ТРЕХМЕРНЫЙ ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H05K3/36 

Известна конструкция электронного модуля, имеющего гибкую печатную плату со средствами теплоотвода по патенту США 3,766,439 H 05 K 7/20 от 16.10.1973г.

Компонент электронной схемы, имеющей преимущество особенно при многослойной конструкции платы, изготовленной преимущественно из гибкого листа диэлектрика, используемого в качестве основы платы, на которую нанесено медное покрытие, покрывающее лист диэлектрика перед травлением проводников. Проводники разделены в соответствии с расположением по осям X и Y, причем проводники на каждой стороне диэлектрика параллельны только одной оси. Объединение коммутаций по осям X и Y реализовано посредством металлизированных отверстий, с которыми могут соединяться элементы схемы. Планарные интегральные схемы присоединены к плате с ориентацией своим верхом в сторону платы, а теплоотводящим основанием в противоположную сторону. Размещая все планарные корпуса на одну сторону гибкой платы и сворачивая плату в петлю, можно достичь высокой плотности компонентов схемы с тепловыделяющими частями планарных корпусов, направленными на внешние стороны петель структуры, обеспечивая размещение планарных корпусов в тепловом контакте с корпусом.

Данная конструкция только условно может считаться трехмерной, так как содержит обычную планарную плату, согнутую в петлю. При этом практически неизбежно применение многослойного монтажа на плате. Конструкция стационарна и не допускает какой-либо произвольный изгиб. Достоинством данной конструкции является попытка реализовать эффективный теплоотвод от нагревающихся компонентов на корпус.

Известна также конструкция гибкой упаковки кристаллов в этажерку по информации фирмы IBM (Technical Disclosure Bulletin, Vol.38, No 06, June 1995).

Кристаллы полупроводниковых приборов соединены с гибкими ленточными носителями проволочными выводами или соединителями кристаллов и сложены в этажерку для плотной упаковки и соединения на следующем уровне. В качестве примеров из многих высокоплотных конфигураций упаковки, применяющих базовый метод установки кристаллов на гибкую соединительную плату, можно привести следующие.

Полупроводниковые кристаллы соединены в линейный массив и устанавливаются по обеим сторонам гибкой ленты. При этом гибкое соединение с установленными кристаллами может быть сложено в форме этажерки. Термопроводящая лента или защитный компаунд могут использоваться для того, чтобы зафиксировать сборку кристаллов, а выводы могут выходить из сборки для соединений на следующем уровне. Более широкая лента с несколькими рядами кристаллов, расположенных подобным образом, может быть использована для более крупных сборок кристаллов. В другом варианте лента может иметь крестообразную форму с расположением кристаллов на одной ее стороне. Несколько таких крестообразных лент изгибаются, образуя этажерку с расположением кристаллов друг над другом, при этом каждая секция имеет внешние выводы, выходящие из сборки.

Расположение кристаллов на обеих сторонах ленты нельзя считать удачным, так как это создает трудности при разводке и ремонте конструкции. Кроме этого, это - тоже планарная конструкция, свернутая в петлю. А второй вариант - параллельное расположение не связанных между собой секций. Представленные конструкции дополнительно обладают теми же недостатками, что и описанная в патенте США 3,766,439.

Известна сборка печатной соединительной платы по патенту США 3,819,989 H 05 K 1/04 от 25.06.1974г.

Патентуется сборка печатной платы, соединяющей множество схем, изготовленной из единой заготовки, гибкая лента, несущая множество проводников, выходящих к цепям, расположенных на схемных платах. Платы расположены под прямым углом к основной ленте на конце петель, несущих проводники, ответвляющиеся к схеме платы. Петли ленты сложены и вторично сложены так, что платы остаются во взаимно параллельных плоскостях, перпендикулярных к основной ленте.

Данная конструкция достаточно технологична, так как предусматривает изготовление всех подложек и коммутирующего основания из одной заготовки. Но эту конструкцию нельзя считать законченной, так как не предусмотрены элементы механической жесткости, теплоотвод и другие конструктивные элементы.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является конструкция, описанная в патенте США 3,766,439.

Целью данного изобретения является создание миниатюрных электронных изделий, обладающих всеми преимуществами трехмерных модулей и одновременно способных принимать произвольную пространственную форму без нарушения функциональных свойств с одновременным обеспечением эффективного теплоотвода и ремонтопригодности.

Эта задача решается тем, что трехмерный гибкий электронный модуль, содержащий множество корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат с размещенными в них бескорпусными электронными компонентами, соединенных между собой электрически коммутационными платами, обращенными одной из поверхностей к торцам корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат, заключенный во внешнюю оболочку, согласно изобретению, имеет коммутационные платы, выполненные преимущественно в виде гофрированных гибких печатных плат с чередующимися расширениями и сужениями, при этом в расширенных зонах располагают места контактирования с контактными площадками или жесткими выводами корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат, расположенными на их торцевых поверхностях, а суженные зоны располагают в местах между корпусными и/или бескорпусными электронными компонентами и/или микроплатами, при этом суженные зоны коммутационных плат, расположенные по разным сторонам трехмерного гибкого электронного модуля, имеют форму, обеспечивающую несоприкосновение их друг с другом; длину суженных зон коммутационных плат выбирают достаточной для сжатия, разжатия, изгиба в любой плоскости и ограниченного вращения трехмерного гибкого электронного модуля относительно продольной оси без нарушения электрических связей между составными частями модуля.

Сущность данного изобретения заключается в том, что корпусные, бескорпусные электронные компоненты и микроплаты имеют по торцевым поверхностям контактные площадки или жесткие выводы. При этом корпусные, бескорпусные электронные компоненты и микроплаты соединяются электрически между собой при помощи коммутационных плат, выполненных преимущественно в виде гофрированных гибких печатных плат.

Коммутационные платы имеют чередующиеся расширенные и суженные зоны. На расширенных зонах расположены, как правило, металлизированные отверстия для контактирования с корпусными, бескорпусными электронными компонентами и микроплатами, а также переходные отверстия для соединения проводников, расположенных на противоположных сторонах платы, между собой. Суженные зоны располагаются между корпусными и/или бескорпусными электронными компонентами и/или микроплатами и находятся в зазоре между ними. Форму суженных зон выбирают такой, чтобы коммутационные платы при плотном расположении корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат (при сжатии модуля) не касались друг друга и не вызывали затруднений при произвольном изгибе конструкции, при этом протяженность суженных зон коммутационных плат должна быть минимальной с точки зрения длины межсоединений, но достаточной для нормального функционирования трехмерного гибкого электронного модуля.

Для обеспечения эффективного отвода тепла от нагревающихся компонентов предусматриваются различные варианты конструкции теплоотводов, имеющих с одной стороны непосредственный тепловой контакт с компонентом и проходящих в зазор между коммутационными платами и имеющих с другой стороны тепловой контакт с внешней оболочкой. Возможен непосредственный тепловой контакт корпусного, бескорпусного электронного компонента или микроплаты с внешней оболочкой через зазор, образованный между коммутационными платами. В этом случае подложка корпусного, бескорпусного электронного компонента или микроплаты должна быть выполнена из материала с высокой теплопроводностью и иметь электрическую изоляцию в зонах соприкосновения с внешней оболочкой.

Внешняя гибкая оболочка может быть выполнена, например, в виде металлического сильфона. Возможен также вариант многозвенной оболочки, но при этом необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между звеньями оболочки при произвольном изгибе конструкции.

Для обеспечения возможности теплоотвода и ремонтопригодности конструкции размер коммутационной платы в расширенной ее зоне целесообразно сделать несколько меньшим размера сопрягаемого корпусного, бескорпусного электронного компонента или микроплаты. Это позволит до установки трехмерного электронного модуля во внешнюю оболочку извлечь бракованный корпусной, бескорпусной электронный компонент или микроплату, предварительно проведя отпайку их по местам сопряжения с коммутационными платами и максимально раздвинув в этом месте конструкцию. Одновременно зазор, образованный между коммутационными платами, расположенными в разных плоскостях, необходим для прохождения теплоотвода от корпусного, бескорпусного электронного компонента или микроплаты к внешней гибкой оболочке.

Конструкция данного трехмерного гибкого электронного модуля может быть с успехом применена в качестве автономного устройства. Для этого в ее состав могут быть введены различные датчики (типа ПЗС- структур, медицинских датчиков и пр.), а также элементы приемника радиосигнала от внешнего источника и передатчика. В этом случае целесообразно также применить автономный источник питания. Все эти приборы относительно легко реализуются в виде набора микроплат и электронных компонентов. При необходимости производят монтаж инструмента для взятия проб, проведения операций и пр.

Возможен также вариант, когда связь с внешними приборами и питание осуществляется по отдельному гибкому кабелю. В этом случае схемотехника трехмерного гибкого электронного модуля значительно упрощается, но и снижаются его потенциальные возможности.

В состав конструкции модуля может входить также электродвигатель, система привода и преобразования движения, но это все реализуется стандартными решениями и предметом данного изобретения быть не может.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения, на которых фиг.1 изображает вариант общего вида трехмерного гибкого электронного модуля согласно изобретению; фиг.2 изображает фрагмент развертки коммутационной платы согласно изобретению; фиг.3 изображает фрагмент продольного разреза трехмерного гибкого электронного модуля в сжатом состоянии согласно изобретению; фиг.4 изображает фрагмент продольного разреза трехмерного гибкого электронного модуля при произвольном изгибе согласно изобретению; фиг.5а, 5b, 5с, 5d, 5е изображают варианты электрического соединения составных частей трехмерного гибкого электронного модуля согласно изобретению; фиг. 6 изображает вариант теплоотвода непосредственно от микроплаты согласно изобретению; фиг.7 изображает вариант теплоотвода от микроплаты через круглую деталь согласно изобретению; фиг.8 изображает вариант теплоотвода от микроплаты через выступы согласно изобретению.

Предлагаемый трехмерный гибкий электронный модуль (фиг.1) состоит, в основном, из бескорпусных электронных компонентов 1, корпусных электронных компонентов 2, микроплат 3 с бескорпусными активными 4 и пассивными 5 электронными компонентами. В его состав могут входить различные датчики 6 и система приемо-передатчика 7. Бескорпусные электронные компоненты 1, корпусные электронные компоненты 2 и микроплаты 3 соединены электрически гофрированными коммутационными платами 8. Вся конструкция помещена во внешнюю гибкую оболочку 9.

Коммутационная плата 8 (фиг.2) имеет переменное сечение. На расширенной зоне 10 имеются металлизированные отверстия 11 для соединения с контактными площадками или жесткими выводами бескорпусных электронных компонентов 1, корпусных электронных компонентов 2 или микроплат 3, а также металлизированные отверстия 12 для соединения слоев разводки коммутационной платы 8. В суженной зоне 13 коммутационной платы 8 размещаются, как правило, только проводники 14.

Размер "А" выбирается минимальным с точки зрения уменьшения межсоединений, но достаточный для возможности осуществления гибкости конструкции. Размер "В" должен быть меньше соответствующего размера прилегаемых к коммутационной плате 8 бескорпусных электронных компонентов 1, корпусных электронных компонентов 2 и микроплат 3. Коммутационная плата 8 при необходимости может быть многослойной. Штрих-пунктирная линия - места изгиба коммутационной платы 8.

При максимальном сжатии модуля (фиг.3) бескорпусные электронные компоненты 1, корпусные электронные компоненты 2 и микроплаты 3 не должны касаться друг друга, а суженные зоны 13 коммутационных плат 8 располагаются в зазорах между ними. Для избежания коротких замыканий коммутационная плата 8 изолируется с обеих сторон эластичным материалом кроме металлизированных отверстий 11. Теплопередача от бескорпусных электронных компонентов 1, корпусных электронных компонентов 2 и от активных 4 и пассивных 5 компонентов в составе микроплат 3 осуществляется через теплоотвод 15 и через теплопроводящий материал 16 на внешнюю оболочку 9.

В случае произвольного изгиба конструкции (фиг.4) суженные зоны 13 коммутационных плат 8 частично распрямляются, но обеспечивают электрическую целостность конструкции. При этом теплоотдача на внешнюю оболочку 9 несколько снижается за счет ее выпрямления. При использовании корпусных электронных компонентов 2 снижается общая плотность упаковки конструкции.

На фиг.5 показаны различные методы контактирования корпусных 2, бескорпусных электронных компонентов 1 и микроплат 3 с коммутационной платой 8. На фиг. 5а показан вариант электрического соединения гибкой коммутационной платы 8 с контактной площадкой бескорпусного электронного компонента 1 или микроплаты 3 методом пайки или сварки через изоляционное основание коммутационной платы 8. На фиг. 5b показан вариант электрической коммутации гибкой коммутационной платы 8 с контактной площадкой бескорпусного электронного компонента 1 или микроплаты 3 методом пайки в металлизированное отверстие 11 коммутационной платы 8. На фиг. 5с показан вариант электрического соединения гибкой коммутационной платы 8 с жестким выводом площадкой рамочного варианта микроплаты 3 методом пайки через сквозное металлизированное отверстие 11 коммутационной платы 8. На фиг. 5d показан вариант, аналогичный фиг. 5с, но для соединения корпусного компонента 2 через металлизированное отверстие 11 в коммутационной плате 8. На фиг. 5е показан вариант электрической коммутации гибкой коммутационной платы 8 с внешним контактом корпусного компонента 2 J-образной формы методом пайки в металлизированное отверстие 11 коммутационной платы 8; это соединение можно обеспечить и методом, показанным на фиг. 5а.

Непосредственный теплоотвод от корпусного 2 или бескорпусного электронного компонента 1 или от микроплаты 3 показан на фиг.6. При этом углы корпусного 2 или бескорпусного электронного компонента 1 или микроплаты 3 проходят через зазор, образованный коммутационными платами 8 и имеют тепловой контакт с внешней оболочкой 9. Площадь теплового контакта относительно невелика, поэтому этот способ можно рекомендовать при малом тепловыделении каждого компонента (доли ватта). В этом варианте углы корпусных 2, бескорпусных электронных компонентов 1 или микроплат 3 должны быть электрически изолированы, а их подложки должны быть изготовлены из материала с высокой теплопроводностью. Конструкция ремонтопригодна до установки во внешнюю оболочку 9.

Очень хорошую теплопередачу можно осуществить при применении круглого теплоотвода (фиг. 7). В этом случае теплоотвод 15 имеет окна 17, через которые проходят коммутационные платы 8. Но такая конструкция трудно ремонтируется и монтаж во внешнюю оболочку 9 требует специального приспособления.

На фиг.8 показан вариант использования выступов на теплоотводе 15, имеющих тепловой контакт с внешней оболочкой 9. Теплопередача несколько хуже, чем показана на фиг. 7, но сборка модуля проще. Если уменьшить выступы до размеров, указанных штрих-пунктирной линией, то обеспечивается хорошая ремонтопригодность.

Данное изобретение значительно расширяет сферы применения трехмерных конструкций. Так, возможно применение данной конструкции для проникновения в труднодосягаемые места типа завалов для обнаружения людей, а также для обследования и оперирования желудочно-кишечного тракта больных.

Литература.

1. Информационный материал Stackable Flex Packaging of Chips. IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol.38. No.06 June 1995.

2. Патент Японии Mounting structure of electronic parts. 6-97621 (A). 8.4.1994. Appl. No.4-246362 16.9.1992. H 05 K 1/18, 1/02, 1/11, 1/14. E-1575 July 8, 1994 Vol. 18 No. 364.

3. Патент США 3,819,989 H 05 K 1/04, June 25, 1974. Printed Wiring Board Assembly.

4. Информационный материал Three-Dimensional High Density Packaging. IBM Technical Disclosure Bulletin. Vol.38. No. 01 January 1995.

5. Патент США 3,766,439 H 05 K 7/20, Oct. 16, 1973. Electronic Module Using Flexible Printed Circuit Board With Heat Sink Means.

6. Патент США 3,971,127 H 05 K 3/30, July 27, 1976. Method of Fabricating a Printed Wiring Board Assembly.

7. Патент Германии DE 3321320 C2 H 05 K 3/36 от 27.07.89г.

8. Патент Германии DE 3536963 C2 H 05 K 7/20 от 22.10.87г.

9. Патент Германии DE 3330466 Al H 05 K 3/36 от 08.03.84г.

Изобретение относится к созданию трехмерной электронной аппаратуры. Трехмерный гибкий электронный модуль состоит из бескорпусных электронных компонентов, корпусных электронных компонентов и микроплат с бескорпусными активными и пассивными электронными компонентами. В состав модуля могут входить различные датчики и система приемопередатчика. Бескорпусные электронные компоненты, корпусные электронные компоненты и микроплаты помимо внутренних связей соединены электрически между собой гибкими гофрированными коммутационными платами, имеющими переменное сечение. Каждый тепловыделяющий компонент снабжен теплоотводом, имеющим тепловой контакт с внешней гибкой оболочкой модуля. Обеспечена ремонтопригодность при замене любого вышедшего из строя компонента. Предлагаемая конструкция, обладая всеми достоинствами трехмерных модулей (прежде всего, высокой плотностью упаковки), способна изменять свою внешнюю форму: сжиматься и разжиматься, изгибаться в любом направлении, не изменяя своих функциональных свойств. 10 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Трехмерный гибкий электронный модуль, содержащий множество корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат с размещенными в них бескорпусными электронными компонентами, соединенных между собой электрически коммутационными платами, обращенными одной поверхностью к торцам корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат, заключенный во внешнюю оболочку, отличающийся тем, что коммутационные платы выполнены преимущественно в виде гофрированных гибких печатных плат с чередующимися расширениями и сужениями, при этом в расширенных зонах располагают места контактирования с контактными площадками или жесткими выводами корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат, расположенными на их торцевых поверхностях, а суженные зоны располагают в местах между корпусными и/или бескорпусными электронными компонентами и/или микроплатами, при этом суженные зоны коммутационных плат, расположенные по разным сторонам трехмерного гибкого электронного модуля, имеют форму, обеспечивающую несоприкосновение их друг с другом, длину суженных зон коммутационных плат выбирают достаточной для сжатия, расжатия, изгиба в любой плоскости и ограниченного вращения трехмерного гибкого электронного модуля относительно продольной оси без нарушения электрических связей между составными частями модуля. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что оболочка модуля выполнена в виде гибкой теплопроводной конструкции. 3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один электронный компонент и/или микроплата имеет зону, расположенную в зазоре между коммутационными платами, через которую осуществляется тепловой контакт с внешней оболочкой трехмерного гибкого электронного модуля. 4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один электронный компонент и/или микроплата содержит теплоотвод, проходящий в зазор между коммутационными платами и имеющий непосредственный тепловой контакт одновременно с тепловыделяющим компонентом и с внешней оболочкой трехмерного гибкого электронного модуля. 5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что подложка корпусного и/или бескорпусного электронного компонента и/или микроплаты выполнена преимущественно из материала с высокой теплопроводностью. 6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что ширину коммутационных плат делают меньше ширины контактируемых с ними корпусных или бескорпусных электронных компонентов или микроплат на такую величину, чтобы при максимальном раздвижении сопрягающихся корпусных и/или бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат обеспечить зазор между коммутационными платами, по размерам достаточный для извлечения корпусного или бескорпусного электронного компонента или микроплаты в случае их замены. 7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один бескорпусной компонент или микроплата, расположенные на торце трехмерного гибкого электронного модуля, имеют в своем составе по меньшей мере один датчик, чувствительный к воздействию внешней среды. 8. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один корпусной и/или бескорпусной компонент и/или микроплата имеют в своем составе передающий узел для связи с внешним приемником. 9. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один корпусной и/или бескорпусной компонент и/или микроплата имеют в своем составе приемник для связи с внешним передатчиком. 10. Модуль по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна микроплата, расположенная на торце трехмерного гибкого электронного модуля, имеет в своем составе по меньшей мере один исполнительный механизм для производства механических или других физических действий. 11. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в его состав входит автономный источник питания, выполненный в виде одной или нескольких микроплат.