RU2608587C2

RU2608587C2 - Печатная плата, содержащая по меньшей мере один керамический компонент

Info

Publication number: RU2608587C2
Application number: RU2013112934A
Authority: RU
Inventors: Тони ЛОММО
Original assignee: Лабиналь Пауэр Системз
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2017-01-23
Also published as: BR112013004222B1; JP2013536587A; EP2609604B1; WO2012025693A1; CA2809401A1; CA2809401C; US9198295B2; FR2964291A1; EP2609604A1; US20130146348A1; CN103069518A; FR2964291B1; RU2013112934A; CN103069518B; BR112013004222A2

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к печатной плате, содержащей подложку (1), на которой закреплен по меньшей мере один керамический компонент (2, 3, 4) таким образом, чтобы обеспечить удаление тепла, выделяемого керамическим компонентом (2, 3, 4) и исключить появление трещин в керамическом компоненте (2, 3, 4) и в подложке. Для этого керамический компонент (2, 3, 4) закреплен на подложке (1) с помощью двух соединителей (5, 6) из композитного материала с металлической матрицей. Эти два соединителя имеют хорошую теплопроводность, предпочтительно имеют вырезы для обеспечения передачи механических напряжений. Исключение растрескивания керамического компонента за счет снижения в нем тепловых механических напряжений является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение касается печатной платы, содержащей по меньшей мере один электронный компонент или электрический керамический компонент. Точнее говоря, настоящее изобретение касается решения по сборке электрических или керамических электронных компонентов на печатной плате, в частности, когда эта печатная плата находится в тяжелых бортовых условиях, будучи размещенной, например, в турбореактивном двигателе.

СОСТОЯНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

При использовании керамических конденсаторов на платах или в электронных сборках возникают проблемы надежности, в частности, вызванные хрупкостью материалов, образующих эти керамические конденсаторы. Действительно, керамика не выдерживает механических напряжений, превышающих предел ее упругости, и, следовательно, она начинает растрескиваться. Эти трещины ограничивают емкость конденсаторов и могут даже вызвать пробой диэлектрика. Эта проблема особенно значительна в конденсаторах, размер которых превышает 1 см.

Также керамические резисторы создают проблемы надежности, когда они закреплены на печатных платах. Эта проблема часто возникает, когда подложка и компонент, закрепленный на этой подложке, имеют различные коэффициенты теплового расширения.

Существующие решения этой проблемы заключаются либо в ограничении размера компонентов, что ограничивает также их емкость, либо в использовании промежуточных соединителей для крепления керамических компонентов к подложке. Эти промежуточные соединители должны иметь коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения керамики, для исключения растрескивания керамического компонента. Так, в настоящее время промежуточные соединители выполняются из сплава типа FeNiCo, который имеет коэффициент теплового расширения, примерно равный 6 ppm/К.

Однако заявитель констатировал, что использование таких промежуточных соединителей приводит к нагреву керамических компонентов, что может привести к уменьшению их емкости. В частности, когда множество керамических компонентов соединены параллельно через два соединителя FeNiCo, заявитель обнаружил, что установленный параллельно наиболее удаленный от подложки компонент нагревается более значительно, чем установленный параллельно компонент, наиболее близкий к подложке. Такое распределение температур ограничивает таким образом количество компонентов, которое можно установить параллельно. Кроме того, такое распределение температур может привести к уменьшению емкости конденсатора, расположенного наиболее далеко от подложки, и в частности, когда достигают температуры, превышающей 125°С. Заявитель констатировал также, что использование соединителей из известного уровня техники может увеличить тепловые механические напряжения в керамике компонента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение направлено на устранение, по меньшей мере частичное, недостатков уровня техники путем предложения печатной платы, на которой могут быть закреплены керамические компоненты любых размеров.

Другим объектом изобретения является предложение печатной платы, на которой керамические компоненты могут быть установлены с уменьшенным риском растрескивания этих керамических компонентов.

Другим объектом изобретения является предложение средств крепления керамического компонента на печатной плате, которые позволяют ограничить нагрев компонента.

Другим объектом изобретения является предложение средств крепления нескольких керамических компонентов параллельно на печатной плате, что позволяет ограничить нагрев керамического компонента, наиболее удаленного от подложки.

Другим объектом изобретения является предложение печатной платы, на которой керамические компоненты жестко закреплены.

Другим объектом изобретения является предложение печатной платы, в которой механические напряжения уменьшены.

Для этого в соответствии с первым аспектом изобретения предложена печатная плата, содержащая подложку, на которой установлен по меньшей мере один керамический компонент, причем керамический компонент закреплен на подложке посредством двух соединителей, при этом каждый соединитель образован из композитного материала с металлической матрицей.

Выбор соединителя из композитного материала с металлической матрицей является особенно предпочтительным, так как он имеет коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения керамики, и, следовательно, он позволяет ограничивать риски растрескиваний керамического компонента.

Кроме того, соединитель из композитного материала металлической матрицей имеет повышенную теплопроводность, и он позволяет таким образом хорошо отводить тепло от керамических компонентов, включая параллельное соединение этих керамических компонентов. Действительно, соединители из композитного материала с металлической матрицей имеют теплопроводность, превышающую 300 WmK, что позволяет значительно уменьшить саморазогрев керамического компонента при сохранении его механической целостности, так как исключают растрескивание.

Кроме того, соединители из композитного материала металлической матрицей позволяют получить равномерную температуру всей печатной платы, несмотря на существенные геометрические изменения между печатной платой и первым компонентом. Кроме того, изобретение позволяет соединить большое количество керамических компонентов параллельно между двумя соединителями, так как тепло от керамического элемента, расположенного наиболее далеко от подложки, может быть отведено соединителями из композитного материала с металлической матрицей.

Предпочтительно, композитный материал с металлической матрицей взят из следующей группы: Cu-C, Cu-алмаз, Al-C, Al-SiC, Al-алмаз. Под названием «Cu-C» подразумевают композитный материал, имеющий медную матрицу и углеродное усиление. Кроме того, для других упомянутых композитных материалов упомянутый первым химический элемент является элементом, образующим матрицу, а химический элемент, упомянутый вторым, обозначает элемент, который образует усиление.

Выбор этих материалов для изготовления соединителей позволяет получить соединители, которые имеют коэффициент теплового расширения, составляющий между 6 и 16 ppm/K, и теплопроводность, превышающую 150 W/mK, что позволяет одновременно исключить растрескивания керамических компонентов и отвести тепло, производимое этими керамическими компонентами.

В соответствии c предпочтительным вариантом осуществления каждый соединитель содержит основание, расположенное между керамическим компонентом и подложкой, при этом в основании вырезана выемка. Эта выемка в основании каждого соединителя позволяет ограничить механические и тепловые напряжения в подложке. Действительно, эта выемка позволяет перевести напряжения, которые обычно испытывает подложка, на основание на уровень выемки. Таким образом, так как соединители имеют бо'льшую прочность, чем подложка, это позволяет увеличить срок службы печатной платы.

Эти выемки возможны только потому, что соединители имеют хорошую теплопроводность. Действительно, если это было бы не так, то уменьшение сечения основания каждого соединителя помешало бы отведению тепла от керамических компонентов и привело бы таким образом к нагреву керамических компонентов.

Предпочтительно, подложка проходит параллельно плоскости XZ, керамический компонент проходит параллельно оси Х, а соединители проходят параллельно оси Y, перпендикулярной плоскости XZ.

Предпочтительно, выемка определяет три зоны в основании каждого соединителя:

- Часть уменьшенного сечения, расположенная на уровне выемки;

- Ножка и соединение, расположенные с одной и другой стороны части уменьшенного сечения, которые имеют таким образом сечение, превышающее сечение уменьшенной части.

Когда выемка выполнена в соединителе, она проходит, предпочтительно, по оси Х.

Предпочтительно, ножка, кроме того, разрезана на несколько лапок. Предпочтительно, это разрезание выполнено в направлении, перпендикулярном направлению выемки. Ножка, таким образом, разрезана по оси Z.

Это разрезание ножки, например, на зубцы позволяет уменьшить термомеханические напряжения в ножке по оси разреза, что позволяет увеличить срок службы сборки.

В соответствии с различными вариантами осуществления:

- Ножка может быть направлена к керамическому компоненту, то есть ножка образована частью основания, расположенного между выемкой и подложкой в продолжении соединителя; этот вариант осуществления обеспечивает экономию места;

или

- ножка может быть отогнута наружу от керамического компонента, то есть ножка повернута таким образом, чтобы разместиться на 180° от предыдущего положения. В этом случае ножка больше не находится под керамическим компонентом; этот вариант осуществления обеспечивает лучшую фиксацию соединителей к подложке.

Изобретение касается, в частности, случая, когда керамическим компонентом является керамический конденсатор.

Предпочтительно, по меньшей мере два керамических компонента соединены параллельно посредством двух соединителей. Действительно, изобретение позволяет соединять несколько керамических компонентов параллельно, при этом керамический компонент, расположенный наиболее далеко от подложки, не будет иметь температуру нагрева, превышающую температуру нагрева керамического компонента, расположенного наиболее близко к подложке.

Предпочтительно, основание имеет высоту по оси Y, превышающую 4 мм.

Предпочтительно, выемка находится на расстоянии по оси Y от компонента, наиболее близкого к подложке, составляющем между 2 мм и 6 мм, что позволяет исключить термомеханические напряжения после фиксации соединителя к подложке.

Предпочтительно, соединитель имеет толщину по оси Х примерно 2 мм.

Предпочтительно, часть уменьшенного сечения имеет толщину по оси Х, составляющую между 0,25 и 1 мм, для ограничения термомеханических напряжений и увеличения срока службы компонента.

Изобретение касается также использования композитного материала с металлической матрицей для соединения керамического компонента с подложкой печатной платы.

Изобретение касается также использования одного из этих композитных материалов с металлической матрицей для связи керамического компонента с подложкой в печатной плате: Cu-C, Cu-алмаз, Al-C, Al-SiC, Al-алмаз.

Изобретение касается также применения композитного материала с металлической матрицей для параллельного соединения нескольких керамических компонентов на подложке в печатной плате.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- Фиг. 1 изображает вид в перспективе печатной платы в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

- Фиг. 2 изображает вид спереди печатной платы по фиг. 1;

- Фиг. 3 изображает вид спереди печатной платы в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

- Фиг. 4 изображает вид сбоку печатной платы по фиг. 3;

- Фиг. 5 изображает вид сверху печатной платы по фиг. 3.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 1 и 2 изображают печатную плату в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Эта печатная плата содержит подложку 1. Эта подложка 1 предпочтительно образована сборкой одного или нескольких тонких слоев меди, разделенных изолирующим материалом. Изолирующим материалом может быть, например, полиамид, эпоксидная смола или стекловолокно. Подложка 1 обычно имеет коэффициент теплового расширения, составляющий между 4 и 25 ppm/K.

Подложка 1 проходит параллельно плоскости XZ.

Печатная плата содержит также три керамических компонента 2, 3, 4, соединенных параллельно подложке 1. В этом примере количество соединенных параллельно компонентов равно 3, но можно также выбрать другое количество керамических компонентов без выхода за рамки изобретения. В общем можно было бы соединить параллельно количество n керамических компонентов при n, превышающем или равном 1.

Керамические компоненты 2, 3, 4 в данном варианте осуществления представляют собой керамические конденсаторы, но изобретение можно также осуществить с другими типами керамических компонентов, например с керамическими резисторами.

Каждый керамический компонент проходит параллельно оси Х.

Три керамических компонента 2, 3, 4 соединены с подложкой 1 посредством двух соединителей 5 и 6, каждый из которых проходит параллельно оси Y.

Изобретение, в особенности, примечательно тем, что каждый соединитель 5, 6 образован из композитного материала металлической матрицей. Этот композитный материал с металлической матрицей является, предпочтительно, одним из следующих материалов: Cu-C, Cu-алмаз, Al-C, Al-SiC, Al-алмаз.

Так, каждый соединитель 5, 6 имеет коэффициент теплового расширения по осям Y и Z, близкий к коэффициенту теплового расширения керамики. Действительно, каждый соединитель 5, 6 имеет таким образом коэффициент теплового расширения по осям Y и Z, который составляет между 8 и 16 ppm/K, что позволяет ограничить термомеханические напряжения в процессе сборки керамических компонентов 2, 3, 4 на подложке 1. Таким образом, наличие соединителей 5, 6 позволяет ограничить риск появления трещин в керамических компонентах, вызванных разностью теплового расширения между подложкой 1 и керамическими компонентами 2, 3 и 4.

Кроме того, каждый соединитель 5, 6 обладает теплопроводностью, превышающей 150 W/mK, по осям Y и Z, что позволяет улучшить рассеяние теплового потока. Таким образом, тепло, производимое каждым керамическим компонентом, может отводиться посредством соединителей 5 и 6, что исключает перегрев керамических компонентов 2-4. Таким образом, изобретение позволяет параллельно соединять большое количество керамических компонентов, так как, несмотря на то, что большое количество компонентов собрано в стопку, производимое ими тепло может быть отведено.

Каждый соединитель 5, 6 может быть закреплен на подложке 1 пайкой, сваркой-пайкой, сваркой, склеиванием или любым другим средством сборки, обычно используемым для крепления компонента на печатной плате.

Кроме того, каждый керамический компонент 2, 3, 4 может быть жестко соединен с каждым из соединителей 5, 6 пайкой, пайкой-сваркой, сваркой, склеиванием или любым другим средством сборки, обычно используемым для крепления компонента на соединителе.

Каждый соединитель 5, 6 содержит основание 7, 8. Основание 7, 8 является частью соединителя 5, 6, которая расположена между подложкой 1 и керамическим компонентом 2, наиболее близким к подложке 1. Основание 7, 8 имеет предпочтительно высоту по оси Y, по меньшей мере равную 4 мм, для обеспечения циркуляции воздуха между керамическим компонентом и подложкой и для уменьшения термомеханических напряжений между подложкой и керамическим компонентом 2, наиболее близким к подложке.

В каждом основании 7, 8 предпочтительно вырезана выемка 9, 10 по оси Х. Дно каждой выемки 9, 10 является, предпочтительно, скругленным для того, чтобы соединитель не ломался на уровне выемки 9, 10. Каждая выемка 9, 10 разделяет основание 7, 8, на котором она выполнена, на три зоны:

- Часть уменьшенного сечения 11, 12;

- Ножка 13, 14, расположенная вблизи подложки;

- Соединение 15, 16, расположенное вблизи керамического компонента.

Каждый соединитель 5, 6 имеет предпочтительно толщину по оси Х, по существу равную 2 мм.

В этом случае выемки 9 и 10 являются предпочтительно выполненными таким образом, чтобы каждая часть уменьшенного сечения 11, 12 имела толщину по оси Х, составляющую между 0,25 и 1 мм. Наличие этой выемки 9, 10 позволяет механически переместить термомеханические напряжения, которые обычно имеются в подложке, в ножку 13, 14 соединителя 5, 6. Таким образом, так как соединители 5, 6 являются механически более стойкими, чем подложка, этот перенос термомеханических напряжений позволяет увеличить срок службы печатной платы.

Кроме того, выемки 9, 10 предпочтительно выполняют на расстоянии по оси Y от керамического компонента 2, наиболее близкого к подложке, которое составляет между 2 и 6 мм, для ограничения термомеханических напряжений после крепления керамического компонента 2 на соединителе 5, 6.

Кроме того, керамические компоненты 2, 3 и 4, предпочтительно, достаточно удалены одни от других для обеспечения циркуляции воздуха между ними. Так, керамические компоненты 2, 3, 4, предпочтительно, удалены по оси Y на расстояние, составляющее между 0,5 и 1 мм.

Фиг. 3-5 изображают другой вариант воплощения, в котором основание 7, 8 каждого соединителя 5, 6 имеет другую форму, чем в варианте воплощения по фиг. 1 и 2. В этом варианте воплощения ножка 13, 14 каждого основания 7, 8 не находится в продолжение каждого соединителя 5, 6, но она повернута в наружном направлении от керамических компонентов 2, 3, 4. Точнее говоря, в варианте воплощения по фиг. 1 и 2 ножка 13 находится в продолжение соединителя 5 и направлена по оси +Х. Напротив, в рассматриваемом варианте воплощения ножка 13 согнута на 180° по сравнению с ножкой по фиг. 1 и 2 так, чтобы ножка 13 была направлена по оси -Х. Кроме того, для ножки 14, которая по варианту воплощения по фиг. 1 и 2 направлена по оси -Х, в рассматриваемом варианте ножка 14 согнута на 180° по сравнению с вариантом по фиг. 1 и 2 так, чтобы она была направлена по оси +Х.

Кроме того, как точнее показано на фиг. 4 и 5, каждая ножка 13 и 14 разрезана по оси Z на несколько лапок 13-13n, соответственно 14а-14n. Ножки 13 и 14 предпочтительно разрезаны на зубцы. Это разрезание ножек позволяет уменьшить термомеханические напряжения по оси Z, что позволяет увеличить срок службы сборки между соединителями 5, 6 и подложкой 1.

Можно также осуществить разрезание ножек 13 и 14 печатной платы по фиг. 1 и 2 для уменьшения напряжений по оси Z также в этом варианте воплощения.

Естественно, изобретение не ограничено описанными вариантами воплощения со ссылками на чертежи и вариантами, которые могут быть рассмотрены без выхода за рамки изобретения. Например, можно было бы соединить единственный электронный компонент на подложке. Можно было бы также выполнить выемки с другой геометрией в каждом основании. Кроме того, разрезы ножек по оси Z могли бы иметь иные формы.

Claims

1. Печатная плата, содержащая подложку (1), на которой установлен по меньшей мере один керамический компонент (2, 3, 4), при этом керамический компонент (2, 3, 4) закреплен на подложке (1) посредством двух соединителей (5, 6), отличающаяся тем, что каждый соединитель (5, 6) образован из композитного материала с металлической матрицей, выбранного из следующей группы:

композитный материал, имеющий медную матрицу и углеродное усиление;

композитный материал, имеющий медную матрицу и алмазное усиление;

композитный материал, имеющий алюминиевую матрицу и углеродное усиление;

композитный материал, имеющий алюминиевую матрицу и усиление из SiC;

композитный материал, имеющий алюминиевую матрицу и алмазное усиление,

при этом каждый соединитель (5, 6) содержит основание (7, 8), расположенное между керамическим компонентом (2) и подложкой (1), при этом в основании (7, 8) вырезана выемка (9, 10);

при этом выемка (9, 10) определяет три зоны в основании (7, 8) каждого соединителя (5, 6):

- часть уменьшенного сечения (11, 12), расположенная на уровне выемки (9, 10),

- ножка (13, 14) и соединение (15, 16), расположенные с одной и другой стороны части уменьшенного сечения (11, 12).

2. Плата по п. 1, отличающаяся тем, что ножка (13, 14) разрезана на несколько лапок (13а… 13n… 14а… 14n…).

3. Плата по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что ножка (13, 14), кроме того, отогнута наружу от керамического компонента (2, 3, 4).

4. Плата по п. 1, отличающаяся тем, что керамический компонент (2, 3, 4) является керамическим конденсатором.

5. Плата по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере два керамических компонента (2, 3, 4) соединены параллельно посредством двух соединителей (5, 6).