РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК
RADIO ELECTRONIC UNIT

Изобретение относится к радиоэлектронным блокам, предназначено для использования в высокопроизводительных электронных устройствах бортового исполнения преимущественно в условиях космического вакуума.
Известны радиоэлектронные блоки (РЭБ) (см. Ненашев А.П., Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. Для радиотехнич. спец. вузов - М.: Высш. шк. 1990, стр. 175) состоящие из основания, набора рамок, имеющих шины - теплостоки, в каждую из которых установлена печатная плата. Теплоотвод от электрорадиоэлементов (ЭРЭ), установленных на печатных платах, осуществляется с помощью теплоотводящих шин, которые располагаются непосредственно под корпусами интегральных микросхем. Такая конструкция позволяет выполнять теплоотвод на рамку, а с рамки на основание с ЭРЭ имеющих двустороннее расположение выводов, однако непригодна для ЭРЭ с четырехсторонним расположением выводов, кроме того, при применении шин - теплостоков не рационально используется площадь печатной платы.
Известен РЭБ RU 2322776 С1, 14.06.2006, МПК: Н05К 1/00,7/20, состоящий из набора рамок, имеющих теплостоки и теплоотводящие основания с приклеенными к ним печатными платами с ЭРЭ. Такая конструкция позволяет выполнять теплоотвод с ЭРЭ через кондуктивную связь печатной платы с рамкой. Недостатком конструкции являются ограниченная в применении номенклатура ЭРЭ (применение только планарных ЭРЭ), размещение ЭРЭ на одной стороне печатной платы, большая масса рамки.
Наиболее близким к заявленному является РЭБ по патенту RU 2367124 С2, 23.07.2007, МПК: Н05К 1/00,7/10,7/12, состоящий из основания, набора рамок, в каждую из которых установлена печатная плата в виде сборочной единицы с электрорадиоэлементами (ЭРЭ), опираясь на нее по периметру, при этом каждая рамка установлена торцом на основании и закреплена на нем посредством крепежных элементов. Такая конструкция позволяет выполнять теплоотвод с ЭРЭ через кондуктивную связь печатной платы с рамкой, а рамки с основанием. Недостатком прототипа является ограниченная (постоянная по площади) кондуктивная связь печатной платы с рамкой и основанием, в соответствие с чем, в прототипе возможно применение ЭРЭ с небольшим тепловыделением (несколько ватт) относительно равномерно распределенных по печатной плате даже при большом суммарном тепловыделении размещенных на ней ЭРЭ, но невозможно применение таких электронных компонентов как, например, мощного процессора имеющего большое локальное тепловыделение, которое приводит к перегреву как его самого, так и соседних ЭРЭ, что требует применения конструктивных мер в виде использования дополнительных радиаторов, что усложняет конструкцию и является малоэффективным в условиях вакуума.
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.
Задачей настоящего изобретения является создание такого РЭБ, в котором имелась бы возможность применять широкую номенклатуру ЭРЭ, включая ЭРЭ с большим тепловыделением, но при этом обеспечивался оптимальный тепловой режим работы ЭРЭ и РЭБ в целом в условиях космического вакуума.
Техническим результатом является повышение надежности РЭБ и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в заявленном РЭБ, содержащим основание, набор рамок, в каждую из которых установлена печатная плата в виде сборочной единицы с электрорадиоэлементами (ЭРЭ), опираясь на нее по периметру, при этом каждая рамка установлена торцом на основании и закреплена на нем посредством крепежных элементов, в отличие от ранее известного, на печатной плате дополнительно выполнены группой металлизированные электронепроводящие переходные отверстия в месте установки корпуса теплонапряженного ЭРЭ, между корпусом ЭРЭ и печатной платой введен первый теплоотвод из теплопроводящего материала в виде пластины с перфорацией, форма и площадь пластины соответствуют форме и площади соответствующей группы металлизированных электронепроводящих переходных отверстий в печатной плате, с другой стороны печатной платы введен второй теплоотвод из теплопроводящего материала в виде пластины L-образной формы, снабженной выступами, один из которых соответствует форме и площади группы металлизированных электронепроводящих переходных отверстий на печатной плате, а в другом выступе со стороны, противоположной печатной плате, выполнен паз в форме прямоугольного треугольника, один катет которого расположен параллельно плоскости печатной платы, другой катет расположен перпендикулярно плоскости печатной платы ближе к основанию и выполнен менее или равным половине гипотенузы, в паз установлен клин, соответствующий ему по форме, посредством которого второй теплоотвод прижат своими выступами к печатной плате крепежным элементом, который через отверстие в выступе второго теплоотвода и в печатной плате крепится к рамке, второй теплоотвод вставлен через паз с углублением на основании, а его торец закреплен крепежным элементом к основанию и к рамке.
2
Такая конструкция РЭБ обеспечивает хорошую тепловую связь между имеющим большое тепловыделение ЭРЭ и первым теплоотводом, а теплоотвода с печатной платой и вторым теплоотводом и основанием (например, более 15 см), что предохраняет от перегрева соседние ЭРЭ и обеспечивает выполнение теплосъема с ЭРЭ на печатную плату, а с печатной платы на рамку. Для бортового РЭБ, работающего в условиях космического вакуума, кондуктивный теплосъем с ЭРЭ (не считая теплового излучения, на которое приходится не более 8% от выделяемой тепловой энергии) является единственным способом отвода тепла, обеспечивающим их тепловой режим работы. При многофункциональности задач выполняемых РЭБ, где тепловыделение у каждой из печатных плат может меняться от минимального до максимального в зависимости от тепловыделения размещенных на печатных платах ЭРЭ, например, программируемых процессоров, дополнительные теплоотводы, имеющие хорошую тепловую связь с основанием вместе с рамками, выполняют функцию тепловой шины, постоянно перераспределяя тепловые потоки, идущие от печатных плат к основанию, обеспечивая, таким образом, оптимально возможный тепловой режим работы ЭРЭ, что повышает надежность работы РЭБ. Рамки печатных плат, контактирующие между собой по площади меньшей, чем с основанием, так же, но в меньшей степени, выполняют функцию тепловой объемной шины и вместе с основанием создают оптимальную тепловую схему работы РЭБ.
Суть изобретения поясняется фиг. 1-4:
на фиг. 1 изображен заявленный РЭБ с установленными теплоотводами;
на фиг. 2 показан первый теплоотвод, установленный на печатную плату (печатная плата не показана);
на фиг. 3 показана печатная плата с металлизированными отверстиями и монтажными контактными площадками (первый теплоотвод не показан);
на фиг. 4 показана печатная плата с металлизированными отверстиями (второй теплоотвод не показан).
Заявленный РЭБ состоит из основания 1, выполненного из тепло и электропроводящего материала, набора рамок 2, выполненных из тепло и электропроводящего материала, в каждую из которых установлена печатная плата 3 в виде сборочной единицы с электрорадиоэлементами (ЭРЭ), которая выполнена с металлизацией по торцам и по периметру и может иметь теплопроводящие металлические слои (медные) с гальванической и тепловой связью с торцами, с выполненными дополнительно группой металлизированными электронепроводящими переходными отверстиями 4 (как вариант, объединенными медным полигоном) в месте установки корпуса теплонапряженного ЭРЭ, опираясь на нее по периметру, каждая рамка установлена торцом на основании и закреплена на нем посредством крепежных элементов, первого теплоотвода 5 из теплопроводящего материала в виде пластины, которая выполнена с перфорацией, второго теплоотвода 6 из теплопроводящего материала в виде пластины L-образной формы, которая имеет выступы, один из которых расположен напротив дополнительно выполненных группой металлизированных электронепроводящих переходных отверстий, а в другом выполнен паз 7 в форме прямоугольного треугольника, со стороны, противоположной печатной плате, один катет которого расположен параллельно плоскости печатной платы, другой катет расположен перпендикулярно плоскости печатной платы ближе к основанию и выполнен менее или равным половине гипотенузы. Такая форма паза и соотношение его сторон (в прямоугольном треугольнике катет, лежащий напротив угла 30° вдвое меньше гипотенузы) соответствует углу в треугольнике 30 или менее градусов, который исключает самоторможение и обеспечивает работу (прямой и обратный ход) клина 8 (см., например, Теория механизмов и машин / К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов и др. / под ред. К.В. Фролова. М.: Высш. шк., 1987. 496 с., стр. 239), который установлен в паз 7 и соответствует ему по форме, посредством которого второй теплоотвод прижат к печатной плате крепежным элементом 9 через отверстие 10 в выступе теплоотвода и печатной платы к рамке, а торец теплоотвода расположен на основании, в котором выполнен паз 11 с углублением и закреплен крепежным элементом к основанию и к рамке.
Устройство работает следующим образом. При монтаже теплонапряженного ЭРЭ на печатную плату 3, например, микросхемы, имеющей формованные выводы и, соответственно, зазор (как правило, от 0,2 до 0,8 мм) между корпусом микросхемы и печатной платой, устанавливается первый теплоотвод 5 из теплопроводящего материала в виде пластины, форма и площадь которой соответствует форме и площади соответствующей группы металлизированных электронепроводящих переходных отверстий и размером по толщине меньшим или равным (≤) размеру зазора и выполненной с перфорацией. Предварительно на обе поверхности теплоотвода наносится слой клея (60-80 мкм). При установке микросхемы излишки клея заполняют перфорацию, при этом обеспечивается установка без зазора корпуса микросхемы на теплоотвод, а также теплоотвода на печатную плату и выводов микросхемы на монтажные контактные площадки печатной платы, что позволяет выполнять хороший тепловой контакт между корпусом микросхемы (в месте тепловыделения - установки кристалла) и печатной платой (сквозными металлизированными отверстиями) и качественную пайку выводов. В рамку 2, устанавливается печатная плата 3 в виде сборочной единицы с ЭРЭ. Рамка 2 крепится на основании 1 крепежными элементами. Второй теплоотвод 6 вставляется через паз 11 на основании и своими выступами (местами контакта с печатной платой), один из которых соответствует форме и площади группе металлизированных электронепроводящих переходных отверстий и на который может наноситься теплопроводный материал, прижимается к печатной плате посредством клина 8 установленного в пазу 7 крепежным элементом 9, который через отверстие 10 в выступе теплоотвода и отверстие в печатной плате крепится к рамке, а торец теплоотвода крепится крепежным элементом к основанию и к рамке, образуя хороший тепловой контакт с основанием 1. Вторая рамка 2 последовательно устанавливается на основание, вдвигается в первую рамку и крепится на основании крепежными элементами. Второй теплоотвод 6 устанавливается аналогично, как в первой рамке. Демонтаж производится в обратной последовательности.
При функционировании устройства тепловые потоки распределяются, часть тепла от теплонапряженных ЭРЭ перетекает через теплоотводы на основание, другая часть тепла от остальных ЭРЭ через рамки на основание и другие рамки, создавая оптимально возможный тепловой режим работы ЭРЭ и РЭБ в целом.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленный РЭБ позволяет применять широкую номенклатуру ЭРЭ, включая ЭРЭ с большим тепловыделением, но при этом обеспечивается оптимальный тепловой режим работы ЭРЭ и РЭБ в целом в условиях космического вакуума, что повышает надежность РЭБ и расширяет его функциональные возможности.