-
Diese
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Kühlanordnungen zum Kühlen eines
elektrischen und elektronischen Schaltungsaufbaus und insbesondere
auf Kühlanordnungen
unter Verwendung zumindest einer Kühlplatte und eines Rohrs.
-
Um
eine ordnungsgemäße Funktionalität und Zuverlässigkeit
sicherzustellen, testen Hersteller üblicherweise Flash-Speicherchips vor
einem Versenden derselben an Kunden. Ein System, das häufig zum
Testen von Flash-Speicherchips eingesetzt wird, ist der V5400 Apache
Tester von Agilent.
-
Wie
in 1 dargestellt ist, weist eine Version des V5400
Apache Testers 100 einen Testkopf 110, ein Trägergestell 120 zum
Versorgen des Testkopfs 110 mit elektrischer Leistung,
Kühlwasser
und komprimierter Luft (in den Figuren nicht gezeigt) und eine Computerarbeitsstation 130 auf,
die als die Benutzerschnittstelle zu dem Tester 100 dient.
Ein Manipulierer 140 unterstützt und positioniert den Testkopf 110.
Das Trägergestell 120 ist
an dem Manipulierer 140 angebracht und dient als die Schnittstelle zwischen
dem Testkopf 110 und Wechselsignal-Leistung, Kühlwasser
und komprimierter Luft. Der Tester 100 könnte außerdem zusätzliche
Trägergestelle aufweisen.
Der V5400-Tester 100 von Agilent, der in 1 gezeigt
ist, besitzt die Fähigkeit,
Flash-, DRAM-, SRAM- und Stapelspeichervorrichtungen zu testen.
-
Der
Testkopf 110 ist eine wichtige Komponente in dem System
und weist Testerelektronik auf. Bei einer Konfiguration bietet der
in 1 gezeigte Tester 100 bis zu 4.608 Kanäle und 144
unabhängige Testorte
und ist in der Lage, asynchron bis zu 144 unabhängige Vorrichtungen zu testen.
-
Testkopfelektronikkomponenten
liefern Leistung zu verschiedenen zu testenden Vorrichtungen (DUTs)
und führen
Messungen an denselben durch.
-
Da
Testelektronik zu immer größeren Geschwindigkeiten
und Dichten getrieben wird, wird eine Ableitung der inneren Wärme, die
durch den Testkopf 110 und den Schaltungsaufbau, der getestet wird,
an demselben erzeugt wird, zu einem Hauptproblem. In früheren Herstellungen
eines Testers 100 war Luftkühlung ausreichend. Mit zunehmenden Taktgeschwindigkeiten
jedoch ist eine Signalpfadlänge
zu einem kritischen Problem geworden. Ein Minimieren der Pfadlänge hat
zu einer Miniaturisierung um einen Faktor von über tausend in den letzten
fünf Jahren
geführt,
zu einem derartigen Ausmaß,
dass es nicht mehr praktisch ist, automatisierte Stromerzeugungstestausrüstung mit
Luft zu kühlen.
Eine größere Geschwindigkeit
verkompliziert das Problem, da eine Wärmeerzeugung mit der Taktgeschwindigkeit
zunimmt. Tester mit höherem
Anschlussstiftzählwert
werden ebenso die Norm, was die in einem Tester erforderliche Gesamtwärmeleistungsdissipierung weiter
erhöht.
-
Die
vorstehenden Faktoren führen
dazu, dass ein Flüssigkühlen eines
der wenigen, wenn nicht das einzige praktische Verfahren zum Ableiten von
Wärme,
die durch moderne Testelektronik erzeugt wird, ist. Die Größe des Problems
wird vollständig
sichtbar, indem angemerkt wird, dass Tester mit hohem Anschlussstiftzählwert mit
Volumina von weniger als 566 Litern (20 Quadratfuß) nun in
der Lage sind, zwischen etwa 40 kW und etwa 80 kW Wärme zu erzeugen.
-
Allgemein
möchten
die zuverlässigsten
Verfahren zum Flüssigkühlen das
Kühlfluid
von der Elektronik des Testers 100 und dem Testkopf 110 trennen, was
im Gegensatz zu einem Eintauchkühlen
steht. Dies wird unter Verwendung von Kühlplatten (manchmal als „Kaltplatten" bezeichnet) erzielt.
Der aktive Schaltungsaufbau ist an einer PC-Platine befestigt, die
wiederum an einer Kühlplatte
befestigt ist. In einigen Fällen
könnten
bestimmte Komponenten direkt für
ein verbessertes Kühlen
an dem der Kühlplatte befestigt
sein. Verschiedene Verfahren zur Befestigung könnten verwendet werden, so
könnte
die Oberseite oder die Unterseite einer PC-Platine die Kühlplatte
berühren.
In vielen Maschinen sind Schaltungen auf beiden Seiten einer Kühlplatte
befestigt, um entweder einen Raum zu minimieren oder eine teuere
Komponente (d. h. eine Kühlplatte)
vollständiger
zu nutzen. Das Arbeitsfluid könnte
Wasser oder eine bestimmte andere Flüssigkeit sein. Wasser besitzt
die höchste
Kühlleistung
der üblichen
gewählten Arbeitsfluide,
eine Vielzahl von Betrachtungen jedoch könnte dessen Verwendung bei
einigen Anwendungen ausschließen.
-
Kühlplatten
sind allgemein aus einem ohne Weiteres maschinell zu bearbeitenden
Metall aufgebaut, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, wie z. B.
Aluminium oder Kupfer. Wasser oder ein weiteres Fluid wird durch
Durchgänge,
die in dem Metall gebildet sind, geführt und leitet dadurch Wärme ab.
Während
dies scheinbar ein relativ einfacher Vorgang ist, kommen viele Betrachtungen
ins Spiel. Zum Beispiel besitzen einige Kühlplatten große innere
Durchgänge,
während
andere Durchgänge
mit kleinem Querschnitt aufweisen. Wärmeübertragungsbetrachtungen begünstigen
allgemein kleine Durchgänge
mit sehr hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten,
um am wirksamsten Wärme
abzuleiten. Dies unterstützt
eine Wärmeableitung
auf Kosten einer größeren Leistung, die
erforderlich ist, um die Flüssigkeit
zu pumpen. Es soll angemerkt werden, dass die Fähigkeit, den Ort des Wasserdurchgangs
zuzuschneiden, auch verwendet werden kann, um die Kühlung bestimmter Regionen
oder Vorrichtungen zu unterstützen,
die höhere
Leistungsdissipierungsanforderungen oder strengere Temperaturanforderungen
aufweisen könnten.
-
Die
meisten Kühlplatten
sind von einem Typ, bei dem das Arbeitsfluid den Metallblock direkt
berührt.
Bei einer derartigen Kühlplatte
weist eine Aluminiumplatte lange Löcher auf, die durch deren Mittelebene
gebohrt sind. Ein Einlass- und ein Auslassrohr sind in zwei derartige
Löcher
geklebt, wobei das Einlass- und das Auslassrohr ein U-förmiges Rückflussrohr bilden. Weitere
Typen dieser Art von Kühlplatte
könnten
auch durch ein Fräsen
entsprechender Serpentinendurchgänge
in zwei Platten, ein Aneinanderkleben der beiden Hälften und
ein Hinzufügen von
Einlass- und Auslassrohr in einer Weise, die einer Muschelschale ähnelt, hergestellt
werden.
-
Es
wurde entdeckt, dass Kühlplatten,
in denen Einlass- und Auslassrohr gebildet sind, Lecks an einem
beliebigen der geklebten Verbindungen bekommen können. Eine Alternative könnte sein,
die Einlass- und Auslassverbindung hart zu löten, dies würde jedoch aufgrund des Vorliegens
der Hartlötlegierung
die Möglichkeit
für Korrosion
einführen.
-
Ein
weiteres Mittel zur Bereitstellung eines Flüssigkühlens für eine Kühlplatte besteht darin, einen
Typ von Kühlplatte
einzusetzen, der als „Rohr-in-Platte" bezeichnet wird.
Um die Möglichkeit auszuschließen, dass
Lecks an Verbindungen auftreten, ist der Fluiddurchgang ein durchgehendes
Stück Rohranordnung.
Bei einem derartigen Typ von Kühlplatte
wird ein Serpentinendurchgang in der Kühlplatte geführt. Ein
Rohr wird gebildet, um der in der Platte geführten Kontur zu folgen. Das
Rohr erstreckt sich durch die Platte, was zu einem Wasserblock ohne Verbindungen
in dem Fluidweg führt.
Der Querschnitt des Durchgangs und derjenige des Rohrs ist derart, dass
eine Feinpassung vorliegt, wenn das Rohr in die Rille getrieben
wird. Bei einigen Typen wird das Rohr nach einer Einführung verformt,
um einen Kontakt zwischen dem Rohr und der Platte weiter zu verbessern.
Zusätzlich
zu dem physischen Kontakt wird ein Material zur Unterstützung einer
Wärmeübertragung oft
zwischen dem Rohr und der Platte platziert. Ein Thermofüllepoxid
wird oft in einer derartigen Anwendung eingesetzt, obwohl das Rohr
auch an seinen Ort hartgelötet
werden könnte
oder sogar durch ein Schmiermittel umgeben sein könnte. Der
Zweck des Epoxid-, Kleb-, Hartlötmaterials
oder -schmiermittels besteht darin, eine Wärmeleitung zwischen der Platte und
der äußeren Oberfläche des
Rohrs zu verbessern, da ohne deren Vorliegen ein mikroskopischer Luftzwischenraum
vorliegen würde.
-
Obwohl
dieser Entwurf viele Vorteile besitzt, gibt es Grenzen für ein Implementieren
eines derartigen Aufbaus aufgrund hoher Herstellungskosten. Die Platten
müssen
zur Dimensionierung und Formgebung maschinell bearbeitet werden
und weisen dann eine geeignete Rille auf, die in denselben geführt ist. Eine
Rohranordnung muss auf genau die gleiche Form wie die Rille gebogen
werden. Füllmaterial muss
in die Rille abgegeben werden, die Rohranordnung mühsam eingezwängt werden
und schließlich die
Oberfläche
nachgeschnitten werden, um das Füllmaterial
zu entfernen, das herausgedrückt
wurde. Damit Tester der nächsten
Generation wirtschaftlich gebaut werden können, müssen die Kühlkosten auf einer Basis pro
Flächeneinheit
wesentlich gesenkt werden.
-
Einige
typische Kühlplatten
des Stands der Technik sind im Querschnitt in den 2 und 3 dargestellt. 2 stellt
einen Querschnitt eines Typs einer Rohr-in-Platte-Kühlplatte 200 dar,
bei dem eine Querschnittsrille 300 in der relativ dicken
Platte, aus der die Kühlplatte 200 gebildet
ist, geführt
ist. Die Rille 300 ist dimensioniert, um ein Kühlrohr 230 ohne Weiteres
in derselben aufzunehmen, wobei das Kühlrohr 230 einen inneren
Hohlraum 240, eine innere Oberfläche 260 und eine äußere Oberfläche 250 aufweist.
Wärmeleitfähiges Epoxid
oder ein weiteres geeignetes Material 290 wird in die Rille 300 abgegeben,
das Kühlrohr 230 in
die Rille 300 eingeführt
und das Kühlrohr 230 nach
unten (und so nach außen)
in die Rille 300 gesenkt, was dazu dient, die äußere Oberfläche 250 des
Kühlrohrs 230 eng
gegen die innere Oberfläche 230 der
Rille 300 zu drücken.
Eine derartige Feinpassung stellt eine dünne Klebstofflinie sicher und
erleichtert eine Wärmeübertragung.
Die obere Oberfläche 210 der
Kühlplatte 200 wird
dann für
eine Planarität
schlaggefräst.
-
3 zeigt
einen weiteren Typ von einer Kühlplatte 200 ohne
Verbindungsmaterial 290 zum Kühlen des Rohrs 230,
das in die Rille 300 (die eine unterschiedliche Form als
die in 2 gezeigte Rille 300 aufweist) eingezogen
wird. In 3 nehmen scharfe Ecken in der
Rille 300 und der inneren Oberfläche 310 derselben
die äußere Oberfläche 250 des Kühlrohrs 230 fest
in Eingriff. Ein derartiger Entwurf erlaubt eine ausreichende Verformung
des Rohrs des Kühlrohrs 230 gegen
die innere Oberfläche 310, um
eine hervorragende Wärmeübertragung
bereitzustellen. Es wird angemerkt, dass bei dem Entwurf der Kühlplatte 200,
der in 3 gezeigt ist, der obere Abschnitt der äußeren Oberfläche 250 des
Kühlrohrs 230 unterhalb
der im Wesentlichen planaren ersten Oberfläche 210 der Kühlplatte 200 positioniert
ist.
-
Es
wird angemerkt, dass die zwei Aufbauten der Kühlplatte 200, die
in den 2 und 3 gezeigt sind, den Nachteil,
relativ dick zu sein, teilen, was nötig ist, um den Ausbreitungskräften, die
auf dieselben ausgeübt
werden, wenn das Kühlrohr 230 in
denselben platziert oder in dieselben getrieben wird, zu widerstehen.
Die Kühlplatte 200 muss
natürlich
dicker sein als die zu fräsende
Rille 300. Die Dicke der Kühlplatte 200 muss
deshalb größer sein
als die der Rille, um eine Planarität der Kühlplatte 200 während und
nach dem Einziehvorgang beizubehalten.
-
Wie
unter Bezugnahme auf die 2 und 3 zu sehen
ist, weisen die Kühlplatte 200,
die Rille 300 und das Kühlrohr 230 ziemlich
sorgfältig
gearbeitete und komplizierte Formen und Gestalten auf, was, wie
Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, die Kosten der Herstellung
und des Zusammenbauens des Wasserblocks 200 wesentlich
erhöht. Die
sorgfältig
gearbeiteten Formen und Gestalten derartiger Kühlplatten, Rillen und Kühlrohre
sind aufgrund der wesentlichen thermischen und mechanischen Belastungen,
denen die Kühlplatte 200 und das
Kühlrohr 230 während der
Verwendung ausgesetzt werden, notwendig. Ferner könnte ein
Großteil der
Kosten einer Rohr-in-Platte-Kühlplatte
Maschinenbearbeitungsoperationen zum Platzieren des Kühlrohrs
in der Kühlplatte
und dem nachfolgenden Reinigen von Haftmittel zugeschrieben werden.
-
Es
ist nun zu sehen, dass unter Bildung der komplizierten Formen und
Gestalten von, und Verwendung der teueren Verfahren und Materialen,
die zur Herstellung verwendet werden, die Kühlplatten 200, Rillen 300 und
Kühlrohre 230,
die in den 2 und 3 gezeigt
sind, die Herstellungskosten erhöhen.
Benötigt
wird ein einfacheres Mittel zum Anbringen von Kühlrohren an einer Kühlplatte,
das den Bedarf einer maschinellen Bearbeitung teurer Rillen in der
Kühlplatte
beseitigt.
-
Aus
der
JP 2006-132850
A ist eine Kühlanordnung
bekannt, bei der eine gebogene flache Metallröhre auf einer flachen Oberfläche einer
Platte angebracht ist.
-
Aus
der
JP 2001-33179
A ist eine Kühlanordnung
bekannt, bei der ein Rohr einen flachen Abschnitt aufweist, der
an einer Kühlplatte
angebracht ist.
-
Die
US 5263538 A offenbart
Rohre mit kreisförmigem
oder abgeflachtem kreisförmigen
Querschnitt, die zwischen Platten angeordnet sind.
-
Die
US 5983995 A offenbart
eine Kühlanordnung,
bei der ein Rohr in eine an dem Umfang desselben angepasste Struktur
in einer Kühlplatte
eingebracht ist.
-
Aus
der
GB 826625 ist eine
Kühlanordnung bekannt,
bei der Rohre mittels einer Befestigungsplatte, die an die Kontur
der Rohre angepasst ist, an einer Platte befestigt sind.
-
Die
GB 2352092 A offenbart
ein Steuerungsmodul für
ein Motorfahrzeug, das ein Gehäuse
aufweist, wobei auf einer Seite des Gehäuses eine erste Platine angebracht
ist und auf einer zweiten Seite des Gehäuses eine zweite Platine angebracht
ist. Ein Kanal ist in dem Gehäuse
zwischen der ersten und der zweiten Seite gebildet und ein Rohr
erstreckt sich durch den Kanal, um Wärme von den Platinen abzuleiten.
-
Die
FR 1150673 offenbart eine
Kühlanordnung,
bei der ein mäanderförmiges Rohr
zwischen Kühlplatten
angeordnet ist.
-
Aus
der
DE 44 37 971 A1 ist
eine Kühleinrichtung
für elektrische
Baugruppen bekannt, die Kühlkanäle zur Führung eines
Kühlmittelstroms
und wenigstens eine flache Seite zur gut wärmeleitenden Verbindung mit
wenigstens einer elektrischen Baugruppe aufweist.
-
In
der
DE 198 42 561
A1 ist ein Gehäuse
zur Aufnahme elektrischer und/oder elektronischer Baueinheiten beschrieben,
das einen geschlossenen Gehäusekorpus
und ein Kühlgerät, das einen
Verdampfer und einen Kondensatsammler aufweist, umfasst.
-
Die
DE 202 00 484 U1 befasst
sich mit einer Kühlvorrichtung
für elektrische
oder elektronische Bauteile, der aus einer wärmeleitenden Platte gebildet
ist, die darin eingebettet einen von einem Kühlmedium durchströmten Wärmeaustauscher
als Kühler
aufweist oder selbst als Wärmeaustauscher
ausgebildet ist.
-
Die
nachveröffentlichte
DE 10 2005 036 299 A1 offenbart
ein Kühlsystem
für Elektronikgehäuse, das
an die Geometrie des Gehäuses
angepasst ist.
-
Die
JP 2005-129599 A beschreibt
eine Kühlanordnung,
bei der ein Kühlkanal
zwischen zwei Platten gebildet ist, wobei Anschlussstücke für eine fluidmäßige Verbindung
mit dem Kühlkanal
vorgesehen sind.
-
Die
DE 39 08 996 A1 offenbart
einen Flüssigkeitskühlkörper, der
einen Kühlkanal
mit jeweils einem Anschlussstutzen für die Zu- bzw. Abführung des
Kühlmittels
aufweist.
-
Die
US 5829516 A offenbart
eine Wärmesenke,
bei der Rohre mit unterschiedlichem Querschnitt in entsprechende
Ausnehmungen einer Kühlplatte
eingebracht sind.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlanordnung
mit einem einfachen Aufbau zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung
gemäß Anspruch
1 oder Anspruch 2 gelöst.
-
Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
-
Die
verschiedenen Ausführungsbeispiele des
Kühlrohrs
und der Kühlplatte
der vorliegenden Erfindung reduzieren Herstellungs- und Materialkosten
und reduzieren deshalb Kosten, die früheren Einrichtungen und Verfahren
zum Kühlen
eines elektrischen oder elektronischen Schaltungsaufbaus unter Verwendung
von Flüssigkühltechniken
zugeordnet sind. Viele der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung z. B. beseitigen eine maschinelle Bearbeitung von Kühlplatten
und begleitende Kosten, beseitigen eine Zeit, die andernfalls mit
einem Einführen
und Einziehen von Rohren in Rillen verbraucht wird, beseitigen ein
Säubern
nach dem Einziehen und Verwenden billige „merkmalslose" Kühlrohre,
die an einer oder mehreren Seiten eines oder mehrerer Kühlplatten
angebracht sind.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen.
Es zeigen:
-
1 einen
V5400 Apache-Speicherchiptester von Agilent des Stands der Technik;
-
2 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Kühlplatte und einer begleitenden
Rille und eines Kühlrohrs
des Stands der Technik;
-
3 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Kühlplatte und einer begleitenden
Rille und eines Kühlrohrs
des Stands der Technik;
-
4 eine
Kühlplatte
und ein begleitendes Kühlrohr
eines Vergleichsbeispiels;
-
5 eine
Kühlplatte
und ein begleitendes Kühlrohr
eines Vergleichsbeispiels;
-
6 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Kühlplatte
und eines begleitenden Kühlrohrs
der vorliegenden Erfindung; und
-
7 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Kühlplatte
und eines begleitenden Kühlrohrs
der vorliegenden Erfindung.
-
Wie
der Ausdruck „Kühlplatte" in der Beschreibung
und den Ansprüchen
hierin verwendet wird, bedeutet er ein plattenförmiges Bauteil, das aus einem
Material gebildet ist, das Wärmecharakteristika
aufweist, die die Übertragung
von Wärmeenergie durch
dasselbe begünstigen;
der Ausdruck „Kühlrohr" bedeutet ein Bauteil,
das in der Lage ist, ein Fluid in zumindest einem Hohlraum desselben
zu tragen, wobei das Fluid Wärmeenergie
von einer externen Quelle durch das Rohr weg transportiert; der Ausdruck „im Wesentlichen
planare erste Oberfläche" bedeutet eine Oberfläche einer
Kühlplatte,
an der ein Kühlrohr
angebracht ist, wobei die erste Oberfläche eine im Wesentlichen flache
Oberfläche
bildet, die durch Stege oder Kühlrippen,
die an derselben angeordnet oder in dieselbe maschinell bearbeitet oder
gestanzt sind, unterbrochen sein könnte.
-
Viele
der verschiedenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Komponenten, Vorrichtungen,
Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Kühlplatten, die Herstellungskosten
reduzieren, indem Maschinenbearbeitungsoperationen beseitigt werden.
Bei derartigen Ausführungsbeispielen
ersetzt eine relativ merkmalslose Platte oder Kühlplatte 200, die
aus einem Blech oder einem anderen geeigneten wärmeleitfähigen Material gebildet ist,
stark maschinell bearbeitete Platten oder Rohr-in-Platte-Kühlplatten des Stands der Technik,
die oben beschrieben wurden. Obwohl viele Ausführungsbeispiele der Kühlplatte 200 der vorliegenden
Erfindung Merkmale aufweisen, wie z. B. Gewindelöcher oder mit Gewinde versehene
Einschübe
zur Befestigung einer PCB an der Kühlplatte 200, sind
derartige Merkmale sehr billige Merkmale im Vergleich zu der Praxis
eines Präzisionsfräsens von
Rillen im Stand der Technik.
-
Viele
der verschiedenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung könnten
ferner maschinelle Bearbeitungskosten reduzieren, indem erlaubt
wird, dass die Kühlplatte 200 ein
Blech aufweist, das mit relativ geringen Kosten auf eine Größe geschert
werden kann. Wie in 4 gezeigt ist, könnte anstelle
eines Platzierens des Kühlrohrs 230 in
der geführten
Rille 300 das Kühlrohr 230 an
einem Abschnitt der äußeren Oberfläche 250 leicht
abgeflacht und an die Blechkühlplatte 200 angebracht sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird das Kühlrohr 230 zu einem
D- oder O-förmigen
Querschnitt abgeflacht, nachdem Serpentinenbiegungen in dem Kühlrohr 230 gebildet wurden,
obwohl weitere Querschnittsformen ebenso in Betracht kommen, wie
z. B. ein kreisförmiger,
elliptischer, rechteckiger und quadratischer Querschnitt.
-
Bezug
nehmend auf die 4 und 5 erhöht ein Abflachen
zumindest einer Seite des Kühlrohrs 230 die
Oberflächenflä che, über der
die äußere Oberfläche 250 des
Kühlrohrs 230 die
im Wesentlichen planare erste Oberfläche 210 der Kühlplatte 200 in
Eingriff nimmt, wodurch Haftung und Wärmeübertragung gefördert werden.
Wenn das Verbindungsmaterial, das zur Befestigung des Kühlrohrs 230 an
der ersten Oberfläche 210 verwendet
wird, eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist (wie in dem Fall mit einigen wärmleitfähigen Epoxiden), reduziert
die relativ große
Oberflächenfläche der äußeren Oberfläche 250, über der
sich eine Verbindung zwischen dem Kühlrohr 230 und der
ersten Oberfläche 210 entwickeln
könnte,
einen Wärmewiderstand, der
daraus entsteht, dass Wasser durch das Lumen 240 des Kühlrohrs 230 fließt. Ein
Wärmefluss
wird ebenso dadurch gefördert,
dass das Kühlrohr 230 eine
weite Kontaktfläche
mit der ersten Oberfläche 210 aufweist.
-
Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist die Kühlplatte 200 aus einem Blech
gebildet, das eine Aluminiumlegierung aufweist, die ein geringes
Gewicht und eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Es ist nicht notwendig, dass Kühlrohre 230 aus der
gleichen Legierung oder dem gleichen Material gebildet sind wie
die Kühlplatte 200.
Bei den meisten Anwendungen, bei denen eine Verwendung der vorliegenden
Erfindung praktisch und wirtschaftlich ist, entstehen unter typischen
Betriebsbedingungen keine wesentlichen wärmeinduzierten Belastungen
aus einer unterschiedlichen Ausdehnung des Kühlrohrs 230 und die
Kühlplatte 200.
In einigen Fällen
ist es erwünscht,
dass das Blech, das zur Bildung der Kühlplatte 200 verwendet wird,
aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit
Kupfer ist. Es wird jedoch angemerkt, dass andere Materialien als
Aluminium und Kupfer verwendet werden könnten, um die Kühlplatte 200 zu
bilden, die keramikhaltige Materialien, rostfreien Stahl, Zink,
Nickel, wärmeleitfähigen Kunststoff
oder Aluminium-Silizium-Carbid-Verbundstoffe
sowie thermisch leitfähige Kunststoffe
und Verbundstoffe umfassen.
-
Weiter
Bezug nehmend auf die 5 und 6 liefert
bei vielen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ein wärmeleitfähiges Epoxid die
beste Wahl für
ein Verbindungsmaterial 290, obwohl andere Materialien
und Verfahren zur Anbringung des Kühlrohrs 230 an der
Kühlplatte 200 verwendet
werden können,
wie z. B. haftmittelhaltige Materialien, geeignete wärmeleitfähige Materialien, Schaum,
Dichtmaterial, Band, Klebstoff, Epoxid, Löten und Hartlöten.
-
Das
Kühlrohr 230 könnte ferner
mittels Klammern oder Klemmen (in den Figuren nicht gezeigt) zum
Halten des Kühlrohrs 230 gegen
die obere Oberfläche 210 an
der Kühlplatte 200 befestigt
sein, entweder als ein Mittel einer Primäranbringung oder zur Bereitstellung
einer Belastungslinderung. Die Klemmen oder Klammern könnten Schenkel
oder Abschnitte aufweisen, die mittels Bolzen, Schrauben oder Haftmittel
an der Kühlplatte 200 befestigt
sind. In derartigen Fällen
könnten
Schmiermittel oder Anschlussflächen
zwischen der äußeren Oberfläche 250 und
der ersten Oberfläche 210 angeordnet
sein, um eine Wärmeleitung
zu erleichtern. Ein elektrisch nichtleitfähiges oder elektrisch isolierendes,
jedoch wärmeleitfähiges Material
könnte
ebenso zwischen der äußeren Oberfläche 250 und
der ersten Oberfläche 210 angeordnet
sein, um das Kühlrohr 230 elektrisch
von der Kühlplatte 200 zu
trennen.
-
Die
Flüssigkeit,
die in dem Kühlrohr 230 eingesetzt
wird, ist vorzugsweise Wasser, könnte
jedoch auch eines oder mehrere Stoffe von COOLANOL (einem speziellen
Kühlfluid,
das von EXXON hergestellt wird), Polyalpha-Olefin (PAO), dielektrischem
Kühlmittelfluid,
synthetischem Kohlenwasserstofföl,
Ethylen-Glycol, einer Ethylen-Glycol/Wasser-Mischung oder einem bestimmten anderen
geeigneten Kühlfluid
sein.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung sind wenige oder keine Nach-Anbringungs-Schritte
erforderlich, um die Kühlplatte 200 zu
reinigen, nachdem das Kühlrohr 230 an derselben
befestigt wurde. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung z. B. resultiert kein Materialherausdrücken in kritische Bereiche
aus einer Anbringung des Kühlrohrs 230 an
der Kühlplatte 200 und
so ist allgemein kein Säubern
erforderlich.
-
Ebenso
erlaubt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik, wo
ein hochpräzises Biegen
des Kühlrohrs 230 für das Rohr 230 erforderlich
war, um die maschinell bearbeitete Rille 300 in den Rohr-in-Platte-Kühlplatte 200 zu
passen, die relativ merkmalslose und im Wesentlichen planare erste
Oberfläche 210 der
Kühlplatte 200 kleinere
Unvollkommenheiten an der Biegung oder dem Querschnitt des Kühlrohrs 230 oder
der Planarität
der Oberfläche 210,
diese weisen üblicherweise
keine Auswirkung auf eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Kühlrohrs 230 oder
der Kühlplatte 200 auf.
Der Rohr-auf-Platte-Aufbau der vorliegenden Erfindung könnte auch
in Anwendungen eingesetzt werden, in denen ein einzelnes nahtloses
Stück eines
Kühlrohrs 230 die
Möglichkeit
von Lecks beseitigt oder reduziert.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
des Rohr-auf-Platte-Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung wird eine geeignete Blechplatte aus einer größeren Platte
geschert, um den Wasserblock 200 zu bilden. Das Kühlrohr 230 wird
in eine geeignete Serpentinenform gebogen, wobei die Form konfiguriert
ist, um vorbestimmte Wärmeübertragungsziele
zu erfüllen.
Entsprechend könnten
abhängig
von erwarteten Wärmefluss-
und Temperaturbedingungen einheitliche Schleifen in dem Kühlrohr 230 gebildet
sein, oder auch nicht. Das Kühlrohr 230 könnte ferner
konfiguriert sein, um benachbart zu kritischen Wärmeemissionskomponenten geführt zu werden.
Bei einigen Anwendungen könnte
das Kühlrohr 230 auch
derart konfiguriert sein, dass das Rohr 230 sich selbst
außerhalb
der Ebene kreuzt. Derartige „Sprünge" außerhalb
der Ebene werden vorzugsweise nicht hängen gelas sen, sondern stattdessen durch
ein bestimmtes geeignetes Mittel, wie z. B. Klammern, Klemmen oder
Halterungen, an der Kühlplatte 200 befestigt.
-
Bei
einigen Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung wird
das Kühlrohr 230 zuerst in
eine bevorzugte Serpentinenkonfiguration gebogen, gefolgt durch
ein Abflachen eines Abschnitts der äußeren Oberfläche 250,
um eine ovale oder D-förmige
Querschnittsform zu ergeben, durch ein beliebiges einer Vielzahl
geeigneter Mittel. Es wird bevorzugt, dass ein Abflachen des Kühlrohrs 230 auftritt, nachdem
das Rohr 230 in eine geeignete Kontur gebogen wurde, um
so die Möglichkeit
eines unerwünschten
Abflachens des Kühlrohrs 230 außerhalb der
Ebene zu minimieren. Ein Thermoepoxid wird dann entlang abgeflachter
Abschnitte des Kühlrohrs 230 abgegeben,
vorzugsweise durch einen Abgaberoboter, der Epoxid auf derartigen
abgeflachten Abschnitten mischt und genau abgibt. Schließlich wird das
Kühlrohr 230 mit
einer moderaten und einheitlichen Kraft, bis das Epoxid ausgeheilt
und gehärtet ist,
gegen die erste Oberfläche 210 des
Wasserblocks 200 gepresst und gehalten. Der Wasserblock 200 wird
dann untersucht und geeignete Löcher
werden gebohrt, um eine oder mehrere PCBs an demselben zu befestigen.
Alle vorstehenden Schritte werden mit wenig oder keiner maschinellen
Bearbeitung oder Handarbeit ausgeführt, wodurch Kosten reduziert
werden.
-
In
dem Fall, dass das Kühlrohr 230 an
der ersten Oberfläche 210 der
Kühlplatte 200 mittels Hartlöten befestigt
wird, wird eine Hartlötlegierung als
eine Paste aufgebracht oder auf abgeflachte Abschnitte des Rohrs 230 plattiert.
Wenn das Kühlrohr 230 mittels
Klemmen, Klammern oder Halterungen an der Kühlplatte 200 befestigt
ist, könnte
ein Abgabe- oder
Siebdruckvorgang eingesetzt werden, um Schmiermittel genau auf geeignete
Abschnitte des Rohrs 230 oder die erste Oberfläche 210 abzugeben und
zu verteilen. Es wird angemerkt, dass, obwohl eine Blechplatte eingesetzt
werden könnte,
um die Kühlplatte 200 zu
bilden, dickere Platten verwendet werden könnten, um die Kühlplatte 200 zu
bilden, und könnten
tatsächlich
bei einigen Anwendungen bevorzugt werden.
-
Zusätzlich zu
niedrigeren Herstellungskosten besitzt die vorliegende Erfindung
mechanische Vorteile. Bei gegenwärtig
praktizierten Verfahren eines Rohr-in-Platte-Aufbaus resultiert
eine bestimmte Verzerrung der Kühlplatte 200,
die zwischen gering und schwerwiegend variieren könnte, und
die mit den verwendeten Techniken und Materialien variiert. Eine derartige
Verzerrung stellt Schwierigkeiten bei Flachheit und Merkmalsplatzierung
dar, da die gesamte maschinelle Hauptbearbeitung abgeschlossen wurde,
bevor das Kühlrohr 230 in
die geleitete Rille 300 gepresst wird. Die vorliegende
Erfindung schafft keine derartigen Schwierigkeiten, da das Kühlrohr 230 nicht
in eine Rille gepresst oder eingezogen wird.
-
Verschiedene
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie
relativ schmale oder niedrige Profile aufweisen. Bei derartigen
Ausführungsbeispielen
weist die Kühlplatte 200 eine
relativ kleine Dicke 270, 270a oder 270b auf,
was wiederum erlaubt, dass die Gesamtdicke 280 die Kühlplatte/PCB-Anordnung 295 relativ
klein ist. Siehe 5, 6 und 7.
-
Wie
in den 6 und 7 dargestellt ist, könnte die
Schaltungsplatine 320 eine Kühlung erfordern, bietet jedoch
nicht ausreichend Raum und Volumen, um die Benutzung einer großen Kühlplatte
zu ermöglichen.
Entsprechend ist bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung typischerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, wo die
Schaltungsplatine 320 dadurch gekennzeichnet ist, dass
sie eine relativ geringe Wärmedissipierung aufweist,
das Kühlrohr 230 um
die Peripherie der Platine 320 herumgeführt. Siehe 6 und 7.
Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird eine Blechplatte oder ein weiteres geeignetes Material,
das eine Ausnehmung aufweist, die in einem Abschnitt derselben angeordnet
ist, zum Aufnehmen der Schaltungsplatine 320 in derselben
und Bilden einer Peripherie um dieselbe herum verwendet, um die
Kühlplatte 200 zu
bilden, was unten näher
erläutert
wird.
-
Das
Material, aus dem die Kühlplatte 200 aus 6 vorzugsweise
gebildet ist, ist aufgrund seines geringen Wärmewiderstands Kupfer, andere
geeignete Metalle, Legierungen und Materialien jedoch könnten verwendet
werden. Das Kühlrohr 230 ist
entlang der Peripherie der Schaltungsplatine 320 befestigt
und vorzugsweise auf der gleichen Seite der PCB wie ein elektrischer/elektronischer
Schaltungsaufbau, der an derselben befestigt ist, um eine Doppelverwendung
von Raum oberhalb der Ebene der Platinenunterseite zu erlauben (siehe 6).
Es wird angemerkt, dass einige Bereiche des Blechs in der Kühlplatte 200 aus 6 relativ
leicht herausgestanzt werden könnten,
um die Befestigung von Rückseitenkomponenten
an demselben zu erlauben.
-
Wiederum
ein weiteres Mittel zur Bereitstellung eines raum- und volumensparenden
Aufbaus bei der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt,
bei der die Schaltungsplatine 320 einen elektrischen/elektronischen
Schaltungsaufbau und Komponenten 330 aufweist, die auf
beiden Seiten derselben angebracht sind. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung könnten
Oberflächen 220a und 220b konfiguriert
sein, um die Oberflächen
von Komponenten 330, die auf der Schaltungsplatine 320 befestigt
sind, in Eingriff zu nehmen, wobei derartige Komponenten für eine Oberseitenkühlung optimiert
sind (wie üblicherweise
für Komponenten,
die zur Luftkühlung
entworfen sind, der Fall ist). Das Kühlrohr 230 ist vorzugsweise,
wenn auch nicht notwendigerweise an der Peripherie der Schaltungsplatine 320 platziert
und ist mittels Haftmitteln 290a und 290b mit
Kühlplatten 200a und 200b verbunden.
Die Kühlplatten 200a und 200b dissipieren Wärme, die
durch die Komponenten 330 erzeugt wird, auf beiden Seiten
der Schaltungsplatine 320.
-
Kleine
Zwischenräume
zwischen den Komponenten 330 und Kühlplatten 200a und 200b,
die aus einer Nichtplanarität
von Komponenten oder Kühlplatten
resultieren, könnten
durch ein Wärmeschnittstellenmaterial
gefüllt
sein, das in derartigen Zwischenräumen angeordnet ist, um eine
Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung bewirkt ein mechanischer Druck, der durch geeignet positionierte
Bolzen, Schrauben, Klebstoff oder andere Befestigungsmittel erzeugt
wird, dass die Oberflächen 220a und 220b die
untere bzw. obere Oberfläche
der Komponenten 330 in Eingriff nehmen, um eine Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern. Das Kühlrohr 230 könnte die Schaltungsplatine 320 umgeben
oder könnte
abhängig
von den Wärmefluss-
und Größenanforderungen auf
einer, zwei oder drei Seiten derselben positioniert sein.