NL1031206C2

NL1031206C2 - Vlakke warmtebuis voor koeldoeleinden.

Info

Publication number: NL1031206C2
Application number: NL1031206A
Authority: NL
Inventors: Rob Legtenberg; Wessel Willems Wits; Jan Hendrick Mannak
Original assignee: Thales Nederland Bv
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-08-24
Also published as: US20090065180A1; ZA200806629B; IL193053A; EP1987306A1; CA2640519C; US8305762B2; WO2007096313A1; IL193053A0; CA2640519A1

Description

Vlakke warmtebuis voor koeldoeleinden

Deze uitvinding heeft betrekking op een vlakke-warmtebuisapparaat voor koeldoeleinden. Het apparaat is toepasbaar in, hoewel in toepassing niet beperkt tot, elektronische toestellen, door 5 bijvoorbeeld de vlakke warmtebuis in te bedden in een printplaat voor de inherente koeling van warmtedissiperende componenten.

Aangezien functionaliteit en prestatie van halfgeleiders voortdurend toenemen, stijgt navenant de hoeveelheid per oppervlakte-10 eenheid af te voeren warmte. Om de stijgende temperatuur van printplaten te kunnen beheersen is een steeds verdergaande verbetering nodig van het koelvermogen, met name bij hoge-dichtheid meerlaagse printplaatsamenstellingen met een hoge concentratie van elektronische componenten in kleine ruimten.

15

Warmtebuizen zijn in staat die grote koelprestatie te leveren in betrekkelijk kleine afmetingen en in een volledige passieve modus, d.w.z. zonder voedingsbron. Conventionele warmtebuizen zijn cilindrische, kokervormige gesloten structuren, met daarin een vloeistof en op de 20 binnenwand capillaire groeven of poriën. De door een externe bron, zoals elektronische componenten, afgegeven warmte doet de temperatuur van de vloeistof aan één uiteinde van de buis stijgen, waar de vloeistof verdampt. Door het drukgradiënt effect stroomt damp in de richting van het andere uiteinde van de buis, waar de damp afkoelt en condenseert en zodoende 25 warmte uit de structuur verwijdert. Gecondenseerde vloeistof circuleert door capillaire werking terug langs de met groeven of poriën beklede binnenwand, in de richting van het verwarmde uiteinde. Een printplaatsamenstelling die is uitgevoerd met een op een dergelijke warmtebuis gebaseerd koelsysteem levert een hoog prestatieniveau. De warmtebuis is ongeveer 3 maal lichter 30 dan een massief koperen structuur van overeenkomstige afmetingen en heeft een ongeveer 3 maal betere thermische conductiviteit. Dit type warmtebuissamenstelling wordt bijvoorbeeld gebruikt in laptop computers om de CPU (Central Processing Unit, centrale verwerkingseenheid) te koelen.

1031206 2

Integratie van kokervormige warmtebuizen in printplaatsamenstellingen wordt echter beperkt door de cilindrische structuur van de eerste tegenover de vlakke opbouw van de laatste. Tegenwoordig zijn ook vlakke warmtebuizen leverbaar, maar deze worden nog als een 5 afzonderlijk onderdeel gefabriceerd, op basis van dezelfde soort metaalbewerkingprocessen als gebruikt voor kokervormige warmtebuizen, zoals metaaltrekken en verschillende typen lasbewerkingen. Dit vereist specifieke, hoge-energie gereedschapsuitrusting en machinerieën, die geen hoog flexibiliteitniveau bieden. Sommige varianten zijn zelfs gebaseerd op 10 van oorsprong cilindrische warmtebuizen, die geplet worden tot een ovaal profiel, dat aangebracht en bevestigd kan worden tussen twee metaallagen. Hiervoor is een nog meeromvattend scala van fabricageprocessen vereist, die geen van alle behoren tot een gebruikelijk printplaatfabricageproces. Dit zal daarom niet een echt kosteneffectieve oplossing zijn.

15 Bovendien staat de lineaire vorm van kokervormige warmtebuizen een flexibele indeling van warmtedissiperende componenten op de printplaat in de weg. Dientengevolge kan het gehele componentensamenstel en het drukken van de schakelingen sterk beïnvloed worden door het koelsysteem.

20 In een poging om een koelsysteem beter in een printplaat te integreren, heeft men ooit vlakke warmtebuizen geïntroduceerd. Helaas werden deze als afzonderlijke onderdelen gefabriceerd, op basis van processen die erg veel leken op de eerder beschreven processen voor kokervormige warmtebuizen. Deze oplossingen zullen daarom eveneens niet 25 kosteneffectief zijn en bieden mogelijk geen hoger flexibiliteitniveau.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel om te voorzien in een apparaat dat gebruikt kan worden voor een kosteneffectieve en flexibele oplossing van bovengenoemde problemen met behoud van vergelijkbare 30 thermische prestaties.

Volgens het voornaamste aspect ervan voorziet deze uitvinding in een vlakke warmtebuis voor koeldoeleinden. In de meest eenvoudige vorm omvat deze warmtebuis onder andere twee panelen die beide aan één zijde met metaal bekleed zijn, waarbij ten minste een van de panelen aan de met 35 metaal beklede zijde voorzien is van groeven. De panelen worden 3 geassembleerd met de met metaal beklede zijden tegenover elkaar zodat zij een gesloten holte vormen, die gedeeltelijk gevuld is met een vloeistof. De vloeistof circuleert door capillaire werking langs de groeven in de richting van aan warmte blootgestelde gebieden, waar de vloeistof verdampt. Damp kan 5 door het drukgradiënt effect in de holte terugcirculeren in de richting van gebieden die niet aan warmte blootgesteld zijn, waar de damp condenseert.

In een uitvoeringsmodus kan de warmtebuis ingebed zijn in een printkaart die gevormd wordt door de panelen voor de inherente koeling van warmtedissiperende componenten.

10 De metaalbekleding kan bijvoorbeeld koper zijn en de panelen kunnen vervaardigd zijn van een organisch materiaal, een composiet of een keramisch materiaal.

De groeven kunnen geëtst zijn of geplateerd in/op de met metaal beklede lagen.

15 Voor afdichting van de holte (8) kan lateraal worden gezorgd door gebruik van een kristallijn materiaal als een hechtmiddel om de twee panelen tot een geheel samen te stellen of door een gemetalliseerde goot.

De vloeistof kan eenvoudig water zijn of elke andere, gewoonlijk in warmtebuizen gebruikte vloeistof.

20 Via een aan de bovenzijde van een septum voorziene opening in een van de panelen kan lucht worden verwijderd en vervolgens de vloeistof met een injectiespuit in de holte worden ingebracht.

In een ander aspect voorziet deze uitvinding in een printkaart voor het koelen van warmtedissiperende componenten. De printkaart omvat onder 25 andere twee panelen die beide aan één zijde met metaal bekleed zijn, waarbij ten minste een van de panelen aan de met metaal beklede zijde voorzien is van groeven. De panelen worden geassembleerd met de met metaal beklede zijden tegenover elkaar zodat zij een gesloten holte vormen. De holte is gedeeltelijk gevuld met een vloeistof. De vloeistof circuleert door 30 capillaire werking langs de groeven in de richting van gebieden die worden blootgesteld aan de warmte welke via de panelen wordt toegevoerd - bij voorkeur door thermische via's, waar de vloeistof verdampt.

Damp kan door het drukgradiënt effect in de holte terugcirculeren in de richting van gebieden waar de warmte via de panelen wordt afgevoerd -35 bij voorkeur door thermische via's en waar de damp condenseert.

4

De buitenvlakken van de twee panelen kunnen later voorzien worden van een patroon van gedrukte bedrading en van elektronische componenten, waarmee elektronische en koelfuncties in één product worden 5 geïntegreerd.

Bijgevolg is het grootste voordeel van deze uitvinding in alle uitvoeringsvormen dat deze zich voor het grootste deel baseert op de standaardprocessen van multilayer printplaatfabricage, zoals lamineren, 10 selectief metalliseren en etsen. De uitvinding biedt daardoor een uiterst kosteneffectieve oplossing voor het koelprobleem. Verder biedt de uitvinding een zeer flexibele ontwerpoplossing, die aanpassing mogelijk maakt van de koelwegen aan de printplaatindeling, met name aan de hogere warmtedissiperende locaties. Omdat de oplossing totaal geen extra 15 materialen vereist, is deze zelfs aanzienlijk lichter van gewicht dan een op een kokervormige warmtebuis gebaseerde oplossing. Geïmplementeerd als een verrijkende uitbreiding van een CAE (Computer Aided Engineering, ontwerpen met behulp van een computer) tooi, zouden warmtebuiskoelholten gelijktijdig ontworpen kunnen worden met de indeling van 20 componentplaatsen en het drukken van de schakelingen, waardoor een geoptimaliseerd thermisch beheer wordt gegarandeerd. Dit betekent dat multilayer printplaatsamenstellingen, die hoge-dichtheid elektronische apparaten zijn, het meest profiteren van de geïntegreerde warmtebuis koelfunctie.

25

Een niet-beperkend voorbeeld van de uitvinding wordt hierna beschreven aan de hand van de bijgevoegde tekeningen, waarvan: - Afb. 1 een schematische weergave is van een voorbeeldprintplaat als een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

30 - Afb. 2 schematisch de in een koperlaag van een printplaatlaminaat volgens de uitvinding geëtste groeven uitlicht.

- Afb. 3 schematisch inzoomt op een werkwijze voor het vullen van een warmtebuisholte met koelvloeistof volgens de uitvinding.

35 In de afbeeldingen verwijzen gelijke tekens naar gelijke onderdelen.

5

Afb. 1 is een schematische weergave van een voorbeeldprintplaat als een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Deze omvat onder andere een met metaal bekleed 5 printplaatlaminaat 1, met metaallagen 3 en 4 op elk van de zijden en een met metaal bekleed printplaatlaminaat 2, met metaallagen 5 en 6 op elk van de zijden. In het voorbeeld van de afbeelding is de metaalbekleding koper en zijn de printplaatlaminaten vervaardigd van een organisch materiaal, bijvoorbeeld een met glasvezel versterkt polymeer materiaal zoals het 10 bekende FR-4. Alternatieve diëlektrische materialen kunnen echter eveneens worden gebruikt, bijvoorbeeld keramische materialen, geplateerd met verschillende metalen van uiteenlopende dikte.

Printplaatlaminaten 1 en 2 worden samengekit met uitzondering van de warmtebuisgebieden door middel van een hechtende diëlektrische 15 film 7. De dikte van de hechtende film 7 vormt een holte 8. De hoogte van holte 8 kan worden aangepast door een of meer vullagen aan te brengen. Binnen de gehele holte 8 worden, voorafgaand aan het samenkitten van laminaten 1 en 2, parallelle groeven 9 bij voorkeur geëtst in de koperlaag 4 van printplaatlaminaat 1 en in de koperlaag 5 van printplaatlaminaat 2.

20 De holte 8 bevat een vloeistof 10, bijvoorbeeld water en er heerst een onderdruk. Lucht is verwijderd uit en water is geïnjecteerd in de holte 8 via een septum 14, dat aangebracht is aan de bovenzijde van een gemetalliseerd gat 15 dat dwars door het printplaatlaminaat 2 is geboord.

Een septum is een toestel dat voorziet in een hermetische dichting, terwijl 25 verwijdering van lucht en inbrengen van een vloeistof met een injectiespuit mogelijk blijft. Het gebruik ervan wordt gedetailleerd beschreven bij de behandeling van Afb. 3. Om koelprestatieverlies te vermijden, dient het vulsysteem zich zo ver mogelijk van alle warmtebronnen te bevinden. In ieder geval moeten de indeling van koelholte 8 en de plaats van gat 15 als 30 onderdeel van de ontwerpfase van de printplaat in aanmerking worden genomen, in samenhang met het aanbrengen van componenten en het drukken van de schakelingen. CAE tools zouden zelfs complexe, aan multilayer printplaten inherente beperkingen kunnen hanteren, waarbij sprake is van stapelingen van 40 of meer lagen en elke laag onder andere gedrukte 35 schakelingen omvat. Met deze tools zou de optimale koelholte voor elk 6 printplaatlaminaat kunnen worden ontworpen. Een perfecte koelholte voor een bepaald printplaatontwerp hoeft niet altijd een rechte weg te volgen en sommige holten moeten mogelijk gevuld worden via een gat dat meerdere printplaatlaminaten doorboort.

5 Door capillaire werking wordt elke groef gevuld met water. De hoeveelheid geïnjecteerd water moet gelijk zijn aan het volume van de gecombineerde groeven. Meer water zou het efficiënt circuleren van damp in holte 8 verhinderen. In het voorbeeld van de Afb. zorgt een gemetalliseerde goot 11 langs de zijden van holte 8 voor laterale dichting van holte 8. Goot 11 10 voorkomt dat vloeistof 10 geleidelijk door de hechtende diëlektrische film 7 lekt. Bij voorkeur zouden, in plaats van de hechtende diëlektrische film 7 ook kristallijne thermoplastische materialen kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld de vloeibare kristallijne polymeer die bekend is als LCP of het syndiotactische polystyreen dat bekend is als SPS. Dankzij de extreem lage 15 doordringbaarheid voor vocht van deze materialen, is er dan geen behoefte aan een gemetalliseerde goot om holte 8 lateraal af te dichten.

Onder bedrijfsomstandigheden dissipeert component 13 warmte via printplaatlaminaat 1, waarbij het water in de groeven vlakbij component 13 verdampt. Aangezien het laminaat op zich een betrekkelijk slechte 20 thermische geleider is, wordt het warmtetransport door printplaatlaminaat 1 naar de warmtebuisstructuur vergemakkelijkt door gebruikmaking van zogenaamde thermische via's 12. De thermische via’s 12, bijvoorbeeld, zijn met metaal gevulde gaten in printplaatlaminaat 1. Damp beweegt zich in de richting van de koelere zijde van holte 8 waar de druk lager is omdat daar 25 geen warmte wordt gedissipeerd. De damp geeft daar warmte terug aan de printplaat en vervolgens aan de buitenlucht of aan, bijvoorbeeld, een heat sink structuur. Daarom vindt condensatie plaats. Warmtetransport door printplaatlaminaat 1 vanuit de warmtebuisstructuur wordt vergemakkelijkt door gebruikmaking van thermische via's 17, bijvoorbeeld met metaal 30 gevulde gaten in printplaatlaminaten 1 en 2. Tezelfdertijd worden lege groeven, waarin zich water bevond dat verdampt is, opnieuw gevuld door capillaire werking. Enerzijds moet de hoogte van de warmtebuisholte 8 zo gering mogelijk zijn om de totale printplaat zo dun mogelijk te houden. Anderzijds moet de holtehoogte groot genoeg zijn voor een toereikende 7 interne dampstroming. In het voorbeeld van de afbeelding is de hoogte van de warmtebuisholte 8 ongeveer 1 millimeter.

Het zal duidelijk zijn dat variaties op het in Afb. 1 geschetste voorbeeld, zoals een in de techniek ervaren persoon zich zou kunnen 5 indenken, gemaakt kunnen worden zonder van de opzet van de uitvinding af te wijken.

Afb. 2 beperkt zich tot het schematisch weergeven van in een koperlaag van een printplaatlaminaat volgens de uitvinding geëtste groeven. 10 In een perspectivische weergave wordt ingezoomd op enkele van de parallelle groeven 9 die in printplaatlaminaat 2 van het vorige voorbeeld zijn geëtst. In het geval dat de dikte van koperlaag 5 etsen niet zou toelaten, zou eventueel toepassing van een plateerproces kunnen worden overwogen in plaats van etsen voor het vormen van de groeven. Dankzij capillaire 15 werking circuleert water gemakkelijk langs de vlakke en parallelle groeven 9 van het condenseringsgebied van holte 8 tot het verdampingsgebied ervan. Zoals weergegeven in de afbeelding volgt de vloeistof de loop van de groeven, stromend in de beddingen. De doelmatigheid van de capillaire werking hangt af van de breedte-hoogte verhouding van de groeven. In het 20 voorbeeld van de afbeelding zijn de groeven 80 micron hoog en breed.

In het voorbeeld van de afbeeldingen zijn beide printplaatlaminaten 1 en 2 gegroefd om capillaire werking mogelijk te maken. Echter, het van groeven voorzien had beperkt kunnen worden tot één van deze, waardoor een kleinere hoeveelheid koelvloeistof en een kleinere 25 dampholte nodig waren, maar waardoor ook een minder efficiënte koelfunctionaliteit ontstaat.

Het zal duidelijk zijn dat variaties op het in Afb. 2 geschetste voorbeeld, zoals een in de techniek ervaren persoon zich zou kunnen indenken, gemaakt kunnen worden zonder van de opzet van de uitvinding af 30 te wijken.

Afb. 3 beperkt zich tot het schematisch weergeven van een werkwijze voor het vullen van een warmtebuisholte met koelvloeistof volgens de uitvinding.

8

In het voorbeeld van de afbeelding wordt voor het vullen gebruik gemaakt van septum 14, een schotelvormige afdichting, gemaakt van een elastomeer materiaal, vaak silicone. Het septum is omsloten door metaal, met uitzondering van een kleine opening voor het inbrengen van een 5 injectienaald. Dit geheel wordt op koperlaag 3 van het printplaatlaminaat 1 gesoldeerd. Septum 14 is de sleutel tot een eenvoudige en werkbare oplossing voor het vullen en afdichten van de ingebedde warmtebuisholte 8 met een injectiespuit 16. In een eerste stap wordt de holle naald van injectienaald 16 door het septum gestoken voor het op een eenvoudige 10 manier creëren van een intern vacuüm in holte 8. Vacuüm vergemakkelijkt het latere inbrengen van een vloeistof in holte 8 en ook de verdamping ervan. Wanneer de naald wordt verwijderd, herstelt zich de elastomeerafdichting van septum 14, waardoor de opening luchtdicht wordt afgesloten. In een tweede stap wordt de holle naald van injectiespuit 16 door septum 14 15 gestoken voor het injecteren van water in holte 8. Ook nu zorgt, na het terugtrekken van de naald, de elastomeerafdichting van septum 14 voor onmiddellijke luchtdichtheid en vloeistofafdichting. Indien permanente hermetische afdichting is gewenst, kan men de kleine opening in de metalen omsluiting van het septum definitief afsluiten met een druppel soldeer.

20 Het zal duidelijk zijn dat variaties op het in Afb. 3 geschetste voorbeeld, zoals een in de techniek ervaren persoon zich zou kunnen indenken, gemaakt kunnen worden zonder van de opzet van de uitvinding af te wijken.

1 031206

Claims

1. Vlakke warmtebuis voor koeldoeleinden, met de kenmerken dat deze onder andere twee panelen (1,2) omvat, die beide aan één zijde (4, 5) met metaal bekleed zijn, waarbij ten minste een van de panelen aan de met metaal beklede zijde voorzien is van groeven (9) en de panelen 5 geassembleerd zijn met de met metaal beklede zijden tegenover elkaar zodat zij een gesloten holte (8) vormen, die gedeeltelijk gevuld is met een vloeistof (10), welke vloeistof door capillaire werking langs de groeven (9) circuleert in de richting van aan warmte blootgestelde gebieden, waar de vloeistof verdampt. 10

2. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de warmtebuis is ingebed in een printkaart, gevormd door de panelen (1, 2) voor het koelen van warmtedissiperende componenten.

3. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij damp door het drukgradiënt effect in de holte (8) terugcirculeert in de richting van gebieden die niet aan warmte blootgesteld zijn, waar damp condenseert.

4. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de metaalbekleding koper is. 20

5. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de panelen (1,2) vervaardigd zijn van een organisch materiaal.

6. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de panelen (1,2) vervaardigd 25 zijn van een composiet materiaal.

7. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de panelen (1,2) vervaardigd zijn van een keramisch materiaal.

8. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de groeven (9) zijn geëtst.

9. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de groeven (9) zijn geplateerd. 1 031 206

10. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij lateraal voor afdichting van de holte (8) wordt gezorgd door gebruik van een kristallijn materiaal als een hechtmiddel om de twee panelen tot een geheel samen te stellen.

11. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij een gemetalliseerde goot (11) lateraal voor afdichting van de holte (8) zorgt.

12. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij de vloeistof (10) water is.

13. Een apparaat volgens conclusie 1, waarbij een aan de bovenkant van een septum voorziene opening (14,15) in een van de panelen het inbrengen mogelijk maakt van de vloeistof (10) in de holte (8) met een injectiespuit (16).

14. Een printkaart voor het koelen van warmtedissiperende componenten, met de kenmerken dat deze onder andere twee panelen (1,2) omvat, die beide aan één zijde (4, 5) met metaal bekleed zijn, waarbij ten minste een van de panelen aan de met metaal beklede zijde voorzien is van groeven (9) en de panelen geassembleerd zijn met de met metaal beklede zijden 20 tegenover elkaar zodat zij een gesloten holte (8) vormen, die gedeeltelijk gevuld is met een vloeistof (10), welke vloeistof door capillaire werking langs de groeven (9) circuleert in de richting van gebieden, die blootgesteld zijn aan de warmte welke via de panelen wordt toegevoerd -bij voorkeur door thermische via’s (12), waar de vloeistof verdampt. 25

15. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de damp door het drukgradiënt effect in de holte (8) terugcirculeert in de richting van gebieden waar de warmte via de panelen wordt afgevoerd - bij voorkeur door thermische via's (17) en waar damp condenseert. 30

16. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de metaalbekleding koper is.

17. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de panelen (1, 2) vervaardigd zijn van een organisch materiaal. 1 031206 35

18. Hen apparaat volgens conclusie 14, waarbij de panelen (1,2) vervaardigd zijn van een composiet materiaal.

19. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de panelen (1,2) vervaardigd 5 zijn van een keramisch materiaal.

20. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de groeven (9) zijn geëtst.

21. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de groeven (9) zijn 10 geplateerd.

22. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij lateraal voor afdichting van de holte (8) wordt gezorgd door gebruik van een kristallijn materiaal als een hechtmiddel om de twee panelen tot een geheel samen te stellen. 15

23. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij een gemetalliseerde goot (11) lateraal voor afdichting van de holte (8) zorgt.

24. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij de vloeistof (10) water is. 20

25. Een apparaat volgens conclusie 14, waarbij een aan de bovenzijde van een septum voorziene opening (14,15) in een van de panelen het inbrengen mogelijk maakt van de vloeistof (10) in de holte (8) met een injectiespuit (16). 25

26. Printplaat, met het kenmerk dat deze onder andere een printkaart volgens conclusie 14 omvat, waarop een of meer warmtedissiperende componenten (13) zijn aangebracht. 1031206