BR112013004222B1 - Circuito impresso ou uso de um material composto por matriz metálica - Google Patents
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Abstract
circuito impresso que comporta pelo menos um componente cerâmico. a invenção refere-se a um circuito impresso que compreende um suporte (1) sobre o qual pelo menos um componente cerâmico (2, 3, 4) é fixado, de modo a permitir que o calor produzido pelo componente cerâmico (2, 3, 4) seja descarregado e a evitar fissuras no componente cerâmico (2, 3, 4) e no suporte (1). para esse fim, o componente cerâmico (2, 3, 4) é fixado sobre o suporte (1) por meio de dois conectores (5, 6) produzidos a partir de material composto por matriz metálica. os ditos dois conectores também têm, de preferência, fendas de modo a permitir que as pressões mecânicas exercidas no suporte sejam transportadas pelos conectores.
Description
“CIRCUITO IMPRESSO E USO DE UM MATERIAL COMPOSTO POR MATRIZ METÁLICA”
DOMÍNIO DA TÉCNICA [0001] A presente invenção refere-se a um circuito impresso que comporta pelo menos um componente eletrônico ou elétrico cerâmico. Mais precisamente, a presente invenção refere-se a uma solução de montagem para componentes elétricos ou eletrônicos cerâmicos em um circuito impresso, em particular, quando esse circuito impresso se situa em um ambiente severo de bordo, por exemplo, em um motor de turborreator.
ESTADO ANTERIOR DA TÉCNICA [0002] A utilização de capacitares cerâmicos em placas ou montagens eletrônicas apresenta problemas de confiabilidade, em parte devido à fragilidade do material que constitui esses capacitares cerâmicos. De fato, a cerâmica não suporta as pressões mecânicas superiores a seu limite elástico e, como consequência, a mesma tende a se fissurar. Essas fissuras limitam a capacidade dos capacitares e podem mesmo provocar um colapso dielétrico. Esse problema é particularmente importante nos capacitares de tamanho superior a 1 cm.
[0003] Similarmente, as resistências cerâmicas apresentam problemas de confiabilidade quando as mesmas são fixadas em circuitos impressos. Esse problema é atualmente observado quando o suporte e o componente transportado sobre esse suporte apresentam coeficientes de expansão térmica diferentes um do outro.
[0004] As soluções atuais para remediar esse problema consistem em limitar o tamanho dos componentes, o que limita igualmente sua capacidade, e em utilizar os conectores intermediários para fixar os componentes cerâmicos em seu suporte. Esses conectores intermediários devem apresentar um coeficiente de expansão térmica próximo daquele da cerâmica, para evitar fissuras no componente cerâmico. Assim, atualmente, os conectores intermediários são realizados em uma liga do tipo FeNiCo, que apresenta um coeficiente de expansão térmica aproximadamente igual a 6 ppm/K.
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2/10 [0005] Entretanto, a requerente constatou que a utilização de tais conectores intermediários conduz a um aquecimento de componentes cerâmicos, o que pode resultar em uma diminuição de sua capacidade. Em particular, quando diversos componentes cerâmicos são ligados paralelamente por meio de dois conectores em FeNiCo, a requerente constatou que o componente montado paralelamente mais afastado do suporte se aquece de maneira mais importante do que o componente montado paralelamente mais próximo do suporte. Essa distribuição de temperatura limita, portanto, o número de componentes que podem ser montados paralelamente. Além disso, essa distribuição de temperatura pode acarretar em uma diminuição da capacidade do capacitor situado mais longe do suporte e, em particular, quando se atinge uma temperatura superior a 125°C. A requerente constatou igualmente que a utilização de conectores da técnica anterior podería aumentar as pressões termomecânicas na cerâmica do componente.
EXPOSIÇÃO DA INVENÇÃO [0006] A invenção procura solucionar, pelo menos parcialmente, os inconvenientes do estado da técnica ao propor um circuito impresso sobre o qual os componentes cerâmicos de todos os tamanhos podem ser fixados.
[0007] Outro objetivo da invenção é propor um circuito impresso sobre o qual componentes cerâmicos podem ser fixados, com um risco reduzido de fissuração desses componentes cerâmicos.
[0008] Outro objetivo da invenção é propor meios de fixação de um componente cerâmico sobre um circuito impresso que permitem limitar o aquecimento do componente.
[0009] Outro objetivo da invenção é propor meios de fixação de diversos componentes cerâmicos paralelamente sobre um circuito impresso que permitem limitar o reaquecimento do componente cerâmico mais afastado do suporte.
[0010] Outro objetivo da invenção é propor um circuito impresso sobre o qual os componentes cerâmicos são mais firmemente fixados. Outro objetivo da invenção é propor um circuito impresso no qual as pressões mecânicas são diminuídas.
[0011] Para tanto, é proposto, de acordo com um primeiro aspecto da invenção,
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3/10 um circuito impresso que comporta um suporte sobre o qual é montado pelo menos um componente cerâmico, estando o componente cerâmico fixado no suporte por intermédio de dois conectores, sendo cada conector constituído por um material composto de matriz metálica.
[0012] A escolha de um conector em material composto por matriz metálica é particularmente vantajosa, pois a mesma apresenta um coeficiente de expansão térmica próximo daquele da cerâmica e, como consequência, o mesmo permite limitar os riscos de fissuras no componente cerâmico.
[0013] Além disso, um conector em material composto por matriz metálica apresenta uma condutividade térmica elevada, e permite, portanto, uma boa evacuação de calor emitido pelo ou pelos componentes cerâmicos, assim compreendidos quando esses componentes cerâmicos são ligados paralelamente. De fato, os conectores em material composto por matriz metálica têm condutividades térmicas superiores a 300 W/mK, o que permite reduzir consideravelmente o autoaquecimento do componente cerâmico enquanto preserva sua integridade mecânica na medida em que se evita sua fissuração.
[0014] Além disso, os conectores em material composto por matriz metálica permitem ter uma temperatura homogênea na montagem do circuito impresso apesar das variações sensíveis de geometria entre o circuito impresso e o primeiro componente. Além disso, a invenção permite ligar um grande número de componentes cerâmicos paralelamente entre os dois conectores, visto que o calor do componente cerâmico situado mais longe do suporte pode ser evacuado por intermédio de conectores em material composto por matriz cerâmica.
[0015] Vantajosamente, o material composto por matriz metálica é escolhido no grupo a seguir: Cu-C, Cu-Diamante, Al-C, Al-SiC, Al-diamante. Entende-se pela denominação Cu-C um material composto que apresenta uma matriz em cobre e um reforço em carbono. Similarmente, para os outros materiais compostos citados: o elemento químico citado em primeiro lugar designa o elemento que constitui a matriz, e o elemento químico citado em segundo lugar designa o elemento que constitui o reforço.
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4/10 [0016] A escolha desses materiais para realizar os conectores permite obter conectores que apresentam um coeficiente de expansão térmica compreendidos entre 6 e 16 ppm/K e uma condutividade térmica superior a 150 W/mK, o que permite, por sua vez, evitar as fissuras nos componentes cerâmicos, e evacuar o calor produzido por esses componentes cerâmicos.
[0017] De acordo com um modo de realização preferencial, cada conector comporta uma base situada entre o componente cerâmico e o suporte, sendo a base cortada por um entalhe. Esse entalhe na base de cada conector permite limitar as pressões mecânicas e térmicas no suporte. De fato, esse entalhe permite transportar as pressões, que se situam normalmente no suporte, na base, no nível do entalhe. Os conectores ouro como são mais resistentes que o suporte, o que permite aumentar a duração de vida do circuito impresso.
[0018] Esses entalhes não são possíveis a não ser que os conectores apresentem uma boa condutividade térmica. De fato, se não for esse o caso, o fato de reduzir a seção da base de cada condutor impedirá que o calor seja evacuado dos componentes cerâmicos e conduzirá, portanto, a um aquecimento de componentes cerâmicos.
[0019] Vantajosamente, o suporte se estende paralelamente a um plano XZ, em que o componente cerâmico se estende paralelamente ao eixo geométrico X, em que os conectores se estendem paralelamente a um eixo geométrico Y perpendicular ao plano XZ.
[0020] Vantajosamente, o entalhe define três zonas na base de cada conector: [0021] Uma parte de seção reduzida, situada no nível do entalhe;
[0022] Um pé e uma conexão, situados de um lado e de outro da parte de seção reduzida, e que apresentam, portanto, uma seção superior àquela da parte de seção reduzida.
[0023] Quando um entalhe é realizado no conector, o mesmo se estende de preferência seguindo o eixo geométrico X.
[0024] Vantajosamente, o pé é, além disso, cortado em diversas abas. Vantajosamente, esse corte ocorre seguindo uma direção perpendicular à direção do
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5/10 entalhe. O pé é, portanto, de preferência cortado de acordo com o eixo geométrico Z.
[0025] Esse corte do pé, por exemplo, em lacuna, permite diminuir as pressões termomecânicas no pé, seguindo o eixo geométrico de corte, o que permite aumentar a duração de vida da montagem.
[0026] De acordo com diferentes modos de realização:
- o pé pode ser dirigido em direção ao componente cerâmico, isto é, o pé é formado pela parte da base situada entre o entalhe e o suporte, na continuação do conector; esse modo de realização permite um ganho de lugar; ou
- o pé pode ser espalha em direção ao exterior do componente cerâmico, isto é, o pé é girado de modo a se reestabelecer a 180° da posição precedente. Nesse caso, o pé não está mais sob o componente cerâmico; esse modo de realização permite uma melhor fixação dos conectores no suporte.
[0027] A invenção refere-se mais particularmente ao caso em que o componente cerâmico é um capacitor cerâmico.
[0028] Vantajosamente, pelo menos dois componentes cerâmicos são ligados paralelamente por intermédio de dois conectores. De fato, a invenção permite ligar diversos componentes cerâmicos paralelamente, sem que o componente cerâmico situado mais longe do suporte tenha uma temperatura de aquecimento superior ao componente cerâmico situado mais perto do suporte.
[0029] Vantajosamente, a base apresenta uma altura, seguindo o eixo geométrico Y, superior a 4 mm.
[0030] Vantajosamente, o entalhe se situa a uma distância, seguindo o eixo geométrico Y, do componente mais próximo do suporte compreendido entre 2 mm e 6 mm, o que permite evitar as pressões termomecânicas após a fixação do conector no suporte.
[0031] Vantajosamente, o conector apresenta uma espessura, seguindo o eixo geométrico X, de aproximadamente 2 mm.
[0032] Vantajosamente, a parte de seção reduzida apresenta uma espessura, seguindo o eixo geométrico X, compreendida entre 0,25 e 1 mm, de modo a limitar
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6/10 as pressões termomecânicas e a aumentar a duração de vida do componente.
[0033] A invenção refere-se igualmente à utilização de um material composto por matriz metálica para ligar um componente cerâmico a um suporte em um circuito impresso.
[0034] A invenção refere-se igualmente à utilização de um desses materiais compostos por matriz metálica para ligar um componente cerâmico a um suporte em um circuito impresso: Cu-C, Cu-Diamante, Al-C, Al-SiC, Al-diamante.
[0035] A invenção refere-se igualmente à utilização de um material composto por matriz metálica para ligar diversos componentes cerâmicos paralelamente a um suporte em um circuito impresso.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0036] Outras características e vantagens da invenção sobressaem à leitura da descrição detalhada que segue, em referência às Figuras anexas, que ilustram: [0037] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um circuito impresso de acordo com um modo de realização da invenção;
[0038] A Figura 2 é uma vista em face do circuito impresso da Figura 1;
[0039] A Figura 3 é uma vista em face de um circuito impresso de acordo com outro modo de realização da invenção;
[0040] A Figura 4 é uma vista lateral do circuito impresso da Figura 3;
[0041] A Figura 5 é uma vista de topo do circuito impresso da Figura 3.
[0042] Para fins de esclarecimento, os elementos idênticos ou similares são identificados por sinais de referência idênticos no conjunto de Figuras.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE PELO MENOS UM MODO DE REALIZAÇÃO [0043] As Figuras 1 e 2 representam um circuito impresso de acordo com um primeiro modo de realização da invenção. Esse circuito impresso comporta um suporte 1. Esse suporte 1 é, de preferência, constituído por uma montagem de uma ou diversas camadas finas de cobre separadas por um material isolante. Esse material isolante pode, por exemplo, ser poliamida, resina epóxi ou fibras de vidro. O suporte 1 apresenta em geral um coeficiente de expansão térmica compreendido entre 4 e 25 ppm/K.
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7/10 [0044] O suporte 1 se estende paralelamente a um plano XZ.
[0045] O circuito impresso comporta igualmente três componentes cerâmicos 2, 3, 4 ligados ao suporte 1 paralelamente. Nesse exemplo, o número de componentes cerâmicos ligados paralelamente é igual a 3, mas é igualmente possível escolher outro número de componentes cerâmicos sem deixar o escopo da invenção. De maneira geral, é possível ligar um número n de componentes cerâmicos paralelamente, sendo n superior ou igual a 1.
[0046] Os componentes cerâmicos 2, 3, 4 são nesse modo de realização capacitares cerâmicos, mas é possível realizar igualmente a invenção com outros tipos de componentes cerâmicos, por exemplo, com resistências cerâmicas.
[0047] Cada componente cerâmico se estende paralelamente ao eixo geométrico X.
[0048] Os três componentes cerâmicos 2, 3, 4 são ligados ao suporte 1 por intermédio de dois conectores 5 e 6 que se estendem, cada um, paralelamente ao eixo geométrico Y.
[0049] A invenção é particularmente digna de nota em que cada conector 5, 6 é constituído por um material composto por matriz metálica. Esse material composto por matriz metálica é, de preferência, um dos materiais a seguir: Cu-C, CuDiamante, Al-C, Al-SiC, Al-diamante.
[0050] Assim, cada conector 5, 6 apresenta um coeficiente de expansão térmica seguindo os eixos geométricos Y e Z, que é próximo do coeficiente de expansão térmica da cerâmica. De fato, cada conector 5, 6 apresenta, assim, um coeficiente de expansão térmica seguindo os eixos geométricos Y e Z, que é compreendido entre 8 e 16 ppm/K, o que permite limitar as pressões termomecânicas no momento da montagem dos componentes cerâmicos 2, 3, 4 sobre o suporte 1. Assim, a presença dos conectores 5, 6 permite limitar o risco de fissura nos componentes cerâmico devido à diferença de coeficiente de expansão térmica entre o suporte 1 e os componentes cerâmicos 2, 3 e 4.
[0051] Além disso, cada conector 5, 6 apresenta, assim, uma condutividade térmica superior a 150 W/mK seguindo os eixos geométricos Y e Z, o que permite
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8/10 favorecer a dissipação do fluxo térmico. Assim, o calor produzido por cada um dos componentes cerâmicos 2, 3 e 4 pode ser evacuado por intermédio dos conectores 5 e 6, o que evita o sobreaquecimento dos componentes cerâmicos 2 a 4. Assim, a invenção permite ligar paralelamente um grande número de componentes cerâmicos, visto que, mesmo quando um grande número de componentes cerâmicos é empilhado, o calor que os mesmos produzem pode ser evacuado. [0052] Cada conector 5, 6 pode ser fixado sobre o suporte 1 por brasagem, soldadura por brasagem, soldagem, colagem ou qualquer outro meio de montagem comumente utilizado para fixar um componente sobre um circuito impresso.
[0053] Similarmente, cada componente cerâmico 2, 3, 4 pode se tornar solidário a cada um dos conectores 5, 6 por brasagem, soldadura por brasagem, soldagem, colagem ou qualquer outro meio de montagem comumente utilizado para fixar um componente sobre um conector.
[0054] Cada conector 5, 6 comporta uma base 7, 8. A base 7, 8 é a parte do conector 5, 6 que está situada entre o suporte 1 e o componente cerâmico 2 mais próximo do suporte 1. A base 7, 8 apresenta, de preferência, uma altura, seguindo o eixo geométrico Y, pelo menos igual a 4 mm de modo a permitir a circulação do ar entre o componente cerâmico e o suporte e a diminuir as pressões termomecânicas entre o suporte e o componente cerâmico 2 mais próximo do suporte.
[0055] Cada base 7, 8 é, de preferência, cortada, seguindo o eixo geométrico X, por um entalhe 9, 10. O fundo de cada entalhe 9, 10 é, de preferência, arredondado para evitar que o conector não quebre no nível do entalhe 9, 10. Cada entalhe 9, 10 divide a base 7, 8 da qual o mesmo faz parte em três zonas:
- Uma parte de seção reduzida 11, 12;
- Um pé 13, 14, situado próximo ao suporte;
- Uma conexão 15, 16, situada próxima ao componente cerâmico.
[0056] Cada conector 5, 6 apresenta, de preferência, uma espessura, seguindo o eixo geométrico X, sensivelmente igual a 2 mm.
[0057] Nesse caso, os entalhes 9 e 10 são, de preferência, efetuados de modo que cada parte de seção reduzida 11,12 apresente uma espessura, seguindo o eixo
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9/10 geométrico X, compreendida entre 0,25 e 1 mm. A presença desse entalhe 9, 10 permite transportar as pressões termomecânicas, que são normalmente presentes no suporte, no pé 13, 14 do conector 5, 6. Ouro, como os conectores 5, 6 são mais resistentes mecanicamente que o suporte, esse transporte das pressões termomecânicas permite aumentar a duração de vida do circuito impresso.
[0058] Além disso, o entalhe 9, 10 é, de preferência, realizado a uma distância, seguindo o eixo geométrico Y, do componente cerâmico 2 mais próximo de suporte 1, que é compreendida entre 2 e 6 mm a fim de limitar as pressões termomecânicas após a fixação do componente cerâmico 2 sobre o conector 5, 6.
[0059] Além disso, os componentes cerâmicos 2, 3 e 4 são, de preferência, afastados o suficiente uns dos outros para permitir que o ar circule entre os mesmos. Assim, os componentes cerâmicos 2, 3, 4 são, de preferência, afastados em uma distância, seguindo o eixo geométrico Y, compreendida entre 0,5 e 1 mm.
[0060] As Figuras 3 a 5 representam outro modo de realização, no qual a base 7, 8 de cada conector 5, 6 apresenta outra forma que a do modo de realização das Figuras 1 e 2. Nesse modo de realização, o pé 13, 14 de cada base 7, 8 não está na continuação de cada conector 5, 6, mais é voltado em direção ao exterior dos componentes cerâmicos 2, 3, 4. Mais precisamente, no modo de realização das Figuras 1 e 2, o pé 13 está na continuação do conector 5 e é dirigido seguindo o eixo geométrico +X. Ao contrário, nesse modo de realização, o pé 13 é flexionado a 180° em relação ao pé das Figuras 1 e 2, de modo que o pé 13 é dirigido seguindo o eixo geométrico -X. Similarmente para o pé 14, que no modo de realização das Figuras 1 e 2 é dirigido seguindo o eixo geométrico -X, enquanto que nesse modo de realização, o pé 14 é flexionado a 180° em relação ao modo de realização das Figuras 1 e 2 de modo a ser dirigido de acordo com o eixo geométrico +X.
[0061] Além disso, como pode ser visto mais precisamente nas Figuras 4 e 5, cada pé 13 e 14 é cortado seguindo o eixo geométrico Z em diversas abas 13 à 13n, respectivamente 14a à 14n. Os pés 13 e 14 são, de preferência, cortados em lacuna. Esse corte de pés permite diminuir as pressões termomecânicas seguindo o eixo geométrico Z, o que permite aumentar a duração de vida da montagem entre os
Petição 870190087324, de 05/09/2019, pág. 13/17
10/10 conectores 5, 6 e o suporte 1.
[0062] É possível igualmente considerar cortar os pés 13 e 14 do circuito impresso das Figuras 1 e 2 a fim de diminuir as pressões seguindo o eixo geométrico Z igualmente, nesse modo de realização.
[0063] Naturalmente, a invenção não é limitada aos modos de realização descritos acima em referência às Figuras, e variações poderão ser concebidas sem se desviar do escopo da invenção. É possível, por exemplo, ligar um único componente eletrônico sobre o suporte. É possível igualmente realizar entalhes que apresentam outras geometrias em cada base. Além disso, o corte de pés que seguem o eixo geométrico Z poderá tomar outras formas.
Claims (9)
- REIVINDICAÇÕES1. Circuito impresso que compreende um suporte (1) sobre o qual é montado pelo menos um componente cerâmico (2, 3, 4), em que o componente cerâmico (2, 3, 4) é fixado ao suporte (1) por intermédio de dois conectores (5, 6), caracterizado pelo fato de que cada conector (5, 6) é feito de um material composto por matriz metálica, o material composto por matriz metálica sendo escolhido do grupo a seguir: Cu-C, Cu-Diamante, Al-C, Al-SiC, Al-diamante.
- 2. Circuito impresso, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada conector (5, 6) compreende uma base (7, 8) situada entre o componente cerâmico (2) e o suporte (1), sendo a base (7, 8) cortada por um entalhe (9, 10).
- 3. Circuito impresso, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o entalhe (9, 10) define três zonas na base (7, 8) de cada conector (5, 6):- uma parte de seção reduzida (11, 12), situada no entalhe (9,10),- um pé (13, 14) e uma conexão (15, 16), situados em ambos os lados da parte de seção reduzida (11, 12).
- 4. Circuito impresso, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o pé (13, 14) é cortado em diversas abas (13a...13n, 14a...14n).
- 5. Circuito impresso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o pé (13, 14) é adicionalmente espalhado em direção ao exterior do componente cerâmico (2, 3, 4).
- 6. Circuito impresso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a5, caracterizado pelo fato de que o componente cerâmico (2, 3, 4) é um capacitor cerâmico.
- 7. Circuito impresso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a6, caracterizado pelo fato de que pelo menos dois componentes cerâmicos (2, 3, 4) são ligados paralelamente por intermédio de dois conectores (5, 6).
- 8. Uso de um material composto por matriz metálica para conectar um componente cerâmico (2, 3, 4) a um suporte (1) em um circuito impresso, caracterizado pelo fato de que o material composto por matriz metálica é escolhidoPetição 870190087324, de 05/09/2019, pág. 15/172/2 do grupo a seguir: Cu-C, Cu-Diamante, Al-C, Al-SiC, Al-diamante.
- 9. Uso de um material composto por matriz metálica para conectar vários componentes cerâmicos (2, 3, 4) em paralelo a um suporte (1) em um circuito impresso, caracterizado pelo fato de que o material composto por matriz metálica é escolhido do grupo a seguir: Cu-C, Cu-Diamante, Al-C, Al-SiC, Al-diamante.
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