PL73801Y1

PL73801Y1 - High-density 3D electronic module

Info

Publication number: PL73801Y1
Application number: PL131484U
Authority: PL
Inventors: Yuriy Borisovich Sokolov
Original assignee: Yuriy Borisovich Sokolov
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2025-02-24
Also published as: PL131484U1; DE212021000504U1; WO2022103300A1; RU2755530C1

Abstract

Zgłoszenie przedstawione na rysunku dotyczy urządzeń elektronicznych z układem elementów montowanych na powierzchni i może być stosowany w awionice, telekomunikacji, technice oświetleniowej i innych dziedzinach i jest konfigurowalny jako źródło zasilania, konwerter, czujniki i tym podobne. Rezultatem technicznym jest zwiększona gęstość komponentów, ulepszona wymiana ciepła i ulepszone środowisko elektromagnetyczne. Zgłoszenie charakteryzuje się tym, że zawiera elastyczną płytkę obwodu drukowanego na metalowej podstawie, która jest skonfigurowana w postaci ciągłej struktury spiralnej, której najbardziej zewnętrzna pętla ma zamknięty kontur, działając jako obudowa, ekran elektromagnetyczny i element grzejny powierzchnia wymiany.The application shown in the drawing relates to electronic devices with an arrangement of surface-mounted elements and can be used in avionics, telecommunications, lighting technology and other fields and is configurable as a power source, converter, sensors and the like. The technical result is increased component density, improved heat exchange and improved electromagnetic environment. The application is characterized in that it comprises a flexible printed circuit board on a metal base, which is configured in the form of a continuous spiral structure, the outermost loop of which has a closed contour, acting as a housing, an electromagnetic shield and a heating element exchange surface.

Description

Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest urzadzenie stanowiace trójwymiarowy modul elektroniczny o duzej gestosci upakowania elementów. Description of the design The subject of the utility model is a device consisting of a three-dimensional electronic module with a high density of component packing.

Urzadzenia energoelektroniczne, takie jak zasilacze, sterowniki LED i inne, sa czesto montowane na plytkach drukowanych FR4 i zamkniete we wspólnej obudowie ochronnej, zwykle aluminiowej, a ele- menty wytwarzajace cieplo musza byc wyposazone w specjalne aluminiowe radiatory do odprowadza- nia ciepla, zas cala konstrukcja jest wypelniona masa elektroizolacyjna przewodzaca cieplo, która do- datkowo odprowadza cieplo wewnatrz aluminiowej obudowy ochronnej. Power electronic devices such as power supplies, LED drivers, and others are often mounted on FR4 printed circuit boards and enclosed in a common protective housing, usually aluminum. Heat-generating components must be equipped with special aluminum heat sinks to dissipate heat, and the entire structure is filled with a thermally conductive electrical insulating compound that additionally dissipates heat inside the aluminum protective housing.

Poniewaz masa ta ma wspólczynnik przewodnosci cieplnej 1 W/m K, a grubosc jej warstwy jest stosunkowo duza, ma to znaczacy wplyw na zwiekszenie gradientu temperatury miedzy zewnetrzna powierzchnia aluminiowej obudowy ochronnej a montowanymi elementami (tj. element wytwarzajacy cieplo jest goracy, a obudowa lekko ciepla). Since this mass has a thermal conductivity coefficient of 1 W/m K and its layer thickness is relatively large, it significantly increases the temperature gradient between the outer surface of the aluminum protective housing and the mounted components (i.e. the heat-generating component is hot and the housing is slightly warm).

Odprowadzanie ciepla do otoczenia odbywa sie glównie przez powierzchnie obudowy ochronnej, a im wieksza jest ta powierzchnia i im wiekszy gradient temperatury miedzy powierzchnia obudowy ochronnej a otoczeniem, tym wiecej ciepla mozna usunac z obudowy urzadzenia przez konwekcje. Je- zeli temperatura zewnetrznej powierzchni obudowy ochronnej zbliza sie do 60°C, to oprócz konwekcji nastepuje ochlodzenie urzadzenia na skutek promieniowania z jego powierzchni. Oznacza to, ze dla efektywnego chlodzenia elementy wytwarzajace cieplo powinny byc umieszczone bezposrednio na we- wnetrznej powierzchni obudowy ochronnej, która wykonana jest z materialu o wysokim wspólczynniku przewodnosci cieplnej, na przyklad aluminium (przewodnosc cieplna od 150 do 220 W/m K, w zalezno- sci od rodzaju stopu). Heat is dissipated to the environment primarily through the surface of the protective housing. The larger this surface and the greater the temperature gradient between the surface of the protective housing and the environment, the more heat can be removed from the device housing by convection. If the temperature of the outer surface of the protective housing approaches 60°C, in addition to convection, the device is cooled by radiation from its surface. This means that for effective cooling, heat-generating components should be placed directly on the inner surface of the protective housing, which is made of a material with a high thermal conductivity coefficient, such as aluminum (thermal conductivity from 150 to 220 W/m K, depending on the alloy type).

Projektanci zwykle staraja sie tworzyc urzadzenia elektroniczne o mozliwie najmniejszych wymia- rach i wykorzystuja plytki wielowarstwowe, jednak w takim przypadku gestosc upakowania elementów jest niska ze wzgledu na ich zróznicowane wymiary. Obecnosc niewypelnionych przestrzeni (pustek) prowadzi do wiekszego zuzycia drogiego materialu, a gestosc upakowania nie przekracza 30–40% cal- kowitej objetosci obudowy ochronnej urzadzenia, a czasem jest znacznie mniejsza. Designers typically strive to create electronic devices with the smallest possible dimensions and utilize multilayer boards. However, in this case, the component packing density is low due to their varying dimensions. The presence of unfilled spaces (voids) leads to higher consumption of expensive materials, and the packing density does not exceed 30–40% of the total volume of the device's protective enclosure, and sometimes is significantly lower.

W takim ukladzie elementy wytwarzajace cieplo znajduja sie wewnatrz obudowy w pewnej odle- glosci od jej zewnetrznych scianek, co utrudnia chlodzenie tych elementów. Wzrost temperatury dra- stycznie obniza niezawodnosc elementów elektronicznych: uwaza sie, ze podwyzszenie temperatury o 10°C prowadzi do dwukrotnego spadku trwalosci. Podwyzszona temperatura wplywa zwlaszcza na trwalosc kondensatorów elektrolitycznych. Najskuteczniejszym rozwiazaniem tego problemu jest zain- stalowanie wszystkich elementów urzadzenia na plytce na podstawie aluminiowej, która jest jednocze- snie obudowa ochronna urzadzenia. Takie rozwiazanie jest ujawnione w patencie Federacji Rosyjskiej nr 2688581, IPC H 01 L 25/04, autorstwa Y.B. Sokolov, opublikowanym 21 maja 2019 roku. W rozwia- zaniu tym wszystkie elementy sa umieszczone na plaskiej plytce drukowanej na aluminiowej podstawie i znajduja sie w objetosci prostokatnego równolegloscianu, którego sciany sa utworzone przez wygiete czesci plytki drukowanej. In this arrangement, heat-generating components are located inside the housing at a distance from its outer walls, which makes cooling these components difficult. This temperature increase drastically reduces the reliability of electronic components: it is believed that a 10°C increase in temperature leads to a halving of their lifespan. Increased temperature particularly affects the lifespan of electrolytic capacitors. The most effective solution to this problem is to install all the device components on a PCB with an aluminum base, which also serves as a protective housing for the device. This solution is disclosed in Russian Federation patent No. 2688581, IPC H 01 L 25/04, authored by Y.B. Sokolov, published on May 21, 2019. In this solution, all components are placed on a flat printed circuit board on an aluminum base and are contained within the volume of a rectangular parallelepiped, the walls of which are formed by curved parts of the printed circuit board.

Jednak w przypadku urzadzenia z wieloma elementami elektronicznymi zamontowanymi po- wierzchniowo gestosc upakowania komponentów nie bedzie wysoka, poniewaz duze elementy (trans- formatory, wysokie kondensatory) beda determinowac rozmiar urzadzenia, a niskie elementy, nawet umieszczone na wewnetrznych powierzchniach scian obudowy ochronnej, nie wypelnia wewnetrznej przestrzeni i mozliwe jest, ze powierzchnia plytki obwodu drukowanego bedzie niewystarczajaca dla bardziej zlozonych ukladów. However, in the case of a device with many surface-mounted electronic components, the component packing density will not be high because large components (transformers, tall capacitors) will determine the device size, and short components, even placed on the inner surfaces of the protective housing walls, will not fill the internal space and it is possible that the printed circuit board area will be insufficient for more complex circuits.

Przedmiot wzoru uzytkowego uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sche- matyczny przekrój urzadzenia, zas fig. 2 – pomocniczy widok urzadzenia bez oslon bocznych. The subject of the utility model is shown in the drawing, where Fig. 1 shows a schematic cross-section of the device, and Fig. 2 – an auxiliary view of the device without side covers.

Urzadzenie wedlug wzoru przedstawione na fig. 1 i fig. 2 sklada sie z pojedynczej elastycznej plytki drukowanej 1 na aluminiowej podstawie, na której sa zainstalowane wysokie elementy 2, np. kon- densatory elektrolityczne, zlacza itp. (jest to jeden zwój struktury spiralnej), a elementy elektroniczne 3 znajduja sie na czterech zwojach, pomiedzy którymi wszedzie ulozona jest warstwa izolujaca elektrycz- nie, na przyklad w postaci folii 4 o wysokim napieciu przebicia. Z dwóch otwartych stron urzadzenie jest zamykane oslonami bocznymi (nie pokazano), a nastepnie wlewana jest do srodka masa termoizola- cyjna przewodzaca cieplo. Zewnetrzny zamkniety zwój stanowi obudowe ochronna 1, skladajaca sie z aluminiowej podstawy, warstwy izolatora i warstwy miedzi tworzacej sciezki dla elementów elektro- nicznych 3 W rozwiazaniu wedlug wzoru gestosc upakowania elementów w objetosci obudowy mozna zwiek- szyc do 80–95%, a jednoczesnie gradient temperatury w obudowie nie przekracza kilku stopni. The device, as shown in Fig. 1 and Fig. 2, consists of a single flexible printed circuit board 1 on an aluminum base, on which tall components 2 are installed, e.g., electrolytic capacitors, connectors, etc. (this is one turn of a spiral structure), and electronic components 3 are located on four turns, between which an electrically insulating layer is placed everywhere, for example, in the form of a high breakdown voltage foil 4. The two open sides of the device are closed with side covers (not shown), and then a thermally conductive thermal insulation mass is poured inside. The outer closed coil constitutes a protective housing 1, consisting of an aluminum base, an insulator layer, and a copper layer forming paths for electronic components 3. In the solution according to the formula, the packing density of components within the housing volume can be increased to 80–95%, while at the same time the temperature gradient within the housing does not exceed several degrees.

W przypadku, gdy wszystkie elementy sa montowane powierzchniowo, wówczas najpierw wszyst- kie elementy sa instalowane na plaskiej czesci powierzchni montazowej elastycznej plytki drukowanej na podstawie aluminiowej, a nastepnie aluminiowej podstawie wraz z plytka drukowana jest nadawany ksztalt ciaglej struktury spiralnej, przy czym ostatni zwój spirali jest zamkniety (tylko aluminiowa podstawa plytki drukowanej jest na zewnatrz, a wszystkie montowane elementy wewnatrz) i pelni funkcje obudowy ochronnej, ekranu elektromagnetycznego oraz powierzchni wymiany ciepla. Po wypelnieniu masa elek- troizolacyjna pustek miedzy zwojami spirali a zamontowanymi elementami powstaje urzadzenie stano- wiace monolit, majacy w przyblizeniu taka sama temperature w calej objetosci. In the case of surface-mounted components, all components are first mounted on the flat part of the mounting surface of a flexible printed circuit board (PCB) on an aluminum base. Then, the aluminum base and the PCB are shaped into a continuous spiral structure. The last turn of the spiral is closed (only the aluminum PCB base is outside, and all mounted components are inside) and serves as a protective enclosure, electromagnetic shield, and heat exchange surface. After filling the voids between the spiral turns and the mounted components with an electrically insulating mass, a monolithic device is created, with approximately the same temperature throughout.

Liczba warstw (zwojów) plytek drukowanych (liczba równoleglych czesci jednej plytki drukowanej) oraz konfiguracja dobierana jest na podstawie wymiarów elementów elektronicznych w taki sposób, aby zminimalizowac ilosc pustek w objetosci urzadzenia. The number of layers (turns) of printed circuit boards (the number of parallel parts of one printed circuit board) and the configuration are selected based on the dimensions of the electronic components in such a way as to minimize the amount of voids in the device volume.

Aby urzadzenie sie nie przegrzewalo musi byc spelniony nastepujacy warunek: gdzie S to zewnetrzna powierzchnia urzadzenia w cm 2 , a P jest moca rozproszonego ciepla wyrazona w Watach [W]. To prevent the device from overheating, the following condition must be met: where S is the external surface area of the device in cm and P is the power of dissipated heat expressed in Watts [W].

Oznacza to, ze istnieje granica wzrostu gestosci upakowania, która miedzy innymi zalezy od mocy urzadzenia i jego wydajnosci. Tak wiec, jesli moc urzadzenia wynosi 100 W, sprawnosc 0,9, wów- czas moc rozproszonego ciepla P = 10 W, a powierzchnia zewnetrzna urzadzenia to okolo 100 cm 2 (np. wymiary zewnetrzne to 10 - 5 - 2 cm bez oslon bocznych). This means that there is a limit to the increase in packing density, which depends, among other things, on the device's power and efficiency. Therefore, if the device's power is 100 W, its efficiency is 0.9, then the heat dissipation power P = 10 W, and the device's external surface area is approximately 100 cm2 (e.g., the external dimensions are 10 - 5 - 2 cm without side covers).

W tych warunkach, przy temperaturze otoczenia 20°C, temperatura obudowy wyniesie 45–60°C, w zaleznosci od rzeczywistej powierzchni (chropowatosci powierzchni obudowy). Aby poprawic wymiane ciepla, odpowiednie jest nawet malowanie obudowy ochronnej metoda elektrostatyczna (nastepuje wzrost chropowatosci powierzchni). Pewna role odgrywa równiez rozmieszczenie glównych elementów oddajacych cieplo na wewnetrznej powierzchni zewnetrznego zwoju spirali stanowiacego obudowe ochronna. Under these conditions, at an ambient temperature of 20°C, the housing temperature will be 45–60°C, depending on the actual surface (housing surface roughness). To improve heat transfer, electrostatic painting of the protective housing is even suitable (surface roughness increases). The arrangement of the main heat-dissipating elements on the inner surface of the outer coil of the spiral, which constitutes the protective housing, also plays a role.

Gdy plytka drukowana jest zaginana powierzchnia montazowa do wewnatrz zagiecia sciezki prze- wodzace sa zachowane przy promieniu zagiecia co najmniej 2,5 mm. Oczywiscie elementy elektroniczne nie sa instalowane w czesciach zaginanych i w odleglosci 2–3 mm od nich. Jesli to mozliwe, elementy o mniej wiecej tej samej wysokosci powinny byc zainstalowane na tym samym zwoju spirali, aby zwiek- szyc gestosc upakowania. Pomiedzy zwojami nalezy umiescic warstwe izolujaca elektrycznie o napieciu przebicia co najmniej 1 kV, na przyklad cienka folie (40–100 mikronów), aby zapobiec zwarciom i awa- riom, a zwoje spirali moga przylegac do siebie, zapewniajac maksymalna gestosc upakowania. When the printed circuit board is bent with the mounting surface facing the inside of the bend, conductive traces are maintained with a bend radius of at least 2.5 mm. Electronic components are not installed in the bent areas and are spaced 2–3 mm away from them. Whenever possible, components of approximately the same height should be installed on the same coil to increase packing density. An electrically insulating layer with a breakdown voltage of at least 1 kV, such as a thin foil (40–100 microns), should be placed between the coils to prevent short circuits and failures, and the coils can be adjacent to each other, ensuring maximum packing density.

W kazdym przypadku wysokosc urzadzenia jest okreslona przez najwyzszy element i dla tej wy- sokosci wybiera sie liczbe zwojów struktury spiralnej, nie zapominajac o przestrzeganiu warunku (1) dla zewnetrznej powierzchni urzadzenia. In each case, the height of the device is determined by the highest element and the number of turns of the spiral structure is selected for this height, not forgetting to respect condition (1) for the external surface of the device.

Podczas projektowania urzadzenia duze (wysokie) elementy najpierw umieszcza sie na po- wierzchni plytki w jednej strefie, a nastepnie dla tej wysokosci okresla sie liczbe zwojów spiralnej struk- tury plytki drukowanej z uwzglednieniem wysokosci elementów. Jesli jednak konieczne jest zainstalo- wanie w jednym zwoju elementu wyzszego niz inne, mozna to zrobic, wycinajac odpowiedni otwór w plytce znajdujacej sie nad nim. When designing a device, large (tall) components are first placed on the board surface in one zone, and then the number of turns of the PCB's spiral structure is determined for that height, taking into account the component height. However, if it is necessary to install a taller component in one turn than the others, this can be accomplished by cutting a corresponding hole in the board above it.

Wzór znajduje uniwersalne zastosowanie przy wytwarzaniu urzadzen elektronicznych z po- wierzchniowym ukladem elementów i moze byc zastosowany miedzy innymi w awionice, telekomunika- cji, technice oswietleniowej i innych dziedzinach. Urzadzenie wedlug wzoru moze byc skonfigurowane jako zasilacz, przetwornik, czujnik itp.The pattern is universally applicable in the production of electronic devices with surface-mounted components and can be used in applications such as avionics, telecommunications, lighting technology, and other fields. A device based on the pattern can be configured as a power supply, transducer, sensor, etc.

Claims

Protective Disclaimers

1. A device being a three-dimensional electronic module with a high density of component packing comprising - a flexible printed circuit board (1) on a metal base, shaped into a three-dimensional structure, wherein the mounting surface of the flexible printed circuit board (1) faces inward into the three-dimensional structure and has flat parts and bent parts, and - electronic components (3) which are grouped on the flat parts of the mounting surface of the flexible printed circuit board (1), wherein the three-dimensional structure has the form of a continuous spiral, the outer turn of which is closed and functions as a protective housing, an electromagnetic shield and a heat exchange surface.

2. A device according to claim 1, characterized in that between the turns of the spiral there is an electrically insulating layer (4) with a breakdown voltage of at least 1 kV.

3. A device according to claim 2, characterized in that the electrically insulating layer (4) comprises an electrically insulating foil.

4. The device according to claim 2, characterized in that the electrically insulating layer comprises an electrically insulating mass.

5. The device of claim 1, characterized in that the metal base of the flexible printed circuit board (1) comprises aluminum.

6. A device according to claim 1, characterized in that the bending radius of the bent parts of the spiral structure is greater than or equal to 2.5 mm.

7. A device according to claim 1, characterized in that the flat parts of the spiral structure have a through hole for accommodating an oversized part of a higher element mounted on an adjacent turn of the spiral structure.

8. A device according to claim 1, characterized in that adjacent flat parts of the spiral structure are located opposite each other.

9. A device according to claim 1, characterized in that the number of turns of the spiral structure is proportional to the number of elements in the circuit.

10. A device according to claim 1, characterized in that the empty spaces between the turns of the spiral structure are filled with a heat-conducting insulating mass.