PL73801Y1 - Urządzenie stanowiące trójwymiarowy moduł elektroniczny o dużej gęstości upakowania elementów - Google Patents

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.

Description

Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest urzadzenie stanowiace trójwymiarowy modul elektroniczny o duzej gestosci upakowania elementów.

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.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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].

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (10)

Zastrzezenia ochronne

1. Urzadzenie stanowiace trójwymiarowy modul elektroniczny o duzej gestosci upakowania ele- mentów zawierajace ? elastyczna plytke drukowana (1) na metalowej podstawie, uksztaltowana w trójwymiarowa strukture, przy czym powierzchnia montazowa elastycznej plytki drukowanej (1) jest zwró- cona do wewnatrz trójwymiarowej struktury i ma czesci plaskie oraz czesci zagiete, oraz ? elementy elektroniczne (3), które sa zgrupowane na plaskich czesciach powierzchni mon- tazowej elastycznej plytki drukowanej (1), przy czym trójwymiarowa struktura ma postac ciaglej spirali, której zewnetrzny zwój jest za- mkniety i pelni funkcje obudowy ochronnej, ekranu elektromagnetycznego i powierzchni wy- miany ciepla.

2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze pomiedzy zwojami spirali znajduje sie war- stwa elektroizolacyjna (4) o napieciu przebicia co najmniej 1 kV.

3. Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze warstwa elektroizolacyjna (4) zawiera folie elektroizolacyjna.

4. Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze warstwa elektroizolacyjna zawiera mase elektroizolacyjna.

5. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze metalowa podstawa elastycznej plytki dru- kowanej (1) zawiera aluminium.

6. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze promien zagiecia czesci zagietych struktury spiralnej jest wiekszy badz równy 2,5 mm.

7. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze czesci plaskie struktury spiralnej maja prze- lotowy otwór do pomieszczenia nadwymiarowej czesci wyzszego elementu zamontowanego na sasiednim zwoju struktury spiralnej.

8. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze sasiednie czesci plaskie struktury spiralnej sa usytuowane naprzeciw siebie.

9. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze liczba zwojów struktury spiralnej jest pro- porcjonalna do liczby elementów w obwodzie.

10. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze puste przestrzenie pomiedzy zwojami struk- tury spiralnej sa wypelnione masa izolacyjna przewodzaca cieplo.