DD246441A1

DD246441A1 - COOLING DEVICE FOR ELECTRONIC COMPONENTS

Info

Publication number: DD246441A1
Application number: DD28630986A
Authority: DD
Inventors: Andreas Birk; Astrid Birk
Original assignee: Oppach Schaltelektronik
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1986-01-20
Publication date: 1987-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kuehleinrichtung fuer elektronische Bauelemente, die im geschlossenen Kreislauf mit vorzugsweise fluessigem Kuehlmedium betrieben werden kann. Ziel ist eine kompakte Bauweise, eine hohe Betriebssicherheit und die Abfuehrung hoher Waermestromdichten. Erfindungsgemaess ist eine elastische Deckfolie, die eine Kuehlkassette an der den Bauelementen und der Leiterplatte zugewandten Seite begrenzt, unter Innendruck an die Flachbaugruppe geklebt, so dass die Deckfolie die Flachbaugruppe von einem Hohlraum abgrenzt, indem das Kuehlmedium zirkulieren kann. Fig. 2The invention relates to a cooling device for electronic components, which can be operated in a closed circuit with preferably liquid cooling medium. The aim is a compact design, high reliability and the removal of high heat flux densities. According to the invention, an elastic cover film, which delimits a cooling cassette on the side facing the components and the printed circuit board, is glued to the printed circuit board under internal pressure so that the cover film delimits the printed circuit board from a cavity in which the cooling medium can circulate. Fig. 2

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente. Sie ermöglicht die gezielte Abführung der Wärme von Bauelementen der Mikroelektronik, die vorwiegend auf Leiterplatten angeordnet sind. Die Kühleinrichtung arbeitet im geschlossenen Kreislauf mit flüssigem oder gasförmigem Kühlmedium. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung kann besonders vorteilhaft dort erfolgen, wo durch hohe Packungsdichte der Bauelemente eine hohe Wärmestromdichte bei der Kühlung erreicht werden muß.The invention relates to a device for cooling electronic components. It allows the targeted dissipation of heat from microelectronic components, which are mainly arranged on printed circuit boards. The cooling device operates in a closed circuit with liquid or gaseous cooling medium. The application of the cooling device according to the invention can be particularly advantageous where high packing density of the components a high heat flux density must be achieved in the cooling.

Characteristic of the known technical solutions

Baugruppen der Mikroelektronik weisen durch steigende Integration und Packungsdichte immer höhere Wärmestromdichten auf. Bisher ist es üblich, das Kühlmittel zwischen den Flachbaugruppen wie in einem Kanal zu führen. Mit diesem Kühlkonzept ist es jedoch nicht immer möglich, die notwendigen Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, ohne ein steigendes Bauvolumen der Geräte, z. B. infolge von Berippung der Bauelemente, in Kauf zu nehmen.Microelectronic assemblies have ever higher heat flux densities due to increasing integration and packing density. So far, it is customary to guide the coolant between the printed circuit boards as in a channel. However, with this cooling concept, it is not always possible to achieve the necessary heat transfer coefficients, without an increasing volume of equipment, such. B. as a result of ribbing of the components to accept.

Eine Verbesserung der Kühlwirkung tritt ein, wenn die Bauelemente gezielt senkrecht angeströmt werden (EP-PA 0091733).An improvement of the cooling effect occurs when the components are targeted perpendicular flows (EP-PA 0091733).

Diese Lösung eignet sich aber kaum zur Realisierung eines geschlossenen Kühlkreislaufes. Das Kühlmedium hat Kontakt mit den Bauelementen und Flachbaugruppen. Außerdem sind Strömungsgeräusche zu erwarten.This solution is hardly suitable for the realization of a closed cooling circuit. The cooling medium has contact with the components and printed circuit boards. In addition, flow noise can be expected.

Von diskreten Bauelementen der Leistungselektronik ist es bekannt, daß Anschlüsse für ein flüssiges Kühlmedium vorgesehen sind. Die Kühlmittelzuführung erfolgt zu jedem diskreten Bauelement einzeln.Of discrete components of the power electronics, it is known that connections are provided for a liquid cooling medium. The coolant supply takes place individually for each discrete component.

Für hochintegrierte Bauelemente der Mikroelektronik ist eine solche Lösung nicht bekannt. Der Aufwand wäre auch sehr hoch, da jedes Bauelement einzeln an eine Kühlmittelleitung angeschlossen werden müßte.For highly integrated components of microelectronics, such a solution is not known. The effort would be very high, since each component would have to be connected individually to a coolant line.

In der DE-OS 2638702 und der DE-OS 2903685 werden ein Lösungsprinzip zur Kühlung von Flachbaugruppen vorgestellt, daß die Verwendung eines flüssigen Kühlmittels im geschlossenen Kreislauf erlaubt. Das Prinzip besteht darin, daß dünnwandige Kunststoffbehälter mit dem Kühlmittel gefüllt sind und sich unter Innendruck an die zu kühlenden Bauelemente anlegen.In DE-OS 2638702 and DE-OS 2903685 a solution principle for cooling printed circuit boards are presented that allows the use of a liquid coolant in a closed circuit. The principle is that thin-walled plastic containers are filled with the coolant and invest under internal pressure to the components to be cooled.

In der DE-OS 2638702 werden dünnwandige, schmale, annähernd quaderförmige Kunststoffbeutel, die zwischen den Flachbaugruppen angeordnet sind, beschrieben.In DE-OS 2638702 thin-walled, narrow, approximately cuboid plastic bags, which are arranged between the printed circuit boards, are described.

Die technische Lösung nach der DE-OS 2903685 verbessert die Servicefreundlichkeit und ermöglicht die Kühlung der Flachbaugruppen auch im ausgebauten Zustand. Das wird erreicht, indem jede Flachbaugruppe mit einem Behälter aus Kunststoffolie, der von einer mittels Schraubverbindung befestigten Abdeckplatte gehalten wird, konstruktiv vereinigt ist.The technical solution according to DE-OS 2903685 improves service friendliness and allows the cooling of the printed circuit boards even in the disassembled state. This is achieved by structurally combining each printed circuit board assembly with a container made of plastic film, which is held by a cover plate fastened by means of screw connection.

Der grundlegende Nachteil dieses Lösungsprinzips besteht darin, daß die für einen hohen Wärmeübergang notwendige innige Kontaktfläche zwischen Bauelement und Foliebeutel erst entsteht, wenn die Kühlflüssigkeit unter einem bestimmten Mindestinnendruck steht. Dieser Mindestinnendruck macht eine hohe Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe erforderlich und stellt sehr hohe Anforderungen an die strömungstechnische Auslegung des Kühlsystems. Die Betriebssicherheit ist eingeschränkt, da bei Abfall des Innendruckes sich der Foliebeutel entspannt und damit der Wärmeübergang vom Bauelement zum Kühlmedium nicht mehr gegeben ist. Da keine feste Bindung zwischen Foliebeutel und zu kühlender Flachbaugruppe besteht, können sich die Foliebeutel — besonders, wenn sie nur geringen Innendruck besitzen — auf der Flachbaugruppe verschieben, sobald stoß- oder schwingende Belastung auftritt. Dadurch können Beschädigungen, ein Leckwerden und damit ein Ausfall des Systems eintreten. Die Anwendung kann nur in Anlagen erfolgen, bei denen nicht mit Stoß- oder Schwingungsbelastung zu rechnen ist.The fundamental disadvantage of this solution principle is that the necessary for a high heat transfer intimate contact surface between the component and film bag only arises when the cooling liquid is below a certain minimum internal pressure. This minimum internal pressure requires a high drive power of the coolant pump and places very high demands on the fluidic design of the cooling system. The reliability is limited, since at waste of the internal pressure, the film bag relaxes and thus the heat transfer from the component to the cooling medium is no longer given. Since there is no strong bond between the film bag and printed circuit board to be cooled, the film bags can - especially if they have low internal pressure - move on the PCB, as soon as shock or vibration load occurs. This can cause damage, leakage and failure of the system. The application can only be made in systems where shock or vibration loading is not expected.

Um ein unzulässiges Durchbiegen der Flachbaugruppe durch den Innendruck zu verhindern, ist eine sorgfältige konstruktive Auslegung der Verschraubstellen notwendig. Weiterhin stellen die Foliebeutel fertigungstechnisch hohe Anforderungen, besonders beim Einbinden der Kühlmittelmündungen.In order to prevent inadmissible deflection of the printed circuit board by the internal pressure, a careful structural design of the screw is necessary. Furthermore, the film bags manufacture high demands, especially when incorporating the coolant outlets.

Object of the invention

Die Erfindung soll eine ökonomisch und technologisch besonders günstige Lösung zur Realisierung eines geschlossenen Kühlreislaufes bei großer Freiheit in der Wahl des Kühlmediums ermöglichen. Mit geringem Aufwand, unter Verwendung leicht herstellbarer, unifizierter Einzelteile, soll erreicht werden, daß verschiedene Konfigurationen der elektronischen BauelementeThe invention is to provide an economically and technologically particularly favorable solution for the realization of a closed cooling circuit with great freedom in the choice of the cooling medium. With little effort, using easily manufacturable, unified items, is to be achieved that various configurations of the electronic components

auf Leiterplatten effektiv gekühlt werden können. Dabei soll der Raumbedarf für die Kühlung gering bleiben, so daß die Gesamtgröße des Gerätes bei Realisierung dieses Kühlkonzeptes verringert werden kann. Zudem soll eine hohe Betriebssicherheit, auch bei Belastung durch Schwingung oder Stoß, erreicht werden. Bei entsprechender Auslegung des Kühlsystems soll ferner eine freie Konvektion möglich sein. Ein wartungsfreundlicher Aufbau wird angestrebt, der einen schnellen Austausch defekter Flachbaugruppen erlaubt.can be effectively cooled on printed circuit boards. The space required for the cooling should remain low, so that the overall size of the device can be reduced in realization of this cooling concept. In addition, a high level of operational reliability, even under load due to vibration or shock, should be achieved. With appropriate design of the cooling system also free convection should be possible. A maintenance-friendly design is sought, which allows a quick replacement of defective printed circuit boards.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln einen innigen und mechanisch zuverlässigen Kontakt zwischen elektronischen Bauelementen und einer Folie, die das Kühlmedium trennt von den zu kühlenden Bauelementen, abzusichern.The invention is based on the object by simple means an intimate and mechanically reliable contact between electronic components and a film that separates the cooling medium to be cooled by the components.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine dünnwandige, elastische Deckfolige, die eine Kühlkassette an der der Flachbaugruppe zugewandten Seite begrenzt, unter Innendruck einmalig auf die Flachbaugruppe geklebt ist. Dabei werden die Flachbaugruppe und die Kühlkassette beim Verkleben gegen den Innendruck in einer Vorrichtung abgestützt.The object is achieved according to the invention by a thin-walled, elastic cover film, which delimits a cooling cassette on the side facing the printed circuit board, is adhesively bonded once to the printed circuit board under internal pressure. In this case, the printed circuit board and the cooling cassette are supported during bonding against the internal pressure in a device.

Auf diese Weise entsteht eine stabile, leicht zu handhabende Baugruppe, die Kühlsystem und Flachbaugruppe vereinigt.This creates a stable, easy-to-use assembly that unites the cooling system and PCB.

Ein Betreiben der Kühlung ist auch an der einzelnen Flachbaugruppe außerhalb des Gerätes möglich.Operating the cooling is also possible on the individual printed circuit board outside the device.

Der Wärmeübergangswiderstand Deckfolie-Bauelement ist nicht vom Innendruck abhängig und wird zudem durch die innige stoffliche Verbindung Trennfolie-Kleber-Bauelement verringert und auf einem konstanten Wert gehalten.The heat transfer resistance cover film component is not dependent on the internal pressure and is also reduced by the intimate material connection release film-adhesive component and kept at a constant value.

Das Verkleben der Deckfolie mit der Flachbaugruppe schließt eine spätere mechanische Beschädigung der Deckfolie und damit ein Leckwerden aus. Die Baugruppe wird unempfindlich gegen Schwingung und Stoß. Es kann mit einem geringen Kühlmittelinnendruck bei Zwangsumlauf des Kühlmediums oder mit freier Konvektion des Kühlmediums gearbeitet werden. Bei Anwendung geeigneter Regeltechnik ist auch ein alternierender Betrieb, freie Konvektion-Zwangsumlauf, möglich. Es entfällt die Notwendigkeit eines besonderen Abstützens der Flachbaugruppe, um Schäden durch Ausbauchen infolge hohen Kühlmitteldruckes zu vermeiden.Gluing the cover sheet to the printed circuit board precludes subsequent mechanical damage to the cover sheet and hence leakage. The assembly is insensitive to vibration and shock. It can be worked with a low internal coolant pressure at forced circulation of the cooling medium or with free convection of the cooling medium. When using appropriate control technology and an alternating operation, free convection forced circulation is possible. It eliminates the need for a special support of the printed circuit board to avoid damage due to bulging due to high coolant pressure.

embodiment

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispielsund der zugehörigen Figuren 1 bis 3 näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the accompanying figures 1 to 3.

Fig. 1 zeigt die Ansicht einer Leiterplatte 1 mit der Kühlkassette 2. Die Kühlkassette 2 ist mit einer Eintrittsöffnung 3 und einer Austrittsöffnung 4für ein Kühlmedium versehen und zur Erhöhung der Stabilität mittels Sch rauben 5 mit der Flachbaugruppe 1; 6 verbunden. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Flachbaugruppe 1; 6 mit der Kühlkassette 2. Ein vergrößerter Ausschnitt (Fig. 3) zeigt, wie die mit der Leiterplatte 1 und dem Bauelement 6 verklebte Deckfolie 7 das Kühlmedium 8 von der Flachbaugruppe 1; 6 trennt. Die verwendete Deckfolie 7 soll dünnwandig, flexibel, gut dehnbar, für das Kühlmedium 8 dauerhaft undurchlässig, elektrisch isolierend und ausreichend temperaturbeständig sein. Es ist aber auch möglich, eine nicht dehnbare Folie aus dünnem, flexiblem Material zu verwenden, die vor dem Aufkleben geknittert oder gefaltet ist und die sich beim Aufkleben unter Druck entfaltet und an die Bauelemente 6 anlegt.1 shows the view of a printed circuit board 1 with the cooling cassette 2. The cooling cassette 2 is provided with an inlet opening 3 and an outlet opening 4für a cooling medium and to increase the stability by means of Sch rob 5 with the printed circuit board 1; 6 connected. Fig. 2 shows a section through the printed circuit board 1; 6 shows an enlarged detail (FIG. 3) of how the cover film 7 glued to the circuit board 1 and the component 6 seals the cooling medium 8 from the printed circuit board 1; 6 separates. The cover sheet 7 used should be thin-walled, flexible, easily stretchable, permanently impermeable to the cooling medium 8, electrically insulating and sufficiently temperature-resistant. But it is also possible to use a non-stretchable film of thin, flexible material that is wrinkled or folded before gluing and unfolds when glued under pressure and applies to the components 6.

Das Ankleben der Deckfolie 7 kann erfolgen, indem der Klebstoff oder seine Komponenten auf die Flachbaugruppe 1; 6 oder Deckfolie 7 angetragen wird. Um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zu erzielen, sollte die Klebstoffschicht möglichst dünn sein. Eine selbstklebende Trennfolie 7 stellt eine weitere effektive Lösung dar.The gluing of the cover sheet 7 can be done by the adhesive or its components on the printed circuit board 1; 6 or cover sheet 7 is offered. In order to achieve the lowest possible heat transfer resistance, the adhesive layer should be as thin as possible. A self-adhesive release film 7 represents a further effective solution.

Die Kühlkassetten 2 sind an die Größe der Flachbaugruppen 1; 6 angepaßt und bilden unifizierte Rahmen oder Kästen_rdie ein- oder zweiseitig mit der Deckfolie 7 verschlossen sind. Vorzugsweise an den gegenüberliegenden Schmalseiten der Kühlkassetten 2 befinden sich die Ein-und Austrittsöffnungen 3; 4 für das Kühlmedium 8. Die Kühlkassetten 2 lassen sich rationell als ein Teil z. B. durch Spritzguß von Plastwerkstoff oder Aluminium fertigen. An die Öffnungen 3; 4für das Kühlmedium 8 können sich Elemente zur Steuerung oder Regelung der Kühlprozesse anschließen. Die Kühlkassette 2 kann so gestaltet sein, daß eine leichte Entlüftung des Kühlkreislaufes möglich ist.The cooling cassettes 2 are to the size of the printed circuit boards 1; 6 adapted and form unified frame or boxes _r are closed on one or two sides with the cover sheet 7. Preferably, on the opposite narrow sides of the cooling cassettes 2 are the inlet and outlet openings 3; 4 for the cooling medium 8. The cooling cassettes 2 can be rationally as a part z. B. finished by injection molding of plastic material or aluminum. To the openings 3; For the cooling medium 8, elements for controlling or regulating the cooling processes can follow. The cooling cassette 2 can be designed so that a slight venting of the cooling circuit is possible.

Im Regelfall ist die Bestückungsseite der Flachbaugruppe 1; 6 zu kühlen. Wenn abgesichert ist, daß keine Spitzen der Leiteranschlüsse die Deckfolie 7 verletzen, kann die Kühlung auch beidseitig erfolgen. Ebenso ist es möglich, mit einer kastenförmigen, beidseitig mit Deckfolie 7 bespannten Kühlkassette 2 zwei Flachbaugruppe 1; 6 zu kühlen.As a rule, the component side of the printed circuit board 1; 6 to cool. If it is ensured that no tips of the conductor connections violate the cover sheet 7, the cooling can also be done on both sides. It is also possible, with a box-shaped, covered on both sides with cover film 7 cooling cassette 2 two printed circuit board assembly 1; 6 to cool.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Lösung für die SMD-Technik, da dort die Bauelemente eine dichtere Packung erlauben und bei Sicherung der Wärmeabfuhr die Baugröße der Geräte eingeschränkt werden kann. Außerdem sinken die Anforderungen an die Festigkeit und Dehnbarkeit der Deckfolie 7 durch die geringeren Abmessungen der SMD-Bauelemente.The solution according to the invention is particularly suitable for the SMD technology, since there the components allow a denser packing and the size of the devices can be limited when securing the heat dissipation. In addition, the requirements for the strength and ductility of the cover sheet 7 decrease due to the smaller dimensions of the SMD components.

Claims

Claim:

Cooling device for electronic components on a printed circuit board using a flowing cooling medium, which is separated from the components by a thin, elastic film, characterized in that a cover film (7) facing a cooling cassette (2) on a printed circuit board (1, 6) Side is limited and under internal pressure on the printed circuit board (1; 6) is glued, so that the cover film (7), the printed circuit board (1; 6) delimits a cavity in which the cooling medium (8) circulates.