Устройство отвода тепла

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве устройства отвода тепла от теплонагруженных компонентов многослойной печатной платы. Технический результат, заключающийся в обеспечении эффективного отвода тепла от теплонагруженных элементов расположенных внутри и на поверхности МПП, достигается за счет того, что тепло, генерируемое этими элементами, отводится на слои металлизации, расположенные внутри МПП и распределяется по объему МПП. Благодаря применению такой конструкции удалось существенно увеличить выходную мощность ИВЭ при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве устройства отвода тепла от теплонагруженных компонентов многослойной печатной платы.

В настоящее время в связи с миниатюризацией ИВЭ в их конструкции используются многослойные структуры (например, многослойные печатные платы (МПП)) с интегрированными планарными индуктивными элементами (ПИЭ) такими как трансформаторы и дроссели.

При изготовлении таких МПП к ним предъявляются основные требования в отношении способности пропускать большие токи через обмотки ПИЭ. Протекающий по обмоткам ПИЭ ток вызывает их нагрев и может повлиять на надежность соединений в МПП (например, привести к деформации металлизированных переходных отверстий). Для предотвращения таких явлений требуется эффективный отвод тепла от обмоток ПИЭ.

Помимо теплонагруженных обмоток ПИЭ внутри МПП, на ее поверхности присутствуют и другие теплонагруженные электронные компоненты (силовые транзисторы и диоды), которые также требуют организации эффективного отвода тепла.

Известно устройство (патент РФ на полезную модель 86833 «Многослойная печатная плата» с датой приоритета от 19.05.2009 г., МПК H05K 3/46), в котором решается проблема миниатюризации изделий за счет реализации электромагнитных компонентов в теле печатной платы.

К недостаткам данного устройства относится отсутствие эффективного теплоотвода от теплонагруженных обмоток трансформатора.

Известно устройство (заявка US 20040042179 «PCB heatsink», дата приоритета 27.08.2002, МГОС H05K 7/20, H05K 3/34, H05K З/00), в котором отвод тепла от МПП осуществляется с помощью радиатора, который прилегает к плате и расположенным на ней элементам.

Недостатком данного устройства является трудоемкость изготовления такого радиатора, повторяющего контур печатной платы с элементами.

Известно устройство (патент US 6222733 «Device and method for cooling a planar inductor», дата приоритета от 27.05.1997 г., МПК H01F 27/22), в котором отвод тепла от планарного трансформатора осуществляется с помощью адгезива, которым сердечник крепится к корпусу устройства.

Недостатком данного устройства является то, что тепло отводится только от сердечника планарного трансформатора.

Известно устройство (патент RU 137172 «Паяный контакт», дата приоритета 14.02.2013 г., МПК H05K 3/34, H05K 1/14, H05K 1/18, H05K 7/20), в котором решается задача отвода тепла от места соединения трансформатора с основной печатной платой.

Недостатком данного устройства является возможность отвода тепла от обмоток трансформатора только в случае его исполнения отдельным блоком.

Технический результат заключается в эффективном отводе тепла от теплонагруженных элементов, расположенных внутри и на поверхности МПП.

Данный технический результат достигается за счет того, что многослойная печатная плата, содержащая внутренние и внешние слои из токопроводящего материала разделенные слоями диэлектрика включает теплонагруженные компоненты, расположенные на данных токопроводящих слоях, причем эти теплонагруженные компоненты соединены с областью токопроводящего слоя занимающего не менее ¼, площади слоя МПП.

Возможен вариант исполнения, при котором теплонагруженные компоненты, расположенные во внутреннем слое соединены с областью того же токопроводящего слоя.

Также возможен вариант, при котором теплонагруженные компоненты, расположенные на внешнем слое, соединены с изолированной областью внутреннего токопроводящего слоя.

Сопоставительный анализ с аналогами показывает, что заявляемое устройство отличается обеспечением эффективного отвода тепла от элементов, расположенных внутри МПП (витков ПИЭ) и на внешней стороне (силовые транзисторы и диоды), реализованным за счет их соединения со слоем металлизации, расположенным внутри МПП. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Сущность полезной модели поясняется на примере МПП с теплонагруженными компонентами в виде интегрированного планарного трансформатора (далее - ПТ) (1) и силового полупроводникового компонента (2) (фиг. 1). Для примера показаны четыре внутренних слоя МПП, на которых витки ПТ (1-1, 2-1, 3-1, 4-1) образованы слоями металлизации МПП (фиг. 2). Межвитковые соединения выполнены, например, с помощью металлизированных переходных отверстий (1-2, 2-2, 3-2, 4-2).

Протекая через обмотки ПТ, например по виткам 1-1 и 4-1, ток приводит к нагреву как самих обмоток, так и металлизированных переходных отверстий. Для снижения данной тепловой нагрузки используются части металлизации слоев 1-3 и 4-3, которые имеют соединение с витком. Сгенерированное витками тепло распределяется по всей данной области металлизации.

Отвод тепла от витков 2-1, 3-1 производится аналогично.

Часть металлизации внутренних слоев, не используемая для отвода тепла от витков, также может быть использована для отвода тепла, например, от расположенного на внешней стороне МПП силового полупроводникового компонента (2). Для этого контактная площадка (4), на которой установлен силовой полупроводниковый компонент (2) через металлизированные отверстия (3) соединена со слоями металлизации (2-4 и 3-4), не соединенными с витками ПТ, и тепло, генерируемое силовым полупроводниковым компонентом (2) в процессе работы, отводится через контактную площадку (4), металлизированные отверстия (3) на внутренние слои металлизации (2-4 и 3-4) где и распределяется по ним.

Тепло от слоев металлизации распределяется по объему МПП.

Таким образом, решается задача отвода тепла от теплонагруженных элементов расположенных на поверхности и внутри МПП и равномерного его распределения по всему объему МПП.

Благодаря применению предлагаемой конструкции в ИВЭ удалось существенно увеличить выходную мощность ИВЭ при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик.

Предлагаемое устройство отвода тепла изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования. Соответственно предлагаемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Устройство отвода тепла, содержащее многослойную печатную плату, планарный индуктивный элемент, интегрированный в многослойную печатную плату, и силовой полупроводниковый компонент, размещенный на поверхности многослойной печатной платы, отличающееся тем, что, с целью отвода тепла от планарного индуктивного элемента и силового полупроводникового компонента виток планарного индуктивного элемента, образованный во внутреннем слое многослойной печатной платы, имеет соединение с частью области металлизации того же слоя, а контактная площадка силового полупроводникового компонента имеет соединение с частью области металлизации внутреннего слоя многослойной печатной платы, не соединенной с витком планарного индуктивного элемента.