RU137172U1

RU137172U1 - SOLDERED CONTACT

Info

Publication number: RU137172U1
Application number: RU2013106561/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Гончаров
Original assignee: Александр Юрьевич Гончаров; Гончаров Михаил Юрьевич
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-01-27

Abstract

1. Паяный контакт, включающий, по крайней мере, два металлизированных сквозных отверстия, расположенных соосно; по крайней мере, один токопроводящий теплорассеивающий элемент, проходящий через эти металлизированные отверстия и термически и электрически контактирующий с ними, причем часть токопроводящего теплорассеивающего элемента выступает за пределы металлизированных отверстий.2. Паяный контакт по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий теплорассеивающий элемент выполнен в форме стержня с поперечным сечением в виде окружности.3. Паяный контакт по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий теплорассеивающий элемент выполнен в форме стержня с поперечным сечением в виде многоугольника.4. Паяный контакт по п.2 или 3, отличающийся тем, что токопроводящий теплорассеивающий элемент выполнен с одинаковым поперечным сечением по всей длине.5. Паяный контакт по п.2 или 3, отличающийся тем, что токопроводящий теплорассеивающий элемент выполнен с переменным поперечным сечением по всей длине.6. Паяный контакт по п.4 или 5, отличающийся тем, что токопроводящий теплорассеивающий элемент выполнен с изгибом.1. A soldered contact, comprising at least two metallized through holes located coaxially; at least one conductive heat dissipating element passing through these metallized openings and thermally and electrically contacting them, and a part of the conductive heat dissipating element extends beyond the metallized openings. 2. The soldered contact according to claim 1, characterized in that the conductive heat dissipating element is made in the form of a rod with a cross section in the form of a circle. Soldered contact according to claim 1, characterized in that the conductive heat dissipating element is made in the form of a rod with a cross section in the form of a polygon. A soldered contact according to claim 2 or 3, characterized in that the conductive heat dissipating element is made with the same cross section along the entire length. The soldered contact according to claim 2 or 3, characterized in that the conductive heat dissipating element is made with a variable cross-section along the entire length. The soldered contact according to claim 4 or 5, characterized in that the conductive heat dissipating element is made with a bend.

Description

Полезная модель относится к области силовой электроники и может использоваться в частности в силовых электронных устройствах для соединения печатных плат пайкой с использованием металлизированных отверстий.The utility model relates to the field of power electronics and can be used in particular in power electronic devices for connecting printed circuit boards by soldering using metallized holes.

Печатная плата представляет собой сложную композиционную систему, содержащую разнородные материалы: медь, стекло, полимер (например, эпоксидную смолу). Они имеют значительно различающиеся термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР). При температурных воздействиях в печатной плате возникают деформации, которые могут привести к разрушению электрических соединений, например, контактных узлов, в частности межплатных соединений или металлизированных переходных отверстий. Деформации при температурных нагрузках и изменение физико-химических свойств припоя и медного слоя может приводить к таким отказам соединений, как показано на фиг.1: кольцевой разрыв по внутреннему диаметру контактной площадки наружного слоя (тип 1), разрыв внутреннего соединения (тип 2), сдвиг металлизации относительно стенок отверстия с разрушением внутренних соединений (тип 3), кольцевой разрыв металлизации (тип 4). Термомеханические напряжения приводят к растяжению металлизации вдоль оси отверстия (осевые напряжения) и изгибу контактных площадок, наибольшая концентрация которого сосредоточивается на стыке с металлическим цилиндром отверстия (напряжение изгиба). Типичное искажение формы отверстия при нагреве показано на фиг.2 (а) - в исходном состоянии, б) - в процессе нагрева) (А.Медведев, «Технологическое обеспечение надежности соединений в печатных платах», Технологии в электронной промышленности, №6, 2005 г).A printed circuit board is a complex composite system containing dissimilar materials: copper, glass, polymer (for example, epoxy). They have significantly different thermal linear expansion coefficients (TEC). Under thermal effects, deformations occur in the printed circuit board, which can lead to the destruction of electrical connections, for example, contact nodes, in particular inter-circuit connections or metallized vias. Deformations under temperature loads and a change in the physicochemical properties of the solder and the copper layer can lead to such joint failures as shown in Fig. 1: ring gap along the inner diameter of the contact pad of the outer layer (type 1), gap of the internal connection (type 2), metallization shift relative to the walls of the hole with the destruction of internal compounds (type 3), annular metallization rupture (type 4). Thermomechanical stresses lead to stretching of the metallization along the axis of the hole (axial stress) and bending of the contact pads, the highest concentration of which is concentrated at the junction with the metal cylinder of the hole (bending stress). Typical distortion of the shape of the hole during heating is shown in Fig. 2 (a) in the initial state, b) in the heating process) (A. Medvedev, “Technological Support for Reliability of Connections in Printed Circuit Boards”, Technologies in the Electronics Industry, No. 6, 2005 d).

Известно устройство для изготовления неразъемных соединений (патент на изобретение RU 2134498 «Контактный узел» приоритет от 08.12.1998), которое содержит, по крайней мере, два металлизированных контакта, связанных с токоведущими дорожками, размещенными на поверхностях коммутационных слоев, выполненных на основе из диэлектрического материала, совмещенных друг с другом и соединенных между собой электрически и механически электропроводящим связующим материалом.A device for the manufacture of permanent joints (patent RU 2134498 "Contact node" priority from 12/08/1998), which contains at least two metallized contacts associated with current-carrying tracks placed on the surfaces of the switching layers made on the basis of a dielectric material, combined with each other and interconnected electrically and mechanically by an electrically conductive binder material.

Устройство представляет собой стык между контактом, изготовленным в виде металлизированной контактной площадки, связанной с токоведущими дорожками на поверхности нижележащего коммутационного слоя, и состыкованным с ней ответным контактом, выполненным в виде металлизированного отверстия в слое диэлектрического материала, причем нижний край металлизированного отверстия обращен к металлизированной контактной площадке на поверхности нижележащего коммутационного слоя, а его верхний край связан с токоведущими дорожками на верхней поверхности вышележащего коммутационного слояThe device is a joint between a contact made in the form of a metallized contact pad connected to current paths on the surface of the underlying switching layer and a response contact docked with it made in the form of a metallized hole in the dielectric material layer, the lower edge of the metallized hole facing the metallized contact site on the surface of the underlying switching layer, and its upper edge is connected with current-carrying paths on the upper surface rhnosti lying connection layer

Недостатком данного устройства является то, что при протекании через место контакта достаточно больших токов может произойти перегрев места контакта, приводящий к разрушению.The disadvantage of this device is that when sufficiently large currents flow through the contact point, overheating of the contact point can occur, leading to destruction.

Известно устройство для соединения печатных плат (патент на полезную модель RU 119972 «Плата печатная составная» приоритет от 13.02.2012), содержащее, по меньшей мере, две печатные платы, электрически и механически соединенные между собой с помощью подложки, которая закреплена на поверхностях смежных печатных плат и содержит электрические проводники, электрически соединенные с входными контактными площадками печатных плат. При этом подложка выполнена жесткой и жестко закреплена к печатным платам припоем.A device for connecting printed circuit boards (patent for utility model RU 119972 “Composite printed circuit board” priority of 02/13/2012), comprising at least two printed circuit boards, electrically and mechanically connected to each other by a substrate, which is mounted on the surfaces of adjacent printed circuit boards and contains electrical conductors electrically connected to the input pads of the printed circuit boards. In this case, the substrate is made rigid and rigidly fixed to the printed circuit boards with solder.

Недостатком данного устройства, как и в предыдущем случае, является то, что при протекании через место контакта достаточно больших токов может произойти перегрев, приводящий к разрушению контакта и возможному разрыву соединения печатных плат.The disadvantage of this device, as in the previous case, is that when sufficiently large currents flow through the contact point, overheating can occur, leading to the destruction of the contact and possible rupture of the circuit board connection.

Известно устройство для соединения контактных площадок на противоположных сторонах печатной платы и обеспечивающее протекание через него больших токов (патент на изобретение US 6081996 «Through hole circuit board interconnect» приоритет 23.10.1998), которое содержит подложку из диэлектрика с расположенным в нем отверстии с контактными площадками по обеим сторонам и расположенном в отверстии штырем с шляпкой, причем диаметр штыря существенно меньше диаметра отверстия, а шляпка смещена относительно оси штыря. Штырь расположен в отверстии асимметрично и закреплен пайкой к контактным площадкам с одной стороны шляпкой, а с другой стороны выступающим концом.A device is known for connecting contact pads on opposite sides of a printed circuit board and allowing high currents to flow through it (US Patent No. 6081996 “Through hole circuit board interconnect”, priority 23.10.1998), which comprises a dielectric substrate with an opening in it with contact pads on both sides and located in the hole with a pin with a hat, and the diameter of the pin is significantly smaller than the diameter of the hole, and the hat is offset relative to the axis of the pin. The pin is located asymmetrically in the hole and is fixed by soldering to the contact pads on one side with a cap and on the other side with a protruding end.

Недостатком данного устройства является его неприменимость при соединении двух и более печатных плат.The disadvantage of this device is its inapplicability when connecting two or more printed circuit boards.

Как видно из приведенных выше решений, они позволяют либо соединять элементы (например, две печатные платы или печатную плату и кристалл БИС) при помощи пайки через металлизированные отверстия в одном элементе, но при этом отсутствует возможность эффективного теплоотвода от места паяного соединения при протекании через него достаточно больших токов, либо обеспечивают протекание значительных токов, но не позволяют соединять несколько элементов (печатных плат), а лишь контактные площадки на противоположных сторонах неметаллизированного отверстия.As can be seen from the above solutions, they allow you to either connect elements (for example, two printed circuit boards or a printed circuit board and an LSI chip) by soldering through metallized holes in one element, but there is no possibility of efficient heat removal from the place of the soldered joint when it flows through it sufficiently high currents, or provide significant currents, but do not allow the connection of several elements (printed circuit boards), but only contact pads on opposite sides of non-metallized holes.

Целью полезной модели является сохранение прочности паяного контакта путем снижения его проходного сопротивления и дополнительного отвода от него тепла.The purpose of the utility model is to maintain the strength of the soldered contact by reducing its passage resistance and additional heat removal from it.

Поставленная цель достигается тем, что печатные платы (1, 2), имеющие сквозные металлизированные отверстия располагаются друг над другом так, чтобы оси симметрии металлизированных отверстий (3, 4) совпадали и их контактные площадки на близлежащих сторонах соприкасались друг с другом (фиг.3). Сквозь металлизированные отверстия печатных плат проходит токопроводящий теплорассеивающий элемент (ТТЭ) (5), связанный с их стенками и контактными площадками с помощью припоя (6).This goal is achieved in that the printed circuit boards (1, 2) having through metallized holes are located one above the other so that the symmetry axis of the metallized holes (3, 4) coincide and their contact pads on adjacent sides are in contact with each other (Fig. 3 ) A conductive heat dissipating element (TFE) (5) is connected through the metallized holes of the printed circuit boards (5), connected to their walls and contact pads using solder (6).

Так, например, в силовой электронике, в частности в преобразователях энергии, при установке планарного трансформатора, обмотки которого выполнены в виде многослойной печатной платы, на основную печатную плату в области контакта протекают значительные токи. При этом проходное сопротивление контакта зависит от многих факторов, таких как качество пайки, толщина олова между сопрягаемыми контактами, качество припоя. При установке в зону контакта ТТЭ значительно уменьшается проходное сопротивление. Причем, варьируя материалом ТТЭ, его диаметром или количеством совместно используемых элементов можно получать необходимое значение проходного сопротивления. Кроме того, увеличивая выходящую за зону контакта область ТТЭ, можно обеспечить дополнительный теплоотвод от места паяного контакта и тем самым сохранить прочность соединения печатных плат.For example, in power electronics, in particular in energy converters, when installing a planar transformer, the windings of which are made in the form of a multilayer printed circuit board, significant currents flow to the main printed circuit board in the contact area. In this case, the contact resistance of the contact depends on many factors, such as the quality of the solder, the thickness of the tin between the mating contacts, the quality of the solder. When installed in the contact zone of the TFE, the passage resistance is significantly reduced. Moreover, by varying the TFE material, its diameter or the number of shared elements, it is possible to obtain the necessary value of the passage resistance. In addition, increasing the TFE region extending beyond the contact zone, it is possible to provide additional heat removal from the soldered contact point and thereby preserve the bond strength of the printed circuit boards.

В предпочтительном варианте выполнения полезной модели производится соединение двух печатных плат. Обе печатные платы выполнены многослойными, а ТТЭ выполнен в форме стержня выступающего за пределы металлизированного отверстия. Тепло, генерируемое в ТТЭ, отдается во внешнюю среду (например, воздух или теплопроводящий компаунд).In a preferred embodiment of the utility model, two printed circuit boards are connected. Both printed circuit boards are multilayer, and the FCF is made in the form of a rod protruding beyond the metallized hole. The heat generated in the FCA is transferred to the external environment (for example, air or a heat-conducting compound).

В ином варианте исполнения полезной модели, сопрягаемые печатные платы могут быть двусторонними, их количество может быть более двух, а ТТЭ могут иметь различную форму, например: стержня со шляпкой (фиг.4) или выступами на одном конце (фиг.5), быть в поперечном сечении округлым или многоугольным.In another embodiment of the utility model, the interfaced printed circuit boards can be double-sided, their number can be more than two, and the FCF can have a different shape, for example: a rod with a hat (figure 4) or protrusions at one end (figure 5), be in cross section rounded or polygonal.

Также возможен вариант, в котором при использовании нескольких ТТЭ в форме стержней их выходящие из металлизированных отверстий концы отогнуты друг от друга для увеличения теплоотдающей поверхности и как следствие улучшения теплоотдачи (фиг.6).It is also possible that in the case of using several solid fuel cells in the form of rods, their ends emerging from the metallized holes are bent from each other to increase the heat transfer surface and, as a result, improve heat transfer (Fig. 6).

Claims

1. A soldered contact, comprising at least two metallized through holes located coaxially; at least one conductive heat dissipating element passing through these metallized holes and thermally and electrically contacting them, and a part of the conductive heat dissipating element extends beyond the metallized holes.

2. The soldered contact according to claim 1, characterized in that the conductive heat dissipating element is made in the form of a rod with a cross section in the form of a circle.

3. The soldered contact according to claim 1, characterized in that the conductive heat dissipating element is made in the form of a rod with a cross section in the form of a polygon.

4. The soldered contact according to claim 2 or 3, characterized in that the conductive heat dissipating element is made with the same cross-section along the entire length.

5. The soldered contact according to claim 2 or 3, characterized in that the conductive heat dissipating element is made with a variable cross-section along the entire length.

6. The soldered contact according to claim 4 or 5, characterized in that the conductive heat dissipating element is made with a bend.