CN1112840C - 雾化冷却电路板设备 - Google Patents

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Abstract

电路板设备(10)包括一个第一层(12、14)、一个第二层(12、14)和一块布置在第一层(12、14)与第二层(12、14)之间的内板(19)。一根流体分配导管(38)布置在内板(19)内。流体分配导管(38)带有一个第一端部(22)、一个限定一个腔的中间部分(24)、和一个第二端部(26)。一个第一电子元件(28)布置在腔(24)内。一个喷嘴(60)布置在流体分配导管(38)内。喷嘴(60)接收流体、雾化流体及把雾化的流体(70)排进腔(24)中。

Description

雾化冷却电路板设备
本发明一般涉及对电子模块的冷却，更具体地说，涉及一种电路板设备和一种用于雾化冷却电路板的方法。
诸如印刷电路板(PCB)之类的电子模块、多芯片模块(MCM)和电子混合组件一般包括多个分立的电子元件，如集成电路、无源元件和功率晶体管。分立的电子元件可能是在正常工作期间需要冷却的热源。
通常，电子元件通过自然或强制空气对流来冷却，因为空气的热容和传热系数较小，所以空气对流需要运动大体积的空气经过元件或经过安装到元件上的笨重散热器。空气冷却过程也受其他几个缺点之害。例如，空气冷却过程不能为一个电子模块内的每个发热电子元件提供均匀的冷却，可能导致不希望的大产品包装，并且可能引入不希望的噪声或污染物，如元件上的灰尘。
蒸发雾化冷却的特征在于，把雾化的液滴直接或间接喷淋到诸如电子元件之类的热源表面上。当液滴碰撞到元件表面上时，一层液体薄膜覆盖到元件上，并且热量主要通过流体从元件表面的蒸发除去。
尽管在许多电子学用途中蒸发雾化冷却是热量除去的最佳方法，但已知的雾化冷却系统一般用来雾化冷却诸如印刷电路板之类的电子模块的整个表面。因而，雾化冷却系统可能增大电路板的包装尺寸。此外，在雾化冷却系统工作之前可能需要大范围的密封。
因此，需要一种利于电子元件的雾化冷却的紧凑、自密封电路板设备，和一种用来雾化冷却该电路板设备内的电子元件的方法。
根据本发明的一个方面，针对上述需要本发明提供了一种电路板设备，包括：一个第一层，具有第一侧和第二侧，第一层包括一钟适于电路板的材料；一个第二层，具有第一侧和第二侧，第一层包括一种适于电路板的材料；一块内板，布置在第一层和第二层的第一侧之间，内板带有布置在其中的一根流体分配导管，流体分配导管带有一个第一端部、一个限定一个腔的中间部分、和一个第二端部；以及一个喷嘴，布置在流体分配导管中，该喷嘴接收流体、雾化流体以及把雾化的流体排进该腔中。
根据本发明的另一个方面，一种电路板设备包括：一个第一层，具有一个第一侧和一个第二侧；一个第二层，具有一个第一侧和一个第二侧；及一块内板，布置在第一层与第二层之间。内板带有一根布置在其中的流体分配导管，流体分配导管带有一个第一端部、一个限定一个腔的中间部分、和一个第二端部。一个第一电子元件布置在该腔内。一个确定尺寸以接收一个喷嘴的喷嘴壳体布置在流体分配导管中。
根据本发明的又一个方面，一种用来雾化冷却电路板的方法包括：提供一个第一层和一个第二层；把一块内板布置在第一与第二层之间，内板带有一根布置在其中的流体分配导管，流体分配导管带有一个限定一个腔的中间部分，一个电子元件布置在该腔中；及通过布置在流体分配导管内的一个喷嘴接收流体，该喷嘴雾化流体且把雾化的流体排到该腔中。
对于熟悉本专业的技术人员，由通过举例已经表示和描述的本发明最佳实施例的如下描述，将更容易明白本发明的优点。如将要理解的那样，本发明能够具有其他的和不同的实施例，并且其细节在各个方面能够改进。因而，附图和描述在本质上认为是说明性，而不认为是限制性的。
图1是根据本发明一个最佳实施例的一种电路板设备的侧视图。
图2是沿绘制在图1中的电路板设备的线2-2的俯视图。
图3是在绘制在图1中的电路板设备中使用的喷嘴的剖视图。
图4表明对于图1所示电路板设备的闭环流体流动。
现在翻到附图，其中相同的标号指示相同的元件，图1是根据本发明一个最佳实施例的一个电路板设备10的侧视图。设备10包括一个第一层12、一个第二层14和一块内板19。层12、14最好是高温环氧树脂层压件，但可以是任何适当的电路板型材料，如熟知的和广泛使用的材料。内板19最好包括铝芯板，但也可以是任何适当的材料，如另外的金属或塑料。第一层12具有一个第一侧11和一个第二侧13，最好由铜或另一种金属制成。同样，第二层14具有一个第一侧15和一个第二侧16，也最好由铜制成。
内板19可以经一种可从各种众所周知的来源得到的粘结材料35，例如诸如聚酯胶片粘合剂或导热粘合剂之类的环氧树脂粘结材料，分别连接到第一侧11、15上。
当除去第一层12时，如图2中所示，能看到内板19在其中带有多个孔18。孔18收集粘结材料35，有助于把内板19分别粘合到第一侧11、15上。
如图2中进一步表示的那样，内板19包括至少一根流体分配导管20。如所示的那样，流体分配导管20带有多个互联的分支。使用用来处理电路板的熟知技术可以把导管20整体地形成在内板19内。可选择的是，内板19可以由两部分形成，它们配对时形成流体分配导管20。导管20可以以任意希望的形状形成，并且每个分支可以具有是锥形的、圆柱形的、矩形的或其他适当形状的横截面形状。如图1中表明的那样，可以认为流体分配导管38具有一个第一端部22、一个第二端部26和一个中间部分24，中间部分24限定一个腔。
同时参照图1和2，例如可以是可从Motorola得到的、序号为MRF899/D的NPN硅射频(RF)功率晶体管的电子元件28安装在腔24内，并且可以包括诸端子30和一块或多块模板32。电子元件28可以置于腔24内，并且使用常规技术，例如通过引线接合，连接到第一层12的第一侧11上，且也连接到第二层14的第一侧15上。可以理解，对于电子元件28的说明不仅适用于功率晶体管，而且也适用于其他电子元件，包括但不限于无源元件和集成电路。
经穿过第一层12和第二层14延伸的诸孔17，让电子元件28电气连接到第一层12的两侧11、13上和第二层14的两侧15、16上。此外，第一层12的第二侧13或第二层14的第二侧16可以连接到一个主系统板上(未表示)。对主系统板的连接可以以各种熟知的方式完成，例如使用焊接凸耳(solder bumps)。
一个最好是内板19一部分的、但可以由另一种材料一起形成的流体进口43从设备10伸出，并且一个诸如塑料或金属管之类的装置可以使用一个诸如刺配合的管接头51连接到流体进口43上。一个类似结构的流体出口45可以在第二端部26处从层12、14伸出，并且也可以装有由管接头51保持到位的塑料或金属管。
至少一个喷嘴60，如图1中所示，置于流体分配导管38的至少一个分支内。图3是喷嘴60的剖视图。喷嘴60带有一个垂直于流体分配导管38的、且包括一个旋流板或插入件的接收端部62。旋流板可以通过例如压配、焊接或粘结固定到接收端部62上。一个喷射端部64包括一个最好直径在0.15mm量级上的小孔68。可以理解，喷嘴60、以及旋流板68可以整体地形成在流体分配导管38内。
喷嘴60最好在一个小型喷雾器中，如约1.5mm高、且可以由任何适当材料制成的单压力旋流式雾化器。适当材料的例子是诸如黄铜或不锈钢之类的金属。单压力旋流式雾化器在授予Tilton等的美国专利No.5,220,804中进行了详细描述，并且可从位于Colton，Washington的IsothermalSystems Research公司买到，该专利包括在这里以供参考。
图4表明喷雾冷却技术的使用，包括一个与电路板设备10连接在一起的闭环液体供给系统。一个经管52连接到流体进口43上的流体泵50把冷却剂流体供给到置于流体分配导管38内的喷嘴60。喷嘴60雾化冷却剂，并把雾化的流体70经小孔68排放到腔24中、及一个或多个模板32和端子30上。当雾化的流体70碰撞到模板32的表面上时，一层薄液膜覆盖在模板32上，并且主要通过从模板32上蒸发流体70来除去热量。多余的流体收集在流体分配导管38的第二端部26处，并且经流体出口45除去。
冷却剂流体可以是任何介电冷却剂，如熟知的和广泛使用的冷却剂。适当冷却剂的一个例子是3M的FluorinertTM介电流体，可从3M得到，订货号为FC-72。另一种类似于3M的FluorinertTM介电流体的全氟化碳流体可从Ausimont Galden得到。
一个通过管54连接到泵50上、和通过管56连接到流体出口48上的冷凝器53接收来自流体出口45的流体。冷凝器53排出来自流体的热量，使流体基本上返回液相。风扇58可以用来增大冷凝器53的冷却容量。冷却的流体从冷凝器53供给到泵50。因而，形成冷却剂的闭环流动。可以理解，在任意给定点处，冷却剂可以是蒸汽、液体或蒸汽与液体混合物。
可以设想，用来提供冷却剂流动的任何常规装置都可以与本发明描述的实施例一起使用，并且例如为了冗余的目的，不止一个电路板设备10可以连接到单个冷却剂源上，或者一个或多个冷却剂源可以连接到单个电路板设备10上。
应该根据热量除去和流率要求选择流体泵50、冷凝器53和风扇58的规格。例如，对于500至1000瓦特的热量耗散，典型闭环流体流动是每分钟500至1000毫升。各种规格的泵和冷凝器组件可从Isothermal SystemsResearch公司得到，并且可接收的管和接头可以从在Vernon Hills，Illinois的Cole-Parmer得到。
使用公开的设备，能有效地冷却具有大到每平方厘米300瓦特功率密度的一个电子元件或一组电子元件。直接从各电子元件、或从电子元件组除去热量，有助于降低元件的工作温度，通过减小温度变化和有关的热应力而提高可靠性。
设备10可以极为紧凑，因为空间不受空气体积要求的支配。因而，可以减小用于整个电子模块的包装尺寸。此外，与热量散布到大面积上，例如一个大散热器上，时最有效的空气冷却不同，喷雾冷却支持热量集中，这是另一个有助于减小包装体积和重量的因素。
设备10允许单个印刷电路板利用一层或多层作为用于冷却流体的分散歧管，并且允许在最小体积空间中喷雾冷却临界温度负载。可以理解，可以把多个电路板叠置或互连，例如使用导热粘合剂，以产生三维的电路板块。
对于可能是电子模块中的高热量负载隔离点、要不然就是电子模块的低热量负载区域的专用电子元件，选择性地利用设备10可以有助于减小专用于安装喷雾冷却系统的密集电子模块表面面积。因而，因为喷雾冷却系统，不应该增大电子模块尺寸。
这里描述的设备和方法导致密封的电子元件，例如，从而可以设计这样一种电子模块：有一侧用于检测装置和给不需要喷雾冷却的电子装置，而另一侧给高热量消耗、包围在电路板设备10内的喷雾冷却的电子元件。然后，可以同时检测和喷雾冷却该电子模块。
应该理解，本发明不限于冷却一种具体的电子元件，而是可以适合于冷却任何热源，例如散热器或法兰。同样，本发明不限于印刷电路板。其他电子模块，如多芯片模块(MCM)和电子混合组件，可以代替印刷电路板。
可以进一步理解，在可能需要密封和/或固定的任何场合，可以使用多种方法和材料。例如，可以利用螺钉之类的紧固件、软衬垫、超声波焊接、铜焊、锡焊或挤压。
显而易见，可以设想本发明的其他和进一步的方式，而不脱离附属权利要求书和其等效说明的精神和范围，并且应该理解，本发明在任何形式上都不限于上述具体实施例，而是仅受如下的权利要求书和其等效说明的控制。

Claims (5)

1.一种电路板设备，包括：
一个第一层，具有第一侧和第二侧，第一层包括一种适于电路板的材料；
一个第二层，具有第一侧和第二侧，第一层包括一种适于电路板的材料；
一块内板，布置在第一层和第二层的第一侧之间，内板带有布置在其中的一根流体分配导管，流体分配导管带有一个第一端部、一个限定一个腔的中间部分、和一个第二端部；以及
一个喷嘴，布置在流体分配导管中，该喷嘴接收流体、雾化流体以及把雾化的流体排进该腔中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中喷嘴由铜组成。
3.根据权利要求1所述的设备，其中第一层和第二层由高温环氧树脂层压件组成。
4.根据权利要求1所述的设备，其中一种导热粘合剂把第一层的第一侧连接到内板上。
5.根据权利要求1所述的设备，其中第一层的第一侧和第二层的第一侧由铜组成。
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