ES2229727T3 - Dispositivo de control termico y metodo de fabricacion de tal dispositivo. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de control térmico que comprende carbono anisotrópico encapsulado en un material de encapsulación que se aplica directamente al carbono anisotrópico, en el que el carbono anisotrópico es grafito pirolítico o grafito pirolítico termalizado.

Description

Dispositivo de control térmico y método de fabricación de tal dispositivo.

La presente invención se refiere a un dispositivo de control térmico para controlar la disipación de calor en, por ejemplo, equipo electrónico, y un método de fabricación de tal dispositivo. En particular, la invención se refiere a un dispositivo de control térmico que tiene alimentación eléctrica mediante capacidad y que puede actuar como una interfaz directa para los elementos activos.

Los dispositivos electrónicos y eléctricos son fuentes de energía y de calor. Tal como es bien conocido, para proporcionar un funcionamiento fiable de tales dispositivos, es necesario mantener condiciones y temperaturas de funcionamiento estables. Por tanto, son esenciales métodos eficaces para el control del calor y la disipación. Normalmente, esto se hace proporcionando dispositivos de control térmico que se disponen adyacentes y en contacto con el dispositivo electrónico o tarjeta de circuito. El calor generado en el circuito se transfiere y se disipa en el dispositivo de control térmico. Para una eficacia óptima, es deseable que las estructuras de control térmico tengan la mayor conductividad térmica posible, una conectividad externa eficaz y una resistencia mecánica apropiada.

Para lograr estos objetivos en aplicaciones que necesitan calor, algunos dispositivos conocidos encapsulan materiales de alta conductividad térmica en estructuras compuestas. Sin embargo, estos dispositivos a menudo sólo consiguen un rendimiento limitado, con pérdidas significativas de conductividad, normalmente del 40%, y aumentos en masa y en volumen. Ejemplos de tales estructuras se describen en los documentos EP 0.147.014, EP 0.428.458, US 5.296.310, US 4.791.248 y EP 0.231.823. Los mejores sistemas de control térmico disponibles en la actualidad tienen conductividades que normalmente no superan los 1.000 W/mK.

Las tecnologías actuales no proporcionan un control térmico que sea suficiente en muchas aplicaciones, mientras que al mismo tiempo proporcionan una interconexión eléctrica eficaz entre las capas o lados de las tarjetas de circuito. Otro problema es que la masa y el volumen de los sistemas de control térmico conocidos son relativamente grandes. Esto afecta al tamaño global de los sistemas electrónicos en los que se incorporan tales dispositivos. Hoy en día, cuando el avance general de la industria electrónica va hacia la miniaturización, esto es sumamente desventajoso.

Los sistemas de control térmico a menudo se usan como sustratos para soportar circuitos electrónicos híbridos. En una disposición conocida, se usa berilia (óxido de berilio) como disipador de calor, Ésta tiene una conductividad térmica de aproximadamente 280 W/mK a temperatura ambiente. En la parte superior de ésta, hay una capa de material dieléctrico en la que se forman posteriormente contactos de oro, para permitir así la conexión con otros circuitos eléctricos. Una desventaja de esta disposición es que la berilia es un material peligroso, de hecho es cancerígeno, y generalmente es difícil de tratar. Además, el material dieléctrico tiende a ser grueso haciendo así la estructura general voluminosa. Además, en parte debido al uso de oro como material de contacto, la estructura general es cara de fabricar.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de control térmico que tenga una alta conductividad térmica pero una masa y un volumen bajos.

La invención se expone en las reivindicaciones. Preferiblemente, el material de encapsulación se aplica directamente al carbono y puede mejorar la rigidez del carbono, preferiblemente en el que el material de encapsulación es poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster o cualquier otro polímero adecuado.

Preferiblemente, el carbono anisotrópico tiene un ordenamiento en mosaico o total.

Preferiblemente, cuando el carbono anisotrópico es grafito pirolítico termalizado, tiene ordenamiento en mosaico o total. El grafito pirolítico termalizado puede tener una conductividad térmica en el plano de 1550 - 1850 W/mK a aproximadamente temperatura ambiente. Normalmente, el grafito pirolítico termalizado tiene un bajo valor de resistencia a la tracción en la dirección ortogonal.

Cuando el carbono anisotrópico es grafito pirolítico, el grafito pirolítico puede estar en una forma "tal como se deposita" o parcialmente ordenada. La conductividad del grafito pirolítico puede estar en el intervalo de 300 - 420 W/mK en un plano. La resistencia a la tracción de la placa puede ser de 1,5 Ksi en el plano ortogonal.

Preferiblemente, el carbono anisotrópico es una placa. Preferiblemente, la placa de carbono tiene un espesor en el intervalo de 100 - 500 \mum. La placa de carbono puede tener un espesor en el intervalo de 200 - 250 \mum o de 250 - 300 \mum o de 300 - 350 \mum o de 350 - 400 \mum o de 400 - 450 \mum o de 450 - 500 \mum.

Preferiblemente, el material que encapsula al carbono tiene un bajo coeficiente de dilatación térmica y una alta temperatura de degradación, tal como una poliimida, por ejemplo, PI 2734 proporcionada por DuPont (marca comercial), en la que el coeficiente de dilatación térmica es de aproximadamente 13 ppm/C y la temperatura de degradación es de aproximadamente 500ºC.

La capa de recubrimiento puede tener un espesor en el intervalo de desde algunas micras hasta muchas decenas de micras. Pueden formarse múltiples capas de recubrimiento sobre el carbono con el fin de obtener un espesor deseado.

Puede formarse una matriz de agujeros finos, preferiblemente de 200 \mum de diámetro, a través de la placa de carbono, antes de la encapsulación. Estos agujeros se llenan durante la encapsulación de la placa. Una ventaja de esto es que reduce la posibilidad de delaminación interna.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema eléctrico tal como se expone en las reivindicaciones.

Los dispositivos pueden depositarse directamente sobre la superficie o pueden pegarse usando, por ejemplo, una capa fina de cola líquida. Preferiblemente, los dispositivos se encapsulan en poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster o cualquier otro polímero adecuado.

Preferiblemente, se proporciona una pluralidad de capas de componentes eléctricos, estando separada cada una por capas de poliimida. Normalmente, los contactos eléctricos están hechos de metal en película fina, por ejemplo, aluminio.

Según un tercer aspecto de la presente invención se proporciona un método de fabricación de un dispositivo de control térmico, tal como se expone en las reivindicaciones, siendo preferiblemente el material de encapsulación de tal manera que mejore la rigidez del carbono.

El método puede suponer adicionalmente curar el material de encapsulación.

Preferiblemente, la etapa de aplicación supone cepillar, aplicar un rodillo, sumergir, pulverizar, hacer rotar, estampar o serigrafiar. Preferiblemente, para la poliimida, que consiste en un componente único, la etapa de aplicación del recubrimiento supone cepillar la poliimida o aplicarla usando un rodillo. Para la aplicación en fase sólida puede usarse una colada. Esto requiere que se aplique una lámina previamente polimerizada del material de encapsulación directamente sobre la superficie limpia. Esto puede ser útil cuando se requieren dispositivos de control térmico sencillos sin agujeros internos. Preferiblemente, el carbono y la colada se comprimen a vacío y a alta temperatura.

Preferiblemente, la etapa de aplicación supone aplicar múltiples capas del material de encapsulación, tal como poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster o cualquier otro polímero adecuado, hasta que se alcance un espesor deseado.

Preferiblemente, el método supone limpiar una superficie de carbono para obtener así dicha superficie de carbono limpia.

Preferiblemente, la etapa de limpieza supone usar polvo de piedra pómez en agua para eliminar los materiales sueltos, seguido por secado. Preferiblemente, la etapa de secado supone secar el carbono mediante secado en horno de la superficie de carbono para eliminar la humedad, por ejemplo, a 100ºC durante una hora.

Preferiblemente, la etapa de limpieza incluye desengrasar el carbono, por ejemplo, enjuagándolo con acetona.

Cuando se usa poliimida, es preferible que la etapa de curado suponga calentar el carbono hasta 150ºC durante, por ejemplo, 1 hora y posteriormente someter la tarjeta a un ciclo de temperatura de 150ºC durante 30 minutos, 250ºC durante 30 minutos y finalmente 300ºC durante 30 minutos.

En el caso de la resina epoxídica, ésta puede consistir en un único componente o de lo contrario, puede ser una mezcla de dos componentes. Para el tipo de componente único, puede llevarse a cabo entonces un encolado de dos fases secando en primer lugar la cola para eliminar el disolvente a una temperatura dada (normalmente de aproximadamente 120ºC) y formar una fase sólida, y después calentándola a una temperatura superior, normalmente de aproximadamente 180ºC, para completar la polimerización. En el caso de la resina epoxídica de dos componentes, el mezclado inicial de los componentes hace que comience el proceso de polimerización y el proceso puede necesitar entonces cualquier cantidad de tiempo entre minutos y varias horas para que se complete el proceso, dependiendo de la resina epoxídica particular.

Preferiblemente, el método comprende además perforar el carbono con al menos un agujero antes de la aplicación del material de encapsulación. El al menos un agujero puede llenarse completamente con material de encapsulación. Los agujeros pueden llenarse con material de encapsulación que se mezcla con esferas de fibra de vidrio, teniendo cada esfera normalmente un diámetro de 30 \mum. Este proceso puede llevarse a cabo antes de que se use el recubrimiento de poliimida pura para encapsular la superficie de la placa y puede mejorar la uniformidad del espesor del recubrimiento a través de la superficie de la placa, evitando la posibilidad de que se produzca adelgazamiento alrededor de los bordes de los agujeros iniciales en las placas. En cualquier caso, una vez completado el proceso de encapsulación, dicho al menos un agujero se vuelve a perforar, para proporcionar así un agujero pasante que está aislado eléctricamente del núcleo de carbono.

Preferiblemente, se aplica una capa de material conductor al, al menos, un agujero para producir conexiones eléctricas, para permitir así conexiones eléctricas a través del carbono. Preferiblemente, el material conductor es un metal, por ejemplo, aluminio en película fina. Alternativamente, los bordes que definen el al menos un agujero pueden recubrirse con el material de encapsulación de tal manera que se mantenga un canal a través del carbono, para evitar así que se tenga que realizar la etapa de perforación a través del material de encapsulación.

El método puede suponer además formar una matriz de agujeros finos a través del carbono. Naturalmente, estos agujeros están llenos cuando la placa está completamente encapsulada.

Según un cuarto aspecto de la presente invención, se proporciona un método de fabricación de un componente eléctrico, tal como se expone en las reivindicaciones.

La etapa de depósito puede suponer fabricar los dispositivos directamente sobre la superficie o formar los dispositivos o un circuito de múltiples capas de película fina que contiene los dispositivos separadamente de la superficie de carbono y fijarlos a esa superficie. Preferiblemente, la etapa de fijación supone aplicar cola a los dispositivos o al circuito o a la superficie de carbono y prensar juntos los dispositivos o el circuito y la superficie a temperatura ambiente y a bajo vacío.

Preferiblemente, los contactos eléctricos se aplican usando técnicas de tratamiento de película fina, usando por ejemplo aluminio.

Ahora se describirán diversos dispositivos y métodos en los que se realiza la presente invención, a modo de ejemplo únicamente y con referencia a los dibujos siguientes, de los que:

La figura 1 es un corte transversal a través de una placa de carbono;

la figura 2 es un corte transversal a través de una placa que se ha recubierto parcialmente con un material de encapsulación, tal como poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster o cualquier otro polímero adecuado;

la figura 3 es un corte transversal a través de una placa que se ha encapsulado completamente con el material de encapsulación;

la figura 4 es un corte transversal a través de la placa de carbono que se ha perforado con agujeros;

la figura 5 es un corte transversal similar al de la figura 4, excepto en que la placa se ha recubierto con material de encapsulación;

la figura 6 es un corte transversal similar al de la figura 5, excepto en que se han formado agujeros a través del material de encapsulación;

la figura 7 es un corte transversal similar al de la figura 6, en el que la placa se ha recubierto con metal;

la figura 8 es un corte transversal similar al de la figura 7, en el que se han grabado estructuras de interconexión en ambos lados de la placa;

la figura 9 es un corte transversal a través de una placa similar al mostrado en la figura 3, sobre el que se ha fabricado directamente un circuito eléctrico de múltiples capas;

la figura 10 es un corte transversal similar al de la figura 9, pero en este caso el circuito eléctrico de múltiples capas se ha fijado a una superficie de la placa de carbono usando resina epoxídica;

la figura 11 es similar a la figura 10, excepto en que el circuito eléctrico de múltiples capas está montado usando resina epoxídica sobre una superficie de una placa de carbono que se ha recubierto con poliimida;

la figura 12 es un corte transversal a través de una estructura que es similar a la de la figura 9, excepto en que se incluye una capa de compensación en el lado posterior de la estructura;

la figura 13 es un corte transversal a través de una estructura que es similar a la de la figura 11, excepto en que se incluye una capa de compensación en el lado posterior, y

la figura 14 es una vista desde arriba de una placa de carbono grande, sobre la que hay una pluralidad de sitios tratados.

La figura 1 muestra una placa 10 de carbono. Éste es normalmente grafito pirolítico termalizado con ordenamiento en mosaico o total, con una conductividad térmica en el plano (indicada por la flecha A) de 1550 - 1850 W/mK y una conductividad térmica de 8 - 25 W/mK en la dirección ortogonal (indicada por la flecha B), teniendo ambas direcciones valores bajos de resistencia a la tracción. Este material es quebradizo, se rompe fácilmente y por tanto, generalmente es difícil de manejar. Además, debido a su blandura inherente y a su naturaleza estratificada, cualquier contacto con este material da como resultado que pequeñas trazas de él se transfirieran a la superficie que toca. Esto es desventajoso en circuitos eléctricos donde cualquier fragmento o trozo aislado del material conductor puede dar como resultado la formación de cortocircuitos.

La placa 10 puede ser alternativamente grafito pirolítico en una forma "tal como se deposita" o parcialmente ordenada. Este material es anisotrópico y normalmente tiene una conductividad térmica en la región de 300 - 420 W/mK en un plano (indicado generalmente por la flecha A en la figura 1) y 3 W/mK en la dirección ortogonal (indicada por la flecha B en la figura 1) con resistencias a la tracción respectivas de 14 Ksi y 1,5 Ksi.

La placa 10 puede tener un espesor en el intervalo de 100 - 500 \mum, preferiblemente 200 \mum, aunque podría tener cualquier espesor adecuado para una aplicación dada.

Con el fin de formar una tarjeta de control térmico que tenga una alta conductividad térmica y que tenga la suficiente rigidez mecánica para permitir que los componentes eléctricos se monten sobre la misma, la placa 10 se recubre directamente con un material de encapsulación. Materiales de encapsulación adecuados incluyen poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster 12 o cualquier otro polímero tal que pueda aplicarse directamente a la superficie del carbono y pueda mejorar la rigidez de la placa sin reducir significativamente su conductividad térmica. Un ejemplo de una poliimida adecuada es PI 2734, proporcionada por DuPont (marca comercial).

Antes del recubrimiento, puede formarse una matriz de agujeros finos a través de la placa (no mostrada). El diámetro de los agujeros es normalmente de 200 \mum. Esto tiene la ventaja de reducir la posibilidad de delaminación interna.

Con el fin de llevar a cabo el proceso de encapsulación, la superficie de la placa 10 se cepilla en primer lugar en agua con polvo de piedra pómez, para eliminar así cualquier material suelto. La placa 10 se seca durante una hora a 100ºC y se desengrasa con, por ejemplo, acetona. Después, se aplica un recubrimiento de uno de los materiales de encapsulación, por ejemplo PI 2734, de aproximadamente 8 \mum de espesor a una superficie de la placa usando un cepillo y la placa 10 se calienta durante aproximadamente una hora a 150ºC para polimerizar parcialmente la poliimida. Esto da como resultado que un lado de la placa 10 está recubierto con la poliimida 12, tal como se muestra en la figura 2.

Las etapas anteriores se repiten entonces en cada lado de la placa 10 hasta que esté completamente encapsulada y se alcance el espesor deseado de la poliimida, tal como se muestra en la figura 3, formándose así una tarjeta 13 de control térmico. Generalmente, estas etapas se llevan a cabo sobre superficies alternas de manera que pueda conservarse la planitud de la tarjeta. En esta fase, es importante garantizar que todos los lados y bordes de la placa estén recubiertos. Sin embargo, si es necesario hacer contacto con el grafito por algún motivo, pueden dejarse pequeños agujeros en la poliimida, aunque estos se llenarían cuando se hiciera el contacto apropiado. Finalmente, la tarjeta 13 se somete a un ciclo térmico de manera que se cure. El ciclo térmico para una placa de carbono encapsulada mediante PI 2734 normalmente supone calentar la tarjeta 13 a 150ºC durante 30 minutos, a 200ºC durante 30 minutos, a 250ºC durante 30 minutos y a 300ºC durante 30 minutos. Si se requiere un alto nivel de planitud, entonces durante la fase de curado, las superficies de la tarjeta se comprimen dentro de una prensa a bajo vacío.

El proceso de encapsulación se adapta para adecuarse a la especificación y la forma geométrica de la estructura de control térmico requerida. Por ejemplo, si la forma geométrica del sustrato incluye agujeros internos y/o un perímetro complejo, con necesidad de recubrir uniformemente todas las superficies y bordes, se prefiere aplicar el material de encapsulación a las superficies limpias del carbono usando un cepillo o un rodillo. Esto permite que todas las superficies y bordes se recubran según sea necesario. Alternativamente, el sustrato podría recubrirse usando técnicas tales como la inmersión, la rotación, la pulverización, la estampación o la serigrafía. Las etapas de secado, calentamiento y prensado opcional a bajo vacío se llevan a cabo entonces de la misma forma y en el orden descritos previamente.

Las etapas de tratamiento para todos los materiales de encapsulación son esencialmente las mimas, pero tal como se apreciará, varían las temperaturas usadas para producir la polimerización parcial y el curado. Por ejemplo, en el caso de la resina epoxídica, si se usa el tipo G 10 FR4, una vez que el carbono está completamente encapsulado, se calienta normalmente hasta 180ºC durante aproximadamente una hora para curar la resina y formar así la tarjeta de control térmico. Si se requiere, pueden añadirse capas adicionales de resina epoxídica repitiendo las etapas de aplicar la resina y calentar la tarjeta para formar una capa de encapsulación del espesor requerido.

Según otra técnica de encapsulación que utiliza resina epoxídica, por ejemplo STYCAST (tipo 1266) que es una resina epoxídica de dos componentes, todas las etapas de tratamiento con resina pueden llevarse a cabo a temperatura ambiente. Esto minimiza las posibilidades de generar tensiones internas o delaminación interna del sustrato. Las preparaciones de las superficies del sustrato antes de la encapsulación se llevan a cabo tal como se describió anteriormente. La técnica de aplicar la resina epoxídica a la superficie del sustrato, usando por ejemplo serigrafía o un cepillo o rodillo, está determinada de nuevo por las mismas consideraciones de la geometría y la forma del sustrato.

En el caso del tratamiento a temperatura ambiente, donde los tiempos de curado pueden ser de entre minutos y varias horas, dependiendo de las propiedades de la resina epoxídica particular, el proceso de encapsulación normalmente tiene una secuencia de procedimientos de curado. Un entorno inicial de bajo vacío intensifica el desengrasado para producir un recubrimiento sin burbujas. Esto va seguido por la aplicación combinada a la tarjeta de un bajo vacío y una presión superficial alta. De esta forma, puede proporcionarse un alto nivel de planitud mecánica para la estructura de control térmico encapsulada.

El proceso de encapsulación de la placa 10 en uno cualquiera de los materiales de encapsulación descritos mantiene la conductividad térmica de la placa sustancialmente en su nivel anterior al recubrimiento. Por ejemplo, cuando se usa grafito pirolítico termalizado, la tarjeta de control térmico resultante tiene una conductividad térmica en el plano de normalmente 1700 W/mK a temperatura ambiente. Se apreciará que para temperaturas inferiores, es probable que la conductividad sea más alta. Esto es ventajoso. Otra ventaja del proceso de encapsulación del carbono es que la planitud de la tarjeta de control térmico puede mantenerse normalmente en más o menos 5 \mum a través de una placa que sea de 100 mm por 100 mm, siempre que el material original sea adecuadamente plano.

Utilizando el proceso de encapsulación descrito anteriormente es posible encapsular, por ejemplo, una placa 10 de grafito que tiene un espesor de 200 \mum en una capa de poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster que tiene un espesor en el intervalo de 8 - 30 \mum, preferiblemente de 15 \mum. Esto da como resultado una tarjeta 13 de control térmico que tiene un espesor total en el intervalo de 208 - 230 \mum. La encapsulación de la placa en esta cantidad de material da como resultado una tarjeta que tiene una resistencia a la tracción que es significativamente superior a la de la placa de carbono original, haciendo así la tarjeta suficientemente resistente para que se maneje fácilmente. Esto se realiza con un aumento en volumen y pérdida de conductividad térmica insignificantes. Esto es inesperado y ventajoso.

En muchas aplicaciones, los dispositivos de control térmico se intercalan entre capas de tarjetas de circuito impreso. Por tanto, es ventajoso poder permitir la interconexión eléctrica directa entre los lados opuestos del dispositivo. Con el fin de lograr esto en el presente caso, antes de la encapsulación, se forma una matriz de agujeros en la placa 10 de grafito mediante, por ejemplo, perforación. Esto se muestra en la figura 4. Los agujeros 14 deben tener cada uno un diámetro que sea mayor que el diámetro final deseado. Normalmente, el diámetro de los agujeros 14 formados en esta fase sería al menos 200 \mum más grande que el diámetro deseado. Naturalmente, los agujeros 14 pueden formarse en cualquier disposición adecuada. Entonces se aplica poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster 12 o cualquier otro polímero adecuado a la placa 10 con el fin de recubrir sus superficies y llenar los agujeros 14, tal como se muestra en la figura 5. Si se desea, los agujeros podrían llenarse de hecho con una mezcla del material de encapsulación, por ejemplo poliimida, y esferas de vidrio. Este proceso puede llevarse a cabo antes de que se use la poliimida pura para encapsular la superficie de la placa. Esto mejora la uniformidad del espesor del recubrimiento a través de la superficie de la placa, evitando la posibilidad de que se produzca adelgazamiento alrededor de los bordes de los agujeros iniciales. Una vez que la placa está completamente encapsulada, entonces se trata tal como se describió anteriormente para proporcionar así una tarjeta rígida y altamente conductora térmica.

Con el fin de proporcionar conexiones eléctricas a través de la tarjeta, los agujeros 14 llenos se vuelven a perforar para formar agujeros 16 de menor diámetro, normalmente de 100 \mum o mayores, tal como se muestra en la figura 6. De esta manera se forman canales a través de la tarjeta, pero el material de grafito 10 permanece encapsulado en la poliimida o resina o polímero acrílico o poliuretano o poliéster 12 o cualquier otro polímero adecuado y por tanto, aislado eléctricamente. Entonces se deposita metal 18, tal como aluminio, sobre ambos lados de la tarjeta, tal como se muestra en la figura 7, normalmente usando técnicas de tratamiento de aluminio en película fina. Posteriormente, se graban estructuras 20 de interconexión usando técnicas habituales en ambos lados de la tarjeta, tal como se muestra en la figura 8. De esta forma, se produce una tarjeta 22 que tiene agujeros metalizados a través de una placa de carbono encapsulada, estando el metal de los agujeros completamente aislado del carbono 10.

La tarjeta 13, 22 de control térmico encapsulada puede usarse como una interfaz para diversos montajes. Por ejemplo, puede usarse para control térmico directo de sustratos de material cerámico tales como alúmina, berilia y nitruro de aluminio, o sustratos metálicos, tal como el berilio. Esto se logra mediante la aplicación, por ejemplo, de una fina capa de resina epoxídica líquida a una superficie del sustrato de material cerámico, calentando el sustrato hasta 125ºC para polimerizar la resina y después colocando el sustrato sobre la placa 10 de carbono o tarjeta 10, 22 de control térmico. A alta presión, se aplica entonces un prensado a bajo vacío a 180ºC para producir una interfaz sin burbujas con un espesor de sólo algunas micras. Un proceso alternativo es recubrir el sustrato de material cerámico o metálico con una fina capa de cola epoxídica líquida (normalmente de algunas micras de espesor), colocarlo sobre la placa de carbono anisotrópico o la tarjeta de control térmico y unirlo permitiendo que la resina epoxídica polimerice bajo prensado y bajo vacío a temperatura ambiente, con el fin de producir una interfaz sin burbujas.

La tarjeta 13, 22 de control térmico también puede usarse como un sustrato para el diseño a medida de circuitos de múltiples capas de película fina usando capas alternas de aluminio y poliimida depositados a vacío. El aluminio 24 puede depositarse directamente sobre la poliimida o resina o polímero acrílico o poliuretano o poliéster de la tarjeta 12, 33, usando normalmente técnicas de aluminio en película fina, de manera que puedan depositarse capas que tengan espesores de 5 \mum. La figura 9 muestra el aluminio 24 depositado sobre una capa de resina 26 epoxídica que, a su vez, está depositada sobre una superficie de la placa 10. Dado que la superficie recubierta de la placa 10 es plana, la resolución de la litografía usada para depositar el aluminio 24 es buena. Esto significa que pueden definirse fácilmente pequeñas características. La poliimida 28 se aplica entonces sobre el aluminio mediante rotación o serigrafía. Por tanto, el espesor de la capa 28 de poliimida puede ser, por ejemplo, de tan sólo 8 \mum. Usando técnicas de fabricación habituales, se definen entonces agujeros a través de la poliimida 28 en lugares apropiados, de manera que las capas subsiguientes de metal 30 que llenan estos agujeros puedan proporcionar contacto eléctrico con el aluminio 24. Entre las capas subsiguientes de metal 30 están, normalmente, capas de poliimida 28. Naturalmente, este tratamiento podría realizarse en los lados opuestos de la placa 10 para proporcionar así un componente eléctrico de dos lados con una capacidad intrínseca de control térmico.

Los circuitos de múltiples capas de película fina también pueden fabricarse sobre sustratos alternativos, por ejemplo, aluminio, y posteriormente separarse químicamente. Estos circuitos u otros circuitos de múltiples capas diseñados a medida que pueden fabricarse sobre capas de poliimida o capas 31 a base de resina epoxídica también pueden interconectarse a la placa de carbono anisotrópico inicial mediante la aplicación, por ejemplo, de una fina capa de cola 32 epoxídica líquida (normalmente de algunas micras de espesor) a la placa 10, colocando el circuito de múltiples capas sobre esa superficie y permitiendo que la resina epoxídica polimerice bajo prensado y bajo vacío a temperatura ambiente, con el fin de producir una interfaz sin burbujas. En la figura 10, se muestra un dispositivo que se ha fabricado mediante la aplicación de resina 32 epoxídica a una placa 10 de carbono. En este caso, la resina 32 epoxídica actúa como un agente de fijación para asegurar el circuito de múltiples capas a la placa 10 de carbono y adicionalmente como material para la encapsulación de la placa de carbono. Por el contrario, la figura 11 muestra un circuito de múltiples capas que se interconecta usando resina 32 epoxídica a una superficie de una placa 10 de carbono que se ha recubierto, por ejemplo, con poliimida 36.

En las estructuras híbridas fabricadas usando cualquiera de los procesos descritos anteriormente, los cambios en la temperatura pueden producir variaciones en las longitudes de las capas de componentes estructurales. Los cambios en la longitud para la tarjeta encapsulada son diferentes de los de los materiales que forman la estructura híbrida de múltiples capas unida. Este efecto degrada la planitud global de la superficie, lo que puede ser una desventaja en algunas aplicaciones. Sin embargo, se ha encontrado que puede mantenerse la planitud óptima, en un intervalo de temperaturas, normalmente de 100ºC, depositando una capa de compensación del material de encapsulación sobre el lado opuesto de la tarjeta de control térmico al que lleva el híbrido. Esta capa de compensación debe ser del mismo material y sustancialmente del mismo espesor que las capas de material que forman la estructura híbrida de múltiples capas. De esta forma, cada lado de la tarjeta tiene aproximadamente el mismo coeficiente de expansión térmica y la planitud global de la tarjeta no varía sustancialmente.

La capa de compensación puede montarse o bien acumulando capas adicionales de material de encapsulación sobre la tarjeta hasta que se logre el espesor deseado, o pegando alternativamente una colada del material sobre la superficie de la tarjeta de una manera similar a la descrita anteriormente. Como ejemplo, la figura 12 muestra la estructura de la figura 9 sobre la que se ha depositado una capa de compensación de poliimida 37 que tiene un espesor que es aproximadamente el mismo que el espesor combinado de las capas 28 de la figura 10, suponiendo en este caso que el espesor de la estructura híbrida está dominado por las capas de poliimida 28. Como un ejemplo adicional, la figura 13 muestra la estructura de la figura 11, sobre la que se ha pegado una capa de compensación de poliimida 37, que tiene un espesor que es aproximadamente el mismo que el espesor combinado de las capas 28 y 31 de la estructura de la figura 11. De nuevo, en esto supone que el espesor de la estructura híbrida está dominado por las capas 28 y 31.

Para proporcionar rigidez adicional a la estructura compuesta y/o para proteger los bordes frente al impacto o la delaminación, la placa de carbono anisotrópico puede insertarse dentro de un marco fino circundante, que está hecho preferiblemente de un material que tenga el mismo coeficiente de expansión térmica que la estructura, por ejemplo, fibra de carbono. De esta forma, se proporciona una única superficie plana que puede recubrirse y unirse al circuito de múltiples capas en el proceso a temperatura ambiente descrito anteriormente.

Los dispositivos híbridos que incluyen, por ejemplo, circuitos de múltiples capas y una tarjeta de control térmico, pueden obtenerse de varias formas. En una técnica, se fabrica una pluralidad de tales dispositivos a partir de una placa de carbono grande. La figura 14 muestra tal placa 38 en la que hay seis sitios 40 de tratamiento. Cada sitio de tratamiento está recubierto, por ejemplo, con poliimida, sobre la que los circuitos de múltiples capas pueden, o bien depositarse directamente, o bien fijarse usando cola epoxídica. Una vez que se ha completado el tratamiento en cada sitio, la placa 38 se corta para formar seis dispositivos diferenciados. Los lados no recubiertos de la placa de carbono se tratan entonces tal como se ha descrito anteriormente para garantizar la encapsulación completa del carbono y la formación de una tarjeta de control térmico. Una ventaja de esta técnica particular es que se evitan los problemas asociados con los bordes de la placa 38 de carbono.

Estos procedimientos permiten que se conserve la conductividad térmica y la propiedad de baja masa de la estructura de control térmico inicial tras interconectar con los circuitos de múltiples capas hechos a medida.

Tal como se mencionó anteriormente, en algunas aplicaciones conocidas en las que se requiere una conductividad térmica relativamente alta, se han usado sustratos de berilia con una capa de material dieléctrico formada sobre ellos, y se depositan contactos de oro sobre el material dieléctrico. Sin embargo, el dispositivo electrónico híbrido que usa el dispositivo de control térmico en el que se realiza la presente invención, proporciona una conductividad térmica significativamente superior con una reducción significativa en el coste. Además, dado que los materiales incluidos no son peligrosos, la fabricación de tales dispositivos es menos problemática.

El proceso tal como se ha descrito anteriormente permite la fabricación de montajes electrónicos con altas densidades de componentes construidos sobre una placa o núcleo de grafito de alta conductividad térmica y baja masa que tiene la posibilidad de conexiones eléctricas a medida entre sus caras opuestas. Esto se logra sin el uso de materiales peligrosos.

La tarjeta de control térmico que utiliza grafito pirolítico termalizado tiene una conductividad térmica en el plano óptima, normalmente de 1550 - 1850 mK a temperatura ambiente, mientras que al mismo tiempo tiene una masa baja y una estructura fácil de manejar. Además, los sustratos pueden usarse fácilmente como interfaces entre otros circuitos. Además, puede utilizarse cualquier geometría del carbono antes de la encapsulación, de manera que el dispositivo de control térmico pueda hacerse a medida para cada aplicación particular. Esto es ventajoso porque significa que la aplicación del proceso no está limitada significativamente.

En el uso de estructuras de control térmico para refrigerar sistemas eléctricos, a menudo se utiliza grasa térmica como interfaz. Esto plantea que podría utilizarse un dispositivo de control térmico en el que se realiza la invención en lugar de la grasa, apreciándose que el dispositivo usado en tal aplicación debe ser relativamente delgado.

La persona experta apreciará que son posibles variaciones de las disposiciones descritas sin apartarse de la invención. En consecuencia, la descripción anterior de diversas realizaciones se hace a modo de ejemplo y no con fines de limitación. Además, será claro para la persona experta que pueden realizarse modificaciones menores sin cambios significativos en los conceptos descritos anteriormente.

Claims (46)

1. Dispositivo de control térmico que comprende carbono anisotrópico encapsulado en un material de encapsulación que se aplica directamente al carbono anisotrópico, en el que el carbono anisotrópico es grafito pirolítico o grafito pirolítico termalizado.

2. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 1, en el que el material de encapsulación es poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster.

3. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el carbono anisotrópico tiene ordenamiento en mosaico o total.

4. Dispositivo de control térmico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el grafito pirolítico termalizado tiene una conductividad térmica en el plano en el intervalo de 1550 - 1850 W/mK a temperatura ambiente.

5. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 4, en el que el grafito pirolítico termalizado tiene un valor bajo de resistencia a la tracción en la dirección ortogonal.

6. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 1, en el que el grafito pirolítico está en una forma "tal como se deposita" o parcialmente ordenada.

7. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 6, en el que la conductividad del grafito pirolítico está en el intervalo de 300 - 420 W/mK en un plano.

8. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 1 o la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que la resistencia a la tracción del carbono anisotrópico es de 1,5 Ksi en el plano ortogonal.

9. Dispositivo de control térmico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el carbono anisotrópico es una placa.

10. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 9, en el que la placa de carbono tiene un espesor en el intervalo de 100 - 500 \mum, preferiblemente de 200 - 250 \mum o de 250 - 300 \mum o de 300 - 350 \mum o de 350 - 400 \mum o de 400 - 450 \mum o de 450 - 500 \mum.

11. Dispositivo de control térmico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material que encapsula el carbono tiene un bajo coeficiente de dilatación térmica y una alta temperatura de degradación.

12. Dispositivo de control térmico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material de encapsulación tiene un espesor en el intervalo de desde algunas micras hasta muchas decenas de micras.

13. Dispositivo de control térmico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las múltiples capas del material de encapsulación se depositan sobre el carbono con el fin de obtener un espesor deseado.

14. Dispositivo de control térmico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se forma una matriz de agujeros finos a través del carbono, teniendo preferiblemente cada agujero un diámetro de 200 \mum.

15. Dispositivo de control térmico según la reivindicación 14, en el que los agujeros se llenan durante la encapsulación de la placa.

16. Sistema eléctrico que comprende un dispositivo de control térmico que incluye carbono anisotrópico encapsulado en un material de encapsulación que se aplica directamente al carbono anisotrópico, en el que el carbono anisotrópico es grafito pirolítico o grafito pirolítico termalizado, y se proporcionan contactos y/o dispositivos eléctricos sobre la superficie del dispositivo de control térmico.

17. Sistema eléctrico según la reivindicación 16, en el que los contactos y/o dispositivos eléctricos se depositan directamente sobre la superficie del dispositivo de control térmico o se pegan usando, por ejemplo, una fina capa de cola líquida.

18. Sistema eléctrico según la reivindicación 16 o 17, en el que los dispositivos se encapsulan en poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster.

19. Sistema eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, en el que se proporciona una pluralidad de capas de componentes eléctricos.

20. Sistema eléctrico según la reivindicación 19, en el que cada capa de componentes eléctricos está separada por capas de material de encapsulación, preferiblemente poliimida.

21. Sistema eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, en el que los contactos eléctricos están hechos de metal en película fina, preferiblemente de aluminio.

22. Método de fabricación de un dispositivo de control térmico que comprende:

limpiar una superficie de grafito pirolítico o grafito pirolítico termalizado;

aplicar un recubrimiento de material de encapsulación directamente a la superficie limpia; y

repetir la etapa de aplicación hasta que el grafito esté encapsulado.

23. Método según la reivindicación 22, en el que el material de encapsulación es uno de poliimida o resina epoxídica o polímero acrílico o poliuretano o poliéster.

24. Método según la reivindicación 23 que supone además curar el material de encapsulación.

25. Método según la reivindicación 22 o la reivindicación 23 o la reivindicación 24, en el que la etapa de aplicación supone cepillar o aplicar un rodillo o sumergir o pulverizar o hacer rotar o estampar o serigrafiar.

26. Método según la reivindicación 25, en el que para la poliimida, que consiste en un componente único, la etapa de aplicación del recubrimiento supone cepillar la poliimida sobre la superficie o aplicarla usando un rodillo.

27. Método según la reivindicación 23 o la reivindicación 24, en el que para la aplicación en fase sólida se usa una colada.

28. Método según la reivindicación 27, en el que el carbono y la colada se prensan juntos a vacío y a alta temperatura.

29. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 23 a 28, en el que las múltiples capas del material de encapsulación se aplican hasta que se alcanza un espesor deseado.

30. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 29, en el que la etapa de limpieza supone usar polvo de piedra pómez en agua para eliminar los materiales sueltos, seguido por secado.

31. Método según la reivindicación 31, en el que la etapa de secado supone secar el carbono mediante el secado en horno de la superficie del carbono para eliminar la humedad.

32. Método según la reivindicación 30, en el que la etapa de secado supone secar en horno el carbono a 100ºC durante una hora.

33. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 32, en el que la etapa de limpieza supone desengrasar la superficie del grafito pirolítico o del grafito pirolítico termalizado, preferiblemente enjuagándolo con acetona.

34. Método según una cualquiera de la reivindicación 24 o las reivindicaciones 25 a 33 cuando dependen de la reivindicación 24, en el que cuando se usa poliimida, la etapa de curado supone calentar el carbono hasta sustancialmente 150ºC durante preferiblemente 1 hora y posteriormente someter el carbono a un ciclo de temperatura de 150ºC durante 30 minutos, 250ºC durante 30 minutos y finalmente 300ºC durante 30 minutos.

35. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 34, que comprende además perforar el carbono con al menos un agujero antes de la aplicación del material de encapsulación.

36. Método según la reivindicación 35, en el que el al menos un agujero se llena con el material de encapsulación.

37. Método según la reivindicación 35, en el que los agujeros se llenan con material de encapsulación que se mezcla con esferas de fibra de vidrio, teniendo cada esfera normalmente un diámetro de 30 \mum.

38. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 35 a 37, en el que los agujeros llenos se perforan de ese modo para proporcionar canales pasantes que están aislados eléctricamente del carbono.

39. Método según la reivindicación 38, en el que se aplica una capa de un material conductor al, al menos, un canal pasante para producir conexiones eléctricas, para permitir de ese modo conexiones eléctricas a través del carbono.

40. Método según la reivindicación 39, en el que el material conductor es un metal, preferiblemente aluminio en película fina.

41. Método según la reivindicación 35, que comprende recubrir los bordes que definen el al menos un agujero con el material de encapsulación de una manera tal que se mantenga un canal a través del carbono.

42. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 41, que supone además formar una matriz de agujeros finos a través de la placa.

43. Método de fabricación de un componente eléctrico que comprende el método según se define en una cualquiera de las reivindicaciones 22 a 42, que comprende adicionalmente las etapas de formar contactos eléctricos sobre al menos una superficie del carbono y/o depositar dispositivos eléctricos sobre la misma.

44. Método según la reivindicación 43, en el que la etapa de depósito puede suponer fabricar los dispositivos directamente sobre la superficie o formar los dispositivos o un circuito de múltiples capas de película fina que contiene los dispositivos separadamente de la superficie de carbono y fijarlos a esa superficie.

45. Método según la reivindicación 44, en el que la etapa de fijación supone aplicar cola epoxídica a los dispositivos o al circuito o a la superficie de carbono y prensar juntos los dispositivos o el circuito y la superficie a temperatura ambiente a bajo vacío.

46. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 43 a 45, en el que los contactos eléctricos se aplican usando técnicas de tratamiento de película fina, preferiblemente usando aluminio.