонентов
- Расширение функционального многообразия
- Предохранение от температурной перегрузки
- Долгосрочная надежность
- Устранение несоответствия температурного коэффициента расширения ввиду использования различных материалов
- Возрастание мощности благодаря улучшенному теплоотводу
- Преодолена сложность непосредственного отвода значительных количеств сбрасываемого тепла
- Основной принцип можно применять в самых разнообразных приложениях
- Температурный баланс имманентен системе «сам по себе»
- Устранен обходной путь, состоящий в монтаже источника тепла в отдельном корпусе, который в свою очередь монтируют на основной корпус
Источники тепла могут представлять собой электрические или электронные детали, как, например, нагревательные элементы, элементы Пельтье, сопротивления, активные и пассивные полупроводники.
Теплота может быть выработана целенаправленно (функция состоит в выработке теплоты) или же возникать как побочный продукт при исполнении функции.
Функциональные качества источников тепла, в т.ч. во время работы, могут претерпевать изменения, обусловленные собственной выработанной теплотой.
Источники тепла могут быть непосредственно соединены с корпусом, например, соединением пайкой.
IGBT (БТИЗ, Биполярный транзистор с изолированным затвором)
На единицу площади модулей их нагружают все более высокой мощностью, а долгосрочную работоспособность этих модулей можно обеспечить только монтажом радиаторов.
В этом случае для теплоотвода выбирают каркас согласно изобретению.
LED (светодиод)
На нынешнем техническом уровне достижение требуемой плотности свечения невозможно или возможно лишь с ограничениями. Причины состоят в плохом управлении теплом, обусловленном нынешним техническим уровнем. При возрастании плотности излучения растет и выделяемая теплота. Тепло существенно влияет на срок службы и цветовое постоянство. То же касается и применения лазерных диодов.
Согласно изобретению полупроводники можно монтировать непосредственно на плате или предварительно заключив их в корпус, размещать на плате в виде детали. Схему, размещенную на плате, в свою очередь согласно изобретению охлаждают с помощью охлаждающих элементов или же непосредственно оснащают полупроводник дополнительным радиатором. Полупроводниками могут, например, быть и солнечные батареи, поскольку вырабатываемая ими мощность снижается с ростом температуры. В этом случае сами полупроводники в процессе эксплуатации тепла, подлежащего отведению, не вырабатывают, но подвергаются нагреву инфракрасной составляющей солнечного света.
Управляющие элементы
На нынешнем техническом уровне, например, в автомобилях источники тепла отделяют от схем и обеспечивают электрическое соединение. Здесь также можно применять конструкцию с теплопроводящими радиаторами.
Коррозия радиаторов
В определенных условиях применения на электропроводящих радиаторах развивается коррозия поверхности. Соединения на поверхности, возникающие в результате химического преобразования, изменяют переход к хладагенту и могут также изменить поверхность, например, проедая дыры. Каркасы из керамики с интегрированными охлаждающими элементами устраняют эту проблему.
Керамический нагревательный элемент
Применение для температурной стабилизации самого радиатора или непосредственного либо же дальнего окружения.
Применение с элементами Пельтье
У элементов Пельтье есть холодная и горячая сторона. В зависимости от применения конструкцию всегда сочетают с отдельным радиатором. В данном случае элемент Пельтье можно разместить непосредственно на радиаторе со свойствами электрического изолятора.
Внутренние/поверхностные датчики ввиду непосредственной обратной связи в собственной системе.
Сам радиатор может содержать датчики, введенные в него или смонтированные на поверхности (нанесенные на нее). Благодаря непосредственному подключению к системе возможна реализация функций защитной саморегуляции источников тепла.
Монтаж радиатора
Монтажные точки, прокладки, полости, монтажные винты
Активное и пассивное охлаждение
- отверстия
- вентиляторы
- ребра в иной, нежели воздух, среде охлаждения (в ином хладагенте)
На нынешнем техническом уровне при монтаже детали и радиатора часто требуется также третий компонент, так называемая теплопроводящая фольга, которая одновременно должна быть электрическим изолятором. Чтобы добиться желательного эффекта теплоотвода, необходимо наличие у детали и радиатора ровных и плоскопараллельных поверхностей, обеспечивающих 100%-ное геометрическое замыкание. Если добавляется еще и теплопроводящая фольга, ее поверхность также должна быть ровной и плоскопараллельной. Для монтажа такой конструкции часто выбирают метод винтового соединения. Если при монтаже или во время эксплуатации в конструкции возникают перекосы, возможна частичная утрата термического контакта. Это означает опасность для работоспособности и срока службы конструкции.
Согласно изобретению впервые появляется возможность пайки на радиаторах, обладающих свойствами электрического изолятора, причем описанные выше недостатки термического сопряжения во время пайки не возникают.
Многослойная конструкция («сэндвич»)
Простые механические соединения радиатора для монтажа самой детали и для связи с дальнейшими радиаторами и/или со связанными с корпусом функциями.
Самостоятельно охлаждающаяся плата
На нынешнем техническом уровне платы с неудовлетворительным управлением температурой оснащают электропроводящим радиатором. При этом термическое сопряжение ограничено в смысле долгосрочной стабильности. Ограничивающие факторы - это, например, изменение среды - электрического изолятора со временем и в геометрической форме.
На фигурах с 1 по 20 показаны формы исполнения каркаса согласно изобретению.
В качестве примера на фигуре 1 представлен каркас 1 из керамики с выполненными заодно с ним охлаждающих элементов 7 из керамики в виде ребер. На каркасе 1 находится еще один независимый каркас 2. На каркасы 1 и 2 в каждом случае нанесены металлические, т.е. электропроводящие слои 9. Связь каркаса 2 с каркасом 1 можно представить посредством пайки 14. Таким образом возможен теплоотвод или охлаждение каркаса 2 через каркас 1 на охлаждающие элементы 7. На каркасе 2 может быть размещен светодиод 6с, для чего основную пластину 5 светодиода 6с через соединение пайки 14 соединяют с металлическим слоем 9 каркаса 2. Охлаждающие элементы 7 соединены с каркасом 1 в одну деталь путем спекания. Сами охлаждающие элементы 7 также могут выполнять функцию каркаса. Сочетание более двух каркасов также обладает преимуществом.
На фигуре 2 представлен каркас 1 из керамики с выполненными заедино с ним охлаждающими элементами 7 из керамики в виде ребер. На этом каркасе 1 находится чип 6а, на месте которого может быть любой источник тепла. Чип 6a соединен проводами 8 с электропроводящими слоями 9. Чип 6a может быть непосредственно соединен с каркасом или же, например, быть с ним связан через пригодный к пайке слой металла 10 с помощью пайки 14. Знаком 6b обозначена еще одна электрическая или электронная деталь, которая, как и чип 6a, представляет собой источник тепла. Деталь 6b размещена на охлаждающем элементе 7 на электропроводящем слое 9. Поэтому охлаждающий элемент 7 берет на себя функцию каркаса. Охлаждающие элементы 7 соединены с каркасом 1 в одну деталь путем спекания. Другие охлаждающие элементы 7 также могут выполнять функцию каркаса.
На фигуре 3 изображен пример возможного соединения каркаса 1 и/или охлаждающих элементов 7 посредством монтажа, например, винтового соединения 11, с прочими компонентами, например, еще одним каркасом или вышестоящей деталью, посредством клейкой массы 12 или иных подобных вариантов крепления. Винтовое соединение 11, таким образом, представляет собой возможность монтажа. В остальном, каркас 1 идентичен таковому на фигуре 2.
На фигуре 4 приведен пример расположения на каркасе 1 охлаждающих элементов 7, имеющих одинаковую или различную форму. В смысле ориентации относительно поверхности каркаса 1 охлаждающие элементы 7 могут быть расположены произвольно, одинаково, или же быть в любом сочетании направлены во все стороны. В данном случае полупроводник 6d со слоем припоя 14 соединен с каркасом 1 через содержащий металл электропроводящий слой 9. Кроме того, полупроводник 6d соединен с содержащим металл слоем 9 с помощью кабеля 3.
На фигурах 5a-5d представлены различные варианты того, как могут выглядеть модификации поверхности. На фигуре 5a показана модификация поверхности путем введения в охлаждающие элементы 7 полостей и отверстий 4.
На фигуре 5b показана модификация поверхности путем нанесения насечек 13 с острым краем и/или одновременным изменением толщины охлаждающего элемента 7.
На фигуре 5c показана модификация поверхности путем нанесения на охлаждающие элементы 7 волнообразных насечек 15.
На фигуре 5d показана модификация поверхности с помощью дендритообразных разветвлений 16 охлаждающего элемента 7.
Фигура 6 представляет шероховатую поверхность каркаса 1, связанную с деталью 6b. Деталь 6b и каркас 1 обладают пригодным к пайке слоем металлизации 51. Полноценное геометрическое замыкание осуществляют посредством соединения пайки 14.
На фигуре 7 показан каркас 1, на котором с помощью соединения 52, обеспечивающего частичное геометрическое замыкание, размещена деталь 6b. Между соединением 52 с геометрическим замыканием расположены участки 53 без геометрического замыкания.
На фигуре 8 показана выемка 50 в каркасе 1, а на фигуре 9 - возвышение 49 на каркасе 1.
На фигуре 10 показан каркас 1 с охлаждающими элементами 7. На каркасе 1 с помощью соединения пайки 14 в различных пространственных положениях размещены детали 6b. Детали 6b могут представлять собой, например, светодиоды, которые должны светить в различных направлениях.
На фигуре 11 показан каркас 1 с соединенными с ним в один блок охлаждающими элементами 7. Каркас 1 и охлаждающие элементы 7 состоят из керамического материала и с помощью процесса спекания соединены друг с другом воедино, то есть они представляют собой одну деталь. Один охлаждающий элемент 7 а имеет в сечении форму лестницы, другой охлаждающий элемент 7b имеет в сечении форму овала, а еще один охлаждающий элемент и 7с выполнен в форме квадрата. Охлаждающие элементы 7a и 7b расположены на нижней стороне 21 каркаса 1. Охлаждающий элемент 7с расположен сбоку от каркаса 1 и охлаждающего элемента 7. На верхней стороне 20 каркаса 1 размещены токопроводящие дорожки 17. Нижней стороной 21 называют сторону каркаса 1, обращенную в противоположную сторону, нежели верхняя сторон 20. Помимо печатных проводников 17 на верхнюю сторону 20 каркаса 1, на всю ее площадь, с помощью технологии DCB (прямая металлизация) нанесена медь 18, представленная здесь лишь схематически, как металл. Кроме того, на часть поверхности также нанесен металл 19. Предпочтительно, чтобы теплопроводность металла 19 была примерно равна теплопроводности каркаса 1 и/или охлаждающих элементов 7. Под теплопроводностью подразумевают отношение Вт/мК. Разумеется, теплопроводность металла 19 также может отличаться от теплопроводности каркаса 1 и/или охлаждающих элементов 7.
На фигуре 12 представлен каркас 1 с охлаждающими элементами 7, подобно тому, как он показан на фигуре 11. На верхней стороне 20 на металле 19 находится источник тепла 22. Управление источником тепла 22 осуществляют через печатные проводники 17. Печатные проводники 17 исполняют функцию электропроводности, а металл 19 - функцию распределения температуры и электропроводности.
На фигуре 13 представлен каркас 1 с охлаждающими элементами 7, подобно тому, как он показан на фигурах 11 и 12. На верхней стороне 20 каркаса 1 расположены металлы 19, различающиеся по толщине 23, т.е. по высоте. У металла 19a имеется градиент толщины, т.е. толщина постоянно увеличивается от одной стороны к другой. Металлы 19 могут быть связаны с каркасом 1 на всей площади или на ее части.
На фигуре 14 представлен каркас 1 с охлаждающими элементами 7, подобно тому, как он показан на фигурах 11-13. На верхней стороне 20 в несколько слоев расположены металлы 19. Возможно нанесение как нескольких слоев одного и того же металла, так и нескольких слоев различных металлов. Отдельные слои могут также иметь структуру 24.
На фигуре 15 представлен каркас 1 с охлаждающими элементами 7, подобно тому, как он показан на фигурах 11-13. Каркас 1 может быть прокрашен насквозь (см. участок 48), либо же возможно окрашивание только отдельных участков каркаса 1. На фигуре 15b показан участок каркаса 1 или охлаждающего элемента 7 вдоль разлома х. Видно равномерное прокрашивание.
На фигуре 15с показано окрашивание, выполненное в виде градиента. После изготовления каркаса 1 с радиаторами 7 наносят красящую добавку, которая после температурной обработки окрашивает материал.
На фигуре 15d показан участок радиатора (охлаждающего элемента) 7 в разрезе, где сплошной материал не окрашен. Зато нанесено поверхностное покрытие, например лак. С помощью х на всех изображениях обозначен край излома.
На фигурах 16a и 16b каркас 1 соединен с другим каркасом 2. Это соединение может быть самого разного рода, его определяют требования. Условным обозначением 47 показаны связующие материалы. На фигурах 16a, b охлаждающие элементы 7 представляют собой ребра разного рода.
На фигуре 17 показан каркас 1 с охлаждающими элементами, причем на охлаждающих элементах 7 с помощью связующих материалов 47 размещен (ламповый) цоколь Е27 46. Этот цоколь Е27 46 предназначен для помещения средства освещения, например, лампы накаливания. В данном случае цоколь Е27 46 означает здесь в общем смысле все электрические соединения, штекеры или разъемы.
На фигуре 18 представлена форма исполнения согласно изобретению, при которой каркас 1 соединен с другим каркасом 2 с трехмерную конструкцию (Array). Условным обозначением 47 снова показан связующий материал. На втором каркасе 2 размещен еще один каркас 3. Каркас 2 выполнен в виде трехмерного тела.
На фигурах 19a, b, с показан каркас, соединенный с охлаждающими элементами 7 в один блок. Вся поверхность каркаса 1 выполнена в виде спеченного участка металлизации 41. Участок металлизации 41 состоит из вольфрама и никелирован химическим путем. Фигура 19a представляет каркас 1 с охлаждающими элементами 7 в трехмерном представлении, а фигура 19b показывает вид снизу на охлаждающие элементы 7. На фигуре 19с показано сечение по линии А-А, представленной на фигуре 19b.
Каркас 1 с охлаждающими элементами 7 имеет длину L, равную 50 мм и ширину B, составляющую 25 мм. Высота H1 охлаждающих элементов 7 составляет 10 мм, а высота H2 всего каркаса 1 с охлаждающими элементами 7 составляет 13 мм. Отдельные охлаждающие элементы 7 имеют толщину D, равную 2 мм, а расстояние A между отдельными охлаждающими элементами 7 составляет 2 мм. Края охлаждающих элементов 7 слегка закруглены.
На фигурах 20a, b, c, d представлен каркас 1 с охлаждающими элементами 7, который идентичен по размерам каркасу 1c фигуры 19. В данном случае, однако, в виде спеченного участка металлизации выполнена не вся поверхность каркаса 1, но на ней размещены только отдельные круглые участки металлизации 41, которые состоят из вольфрама и никелированы химическим путем. Толщина слоя вольфрама составляет по меньшей мере 6 мкм, а толщина слоя никеля - по меньшей мере 2 мкм. Диаметр отдельных участков металлизации 41 составляет 5 мм. Этот каркас 1 предназначен, например, для размещения светодиодов.