DE69209042T2

DE69209042T2 - Wärmeabfuhr durch engkanälige Kühlrippen um elektronisches Hochleistungskomponenten zu kühlen

Info

Publication number: DE69209042T2
Application number: DE69209042T
Authority: DE
Inventors: Kaveh Azar; Richard Edward Caron
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-12-16
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-11-21
Also published as: EP0552538B1; EP0683624A2; EP0552538A1; KR930015999A; DE69209042D1; US5304846A; EP0683624A3

Description

Querverweis zu einer verwandten Patentanmeldung

Diese Patentanmeldung ist mit der US-Patentanmeldung der Nummer 807 688 (entspricht dem Dokument EP-A-0 551 726) von Azar mit dem Titel "Circuit Pack Layout With Improved Dissipation of Heat Produced By High Power Electronic Components" verwandt, welche am selben Tag wie diese Patentanmeldung beim US-Patent- und Markenamt eingereicht wurde.

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von wärmeerzeugenden elektronischen Bauteilen. Im speziellen betrifft diese Erfindung Wärmesenken, Kühlmittelzuführungssysteme, Schaltungsentwürfe und Verfahren zur Optimierung der Abmessungen von Wärmesenken.

Hintergrund der Erfindung

Ein effektives Ableiten der durch den Betrieb elektronischer Bauteile erzeugten Wärme ist ein wichtiges Anliegen beim Optimieren der Leistungseigenschaft der Schaltung, in dem diese Bauteile verwendet werden. Zusätzlich zur Leistungsoptimierung hilft eine effektive Wärmeableitung auch, die Nutzlebensdauer dieser Bauteile zu verlängern. Eine Wärmeableitung ist besonders im Falle von elektronischen Hochleistungsbauteilen wichtig, die 3 W/cm² oder mehr erbringen können. Einige exotische Verfahren zum Kühlen elektronischer Hochleistungsbauteile, wie beispielsweise eine Fremdflüssigkeitskühlung der an diesen Bauteilen befestigten Wärmesenken, wurden vorgeschlagen, jedoch sind diese Verfahren nicht angenehm, weil sie kostspielig zu realisieren und instandzuhalten sind. Einfache Luftkühlungstechniken wurden wegen der unangemessenen Leistungseigenschaft der bis heute entwickelten Wärmesenken und Kühlmittelzuführungssysteme vermieden und wegen einer allgemeinen Auffassung, daß eine Luftkühlung der Aufgabe eines angemessenen Ableitens der von den heutigen elektronischen Hochleistungsbauteilen erzeugten Wärme nicht gewachsen ist.
Es hat einige Arbeiten hinsichtlich des Einsatzes von luftgekühlten Schmalkanal - und Mikrokanal-Wärmesenken gegeben, um elektronische Bauteile zu kühlen. Z.B. bezieht sich Goldberg in "Narrow Channel Forced Air Heat Sink", IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, Band CHMT-7, Nr. 1, März 1984, Seiten 154-159, auf beengte Kanalwärmesenken, bei denen der Kanalabstand und die Breite entweder 0,0127 cm, 0,0254 cm oder 0,0635 cm betrugen. Luft wurde als Kühlfluid verwendet, und wurde direkt zur Wärmesenke geführt. Es heißt, die Wärmesenke von Goldberg habe thermische Impedanzen von 3,4 bis 5,9ºC pro Watt erreicht.
Hilbert et al. verweisen in "High Performance Micro Channel Air Cooling", Proceedings of the Sixth Annual IEEE SEMI-THERM Symposium, Seiten 108-113, 1990, auf eine Anordnung von gerippten Mikrokanal-Wärmesenken, bei denen Luft speziell an die Oberseite jeder Wärmesenke geführt wurde. Es heißt, die Wärmesenken haben thermische Impedanzen im Bereich von 1,6 bis 2,1ºC pro Watt erreicht.
Sowohl Goldberg als auch Hilbert arbeiten nicht mit Wärmesenken, die eine optimale Konfiguration besitzen, die deren Wärmeableitungsfähigkeit auf ein Höchstmaß bringen. Zusätzlich beziehen sich Goldberg und Hilbert auf ungewöhnlich geformte Wärmesenken, die schwierig und teuer herzustellen sind. Auch erzielen Goldberg und Hilbert die Wirksamkeit mit Kühlmittelzuführungssystemen, die in den meisten elektronischen Anlagen nicht üblich sind. Die meisten elektronischen Anlagen drücken oder ziehen einen Luftstrom über die elektronischen Bauteile, die auf flachen Schaltungsplatten angeordnet sind, welche in einer parallelen Anordnung in Fächern oder Gestellen eines Schaltschranks angeordnet sind. An der Ober- oder Unterseite der Anlage ist ein Gebläsegestell angeordnet, um Luft in den Schaltungsschrank und durch die Zwischenräume zwischen den parallel angeordneten Schaltungskarten zu drücken. Die Strömungsaufblasetechniken von Goldberg und Hilbert können bei diesen Arten der Kühlungsanordnungen nicht verwendet oder einfach an diese angepaßt werden.
Daher haben Anstrengungen wie diese von Goldberg und Hilbert ein lang empfundenes Bedürfnis wirklich nicht befriedigt, und zwar ein Kühlungssystem für elektronische Bauteile bereitzustellen, welches zu einer höchst wirksamen Ableitung der von den heutigen elektronischen Hochleistungsbauteilen erzeugten Wärme unter Einsatz einfacher Luftkühlungstechnologie imstande ist, ohne eine drastische Veränderung der mechanischen Anordnung der Bauteile.

Zusammenfassung der Erfindung

Das Bedürfnis nach den eben erwähnten adäquaten Wärmeableitungsfähigkeiten wird durch eine neue Offenkanal- Kühleinrichtung nach Anspruch 1 befriedigt, die auf eine Weise dimensioniert ist, welche die Wärmeableitungsfähigkeit der Kühleinrichtung optimiert. Die Kühleinrichtung umfaßt eine Vielzahl von Rippen, wobei jede eine vorbestimmte Dicke und eine vorbestimmte Höhe besitzt. Eine Vielzahl von Kanälen mit jeweils einer vorbestimmten Breite ist zwischen den Rippen der Kühleinrichtung angeordnet. Die Wärmeableitungsfähigkeit der Kühleinrichtung kann optimiert werden, wenn die Parameter der Rippendicke und der Kanalbreite miteinander verbunden und einander angemessen sind. Gemäß Anspruch 1 ist die Wärmeableitungsfähigkeit der Kühleinrichtung optimiert, wenn das Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe etwa 0,005 zu etwa 0,055 beträgt und das Verhältnis der Kanalbreite zur Rippenhöhe etwa 0,030 zu etwa 0,130 beträgt.

Figurenbeschreibung

Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel einer Schmalkanalwärmesenke gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einer versetzten Anordnung der wärmegesenkten elektronischen Bauteile;
Fig. 3 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einer In-Line-Anordnung der wärmegesenkten elektronischen Bauteile;
Fig. 4 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einer Vielzahl von Reihen versetzt angeordneter wärmegesenkter Bauteile;
Fig. 5 eine Kühlmittelzuführungsvorrichtung zum Kühlen der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Schaltungsanordnungen;
Fig. 6 eine Aufsicht eines Teils der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung, die Lufteintrittsschlitze und Druckanschlußstellen in der oberen Platte eines Gehäuses für die Schaltungsanordnung darstellt;
Fig. 7 Druckabfallmessungen in bezug auf die Umgebung und in bezug auf den Kanaleingang für eine Schaltungsanordnung mit einer versetzten wärmegesenkten Bauteileanordnung;
Fig. 8 und 9 Temperaturanstiege über die Umgebungstemperatur für jedes Bauteil in einer Schaltungsanordnung mit einer geschlitzten Abdeckplatte bei zwei verschiedenen Ventilatorspannungen;
Fig. 10 einen Vergleich zwischen den Leistungseigenschaften von Schaltungsanordnungen mit einer geschlitzten Abdeckplatte und einer durchgängigen Abdeckplatte;
Fig. 11 einen Vergleich der Auswirkung des Entwurfs der Schaltungsanordnung und des Verfahrens des Luftstromeintrittes auf die thermische Impedanz;
Fig. 12, 13, 14 und 15 Schichtlinienausdrucke, die die Optimierung der Wärmesenkenabmessungen bei vier verschiedenen Druckabfällen über der Wärmesenke veranschaulichen;
Fig. 16 ein Beispiel einer Wärmesenke gemäß der Erfindung, in der ein elektronisches wärmeerzeugendes Bauteil integriert ist;
Fig. 17 eine Wärmesenke gemäß der Erfindung, die in die Struktur eines gegossenen oder umschlossenen elektronischen wärmeerzeugenden Bauteils aufgenommen wurde.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer optimierten Wärmesenke 10 gemäß der Erfindung. Die Wärmesenke 10 umfaßt eine Reihe von Rippen 12, von denen eine in Fig. 1 explizit die Bezugsziffer 12 trägt. Jede Rippe besitzt eine vorbestimmte Höhe H und eine vorbestimmte Dicke T. Die Höhe H kann von etwa 0,25 cm bis etwa 3,2 cm reichen. Die Rippen erstrecken sich von einer rechtwinklig geformten Basis 14 der Wärmesenke 10. Die Basis 14 besitzt eine vorbestimmte Breite W und eine vorbestimmte Tiefe D. Die Breite der Basis 14 kann z.B. etwa 2,5 cm und die Tiefe der Basis 14 kann ebenfalls etwa 2,5 cm betragen. Die Gesamthöhe der Wärmesenke vom Boden der Basis 14 bis zu den Enden der Rippen 12 kann etwa 3,8 cm bis etwa 7,6 cm betragen. Obwohl die Basis 14 der Wärmesenke 10 bei dem Beispiel aus Fig. 1 rechtwinklig ist, kann die Basis irgendeine geeignete Form, wie z.B. eine kreisförmige, rechtwinklige oder dreieckige, besitzen.
Die Rippen 12 umfassen rechtwinklig geformte Vorsprünge, die im wesentlichen aufrecht auf der Basis 14 stehen. Die Rippen 12 erstrecken sich im wesentlichen von der Vorderseite bis zur Rückseite der Wärmesenke und definieren eine Vielzahl von parallelen, rechtwinkligen Kanälen oder Furchen mit einer vorbestimmten, im wesentlichen konstanten Breite 5 zwischen benachbarten Rippen 12. Wie bei Fig. 1 dargestellt, sind die Kanäle zur Oberseite der Wärmesenke 10 hin offen. Die Rippen 12 besitzen im wesentlichen rechtwinklige Querschnitte parallel und senkrecht zu den Längsachsen der Kanäle. Gemäß der Erfindung und wie nachfolgend detaillierter beschrieben, sind die Rippendicke T und die Kanalbreite S so ausgewählt, daß die Wärmeableitungsfähigkeiten der Wärmesenke optimiert werden.
Die Wärmesenke wird auf eine beliebige wärmeleitfähige Art und Weise an dem elektronische wärmeerzeugende Bauteil befestigt. Die Wärmesenke kann z.B. an so ein Bauteil mit Hilfe eines wärmeleitfähigen Klebstoffs, wie z.B. ein wärmeleitfähiges Epoxidharz, befestigt werden.
Die Wärmesenke 10 bei Fig. 1 kann aus irgendeinem geeigneten wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder ein anderes metallisches Material, hergestellt sein. Sie kann auch aus einem Halbleiter, aus Keramik, aus einer Zusammensetzung oder einer Legierung bestehen. Die Kanäle und Rippen können in einem rechtwinkligen Block eines solchen wärmeleitfähigen Materials durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. Die Kanäle und die Rippen können z.B. durch Techniken, wie z.B. Kristallausrichtungsabhängiges Ätzen, Präzisionssägen, elektrische Entladungsformgebung oder numerisch gesteuerte Formgebung, geschaffen werden.
Eine andere Konfiguration, die eine Wärmesenke gemäß der Erfindung einnehmen kann, besteht in einer rippengefalteten Wärmesenke ähnlich zu denen, die bei Klimaanlagen und Autokühlern verwendet werden. Die angewandten Herstellungstechniken, um gefaltete Rippenwärmesenken herzustellen, können Rippendicken und Abstände in dem interessierenden Bereich bei relativ geringen Kosten hervorbringen. Bei einer typischen Anwendung wird ein Aluminiumblech der gewünschten Dicke in einer Schlangenlinienform umgefaltet, so daß ein gewünschter Kanalabstand geschaffen wird. Diese gefaltete Rippe kann anschließend an eine Aluminiumbasis, z.B. durch Tauchlöten, gebunden werden. Die Wärmesenke kann anschließend auf irgendeine Art, die eine Leitfähigkeit der Wärme von der Einrichtung zur Wärmesenke fördert, an eine elektronische Einrichtung angebracht werden. Die Einrichtung kann z.B. über ein wärmeleitfähiges Epoxidharz befestigt werden. Die Wärmesenke kann auch durch irgendwelche anderen mechanischen Hilfsmittel, die die Einrichtung in einen intensivens wärmeleitfähigen Kontakt mit der Wärmesenke bringt, an dem elektronischen Bauteil befestigt werden. Die gefaltete Rippenkonstruktion besitzt den Vorteil des Verbindens benachbarter Rippenenden, welches die Wärmesenke widerstandsfähiger gegenüber Handhabungsschäden macht. Ein Vorteil des Einsatzes einer derart gefalteten Rippenwärmesenke besteht darin, daß sie eingeschnitten, gegeneinander versetzt oder wellig sein kann, um die thermischen Grenzschichten aufzubrechen, die sich in dem Kühlfluidfluß bilden können.
Es wurde herausgefunden, daß die Leistungseigenschaft der Wärmeableitung einer Wärmesenke, wie z.B. der Wärmesenke 10 aus Fig. 1 oder der vorher beschriebenen gefalteten Rippenwärmesenke, durch ein entsprechendes Auswählen einer Kombination der Parameter der Rippendicke und der Kanalbreite optimiert werden kann. Im einzelnen wurde herausgefunden, daß es für einen vorgegebenen Druckabfall über der Wärmesenke einen optimalen Bereich der Rippendicken und einen optimalen Bereich der Abstände zwischen den Rippen gibt. Die Leistungseigenschaft einer derart optimierten Wärmesenke wird hinsichtlich des thermischen Widerstands und der Wärmeableitungsfähigkeit im Vergleich mit früheren Wärmesenken wesentlich verbessert. Es wurde herausgefunden, daß diese Verbesserung der Leistungseigenschaft erreicht werden kann, wenn das Verhältnis der vorbestimmten Rippendicke zur vorbestimmten Rippenhöhe (T/H) von etwa 0,005 bis etwa 0,055 reicht und das Verhältnis der vorbestimmten Kanalbreite zu der vorbestimmten Rippenhöhe (S/H) von etwa 0,030 bis etwa 0,130 reicht, bei Druckabfällen über der Wärmesenke von etwa 0,05 cm H&sub2;O bis etwa 1,5 cm H&sub2;O. Die tatsächlichen Bereiche, in die diese Verhältnisse fallen, können ausgewählt werden, um die Wärmeableitungsfähigkeiten der Wärmesenke für Druckabfälle einiger bestimmter Fluide, die über der Wärmesenke erwartet werden, zu optimieren. Bei einem bestimmten Beispiel dieser Erfindung kann das Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe von etwa 0,005 bis 0,055 reichen, und das Verhältnis der Kanalbreite zur Rippenhöhe kann von etwa 0,08 bis 0,13 reichen, bei einem Druckabfall von etwa 0,05 cm H&sub2;O. Bei einem zweiten Beispiel dieser Erfindung kann das Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe von etwa 0,005 bis etwa 0,055 reichen, und das Verhältnis der Kanalbreite zur Kanalhöhe kann von etwa 0,060 bis etwa 0,110 reichen, bei einem Druckabfall von 0,15 cm H&sub2;O. Bei einem dritten Beispiel dieser Erfindung kann das Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe von etwa 0,005 bis 0,055 reichen, und das Verhältnis der Kanalbreite zur Rippenhöhe kann von etwa 0,040 bis etwa 0,090 reichen, bei einem Druckabfall von 0,05 cm H&sub2;O. Bei einem vierten Beispiel dieser Erfindung kann das Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe von etwa 0,005 bis 0,055 reichen, und das Verhältnis der Kanalbreite zur Rippenhöhe kann von etwa 0,03 bis 0,08 reichen, bei einem Druckabfall von 1,5 cm H&sub2;O.
Wie in den Fig. 12 bis 15 dargestellt, existieren spezielle optimale Werte für den Kanalabstandsparameter und den Rippendickenparameter bei repräsentativen Werten eines Druckabfalles über der Wärmesenke. Diese optimalen Werte sind diejenigen, bei denen die thermische Impedanz ein Minimum und die Wärmeableitung daher ein Maximum ist. Diese Werte betragen:
a) etwa 0,103 für den Kanalabstandsparameter S/H und etwa 0,014 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 0,05 cm H&sub2;O;
b) etwa 0,0η für den Kanalabstandsparameter S/H und etwa 0,014 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 0,15 cm H&sub2;O;
c) etwa 0,057 für den Kanalabstandsparameter S/H und etwa 0,014 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 0,5 cm H&sub2;O; und
d) etwa 0,045 für den Kanalabstandsparameter S/H und etwa 0,015 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 1,5 cm H&sub2;O.
Die thermischen Impedanzen für die Wärmesenken der obigen Punkte a) bis d) betrugen jeweils etwa 2,4ºC pro Watt, 1,54ºC pro Watt, 0,94ºC pro Watt und 0,61ºC pro Watt.
Bei einem besonderen Beispiel einer Wärmesenke gemäß der Erfindung, Versuche an dieser werden im einzelnen später beschrieben, umfassen die Abmessungen der Basis 14 der Wärmesenke eine Breitenabmessung von 2,5 cm und eine Längenabmessung von 2,5 cm. Die Gesamthöhe der Wärmesenke vom Boden der Basis 14 bis zu den Enden der Rippen 12 beträgt etwa 2,0 cm. Die Höhe H von jeder Rippe 12 beträgt etwa 1,25 cm, die Dicke τ von jeder Rippe 12 beträgt etwa 0,4 mm, und die Breite 5 von jedem Kanal beträgt etwa 1,1 mm. Als ein Ergebnis der tatsächlichen Versuche wurde herausgefunden, daß die von einem an der Basis einer derartigen Wärmesenke befestigten elektronischen Bauteil erzeugten Wärme wirkungsvoller abgeleitet wird, als es mit früheren Wärmesenken der Fall ist. Ein bedeutsam verringerter Temperaturanstieg ergibt sich aus dem Betreiben elektronischer Bauteile in einer Schaltungsanordnung, die diese Wärmesenke enthält. Die thermischen Widerstände einer derartigen Wärmesenke werden wesentlich verringert im Vergleich zu den thermischen Widerständen der unter ähnlichen Umständen verwendeten früheren Wärmesenken.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Entwurfs von Elementen in einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit sechs Schaltungselementen 18, 20, 22, 24, 26 und 28, die auf einer Grundplatte 30 angeordnet sind, welche z.B. aus einem Glas- Epoxidharz-Material hergestellt sein kann. Die Schaltungsanordnung, wie aus den Fig. 5 und 6 besser ersichtlich, ist in einem Gehäuse eingeschlossen, durch das ein Kühlfluid gezogen wird, um die wärmeerzeugenden elektronischen Bauteile auf der Grundplatte 30 der Schaltungsanordnung zu kühlen. Das Gehäuse und die Grundplatte 30 bilden eine Art Windkanal, der die von den elektronischen Bauteilen erzeugte Hitze abführt. Bei einem Versuchsbeispiel der Erfindung kann jedes der Schaltungselemente 18, 20, 22, 24, 26 und 28 ein elektronisches Bauteil umfassen, das an einer Aluminiumwärmesenke mit einer 2,5 x 2,5 x 2,0 cm großen Basis 14 befestigt ist, mit 0,4 mm dicken Rippen 12, die parallele Kanäle mit einer Breite von 1,1 mm definieren. Die Kanäle der Wärmesenken sind im allgemeinen parallel zu der Richtung des Fluidflusses, durch Pfeile 32 angezeigt, durch das Gehäuse ausgerichtet. Ein Transistor stellt ein Beispiel eines elektronischen Bauteils dar, der auf irgendeine wärmeleitfähige Art und Weise an der Basis der Wärmesenke befestigt werden kann. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die wärmegesenkten Bauteile in einer Reihe angeordnet, die sich senkrecht in bezug auf die Richtung des Luftstroms, der durch die Pfeile 32 in Fig. 2 angezeigt wird, erstreckt. Abwechselnd sind die wärmegesenkten Bauteile auch in einer Richtung parallel zu der Richtung des Fluidflusses versetzt angeordnet. Der minimale Abstand zwischen benachbarten Wärmesenken kann etwa 0,254 cm betragen.
Fig. 3 zeigt einen anderen Bauteileentwurf für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Die Schaltungselemente 18, 20, 22, 24, 26 und 28 sind auf der Grundplatte 30 in einer In-Line-Konfiguration angeordnet, die eine Anzahl von wärmegesenkten Bauteilen umfaßt, die in einer Reihe angeordnet sind, die sich senkrecht in bezug auf die Richtung des durch die Pfeile 32 dargestellten Luftstroms erstreckt. Die Kanäle der Wärmesenken sind im allgemeinen parallel zu der Richtung des durch die Pfeile 32 angezeigten Kühlmittelflusses angeordnet. Die wärmegesenkten Bauteile sind nicht wie die bei Fig. 2 versetzt angeordnet.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Bauteileentwurf für eine Schaltungsanordnung. Fig. 4 zeigt eine Anordnung von wärmegesenkten Bauteilen, wobei einem von diesen eine Bezugsziffer 34 in Fig. 4 gegeben wurde. Die Anordnung von Fig. 4 kann als eine Kombination aus einer In-Line- und einer versetzt angeordneten Konfiguration der wärmegesenkten Bauteile betrachtet werden, welche im allgemeinen gleichmäßig auf der Grundplatte 30 der Fig. 4 verteilt sind.
Bei Fig. 4 sind fünf Reihen von wärmegesenkten Bauteilen. Jede Reihe umfaßt zwei wärmegesenkte Bauteile, die auf einer Linie senkrecht zu der Richtung des durch die Pfeile 32 angezeigten Kühlmittelflusses angeordnet sind. Die Bauteile in jeder Reihe sind in bezug auf die Bauteile der benachbarten Reihen in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Kühlmittelflusses versetzt angeordnet. Dies ist, um sicherzustellen, daß jedes Bauteil nicht in dem direkten Sog benachbarter Bauteile angeordnet ist, der durch den Fluß des Kühlfluids durch das Schaltungsanordnungsgehäuse hervorgerufen wird. Diese Anordnung wurde gefunden, um die Wärmeableitungsfähigkeiten der Schaltungsanordnung zu verbessern.
Fig. 5 und 6 veranschaulichen eine Vorrichtung um Kühlmittelluft zu den wärmegesenkten Bauteilen zu führen. Fig. 5 zeigt einen Aufbau 36, der ein rechtwinkliges Gehäuse umfaßt, um eine Anzahl von wärmegesenkten Bauteilen zu umschließen, die auf einer Grundplatte 30 montiert sind, wie bei irgendeiner der Figuren 2 bis 4 dargestellt. Die Einfassung umfaßt die vorher erwähnte, in jeder der Fig. 2 bis 4 dargestellten Grundplatte 30, vertikal angeordnete Endplatten 38 und 39 und eine horizontal angeordnete Abdeckplatte 40. Zwei vertikal angeordnete Seitenplatten sind an der Vorderseite und der Rückseite der Vorrichtung aus der Fig. 5 zwischen der Grundplatte 30 und der Abdeckplatte 40 angeordnet. Die Endplatten 38 und 39, die Abdeckplatte 40 und die Seitenplatten können aus einem plastischen Material, wie z.B. das unter der Marke LEXAN vertriebene, hergestellt sein. Die Grundplatte 30, die Endplatten 38 und 39, die Abdeckplatte 40 und die beiden Seitenplatten definieren ein rechtwinkliges Gehäuse, in welches die wärmegesenkten Bauteile, so wie in irgendeiner der Figuren 2 bis 4 dargestellt, angeordnet sind. Der vertikale Abstand zwischen der Abdeckplatte 40 und der Grundplatte 30 ist derart, daß eine kontrollierte Abstandmenge zwischen der Abdeckplatte 40 und den Rippenenden der Wärmesenken, die mit den elektronischen Bauteilen verbunden sind, definiert wird. Der Abstand zwischen der Abdeckplatte und den Enden der Wärmesenken kann z.B. von etwa 0 bis etwa 0,25 cm reichen. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen den Rippenenden der Wärmesenken und der Abdeckplatte 40 so schmal wie möglich hergestellt. Bei einigen bevorzugten Beispielen der Erfindung kann die Abdeckplatte 40 so positioniert werden, daß es keinen Zwischenraum zwischen den Rippenenden der Wärmesenke und der Abdeckplatte 40 gibt.
Ein Ende der Schaltungsanordnung und des in Fig. 5 dargestellten Gehäuses steht mit einem Ventilator 42 in Verbindung, der in einer ausgebauchten Struktur, die an dem Ende der Vorrichtung befestigt ist, angeordnet ist. Irgendein Mechanismus, der einen Kühlstrom durch die Schaltungsanordnung und das Gehäuse hervorruft, kann anstelle des Ventilators 42 und der in Fig. 5 dargestellten ausgebauchten Struktur verwendet werden. Der Ventilator 42 zieht die Kühlluft durch eine oder mehrere Eintrittsöffnungen in dem Schaltungsanordnungsgehause uber die Wärmesenken und stößt sie durch eine oder mehrere Öffnungen in der Endplatte 39 des Schaltungsanordnungsgehäuses aus. Die Austrittsöffnungen können aus einer oder mehreren, angemessen zugeschnittenen, kreisrunden Öffnungen in einer dem Ventilator benachbarten und der Endplatte 38 gegenüberliegenden Endwand 39 des Gehäuses bestehen. Der Strom des Kühlfluids durch die Vorrichtung der Fig. 5 zwischen der Abdeckplatte 40 und der Grundplatte 30 leitet die durch den Betrieb der elektronischen, an den Wärmesenken befestigten Bauteile erzeugten Wärme ab. Der Ventilator 42 zieht die durch den Kontakt mit den Wärmesenken erwärmte Luft, wie durch die in Fig. 5 gezeigten Pfeile 44 angezeigt, ab.
Es gibt zwei Wege, auf denen Kühlungsluft durch eine oder mehrere Eintrittsöffnungen in das Schaltungsanordnungsgehäuse der Fig. 5 eingeführt werden kann. Ein bevorzugter Weg, auf dem Luft in die Vorrichtung der Fig. 5 eingelassen wird, geschieht durch die Bereitstellung einer Anzahl von Lufteintrittsschlitzen 46 in der Abdeckplatte 40, wie bei Fig. 6 angezeigt. Vorzugsweise ist ein derartiger Lufteintrittsschlitz 46 über jeder der Wärmesenken der Schaltungsanordnungen angeordnet. Die Darstellung der Abdeckplatte 40 in Fig. 6 zeigt eine Anordnung von Lufteintrittsschlitzen 46 für den in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnungsentwurf, der einen über jeden der wärmegesenkten Bauteile 34, wie in Fig. 4 dargestellt, angeordneten Lufteintrittsschlitz 46 beinhaltet. Fig. 6 zeigt auch eine Anzahl von Druckanschlußstellen in der Abdeckplatte 40, die verwendet werden können, um Luftdruckmessungen in der Schaltungsanordnung vornehmen zu können, wie es in den nachfolgend beschriebenen Versuchsergebnissen aufgezeigt wird.
Bei diesem Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß dieser Erfindung zieht der Ventilator 42 Kühlungsluft durch jeden der Lufteintrittsschlitze 46. Die Kühlungsluft fällt direkt unter jedem Schlitz 46 in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Grundplatte 30 auf die Wärmesenken ein und wird anschließend in einer horizontalen Richtung parallel zu der Grundplatte 30 durch die Kanäle zwischen den Rippen der Wärmesenken gezogen. Die Kühlungsluft wird danach, wie durch die Pfeile 44 in Fig. 5 gezeigt, abgezogen.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines derartigen Luftzuführungssystems mit Lufteintrittsschlitzen 46 in der Abdeckplatte 40 können die Größen der Lufteintrittsschlitze 46 unterschiedlich hergestellt sein, so daß ein gleichmäßiger ausbalancierter Kühlungsstrom durch das Schaltungsanordnungsgehäuse hindurch aufrechtgehalten wird. Im einzelnen können die Größen der Schlitze fortschreitend kleiner hergestellt sein, je weiter stromabwärts diese angeordnet sind. Z.B. besitzen, wie in Fig. 6 dargestellt, die zwei am weitesten stromaufwärts angeordneten Schlitze Längen- und Breitenabmessungen, die ungefähr genauso sind wie die Breiten- und Tiefenabmessungen der Wärmesenken, die unter diesen stromaufwärts angeordneten Schlitzen 46 zentriert sind, nämlich in dem vorher beschriebenen Beispiel etwa 2,5 x 2,5 cm. Die Längenabmessungen der Schlitze 46 verringern sich graduell, je weiter stromabwärts sie angeordnet sind. Die Längenabmessung der zwei am weitesten stromabwärts angeordneten Schlitze kann nur etwa 60 % der Längenabmessung der bei diesem Beispiel der Erfindung am weitesten stromaufwärts angeordneten Schlitze betragen, nämlich bei dem oben beschriebenen Beispiel 1,5 cm.
Ein anderes Verfahren, um Kühlungsluft zu einer Schaltungsanordnung, wie z.B. zu der in den Fig. 5 und 6 dargestellten zu führen, beinhaltet die Bereitstellung einer durchgängigen oder ungeschlitzten oberen Platte 40 und das Entfernen der Endplatte 38. In diesem Fall wird die Kühlungsluft durch die Öffnung in dem Ende des Schaltungsanordnungsgehäuses, durch die Kanäle der Wärmesenken in der Schaltungsanordnung in einer Richtung parallel zur Grundplatte 30 geführt, und die Abluft wird, wie durch die Pfeile 44 in Fig. 5 angezeigt, abgeführt.

Detaillierte Versuchsbeispiele

Aus einem Block Aluminium, der eine Breite von 2,5 cm mal einer Länge von 2,5 cm mal einer Höhe von 2,0 cm besaß, wurde eine tatsächliche Wärmesenke konstruiert. 0,4 mm dicke Rippen wurden maschinell in einem Abstand von 1,1 mm in der Oberseite des Aluminiumblocks, wie in Fig. 1 gezeigt, herausgearbeitet. Ein Transistor wurde als Wärmequelle verwendet und wurde an die Wärmesenke in einer Furche von 1,5 cm² in der Grundplatte der Wärmesenke befestigt. Als Wärmequelle wurde ein Transistor verwendet, weil dieser eine hohe Wattleistung erzeugen kann und mit etwa 1 cm² einigermaßen raumsparend ist. Eine aus Glasepoxidharz (27,5 cm x 20 cm) hergestellte Schaltungsanordnung trug eine Anzahl dieser wärmegesenkten Bauteile. Die Bauteile wurden in einer versetzten und in einer In-Line-Anordnung der Fig. 2 bis 4 plaziert, um die Wirkung des Schaltungsanordnungsentwurfs zu untersuchen. Der Abstand zwischen den Kanten der benachbarten Wärmesenken betrug etwa 0,127 cm bei den Fig. 2 und 3. Die vertikale Trennung zwischen wechselnden Reihen der Bauteile in Fig. 4, z. B. der vertikale Abstand zwischen den mit 5 und 7 in Fig. 4 bezifferten Bauteilen, betrug etwa 6,35 cm. Der vertikale Abstand zwischen benachbarten Reihen der Bauteile in Fig. 4, z.B. der vertikale Abstand zwischen den Kanten der mit 5 und 6 in Fig. 4 bezifferten Bauteile betrug etwa 2 cm. Die horizontale Trennung zwischen den vertikalen Reihen der Bauteile in Fig. 4, z. B. die horizontale Trennung zwischen den Kanten der mit 5 und 6 in Fig. 4 bezifferten Bauteile, betrug etwa 1 cm.
Durch Schlitze in der oberen Platte oder durch die Endwand des Schaltungsanordnungsgehäuses wurde Luft zu den Wärmesenken eingeführt. Eine Einfallkonfiguration wurde durch Ausbilden von Schlitzen erreicht, die exakt über den Bauteilen in der oberen Platte des Schaltungsanordnungsgehäuses angeordnet waren. Ein zweites Verfahren zur Luftstromeinführung wurde durch Entfernen der Endplatte und durch Ersetzen der oberen Abdeckung mit einer durchgängigen Platte eingerichtet. Die wiedergegebenen Daten gelten für die geschlitzte, sowie für die durchgängige Abdeckung.
Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, ein Gehäuse und einen Ventilator, die als eine Art Windkanal bei diesem Versuch arbeiten. Der bei dem Versuch verwendete Ventilator war ein EG&G Rotron-(Patriot-DC)-Ventilator. Eine Aufsicht der Abdeckplatte wird in Fig. 6 dargestellt, welche die Stellen (A, B, C, D und E) zeigt, bei denen der Luftdruck gemessen wurde. In einem Fall existierte kein Zwischenraum zwischen der Abdeckplatte und der Oberseite der Wärmesenke Die Schaltungsanordnung wurde anschließend innerhalb dem, was mehr einem konventionellen Windkanal ähnelt, plaziert, welches eine typische Anordnung elektronischen Zubehörs in einem Rahmen oder einem Fach simuliert. In diesem Fall existierte zwischen den Wärmesenkenenden und der Abdeckplatte ein Zwischenraum. Diese konventionelle Windkanalanordnung wurde verwendet, um die Wirkung einer Strömungsumführung auf die thermische Leistungseigenschaft der Wärmesenke zu unterstützen.
Um die thermische Leistungseigenschaft einer Wärmesenke gemäß dieser Erfindung zu bestimmen, wurden verschiedene Parameter verfolgt und variiert. Diese enthielten den Luftströmungsgrad, den Bauteileentwurf, den Bauteileleistungsabfall und die Rippenendenfreilegung. Drei verschiedenen Luftströmunggrade, die niedrige bis hohe Mengen erzeugter Luftkühlungskonvektion darstellten, wurden verwendet. Wegen der Geometrie und dem Bauteileentwurf wurden die Ventilatorspannung und der Windkanaldruckabfall als eine Messung bei unterschiedlichen Luftströmungsgraden aufgezeichnet. Fig. 7 zeigt die Druckabfälle bei drei verschiedenen Ventilatorspannungen 16, 32 und 48 V. Diese Druckunterschiede sind in bezug auf die Umgebung (positive Werte) und in bezug auf den Eingang des Schaltungsanordnungsgehäuses (negative Werte) wiedergegeben. Die mit den Druckabfällen verbundene Luftgeschwindigkeit, gemessen in der Mitte des Kanals, betrug 2,3, 4,8 und 6,6 m/s.
Die thermische Leistungseigenschaft der Wärmesenke wird anhand des Temperaturanstieges über der Umgebung δT und der thermischen Impedanz θja wiedergegeben. Der für die Berechnung der thermischen Impedanz verwendete Temperaturanstieg basiert auf dem Temperaturanstieg zwischen der Grundplatte der Wärmesenke und der Raumumgebung. Fig. 8 und 9 zeigen δT und θja bei verschiedenen Bauteilleistungsabfällen (13, 16 und 20 W) jeweils bei Ventilatorspannungen von 16 und 48 V. Die Abszisse gibt die Bauteilnummer der Schaltungsanordnung wieder. (Diese Nummern werden zusätzlich zu den bereits in der vorhergehenden Beschreibung erwähnten Bezugsziffern in den Fig. 2 bis 4 wiedergegeben.) Bei dieser Anordnung strömt Luft durch die vorher beschriebene geschlitzte Abdeckplatte auf das Bauteil ein. Die Figuren zeigen, daß der Temperaturanstieg selbst bei einer geringen Menge erzwungener Konvektionsluftkühlung 38ºC nicht übersteigt und daß θja bei beiden betrachteten Luftgeschwindigkeiten nur von 0,78 bis nur 1,91ºC pro Watt variiert. Die Sperrschichttemperatur der Einrichtung liegt gut unterhalb eines Industriestandards von 125ºC für einen Betrieb der Einrichtung bei einer Umgebungstemperatur des schlechtesten Falls von 50ºC.
Fig. 10 zeigt die Einwirkung von verschiedenen Kühlmittelzuführungssystemen auf die Ableitung der durch die Bauteile erzeugten Wärme und die Leistungseigenschaft der Wärmesenken in der Schaltungsanordnung. Zwei Bauteilleistungsabfälle (13 und 16 W) sind bei einer Ventilatorleistung von 32 W bei einer geschlitzten und einer durchgängigen Abdeckplatte wiedergegeben. Bei der letzteren verläuft der Luftstrom parallel zur Schaltungsanordnung, und es existiert kein Rippenendenabstand zwischen der Wärmesenke und der Abdeckplatte. Die Figur zeigt, daß die Luftstromrichtung auf den Temperaturanstieg einwirkt. Speziell wird eine verbesserte Leistungseigenschaft erzielt, wenn ein direkter Einfall durch die Schlitze in der Abdeckplatte verwendet wird. Die durch das Einführen des Stroms parallel zur Schaltungsanordnung durch eine Endwand erlangte Kühlung ist noch immer bedeutsam und selbstverständlich innerhalb akzeptabler Gestaltungsgrenzen. Ferner zeigt Fig. 10, daß das Kühlen eine Funktion der Bauteillage auf der Schaltungsanordnung ist und daß ähnliche Kühlungspegel mit beiden Typen der Luftstromeinführung erreicht werden können. Dies wird durch die Bauteile 5 und 6 verdeutlicht. Man kann zusammenfassen, daß die beispielhafte thermische Leistungseigenschaft einer angemessen gestalteten Schmalkanalwärmesenke gemäß dieser Erfindung mit jedem Kühlmittel zuführungssystem erreicht werden kann.
Fig. 11 bestätigt ferner die oben wiedergegebene Schlußfolgerung. Fig. 11 zeigt θja bei mehreren Luftstromeinführungsverfahren und Bauteilanordnungen. Fig. 11 enthält auch Daten bezüglich einer Situation, bei der es einen Abstand (wiedergegeben durch eine mit "herkömmlicher Windkanal" bezeichnete Kurve in Fig. 11) zwischen den Rippenenden der Wärmesenke und der Abdeckplatte des Schaltungsanordnungsgehäuses gibt. Der Abstand betrug 1,25 cm (im schlechtesten Fall), und der Leistungsabfall je Bauteil betrug 16 W. Die Daten wurden bei einer Ventilatorspannung von 32 V aufgenommen. Um dieselbe Luftgeschwindigkeit in dem Schaltungsanordnungsgehäuse zu haben, wurden die Druckabfälle für die Fälle, bei denen ein Rippenendenabstand vorlag und bei denen kein Rippenendenabstand vorlag, aufeinander abgestimmt.
Zwei Punkte in Fig. 11 sind bemerkenswert. Der herausgefundene thermische Widerstand θja für diese Situation, bei der ein Abstand zwischen den Rippenenden der Wärmesenken und der Abdeckplatte vorlag, überstieg etwa 1,6ºC pro Watt nicht. Dies zeigt an, daß eine Wärmesenke, die mit einer großen Menge von umführten Kühlstrom gekühlt wurde, immer noch bemerkenswert gut arbeitet. Obwohl eine bedeutsame Verbesserung erreicht werden kann, indem der Luftstrom durch die Schlitze in der Abdeckplatte geleitet wird, liegt die Leistungseigenschaft gut innerhalb der meisten Entwurfsgrenzen.
Der zweite zu erwähnende Punkt ist die Bauteilanordnung. Bei einer versetzten und einer In-Line- Schaltungsanordnungskonfiguration war die Abdeckplatte durchgängig, und es gab keinen Rippenendenabstand. Die Ergebnisse zeigen, daß die Bauteilanordnung die Leistungseigenschaften nicht beeinträchtigt, so lange, wie die Bauteile nicht in dem direkten Sog irgendeines der anderen Bauteile unmittelbar stromabwärts eines anderen plaziert werden, so daß der Strom durch die Wärmesenke blockiert ader anderweitig beeinträchtigt wird. Ein Vergleich von θja in Fig. 11 bei einer durchgängigen Abdeckung, versetzt und In-Line angeordnet, bestätigt überdies diesen Punkt. Daraus kann man schließen, daß angemessen gestaltete Schmalkanal-Wärmesenken ohne Rücksicht auf den Bauteileentwurf einer Schaltungsanordnung gut arbeiten, vorausgesetzt, eine direkte Blockierung wird vermieden.

Verfahren zur Optimierung der Wärmesenkenabmessungen

Ein Verfahren zur Optimierung der Rippendicke (τ) und des Abstandes zwischen den Rippen (S) einer Schmalkanal- Wärmesenke wird vorgestellt. Die thermische Gesamtimpedanz von der Basis der Wärmesenke zur Eintrittsluft setzt sich zusammen aus der Impedanz von der Basis der Wärmesenke zum örtlichen Luftstrom plus der thermischen Impedanz des örtlichen Luftstroms zur Eintrittsluft:
RTotal = RWärmesenke + RLuft
wobei
RWärmesenke = 1/ηhAs,
wobei η der Rippenwirkungsgrad, h der Wärmeübertragungskoeffizient und As der Oberflächenbereich der Wärmesenke ist.
RLuft = 1/2 AfVCp
wobei die Dichte des Kühlfluids, in diesem Fall Luft, Af die Strömungsfläche der Wärmesenke, V die Strömungsgeschwindigkeit und Cp die spezifische Wärme des Kühlmittels ist. Bei den obigen Gleichungen sind der Rippenwirkungsgrad (η), der Wärmeübertragungskoeffizient (h) und der Wärmesenkenoberflächenbereich (As) wie folgt gegeben:
η = tanh(N)/N
wobei N = H(2h/Ksτ)0,5 und Ks die Rippenleitfähigkeit ist,
h = NuKf/D
wobei D 2S, Nu die Nußelt'sche Zahl und Kf die Kühlmittelleitfähigkeit sind.
As 2LWH/S+τ
wobei L die Länge der Wärmesenke in der Richtung des Kühlfluidstromes, W die Breite der Wärmesenke und H die Höhe der Wärmesenkenrippe ist. Die Nußelt'sche Zahl (Nu) für einen voll ausgebildeten Strom durch einen rechtwinkligen Kanal mit einem hohen Längenverhältnis wird mit 8 vorgegeben. Weil die örtliche Luftströmungstemperatur durch den Kanal entlang der Strömungslinie variiert, wurde für RLuft der Durchschnittswert der thermischen Impedanz gewählt. Der eingeführte Fehler bei Verwendung des Durchschnittes anstatt der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz ist klein. Die Strömungsfläche (Af) der Wärmesenke und die Strömungsgeschwindigkeit (V) sind wie folgt gegeben:
Af SHW/S+τ
V = ΔP(S²/12µL) (Poiseuillesche Gleichung),
wobei ΔP der Druckabfall durch die Wärmesenke und µ die Viskosität des Kühlfluids ist. Durch Einsetzen dieser Terme in die thermische Impedanzgleichung und durch Einführen dreier dimensionsloser Gruppen X=S/H, Y=τ/H und K=KfNu/Ks ergibt sich die folgende Gleichung:
Rtotal = HX(X+Y)(K/XY)0.5/KfNuLW(TANH((K/XY)0.5)) + 6µL(X+Y)/ C WΔP(HX)³
Diese Gleichung kann für die beiden unabhängigen Variablen (X) und (Y) auf viele Arten optimiert werden. Es kann ein graphisches Verfahren verwendet werden, welches das Auswerten der thermischen Gesamtimpedanz als eine Funktion des Rippendickenparameters τ/H und des Kanalabstandsparameters S/H in einer Schichtlinienskizze beinhaltet, und zwar mit einem Software-Paket mit dem Namen SURFER, erhältlich von Golden Software, 807 14th Street, P.O. Box 281, Golden, Colorado 80402. Fig. 12 zeigt eine derartige Skizze für eine luftgekühlte Aluminiumwärmesenke, wobei L = W = 25 mm, H = 12,5 mm und ΔP = 0,15 cm von Wasser. Die Schichtlinienskizze zeigt eine minimale thermische Impedanz von 1,54ºC/W bei S/H = 0,077 und τ/H = 0,014, welches einem optimalen Kanalabstand von 0,96 mm und einer optimalen Rippendicke von 0,18 mm entspricht. Fig. 13 zeigt die Wirkung eines höheren Kühlmitteldrucks und Geschwindigkeit mit L = W = 25 mm, H = 12,5 mm und ΔP = 0,5 cm von Wasser. Die Schichtlinienskizze zeigt eine minimale thermische Impedanz von 0,94ºC/W bei S/H = 0,057 und τ/H = 0,014, welches einem optimalen Kanalabstand von 0,72 mm und einer optimalen Rippendicke von 0,18 mm entspricht.
Fig. 14 ist eine Schichtlinienskizze für eine Wärmesenke ähnlich der aus den Fig. 12 und 13, jedoch für einen Kühlmittelströmungsgrad, der eine Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von 0,05 cm H&sub2;O erzeugte. Die Skizze der Fig. 14 zeigt eine minimale thermische Impedanz von 2,4ºC/W bei S/H = 0,103 und τ/H = 0,014, welches einem optimalen Kanalabstand von 1,287 mm und einer optimalen Rippendicke von 0,175 mm entspricht. Fig. 15 ist eine Schichtlinienskizze für eine Wärmesenke analog zu der aus den Fig. 12 bis 14, jedoch für einen Kühlmittelströmungsgrad, welcher eine Druckdifferenz von 1,5 cm H&sub2;O erzeugte. Die Skizze der Fig. 15 zeigt eine minimale thermische Impedanz von 2,4ºC/W bei S/H = 0,045 und τ/H = 0,015, welches einem optimalen Kanalabstand von 0,563 mm und einer optimalen Rippendicke von 0,188 mm entspricht. Angesichts dieser Ergebnisse kann gesagt werden, daß ein am meisten bevorzugter Bereich einer Kanalbreite bei etwa 0,5 mm (S/H von etwa 0,04) bis etwa 1,3 mm (S/H von etwa 0,104) liegt und ein am meisten bevorzugter Bereich einer Rippendicke bei etwa 0,17 mm (τ/H von etwa 0,0136) bis etwa 0,19 mm (τ/H von etwa 0,0152) liegt, für die in diesem detaillierten Beispiel betrachteten Wärmesenken und Druckabfälle.
Es sei erwähnt, daß die thermische Impedanz bei Rippendicken und Kanalabständen, die unterhalb des Optimums liegen, rapide ansteigt und bei Rippendicken und Kanalabständen, die größer als das Optimum sind, langsamer ansteigt. Infolge von Fertigungsschwankunken kann es daher vorteilhaft sein, eine Wärmesenke mit einer Rippendicke und einem Kanalabstand, die leicht über dem Optimum liegen, zu entwerfen.

Einige Möglichkeiten von Ausführungsformen

Fig. 16 zeigt eine Wärmesenke gemäß dieser Erfindung, mit einem darin integrierten elektronischen wärmeerzeugenden Bauteil. Die Wärmesenke der Fig. 16 wird hergestellt, indem eine Anzahl von rechtwinkligen parallelen Kanälen in einem rechtwinkligen Block eines Halbleitermaterials, welches zur Herstellung von integrierten Schaltungen geeignet ist, ausgebildet wird. Das Ausbilden der Kanäle in dem Block des Halbleitermaterials erzeugt eine Reihe von Rippen 12, die sich von einer Basis 14 erstrecken und eine vorbestimmte Höhe und eine vorbestimmte Breite in Abhängigkeit von der Tiefe der Kanäle und der Abstände, die die Kanäle trennen, besitzen. Diese Kanäle werden so ausgebildet, daß die Abmessungen der Kanalbreite und der Rippendicke wie vorhergehend beschrieben optimiert sind. Eine integrierte Schaltung 48 wird in der Basis 14 der Wärmesenke durch irgendeine Technik zum Erzeugen integrierter Schaltungen, z. B. eine photolithographische Technik, ausgebildet.
Fig. 17 zeigt eine Wärmesenke, welche in einem eingeschlossenen oder gegossenen elektronischen wärmeerzeugenden Bauteil 50, z. B. einem integrierten Hybridschaltkreis, verwirklicht ist. Das Bauteil 50 umfaßt ein Substrat, welches ein oder mehrere elektronische wärmeerzeugende Bauteile trägt, die eine integrierte Schaltung oder diskrete Bauteile sein können. Das Substrat trägt auch eine Wärmesenke 52, die gemäß den Entwurfsverfahren dieser Erfindung dimensioniert ist. Die Wärmesenke wird mit einem oder mehreren elektronischen wärmeerzeugenden Bauteilen wärmeleitfähig verbunden. Das Bauteil 50 beinhaltet auch ein Formpreßteil oder ein Einschlußmaterial 54, welches die an dem Substrat angeordneten Bauteile abdeckt. Ein Hohlraum 56 ist in dem Einschluß- oder Formpreßteilmaterial 54 ausgebildet, welcher einen durch die Kanäle der Wärmesenke 52 in dem Bauteil 50 gerichteten Kühlfluidstrom erlaubt. Bei einer alternativen Anordnung können sich die Rippen der Wärmesenke außerhalb des Einschlußmaterials 54 erstrecken und durch einen über das Äußere des Bauteils 50 gerichteten Kühlmittelstroms gekühlt werden.

Schlußfolgerung

Eine Schmalkanal-Wärmesenke wurde beschrieben, und ihre thermische Leistungseigenschaft wurde verifiziert. Die Leistungseigenschaft der Wärmesenke ist beispielhaft für eine Vielheit von Strömungsrichtungen. Die Rippenendenfreilegung (Stromumführung) kann die thermische Leistungseigenschaft der Wärmestenke verringern, jedoch ist diese Wirkung nicht bedeutend genug, um den vorteilhaften Einsatz von Wärmesenken gemäß dieser Erfindung bei herkömmlichen elektronischen Kühlanwendungen zu verhindern. Der Bauteilentwurf auf der Schaltungsplatte beeinflußt die thermische Leistungseigenschaft der Wärmesenke nicht besonders, so lange der Strom des Kühlfluids durch die Wärmesenken nicht blockiert wird. Die Schmalkanal- Wäremsenken benötigen nur gemäßigte Druckabfälle, um die hier berichtete verbesserte Leistungseigenschaft zu erreichen. Dies wird leicht mit üblichen Kühlventilatoren erreicht. Die Schmalkanal-Wärmesenken können einfach verwendet werden, um elektronische Hochleistungsbauteile zu kühlen. Bauteile, die 20 W/m² (basierend auf der Wärmequellenfläche) oder mehr verstreuen, zeigten maximale Temperaturanstiege von nur etwa 38ºC bei einer mäßigen erzwungenen Konvektionsluftkühlung.

Claims

1. Kühleinrichtung mit einer Vielzahl von rechteckförmigen Rippen, die jede eine vorbestimmte Dicke und eine vorbestimmte Höhe haben, und

mit wenigstens einem Kanal von vorbestimmter Breite zwischen den Rippen,

bei welcher ein Verhältnis der vorbestimmten Dicke zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,005 bis ungefähr 0,055 reicht, und

bei welcher eine Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,030 bis ungefähr 0,130 reicht.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1:

bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Dicke zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,005 bis ungefähr 0,055 reicht, und

bei welchem das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,080 bis ungefähr 0,130 reicht.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1:

bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,060 bis ungefähr 0,110 reicht.

4. Kühleinrichtungnach Anspruch 1:

bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,040 bis ungefähr 0,090 reicht.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1:

bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe von ungefähr 0,030 bis ungefähr 0,080 reicht.

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Dicke zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,014 beträgt und das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,103 beträgt.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Dicke zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,014 und das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,077 beträgt.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Dicke zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,014 und das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,057 beträgt.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis der vorbestimmten Dicke zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,015 und das Verhältnis der vorbestimmten Breite zur vorbestimmten Höhe ungefähr 0,045 beträgt.

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Rippendicke ungefähr 0,4 mm beträgt und die Kanalbreite ungefähr 1,1 mm beträgt.

11. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Rippen und Kanäle in einen Block von Halbleitermaterial ausgebildet sind.