DE2345626B2 - Einrichtung zum kuehlen elektronischer geraete - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Die fortschreitende Technologie im Aufbau elektronischer Geräte hat zu einer ungewöhnlich hohen Packungsdichte der elektronischen Bauelemente geführt. Das ist vor allem darauf zurückzuführen, daß in immer größerem Umfang hoch integrierte Halbleiterbausteine verwendet werden. Hand in Hand damit geht aber auch eine ständige Miniaturisierung im mechanischen Aufbau. Auf diese Weise lassen sich äußerst dicht gepackte elektronische Geräte — z. B. im Bereich der elektronischen Datenverarbeitung — mit kleinen Signaiiaufzeiten bei geringem Bauvolumen erstellen.

Unerwünschte Effekte dieser hohen Packungsdichte sind die gleichzeitige Zunahme der auf die Volumeneinheit von Baugruppen bzw. Baueinheiten bezogener elektrischen Verlustwärme sowie die .Steigerung de Empfindlichkeil gegenüber erhöhten Betriebstempera türen bei miniaturisierten elektronischen Bausteiner s und mechanischen Zubehörteilen.

Um die Funktion der elektronischen Geräte sicherzu stellen, ist es notwendig, die durch die elektrisch! Verlustleistung bedingte Wärme abzuführen. Dafür ha zunächst eine bei einer geschickten konstruktive;

ίο Gestaltung von Rahmen und Gehäuse selbsttätig! Belüftung durch freie Konvektion unter Ausnutzung de Kaminwirkung genügt.

Seit dies bei höherer Packungsdichte nicht meh ausreicht, wird erzwungene Konvektion mit autonia tisch überwachten Lüfterbaugruppen angewendet Doch auch damit lassen sich die wachsenden Anforde rungen immer weniger erfüllen. Das ist auf die ständij wachsende Schwierigkeit zurückzuführen, mit immei größeren Luftströmen noch ein konstantes Temperatur

niveau über alle zu kühlenden Bausteine sicherzustellen Es ist ohne weiteres vorsiellbar, daß es bei eine; Verlustleistungsdichte bis zu einigen W/cm², d. h. be einer sehr starken Belegungsdichte der elektronischer Bausteine, sehr schwierig ist, den kühlenden Luftstrorr derart zu verteilen, daß an keiner Stelle der zi kühlenden Oberfläche noch kritische Beiriebstempera türen auftreten.

In diesem Zusammenhang ist unter anderem eint Halbleiteranordnung bekannt, die z. B. als Transistor Thyristor oder Kristalldiode ausgebildet sein kann unc damit aus einem Halbleitersystem in Scheibenforrr besteht, das eine Halbleiterscheibe enthält und zuminde stens auf einer Seite mit einem flüssigen odei gasförmigen Kühlmittel gekühlt wird. Zur Aufnahmt

des Kühlmittels dient ein Behälter, der eine derr Halbleitersystem zugewandte und auf dieses zubewegli ehe Wand hat, die das Kühlmittel gegen da: Halbleitfirsystem gepreßt hält. Dadurch wird eir wirksamer elektrischer und thermischer Kontak zwischen der beweglichen Wand und dem Halbleitersy stern hergestellt. Diese bewegliche Wand kann auch ah dünne Membran ausgebildet sein. Sie kann direkt an Halbleitersystem anliegen, ohne daß Teile eine; Gehäuses für das übliche hermetisch dichte Einschlie ßen des Halbleitersystems dazwischenliegen. Dadurch soll ein besonders guter elektrischer und thermische! Kontakt hergestellt werden. Weiterhin soll dies« Anordnung besonders für Halbleitersysteme ohne Stützplatte gut geeignet sein. Dabei wird das Halbleiter system nur aus der Halbleiterscheibe mit der auf dei Oberfläche angeordneten Metallschicht gebildet.

Diese bekannte Anordnung bezieht sich auf eine unmittelbare Kühlanordnung für ein elektronische: Bauelement, beispielsweise einen Leistungstransistoi od. dgl., jedoch nicht auf eine Einrichtung zum Kühler elektronischer Geräte gemäß dem Oberbegriff de: Hauptanspruches.

Weiterhin ist aus der DT-OS 20 47 928 eine Einrichtung zur indirekten Flüssigkeitskühlung vor elektronischen Baugruppen bekannt, die gemäß der Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs ausgebildet ist. Dabei wird ein dem Gegenstand der Erfindung verwandtes Aufbauprinzip für größere elektronische Geräte angewandt, mit dem sich eine hohe Packungsdichte für Mikrobausteine tragende Baugruppen realisieren iäßi. Wegen der Nachteile der direkten Flüssigkeitskühlung, die bei der oben genannten Anordnung eingesetzt wird, wird bei der bekannter

Anordnung eine indirekte Flüssigkeitskühlung angewendet. Dazu sind die einzelnen Baugruppen bei der bekannten Anordnung an der dem Kuhlkörper abgewandten Seite auf einer starren Bauplatte festgelegt. Der Kühlkörper selbst ist im wesentlichen als starrer Körper ausgebildet, d. h. hier wird kein<> großflächige Kühlmembran verwendet. Bei der bekannten Anordnung wird zwar durchaus darauf Wert gelegt, die einzelnen Baugruppen für Wartung und Fehlersuche möglichst zugänglich zu halten, ohne daß dab.-i der Kühlkreislauf unterbrochen werden muß. Jedoch muß dazu jeweils die gesamte Bauplatte abgenommen werden.

Ausgehend von dem Gedanken, die durch die Verlustleistung hervorgerufene Wärme durch eine indirekte Kühlung mit einem strömenden Kühlmittel, z. B. einer Flüssigkeit abzuführen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für elektronische Geräte gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, die eine hohe Zuverlässigkeit des Wärmekontaktes, einen niedrigen Gesamtwärmewiderstand besitzt und damit große Wärmemengen zu übertragen vermag. Um sich dem Gesamtkonzept für den Aufbau elektronischer Geräte anzupassen, soll sie darüber hinaus ein geringes Bauvolumen aufweisen und die Prüfung und Wartung von Baugruppen im Betriebszustand weniger behindern, als dies bei bekannten Anordnungen der Fall ist.

Bei einer derartigen Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspajchs beschriebenen Merkmal gelöst. Ein derartiger Kühlkörper besitzt bei einer geringen Bautiefe eine große aktive Kühlfläche, die den anliegenden Baugruppen gleichmäßig Wärme entzieht. Da die dünnwandige Kühlmembran unter — geringem — Überdruck steht und sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften an die Oberfläche der anliegenden Baugruppen anschließt, ergibt sich bei einer gleichmäßigen Kontaktkraft zwischen der Kühlmembran und den anliegenden Baugruppenflächen aufgrund der hohen Kontaktgüte und einer großen Kontaktfläche ein niedriger thermischer Übergangswiderstand. Daneben sind die Wärmewege kurz, so daß sich nur niedrige Temperaturdifferenzen zwischen den die Wärme erzeugenden Bausteinen und dem Kühlmittel einstellen. Insgesamt ermöglichen diese physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Lösung ein nahezu konstantes Temperaturniveau über alle zu kühlenden Bausteine bei einem geringen Streubereich sicherzustellen.

Bei der Erfindung wird zwar auch wie bei der oben geschilderten Halbleiteranordnung für die Kühlung das gleiche Kühlprinzip angewendet. Dabei ergeben sich jedoch aufgrund der um Größenordnungen unterschiedlichen Flächen für die Kühlmembran ganz andere technologische Probleme. Während bei der bekannten Kühlanordnung, die aus Kupfer hergestellten Membranen an Stahlbehälter angelötet sein können und der Druck des Kühlmittels im Kühlbehälter etwa 150kp/cm² beträgt, haben praktische Versuche im Zusammenhang mit einer großflächigen Kühlmembran ergeben, daß selbst bei einem geringen Überdruck in dem Kühlbehälter Lot-, Kleb- oder verschiedene Schweißverfahren für die Ankontaktierung der großflächigen Membran an den Kühlbehälter keine ausreichende Betriebssicherheit bieten. Schon bei einem geringen Überdruck bis zu 1 kp/cm² können lange Lötnähte aufnlatzen oder sind Schweißdrähte nicht ausreichend dicht. Maßnahmen, die bei der bekannten Kühlanordnung verwendet werden und dort zu einem befriedigenden fr.rgebnis führen können, sind daher keineswegs zu übertragen.

Im Vergleich zu der anderen bekannten Kühleinrichtung zeigt sich bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung wohl deutlich, daß letztere bei mindestens dem gleichen guten thermischen Kontakt der einzelnen Baugruppen, weil hier Fertigungstoleranzen leichter aufgefangen werden können, eine bessere Zugänglichkeit der einzelnen Baugruppen auch im Betriebszustand sichert. So ist im Vergleich zwischen der bekannten und einer erfindungsgemäßen Anordnung der große technologische Fortschritt zu erkennen, der innerhalb kurzer Zeit beim Aufbau größerer elektronischer Geräte erreicht wurde.

Weiterbildungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ausgeführt bzw. in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in einer räumlichen Darstellung eine Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte mit zwei zueinander parallel liegenden Verdrahtungsplatten, auf denen jeweils eine Mehrzahl von rasterförmig angeordneten Baugruppen festgelegt ist und einem dazwischen eingelegten Kühlkörper, der auf jeder Baugruppenseite eine Kühlmembran trägt,

Fig. 2 und 3 je eine Prinzipskizze für mögliche Anordnungen der Baugruppen in bezug auf den Kühlkörper und

Fig.4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Toleranzausgleichs der elastisch eingespannten Kühlmembran.

Da in der Darstellung der F i g. 1 nur das Prinzip einer Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte gezeigt werden soll, ist sie aus Gründen der besseren Übersicht zum Teil aufgeschnitten, um den Aufbau besser zeigen zu k'Jnnen und zum Teil gegliedert gezeichnet. Sie zeigt im Prinzip zwei Baueinheiten 2, die zueinander parallel liegend zu beiden Seiten eines Kühlkörpers 1 angeordnet sind. Jede Baueinheit 2 weist einen gitterförmigen Rahmen 21 auf, in dessen Fenster hier auch nur schematisch durch ihre Anschlußkörper 22 dargestellte Baugruppen eingesetzt sind. Auf der dem Kühlkörper 1 abgewandten Seite jeder Baueinheit 2 ist auf dem gitterförmigen Rahmen 2t eine Verdrahtungsplatte 23 festgelegt, die als großflächige mehrlagige Leiterplatte ausgebildet ist. Sie dient dazu, an die einzelnen Baugruppen einer Baueinheit mit Hilfe von Steckverbindungen — von denen der Anschlußkörper 22 jeder Baugruppe einen Teil bildet — externe Signal- und Versorgungsleitungen, sowie Leitungsverbindungen der Baugruppen untereinander auszuschließen. Auf der Außenseite der Verdrahtungsplatte 23 sind als externe Anschlüsse an die Verdrahtungsplatte rein schematisch einzelne Seitenstecker 24 dargestellt. Da diese Aufbautechnik für elektronische Baueinheiten z. B. aus dem deutschen Patent 17 65 506 oder auch aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 27 915 in konstruktiven Details bekannt ist, genügt es hier, in Zusammenhang mit einer Einrichtung zum Kühlen derartiger Baueinheiten nur das Prinzip zu erläutern.

Der zwischen den beiden Baueinheiten 2 angeordnete Kühlkörper 1 weist einen Grundkörper 11 auf, der als rechteckiger Kastenrahmen ausgebildet ist, an einer

Seite zwei Anschlüsse 12 zum Zu- bzw. Abführen einer Kühlflüssigkeit 15 besitzt, die in Pfeilrichtung mit Überdruck durch den Kühlkörper strömt. Die beiden den Baueinheiten 2 zugewandten Seitenflächen des Grundkörpers 11 sind durch je eine großflächige Kühlmembran 13 abgedeckt. Auf diese dünne metallische Kühlmembran 13 ist an den Rändern ein Gummirand 14 aufvulkanisiert. Auf der den Baueinheiten 2 zugewandten Seite ist auf die Kühlmembran 13 ein Stützgitter 15 aufgelegt. Die Seitenabstände der Stege dieses Stützgitters sind derart gewählt, daß sich rasterförmig angeordnete Fenster ergeben, in die jeweils ein Anschlußkörper 22 der Baugruppen eintaucht.

Das Stützgitter 15, die Kühlmembran 13 mit ihrem Gummirand 14 und der Grundkörper 11 sind an den Außenrändern — wie in F i g. 1 angedeutet — an einer Vielzahl von Punkten miteinander verschraubt, dabei wirkt der aufvulkanisierte Gummirand 14 als Abdichtung und zugleich als elastische Einspannung für die Kühlmembran 13, deren Zweck noch in Zusammenhang mit F i g. 4 erläutert wird.

Der Grundkörper 11 trägt auf seiner Oberseite zwei senkrecht zu einer Längskante angeordnete Befestigungsbügel 16. Diese Befestigungsbügel weisen an beiden Enden jeweils paarweise zueinander fluchtende Einkerbungen auf, denen als Gegenstück in den Baueinheiten 2 jeweils ein in Richtung der Längsachse aus den Seitenholmen des gitterförmigen Rahmens 21 herausragender Befestigungszapfen 25 zugeordnet ist. Diese Befestigungszapfen werden beim Zusammenbau in eine Einkerbung eines der Befestigungsbügel 16 eingehängt, damit ist die Baueinheit 2 an dem Kühlkörper 1 um dessen Längsachse schwenkbar angeordnet. Neben diesen Befestigungsbügeln 16 sind an der Unterseite des Grundkörpers Il zwei über die Seitenflächen des Kühlkörpers 1 herausragende Gewindebolzen 17 festgelegt. Diesen Gewindebolzen zugeordnet, ragt aus der Unterseite jeder Baueinheit ein Befestigungsauge 27, über das die Baueinheiten 2 mit einem Paar von Flügelschrauben 26 mit der für einen guten thermischen Kontakt notwendigen Kraft an die vorgespannte Kühlmembran i3 andrückbar ist. Damit ergibt sich ein geschlossener Kraftfluß für die mechanischen Andruckkräfte, der die empfindlichen elastischen Verbindungen nicht belastet.

In F i g. 2 bzw. 3 ist jeweils in einer Prinzipskizze ein nur einseitig mit einer Kühlmembran 13 belegter Grundkörper 11 dargestellt. Der von beiden gebildete Hohlraum ist von der Kühlflüssigkeit 18 ausgefüllt. Auf die Kühlmembran 13 ist jeweils eine Baugruppe aufgesetzt, von der in diesen Skizzen nur der Anschlußkörper 22 und eine darin eingebettete, Mikrobausteine 29 tragende Leiterplatte 28 angedeutet ist. Fig.2 und Fig.3 zeigen die beiden möglichen Einbaulagen, bei denen der Anschlußkörper 22 mit seiner Grundfläche bzw. mit seiner Bauelementeseite der Kühlmembran 13 zugewandt ist. Die in Fig.2 dargestellte Einbaulage hat den Vorteil einer größeren Kontaktfläche Fk zwischen dem Anschlußkörper 22 und der KUhlmembiran 13. Diese für die Kühlung an sich günstige Einbaulage wegen äußerst geringer Länge der durch Pfeile angedeuteten Wärmewege und einer großen Kontaktfläche Fk ist aber mit Rücksicht auf die Notwendigkeit, die Baugruppen über die Anschlußkör- f>5 per 22 mit der Verdrahtungsplatte 23 zu verbinden und der hier erforderlichen kurzen Signalweglänge oft nicht zu realisieren. Bei praktischen Versuchen hat sich nun gezeigt, daß die in F i g. 3 dargestellte Einbaulage mit einer entsprechend geringeren Kontaktfläche Fk' und an sich etwas längeren Wärmewegen, die auch hier durch Pfeile angedeutet sind, trotzdem noch ein günstiges Ergebnis liefert, da der gute thermische Kontakt in der Kontaktfläche Fk' zwischen der Kühlmembran 13 und dem Anschlußkörper 22 sowie die große Masse des Anschlußkörpers 22 einen ausreichend niedrigen Gesamtwärmewiderstand ermöglichen.

Vorstehend wurde bereits deutlich, daß eine optimale Wärmeabfuhr nur gewährleistet ist, wenn ein guter thermischer Kontakt zwischen der Kühlmembran 13 und dem Anschlußkörper 22 besteht. Verschiedene Einflüsse, die diesen Kontakt beeinträchtigen können, seien nunmehr anhand von Fig.4 erläutert. Wieder ist in einer Prinzipskizze ein einseitig ausgebildeter Grundkörper 11 mit einer an seinen Rändern festgelegten Kühlmembran 13 dargestellt, zwischen beiden ist die eingeschlossene Kühlflüssigkeit 18 angedeutet. Als Beispiele sind noch zwei Anschlußkörper 22 bzw. 22' dargestellt, die an der Kühlmembran 13 anliegen. Beide Anschlußkörper 22 bzw. 22' haben zueinander einen Abstand a, der durch den hier nicht dargestellten gitterförmigen Rahmen 21 der Baueinheit 2 vorgegeben ist.

Im wesentlichen können nun zwei Einflüsse zu einem Verlust an Kontaktfläche Fk bzw. Fk' führen: Wie angedeutet, kann auch noch im montierten Zustand zwischen dem Grundkörper 11 und der Baueinheit 2 ein geringer Abstand Δ H als Einbauluft verbleiben. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Kühlmembran 13 wirkt sich dieser schädliche Einfluß überhaupt nur auf die außen an den Rändern liegenden Anschlußkörper 22 der Baueinheit 2 aus. Dieser Bereich ist in der Schnittdarstellung in F i g. 4 als die mit d bezeichnete Länge zu erkennen. Ein zweiter, ebenso auf Fertigungstoleranzen zurückzuführender Einfluß ergibt sich dadurch, daß die Kontaktflächen aller Anschlußkörper 22 einer Baueinheit 2 nicht exakt in einer Ebene liegen. In Fig.4 ist das durch die relative Lage der beiden Anschlußkörper 22 bzw. 22' angedeutet, deren Kontaktflächen um den Abstand Δ h gegeneinander verschoben sind. Auch ein solcher, etwas zurückgesetzter Anschlußkörper 22' erleidet einen Verlust an Kontaktfläche FA:, der in F i g. 4 nur eindimensional als die Länge bzu erkennen ist.

Beide schädlichen Einflüsse sind fertigungsbedingt und lassen sich nicht gänzlich vermeiden. Wie die Praxis aber gezeigt hat, sind diese Einflüsse in ihrer Wirkung aber durchaus beherrschbar, denn eine dünne metallische und elastisch eingespannte Kühlmembran 13, die außerdem aufgrund der unter geringem Überdruck durch den Kühlkörper 1 strömenden Kühlflüssigkeit If nachgibt, ist auch wegen ihrer großen Fläche derar elastisch, daß sie sich gut an derartige Einflüsse anpaßt d. h. die Toleranzen ausgleicht. Im Mittel ergibt siel daher bei einer Kühlvorrichtung der erläuterten Ar trotz solcher schädlichen Einflüsse innerhalb eine Baugruppe und bei den einzelnen Baugruppen eine Baueinheit ein mit großer Näherung konstante Temperaturniveau, das sich außerdem wegen der gutei Rcgelbarkeit der Kühlung über die Durchflußmengn de Kühlflüssigkeit auch auf einen absoluten Wert gu einstellen läßt.

Eine wesentliche Eigenschaft der beschriebene! Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte besteh auch darin, daß es ohne weiteres möglich ist, zum Prüfe bzw. bei Wartungsaufgaben einzelne Baugruppen au

dem Verband einer Baueinheit zu lösen, ohne daß die Betriebssicherheit der Kühleinrichtung verloren geht. Das auf der der Baueinheit 2 zugewandten Seite der Kühlmembran 13 angeordnete Stützgitter 15 schützt die Kühlmembran 13 vor unzulässigen Dehnungen. Aber auch Schaden an dem Kühlkörper 1 lassen sich verhältnismäßig einfach beheben, denn die erläuterte Konstruktion erlaubt es, die Kühlmembran 13 auszuwechseln.
Vorstehende Erläuterungen haben wohl gezeigt, daß

sich die beschriebene Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte gut in das allgemeine Konzept füi derartige Geräte einfügt, da sie durch eine flache Bauweise mit der Möglichkeit, den Kühlkörpei doppelseitig zu verwenden, den beanspruchten Raum voll ausnutzt, bei guten funktioneilen Eigenschaften den Anforderungen an eine moderne Kühleinrichtung genügt und betriebssicher ist und darüber hinaus auch prüfungs- und wartungsfreundlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 70» 539/2B

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hinrichtung zum indirekten Kühlen '.-leklronischer Geräte, bei denen eine Mehrzahl von zu einer größeren Baueinheit zusammengefaßten Baugruppen mit jeweils einer elektronische Mikrobausteine tragenden Leiterplatte, die in einen als Teil einer Steckverbindung ausgebildeten Anschlußkörper eingebettet ist, rasterförmig in einer Ebene und parallel zu einer Verdrahlungsplatte angeordnet sind, auf deren abgewandter Seite die metallischen Anschlußkörper einem von einem unter Überdruck stehenden Kühlmittel durchströmten Kühlkörper in engem thermischen Kontakt unmittelbar benachbart angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) einen Grundkörper (11) als Rahmen mit Anschlüssen (S2) zum Zu- bzw. Abfühiei: "iir unter geringem Überdruck stehenden Kühlmittels (16) aufweist, an dessen seitlichem Rand der Baueinheit (2) zugewandt als aktive Kühlfläche eine großflächige Kühlmembran (13) unter elastischer Einspannung den Rand des Grundkörpers abdichtend festgelegt ist, die dazu im Bereich ihrer Randeinspannung einen aufvulkanisierten Gummirand (14) trägt und auf ihrer der Baueinheit zugewandten Seite durch ein weitmaschiges Stützgitter (15) abgedeckt ist, bei dem Breite und Abstand der Stege derart gewählt sind, daß die Anschlußkörper (22) der Baugruppen durch eines der so gebildeten Fenster hindurchgreifen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkörper (22) der Baugruppen in einen gitterförmigen Rahmen (21) eingelegt sind, der zugleich als Stützgitter für die Verdrahtungsplatte (23) dient und daß der Rahmen an dem Kühlkörper (1) um eine von dessen Kanten schwenkbar und zusätzlich an der dazu gegenüberliegenden Kante mit Schrauben (17, 26) festgelegt ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Grundkörper (11), der als rechteckiger einfacher Kastenrahmen ausgebildet ist, in dem Strömungskanäle zum Führen des durchfließenden Kühlmittels angeordnet sind, und dessen offene einander gegenüberliegende Seitenflächen durch je eine Kühlmembran (13) abgedeckt sind, denen je eine zu kühlende Baueinheit (2) zugeordnet ist.