CN101873789B - 冷却系统，冷却板和具有冷却系统的组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却系统，包括：冷却体(5)，其具有第一接触区(21)和第二接触区(22)，它们设计用于吸收第一部件(1)的第一热流和第二部件(2)的第二热流；第一传导装置(1a)，用于将第一热流通过第一接触区(21)传导到冷却体(5)中。根据本发明提出，第一传导装置(1a)设置在第一部件(1)和冷却体(5)之间并具有第一插接装置，该插接装置这样形成，即第一插接装置与设置在冷却体(5)中的第一穿引装置形成第一配合件，其中借助于第一配合件实现了公差补偿和第一热流传导到冷却体(5)中的传导路径。

Description

冷却系统,冷却板和具有冷却系统的组件

技术领域

本发明涉及一种冷却系统，包括冷却体，该冷却体具有第一接触区和第二接触区，这些接触区设计用于吸收第一部件的第一热流和第二部件的第二热流，该冷却系统还包括第一传导装置，用于将第一热流通过第一接触区传导到冷却体中。此外，本发明还涉及一种冷却板，包括第一接触区、第二接触区，这些接触区设计用于吸收第一部件的第一热流和第二部件的第二热流。

本发明也涉及一种电气组件，其具有印刷电路板，其中该组件具有冷却系统。

背景技术

由于电子器件的微型化，越来越多地实现了在印刷电路板、例如装配的印刷电路板上的电子器件/部件的更高的插装密度/功能密度。这导致了损耗功率的提高，这是因为仪器功能和因此所应用的电子部件的数量提高了。使用较高时钟脉冲的微处理器也导致损耗功率的提高。电子器件和印刷电路板的开发人员面临着对使用可能性进而经济性的优化，以防止出现以下问题：在使仪器外形尺寸最小化的同时，由于提高的插装密度和更快速的微处理器而使得每个组件的损耗功率提高。这导致了损耗功率密度的过度提高，该损耗功率密度在电子组件中定义为单位结构体积的损耗功率。相关于电子组件的散热因此需要在同时保证最佳的空间位置充分利用的情况下，开发出对于所要排出的热损耗功率的改进的设计方案。

为此，根据当前的技术状况使电子部件与冷却板、冷却体或者壳体部件热接触。通过自由的或强制的对流则可以进行从散热的电子部件至冷却体和从冷却体至周围空气的导热。

在许多电子组件或者仪器中，由于空间位置和成本的原因，必需使多个电子元件与一个共用的冷却系统热接触。

在EP 0 454 603 A2中公开了一种冷却系统，其中使多个芯片通过第一肋片式柔性嵌件而热接触。在该第一柔性嵌件上安设一种具有倾斜布置的弹簧臂的格栅结构，并在该格栅结构上安设第二柔性嵌件，该第二柔性嵌件与冷却系统的上壳罩热接触，其中上壳罩与冷却系统的下壳罩固定以螺钉连接。这种解决办法的不利之处在于：为该嵌件在一个印刷电路板上必须在导热部件和冷却板之间布置三个传导装置。

当多个电子部件在一个共同的冷却板上接触时存在以下问题：由于现有的电子部件的尺寸公差，冷却板不能同时最佳地热接触所有的电子部件。例如两个布置在一个印刷电路板上的电子部件具有不同的高度差，其必须被热搭接。这通常通过一种热介面材料(TIM)来实现。通过这种补偿高度差的材料虽然搭接了散热路径，但未最佳化设计。

发明内容

本发明的目的是减小在热的散热路径中由于部件的不同的公差位置而引起的热阻，并进而使整个散热最佳化。

该目的对于开头所述的冷却系统来说通过以下途径来实现：第一传导装置布置在第一部件和冷却体之间，并具有第一插接装置，其如此地形成，以致于第一插接装置与布置在冷却体里的第一穿引装置(Durchfuehrmittel)形成第一配合件，其中借助于第一配合件实现了公差补偿和第一热流传导到冷却体中的传导路径。插接装置可以插在冷却体中并因此构成热插接连接器，该连接器允许在配合件里具有轴向可活动性并因此可以实现公差补偿。电子部件的公差现在可以通过插接装置、如滑块那样推入在冷却体里的效果，单独分开地加以补偿，而热传导阻抗并没有重大变化。

例如冷却体的底面是平坦表面，并且在现有的电子部件的尺寸公差中可以强制地仅平坦地放置在电气部件上，冷却体也就为了接触两个电气部件而必须实施一种倾翻运动。但冷却体又失去了与第二个要散热的部件的所希望的平面平坦的接触。由于第一传导装置同样也是平面地与要冷却的第一部件连接，并且具有伸入到冷却体里的插接装置，因此在冷却体里近似地构造出可伸缩状的热传导路径，其可以实现公差补偿。

在一种有利的设计方案中，冷却系统设有传导装置，其具有底面和顶面，其中底面设计用于使第一部件的轮廓实现匹配，而顶面设有杆和隔板的布置。在优先为多个杆的情况下，例如以一种矩阵形式，优先为10×10个杆，那么通过这样设计的热插接连接器形成一种热并联，其中由热并联所产生的总阻抗显示为最佳的总阻抗。

这样实现的热的散热路径根据所要排出的损耗功率来说，如果总的热阻越小的话，那就越有效，该总的热阻由许多并联的单独热阻组成。

为了进一步减小总的热阻，有利地在第一传导装置和冷却体之间布置第一弹簧件。该弹簧件用于在传导装置的顶面和冷却体之间产生接触力。如果弹簧件优先设计成波浪状的板簧，那么因此进一步提高了接触力的产生。

为了使总的热阻保持尽可能地小，穿引装置设计成多个开孔、尤其是钻孔、或者是开槽的布置。

在此，借助于穿引装置和插接装置而设计的配合件设计为间隙配合件。穿引装置的布置可以优选地设计成开孔轮廓。这种开孔轮廓设计成与第一传导装置的插接装置的轮廓相同，但是在其外形尺寸和确定大小方面设计成间隙配合件。

也有利的是，配合件至少逐段地(abschnittsweise)设计成滑块(Schiebstueck)。

传导装置有利地至少部分地具有以下良好导热的材料：铝和/或铜和/或压铸锌(Zink-Druckguss)和/或石墨。

如果传导装置如此设计，即该传导装置具有基板，且插接装置基本上垂直于基板地设置在基板上，那么该基板有利地由石墨制成。石墨的特征在于高的导热系数，大约为400w/mk。如果石墨从结构上如此安设或布置，从而在一个与所要散热的部件平行的轴线上可以期待有这样高的导热系数，那么这种相对高的导热系数就变得特别明显。因此，这样设计的传导装置有利地引起一种在平面里的“热扩展(Waermespreizung)”，因此降低了热流密度，并进而减小了在电子部件上的所谓“热点”。

为了将冷却系统固定在印刷电路板上，该冷却系统在一种可替换的设计方案中具有紧固装置。紧固装置可以是具有螺钉、卡子、槽等的螺纹孔。

开头所述的目的同样也通过开头所述的冷却板根据如下途径来实现，即在冷却板中至少设有具有穿引装置的第一接触区，以便可以在相关于部件的接触区布置部件时，考虑到部件的共同的散热来实现公差补偿。这样的冷却板可以用来共同对多个电子部件进行散热。冷却板的优点在于，其相比于例如肋片式冷却体来说所要求的空间位置减少了。此外，在电子组件的情况中，冷却板可以被假设成结构上一体的组件，并因此被用于组件的附加的稳定性或者基本构造。

作为另外的优点(其也可以看作为冷却系统的优点)得出，可活动的冷却体单元在不同高度的电子部件和共同的冷却板之间建立起自动的公差补偿。在电子部件和冷却板之间的热接触的质量与相对于冷却体可以活动的传导装置的位置无关，其中作为传导装置优选地采用了一种所谓的热扩展器(heatspreader)。获得了价廉的装配，这是因为取决于电子部件的实际尺寸，不需要进行调节或者调整。此外，一种这样的冷却系统的制造可以或者是利用肋片冷却体或者是所谓的冷却板而成本低廉地来实现，并且没有费用高的设计成多重叠层的弹簧件来用于芯片的热接触，如同在EP 0 454 603A2中的情况那样。

一种具有印刷电路板的电气组件，其中在印刷电路板上布置了排出第一热流的第一部件和排出第二热流的第二部件，该组件通过如下途径实现了开头所述的目的：组件具有一种冷却系统或者可替换地具有一种冷却板，如同前述地那样。

在组件的一种设计方案中，印刷电路板具有用来固定冷却系统的紧固件。为了能够实现压紧并进而使接触热阻减小，在紧固件上的支承体和印刷电路板之间布置了压簧。

附图说明

附图示出了其它的特征和设计方案变体。附图所示为：

图1示出了具有两个微处理器的印刷电路板的一个实施例；

图2示出了具有冷却体的由图1已知的印刷电路板；

图3示出了冷却体的透视图；

图4示出了具有冷却板的第二个实施例；

图5示出了图4所示的冷却板的底视图；

图6至图8示出了不同的板簧与不同的传导装置的组合；

图9示出了插接连接器的一种简化的热计算模型。

具体实施方式

图1示出了印刷电路板6的透视图。在电路板6上除了第一部件1和第二部件2外还布置了多个另外的小部件，如线圈、电阻、电容。第一部件1设计成第一微处理器单元，第二部件2设计成第二微处理器单元。这样装配的印刷电路板6是一种印刷电路板组件。在该印刷电路板组件运行时，尤其是第一部件1和第二部件2产生损耗热量。这种损耗热量需要排出。为了排出第一部件1的损耗热量，在第一部件1上布置了第一传导装置1a。第一传导装置1a具有基板，该基板具有底面和顶面。在顶面上布置了一种杆状构造，其中杆状构造的各个杆基本上布置成垂直于基板的顶面。因此，从基板里伸出10×10个单个的杆。这100个单个的杆，正如图2所示那样，可以插入到冷却体5中。在此，这些单个的杆中的每个杆具有一个单独热阻。通过这100个杆的单独热阻的并联使总阻抗小于例如通过TIM可以达到的热阻。

图2示出的冷却系统包括冷却体5，其具有第一接触区21和第二接触区22(对此参看图3)，其中，第一接触区21和第二接触区22设计用于吸收第一部件1的第一热流和第二部件2的第二热流。

在根据图2的视图中，第一部件1和第二部件2被冷却体遮盖住。但是根据图3可以看出：第一接触区21通过第一传导装置1a与第一部件1处于热连接，而第二接触区22具有一种这样成型的空缺，使该空缺位于第二部件2的表面上并形成良好的热连接。第一传导装置1a布置在第一部件1和冷却体5之间，并具有第一插接装置，其具有100个单个的杆。该第一插接装置与布置在冷却体5里的第一穿引装置啮合并因此形成第一配合件，其中借助于该第一配合件实现公差补偿和第一热流传导到冷却体5中的传导路径。

冷却体5利用其第二接触区22这样布置在第二部件2上，即第二接触区22平面地放置在第二部件2的表面轮廓上。由于第一部件1和第二部件2的不同的高度而出现的公差可以通过插接装置的杆来补偿，该插接装置可以在冷却体5的开孔构造20的钻孔中移动。

冷却体5设计成肋片式冷却体，其具有第一冷却肋片51直至第八冷却肋片58。开孔构造20的钻孔这样布置在冷却体5中，以致于第一传导装置1a的第三列杆在第二冷却肋片52的壁板里完全消失。第一传导装置1a的第四和第五列杆则布置在第二冷却肋片52和第三冷却肋片53之间。传导装置1a的第六列杆则又完全插在第三冷却肋片53里。

为了在生产这样的印刷电路板时设置冷却体5，仅还必须使冷却体5精确地定位在第二部件2上，其中通过伸缩式地插入在冷却体5里的第一传导装置1a实现了第一部件1与冷却体5的公差补偿。

用图3的透视图表明了冷却体5的底视图，并在底面的表面上，除了设有用于第一接触区21的开孔构造20、用于第二接触区22的平面构造之外，还设有多个凹处和凹槽，它们优选地插入在冷却体5里，以便为布置在印刷电路板6上的不同的部件创造出空间。

圆形地围绕第一接触区21和围绕第二接触区22以顺时针布置了第一螺纹孔11a，第二螺纹孔12a，第三螺纹孔13a，第四螺纹孔14a，第五螺纹孔15a和第六螺纹孔16a。这些螺纹孔11a至16a用于接纳紧固件11至16。紧固件11至16(见图2)设计成具有螺纹的螺钉，它们穿过螺纹孔11a至16a安设。在此，第一紧固件11在其一端具有螺钉头形状的支承体，在该支承体上支撑有压簧17。该压簧17产生压紧力使印刷电路板6压向冷却体5。

图4和5示出了一种针对肋片式冷却体的可替换实施例。在此，冷却板40在冷却板40的不同的位置上具有用于第一传导装置1a、第二传导装置2a、第三传导装置3a和第四传导装置4a的穿引装置。在冷却板40和第一传导装置1a之间布置了第一板簧41。对于其它三个传导装置2a，3a，4a则在冷却板40和传导装置2a，3a，4a之间相应地布置了第二板簧42和第三板簧43。

产生压紧力的另外一种可能性在于，取代板簧41，42，43，而应用压簧，优选应用螺旋弹簧。这些弹簧可以在冷却体5里，在相应的压簧支座(图3)里安装并进行导向。

第三板簧43具有特殊性能。它设计成用于二个独立地插装的传导装置3a和4a的共用的板簧。对于传导装置的杆和对于对应的开孔构造20来说，它们又设计成一种间隙配合件。

图6至8示出了板簧41，42，43的设计方案。设计成波浪状的板簧41，42，43具有长形的槽，其中每个槽设计用来接纳各自的传导装置1a，2a，3a和4a的一列杆。

图9示出了通过冷却体5和通过第一传导装置1a实现的插接连接器的简化的热计算模型。在计算模型的左边在剖视图中示意性地示出了冷却体5的第三冷却肋片53。第一传导装置1a同样也部分地反映于剖视图中，并利用所示出的杆44插入在布置于第三冷却肋片53里的钻孔中。在传导装置1a与第三冷却肋片53之间，在杆44的右边和左边分别设有一个接触面46。杆44插在钻孔里并设计成包含有周围空气45的间隙配合件。

为了推导出热传导机构的一种简化的和原理性的计算公式，计算模型可以用传导装置阻抗R1、接触面阻抗R2、杆阻抗R3、另一个接触面阻抗R4、左边的肋片阻抗R5和右边的肋片阻抗R8和空气阻抗R6，R7，以冷却体总阻抗RK来表示。上述的阻抗名称在该实施例都只是指热阻。

由于n个肋片-槽连接为热并联，其中n＝8对应于八个冷却肋片，而槽则可以理解为钻孔或开槽，杆插在该钻孔/开槽中，对于原理性的说明来说研究一个肋片-槽连接(n＝1)就足够了。肋片的端侧的热传导由于较小的表面比例而被忽略。因此热传导通过肋片的侧面气隙和属于其的接触面来计算。作为总系统的插接连接器由各个阻抗之和来计算出。

气隙(1/2肋片/槽-连接)的热接触阻抗Rthk由下式计算得出：

$R_{\mathrm{thk}}=\frac{1}{\mathrm{\Σ}[\frac{1}{R_{\mathrm{th}2}}+\frac{1}{R_{\mathrm{th}3}+R_{\mathrm{th}6}}]}+R_{\mathrm{th}5}.$

对于具有-n-肋片-槽-连接的插接连接器来说根据下式计算： $R_{\mathrm{thkges}}=\frac{R_{\mathrm{thk}}}{2*n}.$

Claims (19)

1.一种冷却系统，包括： 

-冷却体(5)，所述冷却体具有 

-第一接触区(21)，和 

-第二接触区(22)，所述第一和第二接触区设计用于吸收第一部件(1)的第一热流和第二部件(2)的第二热流， 

-所述冷却系统还包括第一传导装置(1a)，用于将所述第一热流经过所述第一接触区(21)传导到所述冷却体(5)中， 

其特征在于，所述第一传导装置(1a)设置在所述第一部件(1)和所述冷却体(5)之间并具有第一插接装置，所述第一插接装置这样形成，即所述第一插接装置与设置在所述冷却体(5)中的第一穿引装置形成第一配合件，其中借助于所述第一配合件实现了公差补偿和所述第一热流传导到所述冷却体(5)中的传导路径，其中，所述第一传导装置(1a)具有底面和顶面，并且所述底面设计用于匹配于所述第一部件(1)的轮廓，其中，在所述第一传导装置(1a)和所述冷却体(5)之间设置有第一弹簧件(41)。 

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述第一传导装置(1a)的所述顶面上布置有所述第一插接装置，并且所述第一插接装置设计为杆和/或隔板。 

3.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述穿引装置设计成具有多个开孔或是开槽的布置(20)。 

4.根据权利要求3所述的冷却系统，其中，所述开孔是钻孔。 

5.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述配合件设计成间隙配合件。 

6.根据权利要求4所述的冷却系统，其中，所述配合件设计成间隙配合件。 

7.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述配合件逐段地设计成滑块配合件。 

8.根据权利要求6所述的冷却系统，其中，所述配合件逐段地设计成滑块配合件。 

9.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述第一传导装置(1a)至少部分地具有以下材料：铝和/或铜和/或压铸锌和/或石墨。 

10.根据权利要求8所述的冷却系统，其中，所述第一传导装置(1a)至少部分地具有以下材料：铝和/或铜和/或压铸锌和/或石墨。 

11.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述传导装置(1a)具有由石墨制成的基板，所述插接装置基本上垂直于所述基板地设置在所述基板上。 

12.根据权利要求10所述的冷却系统，其中，所述传导装置(1a)具有由石墨制成的基板，所述插接装置基本上垂直于所述基板地设置在所述基板上。 

13.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其中，所述弹簧件(41)设计成波浪状板簧。 

14.根据权利要求12所述的冷却系统，其中，所述弹簧件(41)设计成波浪状板簧。 

15.根据权利要求1或2所述的冷却系统，具有紧固装置以用于将所述冷却系统固定在印刷电路板(6)上。 

16.根据权利要求14所述的冷却系统，具有紧固装置以用于将所述冷却系统固定在印刷电路板(6)上。 

17.一种具有印刷电路板(6)的电气组件，其中，在所述印刷电路板(6)上设置有： 

-排出第一热流的第一部件(1)以及 

-排出第二热流的第二部件(2)， 

所述电气组件的特征在于包括一种根据权利要求1至16中任一项所述的冷却系统。 

18.根据权利要求17所述的电气组件，其中，所述印刷电路板(6)具有用于固定所述冷却系统的紧固件(11，......，16)。 

19.根据权利要求18所述的电气组件，其中，在所述紧固件(11，......，16)的支承体和所述印刷电路板(6)之间设置有压簧(17)。 

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