DD246441A1

DD246441A1 - Kuehleinrichtung fuer elektronische bauelemente

Info

Publication number: DD246441A1
Application number: DD28630986A
Authority: DD
Inventors: Andreas Birk; Astrid Birk
Original assignee: Oppach Schaltelektronik
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1986-01-20
Publication date: 1987-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kuehleinrichtung fuer elektronische Bauelemente, die im geschlossenen Kreislauf mit vorzugsweise fluessigem Kuehlmedium betrieben werden kann. Ziel ist eine kompakte Bauweise, eine hohe Betriebssicherheit und die Abfuehrung hoher Waermestromdichten. Erfindungsgemaess ist eine elastische Deckfolie, die eine Kuehlkassette an der den Bauelementen und der Leiterplatte zugewandten Seite begrenzt, unter Innendruck an die Flachbaugruppe geklebt, so dass die Deckfolie die Flachbaugruppe von einem Hohlraum abgrenzt, indem das Kuehlmedium zirkulieren kann. Fig. 2

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente. Sie ermöglicht die gezielte Abführung der Wärme von Bauelementen der Mikroelektronik, die vorwiegend auf Leiterplatten angeordnet sind. Die Kühleinrichtung arbeitet im geschlossenen Kreislauf mit flüssigem oder gasförmigem Kühlmedium. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung kann besonders vorteilhaft dort erfolgen, wo durch hohe Packungsdichte der Bauelemente eine hohe Wärmestromdichte bei der Kühlung erreicht werden muß.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Baugruppen der Mikroelektronik weisen durch steigende Integration und Packungsdichte immer höhere Wärmestromdichten auf. Bisher ist es üblich, das Kühlmittel zwischen den Flachbaugruppen wie in einem Kanal zu führen. Mit diesem Kühlkonzept ist es jedoch nicht immer möglich, die notwendigen Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, ohne ein steigendes Bauvolumen der Geräte, z. B. infolge von Berippung der Bauelemente, in Kauf zu nehmen.

Eine Verbesserung der Kühlwirkung tritt ein, wenn die Bauelemente gezielt senkrecht angeströmt werden (EP-PA 0091733).

Diese Lösung eignet sich aber kaum zur Realisierung eines geschlossenen Kühlkreislaufes. Das Kühlmedium hat Kontakt mit den Bauelementen und Flachbaugruppen. Außerdem sind Strömungsgeräusche zu erwarten.

Von diskreten Bauelementen der Leistungselektronik ist es bekannt, daß Anschlüsse für ein flüssiges Kühlmedium vorgesehen sind. Die Kühlmittelzuführung erfolgt zu jedem diskreten Bauelement einzeln.

Für hochintegrierte Bauelemente der Mikroelektronik ist eine solche Lösung nicht bekannt. Der Aufwand wäre auch sehr hoch, da jedes Bauelement einzeln an eine Kühlmittelleitung angeschlossen werden müßte.

In der DE-OS 2638702 und der DE-OS 2903685 werden ein Lösungsprinzip zur Kühlung von Flachbaugruppen vorgestellt, daß die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels im geschlossenen Kreislauf erlaubt. Das Prinzip besteht darin, daß dünnwandige Kunststoffbehälter mit dem Kühlmittel gefüllt sind und sich unter Innendruck an die zu kühlenden Bauelemente anlegen.

In der DE-OS 2638702 werden dünnwandige, schmale, annähernd quaderförmige Kunststoffbeutel, die zwischen den Flachbaugruppen angeordnet sind, beschrieben.

Die technische Lösung nach der DE-OS 2903685 verbessert die Servicefreundlichkeit und ermöglicht die Kühlung der Flachbaugruppen auch im ausgebauten Zustand. Das wird erreicht, indem jede Flachbaugruppe mit einem Behälter aus Kunststoffolie, der von einer mittels Schraubverbindung befestigten Abdeckplatte gehalten wird, konstruktiv vereinigt ist.

Der grundlegende Nachteil dieses Lösungsprinzips besteht darin, daß die für einen hohen Wärmeübergang notwendige innige Kontaktfläche zwischen Bauelement und Foliebeutel erst entsteht, wenn die Kühlflüssigkeit unter einem bestimmten Mindestinnendruck steht. Dieser Mindestinnendruck macht eine hohe Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe erforderlich und stellt sehr hohe Anforderungen an die strömungstechnische Auslegung des Kühlsystems. Die Betriebssicherheit ist eingeschränkt, da bei Abfall des Innendruckes sich der Foliebeutel entspannt und damit der Wärmeübergang vom Bauelement zum Kühlmedium nicht mehr gegeben ist. Da keine feste Bindung zwischen Foliebeutel und zu kühlender Flachbaugruppe besteht, können sich die Foliebeutel — besonders, wenn sie nur geringen Innendruck besitzen — auf der Flachbaugruppe verschieben, sobald stoß- oder schwingende Belastung auftritt. Dadurch können Beschädigungen, ein Leckwerden und damit ein Ausfall des Systems eintreten. Die Anwendung kann nur in Anlagen erfolgen, bei denen nicht mit Stoß- oder Schwingungsbelastung zu rechnen ist.

Um ein unzulässiges Durchbiegen der Flachbaugruppe durch den Innendruck zu verhindern, ist eine sorgfältige konstruktive Auslegung der Verschraubstellen notwendig. Weiterhin stellen die Foliebeutel fertigungstechnisch hohe Anforderungen, besonders beim Einbinden der Kühlmittelmündungen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung soll eine ökonomisch und technologisch besonders günstige Lösung zur Realisierung eines geschlossenen Kühlreislaufes bei großer Freiheit in der Wahl des Kühlmediums ermöglichen. Mit geringem Aufwand, unter Verwendung leicht herstellbarer, unifizierter Einzelteile, soll erreicht werden, daß verschiedene Konfigurationen der elektronischen Bauelemente

auf Leiterplatten effektiv gekühlt werden können. Dabei soll der Raumbedarf für die Kühlung gering bleiben, so daß die Gesamtgröße des Gerätes bei Realisierung dieses Kühlkonzeptes verringert werden kann. Zudem soll eine hohe Betriebssicherheit, auch bei Belastung durch Schwingung oder Stoß, erreicht werden. Bei entsprechender Auslegung des Kühlsystems soll ferner eine freie Konvektion möglich sein. Ein wartungsfreundlicher Aufbau wird angestrebt, der einen schnellen Austausch defekter Flachbaugruppen erlaubt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen innigen und mechanisch zuverlässigen Kontakt zwischen elektronischen Bauelementen und einer Folie, die das Kühlmedium trennt von den zu kühlenden Bauelementen, abzusichern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine dünnwandige, elastische Deckfolige, die eine Kühlkassette an der der Flachbaugruppe zugewandten Seite begrenzt, unter Innendruck einmalig auf die Flachbaugruppe geklebt ist. Dabei werden die Flachbaugruppe und die Kühlkassette beim Verkleben gegen den Innendruck in einer Vorrichtung abgestützt.

Auf diese Weise entsteht eine stabile, leicht zu handhabende Baugruppe, die Kühlsystem und Flachbaugruppe vereinigt.

Ein Betreiben der Kühlung ist auch an der einzelnen Flachbaugruppe außerhalb des Gerätes möglich.

Der Wärmeübergangswiderstand Deckfolie-Bauelement ist nicht vom Innendruck abhängig und wird zudem durch die innige stoffliche Verbindung Trennfolie-Kleber-Bauelement verringert und auf einem konstanten Wert gehalten.

Das Verkleben der Deckfolie mit der Flachbaugruppe schließt eine spätere mechanische Beschädigung der Deckfolie und damit ein Leckwerden aus. Die Baugruppe wird unempfindlich gegen Schwingung und Stoß. Es kann mit einem geringen Kühlmittelinnendruck bei Zwangsumlauf des Kühlmediums oder mit freier Konvektion des Kühlmediums gearbeitet werden. Bei Anwendung geeigneter Regeltechnik ist auch ein alternierender Betrieb, freie Konvektion-Zwangsumlauf, möglich. Es entfällt die Notwendigkeit eines besonderen Abstützens der Flachbaugruppe, um Schäden durch Ausbauchen infolge hohen Kühlmitteldruckes zu vermeiden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispielsund der zugehörigen Figuren 1 bis 3 näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die Ansicht einer Leiterplatte 1 mit der Kühlkassette 2. Die Kühlkassette 2 ist mit einer Eintrittsöffnung 3 und einer Austrittsöffnung 4für ein Kühlmedium versehen und zur Erhöhung der Stabilität mittels Sch rauben 5 mit der Flachbaugruppe 1; 6 verbunden. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Flachbaugruppe 1; 6 mit der Kühlkassette 2. Ein vergrößerter Ausschnitt (Fig. 3) zeigt, wie die mit der Leiterplatte 1 und dem Bauelement 6 verklebte Deckfolie 7 das Kühlmedium 8 von der Flachbaugruppe 1; 6 trennt. Die verwendete Deckfolie 7 soll dünnwandig, flexibel, gut dehnbar, für das Kühlmedium 8 dauerhaft undurchlässig, elektrisch isolierend und ausreichend temperaturbeständig sein. Es ist aber auch möglich, eine nicht dehnbare Folie aus dünnem, flexiblem Material zu verwenden, die vor dem Aufkleben geknittert oder gefaltet ist und die sich beim Aufkleben unter Druck entfaltet und an die Bauelemente 6 anlegt.

Das Ankleben der Deckfolie 7 kann erfolgen, indem der Klebstoff oder seine Komponenten auf die Flachbaugruppe 1; 6 oder Deckfolie 7 angetragen wird. Um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zu erzielen, sollte die Klebstoffschicht möglichst dünn sein. Eine selbstklebende Trennfolie 7 stellt eine weitere effektive Lösung dar.

Die Kühlkassetten 2 sind an die Größe der Flachbaugruppen 1; 6 angepaßt und bilden unifizierte Rahmen oder Kästen_rdie ein- oder zweiseitig mit der Deckfolie 7 verschlossen sind. Vorzugsweise an den gegenüberliegenden Schmalseiten der Kühlkassetten 2 befinden sich die Ein-und Austrittsöffnungen 3; 4 für das Kühlmedium 8. Die Kühlkassetten 2 lassen sich rationell als ein Teil z. B. durch Spritzguß von Plastwerkstoff oder Aluminium fertigen. An die Öffnungen 3; 4für das Kühlmedium 8 können sich Elemente zur Steuerung oder Regelung der Kühlprozesse anschließen. Die Kühlkassette 2 kann so gestaltet sein, daß eine leichte Entlüftung des Kühlkreislaufes möglich ist.

Im Regelfall ist die Bestückungsseite der Flachbaugruppe 1; 6 zu kühlen. Wenn abgesichert ist, daß keine Spitzen der Leiteranschlüsse die Deckfolie 7 verletzen, kann die Kühlung auch beidseitig erfolgen. Ebenso ist es möglich, mit einer kastenförmigen, beidseitig mit Deckfolie 7 bespannten Kühlkassette 2 zwei Flachbaugruppe 1; 6 zu kühlen.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung für die SMD-Technik, da dort die Bauelemente eine dichtere Packung erlauben und bei Sicherung der Wärmeabfuhr die Baugröße der Geräte eingeschränkt werden kann. Außerdem sinken die Anforderungen an die Festigkeit und Dehnbarkeit der Deckfolie 7 durch die geringeren Abmessungen der SMD-Bauelemente.

Claims

Patentanspruch:

Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte unter Verwendung eines strömenden Kühlmediums, das von den Bauelementen durch eine dünne, elastische Folie getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckfolie (7) eine Kühlkassette (2) an der einer Flachbaugruppe (1; 6) zugewandten Seite begrenzt und unter Innendruck auf die Flachbaugruppe (1; 6) geklebt ist, so daß die Deckfolie (7) die Flachbaugruppe (1; 6) von einem Hohlraum abgrenzt, in dem das Kühlmedium (8) zirkuliert.