УСТРОЙСТВО, СОСТОЯЩЕЕ ИЗ ПОДЛОЖКИ ДЛЯ МОЩНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ТЕПЛООТВОДА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2003 года по МПК H05K7/20 

Уровень техники
Изобретение относится к устройству, состоящему из подложки для мощных компонентов электрической схемы и теплоотвода, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, а также к способу изготовления такого устройства.

Устройство вышеуказанного типа уже известно, например, из DE 19528632 А1. В качестве подложки в этом устройстве используется печатная плата, на верхней стороне которой выполнена электрическая схема, содержащая по меньшей мере один мощный схемный компонент, выделяющий в процессе работы сравнительно большое количество тепла. Под мощными схемными компонентами на печатной плате имеются межслойные соединения, которые отводят к нижней стороне этой печатной платы тепло, выделяемое мощными схемными компонентами. Между нижней стороной печатной платы и корпусом блока управления, служащим теплоотводом, расположен теплопроводящий наполнитель. При работе устройства тепло, выделяемое мощными схемными компонентами, отводится через межслойные соединения к нижней стороне печатной платы, а оттуда через теплопроводящий наполнитель - к корпусу, служащему теплоотводом. Недостаток этого устройства состоит в том, что токопроводящие дорожки (или полоски) на нижней стороне печатной платы в процессе сборки, когда печатную плату устанавливают в корпус блока управления, могут соприкоснуться с теплоотводом. Обусловленное таким соприкосновением короткое замыкание может повредить или даже разрушить чувствительные электронные компоненты схемы, выполненной на печатной плате.

Далее, в DE 19723409 описано устройство с подложкой и теплоотводом. В этом устройстве на верхней стороне печатной платы мощный схемный компонент смонтирован на печатном проводнике большой площади, который межслойными соединениями соединен с печатным проводником также большой площади на нижней стороне печатной платы. На нижнюю сторону печатной платы под расположенный на ней печатный проводник большой площади нанесен металлический слой, который отделен от этого проводника изоляционным слоем и который в свою очередь через используемую при групповой пайке маску для защиты от припоя контактирует с выполняющей функцию теплоотвода корпусной деталью блока управления. Хотя в таком устройстве благодаря изоляционному слою и предотвращается электрический контакт между печатными проводниками и теплоотводом, тем не менее недостаток этого устройства следует усматривать в том, что изоляционный слой и дополнительный металлический слой затрудняют непосредственную передачу тепла к теплоотводу, увеличивают габариты этого устройства, а также удорожают процесс изготовления последнего.

Преимущества изобретения
Преимущество предлагаемого решения с отличительными признаками п.1 формулы изобретения состоит в том, что оно позволяет устранить недостатки, присущие известному устройству. Согласно изобретению на противоположной мощным схемным компонентам стороне подложки предлагается предусмотреть распорки, а промежуток между подложкой и теплоотводом заполнить теплопроводящим наполнителем, при этом преимущество такого решения заключается в том, что, во-первых, достигается эффективная теплопередача от подложки к теплоотводу, а, во-вторых, надежно предотвращается нежелательный электрический контакт между находящимися на этой стороне подложки токопроводящими печатными проводниками и теплоотводом. Кроме того, предлагаемое в изобретении решение позволяет сделать устройство очень компактным. При этом сокращаются расходы на изготовление устройства, поскольку отсутствует необходимость в дополнительных слоях, таких как, например, дополнительный изоляционный слой или дополнительный металлический слой, нанесенный на этот изоляционный слой.

Кроме того, особенно предпочтительно выполнять распорки в виде проводящих плоских элементов на нижней стороне подложки и покрывать их определенным количеством припоя, при этом для изготовления таких распорок и прежде всего при двухстороннем монтаже на подложке отпадает необходимость в дополнительной технологической операции. Такие проводящие плоские элементы можно изготавливать и покрывать припоем совместно с контактными площадками, предназначенными для подсоединения электронных схемных компонентов, монтируемых на нижней стороне подложки.

Далее, на противоположную мощным схемным компонентам сторону подложки предлагается наносить слой резиста для защиты от припоя, при этом такой резист препятствует случайному попаданию припоя при его нанесении на не предназначенные для него места.

Если мощный схемный компонент и теплоотвод находятся под одним потенциалом, то проводящие плоские элементы предпочтительно выполнять непосредственно на втором печатном проводнике большой площади за одно целое с ним, что позволяет улучшить теплопередачу.

Кроме того, в качестве теплопроводящего наполнителя, заполняющего промежуток между подложкой и теплоотводом, предпочтительно использовать теплопроводящий клей или теплопроводящую клейкую пленку, которые обеспечивают также механическое крепление подложки к теплоотводу.

Прилегающие к теплоотводу распорки предпочтительно также использовать в качестве электрических выводов для соединения подложки через теплоотвод с "массой" и для улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС).

В изобретении предлагается также способ изготовления устройства, состоящего из подложки и теплоотвода. Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что при его осуществлении и прежде всего в случае использования подложек, предназначенных для двухстороннего монтажа, не требуются дополнительные технологические операции. Проводящие плоские элементы могут быть изготовлены совместно с печатными проводниками, выполняемыми на второй стороне подложки. Необходимое для формирования распорок нанесение припоя на проводящие плоские элементы можно проводить одноврменно с нанесением припоя на контактные площадки, предназначенные для подсоединения электронных схемных компонентов, что делает способ особенно экономичным, поскольку изготовление распорок практически не связано с дополнительными затратами.

Припой предпочтительно наносить в виде пасты на проводящие плоские элементы печатным методом, поскольку такая технология наиболее пригодна для нанесения определенного количества припоя и позволяет легко управлять этим процессом. На последующей стадии пайки оплавлением припоя последний, расплавляясь, образует распорки, высота которых определяется количеством этого нанесенного припоя. Эту стадию пайки оплавлением припоя предпочтительно проводить совместно с аналогичной пайкой оплавлением припоя, используемой для соединения компонентов поверхностного монтажа (ПМ-компонентов) с контактными площадками на подложке.

Наиболее целесообразно сначала нанести на теплоотвод теплопроводящий клей или наклеить на него теплопроводящую клейкую пленку, а затем при сборке подложки с этим покрытым клеем, соответственно клейкой пленкой, теплоотводом прижать ее к последнему с таким усилием, чтобы распорки вдавились в клей, причем эти распорки можно вдавить и на такую глубину, чтобы они контактировали своим слоем припоя с теплоотводом.

Чертежи
Ниже изобретение более подробно поясняется на примере нескольких вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - упрощенный вид в поперечном сечении известного из уровня техники устройства с изоляционным слоем и дополнительной медной пластиной,
на фиг.2 - упрощенный вид в поперечном сечении предлагаемого в изобретении устройства и
на фиг.3 - упрощенный вид в поперечном сечении предлагаемого устройства согласно второму варианту выполнения.

Описание вариантов выполнения
На фиг.1 показано известное устройство для отвода выделяемого мощным компонентом электрической схемы тепла в блоке управления. На первой, верхней, стороне 8 печатной платы 2 имеется первый печатный проводник 10 большой площади, а на второй, нижней, стороне 9 - второй печатный проводник 11 также большой площади. Первый печатный проводник 10 и второй печатный проводник 11 соединены друг с другом несколькими проходящими сквозь печатную плату межслойными соединениями 4, обеспечивающими эффективную теплопередачу между этими проводниками. На первом печатном проводнике 10 смонтирован мощный схемный компонент 3, например компонент поверхностного монтажа (ПМ-компонент), выводы 14 которого электрически соединены с другими печатными проводниками 12, выполненными на верхней стороне 8 печатной платы 2 и изолированными от печатного проводника 10. Для упрощения на чертеже показан только один такой печатный проводник 12. На нижней стороне 9 также расположены другие токопроводящие дорожки 13, которые расположены изолированно от второго печатного проводника 11. Кроме того, на нижней стороне 9 предусмотрены другие, не показанные на чертеже ПМ-компоненты, которые припаяны к не показанным контактным площадкам на нижней стороне печатной платы. Далее, снизу ко второму печатному проводнику 11 и токопроводящим дорожкам 13 через электроизоляционный теплопроводящий слой 5 примыкает медная пластина 6, служащая теплостоком. Медная пластина 6 в свою очередь покрыта слоем резиста (лака) 15 для защиты от припоя, который при нанесении припоя на контактные площадки для ПМ-компонентов препятствует осаждению этого припоя на медную пластину. Ниже слоя этого резиста 15 расположен слой наполнителя из теплопроводящего клея 7, нанесенного на служащую теплоотводом нижнюю корпусную деталь 1 корпуса блока управления. Кроме того, согласно известному решению медную пластину можно также прижимать непосредственно к теплоотводу с помощью резьбовых крепежных элементов. В любом случае выделяемое мощным схемным компонентом 3 тепло отводится через межслойные соединения к печатному проводнику 11 и далее через изоляционный слой 5 - к медной пластине 6. От медной пластины тепло через слой резиста 15 передается на теплоотвод 1 либо напрямую, либо через слой теплопроводящего клея 7. Если бы печатная плата 2 непосредственно соприкасалась с теплоотводом, т.е. если бы не были предусмотрены изоляционный слой 5 и служащая теплостоком медная пластина 6, то короткое замыкание между токопроводящими дорожками 13 могло бы привести к повреждению схемных компонентов. Однако недостаток устройства, показанного на фиг. 1, состоит прежде всего в том, что для нанесения изоляционного слоя 5 и установки дополнительной медной пластины 6 требуются две дополнительные отдельные технологические операции.

На фиг. 2 показано предлагаемое в изобретении устройство, служащее для отвода тепла от мощного схемного компонента и устанавливаемое предпочтительно в электронный блок управления транспортного средства. В таком устройстве по меньшей мере один мощный схемный компонент, например мощный полупроводниковый прибор, смонтирован на печатном проводнике 10 большой площади на верхней стороне 8 подложки 2, которая может представлять собой печатную плату, гибридную ИС и т.п. и которая служит основанием, на котором монтируются электронные компоненты электрической схемы и выполняется проводящий рисунок. В показанном на фиг.2 варианте выполнения подложка 2 представляет собой печатную плату с двухсторонним монтажом. Как показано далее на фиг.2, вывод 14 мощного схемного компонента 3 электрически соединен с изолированным от печатного проводника 10 присоединительным печатным проводником 12 на верхней стороне 8 печатной платы 2. На нижнюю сторону 9 печатной платы 2 нанесен второй печатный проводник 11 большой площади, который межслойными соединениями 4, обеспечивающими передачу тепла, соединен с первым печатным проводником 10 на верхней стороне 8. Кроме того, на нижней стороне 9 предусмотрены и другие, но не показанные на чертеже печатные проводники электрической схемы, а также некоторые контактные площадки для ПМ-компонентов. Согласно фиг. 2 на нижней стороне 9 печатной платы 2 предусмотрены также токопроводящие плоские элементы 17, которые могут быть изготовлены на нижней стороне печатной платы вместе с остальными печатными проводниками и контактными площадками и из того же самого материала. Указанные плоские элементы можно изготовить по обычной технологии. В показанном на фиг.2 варианте выполнения напряжение от мощного схемного компонента 3 через межслойные соединения 4 передается на второй печатный проводник 11 большой площади. Поэтому токопроводящие плоские элементы 17 расположены на подложке изолированно от печатного проводника 11. Далее, на нижнюю сторону 9 печатной платы известным образом нанесен слой резиста 15 для защиты от припоя, причем места расположения плоских элементов 17 и не показанных контактных площадок для ПМ-компонентов оставлены свободными, не покрытыми слоем этого резиста. При изготовлении показанного на фиг.2 устройства печатную плату 2 устанавливают нижней стороной 9 вверх, а затем в ходе выполнения соответствующей технологической операции на нее печатным методом наносят припойную пасту. При этом на плоские элементы 17 и на контактные площадки для ПМ-компонентов наносят припой. Резист 15 препятствует попаданию припоя на другие части схемы. После нанесения припоя печатным методом печатную плату 2 подают в устройство для монтажа навесных элементов на печатную плату, которое вдавливает ПМ-компоненты в нанесенную на контактные площадки припойную пасту на обращенной вверх нижней стороне 9 печатной платы. Затем печатную плату подают на установку пайки оплавлением, в которой припой расплавляется. При этом предпочтительно, чтобы одновременно с припаиванием ПМ-компонентов к контактным площадкам происходило образование распорок 17-18. Достигается это благодаря тому, что нанесенный печатным методом на токопроводящие плоские элементы 17 припой 18, расплавляясь в печи для пайки оплавлением припоя, под действием поверхностного натяжения на плоских элементах 17 образует бугорки или скругленные выступы определенной величины, форма которых зависит только от размера этих токопроводящих плоских элементов 17 и количества нанесенного печатным методом припоя. Описанный способ позволяет прежде всего выполнять все распорки с одинаковой, точно заданной высотой. Особое преимущество при этом заключается в том, что для изготовления распорок отпадает необходимость в дополнительной технологической операции, поскольку на печатные платы с двухсторонним монтажом в любом случае необходимо наносить припойную пасту печатным методом и подвергать их пайке оплавлением припоя. Однако вместо вышеописанного способа изготовления токопроводящие плоские элементы можно также смачивать расплавленным припоем, например, в ванне для пайки волной припоя. Существенным является лишь то, что распорки получают точно заданной высоты. После изготовления распорок 17-18 на теплоотвод 1 с помощью дозатора наносят слой теплопроводящего клея 7. В другом варианте вместо клея можно использовать клейкую с двух сторон теплопроводящую пленку. Теплоотводом обычно служит корпусная деталь блока управления, например нижняя корпусная деталь. Печатную плату 2 обращенной к теплоотводу 1 нижней стороной 9 накладывают на слой клея и прижимают к теплоотводу 1 с таким усилием, чтобы распорки 17-18 вдавились в клей 7. При этом они могут соприкасаться с теплоотводом 1, удерживая тем самым нижнюю сторону печатной платы на минимальном расстоянии от теплоотвода. Схемные компоненты, смонтированные на нижней стороне печатной платы, размещаются при этом в не показанном на фиг.2 ваннообразном углублении в нижней корпусной детали корпуса блока управления. Благодаря распоркам 17-18 между нижней стороной печатной платы и теплоотводом образуется определенный зазор, который, как показано на фиг. 2, полностью заполнен клеем 7. Поскольку распорки можно выполнить определенной малой высоты, для указанного зазора можно также подобрать минимальную ширину, при которой теплоотвод еще не будет касаться нижней стороны печатной платы, а теплопередача к нему будет оптимальной.

Устройство, показанное на фиг.2, можно изготовить и иным способом, отличным от описанного выше, при этом, например, печатную плату 2 с распорками 17-18 можно сначала установить на теплоотвод и лишь затем заполнить зазор между нижней стороной печатной платы и теплоотводом клеем, обладающим способностью к капиллярному течению.

Распорки 17-18 также могут служить для ЭМС-защиты (электромагнитной совместимости) устройства. Поскольку распорки выполнены из токопроводящего материала, они обеспечивают электрический контакт с теплоотводом, т.е. распорки и теплоотвод находятся под одним и тем же потенциалом. Если по меньшей мере некоторые из токопроводящих плоских элементов 17 соединить с печатными проводниками электрической схемы, то через распорки печатную плату можно наикратчайшим и, следовательно, характеризующимся малым излучением путем электрически замкнуть на "массу", т.е. на корпус.

Еще один вариант выполнения предлагаемого устройства показан на фиг.3. На этом чертеже и на фиг.2 одинаковые детали и элементы обозначены одинаковыми позициями. Показанное на фиг.3 устройство отличается от устройства по фиг. 2 тем, что мощный схемный компонент 3 и теплоотвод находятся под одним потенциалом. Поэтому в варианте по фиг.3 токопроводящие плоские элементы 17 предпочтительно интегрировать непосредственно во второй печатный проводник 11 подложки 2. На вторую сторону 9 подложки 2 нанесен в виде маски резист 15 для защиты от припоя, в слое которого имеются отверстия, которыми определяются контуры токопроводящих плоских элементов 17, которыми в этом варианте служит нижняя поверхность печатного проводника 11, обращенная к теплоотводу. На этих плоских элементах при изготовлении предлагаемого устройства по описанной выше технологии образуются скругленные выступы из припоя 18. Затем подложку, нанеся на нее предварительно слой клея 7, накладывают на теплоотвод 1. Поскольку мощный схемный компонент 3, печатный проводник 11 и теплоотвод 1 находятся под одним потенциалом, распорки 17-18 не создают короткого замыкания. Расположение выступов из припоя 18 непосредственно на втором печатном проводнике 11 позволяет улучшить теплопередачу в сравнении с вариантом по фиг.2.

В изобретении описано устройство, состоящее из подложки и теплоотвода, причем подложка имеет на первой стороне по меньшей мере один мощный схемный компонент, смонтированный на первом печатном проводнике большой площади, а на второй стороне, противоположной стороне размещения мощного схемного компонента, имеет второй печатный проводник большой площади, который теплопроводящими межслойными соединениями соединен с первым печатным проводником, при этом подложка второй стороной установлена на теплоотводе с обеспечением теплопроводного контакта между ними. С целью обеспечить в таком устройстве эффективную теплопередачу от подложки к теплоотводу и одновременно предотвратить нежелательный электрический контакт между находящимися под напряжением печатными проводниками в изобретении предлагается устанавливать подложку на теплоотвод с расположенными на ее второй стороне распорками, которые удерживают эту подложку на заданном расстоянии от теплоотвода, при этом зазор между подложкой и теплоотводом, ширина которого определяется указанным расстоянием, заполняют теплопроводящим наполнителем. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство, предназначенное прежде всего для применения в электронном блоке управления и состоящее из подложки (2) и теплоотвода (1), причем подложка (2) имеет на первой стороне (8) по меньшей мере один мощный схемный компонент (3), смонтированный на первом печатном проводнике (10) большой площади, а на второй стороне (9), противоположной стороне размещения мощного схемного компонента (3), имеет второй печатный проводник (11) большой площади, при этом первый печатный проводник (10) и второй печатный проводник (11) соединены друг с другом по меньшей мере одним теплопроводящим межслойным соединением (4), а подложка (2) второй стороной (9) установлена на теплоотводе (1) с обеспечением теплопроводного контакта между ними, отличающееся тем, что подложка (2) контактирует с теплоотводом (1) через расположенные на ее второй стороне (9) распорки (17-18), которые удерживают эту подложку (2) на заданном расстоянии от теплоотвода (1), при этом зазор между подложкой (2) и теплоотводом (1), ширина которого определяется указанным расстоянием, заполнен теплопроводящим наполнителем (7). 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что распорки образованы проводящими плоскими элементами (17), расположенными на второй стороне (9) подложки (2), и припоем (18), определенным количеством которого покрыты эти проводящие плоские элементы (17). 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вторая сторона (9) подложки (2) покрыта слоем резиста (15) для защиты от припоя с оставлением свободными по меньшей мере тех участков, на которых расположены проводящие плоские элементы (17). 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что мощный схемный компонент (3) и теплоотвод (1) находятся под одним электрическим потенциалом, а проводящие плоские элементы (17) образованы той стороной второго печатного проводника (11) большой площади, которая обращена к теплоотводу (фиг. 3). 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящего наполнителя (7) используется отверждаемый теплопроводящий клей или клейкая с двух сторон теплопроводящая пленка. 6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что места контакта между покрытыми припоем (18) проводящими плоскими элементами (17) и теплоотводом (1) одновременно служат для соединения подложки (2) через теплоотвод с "массой". 7. Способ изготовления устройства, состоящего из подложки (2) и теплоотвода (1), причем подложка (2) имеет на первой стороне (8) по меньшей мере один мощный схемный компонент (3), смонтированный на первом печатном проводнике (10) большой площади, а на второй стороне (9), противоположной стороне размещения мощного схемного компонента (3), имеет второй печатный проводник (11) большой площади, при этом первый печатный проводник (10) и второй печатный проводник (11) соединяют друг с другом по меньшей мере одним теплопроводящим межслойным соединением (4), а подложку (2) второй стороной (9) устанавливают на теплоотвод (1) с обеспечением теплопроводного контакта между ними, отличающийся тем, что вторую сторону (9) подложки подготавливают к выполнению на ней проводящих плоских элементов (17), затем на вторую сторону (9) подложки (2) наносят слой резиста (15) для защиты от припоя, оставляя свободными по меньшей мере те участки, на которых расположены проводящие плоские элементы (17), после чего проводящие плоские элементы (17) покрывают определенным количеством припоя (18) с получением распорок (17-18), высота которых определяется количеством нанесенного припоя, и подложку (2) устанавливают распорками (17-18) на теплоотвод (1), заполняя при этом зазор между второй стороной (9) подложки (2) и теплоотводом (1) теплопроводящим наполнителем (7). 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что припой (18) наносят в виде пасты на проводящие плоские элементы (17) печатным методом и на следующей стадии подложку (2) помещают в соответствующее устройство для пайки оплавлением припоя, где происходит оплавление припоя с получением распорок (17-18). 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что на теплоотвод (1) вначале в качестве теплопроводящего наполнителя (7) наносят теплопроводящий отверждаемый клей либо клейкую с двух сторон теплопроводящую пленку, а затем подложку (2) устанавливают на покрытый клеем (7) теплоотвод таким образом, что распорки (17-18) вдавливаются в слой этого клея (7), при этом они слоем припоя (18) могут соприкасаться с теплоотводом (1).