DE2345626C3 - Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte - 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, (land 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 Signallaufzeiten bei geringem Bauvolumen erstellen.

Unerwünschte Effekte dieser hohen Packungsdichte sind die gleichzeitige Zunahme der auf die Volumeneinheit von Baugruppen bzw. Baueinheiten bezogenen elektrischen Verlustwärme sowie die Steigerung der Empfindlichkeit gegenüber erhöhten Betriebstemperaturen bei miniaturisierten elektronischen Bausteinen S und mechanischen Zubehörteilen.

Um die Funktion der elektronischen Geräte sicherzustellen, ist es notwendig, die durch die elektrische Verlustleistung bedingte Wärme abzuführen. Dafür hat zunächst eine bei einer geschickten konstruktiven

ίο Gestaltung von Rahmen und Gehäuse selbsttätige Belüftung durch freie Konvektion unter Ausnutzung der Kaminwirkung genügt.

Seit dies bei höherer Packungsdichte nicht mehr ausreicht, wird erzwungene Konvektion mit automatisch überwachten Lüfterbaugruppen angewendet. Doch auch damit lassen sich die wachsenden Anforderungen immer weniger erfüllen. Das ist auf die ständig wachsende Schwierigkeit zurückzuführen, mit immer größeren Luftströmen noch ein konstantes Temperaturniveau über alle zu kühlenden Bausteine sicherzustellen. Es ist ohne weiteres vorstellbar, daß es bei einer Verlustl?istungsdichte bis zu einigen W/cm², d. h. bei einer sehr starken Belegungsdichte der elektronischen Bausteine, sehr schwierig ist, den kühlenden Luftstrom derart zu verteilen, daß an keiner Stelle der zu kühlenden Oberfläche noch kritische Betriebstemperaturen auftreten.

In diesem Zusammenhang ist unter anderem eine Halbleiteranordnung bekannt, die z. B. als Transistor, Thyristor oder Kristalldiode ausgebildet sein kann und damit aus einem Halbleitersystem in Scheibenform besteht, das eine Halbleiterscheibe enthalt und zumindestens auf einer Seite mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel gekühlt wird. Zur Aufnahme

JS des Kühlmittels dient ein Behälter, der eine dem Halbleitersystem zugewandte und auf dieses zubewegliche Wand hat, die das Kühlmitnel gegen das Halbleitersystem gepreßt hält. Dadurch wird ein wirksamer elektrischer und thermischer Kontakt zwischen der beweglichen Wand und dem Halbleitersystem hergestellt. Diese bewegliche Wand kann auch als dünne Membran ausgebildet sein. Sie kann direkt am Halbleitersystem anliegen, ohne daß Teile eines Gehäuses für das übliche hermetisch dichte Einschließen des Halbleitersystems dazwischenliegen. Dadurch soll ein besonders guter elektrischer und thermischer Kontakt hergestellt werden. Weiterhin soll diese Anordnung besonders für Halbleitersysteme ohne Stützplatte gut geeignet sein. Dabei wird das Halbleiter-

so system nur aus der Halbleiterscheibe mit der auf der Oberfläche angeordneten Metallschicht gebildet.

Diese bekannte Anordnung bezieht sich auf eine unmittelbare Kühlanordnung für ein elektronisches Bauelement, beispielsweise einen Leistungstransistor od. dgl, jedoch nicht auf eine Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 47 928 eine Eii.richtung zur indirekten Flüssigkeitskühlung von elektronischen Baugruppen bekannt, die gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs ausgebildet ist. Dabei wird ein dem Gegenstand der Erf-ndung verwandtes Aufbauprinzip für größere elektionische Geräte angewandt, mit dem sich eine hohe Packungsdichte für Mikrobausteine tragende Baugruppen realisieren läßt. Wegen der Nachteile der direkten Flüssigkeitskühlung, die bei der oben genannten Anordnung eingesetzt wird, wird bei der bekannten

Anordnung eine indirekte Flüssigkeitskühlung angewendet Dazu sind die einzelnen Baugruppen bei der bekannten Anoitinung an der dem Kühlkörper abgewandten Seite auf einer starren Bauplatte festgelegt. Der Kühlkörper selbst ist im wesentlichen als starrer Körper ausgebildet, d.h. hier wiia keine 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 dabei der ι ο 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 schalfen, 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 erfindungs- jo gemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs 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 l50kp/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 ausreichen- f>5 de Betriebssicherheit bieten. Schon bei einem geringen Überdruck bis zu 1 kp/cm² können lange Lötnähte aufplatzen oder sind Schweißdrähte nicht ausreichend dicht. Maßnahmen, die bei der bekannten Kühlanordnung verwendet werden und dort zu einem befriedigenden Ergebnis 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 ku-zer 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

F i g. 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 gezeig! werden soll, ist sie aus Gründen der besseren Übersicht zum Teil aufgeschnitten, um den Aufbau besser zeigen zu können und zum Teil gegliedert gezeichnet. Sie zeigt im Prinzip zwei Baueinheiten 2, die zueinander parallel liegend zu beiden Seiten eines Kühlkörpers 1 angeordnet sind. |ede 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 21 eine Verdrahtungsplatte 23 festgelegt, die als großflächige mehrlagige Leiterplatte ausgebildet ist. Sie dient dazu, an die ein/einen 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 L^kannt 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 U auf, der als rechteckiger Kastenrahmen ausgebildet ist, an einer

Seite zwei Anschlüsse 12 zum /u- bzw. Abführen einer Kühlflüssigkeil 15 besitzl, die in Pfeilrichtung mit Überdruck durch den Kühlkörper strömt. Die beiden den Haueinheiten 2 zugewandten Seitenflächen des Grundkörpers Il sind durch je eine großflächige s Kühlmcnibran 13 abgedeckt. Auf diese dünne metallische Kühlmembran 13 ist an den Rändern ein Gummiiand 14 aufvulkanisiert. Auf der den Baueinhei ti'ii 2 zugewandten Seile ist auf die Kühlmembran 13 ein Slül/giller 15 aufgelegt. Die Seitcnabständc der Stege n dieses Stützgitiers sind derart gewählt, daß sich rasterlönnig angeordnete Fenster ergeben, in die jeweils ein Anschlußkörper 22 der Haugruppen eintaucht.

Das Stützgittcr 15. die Kühlmembran 13 mit ihrem i«; Gummirand 14 und der Grundkörper 11 sind an den Aiißi'iu ändern — wie in I·" ig. I angedeutet — an einet Vielzahl von Punkten miteinander vet schraubt, dabei wirkt dei aufvulkanisicrte Gummirand 14 als Abdichtung und zugleich als elastische Einspannung für die Kühlmembran 13, deren Zweck noch in Zusammenhang mit I i g. 4 erläutert wird.

Der Grundkörper 11 trägt auf seiner Oberseite zwei senkrecht zu einer I.ängskantc angeordnete Befesligungsbügel 16. Diese Bcfestigungsbügel weisen an 2s beiden linden jeweils paarweise zueinander fluchtende r.inkerbungen auf, denen als Gegenstück in den Haueinheiten 2 jeweils ein in Richtung der Längsachse aus den Seitenholmcn des gitterförmigcn Rahmens 21 herausragender Helestigungszapfcn 25 zugeordnet ist. Diese Hefestigungszapfen werden beim Zusammenbau in eine Einkerbung eines der Befestigungsbügel 16 eingehängt, damit ist die Haueinheil 2 an dem Kühlkörper 1 um dessen Längsachse schwenkbar angeordnet. Neben diesen Befestigungsbügeln 16 sind an der Unterseite des Grundkörpers 11 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 13 andrückbar ist. Damit ergibt sich ein geschlossenei 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 Kühimembran 13 zugewandt ist Die in Fig.2 dargestellte Einbaulage hat den Vorteil einer größeren Kontaktfläche FJt zwischen dem Anschlußkörper 22 und der Kühlmembran 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 Anschlußkörper 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 I ig 3 dargestellte Einbaulage mit einer entsprechend geringeren Kontaktfläche /V 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 Koniaktflächc AV zwischen der Kühlmembran 13 und dem Anschlulikörper 22 sow, ic die gioüc Masse des Anschlußkörpers 22 einen ausreichend niedt igen < icsamt wärmewidersliiiul ermöglichen

Vorstehend wurde bereits deutlich, daß eine optimale Wärmeabfuhr nur gewährleistet ist, wenn ein guter thermischer Kontakt /wischen der Kühlmcmhian 13 und dem Anschlußkörper 22 besieht. Verschiedene Einflüsse, die diesen Kontakt beeinträchtigen können, seien nunmehr anhand \nii I ig.4 erläutert. Wieder ist in cinci Prmzipski/ze ein einseitig ausgebildeter Giundköiper 11 mit einer an seinen Rändern fcigcleg (en Klihlnicmbran 1 3 dargestellt, /w ischen beiden im die eingeschlossene Kühlflüssigkeit 18 angedeutet. Ak Heispiele sind noch zwei Anschlulikörper 22 b/w 22' dargestellt, die a'i dei Kühlmembran 13 anliegen. Beide Anschlußkörper 22 bzw. 22' haben zueinander einen Abstand a, der durch den hier nicht dargestellten gittcrförmigen 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 Λ H als Einhauluft verbleihen. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Kühlirembran 13 wirkt sich dieser schädliche Einfluß überhaupt nur auf die außen an den Rändern liegenden Anschlußkörper 22 der Baueinheit 2 aus. Dieser Bereich isl in der .Schnittdarstellung in IMg. 4 als die mit <i bezeichnete Länge zu erkennen. Ein zweiter, ebenso auf l'crtigungstoleranzen zurückzuführender Einlluß 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 Ansehlußkörper 22 bzw. 22' angedeutet, deren Kontaktflächen um den Absland Δ h gegeneinander verschoben sind. Auch ein soieher, etwas zurückgesetzter Anschlußkörper 22' erleidet einen Verlust an Kontaklflächc l^:k, der in F i g. 4 nur eindimensional als die Länge b zu 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 18 nachgibt, ist auch wegen ihrer großen Fläche deran elastisch, daß sie sich gut an derartige Einflüsse anpaßt d.h. die Toleranzen ausgleicht Im Mittel ergibt sich daher bei einer Kühlvorrichtung der erläuterten An trotz solcher schädlichen Einflüsse innerhalb einei Baugruppe und bei den einzelnen Baugruppen einei Baueinheit ein mit großer Näherung konstante; Temperaturniveau, das sich außerdem wegen der guter Regelbarkeit der Kühlung über die Durchflußmenge dei Kühlflüssigkeit auch auf einen absoluten Wert gu einstellen läßt.

Eine wesentliche Eigenschaft der beschriebenei 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 !3 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 für derartige Geräte einfügt, da sie durch eine flache Bauweise mit der Möglichkeit, den Kühlkörper doppelseilig zu verwenden, den beanspruchten Raum voll ausnutzt, bei guten funktionellen Eigenschaften den Anforderungen an eine moderne Kühleinrichtung genügt und betriebssicher ist und darüber hinaus auch prüfungs- und wartungsfreundlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum indirekten Kühlen elektronischer 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 Verdrahtungsplatte 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, (iaß der Kühlkörper (1) einen Grundkörper (11) als Rahmen mit Anschlüssen (12) zum Zu- bzw. Abführen nur unter geringem Oberdruck stehenden Kühlmittels (18) 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 Stützgitler 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.

J. 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.