МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПОДОГРЕВА ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

Полезная модель - многослойная печатная плата относится к областям электротехники и радиотехники и может использоваться в области охранной сигнализации при конструировании изделий, работающих на открытом воздухе. В состав изделий охранной сигнализации входят электронные блоки, в которых элементы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), выполняющие алгоритмы функционирования, размещаются обычно на многослойных печатных платах. Элементы РЭА (например, интегральные микросхемы), используемые в изделиях охранной сигнализации, имеют, в основном, рабочий расширенный диапазон температуры (-40…+50)°С, соответствующий коду Е2. Однако, требования стандартов по режимам эксплуатации изделий охранной сигнализации на открытом воздухе для различных регионов Российской Федерации предполагают использование изделий при температурах (-50…+50)°С. Кроме того, для районов крайнего севера изделия выполняются в «арктическом варианте» с диапазоном рабочих температур (-60…+55)°С. Поэтому в интервале экстремальных отрицательных температур (-60…-40)°С требуются дополнительные мероприятия для обеспечения работоспособности изделий охранной сигнализации в этом диапазоне. Следует учесть, что требования по экономии энергопотребления и расхода меди в проводах подключения электропитания накладывают свои ограничения на изделия охранной сигнализации в части электропитания. Поэтому, изделия охранной сигнализации в основном проектируются для работы в режиме малого энергопотребления. Обычно, для обеспечения работоспособности в интервале экстремальных отрицательных температур, для подогрева элементов РЭА применяют дискретные нагревательные элементы (например, резисторы большой мощности), которые устанавливают на многослойных печатных платах. При опускании температуры ниже минус 40°С, включают подогрев путем пропускания электрического тока через эти нагревательные элементы. Недостатком такого способа является неравномерность нагрева и большой расход электроэнергии при рассеивании тепла не по назначению.
Многослойные печатные платы современных радиоэлектронных изделий в других областях использования насыщены элементами РЭА с высоким быстродействием, поэтому они потребляют большие токи и выделяют, в связи с этим, большое количество теплоты. Такие платы в рабочем состоянии сами себя прогревают и не требуют дополнительного подогрева при воздействии экстремальных отрицательных температур. Для таких плат актуальным является их охлаждение или отвод тепла.
Общеизвестны конструкции многослойных печатных плат, целью которых является отвод теплоты при работе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Такая конструкция, например, приведена в устройстве «Плата печатная», описанном в патенте RU №2499374, МПК Н05K 1/11, Н05K 3/30, Н05K 3/42, опубл. в 2013 г. Плата печатная обеспечивает равномерный отвод тепла от контактных площадок за счет того, что площади металлизированных участков прямо пропорциональны количеству контактных площадок.
Общим существенным признаком с заявляемым решением является равномерный отвод тепла от контактных площадок.
К недостатку следует отнести отсутствие возможности отвода тепла в большей степени на локальных участках печатной платы, где расположены, например, интегральные микросхемы большой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является устройство «Обогревательный элемент», описанное в патенте RU №2496060, МПК F24D 13/02, опубл. в 2013 г, которое выбрано в качестве прототипа. Обогревательный элемент предназначен для обогрева полов в зданиях с различными половыми покрытиями. Это устройство содержит многослойную печатную плату, используемую в качестве нагревательного элемента. Один из слоев многослойной печатной платы имеет металлические токопроводящие дорожки, соединенные с дискретными сопротивлениями (резисторами), с помощью которых осуществляется нагрев. Отдельные токопроводящие дорожки могут быть проложены прямолинейно, волнисто, ступенчато или зигзагообразно (в виде меандра) для получения возможно равномерного распределения сопротивлений (резисторов) по обогреваемой поверхности. В качестве дискретных сопротивлений используются резисторы для поверхностного монтажа (резисторы для SMD-технологии). Между соседними токопроводящими дорожками имеются изолированные зазоры для безопасного электропитания от напряжения электросети.
Общим существенным признаком с заявляемым решением является наличие на одном из слоев многослойной печатной плате металлических токопроводящих дорожек, проложенных зигзагообразным образом.
Недостатком устройства является использование в качестве элементов нагрева дискретных сопротивлений (SMD-резисторов), что усложняет изготовление многослойной печатной платы, уменьшает надежность и увеличивает ее стоимость.
Целью полезной модели является обеспечение возможности подогрева элементов РЭА, установленных на многослойной печатной плате, при работе в условиях воздействия экстремальных отрицательных температур.
Эта цель достигнута в предложенном техническом решении, по которому подогрев элементов РЭА, которые установлены на многослойной печатной плате, содержащей связанные в слоистую конструкцию основные подложки с проводящими дорожками сигнального топологического рисунка печатного монтажа, осуществляется тем, что в нее в качестве источника подогрева элементов РЭА введена по крайней мере одна вспомогательная подложка, содержащая нагревательный элемент, выполненный из электропроводного материала, нагрев которого осуществляется путем пропускания электрического тока по его электрической цепи, вспомогательная подложка расположена между основными подложками в слоистой конструкции многослойной печатной платы. Электрическая цепь нагревательного элемента выполняется в виде зигзагообразного печатного проводника, расположенного по всей площади многослойной печатной платы для равномерного ее нагрева или в местах расположения на многослойной печатной плате элементов РЭА, требующих подогрева. В качестве электропроводного материала нагревательного элемента могут использоваться медь, нихром, константан или манганин.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 приведен пример фрагмента многослойной печатной платы с добавлением одной вспомогательной подложки с нагревательным элементом, где введены обозначения: подложки с проводящими дорожками сигнального топологического рисунка печатного монтажа - 1, вспомогательная подложка - 2, нагревательный элемент - 3, металлизированное сквозное отверстия - 4, скрытое межслойное отверстие - 5.
На фиг. 2 - пример выполнения вспомогательной подложки 2 с нагревательным элементом 3 в виде зигзагообразного печатного проводника, расположенного по всей площади многослойной печатной платы.
На фиг. 3 - пример выполнения вспомогательной подложки 2 с нагревательным элементом 3 в виде зигзагообразного печатного проводника в местах расположения на многослойной печатной плате элементов РЭА, требующих подогрева. Штриховыми линиями на фиг. 3 обозначены места установки, например, интегральных микросхем, требующих подогрева.
Техническое решение полезной модели предполагает подогрев элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), установленных на многослойной печатной плате, в которой в качестве источника подогрева используется по крайней мера одна вспомогательная подложка с нагревательным элементом, нагрев которого осуществляют путем пропускания электрического тока по его электрической цепи. На фиг. 1 приведен пример фрагмента многослойной печатной платы с добавлением одной вспомогательной подложки 2 с нагревательным элементом 3 (вторая сверху). Остальными подложками в слоистой конструкции многослойной печатной платы являются подложки с проводящими дорожками сигнального топологического рисунка печатного монтажа 1. На фиг. 1 для примера приведены изображения металлизированного сквозного отверстия 4 и скрытого межслойного отверстия 5. Нагревательный элемент 3 может быть реализован разными способами. На фиг. 2 приведен пример выполнения вспомогательной подложки 2 с нагревательным элементом 3 в виде зигзагообразного печатного проводника, расположенного по всей площади многослойной печатной платы для равномерного ее нагрева. На фиг. 3 приведен пример выполнения вспомогательной подложки 2 с нагревательным элементом 3 в виде зигзагообразного печатного проводника в местах расположения на многослойной печатной плате элементов РЭА, требующих подогрева. Такая конструкция обеспечивает подогрев многослойной печатной платы в локальных местах, например, в местах размещения интегральных микросхем, обозначенных на фиг.3 как DD1 и DD2. Электрическая цепь нагревательного элемента 3 может быть выполнена различными способами. Электропроводный материал электрической цепи может иметь низкое погонное сопротивление (медь и т.п.), а также высокое погонное сопротивление (нихром, константан, манганин и т.п.). Выбор электропроводного материала должен быть осуществлен исходя из необходимой токонесущей способности проводников многослойной печатной платы.
Следует отметить, что подогрев элементов РЭА должен осуществляться только при воздействии экстремальных отрицательных температур (-60…-40)°С. В остальное время подогрев не должен использоваться. Для этого может применяться ручное или автоматическое регулирование включением и отключением режима подогрева. Ручное регулирование осуществляется в зависимости от изменения температуры окружающей среды (когда температура опускается ниже температурного порога -40°). При автоматическом регулировании может применяться датчик температуры, установленный на многослойной печатной плате, который настраивают на диапазон экстремальных отрицательных температур.
Для надежной работы элементов РЭА необходимо, чтобы нагрев печатных проводников под действием тока не приводил к физико-химическим изменениям, как в самих проводниках, так и в окружающем их диэлектрике. Для учета всех факторов, влияющих на нагрев печатных проводников током, необходимо знать массу печатных проводников, их удельную теплоемкость и исходную температуру окружающей среды. Условие теплоотдачи печатного проводника определяется его тепловым сопротивлением. Нагрев проводника вызывает дополнительное увеличение сопротивления, соответствующее температурному коэффициенту сопротивления. Обычно в качестве электропроводного материала печатных проводников используется медь с низким погонным сопротивлением. Но для выделения необходимой мощности при нагреве необходим достаточно большой ток, который влияет на кинетику нагрева. При необходимости использования более мягкой кинетики нагрева можно применять в качестве электропроводного материала термостабильные сплавы, такие как константан или манганин, которые не увеличивают свое сопротивление при нагреве. Однако здесь необходимо учесть, что константан или манганин значительно дороже меди.
Следует различать три стадии нагрева печатного проводника током. На первой стадии в начальный момент времени, после включения тока, нагревается преимущественно тело печатного проводника, то есть процесс нагрева близок к адиабатическому. На второй стадии происходит теплоперенос от печатного проводника в объем диэлектрика. На третьей стадии теплопередача происходит во внешнюю среду. Режим нагрева может быть устойчивым и неустойчивым. Устойчивый режим является оптимальным режимом нагрева, который сводится к достижению конечной температуры нагрева и балансу подводимой и выделяемой мощностей. В неустойчивом режиме температура печатного проводника неограниченно растет, пока не будет выключен ток или не перегорит проводник. Одновременно происходят деструктивные изменения диэлектрика. Поэтому, чтобы обеспечивать оптимальный режим нагрева, необходимо определить критическое значение тока в зависимости от массы всего печатного проводника, его теплоемкости, а также теплового сопротивления, влияющего на условия теплоотдачи во внешнюю среду.
Авторами предлагаемого технического решения изготовлен опытный образец многослойной печатной платы, испытания которого подтвердили достижение поставленной цели.