DE3879198T2

DE3879198T2 - Verpackungsstruktur fuer schaltungskarte mit sehr hoher beschleunigungsvertraeglichkeit.

Info

Publication number: DE3879198T2
Application number: DE8989903541T
Authority: DE
Inventors: P Longerich
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-01-21
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2008-12-21
Also published as: IL88866A; WO1989006895A1; NO174410C; JPH0680913B2; US4891688A; ES2012226A6; EP0356509A1; CA1294059C; EP0356509B1; DK462689A; JPH02503377A; NO893412L; NO174410B; TR24178A; DK462689D0; DE3879198D1; NO893412D0

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verpackungsstruktur für elektronische Schaltungskarten, und genauer gesagt eine derartige Struktur, die es solchen Karten erlaubt, sehr hohe Beschleunigungen (oberhalb von 100.000 g) zu überstehen, die in beliebiger Richtung bezogen auf die Ebene der Schaltungskarte ausgeübt werden, und insbesondere solche, die senkrecht zu der Ebene der Schaltungskarte ausgeübt werden.

Hintergrund der Erfindung

Es gibt eine zunehmende Menge an Arbeit, die in dem Gebiet von Umgebungen mit sehr hoher Beschleunigung, zum Beispiel in dem Bereich von 100.000 g getan wird. Heutzutage ist es eine der wichtigsten technischen Herausforderungen, eine Verpackungsstruktur für Elektronik zu entwerfen, einschließlich solcher für die gebräuchlichen gedruckten Schaltungskarten, keramische Karten, oder deren Äquivalente, welche die Schaltungskarte gegenüber strukturellen Ausfällen infolge der hohen dynamischen Belastung schützt, welche durch die hohen Beschleunigungswerte induziert wird. Ein Bedarf an einer Verpackungsstruktur wurde erkannt, welche Schaltungskarten aufnehmen und schützen kann, die Beschleunigungen oberhalb von 100.000 g ausgesetzt werden.
Aus der WO-A-87/06091 ist eine Kartenanordnung bekannt, welche dazu angepaßt ist, Kräften oberhalb von 100.000 g ausgesetzt zu werden, wobei die Anordnung eine Vielzahl von Schaltungskarten und keramischen Abstandskarten umfaßt und die Schaltungskarten auf einer Seite mit einer Vielzahl von elektronischen Komponenten bestückt sind, die Abstandskarten neben der bestückten Oberfläche der Schaltungskarte ausgeschnittene Öffnungen umfaßt, welche an die Größe und Lage der elektrischen Komponenten angepaßt sind, so daß die jeweiligen Schaltungskarten und Abstandskarten in engem Kontakt aufeinanderpassen. Jede der bestückten Schaltungskarten ist an eine entsprechend zugeordnete Abstandskarte angepaßt.

Zusammenfassung der Erfindung

Wie in Anspruch 1 definiert, umfaßt die Erfindung ein Gehäuse zum Tragen einer Vielzahl von Schaltungen tragenden ebenen Strukturen (so wie gedruckte Schaltungskarten) in zueinander beabstandeter Anordnung, wobei zwischen benachbarten Karten Kammern begrenzt sind. Jede Kammer ist mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllt. Das Fluid in einer Kammer kann in eine benachbarte Kammer (z.B. infolge einer thermischen Ausdehnung) fließen, dies aber nur mit einer sehr geringen Rate, welche durch die Größe eines Fluid-Durchganges kontrolliert ist, der in der planaren, die Schaltung tragenden Struktur vorgesehen ist. Jede Kammer ist vollständig mit Fluid gefüllt, so daß es keine leeren Räume oder Lufträume gibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die einzige Figur zeigt eine Längsschnittdarstellung der Struktur der erfindungsgemäßen hoch-g-verträglichen Verpackungsstruktur.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Verpackungsstruktur 10 der vorliegenden Erfindung umfaßt ein äußeres Gehäuse 15, das vorteilhafterweise von zylindrischer Form mit einer Längsachse 12 sein kann, welche zu der Längsachse eines Geschosses (nicht gezeigt), in welchem die Struktur 10 montiert sein kann, ausgerichtet und mit dieser übereinstimmend sein kann. Das Gehäuse 15 hat feste in Längsrichtung verlaufende Seitenwände 20 und feste Endwandteile 25, wie dies im Querschnitt in der Figur gezeigt ist. Das Gehäuse kann aus Gußaluminium oder einem anderen geeigneten festen Material konstruiert sein. Die Seitenwände 20 sind mit geeigneten Mitteln wie bei 30 versehen, um in dem Inneren des Gehäuses 15 ein oder mehrere ebene Teile (35) zum Tragen elektronischer Schaltungsteile zu montieren und zu halten. Solche ebenen Teile 35 können die Form einer gedruckten Schaltungskarte, einer keramischen Karte oder anderer geeigneter Mittel haben, welche für die bestimmte Anwendung geeignet sind. Die ebenen Teile 35 haben vorzugsweise die selbe Form wie der Querschnitt des Gehäuses 15, welcher in der Figur als kreisförmig gezeigt ist. Auf dem ebenen Teil 35 können eine Vielzahl von oberflächenmontierbaren elektronischen Gehäusen 40, 42 und 44 montiert sein. Derartige Gehäuse können diskrete Schaltungselemente wie Widerstände oder Kondensatoren, sowie oberflächenmontierbare integrierte Schaltungsgehäuse oder oberflächenmontierbare Halbleiterbauteile sein, welche direkt auf das ebene Teil 35 gebonded und mit diesem verbunden sind. Weiterhin kann das ebene Teil 35 ein einzelner Halbleiter-Wafer sein, wobei die elektronische Schaltung mittels wohl bekannter Verfahren auf der Oberfläche oder den Oberflächen des Wafers geeignet angeordnet ist. Auf diese Weise ist zwischen der oberen Endwand 25 und dem oberen ebenen Teil 35 eine erste Kammer 50 definiert. Zwischen den beiden ebenen Teilen 35 ist eine weitere Kammer 52 definiert, und eine dritte Kammer 54 ist zwischen dem unteren ebenen Teil 35 und der unteren Endwand 25 definiert. Jede der Kammern 50, 52 und 54 ist mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid 60 gefüllt, so wie der Elektronikflüssigkeit "Fluorinert" (geschütztes Warenzeichen), die von der Commercial Chemicals Division der 3M Company, St. Paul, Minn., 55144 vertrieben wird. Jede Kammer ist vollständig gefüllt, so daß keine leeren Räume oder Lufträume zurückbleiben. Wenn die elektronischen Gehäuse 40, 42 oder 44 selbst Gehäuse mit nicht gefüllten (d.h. nicht mit Fluid gefüllten) leeren Räumen sind, müssen sie geöffnet und der leere Raum mit Fluid gefüllt werden. Die Kammern und ebenen Teile sind so gestaltet und montiert, daß das Fluid in einer Kammer in dieser Kammer eingeschlossen ist und nicht mit dem Fluid in einer beliebigen anderen Kammer kommuniziert, außer durch sehr kleine Öffnungen, so wie 70, 72. Die Größe der Öffnungen ist sehr klein, so daß das Fluid in einer Kammer nur mit einer sehr geringen Rate in eine benachbarte Kammer fließen kann. Die geringe Rate ist ausreichend hoch, um es dem Fluid zu erlauben, in die Kammern einzudringen und sie wieder zu verlassen, um thermischer Ausdehnung des Fluides gerecht zu werden. Die resultierende Volumenanpassung wird durch ein Reservoir 78 absorbiert, welches mit einer der Kammern durch eine Verbindungsleitung 76 und eine Öffnung 74 kommuniziert. Die Öffnung 74 ist entsprechend bemessen, um lediglich sehr geringe Flußraten des Fluides zu erlauben. Die Flußraten des Fluides durch die Öffnungen müssen sehr gering gehalten werden, so daß dann, wenn die Struktur sehr hoher Beschleunigung ausgesetzt ist, das Fluid nicht durch die Neigung des ebenen Teiles 35, sich zu biegen, sehr schnell aus der Kammer herausgezwungen werden kann. Wenn zu viel Fluid erlaubt wird, eine Kammer zu schnell zu verlassen, könnten sich die ebenen Teile dann in einem hinreichenden Maß biegen, so daß daraus eine Beschädigung resultieren würde. Obwohl die Verpackungsstruktur dazu vorgesehen ist, sehr hohe g's zu überstehen, ist einzusehen, daß die hohen g's nur von sehr kurzer Zeitdauer sind. Indem also die Rate des Fluidflußes durch die Öffnungen 70 und 72 von einer Kammer in die andere auf sehr geringe Raten begrenzt wird, ist die Menge an Fluid, die während der Dauer der sehr hohen g-Werte zwischen Kammern ausgetauscht wird, sehr gering und nicht ausreichend, um zu einer Beschädigung der ebenen Teile 35 zu führen, aber die Rate ist ausreichend, um thermischer Ausdehnung des Fluides gerecht zu werden.
Die Struktur 10 kann Startbedingungen ausgesetzt werden, welche eine Beschleunigung in der Größenordnung von 100.000 g oder mehr erzeugen, wie durch einen Pfeil 100 angedeutet ist. Simulationsuntersuchungen zeigen, daß die durch die Beschleunigung induzierte und durch einen Pfeil 105 angedeutete Last auf das ebene Teil 35 nahezu durch die durch das Fluid auf die andere Seite des ebenen Teiles 35 (Prinzip des Archimedes) induzierte reaktive Last (durch einen Pfeil 110 angedeutet) ausgeglichen wird. Der Auftrieb des ebenen Teiles 35 in der Flüssigkeit 60 wird immer eine Kraft oder eine Last in die entgegengesetzte Richtung wie die durch die Beschleunigung hervorgerufene Last bewirken, die durch den Pfeil 105 angedeutet ist, und wird also darauf gerichtet sein, die Belastungen an den beiden Seiten des ebenen Teiles weiter auszugleichen.
Durch Auswahl eines Fluides mit geeigneter Dichte (oder durch Einstellung dessen Dichte durch Zugabe geeigneter Mikrokugeln höherer Dichte) und durch Einstellen der. Dichte des ebenen, Schaltungsteile tragenden Teiles, können deren effektive Dichten aneinander angepaßt werden. Die ebenen Teile 35 würden dann neutralen Auftrieb erfahren. Bei neutralem Auftrieb ist die Rate, mit welcher das Fluid von einer Kammer mit einer anderen Kammer kommunizieren kann, nicht kritisch. Weil das Teil 35 und das Fluid die selbe Dichte haben, wird das Fluid nicht bestrebt sein, unter hoher Beschleunigung von einer Kammer in die andere zu fließen. Dementsprechend können die Öffnungen 70, 72 größer gemacht werden, d.h. hinreichend groß, um die Flußraten zum Entleeren und Füllen zu ermöglichen.
Wenn das System 10 hohen seitlichen g's (d.h. Beschleunigung quer zu dem Pfeil 100 und parallel zu der Ebene des ebenen Teiles 35) ausgesetzt ist, finden die selben Prinzipien Anwendung, und sind darauf gerichtet, die Kräfte zu begrenzen, welche anderenfalls darauf gerichtet wären, die Gehäuse 40, 42 und 44 von ihren Befestigungsstellen abzuscheren. Mit einem dünnen Filmwafer von ungefähr 2 inches Durchmesser, der innerhalb eines Gehäuses von ebenfalls ungefähr 2 inches Durchmesser und mit Seitenwänden von ungefähr 0,25 inches Höhe montiert war, sind Experimente durchgeführt worden. Der Wafer hatte Bauteile auf seiner Oberfläche montiert. Die Struktur wurde einer Beschleunigung von 16.000 g ausgesetzt, welche quer zu der Ebene des Wafers gerichtet war. Der Wafer und seine Bauteile überstanden ohne jegliche detektierte Beschädigung. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen und auf auf Simulation basierenden Projektionen wird projiziert, daß solch ein System gemäß der vorliegenden Erfindung sehr hohen Beschleunigungen oberhalb von 100.000 g widerstehen kann. Experimentelle Ergebnisse zeigen ebenfalls an, daß verbesserte Ergebnisse mit Fluiden höherer Dichte erzielt werden können.
Es ist folglich eine Verpackungsstruktur zum Schützen elektronischer Schaltungsteile vor Schaden in Umgebungen mit sehr hoher Beschleunigung beschrieben worden. Es ist zu verstehen, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann an der Verpackungsstruktur vorgenommen werden können, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen, welcher nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein soll.

Claims

Beansprucht wird folgendes:

1. Sehr hohe Beschleunigungsverträglichkeit aufweisende Verpackungsstruktur für Schaltungskarten, mit:

einem äußeren Gehäuse (15), das feste Seitenwände (20) und feste Endwände (25) aufweist;

wenigstens einem ebenen Teil (35), um darauf elektronische Schaltungsteile zu tragen, das geeignet gestaltet ist, um derart innerhalb des Gehäuses montiert zu werden, daß es das Innere des Gehäuses in wenigstens zwei Kammern (50, 52, 54) aufteilt;

wobei jede der Kammern vollständig mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllt ist; und

jede Kammer so gestaltet ist, daß das Fluid in einer Kammer mit dem Fluid in einer anderen Kammer durch eine Öffnung (72) in dem ebenen Teil kommunizieren kann.

2. Verpackungstruktur nach Anspruch 1, bei der die Öffnung gerade derart ausreichend größer bemessen ist, um Flußraten für das Fluid zu ermöglichen, die hinreichend sind, um thermische Ausdehnung des Fluides zu kompensieren.

3. Verpackungsstruktur nach Anspruch 1, bei der die Dichte des Fluides und die Dichte des ebenen Teiles mit den elektronischen Schaltungsteilen darauf aneinander angepaßt sind, und wobei die Größe der Öffnungen hinreichend groß ist, um einen schnellen Flüssigkeitsfluß unterzubringen, welcher das Entleeren und Füllen der Kammern bewirkt.

4. Struktur nach Anspruch 1, die weiterhin ein Reservoir (78) umfaßt, das ebenfalls mit wenigstens einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer durch eine Öffnung kommuniziert, welche so bemessen ist, wie die Öffnung in dem ebenen Teil.