Трехмерная электронная сборка
THREE-DIMENSIONAL ELECTRONIC ASSEMBLY

Изобретение относится к электронной и электротехнической области, в частности, к изделиям с корпусными и встроенными бескорпусными электронными компонентами, со связями между ними, расположенными в трехмерном пространстве.
Известна конструкция трехмерного модуля интегральных схем по патенту US 4868712, Н05К 7/20 от 19.10.89 г.
В соответствии с данным изобретением, по меньшей мере один кристалл устанавливается на каждую из множества подложек, обычно керамических, каждая из которых имеет электропроводящие проводники для передачи электронных сигналов. Кристаллы электрически соединены с проводниками или проволочными соединениями, или соединениями flip-chip, или TAB. Выводы выходят с краев подложки. Две или более подложек соединены вместе, одна поверх другой в форме плотной сборки электронных цепей. Между каждым слоем расположена прокладка в форме окна, обычно керамическая, окружающая и защищающая кристаллы. Коммутирующие платы для боковых межсоединений электрически соединяют слои между собой. Крышка служит для защиты сборки от механических повреждений и обеспечивает герметичную упаковку.
Недостатком конструкции является коммутация модуля при помощи боковых коммутирующих плат, что делает конструкцию неремонтопригодной после сборки.
Недостатком конструкции является использование защищающей кристаллы дополнительной керамической прокладки в виде окна, что увеличивает габариты по высоте и отводит тепло только через рамку окна, контактирующую с частью поверхности подложки с кристаллами, затрудняя перераспределение тепла в объеме модуля.
Известен вариант конструкции трехмерного электронного модуля (RU 2133523, МПК H01L 25/03 от 20.06.99 г.), в котором все составные части модуля выполнены преимущественно из теплопроводящих материалов. На внутренних гранях окон и ниш микроплат расположены проводники для электрического соединения с бескорпусными компонентами. Микроплата может состоять из основания и вкладыша. На поверхности основания размещают контактные поля для поверхностного монтажа объемных бескорпусных активных и пассивных компонентов. Основание имеет зоны контактирования и соединительные проводники. Вкладыш имеет сквозные окна для размещения компонентов.
Недостатком конструкции является размещение каждого бескорпусного компонента в отдельном окне вкладыша, что увеличивает количество требуемых отверстий и усложняет процесс изготовления вкладыша,
Кроме того, такое решение требует полного удаления вкладыша для ремонта и/или замены бескорпусного элемента.
В составных микроплатах размер отверстия вкладыша сравним с размером бескорпусного компонента. Это затрудняет визуальный контроль сборки при изготовлении и регулировке.
Недостатком конструкции является то, что между собой микроплаты электрически соединены только по периферии, что увеличивает длину печатных проводников на плате и может привести к паразитным связям.
Наличие выступов на торцах микроплат для контакта с внешними выводами также усложняет процесс изготовления потому, что обработка торцов требует сложного и высокоточного оборудования.
Данное решение выбрано в качестве прототипа.
Основной задачей создания трехмерной электронной сборки (ТЭС) является использование трехмерного пространства с целью получить высокую плотность упаковки, улучшить отвод и распределение тепла, герметизировать бескорпусные активные и пассивные компоненты, такие как кристаллы и микросборки (далее: бескорпусные компоненты) для эксплуатации сборки при жестких, в том числе и радиационных, воздействиях внешней среды. При этом возникают проблемы, связанные с соединениями между компонентами печатных узлов и самими печатными узлами; противоречивыми требованиями к обеспечению герметичности и ремонтопригодности; трудоемкостью изготовления.
Заявляемое изобретение обеспечивает:
высокую плотность упаковки компонентов;
механическую прочность ТЭС;
перераспределение тепла по всему объему ТЭС;
минимальные допустимые расстояния между рисунками печатных контактов печатных плат ТЭС;
герметичность ТЭС;
уменьшение трудоемкости и материалоемкости герметизации ТЭС;
ремонтопригодность ТЭС без полной разборки на составные части за счет возможности многократной послойной разборки-сборки ТЭС для анализа отказов и ремонта в процессе эксплуатации;
возможность унификации за счет того, что одни и те же печатные платы можно использовать в разных изделиях изменяя, например, только номиналы пассивных или характеристики бескорпусных компонентов.
1. Сущность заявленного технического решения заключается в реализации трехмерной электронной сборки в виде размещенных один на другом печатных узлов с паяным соединением проводящих рисунков, расположенных на смежных сторонах соседних печатных плат; при этом, печатная плата, по крайней мере, одного печатного узла выполнена теплопроводной; при этом печатный узел, расположенный между двумя соседними печатными платами, имеет, по крайней мере, одно окно, в котором размещается, по крайней мере, один бескорпусной компонент, расположенный на одной из соседних печатных плат; толщина печатной платы, расположенной между соседними печатными платами, больше высоты бескорпусного компонента, расположенного в окне; причем проводящие рисунки смежных сторон печатных плат включают замкнутые печатные проводники, образующие неразъемное механическое соединение, расположенное вокруг окна печатной платы, в котором размешен бескорпусной компонент; причем площадь окна больше площади посадочного места бескорпусного компонента, размещенного в этом окне, но меньше площади запаса области установки этого компонента.
2. Возможен вариант, в котором ТЭС включает первый, второй и третий печатные узлы, соединенные без зазора и расположенные один над другим, причем первый узел включает, по крайней мере, один бескорпусной компонент, второй печатный узел выполнен, по крайней мере, с одним окном, третий печатный узел содержит, как минимум, один компонент.
3. Возможен вариант, в котором окно второго печатного узла обрамляет бескорпусной компонент первого печатного узла.
4. Возможен вариант, в котором окно второго печатного узла обрамляет бескорпусной компонент и компонент, расположенные на лицевой стороне первого печатного узла.
5. Возможен вариант, в котором окно второго печатного узла обрамляет бескорпусной компонент, расположенный на лицевой стороне первого печатного узла и компонент, расположенный на обратной стороне третьего печатного узла.
6. Возможен вариант, в котором на обратной стороне первого печатного узла располагаются корпусные активные и/или пассивные компоненты.
7. Возможен вариант, в котором теплоотвод представляет собой обратную сторону первого печатного узла.
8. Возможен вариант, в котором теплоотвод представляет собой боковые поверхности трехмерной электронной сборки.
9. Возможен вариант, в котором замкнутые печатные проводники расположены вдоль боковых граней печатных плат.
10. Возможен вариант, в котором замкнутые печатные проводники повторяют контур окна.
Заявленное изобретение поясняется далее на основе описания сущности и реализуемости трехмерной электронной сборки, состоящей из трех печатных узлов. Вид с лицевой и обратной стороны ТЭС, а также поперечное сечение изделия в сборе приведены на фиг.1-3.
На фиг. 1 показан вид ТЭС с лицевой стороны
На фиг. 2 вид показан вид ТЭС с обратной стороны
На фиг. 3 приведен фрагмент поперечного сечения А-А. (см. фиг. 1)
Рассматриваемый вариант заявляемой ТЭС (см. фиг. 1 и 2) выполнен в виде сборки из первого 1, второго 2 и третьего 3 печатных узлов, выполненных на керамических платах. В узле 2 сделано любым известным способом окно 4. Второй печатный узел 2 всегда располагается между двумя соседними печатными узлами 1 и 3 и не имеет компонентов, расположенных на поверхности, так как служит для защиты бескорпусного компонента и обеспечения передачи электрических сигналов и энергии между первым 1 и третьим 3 печатными узлами. Возможно размещение в объеме второго печатного узла 2 встроенных пассивных компонентов.
Защита и герметизация бескорпусного компонента осуществляется следующим образом. По периметру лицевой стороны печатного узла 1 размещен замкнутый проводник 5-1. По периметру обратной и лицевой сторон печатного узла 2 располагаются замкнутые проводники 5-2-1 и 5-2-2 соответственно. По периметру обратной стороны печатного узла 3 располагается замкнутый проводник 5-3. В собранной ТЭС эти проводники любым известным способом, например, пайкой, образуют сплошное, без зазоров, неразъемное механическое соединение (см. фиг.3). Окно 2 препятствует механическому воздействию на бескорпусной компонент 6. За счет того, что площадь полученного при сборке монтажного окна больше площади посадочного места компонента становится возможным визуальный доступ к этой области вокруг бескорпусного компонента 6, а также тестирование компонента 6 при изготовлении или анализе и ремонте после выхода из строя готового изделия. Причем при этом удалять печатный узел 2 не требуется, что упрощает техпроцессы изготовления, анализа и ремонта ТЭС.
Площадь окна с большей стороны ограничивается площадью запаса области установки этого компонента. Необходимость этого ограничения размеров окна обусловлена двойной функцией, выполняемой печатным узлом 2 - он должен защищать бескорпусные компоненты, расположенные в его окнах и отводить тепло от тепловыделяющих компонентов. Т.е. он должен иметь сквозные отверстия и теплопроводящую часть.
В общем случае, через одно монтажное окно может осуществляться доступ сразу к нескольким бескорпусным компонентам, например, силовому ключу и его драйверам.
В общем случае, возможна герметизация не всего пространства между платами, а только бескорпусного компонента 6. Это достигается путем формирования на сопрягаемых поверхностях печатных узлов 1-3 замкнутых сопряженных контуров из проводников непосредственно вокруг окна 4 для бескорпусного компонента 6.
Размещение бескорпусного компонента 6 на поверхности платы и выполнение окна 4 большого размера позволяет электрически соединять его с проводниками или проволочным соединением, или соединением flip-chip или соединением TAB в случае модернизации ТЭС. При этом потребуется минимальная доработка посадочного места бескорпусного компонента 6, без изменения основной части ТЭС. Дополнительно может потребоваться только замена номиналов некоторых пассивных компонентов. Такое решение позволяет также использовать вместо полимерных теплопроводных заливок инертный газ, осуществляя, например, процесс сборки ТЭС в среде инертного газа. Использование керамики, как материала для изготовления печатных модулей и исключение полимерных заливок позволяет повысить радиационную стойкость ТЭС.
Кроме того, такое герметизирующее устройство обеспечивает в совокупности с неразъемными электрическими соединениями всех трех печатных узлов (не показаны) термомеханическое неразъемное соединение всех печатных узлов ТЭС в единое изделие.
Таким образом, требуемая герметичность и жесткость ТЭС создается только за счет использования материалов и элементов конструкции, из которых изготавливается ТЭС.
Остальные отверстия (ненумерованные), показанные на фиг. 1 и 2 служат для размещения в собранной ТЭС других бескорпусных компонентов (не показаны), а также корпусных активных и пассивных компонентов, расположенных на лицевой поверхности печатного узла 1 (не показаны) или обратной поверхности печатного узла 3 (см. фиг. 2 и 3, позиция 7-3). В ТЭС с большим тепловыделением, отвод тепла во внешнюю среду осуществляется через обратную сторону платы печатного узла 1. Для изделий малой мощности возможен отвод тепла через торцы керамических печатных плат ТЭС любым известным способом. В этом случае возможно размещение корпусных компонентов на обратной стороне печатного узла 1, что позволит увеличить плотность упаковки маломощной ТЭС.