WO2005025285A1 - Schutzvorrichtung für elektronische komponenten - Google Patents

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    • H05K5/0213—Venting apertures; Constructional details thereof

Definitions

  • the invention relates to a protective device for electronic components, in particular memory modules.
  • Electronic components often have to be protected from short-term and long-term temperature influences, which can occur both during operation and during storage, as well as against the effects of strong mechanical loads. Maintaining the content of electronic memories after extreme stresses such as those that occur after a fire, explosion or collision of vehicles is of paramount importance for research into the causes of accidents in traffic.
  • Flight recorders commonly known from the aviation industry under the term "black box", perform these tasks.
  • flight recorders have a price level that is far too high in relation to the costs of land vehicles. The high prices essentially result from high-quality materials and complex manufacturing processes.
  • temperature protection should be guaranteed without external forced cooling. Protection requirements are specified by norms and standards. According to IEEE Standard 1482.1-1999 Section 4.5, sub-item "Fire", the following temperature resistance requirements apply: 650 ° C for 0.5 hours, 300 ° C for 1 hour and 100 ° C for 5 hours.
  • the effect of known insulation materials is based on their poor thermal conductivity. In order to achieve the above-mentioned temperature resistance with these materials, the thermal insulation must take up a multiple of the volume of electronics to be protected. To reduce the Insulation volume requires complex construction measures, in particular through the arrangement of additional heat reflection layers and through the application of the Dewar principle known from the thermos bottle. Another disadvantage of the known insulation materials with very poor thermal conductivity is that the heat dissipation required due to the power conversion of the electronics is made considerably more difficult.
  • DE 299 04 858 U1 discloses a device for recording measured values in the high temperature range, in which the electronic circuit is enclosed by ceramic which is capable of absorbing water. By using the energy required to evaporate the water to cool the circuit, a maximum working temperature of 125 ° C can be tolerated at times.
  • the invention is based on the object of specifying a protective device for electronic components which, on the basis of the above-mentioned IEEE 1482, guarantees adequate protection with regard to high temperatures and strong external mechanical influences and extensive protection against harmful liquids and which improves heat dissipation from the electronic components allowed outside.
  • the object is achieved with the characterizing features of claim 1.
  • silicone-encapsulated electronic components in a protective cover on a mineral basis, which has a material portion with a high heat storage capacity, namely water, very effective temperature protection is provided, while at the same time the heat dissipation from the electronic components compared to the known insulation materials is very effective bad war conductivity is facilitated.
  • the electronic components are preferably embedded in a 2-component silicone with a stainless steel casing. The silicone takes on the task of electrical insulation, protection against mechanical vibrations and the fixing of the electronics.
  • This system is usually embedded - even without a stainless steel sheathing - in a material that has a high thermal capacity due to phase transition and keeps harmful external heat away from the electronics through heat absorption.
  • These materials are often waxes, paraffins, esters or bicarbonates with the known disadvantages of difficult processability, high costs and considerable environmental pollution.
  • the embedding material is a mineral system with a high proportion of air, in which water is bound, an antifreeze, for example salt, ensuring that the body is not damaged even at sub-zero temperatures.
  • an antifreeze for example salt
  • water has the best heat capacity.
  • mineral-based insulators are characterized by lower costs, lower weight and improved environmental compatibility.
  • the protective cover according to claim 2 is preferably surrounded by a stainless steel housing, which has at least one thermostatic valve.
  • the thermostatic valve acts as a thermal breaking point.
  • the water first takes the heat supplied from outside heats up to the boiling point, passes into the vapor phase with further heat absorption and penetrates through the predetermined thermal break into the surrounding medium.
  • the temperature in the electronics does not rise above the boiling point of the water, ie not above approx. 100 ° C. Only after all of the water has been used up does the protective cover take on its original function of inhibiting the flow of heat.
  • the stainless steel housing with the protective cover and the silicone-encapsulated electronic component can, according to claim 3, be embedded in a further protective cover made of or with a ceramic casting compound.
  • this casting compound also takes on a task in thermal protection, which consists in being a poor heat conductor itself, releasing water that binds when heated, and slowly guiding the steam out of the thermal valve. The water released supports heat absorption.
  • a further stainless steel housing is provided as the outer termination, which serves for the mechanical protection of the inner components and the fixing of the overall system.
  • the stainless steel sheathing of the silicone-encapsulated electronic components and the two stainless steel housings for the mineral-based insulation medium and for the ceramic casting compound not only take on the function of the carrier of the protective covers. They are also designed in connection with the protective covers in such a way that solids penetrating from the outside are inhibited, occurring static pressures, extremely strong accelerations, harmful liquids and chemicals from outside, such as water oils, fuels, fire retardants, etc. based on the IEEE 1482.1 mentioned above be kept away from the electronic components.
  • a protective device of this type only occupies a fraction of the volume in the case of a standard temperature protection construction and, moreover, permits economical manufacture.
  • FIG. 1 shows a heat protection device after a test
  • FIG. 2 shows components of a heat protection device
  • FIG. 3 shows a cross section through a protective device with a protective cover
  • FIG. 4 shows a cross section through a protective device with two protective covers.
  • FIGS. 1 and 2 show the essential components of a heat protection device with a cup-shaped second protective cover 1 and a block-shaped first protective cover 2, into which an electronic component, for example an electronic memory module 5 (FIGS. 3 and 4) is cast, in FIG. 2 only the outside lead 3 of the electronic memory module is visible.
  • the block-shaped first protective cover 2 is inserted into the interior of the pot-shaped second protective cover 1.
  • the second protective cover 1 can be held, for example, by a stainless steel housing 4.
  • the block-shaped first protective cover 2 consists of material with high heat storage capacity, while the pot-shaped second protective cover 1 consists of material with poor thermal conductivity.
  • the block shape of the first protective cover 2 can be tailored to the shape of the pot of the second protective cover 1. However, variants with gaps are also conceivable which are partially or completely filled by vacuum, filling with further insulation material or by heat reflection layers.
  • FIG. 3 illustrates a cross section through a protective device with only one protective cover.
  • the electronic memory module 5 is embedded in a silicone potting compound 6, which is enclosed by a stainless steel casing 7 with a cover 8.
  • the connecting line 3 of the electronic memory module 5 projects through the silicone sealing compound 6, the cover 8, the first protective layer 2 and a cover 9 of a first stainless steel housing 10.
  • the first protective cover 2 consists of a mineral-based heat insulation medium, the mineral carrier material contains an amount of air and bound water that is prevented from icing up with an antifreeze.
  • the first stainless steel housing 10 is equipped with a thermal valve 11 which, in the case of very high thermal loads, enables water vapor to be discharged into the environment.
  • FIG. 4 shows this structure rotated by 90 ° and with an additional second protective cover 1.
  • the second protective cover 1 essentially consists of a ceramic casting compound, into the pores of which water vapor can possibly penetrate via the thermal valve 11.
  • the ceramic casting compound as the second protective cover 1 is enclosed on all sides by the second stainless steel housing 4 together with a cover 12.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable, which are also fundamentally different. Make use of the features of the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für elektronische Komponenten, insbesondere Speichermodule, bei der die elektronische(n) Komponente(n) silikonvergossen in eine erste Schutzhülle (2) auf mineralischer Basis mit frostgeschütztem Wasser eingebettet ist/sind, wobei eine zweite Schutzhülle (1), die eine keramische Gussmasse enthält, vorgesehen sein kann.

Description

Beschreibung
Schutzvorrichtung für elektronische Komponenten
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für elektronische Komponenten, insbesondere Speichermodule. Elektronische Komponenten müssen häufig vor kurzzeitigen und auch lang andauernden Temperatureinflüssen, die sowohl während des Betriebes als auch bei Lagerhaltung auftreten kön- nen, wie auch vor den Einwirkungen starker mechanischer Belastungen geschützt werden. Dabei ist vornehmlich für die Ursachenforschung bei Unfällen im Verkehr der Erhalt des Inhaltes von elektronischen Speichern nach Extrembelastungen wie sie nach einem Brand, einer Explosion oder einem Zusammenstoß von Fahrzeugen auftreten, von eminenter Bedeutung. Flugschreiber, aus der Luftfahrt unter dem Begriff „Black Box" allgemein bekannt, erfüllen diese Aufgaben. Flugschreiber haben aber im Verhältnis zu den Kosten von Landfahrzeugen ein viel zu hohes Preisniveau. Die hohen Preise resultieren im Wesentlichen aus hochwertigen Materialien und aufwendigen Fertigungsprozessen.
Der Temperaturschutz sollte nach Möglichkeit ohne äußere Zwangskühlung gewährleistet sein. Schutzanforderungen werden durch Normen und Standards vorgegeben. Gemäß IEEE Standard 1482.1-1999 Abschnitt 4.5, Unterpunkt "Fire" gelten beispielsweise folgende Temperaturbeständigkeitsanforderungen: 650°C für 0,5 Stunden, 300°C für 1 Stunde und 100°C für 5 Stunden. Die Wirkung bekannter Isolationsmaterialien beruht auf deren schlechter Wärmeleitfähigkeit. Um mit diesen Materialien die oben genannte Temperaturbeständigkeit zu erreichen, muss die Wärmeisolierung ein Vielfaches des zu schützenden Elektronikvolumens einnehmen. Zur Verringerung des Isolationsvolumens sind aufwendige Konstruktionsmaßnahmen, insbesondere durch die Anordnung zusätzlicher Wärmereflek- tionsschichten und durch Anwendung des von der Thermosflasche bekannten Dewar-Prinzips, erforderlich. Ein weiterer Nachteil der bekannten Isolationsmaterialien mit sehr schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht darin, dass die aufgrund des Leistungsumsatzes der Elektronik erforderliche Wärmeabführung erheblich erschwert wird.
Aus der DE 299 04 858 Ul ist eine Vorrichtung zur Messwerterfassung im Hochtemperaturbereich bekannt, bei der die e- lektronische Schaltung von wasseraufnahmefähiger Keramik umschlossen ist. Durch Ausnutzung der für die Verdampfung des Wassers notwendigen Energie für die Kühlung der Schaltung kann eine Arbeitstemperatur von maximal 125°C zeitweise toleriert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung für elektronische Komponenten anzugeben, die einen in Anlehnung an die oben genannte IEEE 1482 ausreichenden Schutz bezüglich hoher Temperaturen und starker äußerer mechanischer Einwirkung sowie weitgehenden Schutz vor schädlichen Flüssigkeiten garantiert und die eine verbesserte Wärmeabführung von den elektronischen Komponenten nach Außen gestattet.
Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Einbettung silikonvergossener e- lektronischer Komponenten in eine Schutzhülle auf mineralischer Basis, welche einen Materialanteil mit hohem Wärmespei- chervermögen, nämlich Wasser, aufweist, ist ein sehr wirkungsvoller Temperaturschutz gegeben, wobei gleichzeitig die Wärmeabführung von den elektronischen Komponenten gegenüber den bekannten Isolationsmaterialien mit sehr schlechter War- meleitfahigkeit erleichtert ist. Vorzugsweise sind die elektronischen Komponenten in ein 2-Komponenten-Silikon mit Edel- stahlummantelung eingebettet. Das Silikon übernimmt die Aufgabe der elektrischen Isolierung, des Schutzes vor mechani- sehen Schwingungen und der Fixierung der Elektronik.
Üblicherweise wird dieses System - auch ohne Edelstahlumman- telung - in einem Material eingebettet, das durch Phasenuber- gang eine hohe Wärmekapazität aufweist und schädliche äußere Warme von der Elektronik durch Warmeabsorption fernhalt. Diese Materialien sind oft Wachse, Parafine, Ester oder Bicarbo- nate mit den bekannten Nachteilen der schwierigen Verarbeit- barkeit, den hohen Kosten und erheblichen Umweltbelastungen.
Erfindungsgemaß ist das Einbettungsmaterial ein Mineralsystem mit hohem Luftanteil, in dem Wasser gebunden ist, wobei ein Frostschutzmittel, beispielsweise Salz, dafür sorgt, dass der Korpus auch bei Minustemperaturen nicht beschädigt wird. Wasser besitzt - wie allgemein bekannt - die beste Warmekapazi- tat. Gegenüber häufig verwendeten keramischen Isolationsmedien zeichnen sich Isolatoren auf mineralischer Basis durch geringere Kosten, niedrigeres Gewicht und verbesserte Umwelt- vertraglichkeit aus.
Unter Berücksichtigung zusatzlicher mechanischer Widerstandsfähigkeit, der notigen Wärmeableitung aus dem Inneren und eines definierten Temperatur-Zeit-Verhaltens, das aus den speziellen Einsatzbedingungen resultiert, ist die Schutzhülle gemäß Anspruch 2 vorzugsweise von einem Edelstahlgehause, welches mindestens ein Thermostatventil aufweist, umgeben. Das Thermostatventil wirkt dabei als thermische Sollbruchstelle. Im Extremfall, insbesondere bei starker, lang andauernder Hitzeeinwirkung von außen, nimmt das Wasser zunächst die von außen zugeführte Wärme auf, erhitzt sich bis zur Siedetemperatur, geht unter weiterer Wärmeabsorption in die Dampfphase über und dringt durch die thermische Sollbruchstelle in das Umgebungsmedium ein. Dabei steigt die Tempera- tur in der Elektronik nicht über die Siedetemperatur des Wassers, d. h. nicht über ca. 100°C. Erst nachdem der gesamte Wasservorrat „verbraucht" ist, nimmt die Schutzhülle ihre ursprüngliche Funktion der Hemmung des Wärmeflusses ein.
Das Edelstahlgehäuse mit der Schutzhülle und der silikonvergossenen Elektronikkomponente kann gemäß Anspruch 3 in eine weitere Schutzhülle aus oder mit keramischer Gussmasse eingebettet sein. Diese Gussmasse übernimmt neben einem mechanischen Schutz auch eine Aufgabe beim thermischen Schutz, darin bestehend, selbst ein schlechter Wärmeleiter zu sein, bei Erwärmung gebundenes Wasser freizusetzen und den Dampf aus dem Thermoventil langsam nach außen zu leiten. Das freigesetzte Wasser unterstützt hierbei die Wärmeabsorption.
Als äußerer Abschluss ist gemäß Anspruch 4 ein weiteres Edelstahlgehäuse vorgesehen, das dem mechanischen Schutz der inneren Komponenten und der Fixierung des Gesamtsystems dient. Die Edelstahlummantelung der silikonvergossenen Elektronikkomponente und die beiden Edelstahlgehäuse für das mineralba- sierte Isolationsmedium und für die keramische Gussmasse ü- bernehmen nicht nur die Funktion des Trägers der Schutzhüllen. Sie sind auch in Verbindung mit den Schutzhüllen so ausgelegt, dass von außen eindringende Festkörper gehemmt, auftretende statische Drücke, extrem starke Beschleunigungen, von außen einwirkende schädigende Flüssigkeiten und Chemikalien, wie Wasser Öle, Kraftstoffe, Feuerschutzmittel usw. in Anlehnung an oben genannte IEEE 1482.1 von den elektronischen Komponenten ferngehalten werden. Eine derartige Schutzvorrichtung beansprucht nur einen Bruchteil des Volumens bei Standardtemperaturschutzbauweise und erlaubt darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figurlich dargestellter Ausfuhrungsbeispiele naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Warmeschutzvorrichtung nach einem Test, Figur 2 Komponenten einer Warmeschutzvorrichtung,
Figur 3 einen Querschnitt durch eine Schutzvorrichtung mit einer Schutzhülle und Figur 4 einen Querschnitt durch eine Schutzvorrichtung mit zwei Schutzhüllen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die wesentlichen Bauteile einer Warmeschutzvorrichtung mit einer topfformigen zweiten Schutzhülle 1 und einer klotzformigen ersten Schutzhülle 2, in die eine elektronische Komponente, beispielsweise ein elektroni- sches Speichermodul 5 (Figuren 3 und 4) vergossen ist, wobei in Figur 2 nur die nach außen geführte Anschlussleitung 3 des elektronischen Speichermoduls sichtbar ist. Die klotzformige erste Schutzhülle 2 wird in das Innere der topfformigen zweiten Schutzhülle 1 eingesetzt. Dabei kann die zweite Schutz- hülle 1 beispielsweise durch ein Edelstahlgehause 4 gehalten sein. Die klotzformige erste Schutzhülle 2 besteht aus Material mit hohem Warmespeichervermogen, wahrend die topfformige zweite Schutzhülle 1 aus Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht. Bei diesem Materialmix ist gesichert, dass einerseits eine hohe Temperaturbeständigkeit der Warmeschutzvorrichtung gegeben ist und andererseits die Abfuhrung der Leistungsverlustwarme von dem Speichermodul 5 nicht unnötig erschwert ist. Die Klotzform der ersten Schutzhülle 2 kann passgenau an die Topfform der zweiten Schutzhülle 1 angepasst sein. Denkbar sind jedoch auch Varianten mit Zwischenräumen, die durch Vakuum, Befüllung mit weiterem Isolationsmaterial oder durch Wärmereflektionsschichten teilweise oder ganz ge- füllt sind.
Einen Querschnitt durch eine Schutzvorrichtung mit nur einer Schutzhülle veranschaulicht Figur 3. Das elektronische Speichermodul 5 ist in einer Silikonvergussmasse 6 eingebettet, welche von einer Edelstahlummantelung 7 mit Deckel 8 umschlossen ist. Die Anschlussleitung 3 des elektronischen Speichermoduls 5 durchragt die Silikonvergussmasse 6, den Deckel 8, die erste Schutzschicht 2 sowie eine Abdeckung 9 eines ersten Edelstahlgehäuses 10. Die erste Schutzhülle 2 be- steht dabei aus einem Wärme-Isolationsmedium auf mineralischer Basis, wobei das mineralische Trägermaterial einen Luftanteil und gebundenes Wasser, das mit einem Frostschutzmittel am Vereisen gehindert wird, enthält. Das erste Edelstahlgehäuse 10 ist mit einem Thermoventil 11 ausgestattet, welches im Falle sehr hoher Wärmebelastung die Ableitung von Wasserdampf in die Umgebung ermöglicht.
Diesen Aufbau um 90° gedreht und mit einer zusätzlichen zweiten Schutzhülle 1 zeigt Figur 4. Die zweite Schutzhülle 1 be- steht dabei im Wesentlichen aus einer keramischen Vergussmasse, in deren Poren über das Thermoventil 11 gegebenenfalls Wasserdampf eindringen kann. Die keramische Vergussmasse als zweite Schutzhülle 1 wird von dem zweiten Edelstahlgehäuse 4 samt einer Deckelung 12 allseitig umschlossen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gear- teter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen .

Claims

Patentansprüche
1. Schutzvorrichtung für elektronische Komponenten, insbesondere Speichermodule, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische (n) Komponente (n) silikonvergossen in einer ersten Schutzhülle (2) auf mineralischer Basis mit frostgeschütztem Wasser eingebettet ist/sind.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schutzhülle (2) von einem ersten Edelstahlgehäuse (10), das mindestens ein Thermostatventil (11) aufweist, umgeben ist.
3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Edelstahlgehäuse (10) mit der ersten Schutzhülle (2) in eine zweite Schutzhülle (1) mit keramischer Gussmasse eingebettet ist.
4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schutzhülle (1) von einem zweiten Edelstahl- gehäuse (4) umgeben ist.
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