DE19832710A1

DE19832710A1 - Electro-optical assembly for data transmission

Info

Publication number: DE19832710A1
Application number: DE19832710A
Authority: DE
Inventors: Volker Plickert; Lutz Melchior
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2000-01-27
Also published as: WO2000004588A1

Abstract

The assembly group includes a base module with a cooling body (2) which is selected from several cooling bodies with respect to required heating elimination. The base module includes several electronic components (14,16) and a heat sink (20) to which the components convey generated heat loss. The heat sink forms a thermal interface (23) at the outer side (21) of the base module. The thermal interface is connected with the selected cooling body. Preferably, the cooling body is allocated to further base modules.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrooptischen Bau gruppen zur Nachrichtenübermittlung, die auch als elektroop tische Module bezeichnet werden. Derartige Baugruppen weisen zumindest ein elektrooptisch aktives Element auf, das auch elektrooptischer Wandler genannt wird. Ein elektrooptischer Wandler dient zur Umsetzung elektrischer in optische bzw. op tischer in elektrische Signale. Die optischen Signale werden üblicherweise über Lichtwellenleiter von der einen Baugruppe zu einer korrespondierenden weiteren Baugruppe übertragen und erlauben eine störungssichere Datenübertragung mit außeror dentlicher hoher Geschwindigkeit.The invention is in the field of electro-optical construction groups for messaging, also known as electroop table modules. Such assemblies have at least one electro-optically active element, that too electro-optical converter is called. An electro-optical Converter is used to convert electrical into optical or op table in electrical signals. The optical signals are usually via fiber optic cables from one module transferred to a corresponding further assembly and allow interference-free data transmission with exceptional dental high speed.

Aus der EP 0 709 699 A2 ist eine elektrooptische Baugruppe (Transceiver) bekannt, die sowohl einen optischen Sender als auch einen optischen Empfänger umfaßt. Der Sender kann bei spielsweise als elektrooptischen Wandler eine Laserdiode und der Empfänger als Wandler eine Fotodiode enthalten. Mit dem jeweiligen Wandler ist über präzise baugruppenseitige Aus richthülsen je ein zentral in einem Steckerstift eines Steck verbinders gehaltenes Lichtwellenleiterende eines Übertra gungskabels optisch koppelbar. Die Wandler und weitere der Signalverarbeitung oder Signalaufbereitung dienende elektro nische Komponenten sind in einem gemeinsamen Kunststoffge häuse untergebracht, das auch die Ausrichthülsen hält. Das Gehäuse ist im rückwärtigen Bereich mit Kühlrippen und Lüf tungsschlitzen versehen, um betriebsbedingt von den Wandlern und den elektronischen Komponenten abgegebene Verlustwärme abführen zu können. Der sich dabei einstellende Wärmeübergang zwischen der Baugruppentemperatur und der Umgebungstemperatur wird durch den sog. externen thermischen Übergangswiderstand beschrieben. Dieser ist von der Kühlkörpergeometrie und der Geschwindigkeit der äußeren Kühlluft abhängig.EP 0 709 699 A2 is an electro-optical assembly (Transceiver) known that both an optical transmitter also includes an optical receiver. The transmitter can at for example, a laser diode and as an electro-optical converter the receiver contains a photodiode as a converter. With the respective converter is about precise module side out straightening sleeves one centrally in a connector pin of a plug connector held fiber end of a transmission cable optically connectable. The converters and others Signal processing or signal processing electrical African components are in a common plastic ge housing that also holds the alignment sleeves. The Housing is in the rear area with cooling fins and ventilation slots provided to prevent operation of the converters and waste heat given off to the electronic components to be able to dissipate. The resulting heat transfer between the module temperature and the ambient temperature is due to the so-called external thermal contact resistance described. This is from the heat sink geometry and the External cooling air speed dependent.

Bei verstärkter Wärmeentwicklung und/oder ungünstigen Konvek tionsströmungen (beispielsweise bei einer Vielzahl von in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordneten elektroop tischen Baugruppen) müssen die gehäuseseitigen Kühlrippen - z. B. durch spezielle Kühlrippengeometrien - entsprechend lei stungsfähiger konzeptioniert werden.With increased heat development and / or unfavorable convex tion currents (for example, with a large number of in Air flow direction arranged one behind the other electroop assemblies), the cooling fins on the housing side - e.g. B. by special cooling fin geometries - accordingly lei be more sustainable.

Daraus ergibt sich die Problematik, daß mangels genauer Kenntnis der jeweiligen anwenderspezifischen Kühlsituation bezüglich der Wärmeabfuhrfähigkeit der elektrooptischen Bau gruppe Maximalanforderungen erfüllt werden müssen; d. h., die Baugruppe muß derart ausgelegt werden, daß auch unter ungün stigsten Kühlungsbedingungen eine Überhitzung der Baugruppe verhindert wird. Dies bedeutet andererseits, daß ein Anwender einer derartigen Baugruppe bei tatsächlich günstigen Kühlver hältnissen aufgrund der dann vorliegenden Überdimensionierung Nachteile hinsichtlich der Kosten und des Raumbedarfs in Kauf nehmen muß. Weitere Probleme können sich ergeben, wenn bei bereits montierten Baugruppen sich die Kühlungsverhältnisse beispielsweise dadurch verändern (verschlechtern), daß zu sätzliche Baugruppen nachträglich installiert werden, die zu sätzlich vom bestehenden Kühlungsluftstrom partizipieren.From this arises the problem that, due to the lack of accuracy Knowledge of the respective user-specific cooling situation regarding the heat dissipation capability of electro-optical construction group maximum requirements must be met; d. i.e., the Module must be designed so that even under unun most cooling conditions an overheating of the assembly is prevented. On the other hand, this means that a user such an assembly with actually cheap Kühlver conditions due to the then existing oversizing Disadvantages in terms of cost and space requirements in purchase must take. Further problems can arise if at already assembled assemblies, the cooling conditions For example, change (worsen) in that Additional modules are installed subsequently, too additionally participate in the existing cooling air flow.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer elektrooptischen Baugruppe, die hinsichtlich ihres Wärmeab fuhrverhaltens möglichst genau den Gegebenheiten und indivi duellen Einsatzbedingungen angepaßt werden kann.The object of the invention is to create a electro-optical assembly, which with respect to its heat driving behavior as closely as possible to the circumstances and individual duel operating conditions can be adapted.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektro optische Baugruppe mit einem Basismodul, das mit einem Kühl körper bestückt ist, der im Baukastenprinzip aus mehreren al ternativen Kühlkörpern unter Berücksichtigung der erforderli chen Wärmeabfuhr ausgewählt ist, wobei das Basismodul mehrere elektronische Bauelemente enthält und eine Wärmesenke auf weist, an die die Bauelemente betriebsbedingt erzeugte Ver lustwärme abgeben, wobei die Wärmesenke an einer Außenseite des Basismoduls eine thermische Schnittstelle bildet und wo bei die thermische Schnittstelle mit dem ausgewählten Kühl körper wärmeleitend verbunden ist.This object is achieved by an electro optical assembly with a basic module with a cooling body is equipped, which consists of several al alternative heat sinks taking into account the required Chen heat dissipation is selected, with the base module several contains electronic components and a heat sink points to which the components generated operationally Ver Give off lust heat, with the heat sink on an outside of the base module forms a thermal interface and where at the thermal interface with the selected cooling body is thermally connected.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine elektrooptische Baugruppe vorzusehen, die aus einem separaten Basismodul und einem spezifisch nach den jeweiligen Wärmeab fuhranforderungen ausgesuchten Kühlkörper besteht. Das Basis modul enthält die elektrooptischen bzw. elektronischen Funk tionselemente und die Wärmesenke mit einer geometrischen und entsprechend thermischen Schnittstelle. Die Wärmesenke kann beispielsweise als eine eine Außenseite des Basismoduls bil dende einheitliche Basisplatte realisiert sein. Bevorzugt bildet die Basisplatte die Oberseite des Basismoduls. Mit der Wärmesenke kann - von der Fertigung des Basismoduls vollkom men unabhängig - bedarfsweise der für den jeweiligen Anwen dungsfall optimal dimensionierte Kühlkörper thermisch verbun den werden. Damit ist eine Baugruppe geschaffen, deren Basis modul nach dem Baukastenprinzip mit einem Kühlkörper bestückt ist, der aus einer Vielzahl in ihrer Leistungsfähigkeit und Baugröße fein gestufter Kühlkörper ausgewählt ist.An essential aspect of the invention is a provide electro-optical assembly, which consists of a separate Basic module and a specific according to the respective heat selected heat sink exists. The base module contains the electro-optical or electronic radio tion elements and the heat sink with a geometric and according to thermal interface. The heat sink can for example, as an outside of the base module bil Ending uniform base plate can be realized. Prefers the base plate forms the top of the base module. With the Heat sink can - from the production of the base module completely independent - if necessary, for the respective user optimally dimensioned heat sink that will. This creates an assembly, the basis of which module with a heat sink according to the modular principle is that of a variety in their efficiency and Size of finely graded heat sink is selected.

In vorteilhafter Weise erhält der Anwender damit eine Bau gruppe, die in ihrem Wärmeabführverhalten genau den jeweili gen individuellen Systemgegebenheiten angepaßt ist. Der An wender vermeidet damit vorteilhafterweise eine Bauraumver schwendung (wie sie bei zu groß dimensioniertem Kühlkörper bestehen würde), wobei die Anschaffungskosten auf den tat sächlich benötigten Kühlkörper begrenzt bleiben. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht darin, daß auch bei nachträglicher Änderung der Kühlungsumstände nach dem Baukastenprinzip der bisherige Kühlkörper durch einen den veränderten Bedingungen angepaßten Kühlkörper ersetzt werden kann. Ein weiterer erheblicher Vorzug der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht darin, daß bei der Herstellung nur ein ein heitliches Basismodul zu fertigen ist, während die Kühlkörper entsprechend der jeweiligen Applikation ausgesucht und zur abschließenden Konfektion der Baugruppe bereitgestellt werden können. Damit ist eine kostenintensive Lagerhaltung von ver schiedenen Baugruppen nicht mehr erforderlich.The user thus advantageously obtains a building group with exactly the respective heat dissipation behavior is adapted to individual system conditions. The An wender thus advantageously avoids a space requirement wastage (as with a too large heat sink would exist), whereby the acquisition costs on the deed the necessary heat sink remain limited. Another Advantage of the assembly according to the invention is that even if the cooling conditions are changed afterwards the modular principle of the previous heat sink by a modified heat sink to be replaced can. Another considerable advantage of the invention Assembly is that only one is in the manufacture unitary base module is to be manufactured, while the heat sink selected according to the respective application and for final assembly of the module can be provided can. This is a cost-intensive inventory of ver different modules are no longer required.

Bei der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht außerdem der Vorteil, daß der Kühlkörper einerseits und die Wärmesenke andererseits unabhängig voneinander nach unterschiedlichen Kriterien optimiert werden können. So kann die Oberfläche der Wärmesenke mit geringer Rauhigkeit ausgebildet sein, um eine gute elektrische und thermische Verbindung mit den elektrischen Bauelementen zu garantieren. Dagegen kann der Kühlkörper eine erhöhte Rauhigkeit aufweisen und schwarz eloxiert sein, um eine besonders effektive Wärmeableitung an die Umgebungsluft sicherzustellen.In the assembly according to the invention there is also Advantage that the heat sink on the one hand and the heat sink on the other hand independently from each other Criteria can be optimized. So the surface of the Heat sink with low roughness to be designed to good electrical and thermal connection with the guarantee electrical components. In contrast, the Heatsinks have increased roughness and black be anodized to provide particularly effective heat dissipation ensure the ambient air.

Bei der Anordnung mehrerer Basismodule beispielsweise in einem gemeinsamen Einschub oder auf einer gemeinsamen Leiter platte kann die Funktion des jeweiligen individuellen Kühl körpers nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch von einem gemeinsamen Kühlkörper wahrgenommen werden, daß der Kühlkörper weiteren Basismodulen zugeordnet ist.When arranging several base modules, for example in on a common slot or on a common ladder plate can the function of each individual cooling body according to an advantageous development of the invention are perceived by a common heat sink, that the heat sink is assigned to other basic modules.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below a drawing further explained; show it:

Fig. 1 eine erste Baugruppe vor der Endmontage, Fig. 1 shows a first assembly prior to final assembly,

Fig. 2 mehrere der in Fig. 1 dargestellten Baugruppen im montierten Zustand, Fig. 2, a plurality of the assemblies shown in Fig. 1 in the assembled state,

Fig. 3 eine Variante von Baugruppen und Fig. 3 shows a variant of assemblies and

Fig. 4 Baugruppen vor der Montage mit einem gemeinsamen Kühlkörper. Fig. 4 assemblies before assembly with a common heat sink.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die elektrooptische Baugruppe ein Basis modul 1 und einen Kühlkörper 2. Der Kühlkörper ist aus einer Vielzahl alternativer Kühlkörper unter Berücksichtigung der speziellen wärmetechnischen Anforderungen ausgewählt. Der Kühlkörper weist eine thermische Schnittstelle 3 an seiner Unterseite auf, die mit einer thermischen Schnittstelle 4 des Basismoduls 1 über eine Wärmeleitfolie 5 verbunden wird. Es ist auch möglich, den Kühlkörper unter Zwischenlage einer Wärmeleitpaste unmittelbar mit der Schnittstelle zu verschrauben.Referring to FIG. 1, the electro-optical assembly comprising a base module 1, and a cooling body 2. The heat sink is selected from a variety of alternative heat sinks, taking into account the special thermal requirements. The heat sink has a thermal interface 3 on its underside, which is connected to a thermal interface 4 of the base module 1 via a heat-conducting film 5 . It is also possible to screw the heat sink directly to the interface with the interposition of a thermal paste.

Das Basismodul 1 weist in an sich bekannter und daher nicht näher erläuterter Weise eine eingangsseitige Steckbucht 8 zur Ankopplung eines nicht dargestellten Lichtwellenleitersteck verbinders auf. In dem Lichtwellenleitersteckverbinder gehal tene Lichtwellenleiterenden werden damit optisch auf eine im Inneren des Moduls 1 angeordnete und daher nur gestrichelt dargestellte Sendeeinheit 10 bzw. Empfangseinheit 12 ausge richtet. Die Einheiten 10, 12 enthalten in an sich bekannter Weise (EP 0 709 699 A2) die eingangs beschriebenen elektroop tischen Wandler. In dem Basismodul ist eine Vielzahl weiterer elektronischer Komponenten oder Bauelemente 14, 16 enthalten, die wie die Einheiten 10, 12 betriebsbedingt Verlustleistung aufweisen. Diese Verlustleistung wird in Verlustwärme umge setzt und zu einer Wärmesenke 20 in Form einer Deckplatte des Basismoduls 4 abgeführt. Dazu stehen die Komponenten 14, 16 bzw. die Wandler 10, 12 in thermischem Kontakt mit der Wärme senke 20. Die Wärmesenke 20 kann als metallische Platte aus gebildet sein und vorteilhafterweise die gesamte Oberseite 21 des Moduls 4 bilden. Seitlich erkennbare Anschlußkontakte 22 dienen zur elektrischen externen Kontaktierung der Baugruppe. The base module 1 has, in a manner known per se and therefore not explained in detail, an input-side plug socket 8 for coupling an optical waveguide plug connector, not shown. In the optical waveguide connector held optical fiber ends are thus optically directed to a arranged in the interior of the module 1 and therefore only shown in dashed lines transmission unit 10 or receiving unit 12 out. The units 10 , 12 contain in a manner known per se (EP 0 709 699 A2) the electro-optical converters described at the outset. The base module contains a large number of further electronic components or components 14 , 16 which, like the units 10 , 12, have power loss due to operational reasons. This power loss is converted into heat loss and dissipated to a heat sink 20 in the form of a cover plate of the base module 4 . For this purpose, the components 14 , 16 and the transducers 10 , 12 are in thermal contact with the heat sink 20 . The heat sink 20 can be formed as a metallic plate and advantageously form the entire upper side 21 of the module 4 . Laterally recognizable connection contacts 22 are used for electrical external contacting of the module.

Um eine unzulässige Aufheizung des Basismoduls zu verhindern, wird die Verlustwärme zunächst an die Wärmesenke 20, von dort auf die als thermische Schnittstelle 23 fungierende Oberseite 21 geführt. Über die Wärmeleitfolie 5 gelangt die Wärme zur Schnittstelle 3 des Kühlkörpers 2 und wird insbesondere über Kühlfahnen 25 des Kühlkörpers 2 durch Konvektion an die Umge bungsluft abgeleitet. Diese Ableitungsleistung ist abhängig von der Kühlkörpergeometrie und der Geschwindigkeit der Kühl luft.In order to prevent inadmissible heating of the base module, the heat loss is first led to the heat sink 20 , from there to the top 21 functioning as a thermal interface 23 . The heat reaches the interface 3 of the heat sink 2 via the heat-conducting film 5 and is in particular derived from the ambient air via cooling vanes 25 of the heat sink 2 by convection to the surroundings. This dissipation power depends on the heat sink geometry and the speed of the cooling air.

Dabei kann das Basismodul 1 separat gefertigt und beispiels weise auf eine Leiterplatte 30 montiert werden, bevor über haupt der Kühlkörper 2 montiert wird. Je nach individueller spezifischer Anforderung ist der Kühlkörper 2 mit seiner zur Kopplung an die Schnittstelle 23 geeigneten Schnittstelle 3 aus einer Vielzahl alternativer Kühlkörper ausgewählt. Nach der Montage des Kühlkörpers 2 auf dem Basismodul 1 ist somit eine elektrooptische Baugruppe geschaffen, die optimal an die jeweiligen Einsatzbedingungen hinsichtlich der Wärmeabführung angepaßt ist.The base module 1 can be manufactured separately and, for example, mounted on a printed circuit board 30 before the heat sink 2 is mounted at all. Depending on the individual specific requirement, the heat sink 2 with its interface 3 suitable for coupling to the interface 23 is selected from a large number of alternative heat sinks. After mounting the heat sink 2 on the base module 1 , an electro-optical assembly is thus created, which is optimally adapted to the respective conditions of use with regard to heat dissipation.

Fig. 2 zeigt in diesem Zusammenhang mehrere Baugruppen gemäß Fig. 1, wobei die Kühlkörper 2 auf dem jeweiligen Basismodul 1 montiert sind. Mit den erfindungsgemäßen Baugruppen kann den spezifischen Wärmeabfuhrbedingungen bei mehreren hinter einander montierten Baugruppen Rechnung getragen werden, die von einem gemeinsamen Luftstrom (Luft) gekühlt werden. Bei einer Luftstromrichtung in Richtung des Pfeiles A ist die Kühlwirkung für die rechte Baugruppe R größer als für die linke Baugruppe L, weil der Kühlluftstrom beim Erreichen der linken Baugruppe durch die Verlustwärme der vorhergehenden Baugruppen bereits stärker erwärmt ist. Sollte sich das Tem peraturgefälle des Luftstromes als kritisch erweisen, verwen det der Anwender für die linke Baugruppe einen entsprechend leistungsfähigeren Kühlkörper 2. In this context, FIG. 2 shows several assemblies according to FIG. 1, the heat sinks 2 being mounted on the respective base module 1 . With the assemblies according to the invention, the specific heat dissipation conditions can be taken into account in the case of a plurality of assemblies installed one behind the other, which are cooled by a common air flow (air). With an air flow direction in the direction of arrow A, the cooling effect for the right-hand module R is greater than for the left-hand module L because the cooling air flow is already more strongly heated when the left module is reached due to the heat loss from the previous modules. If the temperature gradient of the air flow proves to be critical, the user uses a correspondingly more powerful heat sink 2 for the left module.

Um den spezifischen Kühlungsbedingungen Rechnung tragen zu können, ist eine Ausgestaltung von Kühlkörpern 40 gemäß Fig. 3 mit breiteren Kühlrippen 42 vorgesehen. Die Kühlkörper 40 sind mit der Schnittstelle 23 (Fig. 1) kompatibel und somit Bestandteile des nach dem Baukastenprinzip zur Verfügung ste henden Kühlkörpersortiments.In order to be able to take into account the specific cooling conditions, an embodiment of cooling bodies 40 according to FIG. 3 with wider cooling fins 42 is provided. The heat sinks 40 are compatible with the interface 23 ( FIG. 1) and are therefore components of the heat sink range available according to the modular principle.

Fig. 4 zeigt in Abwandlung der Fig. 2 oder 3 Basismodule 1 vor ihrer Verbindung mit einem gemeinsamen Kühlkörper 50. Fig. 4 shows a modification of FIG. 2 or 3 base modules 1 before being connected to a common cooling body 50.

Auch hier wird der Kühlkörper 50 vorzugsweise lösbar mit den Basismodulen 1 verbunden, was sowohl einen bedarfsweisen Aus tausch des Kühlkörpers 50 ermöglicht, als auch einen ggf. notwendigen Austausch eines z. B. defekten Basismodules 1.Here, too, the heat sink 50 is preferably releasably connected to the base modules 1 , which both allows the heat sink 50 to be replaced as required, and also a replacement of a z. B. defective base modules 1 .

Claims

1. Electro-optical assembly with a base module, which is equipped with a heat sink ( 2 ), which is selected in a modular principle from several alternative heat sinks ( 2 , 40 , 50 ) taking into account the required heat dissipation,

- The base module ( 1 ) contains a plurality of electronic components ( 14 , 16 ) and has a heat sink ( 20 ) to which the components ( 14 , 16 ) emit heat generated during operation,
- The heat sink ( 20 ) on an outer side ( 21 ) of the base module ( 1 ) forms a thermal interface ( 23 ) and
- Wherein the thermal interface ( 23 ) with the selected th heat sink ( 2 ) is thermally connected.

2. Module according to claim 1, characterized in that the heat sink ( 50 ) is assigned to further base modules ( 1 ).