CN113811069A - 冷却装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷却装置及其制造方法。所述冷却装置用于冷却安装在电路板(17)上的多个电子部件(18)。所述装置(1)包括接触片(2)，所述接触片被成形为形状与所述多个电子部件(18)相符，并且包括冷却面(22)以及用于抵靠所述多个电子部件(18)配合的配合面(21)。外壳(3)被安装到所述冷却面(21)，并限定用于供冷却剂液体循环通过的冷却剂输送回路。可以设置联接件(14)以便将所述配合面(21)朝向所述多个电子部件(18)偏压。

Description

冷却装置及其制造方法

技术领域

本公开涉及一种用于冷却安装在电路板上的多个电子部件的冷却装置及其制造方法。本公开特别涉及用于冷却汽车应用所用的电子控制单元以及最特别地多域控制器(MDC)的冷板。

背景技术

一些电子部件在使用期间变热，这可能随后损害它们的功能或导致部件损坏。因此，通常将冷却装置装配到电子电路系统以将其操作温度维持在可接受的容限内。对于特别高要求的应用，由于液体冷却系统的高冷却效率而经常使用液体冷却系统。常规的液体冷却系统通常具有冷板，该冷板是通常具有扁平金属本体的装置，该扁平金属本体具有冷却通道或冷却管的内部回路，冷却剂流体可通过该冷却通道或冷却管循环。在使用中，冷板抵靠电子部件装配，且随着部件变热，热量通过本体和冷却管被传递到冷却剂中，热量从冷却剂被输送远离回路。

尽管印刷电路板(PCB)上的一些电子部件在使用中会变得非常热，但是其它部件不会。例如，芯片上系统(SoC)可以被认为是“热部件”，因为它通常在工作时产生大量废热。相反，诸如二极管或电容器之类的无源部件可以被认为是“冷部件”，因为它们通常将保持相对冷。同时，热的部件通常在几何形状上比周围的较冷的无源部件低(即，更扁平)。因此，当扁平的冷板被装配在PCB上时，冷板通常抵接较高的冷部件的顶部，但在冷板和较低的热部件的顶部之间留有间隙。由于这些空气间隙否则将对来自冷板旨在冷却的部件的热传递提供屏障或障碍，因此需要在这些间隙中装配所谓的“基座”。这些基座通常由与冷板的本体相同的金属形成，并且提供了热传导材料柱，以便建立从热部件到冷板的热路径。

上述常规布置的问题在于，不管基座材料的热导率如何，热路径的长度意味着基座仍然呈现显著的热阻。基座由此在热部件和冷却剂之间提供了次优的热连接。

上述问题因为确保基座和热部件之间的良好热接触的挑战而进一步加剧。特别地，部件和基座的相对面之间的空气间隙会显著地降低热传导。这些间隙可以是从由表面粗糙度引起的非常小的孔到由损害组件的尺寸稳定性的生产变化引起的较大间隙的任何间隙。例如，PCB可能不是完全扁平或平坦的，导致一些部件被安装得比其它部件更远离冷板。为了减轻这种情况，通常施加一层热界面材料(TIM)以填充这些间隙，从而改进部件之间的接合处的配合。然而，由于可能出现较大的间隙，通常施加相对厚的TIM层以确保有足够的材料来完全填充间隙。不幸的是，这损害了总的热导率，因为尽管TIM是比空气更好的热导体，但它并不像在热部件和冷却结构之间提供非常紧密的连接那样有效。

US 2014/0233175公开了一种试图解决上述问题中的一些问题的冷板。在这种布置中，冷板设置有孔，较高的无源电子部件可以穿过该孔突出，从而允许冷板位于更靠近电路板上的较热、较低高度的装置。然而，对于这种布置存在许多问题。首先，其制造相对复杂和昂贵。例如，对于每个特定的电路布局，必须在冷板金属中形成或机加工出高部件孔。此外，孔的位置被限制于冷板的不包含延伸穿过冷板本体的整体冷却剂通道或管的区域，这给设计强加了显著的限制。此外，由尺寸变化引起的较大基座间隙的问题未被消除。例如，导致PCB弯曲的变形仍可能导致一些部件被定位成更远离刚性冷板的平坦冷却面。因此，US2014/0233175教导的布置仍然需要TIM用作间隙填充物。

因此，仍然需要一种用于冷却安装到电路板的部件的改进的冷却装置。

发明内容

本公开涉及一种冷却装置和用于制造冷却装置的方法，该冷却装置用于冷却安装在电路板上的多个电子部件。冷却装置可以是与安装到印刷电路板的电子控制单元或多域控制器一起使用的冷板。

根据第一方面，提供了一种用于冷却安装在电路板上的多个电子部件的冷却装置，所述冷却装置包括：接触片，所述接触片被成形为形状与所述多个电子部件相符，并且包括冷却面以及用于抵靠所述多个电子部件配合的配合面；以及外壳，所述外壳安装到所述冷却面并且限定用于供冷却剂液体循环通过的冷却剂输送回路。

这样，接触片可以与安装到电路板的在工作期间变热的那些部件建立紧密的热接触。同时，外壳提供了冷却剂流体通路，该冷却剂流体通路非常靠近热部件定位，其中接触片的相对薄的、基本上平面的构造提供了部件和在其中循环的冷却剂流体之间的短的热路径。这样，可以用简单和轻的结构实现高的冷却效率。接触片足够厚以便于有效输送来自热部件的热量。在实施方式中，接触片为2mm至3mm厚。

在实施方式中，冷却装置还包括用于将配合面朝向多个电子部件偏压的联接件。这样，维持有效热接触所需的热界面材料的量被最小化。此外，在所有不同的操作条件下都可以维持接触片和热部件之间的配合，从而提供改进的冷却一致性。

在实施方式中，联接件将接触片连接到电路板。这样，接触片直接固定到电路板，以提供紧凑的组件。

在实施方式中，联接件包括多个连接点，所述多个连接点用于朝向电路板弹性地偏压接触片。这样，可以在接触片的覆盖区上的多个不同位置处将局部压缩压力施加到接触片。例如，接触点可以被分布成在整个接触片上提供更一致的压缩压力。相反，连接点可以围绕特定部件聚集，以便确保维持与接触片的配合。

在实施方式中，连接点包括：用于连接到电路板的固定装置；和弹簧，该弹簧联接到固定装置，以向接触片施加偏压力。这样，弹簧允许在多个连接点处施加和维持一致的压缩压力。

在实施方式中，接触片还包括用于接收固定装置的多个孔，其中，当被连接时，每个固定装置穿过相应的孔连接到电路板。这样，可以通过简单地机加工到接触片中的孔来容纳固定装置。

在实施方式中，接触片是三维地成形的，以便抵靠不同高度的电子部件配合。这样，相对较高或较短的热部件可以被同一接触片容纳并冷却。例如，接触片可以成形为具有用于与较短的热部件配合的突出区域和用于与较高的热部件配合的凹陷区域。

在实施方式中，接触片具有覆盖区，该覆盖区被成形为暴露安装到电路板的其它电子部件。这样，接触片可以位于较高的无源部件之下而与热部件邻近。此外，冷却效果也因此可以集中在热部件上。

在实施方式中，接触片包括第一片区段和第二片区段，并且其中，外壳包括：安装到第一片区段的第一外壳区段和安装到第二片区段的第二外壳区段；以及用于流体连接第一外壳区段和第二外壳区段的导管。这样，该装置可以被设置为两个或更多个区段，所述两个或更多个区段可以附接到电路板的不同部分或附接到相邻的电路板。这允许热部件的分离集群用同一装置来冷却，同时使接触片和将冷却剂分配到这些集群所需的外壳的体积最小化。

在实施方式中，接触片由金属片形成。这样，扁平的金属件可以被简单地弯曲或压制成所需的形状。同时，金属可以提供高水平的热传导，并且薄的结构使所需材料的量和重量最小化。

在实施方式中，外壳包括一个或多个基本上立方形的流体输送空腔，这些流体输送空腔作为冷却剂输送回路的一部分而互相连接。这允许简化制造，其中外壳可例如通过压制或弯曲金属片而形成，以限定构成冷却剂输送回路的空腔。在其它实施方式中，外壳包括一个或多个基本上椭圆形或圆形的流体输送空腔。

在实施方式中，一个或多个流体输送空腔可具有扁平构造。这样，冷却剂能够在冷却面的大面积上扩散，从而改进从冷却面吸取热量的效率。

在实施方式中，外壳由金属片形成。这样，扁平的金属件可以被简单地弯曲或压制成所需的形状。此外，然后可将外壳铜焊、钎焊、锡焊或胶合到接触片，以提供用于冷却剂输送回路的流体密封安装。

在实施方式中，冷却剂输送回路由外壳和接触片之间的空间限定。这样，冷却剂可以直接在接触片的冷却面上流动，从而使冷却剂和热部件之间的热路径的长度最小化。

根据第二方面，提供了一种制造用于冷却安装在电路板上的多个电子部件的冷却装置的方法，该方法包括以下步骤：将接触片成形为形状与所述多个电子部件相符，其中，所成形的金属片包括冷却面以及被成形为抵靠所述多个电子部件配合的配合面；以及将外壳安装到所述冷却面以限定用于供冷却剂液体循环通过的冷却剂输送回路。

这样，提供了一种简单的制造方法，以便形成高效且轻质的冷却装置。

附图说明

现在将参考附图描述说明性实施方式，其中：

图1示出了冷却装置的等距视图；

图2示出了说明性电路板的俯视图；

图3示出了装配到图2所示的电路板的图1所示的冷却装置的俯视图；以及

图4示出了装配到图2所示的电路板的图1所示的冷却装置的等距视图。

具体实施方式

图1示出了冷却装置1的实施方式，该冷却装置包括接触片2和安装到接触片2的外壳3。

接触片2由金属材料片(例如铝)形成，并且具有被成形为覆盖电路板上的热电子部件的覆盖区(footprint)5。接触片2的成形可以通过各种方法实现，例如通过冲压、深拉、液压成形、电子束切割和3D打印。

在该实施方式中，接触片2包括用于覆盖电路板的不同区域的第一区段8和第二区段10。接触片2的底面21提供了与热部件的顶面配合的配合表面。为了便于这种配合，接触片2的配合表面21具有部件结构6，其中接触片材料弯曲而形成对应于相关热部件的顶部的突起和凹陷。这样，当被装配时，接触片2可以被安置在多个热部件的顶部上，其中不同部件之间的竖直高度差由金属片的三维成形来适应。同时，接触片2的平面构造提供了相对薄的构造，允许一些挠曲以适应部件之间和横跨电路板的更小的高度差。

接触片2还包括多个固定孔13，该多个固定孔用于接收用于将接触片2连接到电路板的偏压固定装置14。图1示出了单个偏压固定装置14。每个偏压固定装置14都包括螺钉15和与螺钉15同轴布置的压缩弹簧16。

外壳3安装到接触片2的顶表面22，并形成用于冷却剂的导管。在该实施方式中，外壳3由三维成形的金属片形成，该外壳通过例如铜焊、锡焊或钎焊直接连接到接触片2的上表面。冷却剂流体通路由此由两个金属片之间的空间提供。例如，可以通过冲压、深拉、液压成形和电子束切割来使金属片成形。在该实施方式中，外壳3由多个基本上立方形的区段限定，以简化成形过程。

在该实施方式中，外壳3包括安装在第一接触片区段8上的第一腔室9和安装在第二接触片区段10上的第二腔室11。第一腔室9和第二腔室11通过架空管道4流体地连接。这样，外壳3限定了用于使冷却剂在供给第一腔室9的入口管7和用于使冷却剂返回泵送制冷系统的出口管12之间循环的流体回路。入口管7和出口管12可以由金属或聚合物材料制成，并且可以具有圆形或矩形横截面。

图2示出了说明性电路板17的俯视图，图1所示的冷却装置1可以附接到该电路板17。电路板17是包括多个部件的印刷电路板，其中一些部件可以被分类为热部件18，因为它们在工作期间产生热量而需要冷却，并且其中一些部件可以被分类为冷部件19，因为它们在工作期间不需要主动冷却。在图2中，热部件18被示出为比冷部件19阴影更暗。电路板17还设置有多个螺纹空腔20，所述多个螺纹空腔用于接收偏压固定装置14的螺钉15。

图3示出了装配在电路板17上的冷却装置1的俯视图。如图所示，接触片2的覆盖区5被构造成与至少热部件18对齐并覆盖该热部件。在某些热部件远离热部件的主要集群的情况下，覆盖区5可包括从接触片2的主体延伸的金属条，所述金属条用于覆盖这些远离的热部件。在一些实施方式中，这些金属条可以是三维成形的，以便在例如其它部件之类的障碍物上桥接，否则这些障碍物可能造成妨碍。在热部件18被接触片2覆盖的情况下，冷部件19可以保持暴露。这由此允许接触片2更靠近电路板17安置，抵靠更扁平的热部件18并且低于冷部件19的顶部。

如图4的等距视图所示，当冷却装置1被装配到电路板17时，接触片2的底面21与热部件18的顶面配合。偏压固定装置14穿过每个固定孔13安装，使得它们的螺钉15延伸穿过孔13并接合到设置在电路板17上的对应螺纹空腔20中。在图4中，单个偏压固定装置14已被连接。一旦连接，弹簧16就被支撑在顶部处的螺钉的头部和接触片2之间。这样，弹簧16抵靠接触片2施加压缩力，以便将接触片偏压成与该接触片所覆盖的热部件18接触。

重要的是，弹簧16提供了一致的压缩力，该一致的压缩力允许适应由于外部振动以及不同热部件18之间的不同热膨胀率而产生的机械应力。这样，在所有不同的操作条件下，都维持了接触片2和下面的热部件18之间的良好的热接触。例如，不管不同部件的操作负载和热膨胀系数如何变化，仍可以维持接触。此外，在汽车应用中，即使在驾驶期间出现振动，也可以维持接触。这可以由此补偿组件中的任何尺寸变化，否则该尺寸变化可能导致接触表面之间的更大空气间隙。结果，对热界面材料(TIM)的需要仅限于为补偿由于热部件18和接触片2的表面粗糙度而可能出现的任何残余间隙。因此，仅需要非常薄的TIM层。

在使用中，冷却剂(例如水/乙二醇混合物)通过入口管7被泵送，进入并填充第一腔室9。从这里，冷却剂流动穿过架空管道4，并且冷却剂在通过出口管12离开之前从该架空管道进入并填充第二腔室11。这样，冷却剂充满由外壳3占据的表面区域，从而从接触片2的顶表面22吸取热量。在汽车应用中，入口管7和出口管12可以由车辆的冷却系统供给。

利用上述布置，接触片2可以提供与热部件18的良好热接触，同时允许冷却剂比它们在传统冷板中更靠近那些热部件18定位。同时，与传统的冷板相比，接触片2包含较少的材料。这样，可以实现非常高的冷却效率。

应当理解，上述实施方式仅出于说明的目的示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同的构造，详细的实施方式对于本领域技术人员来说是直接实现的。

例如，虽然上述说明性实施方式将外壳描述为装配到接触片的片材料，但是其它实施方式可以涉及其它结构。例如，可以使用聚合物外壳和管道/流体输送空腔，这可以降低组件的成本和重量。聚合物外壳可以例如通过胶合固定到接触片。在其它实施方式中，还可以设想，外壳可以被设置为固定到接触片的管道。

Claims (15)

1.一种用于冷却安装在电路板上的多个电子部件的冷却装置，所述冷却装置包括：

接触片，所述接触片被成形为形状与所述多个电子部件相符，并且包括冷却面以及用于抵靠所述多个电子部件进行配合的配合面；以及

外壳，所述外壳被安装到所述冷却面并且限定用于供冷却剂液体循环通过的冷却剂输送回路。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，所述冷却装置还包括用于将所述配合面朝向所述多个电子部件偏压的联接件。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其中，所述联接件将所述接触片连接到所述电路板。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其中，所述联接件包括多个连接点，所述多个连接点用于朝向所述电路板弹性地偏压所述接触片。

5.根据权利要求4所述的冷却装置，其中，所述连接点包括：固定装置，所述固定装置用于连接到所述电路板；和弹簧，所述弹簧联接到所述固定装置，以向所述接触片施加偏压力。

6.根据权利要求5所述的冷却装置，其中，所述接触片还包括用于接收所述固定装置的多个孔，其中，当被连接时，每个固定装置穿过相应的孔连接到所述电路板。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述接触片是三维地成形的，以便抵靠不同高度的电子部件进行配合。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述接触片具有覆盖区，所述覆盖区被成形为使安装到所述电路板的其它电子部件暴露。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述接触片包括第一片区段和第二片区段，并且

其中，所述外壳包括：安装到所述第一片区段的第一外壳区段和安装到所述第二片区段的第二外壳区段；以及用于流体连接所述第一外壳区段和所述第二外壳区段的导管。

10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述接触片由金属片形成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述外壳包括基本上立方形的一个或多个流体输送空腔，所述流体输送空腔作为所述冷却剂输送回路的一部分而互相连接。

12.根据权利要求10所述的冷却装置，其中，所述一个或多个流体输送空腔具有扁平构造。

13.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述外壳由金属片形成。

14.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，其中，所述冷却剂输送回路由所述外壳与所述接触片之间的空间限定。

15.一种制造用于冷却安装在电路板上的多个电子部件的冷却装置的方法，所述方法包括以下步骤：

将接触片成形为形状与所述多个电子部件相符，其中，所成形的金属片包括冷却面以及被成形为抵靠所述多个电子部件进行配合的配合面；以及

将外壳安装到所述冷却面以限定用于供冷却剂液体循环通过的冷却剂输送回路。

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