ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК

Полезная модель относится к электронике и может быть использована для обеспечения требуемых тепловых режимов электронных блоков.
Сложной задачей при разработке электронных блоков для массового производства является обеспечение компромисса между выбором способа отвода тепла от нагретых электронных компонентов и экономической эффективностью выбранного решения. Эффективность отвода тепла характеризуется тепловым сопротивлением «нагретый компонент - окружающая среда». Способ отвода тепла должен гарантировать безопасную работу компонентов на весь период эксплуатации и во всех разрешенных режимах работы. Он должен обеспечивать конструкцией минимизацию теплового сопротивления, его стабильность в течение всего срока службы изделия, минимальный разброс значения от образца к образцу и при этом гарантировать соответствие требованиям электробезопасности. Задача усложняется, если необходимо обеспечить высокую степень защиты внутреннего пространства блока от влаги и пыли, а также, если рабочее положение электронного устройства может быть произвольным.
Известно техническое решение (патент РФ №2406282, МПК H05K 7/20, опубл. 10.12.2010 г.), заключающееся в том, что электронный блок с теплоотводом и экранированием, содержит металлический корпус, внутри которого расположены электронные модули с радиоэлементами, содержащие печатную плату с теплоотводящим слоем, имеющим тепловой контакт с корпусом блока, причем он образован не менее чем двумя соединенными друг с другом электронными модулями, теплонагруженные радиоэлементы которых установлены на теплоотводящем слое печатной платы, а нетеплонагруженные радиоэлементы - с другой ее стороны, причем торцы теплоотводящего слоя печатных плат выступают за ее контур и формируют трубу, а металлический корпус образован теплоотводящими слоями печатных плат электронных модулей.
Недостатком данного технического решения является ограничение на конструкцию теплонагруженного элемента. А именно, данное решение подразумевает применение только выводных теплонагруженных элементов, но не позволяет устанавливать теплонагруженные элементы методом поверхностного монтажа.
В качестве прототипа выбрано устройство (патент РФ на полезную модель №79645, F24D 5/02, опубл. 2009.01.10), которое содержит металлический корпус со съемной верхней крышкой, двумя боковыми стенками с внутренними выступами-направляющими, электронные модули, включающие в себя металлическую верхнюю планку, два боковых теплоотводящих узла с клиновыми прижимами, печатную плату с теплоотводящим слоем, причем теплоотводящий слой печатной платы модулей имеет тепловой контакт с двумя боковыми теплоотводящими узлами, внутренними выступами-направляющими боковых стенок и с корпусом блока. На внутренней поверхности верхней съемной крышки размещена теплопроводная прокладка, а на печатной плате каждого модуля под верхней металлической планкой имеется металлизированная полоска, обеспечивающая тепловой контакт теплоотводящего слоя печатной платы с верхней металлической планкой каждого модуля и через теплопроводную прокладку съемной верхней крышки с корпусом.
Недостатком данного устройства является то, что избыточное тепло отводится от печатной платы в продольном направлении, т.е. совпадающем с плоскостью печатной платы, что приводит к существенному увеличению теплового сопротивления из-за принципиально ограниченного пятна теплового контакта и увеличенной длины пути прохождения теплового потока через тело печатной платы от теплонагруженного элемента к торцам платы и, как следствие, к высокому градиенту температуры между теплонагруженным элементом и теплоотводящей поверхностью корпуса.
Технической задачей полезной модели является решение задачи отвода тепла с минимальными производственными затратами и достижения минимально возможного теплового сопротивления, выражающегося в минимизации длины пути теплового потока от теплонагруженных элементов до теплоотводящей поверхности корпуса, а также максимально возможной поверхности теплового контакта теплонагруженных элементов с теплоотводящей поверхностью корпуса.
Поставленная задача решается тем, что полупроводниковые элементы, нуждающиеся в охлаждении, смонтированы автоматическим способом на поверхности печатной платы. Материал печатной платы сам по себе является хорошим проводником тепла. Тем не менее, для улучшения его теплопроводности в непосредственной близости от теплонагруженных полупроводниковых элементов выполнены отверстия, края которых выполнены из металла, тем самым создаются условия для ускоренного перетекания избыточного тепла по материалу металлизации и улучшенной передачи тепла на обратную сторону печатной платы. Обратная сторона печатной платы прижимается через подложку из мягкого, эластичного материала к днищу, имеющему развитую поверхность контакта с окружающей средой, что обеспечивает эффективное рассеивание тепла. Очевидно, что теплонагруженные полупроводниковые элементы должны быть расположены как можно ближе к зоне контакта печатной платы с корпусом. Корпус электронного блока состоит из крышки, днища, которые соединены между собой.
Днище и крышка соединяются при помощи боковых стенок, имеющих отверстия, совпадающие с профильными элементами на крышке и днище. В отверстия в боковых стенках могут быть вставлены саморезы, пустотелые заклепки, шпильки, болты, посредством которых боковая стенка прижимается к крышке с днищем, тем самым обеспечивая механическую фиксацию конструкции. На внутренней стороне крышки выполнен выступ в виде полочки. Крышка и днище выполнены с выступами-ребрами.
Корпусные элементы - крышка и днище выполнены таким образом, чтобы при сборке электронного блока условие хорошего теплового контакта со стабильными характеристиками обеспечивался конструкцией и не зависел от субъективных факторов, причем с одной стороны место стыка днища и крышки выполнено в виде полукруга, а с другой стороны выполнена защелка. Это обеспечивает автоматическую центровку при защелкивании корпуса, а также большее пятно соприкосновения печатной платы и днища в зоне повышенного теплового напора, что способствует их хорошему тепловому контакту. Перед установкой печатной платы на днище помещают подложку из мягкого, эластичного материала, для уменьшения влияния неровностей на поверхности днища и печатной платы. Материал подложки обладает хорошими теплопроводящими и электроизоляционными свойствами.
При высоком тепловом напоре, присущем мощным устройствам, возможен дополнительный отвод тепла на крышку, путем установки эластичной теплопроводящей электроизоляционной прокладки (например, материалы компаний DOW CORNING, BERGQUIST), которую укладывают поверх полупроводниковых элементов, и при закрывании крышки упирается в выступ на внутренней стороне крышки в виде полочки, благодаря своим эластичным свойствам эта прокладка обжимает компоненты и тем самым осуществляет передачу тепла на крышку.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид электронного блока, на фиг.2 изображено сечение электронного блока в сборе, на фиг.3 показана крышка, на фиг.4 показано днище.
Электронный блок состоит из печатной платы 1, на поверхности которой расположены не теплонагруженные полупроводниковые элементы 2, теплонагруженные полупроводниковые элементы 3, подложка 4 из мягкого, эластичного материала, эластичная теплопроводящая прокладка 5, находящиеся внутри корпуса 9, состоящего из крышки 7 и днища 8, на которых выполнены профильные элементы 6 для крепления боковых стенок корпуса 9, на которых выполнены соответствующие отверстия, защелка 11. На поверхности печатной платы 1 в непосредственной близости к теплонагруженным полупроводниковым элементам 3, выполнены сквозные отверстия 10, края которых выполнены из металла.
При замыкании корпуса 9 печатная плата 1 автоматически фиксируется в заданном конструкцией положении, и обеспечивается требуемый прижим печатной платы 1 к корпусу 9 в зоне теплонагруженных полупроводниковых элементов 3, взаимная механическая фиксация крышки 7 и днища 8 относительно друг друга обеспечивается боковыми стенками, имеющими отверстия, совпадающие с профильными элементами 6 в крышке 7 и днище 8. Для дополнительного отвода тепла от полупроводниковых элементов 3 может применяться эластичная теплопроводящая прокладка 5, которая при замыкании корпуса обволакивает теплонагруженные элементы 3 и обеспечивает передачу избыточного тепла на крышку 7.