Способ изготовления трехмерного электронного модуля с высокой плотностью размещения компонентов и устройство

Использование: для изготовления электронных устройств с поверхностным расположением компонентов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления трехмерного электронного модуля с высокой плотностью размещения компонентов, включающий получение заготовки печатной платы на металлической основе; сгибание печатной платы и монтаж электронных компонентов на ее поверхности, при этом используют заготовку печатной платы, выполненную в виде развертки, плоские участки которой имеют форму n-угольника, где n ≥ 2, и выполнены с возможностью образования граней пространственной структуры; монтаж поверхностных выводных компонентов и электронных узлов осуществляют на развертке печатной платы, путем их группировки на поверхности по меньшей мере двух участков печатной платы, с учетом сохранения их пространств в последующем изгибе платы; сгибают развертку печатной платы путем последовательного относительного поворота частей заготовки вокруг линии сгиба до размещения электронных компонентов одного участка в свободном пространстве между электронными компонентами другого или нескольких других участков платы. Технический результат: обеспечение возможности улучшения массогабаритных характеристик готового изделия, улучшения рассеивания тепла от компонентов, повышения электромагнитной экранизации. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области технологии изготовления электронных устройств с поверхностным расположением компонентов и может быть использовано в авионике, телекоммуникации, светотехнике, других областях и быть конфигурированы как источник питания, преобразователь, датчики и т.д.

Известный уровень

Известен способ сборки светоизлучающего трехмерного электронного модуля, включающий, монтаж на поверхности планарной металлической платы электронных компонентов, размещение планарной платы на радиаторе, поверхность которого имеет форму полусферы, сгибание планарной платы до получения трехмерной сферической формы и закрепление ее на поверхности радиатора (CN 102595788, H01L 33/64, опубликовано 18.07.2012).

В известном решении показано изготовление открытого светодиодного модуля, которое не пригодно для создания защищенного универсального трехмерного электронного модуля, компоненты которого размещены в полости модуля.

Известно решение, согласно которому на восьмислойных частях платы монтируют поверхностные компоненты, сгибают четырехслойную гибкую часть платы так, что поверхностные компоненты оказываются между восьмислойными частями платы, формируя трехмерную U-образную структуру жестко-гибкой печатной платы (CN 103730446, H01L 21/56, опубликовано 16.04.2014).

Недостатком решения по этому аналогу является ограниченная возможность использования SMT-элементов, отсутствие возможности выбора конфигурации модуля и невозможность использования выводных элементов, в связи с отсутствием жесткого основания.

Известно решение, раскрытое в заявке US 2005270750, согласно которому защищенный трехмерный электронный модуль содержит стопку печатных плат, на каждой из которых предварительно монтируют группу однотипных электронных компонентов. Каждую из печатных плат закрепляют в своей жесткой раме из теплопроводного материала, совокупность которых образует по существу радиатор. Компоненты на каждой плате располагают в полости между соседними платами (US 2005270750, H05K 7/20, опубликовано 8.12.2005).

Недостатком аналога является сложность отвода тепла из замкнутых полостей трехмерного модуля, отсутствие возможности выбора конфигурации модуля и невозможность использования выводных элементов.

Техническим результатом заявляемого решения является улучшение массогабаритных характеристик готового изделия, за счет повышения плотности установки компонентов; улучшение рассеивания тепла от компонентов; повышение электромагнитной экранизации.

В качестве ближайшего аналога выбрано решение по патенту CN 102595788, совпадающее с заявленным решением по большинству признаков.

Изобретение характеризуется следующей совокупностью признаков:

Способ изготовления трехмерного электронного модуля с высокой плотностью размещения компонентов, включающий:

получение заготовки печатной платы на металлической основе;

монтаж электронных компонентов на поверхности печатной платы;

сгибание печатной платы,

отличающийся тем, что:

используют заготовку печатной платы, выполненную в виде развертки, плоские участки которой имеют форму n-угольника, где n ≥ 2, и выполнены с возможностью образования граней пространственной структуры;

размечают участки развертки линиями сгиба;

осуществляют монтаж электронных компонентов, путем группировки электронных компонентов на монтажной поверхности, по меньшей мере, двух участков развертки печатной платы;

сгибают развертку печатной платы путем последовательного относительного поворота частей заготовки вокруг линии сгиба до размещения электронных компонентов одного участка в свободном пространстве между электронными компонентами другого или нескольких других участков платы.

Под выражением «размечают … линии сгиба» понимается процесс технологической разметки линий между участками платы, по которым в специальной оснастке будет производиться изгиб. Технологическая разметка может быть выполнена, в частности, в виде ряда сквозных или несквозных отверстий, обозначающих конечные точки линии, что облегчает пластическую деформацию развертки платы.

Участки развертки платы образуют грани пространственной структуры и могут быть сформированы в виде многогранника, в том числе в виде куба, параллелепипеда, иной призмы, усеченной пирамиды или иной пространственной структуры с замкнутой или незамкнутой полостью. Пространственная структура печатной платы имеет N - граней, где N - натуральное число и выбрано из выражения: N ≥ 3. Форму пространственной структуры и его развертки, определяют на этапе проектирования, в зависимости от решаемых задач.

Положение компонентов на участках платы выбирается на этапе проектирования, с учетом желаемой формы модуля, а также с учетом схемотехнических и теплотехнических особенностей схемы, и описанных ниже технологических особенностей формообразования модуля.

Монтаж поверхностных компонентов, выводных компонентов и электронных узлов осуществляют на развертке печатной платы, путем их группировки на поверхности, по меньшей мере, двух участков печатной платы таким образом, что в процессе последующего изгиба платы сохраняются пространства компонентов и электронных узлов при изменении размеров пространства между компонентами и узлами ними. В итоге электронные компоненты одного участка печатной платы размещаются в свободном пространстве между электронными компонентами и узлами другого или нескольких других участков платы.

Под выражением «пространство компонента» в заявке понимается объем пространства, занимаемого смонтированным на плате компонентом, зависящий от его геометрических размеров.

Для расширения функциональных возможностей, по меньшей мере, один участок развертки может быть снабжен разъемом для размещения, по меньшей мере, одного выводного компонента или электронного узла на дополнительной плате.

Применение металлической печатной платы на алюминиевой основе позволяет эффективно отводить тепло от мощных компонентов.

В случае необходимости, сформированный электронный модуль может быть покрыт гибкой электроизолирующей оболочкой с натуральным или полимерным наполнителем.

Для улучшения теплообмена электронный модуль может быть размещен в дополнительный корпус и залит жидким теплопроводным компаундом с последующим его отверждением.

Для иллюстрации предлагаемого решения на чертежах показаны различные этапы изготовления трехмерного модуля вторичного источника питания, пространственная структура которого выполнена в виде параллелепипеда:

Фиг. 1 - развертка печатной платы, с вариантом размещения компонентов на участках развертки и с размеченными линиями сгиба.

Фиг. 2 - объемное изображение промежуточного этапа формирования пространственной структуры трехмерного электронного модуля, развертка которого показана на фиг. 1.

Фиг. 3 - объемное изображение завершающего этапа формирования пространственной структуры трехмерного электронного модуля, показанного на фиг. 2.

Фиг. 4 - объемное изображение варианта выполнения трехмерного электронного модуля с комбинацией поверхностных и выводных компонентов.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - заготовка печатной платы, в виде развертки шестигранника,

2, 3, 4, 5, 6, 7 - участки развертки платы, показанной на фиг. 1,

8 - линии сгиба печатной платы,

9 - поверхностные компоненты (SMT),

10 - выводные компоненты (TNT),

11 - разъем для подключения выводного компонента,

12 - электронный функциональный узел,

13 - плата электронного функционального узла.

Пример реализации

Заготовка 1 печатной платы, выполнена в виде развертки с шестью прямоугольными участками 2, 3, 4, 5, 6, 7, разделенными линиями 8 сгиба печатной платы. Поверхностные 9 и выводные компоненты 10 сгруппированы на участках 2, 3 и 4 платы 1. При необходимости для размещения компонентов могут быть использованы поверхности других участков печатной платы 1.

После завершения операции монтажа компонентов осуществляют сгибание печатной платы 1 по линиям 8 между участками платы так, что участки 2-7 занимают положение боковых и торцевых граней шестигранника, а электронные компоненты 9, 10, смонтированные на участках 2 и 4 платы, размещают в полости шестигранника и располагают в свободном пространстве между компонентами участка 3 платы. Участки 6, 7 развертки платы закрывают торцевые стороны шестигранника, а участок 5 закрывает полость шестигранника. Такая компоновка позволяет существенно повысить плотность электронных компонентов, а металлическое основание платы эффективно отводить тепло от модуля.

Следует еще раз отметить, что грани пространственной структуры могут быть открытыми. В необходимых случаях открытое выполнение позволяет создать каналы дополнительного конвективного охлаждения электронного модуля, сформированного вышеописанным способом.

Предлагаемое решение может быть реализовано с использованием универсального монтажного и гибочного оборудования.

1. Способ изготовления трехмерного электронного модуля с высокой плотностью размещения компонентов, включающий получение заготовки печатной платы на металлической основе; сгибание печатной платы и монтаж электронных компонентов на ее поверхности,

отличающийся тем, что

используют заготовку печатной платы, выполненную в виде развертки, плоские участки которой имеют форму n-угольника, где n≥2, и выполнены с возможностью образования граней пространственной структуры;

монтаж поверхностных выводных компонентов и электронных узлов осуществляют на развертке печатной платы путем их группировки на поверхности по меньшей мере двух участков печатной платы, с учетом сохранения их пространств в последующем изгибе платы;

сгибают развертку печатной платы путем последовательного относительного поворота частей заготовки вокруг линии сгиба до размещения электронных компонентов одного участка в свободном пространстве между электронными компонентами другого или нескольких других участков платы.

2. Способ изготовления трехмерного электронного модуля с высокой плотностью размещения компонентов по п. 1, отличающийся тем, что линию сгиба между участками платы формируют путем выполнения сквозных отверстий на линии сгиба.

3. Трехмерный электронный модуль с высокой плотностью размещения компонентов, содержащий трехмерную печатную плату на металлической основе; и

электронные компоненты, смонтированные на монтажной поверхности печатной платы, отличающийся тем, что

единая печатная плата выполнена в виде пространственной структуры, грани которой образованы плоскими участками печатной платы, каждая из которых имеет форму n-угольника, где n≥2, а ребра - линиями сгиба между участками печатной платы;

монтажная поверхность печатной платы обращена внутрь пространственной структуры;

электронные компоненты сгруппированы на монтажной поверхности по меньшей мере двух участков печатной платы так, что электронные компоненты и узлы одного участка расположены в свободном пространстве между компонентами и узлами участка печатной платы.

4. Трехмерный электронный модуль по п. 3, отличающийся тем, что пространственная структура печатной платы имеет N граней, где N - натуральное число и выбрано из выражения: N≥3.

5. Трехмерный электронный модуль по п. 3, отличающийся тем, что пространственная структура имеет форму прямой четырехгранной призмы, каждая грань которой является прямоугольником.

6. Трехмерный электронный модуль по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере один участок печатной платы снабжен разъемом для размещения по меньшей мере одного выводного ТНТ компонента или электронного узла.