Unidad de placa de circuitos impresos y procedimiento para su fabricación.

Procedimiento de fabricación de una unidad de placa de circuitos impresos,

en la que:

- se instalan y se sueldan con estaño automáticamente componentes (1, 17) acoplables en superficie en una placa de circuitos impresos,

- se montan elementos (1) de potencia acoplables en superficie y cargados térmicamente sobre la placa (2) de circuitos impresos en zonas térmicamente conductoras, en las que se disponen vías (interconexión vertical entre capas de una placa) metálicas para la conducción térmica,

- se dispone una capa (3) térmicamente conductora y eléctricamente aislante entre los elementos (1) de potencia acoplables en superficie y uno o varios cuerpos (4) refrigeradores en la zona de las vías, caracterizado por que los elementos (1) de potencia acoplables en superficie se ejerce presión con por lo menos un clip (5) elástico sobre la placa (2) de circuitos impresos intercalada contra el cuerpo (4) refrigerador o los varios cuerpos refrigeradores de tal modo que el calor generado por los elementos (1) de potencia acoplables en superficie sea disipado a través de las vías a los cuerpos refrigeradores.

Unidad de placa de circuitos impresos y procedimiento para su fabricación Ã?MBITO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a una unidad de placa de circuitos impresos y a un procedimiento para su fabricación, por ejemplo, con destino a aplicaciones electrónicas de potencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Cada vez se demandan con mayor frecuencia, por ejemplo, soluciones electrónicas de potencia para solucionar problemas, que anteriormente, en caso necesario, se resolvían con medios mecánicos o electromecánicos. Los costes operativos y de los materiales siempre en aumento, así como el volumen y el peso de los grupos constructivos electrónicos han resultado además ser el principal obstáculo para las soluciones innovadoras. Las porciones más intensivas en costes son, la mayoría de las veces, la dotación manual de los grupos constructivos, que generan una fuerte potencia térmica como, por ejemplo, los semiconductores de potencia, así como su montaje en dispositivos de refrigeración para la disipación térmica de la potencia térmica producida. La fiabilidad de un grupo constructivo se determina, en la actualidad, especialmente por la calidad de estos desarrollos operativos. Se encarece sensiblemente, por ello, la garantía de la calidad.

La fabricación, el ensayo, el funcionamiento y el mantenimiento de tales grupos constructivos electrónicos deben poder continuar con éxito en el ambiente internacional. Se requieren, para ello, costes de materiales y de fabricación reducidos, aunque deben poder garantizarse también las reparaciones, modificaciones y finalmente una eliminación de residuos no contaminante del medio ambiente. Los procesos de fabricación deben ser significativamente más fiables para reducir los costes de fabricación. Resulta ventajoso además que pueden utilizarse módulos iguales o similares para productos de precio elevado y de precio barato.

Se ha producido un desafío totalmente nuevo se en la construcción de máquinas herramienta, donde se deseaba sustituir las cajas electrónicas por módulos, que se montarían luego directamente en la máquina. Debido a que las máquinas herramienta reaccionan al calentamiento con dilataciones y torsiones, se ha de prestar una atención especial a la disipación del calor.

En el caso de máquinas para el mecanizado electroerosivo, la situación es especialmente difícil, ya que también se han de montar generadores de impulsos con un calor perdido en el entorno de los kilowatios.

ESTADO DE LA TÉCNICA Para la tecnología del accionamiento y los campos relacionados, se ofrecen módulos desde hace mucho tiempo. Se trata, en la mayoría de los casos, de montajes en puente de monofásicos a trifásicos de elementos constructivos de diodos, IGBT o MOSFET en forma de chips, que se fijan por soldadura sobre un substrato de cobre-cerámica especial y se establecen los contactos mediante hilos finos electrónicos. Sería imaginable dotar a realizaciones especiales de dichos módulos de un dispositivo refrigerador y embalarlos en una carcasa junto con la electrónica de control.

Resulta desventajoso con esta solución que el nivel de integración de los módulos es demasiado reducido para realizar circuitos más complejos, y que no se pueda reparar un fallo parcial en un módulo. Muchos procesos de fabricación manuales, críticos cualitativamente como, por ejemplo, la aplicación de pasta térmicamente conductora o las uniones a tornillo delicadas siguen funcionando con esta solución. El calor de pérdida de la electrónica de control puede ser también considerable – tampoco se ha resuelto este problema -.

Para grandes series en la industria del automóvil y en la tecnología de accionamientos, se emplean cada vez más complejos módulos electrónicos de potencia en tecnología SMD (Surface Mount Device) , donde los componentes SMD se implantan por una cara en una placa de circuitos impresos. La cara inferior de la placa de circuitos impresos se encola, la mayoría de las veces, a una placa básica metálica para la disipación del calor perdido. Tal solución se ha publicado en el documento EP 0 590 354 B1 y se ha representado en la figura 3 como estado actual de la técnica. El módulo se conecta a un sistema refrigerador a través de la placa básica. La mayoría de las veces, se utilizan capas delgadas, especiales de elevada conductibilidad del calor para refrigerar mejor los elementos de potencia.

Módulos de ese tipo representan un avance, pero tienen los inconvenientes de que, por un lado, refrigeran insuficientemente en caso de potencias de pérdida más elevadas y, por otro, que casi no son reparables, porque en procesos de reparación la placa básica maciza representa un descenso térmico tan elevado que apenaspuede alcanzar la temperatura de soldadura en caso de soldaduras libres de plomo sin dañar todo el circuito. Para realizar con eficacia la capa aislante térmicamente conductora, se manufactura dicha capa del espesor más reducido posible, lo que da lugar desafortunadamente a capacitancias parásitas eléctricas desventajosamente elevadas y a que es muy desfavorable para tensiones y frecuencias más elevadas.

Una variante de esta solución prevé dos placas de circuitos impresos, que se encolan con un núcleo de aproximadamente 1 mm a 5 mm de aluminio o cobre, y también pueden dotarse de vías (interconexiones verticales entre capas) aislantes entre las dos placas de circuitos impresos. Los mencionados inconvenientes principales subsisten, pero adicionalmente los elementos constructivos se refrigeran considerablemente peor hacia el centro de la placa de circuitos impresos debido a la limitada conducción térmica lateral de la placa refrigeradora, puesto que el calor solo es disipado por los bordes de la placa de circuitos impresos.

La figura 2 muestra una conocida estructura típica de la empresa AAVID-THERMALLOY para un elemento de potencia TO247 cableado, sometido a presión sobre un perfil de cuerpo refrigerador con un clip metálico – sin aislamiento eléctrico-. Debido al insuficiente aislamiento eléctrico, pueden formarse distribuciones de potencial desfavorables.

En la solicitud de patente EP 06 02 2498, se expone una placa de circuitos impresos con un refrigerador por líquido directamente integrado, que se puede fabricar con procedimientos de fabricación para placas de circuitos impresos habituales en la actualidad. En la placa de circuitos impresos, se han embebido intercalaciones cerámicas para una mejor conducción térmica entre elementos SMD con elevada carga térmica. La figura 4 muestra esa estructura como estado actual de la técnica.

Esta solución satisface las exigencias planteadas para la fabricación moderna en grandes series, pero requiere parcialmente etapas de acabado, que pueden suponer un serio obstáculo para talleres poco desarrollados tecnológicamente. Como inconveniente adicional de esta solicitud de patente, se ha de contemplar el hecho de que se excluye una refrigeración por aire desde el principio. Esto puede actuar desventajosamente en los costes de elaboración de productos de bajo precio. Un problema adicional aparece en el caso de una sobrecarga con rango de temperaturas inadmisible de los elementos de potencia. Tales casos de avería pueden dar lugar a una exfoliación de las distintas capas de la placa de circuitos impresos y a la formación de ampollas y, por consiguiente, provocar el fallo total de todo el módulo.

Por la solicitud del documento EP 1 638 384 A1, se conocen un procedimiento y un dispositivo para refrigerar elementos SMD de potencia, en el que el elemento de potencia se ha aplicado directamente sobre un obturador de conductividad térmica. El obturador de conductividad térmica se encuentra en un agujero de una platina de circuitos impresos. El agujero en la platina junto con el obturador de conductividad térmica tiene aproximadamente la extensión del elemento de potencia a refrigerar. El obturador de conductividad térmica se ha dispuesto además en una capa aislante eléctrica bajo la que se encuentra un cuerpo refrigerador. Una barra de sujeción, que se ha atornillado a través de la platina conductora y la capa aislante con el cuerpo refrigerador, sujeta el elemento de potencia sobre el obturador de conductividad térmica y, con ello, sobre el cuerpo refrigerador.

PROBLEMA DE LA INVENCIÓN Frente al estado actual de la técnica, se le plantea a la invención facilitar una unidad de placa de circuitos impresos y un procedimiento para su fabricación, que puedan asegurar una suficiente disipación del calor perdido de los elementos constructivos acoplables en superficie. Se ha conseguir eso preferiblemente con medios sencillos. La unidad de placa de circuitos impresos es apropiada preferiblemente para la refrigeración por líquido... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fabricación de una unidad de placa de circuitos impresos, en la que:

-se instalan y se sueldan con estaño automáticamente componentes (1, 17) acoplables en superficie en una placa de circuitos impresos, -se montan elementos (1) de potencia acoplables en superficie y cargados térmicamente sobre la placa (2) de circuitos impresos en zonas térmicamente conductoras, en las que se disponen vías (interconexión vertical entre capas de una placa) metálicas para la conducción térmica, -se dispone una capa (3) térmicamente conductora y eléctricamente aislante entre los elementos (1) de potencia acoplables en superficie y uno o varios cuerpos (4) refrigeradores en la zona de las vías, caracterizado por que los elementos (1) de potencia acoplables en superficie se ejerce presión con por lo menos un clip (5) elástico sobre la placa (2) de circuitos impresos intercalada contra el cuerpo (4) refrigerador

o los varios cuerpos refrigeradores de tal modo que el calor generado por los elementos (1) de potencia acoplables en superficie sea disipado a través de las vías a los cuerpos refrigeradores.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el cuerpo (4) refrigerador está provisto de una zona receptora, en la que se coloca uno de los extremos del clip, mientras que el otro extremo del clip ejerce una presión de apriete sobre el elemento (1) de potencia y/o sobre los elementos de potencia acoplables en superficie.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que el calor de los cuerpos (4) refrigeradores es disipado por medio de un agente refrigerador gaseoso y/o líquido.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que los cuerpos (4) refrigeradores para la refrigeración por líquido se dotan de uno o varios canales (9) y en esos canales se disponen tubos (10) de refrigeración.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que los tubos (10) de refrigeración se encajan a presión en los canales (9) y los tubos (10) de refrigeración se dimensionan de paredes tan delgadas que se adapten por deformación elástica a los canales (9) .

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que los cuerpos refrigeradores se han configurado de modo que puedan recibir clips (23) elásticos en la cara inferior para encajar a presión los tubos (10) refrigeradores en los canales.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que se montan elementos (17) de control acoplables en superficie sobre la placa (2) de circuitos impresos, y se disponen una primera película (6) térmicamente conductora y una chapa (7) de fondo de tal modo que evacuen el calor de los elementos (17) de control.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que se han dispuesto una chapa (12) de cubierta y una segunda película (11) térmicamente conductora de tal modo que se disipe el calor de la cara superior de los componente (17) acoplables en superficie, y en el que la unidad de placa de circuitos impresos se cierra de forma estanca por ambos lados frontalmente mediante cubiertas.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que, para apilar varias unidades de placas de circuitos impresos, se prevén en las partes exteriores de los cuerpos (4) refrigeradores unas conformaciones (14, 15; 24, 25, 34, 35) positivas y conformaciones negativas correspondientes, de manera que varias unidades de placas de circuitos impresos puedan unirse encajando mutuamente en las conformaciones.

10. Unidad de placas de circuitos impresos, que comprende:

-una placa (2) de circuitos impresos con componentes (1, 17) acoplables en superficie soldados con estaño encima, -por lo menos un elemento (1) de potencia acoplable en superficie, cargado térmicamente y dispuesto en zonas térmicamente conductoras de la placa (2) de circuitos impresos, donde las zonas térmicamente conductoras presentan vías metálicas para conducir el calor, -una capa (3) térmicamente conductora y eléctricamente aislante, que se dispone entre los elementos (1) de potencia acoplables en superficie y uno o varios cuerpos (4) refrigeradores en la zona de las vías, caracterizada por que los elementos de potencia acoplables en superficie se aprietan con por lo menos un clip

(5) elástico sobre la placa (2) de circuitos impresos intercalada de tal manera contra el cuerpo o los cuerpos refrigeradores que el calor generado por los elementos (1) de potencia acoplables en superficie sea desviado por las vías a los cuerpos (4) refrigeradores.

11. Unidad de placa de circuitos impresos según la reivindicación 10, en la que el cuerpo (4) refrigerador presenta una zona receptora, en la que se dispone un extremo del clip, mientras que el otro extremo del clip ejerce una presión de apriete sobre el elemento (1) y/o los elementos de potencia acoplables en superficie.

12. Unidad de placa de circuitos impresos según la reivindicación 10 u 11, en la que el calor del cuerpo (4) o de los cuerpos refrigeradores se disipa por medio de un agente refrigerador gaseoso y/o líquido.

13. Unidad de placa de circuitos impresos según una de las reivindicaciones 10 a 12, en la que la placa (2) de circuitos impresos presenta un espesor de menos de 2 mm, preferiblemente de menos de 1 mm, y la placa de 10 circuitos impresos presenta un material de fibra de vidrio y resina epoxi o un polímero relleno.

14. Unidad de placa de circuitos impresos según una de las reivindicaciones 10 a 13, en la que la capa (3) térmicamente conductora y eléctricamente aislante presenta una cerámica, en especial, de óxido de aluminio (Al2O3)

o nitruro de aluminio (AlN) .

15. Unidad de placa de circuitos impresos según una de las reivindicaciones 10 a 14, en la que los cuerpos (4) refrigeradores presentan uno o varios canales (9) para la refrigeración por líquido y tubos (10) de refrigeración emplazados en los canales (9) , siendo los tubos de refrigeración de paredes tan delgadas que pueden ajustarse por deformación elástica en los canales.

16. Unidad de placa de circuitos impresos según una de las reivindicaciones 1 a 15, en la que los cuerpos refrigeradores se han configurado de modo que pueden alojar clips (23) elásticos de manera que los tubos de refrigeración puedan encajarse a presión en los canales de los cuerpos refrigeradores.

17. Unidad de placa de circuitos impresos según una de las reivindicaciones 10 a 16, en la que zonas exteriores de los cuerpos (4) refrigeradores presentan conformaciones (14, 15; 24, 25; 34, 35) positivas y conformaciones negativas correspondientes para el apilamiento de varias unidades de placa de circuitos impresos, de modo que varias unidades de placa de circuitos impresos puedan acoplarse de modo mutuamente encajante en las conformaciones.