DE9213849U1 - Arrangement for cooling components used in electronics - Google Patents
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Description
Deutsche Aerospace AG VRl/PT-UL/Ja/hugDeutsche Aerospace AG VRl/PT-UL/Ja/hug
UL 92/73UL92/73
D-8000 MünchenD-8000 Munich
Die Neuerung betrifft eine Anordnung zur Kühlung in der Elektronik einsetzbarer Bauelemente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The innovation relates to an arrangement for cooling components that can be used in electronics according to the preamble of claim 1.
In der Elektrotechnik ist es üblich, eine Schaltungsanordnung auf einer Leiterplatte aufzubauen. Bei dieser befinden sich aktive und/oder passive elektronische Bauelemente im allgemeinen auf einer Seite, die im folgenden Oberseite genannt wird, der Leiterplatte. Auf der gegenüberliegenden Unterseite der Leiterplatte sind im allgemeinen Leiterbahnen, z.B. in Form einer gedruckten Schaltung, angeordnet.In electrical engineering, it is common to build a circuit arrangement on a circuit board. Active and/or passive electronic components are generally located on one side of the circuit board, which is referred to as the top side below. On the opposite underside of the circuit board, conductor tracks are generally arranged, e.g. in the form of a printed circuit.
Bei einer solchen Anordnung kann im Betrieb störende Ver-Such an arrangement can cause disruptive noise during operation.
- 2 - UL 92/73- 2 - UL92/73
lustwärme auftreten, die insbesondere bei aktiven Bauelementen abgeführt werden mu/3. Dazu sind in der Technik an sich viele Kühlanordnungen und Kühlverfahren bekannt.Lost heat can occur, which must be dissipated, particularly in the case of active components/3. Many cooling arrangements and cooling methods are known in technology for this purpose.
Soll nun eine solche mit Bauelementen bestückte Leiterplatte in der HF-Technik, z.B. im GHz-Bereich eingesetzt werden, so ist es zum Teil einerseits erforderlich, daß die Bauelemente nur in einer bestimmten Weise räumlich auf der Oberseite angeordnet werden können. Es müssen z.B.If such a circuit board equipped with components is to be used in RF technology, e.g. in the GHz range, it is partly necessary that the components can only be arranged in a certain way on the top side. For example,
zwischen einigen Bauelementen möglichst kurze elektrische Verbindungsleitungen (Leiterbahnen) vorhanden sein. Andererseits ist es erforderlich, da/3 die vollständige Leiterplatte allseitig elektromagnetisch abgeschirmt wird, z.B. mit Hilfe eines Metallgehäuses.electrical connecting lines (conductor tracks) should be as short as possible between some components. On the other hand, it is necessary that/3 the entire circuit board is electromagnetically shielded on all sides, e.g. with the help of a metal housing.
Bei einer solchen Anordnung ist es aus elektrischen (elektronischen) Gründen oftmals nicht möglich, da/3 wärmeerzeugende Bauelemente und/oder Baugruppen in einen an sich erwünschten direkten Wärmekontakt zu dem Metallgehäuse gebracht werden können. Im Betrieb der Anordnung können dann in den Bauelementen und/oder Baugruppen erhöhte störende Betriebstemperaturen auftreten.With such an arrangement, it is often not possible for electrical (electronic) reasons to bring heat-generating components and/or assemblies into direct thermal contact with the metal housing, which is desirable. When the arrangement is in operation, increased, disruptive operating temperatures can then occur in the components and/or assemblies.
Zur Vermeidung derartiger Nachteile ist es aus der DE-G 92 03 252 bekannt, zwischen der Oberseite der Leiterplatte und dem im allgemeinen abnehmbarem Deckel des Metallgehäuses ein sogenanntes Kühlkissen anzuordnen. Dieses besteht z.B. aus einem allseits geschlossenen Beutel aus einer Kunststoffolie, der mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit gefüllt ist. Ein solches Kühlkissen ist räumlich anpassungsfähig und ermöglicht dafür einen guten, nahezu vollflächigen Wärmekontakt zwischen der mit BauelementenTo avoid such disadvantages, it is known from DE-G 92 03 252 to arrange a so-called cooling pad between the top of the circuit board and the generally removable cover of the metal housing. This consists, for example, of a bag made of plastic film that is closed on all sides and filled with a heat-conducting liquid. Such a cooling pad is spatially adaptable and enables good, almost full-surface thermal contact between the circuit board and the component.
- 3 - UL 92/73- 3 - UL92/73
und/oder Baugruppen bestückten Leiterplatte und dem Metallgehäuse, insbesondere mit dessen metallischem Deckel.and/or assemblies and the metal housing, in particular with its metal cover.
Bei einer fortlaufenden Verkleinerung der Bauelemente und/oder Baugruppen kann an sich auch das diese umgebende Metallgehäuse verkleinert werden. Dabei können dann beispielsweise zwischen dem Deckel und der Oberfläche der wärmeerzeugenden Bauelemente und/oder Baugruppen Abstände in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm auftreten. Bei derart geringen Abständen kann das Kühlkissen sogar zu einer Verschlechterung der Wärmeleitung führen. Denn zwischen den Kunststoffolien ist dann eine vernachlässigbare Flüssigkeitsschicht vorhanden und die an sich schlecht wärmeleitenden Kunststoffolien bewirken dann sogar in nachteiliger Weise eine Verbesserung der Wärmeisolation der Bauelemente und/oder Baugruppen und damit eine Verschlechterung der Wärmeleitung.If the components and/or assemblies are continually reduced in size, the metal housing surrounding them can also be reduced in size. This can then result in gaps of between approximately 1 mm and approximately 2 mm between the cover and the surface of the heat-generating components and/or assemblies. With such small gaps, the cooling pad can even lead to a deterioration in heat conduction. This is because there is then a negligible layer of liquid between the plastic films and the plastic films, which are inherently poor heat conductors, then even disadvantageously improve the thermal insulation of the components and/or assemblies and thus a deterioration in heat conduction.
Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung anzugeben, die in kostengünstiger und zuverlässiger Weise einen möglichst hohen Wärmetransport zwischen elektronischen Bauelementen und/oder Baugruppen und einem umgebenden Metallgehäuse ermöglicht, insbesondere bei kleinen Abständen zwischen den Oberflächen der Bauelemente und/oder Baugruppen und der inneren Oberfläche des Metallgehäuses.The innovation is therefore based on the task of specifying a generic arrangement that enables the highest possible heat transport between electronic components and/or assemblies and a surrounding metal housing in a cost-effective and reliable manner, especially with small distances between the surfaces of the components and/or assemblies and the inner surface of the metal housing.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs l angegebenen Merkmale. Vorteilhafte 0 Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous 0 embodiments and/or further developments are specified in the further claims.
- 4 - UL 92/73- 4 - UL92/73
Ein erster Vorteil der Neuerung besteht darin, da/3 das Kissen aus einem hochflexiblen metallischen Geflecht besteht. Dieses ermöglicht einerseits in Abhängigkeit von dem gewählten Metall oder der Metallegierung, z.B. Kupfer, Silber, Gold und/oder Messing, eine Wahl der Wärmeleitfähigkeit und andererseits eine hervorragende Anpassung insbesondere an die Oberfläche der Bauelemente und/oder Baugruppen. Dadurch ist ein hoher Wännetransport möglich.A first advantage of the innovation is that the cushion is made of a highly flexible metallic mesh. This allows, on the one hand, a choice of thermal conductivity depending on the selected metal or metal alloy, e.g. copper, silver, gold and/or brass, and, on the other hand, an excellent adaptation, particularly to the surface of the components and/or assemblies. This enables a high level of heat transport.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, da/3 das metallische Kissen alterungs- und temperaturbeständig ist.A second advantage is that the metallic cushion is resistant to aging and temperature.
Ein dritter Vorteil besteht darin, da/3 das Kissen vorzugsweise an dem Deckel des Metallgehäuses befestigt wird, so daß bei Abnahme des Deckels ein schneller und problemloser Zugang zu den Bauelementen und/oder Baugruppen möglich ist, insbesondere bei Einstell-, Abgleich-, Reparatur- und/oder Wartungsvorgängen.A third advantage is that the cushion is preferably attached to the cover of the metal housing so that when the cover is removed, quick and easy access to the components and/or assemblies is possible, especially for adjustment, calibration, repair and/or maintenance operations.
0 Ein vierter Vorteil besteht darin, da/3 die räumlichen Abmessungen des Kühlgeflechts in einem weiten Bereich wählbar sind, so da/3 z.B. auch ein sogenannter punktförmiger Wärmekontakt möglich ist.0 A fourth advantage is that the spatial dimensions of the cooling mesh can be selected within a wide range, so that, for example, a so-called point-shaped thermal contact is also possible.
Ein fünfter Vorteil besteht darin, da/3 durch das metallische Kühlgeflecht zusätzlich eine elektromagnetische Abschirmung der Bauelemente und/oder Baugruppen erfolgt, so da/3 ansonsten erforderliche kostenungünstige Abschirmwände des Metallgehäuses und/oder des Deckels entfallen können.A fifth advantage is that the metallic cooling mesh also provides electromagnetic shielding of the components and/or assemblies, so that the otherwise necessary, cost-effective shielding walls of the metal housing and/or the cover can be omitted.
Ein sechster Vorteil besteht darin, da/3 das Kühlgeflecht eine zuverlässige mechanische Abstützung der Bauelemente,A sixth advantage is that/3 the cooling braid provides reliable mechanical support for the components,
- 5 - UL 92/73- 5 - UL92/73
Baugruppen sowie der Leiterplatte an dem Metallgehäuse bewirkt, so da/3 die Anordnung mechanische sehr unempfindlich ist insbesondere gegen eine hohe Beschleunigung (Schock).assemblies and the circuit board on the metal housing, so that the arrangement is very mechanically insensitive, especially to high acceleration (shock).
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.Further advantages will become apparent from the following description of an embodiment.
Die Figur zeigt einen schematisch dargestellten Schnitt durch ein Metallgehäuse 1, I1, das insbesondere für Anwendüngen in der Hoch- und/oder Hochstfrequenztechnik geeignet ist. Das Metallgehäuse 1, I1 besteht z.B. aus einem gefrästen Gehäusekörper 1 und einem an diesen angepaßten metallischen Deckel I1, so da/3 ein für Hochfrequenz (HF) dichtes Gehäuse entsteht. Das Metallgehäuse ist z.B. aus vergoldetem Messing oder Aluminium hergestellt.The figure shows a schematic section through a metal housing 1, I 1 which is particularly suitable for applications in high and/or very high frequency technology. The metal housing 1, I 1 consists of a milled housing body 1 and a metal cover I 1 adapted to it, so that a housing which is sealed against high frequency (HF) is created. The metal housing is made of gold-plated brass or aluminum, for example.
In dem Metallgehäuse 1, I1 befindet sich eine Leiterplatte 2 aus einem elektrisch isolierendem Substrat, z.B. Kunststoff oder Keramik. Auf der Leiterplatte 2 befinden sich elektronische Bauelemente, z.B. passive Bauelemente (Widerstände, Reaktanzen) oder aktive Bauelemente (Halbleiterbauelemente) , oder Baugruppen, z.B. integrierte Schaltkreise (ICs), oder sogenannte hybride Schaltkreise. Ein solcher besteht z.B. aus einem Substrat 3 mit darauf angeordneten Leiterbahnen und Bauelementen 4 oder Baugruppen. Der Schaltkreis ist mit einer in der Elektronik derzeit üblichen Vergußmasse 6 vergossen und über metallische Kontakte 5 an die Leiterbahnen der Leiterplatte 2 anschließbar, z.B. durch Löten. Die Oberfläche der Verguß-0 masse 6 ist im allgemeinen konvex geformt und besitzt zu dem Deckel I1 einen sehr geringen Abstand, z.B. minimal ungefähr 1 mm. Die in einem solchen Schaltkreis entste-In the metal housing 1, I 1 there is a circuit board 2 made of an electrically insulating substrate, e.g. plastic or ceramic. On the circuit board 2 there are electronic components, e.g. passive components (resistors, reactances) or active components (semiconductor components), or assemblies, e.g. integrated circuits (ICs), or so-called hybrid circuits. Such a circuit consists, for example, of a substrate 3 with conductor tracks and components 4 or assemblies arranged thereon. The circuit is cast with a casting compound 6 currently common in electronics and can be connected to the conductor tracks of the circuit board 2 via metallic contacts 5, e.g. by soldering. The surface of the casting compound 6 is generally convex and has a very small distance to the cover I 1 , e.g. a minimum of approximately 1 mm. The voltages generated in such a circuit
- 6 - UL 92/73- 6 - UL92/73
hende (Verlust-)Wärme ist nun an den Deckel I1 abführbar mit Hilfe eines metallischen Kühlgeflechts 7, das aus einem metallischen Geflecht besteht. Ein solches (Drahtgeflecht ist derzeit handelsüblich und wird insbesondere zur Herstellung von HF-Dichtungen für Türen und/oder Deckeln von HF-dichten Anlagen verwendet. So ein Geflecht besteht z.B. aus metallischen Draht, z.B. Messing oder Kupfer, mit einem Durchmesser von z.B. 0,2 mm. Das Kühlgeflecht 7 hat z.B. eine Länge von ungefähr 20 mm, eine Breite von ungefähr 15 mm und im mechanisch unbelasteten Zustand eine Dicke von ungefähr 3 mm. Das Kühlgeflecht 7 ist an seinen Längsseiten (Bereich der Drahtenden) mit metallischen Kappen 8, z.B. aus Kupferblech, abgeschlossen, welche ein Zusammenfassen der Drahtenden bewirken. Ein solches Kühlgeflecht 7 wird nun oberhalb einer zu kühlenden Bauelementeanordnung an der Innenseite des Deckels I1 befestigt, vorzugsweise durch einen Lötvorgang an den Kappen 8. Ein solches Kühlgeflecht 7 ist in einem weiten Bereich zusammenpreßbar, so daß beim Schließen des Deckels I1 sich das Kühlgeflecht an die Oberfläche des Deckels I1 und die Oberfläche der Bauelemente und/oder Baugruppen und/oder der Vergußmasse 6 anpaßt (anschmiegt) und somit einen hervorragenden großflächigen Wärmekontakt bewirkt. Dabei ist es möglich, daß das Kühlgeflecht in unerwünschter Weise auch die Kontakte 5 berührt und einen störenden elektrischen Kurzschluß verursacht. Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß die Kontakte 5 mit einer elektrisch isolierenden Folie 9 abgedeckt werden. Es ist vorteilhaft, eine Folie zu verwenden, deren Fläche ungefähr 0 derjenigen der Leiterplatte 2 entspricht. In dieser Folie werden nun Durchbrüche angebracht, z.B. durch Stanzen, so daß die Kontakte 5 zwar abgedeckt werden aber die für denThe resulting (loss) heat can now be dissipated to the cover I 1 with the help of a metallic cooling braid 7, which consists of a metallic braid. Such a wire mesh is currently commercially available and is used in particular for the manufacture of HF seals for doors and/or lids of HF-tight systems. Such a mesh consists, for example, of metallic wire, e.g. brass or copper, with a diameter of e.g. 0.2 mm. The cooling mesh 7 has, for example, a length of approximately 20 mm, a width of approximately 15 mm and, in the mechanically unloaded state, a thickness of approximately 3 mm. The cooling mesh 7 is closed on its long sides (area of the wire ends) with metallic caps 8, e.g. made of copper sheet, which bring the wire ends together. Such a cooling mesh 7 is then attached above a component arrangement to be cooled to the inside of the lid I 1 , preferably by soldering to the caps 8. Such a cooling mesh 7 can be compressed over a wide area, so that when the lid I 1 is closed, the cooling mesh adheres to the surface of the lid I 1 and the surface of the components and/or assemblies and/or the casting compound 6 and thus creates an excellent large-area thermal contact. It is possible that the cooling braid touches the contacts 5 in an undesirable way and causes a disturbing electrical short circuit. This disadvantage is avoided by covering the contacts 5 with an electrically insulating film 9. It is advantageous to use a film whose area corresponds approximately to that of the circuit board 2. Openings are then made in this film, e.g. by punching, so that the contacts 5 are covered but the
- 7 - UL 92/73- 7 - UL92/73
Wärmekontakt wichtigen Bereiche der Oberfläche der Bauelemente und/oder Baugruppen frei bleiben.Areas of the surface of the components and/or assemblies that are important for thermal contact remain free.
Alternativ dazu ist es möglich, eine ununterbrochene Folie 9 zu verwenden. In diesem Fall erhöht sich im allgemeinen der Wärmewiderstand.Alternatively, it is possible to use a continuous film 9. In this case, the thermal resistance generally increases.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich, auch bei einer doppelseitig mit Bauelementen und/oder Baugruppen bestückten Leiterplatte 2 einen guten Wärmekontakt zu erzeugen. Dazu werden dann zusätzlich auf dem Boden des Gehäuses 1 zusätzlich metallische Kühlgeflecht an den erforderlichen Stellen befestigt.The invention is not limited to the examples described, but can be applied to others. For example, it is possible to create good thermal contact even with a circuit board 2 that is equipped with components and/or assemblies on both sides. To this end, additional metallic cooling braids are then attached to the bottom of the housing 1 at the required locations.
Claims (6)
undthere is a gap between the components and the cover
and
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