ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к электронной технике, в частности к конструкции печатной платы на металлической подложке на жесткой или гибко-жесткой основе, которая является составной частью многослойных печатных плат, а также технологии ее изготовления, и может найти применение на предприятиях радио- и электронной промышленности.

Платы на металлической подложке широко применяются для решения проблем теплоотведения в приборах, где по каким-либо причинам затруднена установка элементов принудительного охлаждения или их мощность недостаточна для качественного теплоотведения. Металлическое основание в этом случае используется в качестве радиатора. Уменьшается эффект теплового стресса всех компонентов, что увеличивает долговечность элементов и изделия в целом. Благодаря тому что плате можно придать любую форму, появляется возможность наиболее оптимально разместить ее в приборе и обеспечить значительную экономию места, что имеет исключительное значение при повышенных требованиях к миниатюризации устройств, например, в авиационной технике.

Кроме того, за счет использования металла для подложки печатные платы имеют хорошие характеристики по электромагнитной совместимости и экранированию. Использование таких плат увеличивает надежность устройств, наработку на отказ, устойчивость к механическим воздействиям.

В качестве металла для подложки обычно используют алюминий, что позволяет не только снизить вес печатной платы, но и значительно снизить ее себестоимость.

Печатные платы на металлической подложке обычно представляют собой конструкцию, состоящую из трех слоев: слой металлизации, изолирующий слой и металлическая подложка (см, например, «АТВ Electronics: изготовление печатных плат на металле», http://www.businesskey.com/object/84744/).

Первый слой является токопроводным. На него наносят топологический рисунок, а затем путем травления убирают все лишнее, оставляя только необходимые дорожки.

Для среднего слоя используют изолирующий материал, непременно диэлектрический, обладающий высокой прочностью. Изготавливается он из прочных полимеров, например полиимида.

Третий слой - нижний слой платы - алюминиевая подложка толщиной от 0,5 до 3 мм. Толщину металлизированного слоя выбирают в зависимости от температурного режима и расчетных нагрузок на печатную плату. Для повышения коррозионной стойкости алюминиевые подложки обычно анодируются.

К числу недостатков вышеописанных плат относятся:

- высокая трудоемкость изготовления, связанная с необходимостью шлифовки и полировки алюминиевых подложек перед анодированием;

- низкая адгезия полимеров к алюминиевым сплавам;

- различие в коэффициенте теплового расширения алюминиевой подложки и окиси алюминия, полученной в результате анодирования, что является причиной растрескивания слоя диэлектрика при термических воздействиях (например, пайке).

Известно техническое решение, представляющее собой плату на металлической подложке, состоящую из токопроводного слоя, основания из металла и расположенного между ними композитного полимерного слоя (Заявка США №2011111191, опубл. 12.05.2011, В32В 5/00).

Недостатки аналога.

Высокая трудоемкость изготовления композитного полимерного слоя, длительный технологический цикл изготовления печатной платы на металлической подложке и соответственно ее высокая стоимость.

Одним из вариантов эффективного устранения данных недостатков является использование в качестве оснований плакированных материалов.

Наиболее близким к заявляемым решениям прототипом является техническое решение по заявке РСТ № WO 2010050896, опубл. 06.05.2010 г., H01L 23/26.

Устройство представляет собой печатную плату на металлической подложке, состоящей из основания (материал - алюминий, медь, золото, палладий, сталь, цинк, олово и др., преимущественно используется алюминий), плакированного, например, медью, отличающейся хорошей адгезией. На подложку с помощью известных методов осажден диэлектрический слой (материал - полиимид, ПЭТ, другие полимеры), на который нанесен токопроводящий слой (материал - алюминий, медь, золото, палладий, сталь, цинк, олово и др., преимущественно используется медь), на котором путем травления сформированы проводники элементов топологического рисунка в виде дорожек, контактных площадок и т.д.

Недостатки прототипа.

Технология осаждения достаточно трудоемка, характеризуется высокой стоимостью, низкой экологической безопасностью, требует организации специализированного производства, что увеличивает конечную стоимость изделия. Поэтому изделие не может быть изготовлено, в частности, в рамках традиционного сборочного производства. К тому же на основе полученного изделия можно изготавливать только жесткие печатные платы, в то время как на рынке имеется большая потребность в гибко-жестких конструкциях.

Технический результат заявленного технического решения (устройства) - повышение прочности изделия, его теплоотводящих и экранирующих свойств, а также возможность изготовления гибко-жестких конструкций.

Технический результат достигается тем, что плата на металлической подложке, содержащая основание с плакировочным слоем, диэлектрик, расположенный на плакировочном слое основания, отличается тем, что диэлектрик фольгирован с двух сторон, а между плакировочным слоем основания и фольгой диэлектрика расположен слой припоя. Диэлектрик может быть выполнен из гибкого полимера, например полиимида, а в металлической подложке могут быть выполнены сквозные отверстия.

Ниже изобретение (устройство) более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображены:

Фиг.1 - печатная плата на металлической подложке.

Фиг.2 - гибко-жесткая плата на металлической подложке в разрезе.

Предлагается печатная плата 1 на металлической подложке 2 со сквозными отверстиями 3 (Фиг.1). Они служат для изготовления многослойных конструкций, соединения с печатными платами на жесткой или гибкой основе или для объемного соединения с другими устройствами (не показаны).

Между печатной платой 1 и металлической подложкой 2 расположен слой 4 припоя (например, смесь олова и свинца), который упрочняет конструкцию печатной платы. Металлическая подложка 2 содержит основание 5 (например, из алюминия) с плакировочным слоем 6 (например, из меди). Слой припоя 4 вместе с плакировочным слоем 6 имеют толщину 0,4-0,7 мм, что является достаточным для эффективного улучшения экранирующих свойств конструкции (Д.Н.Шапиро «Электромагнитное экранирование", Научное издание, Издательский дом "Интеллект", Долгопрудный, 2010 г., стр.28-33).

Печатная плата 1 представляет собой фольгированный с двух сторон диэлектрик 7 (например, из стеклотекстолита, гибкого полимера, в частности полиимида и т.п.) с наружным и внутренним слоями 8 и 9 фольги диэлектрика 7 (преимущественно для этих целей применяют медь), на которых сформированы элементы топологического рисунка, например, контактные площадки 10, полигоны 11, дорожки 12, фальшпроводники 13 (Фиг.2). Благодаря малой толщине и высокому электрическому сопротивлению диэлектрика обеспечивается эффективное отведение тепла от радиоэлемента и электрическая изоляция проводников.

На печатной плате 1 располагается, по меньшей мере, один радиоэлемент 15.

Сквозные отверстия 3 могут размещаться под радиоэлементами 15 для обеспечения необходимого теплового режима.

Устройство работает следующим образом.

Тепло от теплонагруженного радиоэлемента 15 проходит через слой 8 меди, слой 7 полиимида, слой 9 меди, слой 4 припоя, плакировочный слой 6 и попадает в основание 5, которое обеспечивает растекание тепла по всему своему объему и его эффективное рассеивание в окружающее пространство. Коэффициенты линейного расширения материалов металлической подложки 2, слоев 8 и 9 фольги диэлектрика 7, припоя 4 являются величинами одного порядка ("Справочник по конструкционным материалам", Издательство МГТУ им. Баумана, Москва, 2005 г., стр.239-259), что обеспечивает стабильность паяного соединения при термических воздействиях (например, резких изменениях температуры, пайке и пр.). При этом малая толщина слоя диэлектрика на ее стабильность влияет незначительно. Сформированные полигоны 11 и фальшпроводники 13 на внутреннем слое 9 фольги диэлектрика 7 обеспечивают равномерное растекание слоя припоя 4 при пайке и снятие напряжения в местах перехода 14 от жесткой части к гибкой части печатной платы 1. Паяное соединение между металлической подложкой 2 и печатной платой 1 в отличие от соединения с помощью адгезива (как у прототипа) обладает повышенной прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям (например, вибрациям, ударам и т.п.), что имеет существенное значение при использовании печатных плат в электронных блоках, установленных на летательных аппаратах.

Техническим результатом заявляемого технического решения (способа) является уменьшение трудоемкости изготовления печатной платы, в т.ч. гибко-жесткой, при возможности ее производства в условиях традиционного сборочного производства приборостроительного предприятия.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления платы на металлической подложке, включающем изготовление заготовки металлической подложки с основанием с плакировочным слоем, изготовление заготовки печатной платы из фольгированного с двух сторон диэлектрика с последующим нанесением топологического рисунка на фольгу диэлектрика, ее травление и облуживание, одновременно с облуживанием печатной платы облуживают плакировочный слой основания металлической подложки, после чего заготовку печатной платы припаивают к заготовке металлической подложки.

Способ осуществляется следующим образом.

Для изготовления печатной платы на металлической подложке используют готовые материалы: фольгированный диэлектрик и основание с плакировочным слоем.

Вырезают, например на фрезерном станке, заготовку металлической подложки 2, в которой при необходимости выполняют сквозные отверстия 3.

Изготавливают заготовку печатной платы 1 из фольгированного с двух сторон диэлектрика 7, на фольгу наносят топологический рисунок с последующим травлением наружного токопроводящего слоя 8 с целью формирования дорожек 12, контактных площадок 10, полигонов 11, фальшпроводников 13 и т.д. Далее производят одновременное облуживание плакировочного слоя 6 металлической подложки 2 и наружного токопроводящего слоя 8. После чего заготовку печатной платы 1 припаивают к заготовке металлической подложки 2 (методом инфракрасной, конвекционной пайки и т.д.). В процессе пайки можно припаивать и радиоэлемент (радиоэлементы) 15 к контактным площадкам 10.

Изготовление изделия данным способом с помощью использования готовых материалов не требуют сложного химического оборудования, дополнительных контрольных устройств и разработки специальных технологических процессов, что существенно уменьшает трудоемкость изготовления, позволяет изготовить его в рамках традиционного сборочного производства. Способ позволяет помимо изготовления жестких плат изготовить гибко-жесткую плату на металлической подложке.

Благодаря соединению фольгированного диэлектрика с металлической подложкой методом пайки с одновременным припаиванием радиоэлементов к контактным площадкам существенно облегчается проведение электромонтажа. Кроме того, появляется возможность автоматизировать процесс изготовления, обеспечить повышение прочности изделия и его устойчивость к механическим воздействиям. Наличие дополнительного слоя металла в виде припоя повышает теплоотводящие и экранирующие свойства печатной платы. Использование в качестве фольгированного диэлектрика гибкого полимера позволяет изготовить гибко-жесткую плату на металлической подложке.

При этом печатные платы на металлическом основании могут быть изготовлены в условиях традиционного сборочного производства приборостроительного предприятия без применения специального оборудования.

Таким образом, предложенные изобретения позволяют изготовить с меньшей трудоемкостью как жесткую, так и гибко-жесткую печатную плату на металлической подложке, обладающую повышенной прочностью, устойчивостью к механическим воздействиям, улучшенными теплоотводящими и экранирующими свойствами.