DE112018003730T5

DE112018003730T5 - Modulare Mikrojet-Kühlung von gepackten elektronischen Komponenten

Info

Publication number: DE112018003730T5
Application number: DE112018003730.4T
Authority: DE
Inventors: James Paul Smith; Bernard A. Malouin Jr.; Eric A. Browne
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-04-16
Also published as: US10665529B2; US20200027819A1; US20200312746A1; US11594470B2; US11018077B2; WO2019018597A1; US20210265240A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen modularen Mikrojet-Kühler. Der modulare Mikrojet-Kühler kann an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht werden kann, die an einer Leiterplatte montiert ist. Der modulare Mikrojet-Kühler hat einen Einlass, der es ermöglicht, Zuführ-Fluid durch die Mikrojet-Düsen in Richtung auf eine Aufprallfläche der gepackten Vorrichtung zu leiten. Der modulare Mikrojet-Kühler hat außerdem einen oder mehrere Auslässe, die es ermöglichen, Ablass-Fluid abzuführen. Der modulare Mikrojet-Kühler wird an der Vorrichtung angebracht, nachdem diese gepackt wurde. Außerdem kann der modulare Mikrojet-Kühler an der gepackten Vorrichtung angebracht werden, entweder bevor oder nachdem die Vorrichtung an der Leiterplatte montiert wurde.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/535,339 , angemeldet am 21. Juli 2017, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Diese Erfindung erfolgte mit Unterstützung der Regierung unter der Vertragsnummer FA8721-05-C-0002, die von der United States Air Force vergeben wurde. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
Hintergrund der Erfindung
Viele elektronische Komponenten, wie zum Beispiel Verarbeitungseinheiten und Hochfrequenzvorrichtungen (HF-Vorrichtungen), werden üblicherweise in vielen derzeitigen Schaltkreisen verwendet und erzeugen erhebliche Mengen an Wärme. Beispielsweise werden HF-Vorrichtungen, wie zum Beispiel Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs), üblicherweise beim Radar (Flugzeugüberwachung, Wetterüberwachung, taktische Überwachung); bei der elektronischen Kriegsführung (EW), einschließlich Jamming; bei HF-Kommunikationssystemen; und bei anderen Anwendungen benutzt. Verarbeitungseinheiten, wie zum Beispiel CPUs, werden allgemein in Computern, Laptops, mobilen elektronischen Geräten und anderen Anwendungen benutzt.
Ein limitierender Faktor bei vielen dieser Anwendungen ist die maximale Komponententemperatur der wärmeerzeugenden Vorrichtung, die beispielsweise in der Gate-Region eines HEMT auftreten kann. Die Lebensdauer von Komponenten ist eine Funktion der maximalen Temperatur, und daher erfolgt häufig ein Kompromiss zwischen Lebensdauer, maximaler Ausgangsleistung und/oder Einschaltdauer.
Die maximale Komponententemperatur in diesen wärmeerzeugenden Vorrichtungen wird durch die Wärmeübertragung in mehreren Schichten bestimmt.
Erstens, der konduktive thermische Widerstand durch die wärmeerzeugende Komponente selbst ist ein Faktor bei der Bestimmung der maximalen Komponententemperatur. Die elektrisch aktive Region einer wärmeerzeugenden Vorrichtung befindet sich üblicherweise an einer Seite eines Halbleitersubstrats, das beispielsweise Silizium, Galliumnitrid oder Galliumarsenid sein kann. Das ist die Region, wo Abwärme erzeugt wird. Diese Wärme muss durch das Substrat geleitet werden, bevor sie durch das Wärmemanagementsystem abgeleitet wird. Der thermische Widerstand korrespondiert mit der Dicke.
Zweitens, die Wärmeübertragung von der Oberfläche des Halbleitersubstrats zum Wärmemanagementsystem ist ein Faktor zur Bestimmung der maximalen Komponententemperatur. Wärmemanagementsysteme leiten normalerweise Wärme von der wärmeerzeugenden Vorrichtung in einen Verteiler oder in eine Wärmesenke ab. Diese Systeme geben die Wärme dann, beispielsweise über freie Konvektion, Konduktion oder Strahlung, an die Umgebung oder, unter Verwendung erzwungener Konvektion, an ein Kühlmittel ab.
Bestehende Technologien verwenden zu diesem Zweck Lamellen-Kühlkörper, Kühlplatten, Mikrokanäle oder Radiatoren. Somit kann die Wärmeübertragung von der wärmeerzeugenden Vorrichtung durch die Leistungsfähigkeit dieser Technologien begrenzt sein. Beispielsweise basieren diese Technologien normalerweise auf dem Vorhandensein eines thermischen Interface-Materials (TIM) zwischen der Komponente und dem Wärmemanagementsystem. Durch das thermische Interface-Material, auch wenn es ausgewählt ist, um einen geringen Widerstand zu haben, wird die Effizienz jeder Lösung vermindert.
Außerdem bestimmen die Größe, das Gewicht und die Leistung (SWaP) von vorhandenen Wärmemanagementlösungen häufig das Design dieser Systeme und können deren Leistungsfähigkeit einschränken. Beispielsweise kann das System, in dem die wärmeerzeugende Vorrichtung enthalten ist, recht kompakt sein, wodurch die Fähigkeit einschränkt wird, die Wärme an eine kühlere Umgebung zu übertragen.
Daher wäre es von Vorteil, wenn es ein Wärmemanagementsystem gäbe, das diesen Herausforderungen Rechnung trägt, indem der konduktive und konvektive thermische Widerstand in wärmeerzeugenden Vorrichtungen minimiert und die Abhängigkeit von SWaP-beschränkenden Kühlkörpern, Verteilern und ähnlichen Vorrichtungen verringert oder überwunden wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen modularen Mikrojet-Kühler. Der modulare Mikrojet-Kühler kann an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht sein, die an einer Leiterplatte montiert ist. Der modulare Mikrojet-Kühler hat einen Einlass, der es ermöglicht, dass Zuführ-Fluid durch Mikrojet-Düsen in Richtung einer Aufprallfläche an der Vorrichtungspackung geleitet werden kann. Der modulare Mikrojet-Kühler hat außerdem einen oder mehrere Auslässe, die es ermöglichen, dass Ablass-Fluid abgeführt werden kann. Der modulare Mikrojet-Kühler wird an der Vorrichtung angebracht, nachdem diese hergestellt und gepackt ist. Außerdem kann der modulare Mikrojet-Kühler an der gepackten Vorrichtung angebracht werden, und zwar entweder vor oder nach deren Montage an der gedruckten Leiterplatte.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein modularer Mikrojet-Kühler offenbart. Der modulare Mikrojet-Kühler hat eine Basis mit einer Mehrzahl von Mikrojet-Düsen und einem Auslassanschluss; hochstehende Seitenwände, die sich von der Basis erstrecken und eine Kavität mit einer offenen Seite gegenüberliegend zur Basis bilden; einen Befestigungsmechanismus, der an Enden der hochstehenden Seitenwände angeordnet ist; ein Einlassrohr, das mit der Mehrzahl von Mikrojet-Düsen in Verbindung steht; und ein Auslassrohr, das mit dem Auslassanschluss in Verbindung steht. Bei einigen Ausführungsformen hat die Basis einen zentralen Bereich, wo die Mehrzahl der Mikrojet-Düsen angeordnet ist, und einen den zentralen Bereich umgebenden Graben, wobei der Auslassanschluss in dem Graben angeordnet ist. Bei bestimmten Ausführungsformen sind das Einlassrohr und das Auslassrohr an einer Außenfläche, die der Kavität gegenüberliegt, mit der Basis verbunden. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Befestigungsmechanismus ein Lötmittel, einen Klebstoff oder eine Abdichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Anordnung offenbart. Die Anordnung umfasst den vorstehend beschriebenen modularen Mikrojet-Kühler sowie eine gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung, wobei die Enden der hochstehenden Seitenwände unter Verwendung des Befestigungsmechanismus an einer Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine fluiddichte Verbindung gebildet wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an einer Leiterplatte montiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein modularer Mikrojet-Kühler offenbart. Der modulare Mikrojet-Kühler hat eine Basis mit einer Mehrzahl von Mikrojet-Düsen und einem Auslassanschluss; hochstehende Seitenwände, die sich von der Basis erstrecken und eine Kavität mit einer offenen Seite gegenüberliegend zur Basis bilden; einen Befestigungsmechanismus, der an Enden der hochstehenden Seitenwände angeordnet ist; eine Einlassverbindung, die an einer Bodenfläche der Basis gegenüberliegend zur Kavität angeordnet ist, wobei die Einlassverbindung einen Durchgang aufweist, der mit der Mehrzahl von Mikrojet-Düsen in Verbindung steht; und eine Auslassverbindung, die an einer Bodenfläche der Basis gegenüberliegend zur Kavität angeordnet ist, wobei die Auslassverbindung einen Durchgang aufweist, der mit dem Auslassanschluss in Verbindung steht. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Einlassverbindung und die Auslassverbindung durch gerippte Stecknippel gebildet. Bei anderen Ausführungsformen sind die Einlassverbindung und die Auslassverbindung durch Schnellverschlusskupplungen gebildet. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst die Basis einen ersten Bereich, in dem die Mehrzahl von Mikrojet-Düsen angeordnet ist, und einen zweiten Bereich benachbart zum ersten Bereich, wobei der Auslassanschluss in dem zweiten Bereich angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Anordnung offenbart. Die Anordnung umfasst den zuvor beschriebenen modularen Mikrojet-Kühler und eine gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung, wobei die Enden der Seitenwände unter Verwendung des Befestigungsmechanismus an einer Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine fluiddichte Verbindung gebildet wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an einer Leiterplatte montiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Anordnung offenbart. Die Anordnung umfasst einen modularen Mikrojet-Kühler mit einer Basis, die eine Mehrzahl von Mikrojet-Düsen und einen Auslassanschluss aufweist; hochstehenden Seitenwänden, die sich von der Basis erstrecken und eine Kavität mit einer offenen Seite bilden; und einem Befestigungsmechanismus, der an Enden der hochstehenden Seitenwände angeordnet ist; eine Abdichtung, die an einer äußeren Bodenfläche der Basis angeordnet ist, wobei die Abdichtung mindestens eine der Mehrzahl von Mikrojet-Düsen umgibt; eine zweite Abdichtung, die an der äußeren Bodenfläche der Basis angeordnet ist, wobei die zweite Abdichtung den Auslassanschluss umgibt; und einen Verteiler mit einer ersten Öffnung, die mit den Mikrojet-Düsen in Verbindung steht, um den Mikrojet-Düsen ein Zuführ-Fluid zuzuführen, und einer zweiten Öffnung, um ein Ablass-Fluid von dem Auslassanschluss aufzunehmen. Bei bestimmten Ausführungsformen bewirken die Abdichtung und die zweite Abdichtung eine fluiddichte Verbindung zwischen dem modularen Mikrojet-Kühler und dem Verteiler. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Anordnung außerdem eine gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung, wobei die Enden der hochstehenden Seitenwände unter Verwendung des Befestigungsmechanismus an einer Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine fluiddichte Verbindung gebildet wird. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Befestigungsmechanismus ein Lötmittel, einen Klebstoff oder eine Abdichtung. Bei einigen Ausführungsformen ist die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an einer Leiterplatte montiert.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in denen:

1 zeigt die Fluid-Stromlinien, die analytisch für ein Array von Mikrojets vorhergesagt wurden.
2 zeigt den Wärmeübertragungskoeffizienten an der Aufprallfläche.
3 stellt den modularen Mikrojet-Kühler gemäß einer Ausführungsform dar, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht ist.
4A-4B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht des modularen Mikrojet-Kühlers gemäß einer Ausführungsform.
5A-5B zeigen eine Unteransicht bzw. eine Querschnittsansicht des modularen Mikrojet-Kühlers aus 4A, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht des modularen Mikrojet-Kühlers aus 4A, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht ist, die an einer Leiterplatte montiert ist.
7 zeigt die Fluid-Strömung in dem modularen Mikrojet-Kühler aus 4A.
8A-8C zeigen eine Draufsicht, eine Unteransicht bzw. eine Querschnittsansicht des modularen Mikrojet-Kühlers gemäß einer anderen Ausführungsform.
9 zeigt den modularen Mikrojet-Kühler aus 8A, der an einer gepackten Vorrichtung befestigt ist, die an einer Leiterplatte montiert ist.
10A-10B zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht des modularen Mikrojet-Kühlers gemäß einer anderen Ausführungsform.
11 zeigt einen Verteiler, der mit der Ausführungsform aus 8A-8C und 9 verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung
Mikrojet-Impingement ist eine Wärmeübertragungstechnik, bei der ein Strahl oder eine Array von Strahlen (Jets) auf eine Oberfläche auftrifft, mit dem Ziel, Wärme zwischen der Oberfläche und dem Fluid des Strahls zu übertragen. Strahlen können durch Verwendung von Düsen, Rohren oder einer Öffnungsplatte gebildet werden und zeichnen sich durch ein wesentlich höheres Momentum in einer Richtung im Vergleich zu dem umgebenden Fluid aus. Üblicherweise ist ein turbulentes Strahl-Austrittsgeschwindigkeitsprofil über den Radius flach und verringert sich am Rand auf Null, und zwar aufgrund des Vorhandenseins der Düse. Durch diesen Hochgeschwindigkeitsstrahl wird die thermische Grenzschicht an der Wärmeübertragungsfläche vermindert, was zu hohen Wärmeübertragungskoeffizienten führt.
Bei einer möglichen Implementierung tritt ein Array aus Mikrojets aus einer Reservoir-Region durch eine Verengung im Mikrometerbereich in einer Strahlplatte mit hohen Geschwindigkeiten aus. Der Mikrojet ist eingetaucht (austreten des Strahls in eine Region, die Kühlmittel anstelle eines anderen Fluids oder eines Vakuums enthält) und durch die Geometrie begrenzt. Der Mikrojet ist auf die Aufprallfläche gerichtet, wo lokal hohe Fluid-Geschwindigkeiten, Grenzschichtunterdrückung und turbulente Vermischung extrem hohe konvektive Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der Aufprallfläche und dem Kühlmittel erzeugen. Die Mikrojets können geometrisch als Array angeordnet sein, um größere Oberflächengebiete zu kühlen, mit Wärmeübertragungskoeffizienten von mehr als 400 kW/m²K, gemittelt über eine Aufprallfläche von 1 mm², wie wird durch computerberechnete Fluid-Dynamik-Analysen typischer Geometrien gezeigt wird. Dadurch können signifikante Vorteile gegenüber gegenwärtigen fortschrittlichen Kühlplatten-Konstruktionen mit einer Leistungsfähigkeit in der Größenordnung von 1 bis 10 kW/m²K erreicht werden.
1 zeigt Fluid-Strömungslinien, wie sie analytisch unter Verwendung von computerberechneten Fluid-Dynamiken vorhergesagt wurden. Diese Strömungslinien treffen auf die Aufprallfläche 102 der Komponente 100 auf. Das Kühlmittel wird erwärmt, und seine Geschwindigkeit wird umgekehrt und nimmt ab. In dieser Figur tritt das Kühlmittel durch Auslassanschlüsse aus, die außerhalb des Arrays aus Mikrojets 220 angeordnet sind. Strömungen mit höherer Geschwindigkeit sind mit Hilfe von durchgezogenen Linien gezeigt, während Strömungen mit geringerer Geschwindigkeit durch gepunktete Linien dargestellt sind.
2 zeigt den Wärmeübertragungskoeffizienten an der Aufprallfläche 102. In dieser Figur sind die Mikrojets 220 als ein 4×4-Array angeordnet, das über eine Fläche von 1 mm² verteilt ist. Jeder Mikrojet 220 hat einen Durchmesser von 100 µm. In diesem Beispiel beträgt die mittlere Mikrojet-Geschwindigkeit 30 m/s. Der Wärmeübertragungskoeffizient liegt bei 600,000 W/m²K. Dieser Wärmeübertragungskoeffizient nimmt mit zunehmender Entfernung von der Aufprallzone ab.
Daher wäre es vorteilhaft, die Mikrojet-Kühlung als eine Wärmeübertragungstechnik für wärmeerzeugende Komponenten zu verwenden. Die vorliegende Erfindung führt das Konzept eines modularen Mikrojet-Kühlers ein. Im Gegensatz zu vielen vorhandenen Wärmemanagementlösungen mit hoher Leistungsfähigkeit erreicht der modulare Mikrojet-Kühler eine sehr hohe thermische Leistungsfähigkeit, muss jedoch beim Herstellen und Packen der Vorrichtung nicht neugestaltet oder integriert werden. Stattdessen kann ein modularer Mikrojet-Kühler direkt auf einer neuen oder bereits vorhandenen Packung integriert werden, wobei das Äußere der Packung die Aufprallfläche bildet. Außerdem wird beim direkten Auftreffen die Notwendigkeit zusätzlicher thermischer Interface-Materialien (TIMs, z.B. thermische Pasten) vermieden, die ansonsten für die mechanische Verbindung von gerippten Wärmesenken, herkömmlichen Kühlplatten oder Mikrokanal-Aufsätzen erforderlich sind.
Elektronische Komponenten und andere Komponenten sind ebenfalls in einer Packung eingeschlossen, die aus Keramik, Kunststoff oder anderen Materialien hergestellt sein kann. Die elektrischen Leitungen von der Komponente enden normalerweise an Kontaktstellen, Stiften oder Erhebungen auf der äußeren Oberfläche dieser Packung. Der Typ oder die Konfiguration der Packung, die die wärmeerzeugende Vorrichtung einschließt, ist durch diese Offenbarung nicht beschränkt.
Diese Integration kann erreicht werden, indem der modulare Mikrojet-Kühler dauerhaft mit einer äußeren Oberfläche der gepackten elektronischen Komponente verbunden wird, beispielsweise unter Verwendung von Klebstoff oder Lötmittel. Alternativ kann diese Integration durch eine temporäre Verbindung erreicht werden, beispielsweise unter Verwendung von Abdichtungen und einer mechanischen Klemmkraft. Durch Verwendung modularer Mikrojet-Kühler werden die oft unregelmäßigen thermischen Pfade zwischen Komponenten-Packungen und ihrer zugehörigen Wärmesenke durch eine einzige konvektive Lösung mit hoher Leistungsfähigkeit ersetzt. In vielen Fällen erfordert die Verwendung eines modularen Mikrojet-Kühlers keine Modifikationen bezüglich des bestehenden Komponenten-Herstellungsprozesses oder des Designs der Packung.
3 zeigt einen modularen Mikrojet-Kühler 300, der mit einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 verlötet ist, die ein Galliumnitrid (GaN) QFN Packung sein kann. Die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung 350 ist an einer herkömmlichen Leiterplatte (PCB) 360 angeordnet. Indem das Äußere der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 als die Aufprallfläche verwendet wird, werden höhere Wärmeübertragungskoeffizienten erzielt, als wenn eine Wärmesenke oder eine Kühlplatte mit der Packung verklebt oder verbunden wäre. Außerdem werden thermische Schnittstellenverluste reduziert, wodurch die Leistungsfähigkeit weiter verbessert wird.
In dieser Darstellung weist das PCB 360 eine Aussparung auf, so dass die Unterseite der gepackten wärmeerzeugende Vorrichtung 350 zugänglich ist. Der modulare Mikrojet-Kühler 300 wird dann an einer Oberfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 befestigt. Der modulare Mikrojet-Kühler 300 kann an irgendeiner undurchlässigen Oberfläche der Packung befestigt werden, wird aber üblicherweise an der thermischen Pad-Oberfläche der Packung befestigt, sofern diese vorhanden ist, um die größte Wirkung zu erzielen. Bei vielen Ausführungsformen kann dies die Unterseite der Packung sein. Bei anderen Ausführungsformen ist jedoch die Unterseite der Packung möglicherweise nicht zugänglich. Bei diesen Ausführungsformen kann der modulare Mikrojet-Kühler 300 an der oberen Oberfläche der Packung befestigt sein.
3 zeigt schraffierte Strömungslinien 301, die das Zuführ-Fluid darstellen, wenn dieses in Richtung auf die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung 350 strömt und auf diese auftrifft. Die schraffierten Strömungslinien 302 stellen das Ablass-Fluid dar, das anschließend von dem modularen Mikrojet-Kühler 300 abgeführt wird. Wie in 3 gesehen werden kann, sind die Mikrojets eingetaucht, wodurch anzeigt wird, dass das Zuführ-Fluid in eine Region austritt, die Ablass-Fluid enthält und durch eine Geometrie begrenzt ist.
3 soll veranschaulichen, dass der modulare Mikrojet-Kühler 300 an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 angebracht werden kann. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die benutzt werden können, um diese Verbindung zu erreichen. Besonders hervorzuheben ist, dass das Material des modularen Mikrojet-Kühlers und das Verfahren zur Befestigung keinen wesentlichen Einfluss auf die thermische Leistungsfähigkeit haben. Dies ermöglicht eine große Flexibilität bei der Auswahl der Materialien, wobei die Notwendigkeit teurer Beschichtungen oder aufgebrachter Schichten mit hoher Leitfähigkeit vermieden wird.
4A-B zeigen eine erste Ausführungsform, wobei 4A eine Draufsicht und 4B eine Querschnittsansicht ist. Der modulare Mikrojet-Kühler 400 umfasst eine Mehrzahl hochstehender Seitenwände 401, die mit einer Basis 402 verbunden sind. Die hochstehenden Seitenwände 401 erstrecken sich bis über die Basis 402 hinaus, wodurch eine Kavität 403 gebildet wird (siehe 7). Die Kavität 403 wird durch die Basis 402 sowie durch die hochstehenden Seitenwände 401 gebildet und hat eine offene Seite. Ein Klebstoff, eine Vorform oder ein Lötmittel kann an den Enden der hochstehenden Seitenwände 401 vorgesehen sein, um eine fluiddichte Verbindung mit der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 auf dem PCB zu ermöglichen. Die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung ist benachbart der offenen Seite der Kavität angebracht und wandelt die Kavität 403 in eine abgedichtete Region um. Die abgedichtete Region wird durch die Basis 402, die hochstehenden Seitenwände 401 und die Oberfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 gebildet.
Die Basis 402 hat einen zentralen Bereich 410, der eine Mehrzahl von Mikrojet-Düsen 411 aufweist. An der äußeren Oberfläche der Basis 402 ist das Einlassrohr 440 angebracht. Das Einlassrohr 440 kann auf verschiedene Weise an dem modularen Mikrojet-Kühler 400 angebracht sein, und der Befestigungsmechanismus ist nicht auf diese Offenbarung beschränkt. Die Mikrojet-Düsen 411 stehen in Fluidverbindung mit dem Einlassrohr 440. Beispielsweise kann die Basis 402 so ausgebildet sein, um interne Durchgänge zwischen dem Einlassrohr 440 und den Mikrojet-Düsen 411 zu haben.
Obwohl der zentrale Bereich 410 als kreisförmig dargestellt ist, sind auch andere Formen möglich. Diese Mikrojet-Düsen 411 können in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sein, wie in 4A gezeigt, können aber in einem anderen Muster angeordnet sein kann. Ferner kann, obwohl eine Matrix aus 4×4 Mikrojet-Düsen gezeigt ist, die Matrix eine beliebige Dimension haben und muss bei bestimmten Ausführungsformen bezüglich der beiden Dimensionen nicht gleich sein. Diese Anordnung von Mikrojet-Düsen 411 kann als ein Mikrojet-Einlass-Array bezeichnet werden.
Ein Graben 420 kann den zentralen Bereich 410 umgeben. Dieser Graben 420 kann sich in die Basis 402 erstrecken und bildet einen Kanal, um Ablass-Fluid zum Auslassanschluss 421 zu leiten. Der Auslassanschluss 421 umfasst ein oder mehrere Löcher, die durch die Basis 402 verlaufen, und stellt einen Befestigungsmechanismus für das Auslassrohr 430 zur Verfügung. Das Auslassrohr 430 kann auf verschiedene Arten an dem modularen Mikrojet-Kühler 400 befestigt werden, und der Befestigungsmechanismus ist nicht auf diese Offenbarung beschränkt.
5A und 5B zeigen den modularen Mikrojet-Kühler 400, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 angebracht ist. Ein Befestigungsmechanismus 404 kann verwendet werden, um den modularen Mikrojet-Kühler 400 an der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 zu befestigen. Der Befestigungsmechanismus 404 kann ein Klebstoff, Lötmittel, eine Abdichtungen oder Klemmkraft sein. Beispielsweise kann dieser Befestigungsmechanismus 404 ein Lötmittel (Gold-Zinn, Indium usw.) oder ein Klebstoff (Epoxyd, RTV usw.) sein. 5A zeigt eine Unteransicht, während 5B eine Querschnittsansicht zeigt. Obwohl das Einlassrohr 440 und das Auslassrohr 430 als gekrümmt gezeigt sind, ist die Konfiguration der Rohre nicht durch diese Offenbarung beschränkt. Ferner können sich die relativen Größen des Einlassrohrs 440 und des Auslassrohrs 430 von denen unterscheiden, die in den Figuren gezeigt sind.
6 zeigt den modularen Mikrojet-Kühler 400, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 angebracht ist, die an einem PCB 360 montiert ist.
7 zeigt den modularen Mikrojet-Kühler 400 im Einsatz. Fluid tritt durch das Einlassrohr 440 in den modularen Mikrojet-Kühler 400 ein. Das Fluid strömt durch die Mikrojet-Düsen 411 und wird in Richtung auf die Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 geleitet. Mit anderen Worten, die Mikrojet-Düsen 411 sind so ausgerichtet, dass das Fluid, das durch die Mikrojet-Düsen 411 strömt, in Richtung auf die offene Seite der Kavität 403 geleitet wird. Das Fluid füllt die Kavität 403. Wie vorstehend beschrieben, ist die Kavität 403 durch die Basis 402 sowie durch die hochstehenden Seitenwände 401 gebildet und hat eine offene Seite. Eine abgedichtete Region ist zwischen der Basis 402 und der äußeren Oberfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 gebildet, wenn die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung 350 an den Enden der hochstehenden Seitenwände 401 angebracht ist. Ablass-Fluid kann in den Graben 420 eintreten und strömt zum Auslassanschluss 421 (siehe 4A). Das Ablass-Fluid strömt durch den Auslassanschluss 421 und tritt über das Auslassrohr 430 aus. Der modulare Mikrojet-Kühler 400 ist an der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 entlang den Enden der hochstehenden Seitenwände 401 unter Verwendung des Befestigungsmechanismus 404 angebracht. Beispielsweise kann ein Klebstoff oder ein Epoxidharz, der temporär oder permanent sein kann, an den Enden der hochstehenden Seitenwände 401 vorgesehen sein, und die hochstehenden Seitenwände 401 werden gegen die Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 gedrückt. Somit wird zwischen den Enden der hochstehenden Seitenwände 401 und der Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 eine fluiddichte Abdichtung gebildet.
Obwohl 4A-4B eine bestimmte Konfiguration zeigen, die einen kreisförmigen zentralen Bereich mit einem Array aus Mikrojet-Düsen, die mit einem Einlassrohr verbunden sind, und einen den zentralen Bereich umgebenden Graben aufweist, der mit einem Auslassrohr verbunden ist, ist die Offenbarung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können mehrere Einlassrohre und/oder Auslassrohre vorhanden sein. Somit kann bei bestimmten Ausführungsformen mehr als ein Auslassanschluss vorgesehen sein, von denen jeder mit einem zugehörigen Auslassrohr verbunden ist.
10A-10B zeigen eine andere Ausführungsform des modularen Mikrojet-Kühlers 1000. 10A zeigt eine Querschnittsansicht, wohingegen 10B eine perspektivische Ansicht zeigt. Bei dieser Ausführungsform umfasst der modulare Mikrojet-Kühler 1000 eine Basis 1002 und hochstehende Seitenwände 1001, die eine Kavität 1003 bilden. Wie vorstehend beschrieben, kann der modulare Mikrojet-Kühler 1000 an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung durch Anwenden eines Befestigungsmechanismus angebracht sein, wie zum Beispiel ein Klebstoff, Lötmittel, Abdichtungen oder Klemmkraft, um die Enden der hochstehenden Seitenwände 1001 an der Packung zu befestigen. Dieser Befestigungsmechanismus 1004 kann ein Lötmittel (Gold-Zinn, Indium usw.) oder ein Klebstoff (Epoxyd, RTV usw.) sein. Obwohl er als eine Vorform dargestellt ist, kann es sich um ein beliebiges Bindemittel handeln, durch das das Mikrojet-Modul mit einer Komponente verbunden wird.
Wie vorstehend beschrieben, hat die Kavität 1003 eine offene Seite. Eine Einlassverbindung 1030 ist an einer unteren Oberfläche der Basis 1002 angeordnet. Die Einlassverbindung 1030 kann ein gerippter Stecknippel sein, der auf einfache Weise mit einem Rohr verbunden werden kann. Die Einlassverbindung 1030 hat einen Durchgang 1031, um zu ermöglichen, dass ein Fluid in die Basis 1002 strömt. Mehrere Mikrojet-Düsen 1011 stehen mit dem Durchgang 1031 in der Einlassverbindung 1030 in Fluidverbindung und enden in der Basis 1002, die der Kavität 1003 zugewandt ist. Die Mikrojet-Düsen 1011 sind so ausgerichtet, dass das Fluid in Richtung auf die offene Seite der Kavität 1003 strömt.
Bei dieser Ausführungsform steht auch eine Auslassverbindung 1040 mit der Basis 1002 in Verbindung. Die Auslassverbindung 1040 kann ebenfalls gerippt sein, um eine einfache Befestigung eines Rohrs zu ermöglichen. Die Auslassverbindung 1040 hat einen Durchgang 1041 in Fluidverbindung mit der Kavität 1003. Mit anderen Worten, der Durchgang 1041 endet an der Kavität 1003 mit einer Auslassanschluss 1042 in der Basis 1002. Bei dieser Ausführungsform kann die Kavität 1003 wie ein rechteckiges Prisma geformt sein. Die Mikrojet-Düsen 1011 können an einem Bereich der Basis 1002 angeordnet sein, und der Auslassanschluss 1042 kann an einem zweiten Bereich der Basis 1002 angeordnet sein, der zu den Mikrojetdüsen 1011 benachbart ist.
Obwohl 10A-10B für die Einlassverbindung 1030 und die Auslassverbindung 1040 gerippte Stecknippel zeigen, können auch andere Anschlüsse verwendet werden. Beispielsweise können die Einlassverbindung 1030 und die Auslassverbindung 1040 durch Schnellverschlusskupplungen gebildet sein, von denen es viele Arten und Ausführungen gibt. Diese Kupplungen sind dem Fachmann bekannt.
Die in 10A-10B gezeigte Ausführungsform kann am besten für wärmeerzeugende Vorrichtungen geeignet sein, die eine rechteckige Form haben. Durch Modifizieren der Abmessungen kann diese Ausführungsform jedoch auch quadratische Packungen aufnehmen.
Außerdem gibt es Ausführungsformen, bei denen keine Rohre verwendet werden müssen. 8A-8C zeigen ein solches Beispiel. 8A eine Draufsicht, 8B eine Unteransicht, und 8C zeigt eine Querschnittsansicht. Bei dieser Ausführungsform weist die Basis 502 des modularen Mikrojet-Kühlers 500 eine Mehrzahl von Mikrojet-Düsen 511 auf. Diese Mikrojet-Düsen 511 erstrecken sich durch die gesamte Basis 502 und bilden einen Durchgang von der äußeren Bodenfläche der Basis 502 bis in die Kavität 503. Die Mikrojet-Düsen 511 dienen als Einlässe für das Zuführ-Fluid. Auslassanschlüsse 521 dienen als Auslässe. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Mikrojet-Düsen 511 näher an der Mitte der Basis 502 angeordnet als die Auslassanschlüsse 521. Seitenwände 501 umgeben die Basis 502 und erstrecken sich von der Basis 502 nach oben. Die obere Fläche der Seitenwände 501 ist unter Verwendung eines Befestigungsmechanismus an einer äußeren Fläche der gepackten Vorrichtung angebracht. Dies kann unter Verwendung von Klebstoff, Lötmittel, Abdichtungen oder anderen Mechanismen erreicht werden. Diese Befestigung zwischen den Seitenwänden 501 und der gepackten Vorrichtung kann bei bestimmten Ausführungsformen fluiddicht sein.
An der äußeren Bodenfläche der Basis 502 gegenüber der Kavität 503 kann, wie in 8B gezeigt, eine Abdichtung 517 um die Mikrojet-Düsen 511 herum angeordnet sein. Die Abdichtung 517 kann bei bestimmten Ausführungsformen ein O-Ring sein. In ähnlicher Weise kann eine zweite Abdichtung 518 um den Außenumfang der Austrittsanschlüsse 521 herum angeordnet sein. Bei anderen Ausführungsformen können Abdichtungen um jede einzelne Öffnung herum angeordnet sein, anstatt um Gruppen von Öffnungen, wie in 8B gezeigt.
9 zeigt den modularen Mikrojet-Kühler 500, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 befestigt ist, die an einer Leiterplatte 360 montiert ist. Wie oben beschrieben, kann der modulare Mikrojet-Kühler 500 an der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung 350 befestigt werden, und zwar entweder bevor oder nachdem diese an der Leiterplatte 360 montiert wurde. Jede der Öffnungen oder Gruppen von Öffnungen in der Basis 502 befindet sich in Ausrichtung mit einem entsprechenden Loch in einem externen Verteiler, wie in 11 gezeigt ist. Dieser externe Verteiler 600 versorgt die Mikrojet-Düsen 511 über den Auslass 610 mit Zuführ-Fluid und nimmt über den Einlass 620 das Ablass-Fluid von den Auslassanschlüssen 521 auf. Eine fluiddichte Verbindung kann zwischen dem modularen Mikrojet-Kühler 500 und dem externen Verteiler 600 hergestellt werden, und zwar durch Aufbringen eines ausreichenden Drucks gegen die Abdichtungen. Wie in 11 gezeigt, kann der externe Verteiler 600 einen modularen Mikrojet-Aufsatz 601 aufweisen, der den Auslass 610 und den Einlass 620 umfasst. Ferner kann der externe Verteiler 600 eine Mehrzahl dieser modularen Mikrojet-Aufsätze 601 aufweisen, um eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden Vorrichtungen aufzunehmen, die an einem einzigen PCB angeordnet sind. Jeder modulare Mikrojet-Aufsatz 601 kann konfiguriert sein, um mit den Abdichtungen 517, 518 an der äußeren Bodenfläche der Basis 502 des modularen Mikrojet-Kühlers 500 zusammenzupassen, der in 8B gezeigt ist. Der externe Verteiler 600 weist außerdem einen Haupteinlass 630 und einen Hauptauslass 640 auf, die Fluid zu und von den modularen Mikrojet-Aufsätzen 601 des externen Verteilers 600 zu leiten.
Folglich beschreibt die vorliegende Offenbarung einen modularen Mikrojet-Kühler, der an einer gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht werden kann. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Rohre direkt mit der Basis verbunden sein, wie in 4-7 gezeigt ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Basis Einlass- und Auslassverbindungen aufweisen, die eine Anbringung von Rohrleitungen ermöglichen, wie in 10A-10B gezeigt ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann der modulare Mikrojet-Kühler an einem externen Verteiler angebracht sein, wie in 9 gezeigt ist.
Außerdem kann der modulare Mikrojet-Kühler an der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht werden, und zwar entweder bevor oder nachdem die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an der Leiterplatte angebracht wird. Mit anderen Worten, bei bestimmten Ausführungsformen wird der modulare Mikrojet-Kühler an der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung angebracht, bevor diese an der Leiterplatte montiert wird. Bei anderen Ausführungsformen wird der modulare Mikrojet-Kühler an der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt, nachdem diese an der Leiterplatte montiert wurde.
Die vorliegende Erfindung soll hinsichtlich ihres Schutzumfangs nicht durch die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein. Stattdessen sind andere verschiedene Ausführungsformen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zu jenen, die hier beschrieben sind, für den Durchschnittsfachmann aus der vorstehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Somit sollen diese anderen Ausführungsformen und Modifikationen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Obwohl die vorliegende Erfindung hier in Zusammenhang mit einer bestimmten Implementierung in einer bestimmten Umgebung für einen bestimmten Zweck beschrieben wurde, wird der Fachmann darüber hinaus erkennen, dass ihre Nützlichkeit nicht darauf beschränkt ist, und dass die vorliegende Erfindung in einer beliebigen Anzahl von Umgebungen für eine beliebige Anzahl von Zwecken vorteilhaft implementiert werden kann. Folglich sollten die nachstehenden Ansprüche im Hinblick auf die volle Breite und den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, ausgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/535339 [0001]

Claims

Modularer Mikrojet-Kühler, umfassend: eine Basis mit einer Mehrzahl von Mikrojet-Düsen und einem Auslassanschluss; hochstehende Seitenwände, die sich von der Basis erstrecken und eine Kavität mit einer offenen Seite gegenüberliegend zur Basis bilden; einen Befestigungsmechanismus, der an Enden der hochstehenden Seitenwände angeordnet ist; ein Einlassrohr, das mit der Mehrzahl von Mikrojet-Düsen in Verbindung steht; und ein Auslassrohr, das mit dem Auslassanschluss in Verbindung steht.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 1, wobei die Basis einen zentralen Bereich, in dem die Mehrzahl von Mikrojet-Düsen angeordnet sind, und einen Graben aufweist, der den zentralen Bereich umgibt, wobei der Auslassanschluss in dem Graben angeordnet ist.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 1, wobei das Einlassrohr und das Auslassrohr an einer Außenfläche gegenüberliegend zur Kavität an der Basis angebracht sind.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 1, wobei der Befestigungsmechanismus ein Lötmittel, einen Klebstoff oder eine Abdichtung umfasst.
Modularer Mikrojet-Kühler, umfassend: eine Basis mit einer Mehrzahl von Mikrojet-Düsen und einem Auslassanschluss; hochstehende Seitenwände, die sich von der Basis erstrecken und eine Kavität mit einer offenen Seite gegenüberliegend zur Basis bilden; einen Befestigungsmechanismus, der an Enden der hochstehenden Seitenwände angeordnet ist; eine Einlassverbindung, die an einer Bodenfläche der Basis gegenüberliegend zur Kavität angeordnet ist, wobei die Einlassverbindung einen Durchgang aufweist, der mit der Mehrzahl von Mikrojet-Düsen in Verbindung steht; und eine Auslassverbindung, die an einer Bodenfläche der Basis gegenüberliegend zur Kavität angeordnet ist, wobei die Auslassverbindung einen Durchgang aufweist, der mit dem Auslassanschluss in Verbindung steht.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 5, wobei die Einlassverbindung und die Auslassverbindung gerippte Stecknippel sind.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 5, wobei die Einlassverbindung und die Auslassverbindung Schnellverschlusskupplungen sind.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 5, wobei die Basis einen ersten Bereich, in dem die Mehrzahl von Mikrojet-Düsen angeordnet ist, und einen zweiten Bereich benachbart zum ersten Bereich umfasst, wobei der Auslassanschluss in dem zweiten Bereich angeordnet ist.
Modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 5, wobei der Befestigungsmechanismus ein Lötmittel, einen Klebstoff oder eine Abdichtung umfasst.
Anordnung, umfassend: eine gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung; und den modularen Mikrojet-Kühler nach Anspruch 1, wobei die Enden der hochstehenden Seitenwände unter Verwendung des Befestigungsmechanismus an einer Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine fluiddichte Verbindung gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an einer Leiterplatte montiert ist.
Anordnung, umfassend: eine gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung; und den modularer Mikrojet-Kühler nach Anspruch 6, wobei die Enden der hochstehenden Seitenwände unter Verwendung des Befestigungsmechanismus an einer Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine fluiddichte Verbindung gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an einer Leiterplatte montiert ist.
Anordnung, umfassend: einen modularen Mikrojet-Kühler, mit einer Basis, die eine Mehrzahl von Mikrojet-Düsen und einen Auslassanschluss aufweist; hochstehenden Seitenwänden, die sich von der Basis erstrecken und eine Kavität mit einer offenen Seite bilden; und einem Befestigungsmechanismus, der an Enden der hochstehenden Seitenwände angeordnet ist; eine Abdichtung, die an einer äußeren Bodenfläche der Basis angeordnet ist, wobei die Abdichtung mindestens eine der Mehrzahl von Mikrojet-Düsen umgibt; eine zweite Abdichtung, die an der äußeren Bodenfläche der Basis angeordnet ist, wobei die zweite Abdichtung den Auslassanschluss umgibt; und einen Verteiler mit einer ersten Öffnung, die mit den Mikrojet-Düsen in Verbindung steht, um den Mikrojet-Düsen ein Zuführ-Fluid zuzuführen, und einer zweiten Öffnung, um ein Ablass-Fluid von dem Auslassanschluss aufzunehmen.
Anordnung nach Anspruch 14, wobei durch die Abdichtung und die zweite Abdichtung eine fluiddichte Verbindung zwischen dem modularen Mikrojet-Kühler und dem Verteiler gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 14, die außerdem eine gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung umfasst, wobei die Enden der hochstehenden Seitenwände unter Verwendung des Befestigungsmechanismus an einer Aufprallfläche der gepackten wärmeerzeugenden Vorrichtung befestigt sind, wodurch eine fluiddichte Verbindung gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei der Befestigungsmechanismus ein Lötmittel, einen Klebstoff oder eine Abdichtung umfasst.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei die gepackte wärmeerzeugende Vorrichtung an einer Leiterplatte montiert ist.