Трехмерный электронный модуль с высокой плотностью размещения компонентов
THREE-DIMENSIONAL ELECTRONIC MODULE WITH A HIGH COMPONENT DENSITY

Область техники
Изобретение относится к технологии изготовления электронных устройств с поверхностным расположением компонентов и может быть использовано в авионике, телекоммуникации, светотехнике, других областях и быть конфигурированы как источник питания, преобразователь, датчики и т.д.
Уровень техники
Мощные электронные устройства, например, источники питания, драйверы светодиодов и другие устройства в большей части собираются на печатных платах из FR4 и заключаются в общий корпус, как правило, из алюминия, при этом для компонентов, выделяющих тепло, приходится предусматривать специальные алюминиевые радиаторы для рассеивания тепла, далее вся конструкция заливается теплопроводным электроизоляционным материалом, который дополнительно рассеивает тепло внутри алюминиевого корпуса. Поскольку этот материал имеет коэффициент теплопроводности в 1 Вт/к.м., и толщина заливки компонентов до корпуса достаточно большая, эффективность этой заливки невысокая и градиенты перепада температур между поверхностью корпуса и элементами, выделяющими тепло, достаточно высоки (т.е. элемент горячий, а корпус еле теплый). В то же время основное рассеивание тепла от изделия производится с поверхности, соприкасающейся с окружающим воздухом, и чем больше эта поверхность, и чем больше разница температур между поверхностью изделия и окружающим воздухом, тем выше эффективность охлаждения изделия с помощью конвекции. Если температура внешней поверхности изделия приближается к 60°С, то кроме конвекции идет охлаждение изделия за счет излучения с его поверхности. То есть для эффективного охлаждения следует располагать нагревающиеся компоненты непосредственно на наружной поверхности изделия, которая изготовлена из материала с высоким температурным коэффициентом, например, из алюминия (температурный коэффициент от 150 до 220 Вт/к.м в зависимости от марки).
Конструкторы обычно стараются сделать изделия возможно меньших габаритов и применяют многослойные платы, однако, объемная плотность установки компонентов невысока ввиду их различных габаритов, что ведет к большему расходу дорогостоящего заливочного материала ввиду наличия пустот, а объемная плотность не превышает 30…40% общего объема корпуса изделия, а иногда и гораздо меньше. При этом компоненты, излучающие тепло, находятся внутри корпуса в некотором отдалении от его наружных стенок, что затрудняет снижение температур этих компонентов, а повышение температуры резко снижает надежность изделия (считается, что превышение температуры на 10°С приводит к снижению долговечности в 2 раза). Особенно повышенная температура влияет на долговечность электролитических конденсаторов. Самое эффективное решение - это установить все компоненты изделия на алюминиевую плату, которая одновременно является корпусом изделия, такое решение раскрыто в патенте РФ 2688581, МПК H01L 25/04, опубликованного 21.05.2019, автор Соколов Ю.Б. На плоской алюминиевой печатной плате устанавливаются все компоненты изделия, а затем алюминиевая печатная плата сгибается таким образом, что все компоненты оказываются внутри объема прямоугольного параллелепипеда, грани которого образованы отогнутыми частями печатной платы.
Однако, для изделий, у которых много электронных SMT компонентов, плотность установки будет невысокой, поскольку крупные элементы будут определять размеры изделия (трансформаторы, конденсаторы большой емкости), а тонкие компоненты, даже расположенные на 4 внутренних сторонах корпуса не заполнят внутреннее пространство, а возможно, что и площадь платы мала для разводки более сложных схем.
Техническим результатом заявленного решения является повышение плотности установки компонентов, улучшение теплообмена и электромагнитной защиты
Техническое решение
В рамках настоящего патента предлагается решение, при котором плотность установки компонентов в объеме корпуса можно повысить до 80…95% и при этом градиент температуры в корпусе не будет превышать нескольких градусов. На рис. 1 приведен вариант конфигурации изделия на изогнутой алюминиевой печатной плате (flexible РСВ), позволяющей получить максимальную плотность компонентов в изделии.
В случае, когда все компоненты являются SMT, то сначала на плоской гибкой алюминиевой печатной плате устанавливаются все компоненты, а потом металлическая основа печатной платы сгибается в виде непрерывной спиральной структуры, при этом металлическая основа внешнего витка упомянутой печатной платы формирует замкнутый контур корпуса (снаружи только алюминий, а все компоненты оказываются внутри), выполняющий функцию корпуса, электромагнитного экрана и теплообменной поверхности. После заливки компаундом образуется монолитное изделие, имеющее примерно одинаковую температуру по всему объему.
Количество «слоев» печатной платы (количество параллельных участков одной печатной платы) и конфигурация выбираются исходя из размеров электронных компонентов таким образом, чтобы минимизировать количество пустых мест в объеме изделия. При этом чтобы изделие не перегревалось, должно выполняться условие:
2
Это значит, что увеличению плотности имеется предел, который в том числе зависит от мощности изделия и его к.п.д. Так, если мощность изделия 100 Вт, к.п.д. 0,9, то должна рассеиваться мощность Р=10 Вт, а наружная площадь изделия примерно 100 см (К примеру, наружные размеры 10×5×2 см без боковых крышек).
При соблюдении этого условия при температуре окружающей среды 20°С, температура корпуса будет 45…60°С, в зависимости от реальной поверхности (шероховатости поверхности корпуса). Для улучшения отдачи тепла подходит даже окраска корпуса электростатическим методом (происходит увеличение шероховатости поверхности). Играет роль также размещение основных теплоизлучающих компонентов на внутренней поверхности внешнего витка корпуса.
Гибкие платы сохраняют проводники на сгибах при радиусе сгиба не менее 2,5 мм при сгибах медным слоем вовнутрь. Естественно, на сгибе и на расстоянии 2…3 мм от него, компоненты не устанавливаются. На каждом витке платы следует, по возможности, устанавливать компоненты примерно одинаковой высоты для повышения плотности. Между витками следует разместить электроизолирующий слой, имеющий пробивное напряжение не менее 1 кВт, например, положить тонкую пленку (40…100 мкм) для исключения замыканий и пробоя, тогда витки спиральной структуры могут примыкать друг к другу, обеспечивая максимальную плотность.
В любом случае, высоту изделия определяет самый высокий компонент, а количество витков спиральной структуры подбирается под эту высоту, не забывая соблюдать соотношение (1) для наружной поверхности изделия.
При проектировании изделия сначала расставляют на поверхности платы крупные (высокие) компоненты в одной зоне, а потом определяют под эту высоту количество витков спиральной структуры печатной платы с учетом высоты компонентов. Если все-таки необходимо установить в каком-то слое более высокий компонент, чем другие, то это можно сделать, вырезая соответствующие отверстия в расположенном над ним витке платы.
На рис. 1 показано заявленное устройство в разрезе.
На рис. 2 показано объемное изображение устройства без торцевых крышек.
На рис. 1 представлен вариант заявленного устройства, состоящего из одной гибкой алюминиевой платы 1, на которой установлены высокие компоненты 2, например, электролитические конденсаторы, разъемы и т.д. (это 1 виток спиральной структуры), и электронные компоненты 3, сформированные в 4 витка, между которыми везде проложен электроизолирующий слой, например, в виде пленки 4 с высоким пробойным напряжением. С двух открытых сторон конструкция закрывается крышками (не показаны), и потом заливается внутри теплопроводным изолирующим компаундом.
Заявленное устройство может быть реализовано на универсальном технологическом оборудовании.