УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОЩНОГО ТРАНЗИСТОРА

Полезная модель относится к высокочастотной электронике и может быть использована в приборах, которые изготавливаются с использованием технологии поверхностного монтажа и имеют в своем составе мощные транзисторы в пластмассовом корпусе, например, в широкополосных транзисторных усилителях для систем кабельного телевидения.
Транзисторы в пластмассовом корпусе значительно дешевле по сравнению с транзисторами в металлокерамическом корпусе, но от них сложнее отвести тепло, которое образуется внутри транзистора при его роботе.
Известен специальный радиатор (Электронные компоненты, Москва, 1997, №56,стр.37) для охлаждения транзистора в пластмассовом корпусе. Этот радиатор по конструкции, упаковке и монтажу на плату полностью согласован с технологией поверхностного монтажа. Радиатор закрепляют на корпусе транзистора и припаивают к контак ным площадкам печатной платы. Охлаждение транзистора осуществляется теплопроводностью через корпус на радиатор и плату, и дальше конвекцией. Эффективность охлаждения с помощью такого радиатора низкая в связи с низкой теплопроводностью пластмассы, из которой изготовлен корпус транзистора. Транзисторы в пластмассовом корпусе имеют такую конструкцию что отвод тепла от полупроводникового кристалла осуществляется, в основном, через коллекторный вывод, который выполняется в виде металлической полоски шириной до нескольких миллиметров.
Более эффективно транзистор в пластмассовом корпусе может быть охлажден с помощью теплорассеивающего прибора (патент Великобритании №2259408, опубликс .анный 3 октября 1993 года, МПК Н05К 7/20), который монтируется на плате
JbMOJoW
между площадкой, к которой припаян коллекторный вывод транзистора, и земляным проводником электронной схемы. Прибор выполнен на изоляционной теплопроводной пластине с электропроводными площадками. Как материал для пластины может использоваться оксид бериллия и.ш нитрид алюминии. Такой теплорассеивающий прибор имеет электрическую емкость, которая влияет на работу электронной схемы, в состав которой входит охлаждаемый транзистор. Емкость прибора небольшая и ее влияние на работу схемы на низких частотах незначительно. Однако на высоких частотах влияние емкости теплорассеивающего прибора на работу электронной схемы может оказаться существенным, в особенности, когда мощность тепла, которое необходимо отвести от транзистора, составляет величину один ватт или более.
На высоких частотах более эффективным является устройство для охлаждения мощных транзисторов (патент США №5164884, опубликованный 17 ноября 1992 года, МПК Н05К 7/20), которое, как и заявляемая полезная модель, включает коллекторный проводник, присоединенный к коллекторного выводу транзистора, а также теплопроводную изоляционную плату, расположенную вблизи транзистора. Коллекторный проводник выполнен в виде полоски, расположенной на печатной плате. Теплопроводная изоляционная плата размещена сверху на этой полоске и находится с ней в тепловом контакте. На изоляционной теплопроводной плате закреплена охлаждающая плата, которая находится с теплопроводной изоляционной платой в тепловом контакте. Тепло, которое вырабатывается в транзисторе, через его коллекторный вывод передается в коллекторный проводник, от коллекторного проводника - теплопроводной изоляционной плате, от теплопроводной изоляционной платы - охлаждающей плате, далее с помощью конвекции - воздуху. Коллекторный проводник вместе с подложкой и сплошным проводником печатной платы, который выполняет роль земли, образуют полосковую линию передачи. Использование теплопроводной изоляционной платы между коллекторным проводником и заземленной охлаждающей платой приводит к снижению волнового сопротивления
этой линии передачи. В упомянутом выше патенте США №5164884 предлагается компенсировать влияние теплопроводной изоляционной платы на величину волнового сопротивления линии передачи сужением коллекторного проводника. Когда охлаждающая плата заземлена, а толщина и диэлектрическая постоянная теплопроводной изоляционной платы примерно такая же, как толщина и диэлектрическая постоянная подложки печатной платы, линия передачи имеет форму симметричной полосковой линии передачи. Для того, чтобы волновое сопротивление такой линии передачи имело такую же величину, как и волновое сопротивление линии передачи в случае, когда теплопроводная изоляционная плата и охлаждающая плата отсутствуют, нужно примерно вдвое уменьшить ширину коллекторного проводника. Такое существенное сужение коллекторного проводника приводит к увеличению его теплового сопротивления. В результате, дальняя, по отношению к транзистору, часть теплопроводной изоляционной платы практически не принимает участия в передаче тепла охлаждающей плате. По этой причине возможность повышения эффективности охлаждения транзистора за счет увеличения длины коллекторного проводника н теплопроводной изоляционной платы очень ограничена. Уменьшение же теплового сопротивление коллекторного проводника путем увеличения его толщины нежелательно, в связи с тем, что на толстом и узком коллг-гторном проводнике технологически сложно закрепить теплопроводную изоляционную плату, обеспечив при этом хороший тепловой контакт.
В основу полезной модели поставлена задача в устройстве для охлаждения мощного транзистора путем нового взаимного расположения элементов устройства обеспечить повышение эффективности охлаждения транзистора.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для охлаждения мощного транзистора, которое включает транзистор, смонтированный на печатной плате, коллекторный проводник, присоединенный к коллекторного выводу транзистора, теплопроводную изоляционную плату, которая имеет первую и вторую стороны и
расположена вблизи транзистора, в соответствии с представляемой полезной моделью между подложкой печатной платы и теплопроводной изоляционной платой расположен сплошной проводник печатной платы, который выполняет роль земли и находится в тепловом контакте с первой стороной теплопроводной изоляционной платы, на второй стороне которой расположен коллекторный проводник, который имеет с этой стороной тепловой контакт.
Кроме того, в отдельных случаях, коллекторный проводник выполнен таким, что его толщина соизмерима с его шириной, а сплошной металлический проводник печатной платы, выполняющий роль земли, в области, расположенной под теплопроводной изоляционной платой и в близлежащей к ней области, выполнен двухслойным.
Сплошной проводник печатной платы, который размещен между подложкой печатной платы и теплопроводной изоляционной платой, выполняет роль электромагнитного экрана между линией передачи н подложкой печатной платы. Линию передачи образовывают коллекторный проводник, теплопроводная изоляционная плата и сплошной проводник печатной платы. Материал подложки печатной платы не влияет на характеристики этой линии передачи, в частности на величину ее волнового сопротивления. Когда толщина и диэлектрическая постоянная теплопроводной изоляционной платы примерно такая же, как толщина и диэлектрическая постоянная подложки печатной платы, для сохранения величины волнового сопротивления линии передачи ширина коллекторного проводника должна быть такой же, какой была бы ширина коллекторного проводника в том случае, когда теплопроводная изоляционная плата отсутствовала бы, а линию передачи образовывали бы коллекторный проводник, подложка печатной платы и сплошной проводник на обратной стороне печатной платы. Таким образом, в соответствии с представляемой полезной моделью, наличие теплопроводной изоляционной платы не приводит к снижению волнового сопротивления линии передачи, а следовательно, и к
MoW
необходимости сужения коллекторного проводника. В результате, тепловое сопротивление коллекторного проводника не уменьшается, вследствие чего дальняя, по отношению к транзистору, часть теплопроводной изоляционной платы принимает существенное участие в передаче тепла сплошному проводнику, который выполняет роль земли. Таким образом, эффективность охлаждения транзистора повышается.
Кроме того, поскольку, в соответствии с представляемой полезной моделью, сверху на коллекторном проводнике не закрепляются никакие элементы, его толщина может быть увеличена вплоть до того, чтобы она имела такую же, или даже большую, величину, по сравнению с шириной этого проводника. Это приводит к существенному уменьшению теплового сопротивления коллекторного проводника, вследствие чего, дальняя, по отношению к транзистору, часть теплопроводной изоляционной платы будет принимать участие в передаче тепла даже в том случае, когда теплопроводная изоляционная плата и коллекторный проводник имеют большую длину. Таким образом еше больше повышается эффективность охлаждения транзистора.
Увеличение толщины сплошного проводника печатной платы в области, расположенной под теплопроводной изоляционной платой и прилегающей к ней области также повышает эффективность охлаждения транзистора вследствие уменьшения теплового сопротивления между теплопроводной изоляционной платой и корпусом прибора или теплового сопротивления между теплопроводной изоляционной платой и дальними, по отношению к транзистору, областями сплошного проводника печатной платы. На практике увеличение толщины сплошного проводника удобно достичь, выполнив его двухслойным: к сплошному слою проводника, нанесенного на печатную плату, припаять металлическую, например, медную пластину.
На фиг.1 изображен вид сбоку, а на фиг.2 - вид сверху устройства для охлаждения мощного транзистора в соответствии с представляемой полезной моделью.
1МШ№
На фиг.З изображен вид сбоку, а на фиг,4 - вид сверху устройства для охлаждения мощного транзистора в случае, когда толщина коллекторного проводника соизмерима с его шириной и сплошной металлический проводник выполнен двухслойным.
На фиг.5 изображен вид сбоку устройства для охлаждения мощного транзистора в случае, когда транзистор и теплопроводная изоляционная плата расположены с разных сторон печатной платы.
Устройство для охлаждения мощного транзистора (фиг.1 и фиг.2) включает транзистор 1, смонтированный на печатной плате 2, коллекторный проводник 3, соединенный с коллекторным выводом 4 транзистора 1. Коллекторный проводник 3 выполнен в виде тонкой металлической полоски, нанесенной на теплопроводную изоляционную плату 5 с помощью тонкопленочной технологии. Концы коллекторного проводника выполнены в виде кусочков металлической фольги, приваренной к тонкой металлической полоске и к контактным площадкам печатной платы. Теплопроводная изоляционная плата 5 расположена на сплошном проводнике б печатной платы 2, который выполняет роль земли и имеет с этим проводником хороший тепловой контакт. Крепление теплопроводной изоляционной платы 5 и обеспечение теплового контакта может быть выполнено, например, с помощью теплопроводного клея. В качестве материала теплопроводной изоляционной платы 5 может использоваться любой материал, который имеет высокую теплопроводность и подходящие высокочастотные свойства. Это могут быть, например, оксид бериллия, нитрид алюминия, поликор. Сплошной проводник 6 верхней стороны печатной платы 2, соединен со сплошным проводником нижней стороны печатной платы с помощью ряда метализированных отверстий 7 в печатной плате 2.
В случае выполнения устройства для охлаждения мощного транзистора, изображенного на фиг.З и фиг.4, коллекторный проводник 3 выполнен в виде толстого металлического проводника, припаянного к тонкой металлической полоске, нанесенной на теплопроводную изоляционную плату 5 с помощью тонкопленочной
технологии. Концы коллекторного проводника 3 загнуты и припаяны к контактным площадкам печатной платы 2. Сплошной проводник 6 печатной платы 2 в области, расположенной под теплопроводной изоляционной платой 5 и в близлежащей к ней области выполнен двухслойным: к сплошному слою проводника, нанесенного на печатную плату 2, припаяна металлическая пластина. Сплошной проводник 6 печатной платы 2 имеет тепловой контакт с корпусом 8 прибора с помощью винта 9.
На фиг.5 изображен случай выполнения устройства для охлаждения мощного транзистора, когда транзистор 1 и теплопроводная изоляционная плата 5 расположены с разных сторон печатной платы 2. При этом коллекторный проводник 3 выполнен в виде толстого металлического проводника, припаянного к тонкой металлической полоске, нанесенной на теплопроводную изоляционную плату 5 с помощью тонкопленочной технологии.
Работает устройство для охлаждения мощного транзистора следующим образом. Тепло, которое образовывается внутри транзистора 1, через его коллекторный вывод 4 передается коллекторному проводнику 3. От коллекторного проводника 3 через теплопроводную изоляционную плату 5 тепло передается сплошному проводнику 6 печатной плат .л 2, который выполняет роль земли. От сплошного проводника б тепло передается непосредственно воздуху. Кроме того, часть тепла может передаваться от сплошного проводника б печатной платы 2 корпуса 8 прибора, а от него - воздуху. Линию передачи электромагнитного сигнала от коллекторного вывода 4 транзистора 1 образовывают коллекторный проводник 3, теплопроводная изоляционная плата 5 и сплошной проводник 6 печатной платы 2. Благодаря экранирующему действию сплошного проводника 6, диэлектрический материал печатной платы 2 не влияет на характеристики этой линии передачи, в частности не снижает величины ее волнового сопротивления. Поэтому коллекторный проводник 3 имеет достаточную ширину для того, чтобы дальняя, по отношению к транзистору, часть теплопроводной изоляционной платы 5 принимала существенное участие в передаче тепла сплошному
IMMOWW
проводнику 6 печатной платы 2. Благодаря этому повышается эффективность охлаждения транзистора. Кроме того, выполнение коллекторного проводника 3 таким, что его толщина соизмерима с его шириной,дополнительно повышает эффективность охлаждения транзистора 1 благодаря снижению теплового сопротивления коллекторного проводника 3. Следует отметить, что увеличение толщины коллекторного проводника 3 очень мало влияет на волновое сопротивление линии передачи. Так например, увеличение толщины коллекторного проводника 3 в десять раз прив дит к снижению волнового сопротивления линии передачи от, примерно, одного до десяти процентов в зависимости от ширины проводника. При необходимости это снижение волнового сопротивления может быть компенсировано путем уменьшения ширины проводника на величину, которая составляет от десяти до тридцати процентов.
В случае выполнения устройства, когда транзистор 1 и теплопроводная изоляционная плата 5 расположены с разных сторон печатной платы 2, как это изображено на фиг.5, эффективность охлаждения транзистора несколько ниже, по сравнению со случаем, когда транзистор и теплопроводная изоляционная плата расположены с одной стороны печатной платы. Это объясняется тем, что в первом случае расстояние между транзистором 1 и изоляционной теплопроводной платой больше, чем во втором. Поэтому использование устройства для охлаждения транзистора в форме, изображенной на фиг.5 целесообразно лишь в тех случаях, когда плотность расположения элементов поверхностного монтажа очень высокая и для изоляционной теплопроводной платы нет места с той стороны печатной платы, на которой расположен охлаждаемый транзистор.