Преимущество печатных плат на металлической основе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Министерство образования и науки РФ

Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет

АадижУ{%шсж

ТРУДЫ

МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА

НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО

II то^

ПЕНЗА 2015

УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78

Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:

T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.

ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8

В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.

Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.

Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.

Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :

Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.

ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8

© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015

интерфейса, который не должен создавать лишние сложности для эксперта и позволил бы ему комфортно проводить модификацию исходной структурной модели и оценивание после модификации. Использование разработанной системы риск-анализа

в полной ее реализации предоставит возможность давать комплексную оценку эффективности системы защиты с учетом возможных и плохо предсказуемых негативных эффектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Юсупов Р.М., Шишкин В.М. О некоторых противоречиях в решении проблем информационной безопасности // Информатизация и связь, № 2, 2008. — С. 3-8.

2. Юрков Н.К. К проблеме обеспечения глобальной безопасности // Надежность и качество - 2012: Труды Международного симпозиума: в 2 т. / под ред. Н.К.Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 1 т.

- С. 6-8.

3. Шишкин В.М. Метамодель анализа, оценки и управления безопасностью информационных систем // Проблемы управления информационной безопасностью: Сборник трудов ИСА РАН; под ред. Д.С.Черешкина.

— М.: Едиториал УРСС, 2002. — С. 92-105.

4. Шишкин В.М. Оценка рисков на сложных структурах факторов при дефиците информации // Надежность и качество - 2011: Труды Международного симпозиума: в 2 т. / под ред. Н.К.Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 1 т. - С. 273-277.

5. Хейс Д. Причинный анализ в статистических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981. 354 с.

6. Хованов Н.В. Математические модели риска и неопределенности. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1998. 204 с.

7. Хокинс Дж.М. The Oxford Dictionary of the English Language. М.: Астрель; АСТ, 2002. 828 с.

УДК 378.147

Естифеев Е.Р., Трусов В.А., Кирдяев М.М.

ВГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ПРЕИМУЩЕСТВО ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ

Печатные платы с металлическим основанием (ППМО) изготавливают таким образом, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла от компонентов и элементов топологии. ППМО могут быть односторонними или многослойными. Односторонняя плата состоит из металлического основания, на котором располагают тонкий слой диэлектрика и медной фольги (рис.1). В качестве диэлектрика выступают специальные полимеры с низким тепловым сопротивлением. Их коэффициент теплопроводности составляет от 0,3 до 5 Вт/(м-К). Такой диэлектрик с минимальными потерями передает выделяемое при протекании тока тепло от элементов топологии к металлическому основанию, которое играет роль радиатора. В качестве материала чаще всего используют алюминий из-за хорошего соотношения стоимости и теплопроводности. Медь, несмотря на вдвое большую теплопроводность, применяется реже, поскольку она гораздо дороже. Сталь применяют в основном в конструкциях, для которых важен не столько отвод тепла, сколько механическая прочность, либо в случаях, когда необходимо магнитное экранирование. Односторонние платы рассчитаны на установку компонентов в БМБ-корпусах. Для многослойных ППМО используются другие типы материалов - ламинаты и препреги на основе диэлектрика из полимера с пониженным тепловым сопротивлением (рис.2). Технология изготовления многослойных ППМО позволяет заранее сделать отверстия в металлическом основании и тем самым обеспечить двухсторонний доступ к элементам топологии платы. Это дает возможность устанавливать на такие платы компоненты для монтажа в отверстия. ППМО не только эффективно отводят тепло, но и делают электронные устрой-

ства механически прочными, а так же могут являться элементом корпуса.Шире всего ППМО применяют в светоизлучающей технике, силовой электронике и СВЧ-электронике.

Медная фольга

135-350 мш)

ДиЭЛе1£1риь fc^ (50-150 мш)

/

Метаплическое основание (0,5-3,2 мм)

Рисунок 1 - Конструкция односторонней печатной платы с металлическим основанием

¡еревддные от&ераич

крепежное отверстие

I

Проводя и j

Ьедь)

Ламипат

Препрег

Основойи (огюминм£

Рисунок 2 - Конструкция многослойной печатной платы с металлическим основанием

Параметры удельной теплопроводности и теплового расширения различных металлов и их соединений

Таблица

Металл/сплав Удельная теплопроводность (W/m-K) Коэффициент теплового расширения(ppm/K)

Медь 400 17

Алюминий 150 25

Нержавеющая сталь (304) 16 16.3

Холоднокатаная сталь 50 12.5

Железо 80 11.8

Медь - инвар- медь (CIC) 20 5.2

Медь-молибден-медь (CMC) 200 6.5

Алюминий-карбид кремния (20%) ALSIC 175 15

Факторы, которые целесообразно принимать во внимание при выборе варианта базового металлического слоя печатной платы:

Коэффициент теплового расширения и теплового рассеивания материала.

Характеристики паяемости материала.

Весовые характеристики, степень гибкости и тягучести материала.

Возможности электрического соединения с базовым металлическим слоем и межслойного соединения через базовый слой.

Возможности финишной обработки.

Ценовые параметры.

Важным преимуществом ППМО по сравнению со стандартными печатными платами на основе диэлектрика FR4 является возможность отказаться от радиаторов. Это позволяет уменьшить массу и габариты устройств, упростить их конструкцию, сделать их надежнее и дешевле. В ряде случаев разработчик может даже полностью отказаться от применения элементной базы в корпусах для монтажа в отверстия и перейти на элементную базу SMD (рис.3). Это позволяет максимально автоматизировать процесс производства, исключив дополнительные сборочные работы. Еще одно важное преимущество ППМО по сравнению со стандартными печатными платами на основе диэлектрика FR4 -возможность уменьшить размеры элементов топологии сильноточных цепей без использования медной фольги повышенной толщины (рис.4). Она появляется благодаря эффективному отводу тепла от проводников в ППМО. В области силовой электроники ППМО также способны составить серьезную

конкуренцию диэлектрическим подложкам, изготавливаемым из толстопленочной керамики. Такие подложки применяют, например, в микросборках, предназначенных для различных силовых устройств (реле, коммутаторов, усилителей мощности и др.). В микросборках применяют в основном бескорпусные элементы, которые монтируются с помощью ультразвуковой сварки. Ряд ППМО также допускает установку бескорпусных элементов при помощи ультразвуковой сварки. При этом ППМО обладают более высокими токовыми характеристиками и гораздо легче в обработке, чем диэлектрические подложки на основе толстоплёночной керамики, а также значительно дешевле их. В области СВЧ-электроники, как правило, используют многослойные ППМО, конструкции которых могут содержать несколько различных типов диэлектриков: специальные СВЧ-ламинаты и препреги на основе фторопласта и/или керамики; стандартные диэлектрики типа FR4; а также специальные тер-мокондуктивные препреги для качественной тепловой связи с металлическим основанием. Таким образом, ППМО находят широкое применение в различных областях, обеспечивая эффективное охлаждение электронных модулей, что позволяет сделать электронные устройства компактнее и надежнее.

Прижи/лной крепеж Родна|йр

ИэйгирующЬч II рок МОДНО

■ л мон I

в отверстия

т ПП

О]

ППМО

ЗМО-элеме+нты

б)

Рисунок 3 - Упрощение конструкции устройств при применении ППмо: а - печатные платы на основе диэлектрика FR4 с компонентами для монтажа в отверстия; б - ППмо с SMD-компонентами.

Рисунок 4 Зависимость ширины проводника от максимально допустимого тока, протекающего по нем/

Для сравнения взяты материал для ППмо производства компании Bergquist (диэлектрик марки КТ1 толщиной 7 6 мкм) и диэлектрик FR4 толщиной 1,5 мм. толщина фольги в обоих случаях равна 10 0 мкм.

Пример теплового расчета. Рассеиваемая мощность на светодиоде: PD = VF • ^ , где ^ - прямой ток; VF — прямое напряжение.

Тепловое сопротивление между р-п-переходом и окружающей средой:

^а= (^ — TA)/PD, где ^ — рекомендуемая температура р-п-перехода; ТА — температура окружающей среды.

Тепловое сопротивление светодиода: ^В = ^с + 9сЬ, где ^с — тепловое сопротивление между р-п-переходом и корпусом;

9сЬ — тепловое сопротивление (припоя, пасты) между корпусом и печатной платой.

Тепловое сопротивление печатной платы: 9ВА = 9Ja — 9JB, где 9Ja — тепловое сопротивление между р-п-переходом и окружающей средой; 9JB — тепловое сопротивление светодиода. Рассчитаем минимальную ширину проводника:

(

жс =

К Т

V

1

^ 2

■ + Т

2 У

м; Т Rs

— Т

1 е

где Wc — ширина проводника, м; Т3 — толщина диэлектрика, м; I — ток, А; Rs = 1,78^10-8/Тс Ом^м - поверхностное удельное сопротивление слоя; ТС - толщина фольги, м; К — теплопроводность диэлектрика, Вт/(м^К); ТК13е — допустимое увеличение температуры, К. Рассмот-

допустимое увеличение

рим на рисунках 5 и 6 графики зависимости ширины проводника от тока и толщины фольги (матери-70

ал FR4 — стекловолокно; температуры — 10°С) :

60

1 50

40

30

20

10

-Фольга 35 мкм - Фольга 105 мкм

10

20

30

40

70

80

90

100

50 60 Ток, А

Рисунок 5 Зависимость ширины проводника от тока и толщины фольги для материала БК4

Фольга 35 мкм Фольга 105 мкм

3,5

S

i 3

5

I 2,5

CD

0

6 2 ПО

1 1,5 s

Э

Л

0.5

10

20

30

40

70

80

90

100

50 60 Ток, А

Рисунок 6 - Зависимость ширины проводника от тока и толщины фольги для материала ^11 с

алюминиевым основанием

Рассмотрим график зависимости ширины проводника при тех же условиях, но на материале с алюминиевым основанием (материал T111, допустимое увеличение температуры — 10°C):

Сравнительный график для материалов FR4 и Till представлен на рисунке 7.

Как видно из рисунка 7, за счет применения материалов с теплоотводящим основанием можно в несколько раз уменьшить ширину проводников, что, в свою очередь, позволяет значительно сократить размеры устройств.

40

35

30

5 S

га 25

5

а

о

20

15

10

FR4; фольга 105 мкм Т111; фол ьга 105 мкм

1. www.

2. www.

3. http

4. http

5. http

6. http

Ток, А

Рисунок 7 - Сравнительный график для материалов FR4 и Till

ЛИТЕРАТУРА

//www.freepatent.ru/images/patents/477/2481754/patent-2481754.pdf //www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_2 91_2 8 0.pdf //www.russianelectronics.ru/skachivanie/50682/0/ //www.pselectro.ru/qwer