СИСТЕМА ПАССИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ЭЛЕКТРОННОГО КОМПОНЕНТА

Заявленная полезная модель касается теплоотводов от тепловыделяющих электронных компонентов, в частности, теплоотводов от малогабаритных электронных компонентов поверхностного монтажа на печатных платах.
Известен радиатор для электронных компонентов (ЭК) поверхностного монтажа (Surface mount heat sink), патент США 5311395, МПК H01L 23/34, приоритет от 29.10.1992 г. Отвод тепла от ЭК поверхностного монтажа осуществляется через паяный тепловой контакт на металлическую площадку, к которой припаян радиатор.
Эффективность таких устройств охлаждения определяется, в основном, площадью радиатора и, в меньшей степени, площадью теплорассеивающей поверхности металлической площадки. С одной стороны, такое решение увеличивает теплоотдачу от ЭК. С другой стороны, оно требует выделения на печатной плате определенной площади, что увеличивает ее геометрические размеры. Кроме того, такой радиатор для ЭК поверхностного монтажа увеличивает высоту изделия и занимает часть объема изделия, необходимого для размещения, например, габаритных трансформаторов.
Известны радиоэлектронные блоки, в которых эффективность охлаждения размещенных на печатной плате ЭК повышается за счет использования теплопроводящих элементов конструкции, например корпуса в качестве теплоотводов и радиаторов. При этом, для электрической изоляции ЭК от теплопроводящих элементов, применяются теплопроводящие диэлектрические прокладки или пасты, как, например, в модуле электропитания по патенту на полезную модель РФ №19247, МПК Н05К 7/00, приоритет от 28.03.2001.
Эти электроизолирующие элементы имеют тепловое сопротивление, значение которого больше теплового сопротивления паяного контакта.
Известен радиатор (патент РФ на полезную модель №27439, МПК H01L 23/36, приоритет от 09.09.2002), выполненный в виде проводника печатной платы, соединенный с выводом электронного компонента.
Известен миниатюрный радиатор для элементов поверхностного монтажа (Miniature surface mount heatsink element and method of use), патент US 6621705, МПК H05K 7/20, приоритет от 12.04.2002 г. (см. фиг. 4 в описании к патенту). Это техническое решение включает печатную плату 402 с металлическим слоем 406, к которому припаян ЭК поверхностного монтажа 408. Этот металлический слой 406 отводит тепло от корпуса ЭК вдоль поверхности печатной платы 402, увеличивая тем самым, эффективность теплоотвода. Так как теплопроводность печатной платы достаточно низкая, то для увеличения площади рассеивания тепла на теплорассеивающей поверхности слоя 406 располагается множество элементов теплоотвода 410. Таким образом, множество элементов теплоотвода и слой 406 выполняют функцию радиатора. Множество элементов теплоотвода 410, расположенных на верхней теплоотдающей поверхности корпуса ЭК дополнительно рассеивают тепло непосредственно от ЭК поверхностного монтажа.
Данное решение позволяет достаточно эффективно отводить тепло от ЭК, но при этом множество элементов теплоотвода занимает достаточно большую площадь печатной платы. Кроме того, множество элементов теплоотвода занимает определенную часть объема изделия. Кроме того, при большой интенсивности теплового потока, данная конструкция радиатора может не справляться с теплоотдачей при пассивном отводе тепла. Увеличение количества элементовтеплоотвода не решает проблему, так как при этом затрудняется конвекция; увеличение высоты элементов теплоотвода увеличивает габариты теплорассеивающего элемента и, следовательно, габариты изделия. Дополнительным отрицательным эффектом от использования такого решения является увеличение паразитной емкости между проводниками платы.
Задачей заявленного в качестве полезной модели технического решения является увеличение количества отводимого в единицу времени тепла от ЭК.
Другой задачей является уменьшение площади металлизированного покрытия печатной платы, выполняющей роль теплоотвода от выделяющего тепло ЭК.
Еще одной задачей является уменьшение объема изделия, например силового электронного модуля, занимаемого радиатором - теплорассеивающим элементом отдельного ЭК.
Решение этих задач позволит увеличить плотность упаковки электронного модуля и уменьшить паразитную емкость между теплоотводящим металлизированным покрытием и проводниками печатной платы.
Технический результат достигается тем, что система пассивного отвода тепла от электронного компонента, характеризующаяся последовательно соединенными теплоотводами, имеющими теплорассеивающие поверхности, причем: первый теплоотвод, выполненный расположенным на одной поверхности печатной платы, имеющий тепловой контакт, по крайней мере, с одной из теплоотдающих поверхностей тепловыделяющего электронного компонента и вторым теплоотводом, выполненным таким образом, что одна его теплорассеивающая поверхность, расположена под прямым углом к теплорассеивающим поверхностям первого и третьего теплоотводов.
Возможен вариант, когда второй теплоотвод выполнен в виде сплошного или полого стержня, имеющего форму цилиндрического тела вращения или призмы.
Возможен вариант, в котором второй теплоотвод имеет в сечении, параллельном направлению основного потока отводимого тепла сложный профиль.
Возможен вариант, в котором третий теплоотвод выполнен в виде пластины из DBC керамики.
Возможен вариант, в котором пространство между первым и третьим теплоотводами заполнено теплопроводящим материалом.
Возможен вариант, в котором между вторым и третьим теплоотводами расположена прокладка из электроизолирующего теплопроводного материала.
Описания вариантов устройства отвода тепла электронного модуля, необходимые для понимания сущности заявленного технического решения приведены ниже, где:
На фиг. 1 приведен вариант системы пассивного отвода тепла от основания ЭК.
На фиг. 2 приведен вариант системы пассивного отвода тепла через выводы ЭК и проводники печатной платы.
На фиг. 3 приведен вариант системы пассивного отвода тепла, в котором второй теплоотвод имеет в сечении Т-образный профиль, третий теплоотвод выполнен в виде металлической пластины.
На фиг. 1 представлен вариант технического решения, в котором одна теплоотдающая поверхность является поверхностью теплопроводной подложки полупроводникового кристалла ЭК (для наглядности этот элемент конструкции ЭК показан в виде выступающего из объема корпуса металлического элемента 3-1). На печатной плате 1 расположен первый теплоотвод 2, выполненный
виде металлического покрытия печатной платы. На нем закреплен ЭК 3 для поверхностного монтажа и второй теплоотвод 4, который, в свою очередь, соединен с третьим теплоотводом 5. В качестве третьего теплоотвода в данном варианте используется пластина из DBC керамики с двумя слоями металлизации.
Тепловые контакты создаются любым известным способом, обеспечивающим тепловое сопротивление менее чем 0,1 С°/Вт, например, пайкой (на фиг. 1 и далее пайка показана черными треугольниками).
На фиг. 2 показан вариант, в котором отвод тепла от ЭК 3 осуществляется через выводы 3-1. В этом случае, первый теплоотвод 2 состоит, например, двух частей, представляющих собой проводники 2-1 и 2-2 печатной платы 1. Широкие части проводников 2-1 и 2-2, к которым крепится второй теплоотвод 4, могут находиться как вблизи от источника тепла (см. фиг. 2) так и на некотором расстоянии от него (не показано). Каждая из частей первого теплоотвода 2 имеет тепловые контакты с соответствующими частями 4-1 и 4-2 второго теплоотвода 4, в свою очередь, имеющими тепловые контакты с отдельными частями 5-1 и 5-2 третьего теплоотвода 5. Второй теплоотвод 4 выполнен в виде двух сплошных стержней.
На фиг. 3 показан вариант технического решения, в котором в качестве третьего теплоотвода 5 используется, например, теплопроводное основание корпуса изделия. В этом варианте второй теплоотвод 4 выполнен в виде монолитного стержня, имеющего в сечении, перпендикулярном поверхности печатной платы Т-образный сложный профиль. Диэлектрическая изоляция 6 между вторым 4 и третьим 5 теплоотводами выполнена из керамического или полимерного теплопроводящего диэлектрического материала, например, прокладок Bergquist. Во всех вариантах заявленного технического решения, в том числе и не приведенных в данном описании, возможно использование в качестве третьего теплоотвода 5 пластины из DBC керамики с односторонней металлизацией.
Заявленная система пассивного отвода тепла работает следующим образом.
В варианте, изображенном на фиг. 1, выделяемое ЭК 3 тепло отводится от одной теплоотдающей поверхности ЭК 3 вдоль расположенного на печатной плате 1 первого теплоотвода 2. Это тепло частично рассеивается в окружающую среду и отводится на второй теплоотвод 4. Часть тепла рассеивается с его боковой поверхности, а часть отводится через него на третий теплоотвод 5, где сначала распределяется в нижнем слое DBC керамики, затем равномерно распределяется по всей толщине изолирующей теплопроводящей подложки, проходит через другой слой металлизации и далее передается радиатору (не показан).
За счет того, что соединения теплоотдающей поверхности ЭК 3 с первым теплоотводом 2 и первого теплоотвода 2 со вторым теплоотводом 4 выполнено паяным, тепловое сопротивление в зоне теплообразования минимально, что позволяет интенсивно отводить тепло от ЭК.
Остальные варианты заявленного технического решения, описанные выше (см. фиг. 2 и 3), работают аналогичным образом.
При изготовлении электронного изделия, использующего заявленное техническое решение, используются стандартные технологии установки электронных компонентов на печатную плату. Возможна ручная установка третьего теплоотвода, выполненного из DBC пластины в случае, если его габаритные размеры превышают возможности имеющегося оборудования.