Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Moderne Halbleiterbauteile, die insbesondere in Oberflächenmontage-Technik (SMT, Surface-Mounting-Technology) auf eine Leiterplatte aufgebracht werden, weisen hohe Integrationsdichten mit entsprechend hohen Verlustleistungen auf. Die Abfuhr der durch die Verlustleistungen entstehenden Wärme durch Wärmeleitung über die Leiterplatte oder durch Konvektion über die Luft genügt vielfach nicht mehr. Deshalb wird die Verlustleistung oft über einen flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper abgeleitet, der mit den elektrischen, insbesondere den Halbleiter-Bauteilen mechanisch (direkt oder indirekt) verbunden ist. In DE-OS 2 823 296 wird z.B. eine Kühleinrichtung gezeigt, bei der die Halbleiterbauteile über elastische band- oder drahtförmige Wärmeableiteinrichtungen mechanisch mit einer Kühlplatte verbunden sind, die ihrerseits mit einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper fest verbunden ist.
Obwohl diese Art der Wärmeabfuhr vom Halbleiterbauteil zum flüssigen Kühlmedium durch mechanisch miteinander gekoppelte Metallelemente durchaus befriedigend funktioniert, ist der Aufwand zur Herstellung und Montage dieser Kühlelemente doch beträchtlich. Weiterhin ist die Wartung derart gekühlter Leiterplatten sehr arbeitsintensiv.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung anzugeben, die eine gute Ableitung der durch die Verlustleistung elektrischer Bauteile entstehenden Wärme erlaubt und die nur einen geringen Herstellungs- und Montageaufwand erfordert. Die gekühlten Leiterplatten sollen ohne zusätzlichen Aufwand zum jeweiligen Entfernen und Wiedereinsetzen der Kühlelemente gewartet werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist folgende Vorteile auf: Sie kann einfach hergestellt und unabhängig von den bestückten Leiterplatten bzw. Baugruppen montiert werden. Diese können umgekehrt frei von Elementen der Kühlvorrichtung in einen Baugruppenträger eingebaut und folglich auch problemlos ausgetauscht oder gewartet werden. Die Lage der Baugruppen ist dabei frei wählbar. Die erfindungsgemässe Kühlvorrichtung kann im voraus in einem Baugruppenträger komplett installiert werden. Der Wärmetransfer von den Halbleiterbauteilen zum Kühlmedium erfolgt hauptsächlich durch Wärmeleitung durch Luft über kurze Distanzen und durch Strahlung über eine grosse Fläche und ist daher sehr effizient.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1a die in einen Baugruppenträger intergrierte Kühlvorrichtung
Fig. 1b einen Ausschnitt aus Fig. 1a
Fig. 2 einen in der Vorrichtung verwendbaren Kühlkörper
Fig. 1a zeigt einen Baugruppenträger BGT mit drei darin eingesetzten, beidseitig bestückten Leiterplatten bzw. Baugruppen BG, fünf Kühlkörpern KK, wovon der links aussen in Schnittdarstellung gezeigt ist, sowie einen freien Steckverbinder SL, der zur Aufnahme einer weiteren Baugruppe BG dient. Die Kühlkörper KK weisen im Innern einen Kanal FK zur Führung eines Kühlmediums - eines Gases oder einer Flüssigkeit - auf und sind aussen vorzugsweise matt-schwarz gefärbt. Die Montageplätze für die Kühlkörper KK können dabei ähnlich wie die Steckverbinder in genormten Abständen vorgesehen werden. Die Leiterplatten sind mit Bauteilen BE bestückt, die alle etwa die gleiche Bauhöhe aufweisen. Fig. 1b zeigt den Abstand a zwischen dem Kühlkörper KK und der Oberseite der Bauteile BE der Baugruppe BG, der vorzugsweise weniger als einen Millimeter beträgt.
Der Wärmeübergang von den Bauteilen BE zum Kühlkörper KK erfolgt in diesem Fall praktisch ausschliesslich durch Wärmeleitung und Strahlung über den Zwischenraum mit dem Abstand a. Der Wärmewiderstand RW der Stoffschicht zwischen dem Kühlkörper KK und der Leiterplatte BG, die beide die Seitenfläche A aufweisen, lässt sich für einen Stoff mit der Wärmeleitfähigkeit I wie folgt berechnen:
Rw = a / (I x A)
Die durch Wärmeleitung übertragene Wärmeleistung Pw beträgt für eine Temperaturdifferenz dT von der Baugruppe BG zum Kühlkörper KK: Pw = dT/Rw. Die übertragene Wärmeleistung Pw kann folglich erhöht werden, indem statt Luft andere Gase oder Stoffe mit höherer Wärmeleitfähigkeit I verwendet werden. So könnte z.B. ein dicht abgeschlossener Baugruppenträger BGT mit Heilum gefüllt werden, das gegenüber Luft eine höhere Wärmeleitfähigkeit I aufweist.
Die von einer Seite der Baugruppe BG abgestrahlte Leistung Ps beträgt:
Ps = 5,669 x 10<-><8> x E x A (T1<4>-T2<4>)
Dabei wird vereinfacht angenommen, dass die das Emissionsvermögen E aufweisende Baugruppe BG und der die eintreffende Strahlung vollständig absorbierende Kühlkörper KK die Oberflächentemperatur T1 bzw. T2 aufweisen. Da die durch Konvektion abgegebene Leistung für kleine Werte des Abstandes a vernachlässigbar ist, ergibt sich durch die Addition der Leistungen Pw und Ps die gesamte von einer Seite der Baugruppe BG abgegebene Leistung Pt = Pw + Ps. Zur Optimierung der abgegebenen Leistung Pt wird der Abstand a möglichst klein und die Fläche A möglichst gross gewählt.
Der Baugruppenträger BGT ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass auf beiden Seiten einer Baugruppe BG ein Kühlkörper KK nach Bedarf montiert werden kann oder bereits vorinstalliert ist. Die Kühlkörper KK sind vorzugsweise steckbar und werden nach Bedarf eingesteckt oder entfernt.
Da bei der vorgeschlagenen Kühlvorrichtung die Wärmeabgabe mittels Konvektion vernachlässigt werden bzw. zur Kühlung kaum merklich beiträgt, können die Baugruppen BG und Kühlkörper KK im Baugruppenträger BGT beliebig ausgerichtet werden. Ein Luftstau zwischen Baugruppen BG und Kühlkörpern KK infolge nicht vertikaler Positionierung derselben hätte keinen Einfluss auf die Kühlwirkung der erindungsgemässen Vorrichtung. Der in Fig. 1a gezeigte Baugruppenträger BGT könnte daher auch z.B. um 90 Grad gedreht montiert werden.
Fig. 2 zeigt die Schnittdarstellung eines Kühlkörpers KK, in welchem ein Kanal FK vorgesehen ist, der zur Führung einer Flüssigkeit oder eines gasförmigen Stoffes dient. Im letzteren Fall kann die Abkühlung des Kühlkörpers KK auch unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts erfolgen.
The present invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1.
Modern semiconductor components, which are applied to a printed circuit board in particular using surface mounting technology (SMT), have high integration densities with correspondingly high power losses. The dissipation of the heat generated by the power losses through heat conduction via the printed circuit board or through convection via the air is often no longer sufficient. For this reason, the power loss is often derived via a heat sink through which liquid flows, which is mechanically (directly or indirectly) connected to the electrical, in particular the semiconductor components. DE-OS 2 823 296 e.g. a cooling device is shown, in which the semiconductor components are mechanically connected to a cooling plate via elastic band-shaped or wire-shaped heat dissipation devices, which in turn is firmly connected to a cooling body through which liquid flows.
Although this type of heat dissipation from the semiconductor component to the liquid cooling medium works quite satisfactorily by means of mechanically coupled metal elements, the effort for the production and assembly of these cooling elements is nevertheless considerable. Furthermore, the maintenance of circuit boards cooled in this way is very labor-intensive.
The present invention is therefore based on the object of specifying a cooling device which allows good dissipation of the heat generated by the power loss of electrical components and which requires only a small amount of production and assembly. The cooled circuit boards should be able to be serviced without additional effort for the respective removal and reinsertion of the cooling elements.
This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in further claims.
The device according to the invention has the following advantages: It can be easily manufactured and installed independently of the printed circuit boards or assemblies. Conversely, these can be installed in a subrack free of elements of the cooling device and consequently can also be exchanged or serviced without any problems. The position of the modules can be freely selected. The cooling device according to the invention can be completely installed in advance in a subrack. The heat transfer from the semiconductor components to the cooling medium takes place mainly through heat conduction through air over short distances and through radiation over a large area and is therefore very efficient.
The invention is explained in more detail below with reference to drawings, for example. It shows:
1a the cooling device integrated in a subrack
1b shows a detail from Fig. 1a
2 shows a heat sink that can be used in the device
1a shows a subrack BGT with three printed circuit boards or subassemblies BG, five heat sinks KK, which are shown on the left outside in a sectional view, as well as a free plug connector SL, which is used to accommodate another subassembly BG. The heat sinks KK have a channel FK on the inside for guiding a cooling medium - a gas or a liquid - and are preferably colored matt black on the outside. The mounting locations for the KK heat sinks can be provided at standardized intervals, similar to the connectors. The printed circuit boards are equipped with components BE, which all have approximately the same overall height. 1b shows the distance a between the heat sink KK and the top of the components BE of the assembly BG, which is preferably less than one millimeter.
In this case, the heat transfer from the components BE to the heat sink KK takes place practically exclusively by means of heat conduction and radiation via the interspace with the distance a. The thermal resistance RW of the fabric layer between the heat sink KK and the printed circuit board BG, both of which have the side surface A, can be calculated as follows for a fabric with thermal conductivity I.
Rw = a / (I x A)
The thermal power Pw transmitted by thermal conduction for a temperature difference dT from the assembly BG to the heat sink KK is: Pw = dT / Rw. The transferred heat output Pw can consequently be increased by using other gases or substances with higher thermal conductivity I instead of air. For example, a tightly sealed subrack BGT can be filled with Heilum, which has a higher thermal conductivity I than air.
The power Ps radiated from one side of the assembly BG is:
Ps = 5,669 x 10 <-> <8> x E x A (T1 <4> -T2 <4>)
It is assumed in a simplified manner that the assembly BG having the emissivity E and the cooling body KK that completely absorbs the incoming radiation have the surface temperature T1 or T2. Since the power output by convection is negligible for small values of the distance a, the addition of the powers Pw and Ps results in the total power Pt = Pw + Ps output by one side of the assembly BG. The distance is used to optimize the power output Pt a as small as possible and area A as large as possible.
The subrack BGT is preferably constructed in such a way that a heat sink KK can be installed on both sides of a subassembly BG or is already preinstalled. The heat sinks KK are preferably pluggable and can be inserted or removed as required.
Since in the proposed cooling device the heat emission by means of convection is neglected or hardly contributes to cooling, the assemblies BG and heat sink KK in the BGT subrack can be aligned as desired. An air congestion between assemblies BG and heat sinks KK due to their non-vertical positioning would have no influence on the cooling effect of the device according to the invention. The subrack BGT shown in Fig. can be mounted rotated by 90 degrees.
Fig. 2 shows the sectional view of a heat sink KK, in which a channel FK is provided, which serves to guide a liquid or a gaseous substance. In the latter case, the cooling of the heat sink KK can also take place using the Joule-Thomson effect.