ES2797389T3 - Aparato y procedimiento para interfaz térmica - Google Patents
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Abstract
Un aparato para su uso como un amplificador que comprende: un transistor (26) de radiofrecuencia o microondas para proporcionar amplificación de señal; al menos una placa de circuito para proporcionar señales de entrada y/o recibir señales desde el transistor (26); y un dispositivo (24) de interfaz térmica configurado para facilitar la conexión mecánica y térmica entre el transistor (26) y un disipador de calor de tubería de calor o disipador (22) de calor de fluido circulante, caracterizado porque: en uso, el dispositivo (24) de interfaz se acopla indirectamente al transistor (26) para proporcionar al menos tres uniones térmicas entre el transistor (26) y el disipador (22) de calor.
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato y procedimiento para interfaz térmica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a aparatos y procedimientos para interfaz térmica y, en particular, aunque no exclusivamente, a aparatos y procedimientos para interconectar transistores de alta potencia, tales como transistores de microondas y transistores de radiofrecuencia (RF) de alta potencia, para calentar componentes de disipador. Se pueden usar los aparatos y procedimientos de la invención, por ejemplo, en aplicaciones de microondas industriales y/o médicas.
Antecedentes de la invención
Los amplificadores de alta potencia, tales como amplificadores de radiofrecuencia (RF) y microondas, normalmente se construyen con transistores de alta potencia y de alta frecuencia construidos alrededor de una placa de circuito de entrada/salida de polarización y señal, estando los transistores encapsulados en un embalaje estándar de montaje de brida.
En uso, los amplificadores de alta potencia generalmente disipan una gran proporción de su energía operativa como calor y, en algunos casos, de aproximadamente el 40 % a aproximadamente el 90 % de la energía operativa del amplificador puede perderse como calor generado.
Se han propuesto varios medios para gestionar este calor generado.
Por ejemplo, el embalaje de montaje con brida se puede atornillar directamente a una carcasa del amplificador para fines de transferencia de calor.
Un disipador de calor, tal como un disipador de calor con aletas, se puede proporcionar para transferir calor a la atmósfera circundante. En algunos casos, la carcasa del amplificador puede estar unida al disipador de calor.
Se puede proporcionar un ventilador de refrigeración forzado para ayudar a dirigir el calor desde el amplificador y, en algunos casos, se puede proporcionar un ventilador de refrigeración además de un disipador de calor para mejorar la efectividad del disipador de calor.
Aunque la provisión de un disipador de calor y/o un ventilador puede ayudar a disipar el calor generado por el amplificador, los componentes del disipador de calor y del ventilador aumentan significativamente el volumen ocupado por el amplificador, lo que da como resultado un dispositivo relativamente voluminoso. Por ejemplo, un disipador de calor a menudo comprenderá volúmenes relativamente grandes de metal, tal como aluminio u otro conductor, y una gran cantidad de aletas para disipar el calor. De este modo, cuando se usa un disipador de calor, el transistor relativamente pequeño tiene que calentar un volumen significativo de material, tal como metal, durante un largo período de tiempo antes de alcanzar el equilibrio térmico, lo cual no es eficiente.
Más recientemente, los disipadores de calor desarrollados para la industria de los microprocesadores han evolucionado a un ritmo significativo dando como resultado dispositivos altamente compactos y eficientes capaces de eliminar altos niveles de calor de huellas muy compactas. Por ejemplo, algunos disipadores de calor de microprocesadores utilizan tecnología de tubería de calor que es altamente eficiente para eliminar el calor mediante conducción y convección, o tecnología de tubería de calor de fluido circulante. Las tuberías de calor se encuentran cerca de la superficie del disipador de calor que contacta con la superficie caliente. Ejemplos de disipadores de calor de tubería de calor también pueden usar el calor latente de un fluido (por ejemplo, etanol, acetona, agua, sodio o mercurio), conductores sólidos de alta conductividad o un fluido refrigerante circulado para extraer el calor de la superficie caliente a un intercambiador de calor o radiador que puede o no ser asistido por ventilador. Ejemplos de disipadores de calor de microprocesador basados en tuberías de calor conocidos incluyen la tubería de calor sólida incrustada Zalman VF2000 (RTM) VGA/CPU, TS Heatronics NCU-1000 (tubería de calor de vapor líquido de hidrofluorocarbono-134a) y Corsair H70 (disipador térmico de agua bombeada con intercambiador de calor asistido por ventilador).
Los disipadores de calor del microprocesador están diseñados específicamente para acoplarse directamente al disipador térmico de una CPU moderna con microprocesador. El disipador de calor es la superficie física (típicamente la parte superior) de la carcasa de encapsulación de la CPU. El disipador térmico de la CPU es plano y puede pulirse para facilitar la máxima transferencia de calor al disipador térmico. Un disipador térmico de microprocesador generalmente tiene características que son compatibles con el conector de la CPU (o ranura de la CPU), que es el componente mecánico que proporciona conexión mecánica y eléctrica entre el microprocesador y la placa base del ordenador. (Un ejemplo de un conector de CPU es el Intel LGA 775).
Con cualquier disipador de calor, para facilitar la transferencia eficiente de calor desde un transistor al disipador de calor, es deseable minimizar el número de uniones térmicas entre el transistor y el disipador de calor, ya que cada unión actúa como una capa aislante que reduce la eficiencia del disipador de calor. De este modo, es conveniente
ubicar el transistor directamente sobre el disipador de calor para proporcionar una unión térmica única.
Sin embargo, los disipadores de calor basados en tuberías de calor y flujo de agua por su diseño no pueden acomodar este tipo de conexión directa. En particular, un problema asociado con estos disipadores de calor es que hay un metal a granel limitado entre la tubería de calor y el dispositivo para acomodar los pernos de brida de montaje necesarios para sujetar el transistor directamente al disipador de calor.
Además, es necesario extraer el calor de los transistores que se utilizan en los amplificadores de alta potencia de una manera muy precisa.
Además, un transistor puede requerir un buen contacto eléctrico a tierra con una brida de montaje que puede no proporcionarse si el transistor está unido usando una pasta térmica eléctricamente aislante.
El documento DE 10333229 describe un dispositivo de refrigeración de circuito electrónico sin ventilador, especialmente un microprocesador, que tiene un primer elemento conductor de calor conectado al circuito y conectado a un difusor de calor a través de tuberías conductoras de cabeza alineadas verticalmente. El difusor de calor tiene una capacidad de difusión de calor que es el doble de la capacidad de calor del circuito.
El documento US 2007/0053166 describe un dispositivo de disipación de calor para un dispositivo electrónico que incluye un primer elemento de disipación de calor en contacto con el dispositivo electrónico, en el que el material del primer elemento de disipación de calor incluye un material compuesto con alta conductividad térmica que comprende fibra de carbono o grafito poroso.
El documento US 2007/069369 describe un dispositivo de disipación de calor que incluye una unidad de chip y una unidad de disipación de calor unida térmicamente a la unidad de chip. La unidad de chip incluye un sustrato portador y un chip en contacto eléctrico con el sustrato portador.
Sumario de la invención
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para su uso como amplificador que comprende:
un transistor de radiofrecuencia o microondas para proporcionar amplificación de señal;
al menos una placa de circuito para proporcionar señales de entrada y/o recibir señales desde el transistor; y un dispositivo de interfaz térmica configurado para facilitar la conexión mecánica y térmica entre el transistor y un disipador térmico de tubería de calor o disipador de calor de fluido circulante, caracterizado porque:
en uso, el dispositivo de interfaz está indirectamente acoplado al transistor para proporcionar al menos tres uniones térmicas entre el transistor y el disipador de calor.
El disipador de calor puede comprender un disipador de calor de microprocesador.
En uso, el aparato puede facilitar la transferencia de calor desde el transistor al disipador de calor y luego a la atmósfera.
Mediante la incorporación de la tecnología de tubería de calor o disipador de calor de fluido circulante con transistores de potencia de microondas o radiofrecuencia, se puede obtener una mejora en la disipación térmica y una reducción significativa en el peso y en el tamaño de los dispositivos amplificadores.
El transistor puede ser un transistor de potencia que tenga una potencia de salida en el rango de 1 W a 10.000 W, opcionalmente en el rango de 1 W a 1000 W, también opcionalmente en el rango de 20 W a 200 W.
El transistor puede tener una potencia de salida por unidad de superficie en el intervalo de 1 W/cm2 a 100W/cm2, opcionalmente en el rango de 80 W/cm2 a 100W/cm2.
El dispositivo de interfaz puede ser de cualquier forma adecuada. En realizaciones particulares, el dispositivo de interfaz puede comprender un cuerpo mecánico, tal como una placa, adaptado para la ubicación entre el transistor y un disipador de calor.
El dispositivo de interfaz puede estar formado para acoplar el disipador de calor. Por ejemplo, el dispositivo de interfaz puede comprender al menos una característica geométrica y/o mecánica configurada para acoplarse, o engancharse con parte del disipador de calor. El dispositivo de interfaz puede comprender una porción macho configurada para acoplar una porción hembra correspondiente proporcionada en un disipador de calor, o viceversa.
El dispositivo de interfaz puede comprender al menos una característica geométrica que es sustancialmente la misma que al menos una característica geométrica de un conector de la CPU (o ranura de la CPU) para facilitar el acoplamiento con un disipador de calor del microprocesador.
Al reducir o minimizar la masa del dispositivo de interfaz entre el transistor y un disipador de calor, el calor se puede transferir de manera eficiente al disipador de calor, que luego se puede expulsar a la atmósfera.
En operación, hay al menos una trayectoria térmica entre el transistor y el dispositivo de interfaz térmica, y una de las trayectorias térmicas principales puede conducir más calor que cualquier otra de las trayectorias térmicas desde el transistor al dispositivo de interfaz térmica, y dicha trayectoria principal de la al menos una trayectoria térmica puede no ser a través de la placa de circuito.
En operación, cuando el dispositivo de interfaz térmica se conecta con el disipador de calor, puede haber al menos una trayectoria térmica entre el transistor y el disipador de calor, y una de los al menos una de las trayectorias térmicas puede conducir más calor que cualquier otra de las trayectorias térmicas desde el transistor al disipador de calor, y dicha trayectoria principal de la al menos una trayectoria térmica puede no ser a través de la placa de circuito.
Se puede definir un tabique o pared entre el transistor y el dispositivo de interfaz. En realizaciones particulares, el tabique puede comprender parte de una carcasa del aparato. Como alternativa, el tabique puede comprender un componente separado del aparato. El calor puede pasar del transistor al tabique a través de una primera unión térmica (la interfaz de material entre el transistor y el tabique), desde el tabique al dispositivo de interfaz a través de una segunda unión térmica (la interfaz de material entre el tabique y el dispositivo de interfaz) y desde el dispositivo de interfaz al disipador de calor a través de una tercera unión térmica (la interfaz de material entre el dispositivo de interfaz y el disipador de calor).
El aparato puede comprender además una carcasa configurada para contener, o proporcionar un montaje para, al menos uno del transistor, la placa de circuito y el dispositivo de interfaz. La carcasa puede ser de cualquier forma adecuada. En realizaciones particulares, la carcasa puede comprender un portador o caja de aluminio mecanizado.
El transistor puede comprender un transistor empaquetado y, en uso, el dispositivo de interfaz puede configurarse para facilitar la conexión entre el embalaje del transistor y un disipador de calor.
El dispositivo de interfaz térmica puede configurarse de tal manera que proporcione un contacto térmico mínimo con la carcasa, eliminando así el calor de manera eficiente del transistor a la atmósfera. Por ejemplo, el dispositivo de interfaz puede estar desplazado de la carcasa para que la mayor parte del dispositivo de interfaz no contacte directamente con la carcasa, lo que ayuda a reducir la conducción de calor entre el dispositivo de interfaz y la carcasa. Se puede proporcionar un espacio de aire entre la carcasa y el dispositivo de interfaz para que el calor pueda ser preferentemente directo desde el transistor al dispositivo de interfaz.
El dispositivo de interfaz puede configurarse para transferir calor desde una pluralidad de componentes o ubicaciones. Por ejemplo, el dispositivo de interfaz puede configurarse para transferir calor desde múltiples puntos de calor creados por una cadena o disposición paralela de dispositivos de transistor de alta potencia. Como alternativa, un circulador de microondas y una carga de alta potencia pueden usarse para proteger un amplificador, lo que genera calor que también se puede transferir a través del dispositivo de interfaz.
El dispositivo de interfaz puede configurarse para acomodar una pluralidad de elementos de disipador de calor para aumentar la capacidad de disipación de calor. Por ejemplo, los elementos de disipador de calor pueden comprender una pluralidad de disipadores de calor de microprocesador. Alternativamente, o además, los elementos del disipador de calor pueden comprender al menos un disipador de calor convector con aletas estándar. Por consiguiente, el dispositivo de interfaz puede adaptarse para su uso con una serie de disipadores de calor de microprocesador o combinaciones de disipadores de calor de microprocesador y disipadores de calor de convector con aletas estándar.
Al menos parte del dispositivo de interfaz puede comprender un material, o una o más combinaciones de materiales, que proporciona una conexión eléctrica a tierra para el transistor. El material puede comprender un material eléctricamente conductor. Se puede usar cualquier material adecuado. En realizaciones particulares, el material puede comprender al menos uno de cobre, plata y/o aluminio.
Al menos parte del dispositivo de interfaz puede comprender un material, o una o más combinaciones de materiales, que es térmicamente conductor. Se puede usar cualquier material adecuado. En realizaciones particulares, el material puede comprender un material que posee alta conductividad térmica, tal como cobre, plata y/o aluminio, por ejemplo.
Al menos parte del dispositivo de interfaz puede comprender un material, o una o más combinaciones de materiales, que posee propiedades de conductividad térmica sustancialmente unidireccionales. Se puede usar cualquier material o combinación de materiales adecuados. En algunas realizaciones, el material puede comprender uno o más de un material pirolítico basado en carbono, por ejemplo, TC1050® fabricado por Momentive Performance Materials Inc, un material de nanofibras de polímero de polietileno y/o un material compuesto de nanotubos de carbono.
Al menos parte del dispositivo de interfaz puede estar galvanizado o revestido de otro modo para mejorar la conductividad eléctrica y evitar la oxidación de la superficie. Por ejemplo, al menos parte del dispositivo de interfaz puede estar recubierto con plata (Ag) u oro (Au).
Se puede proporcionar un material que posea propiedades de conductividad térmica extremadamente altas sobre y/o debajo del transistor para mejorar la conductividad térmica en el dispositivo de interfaz térmica. El material de alta conductividad térmica puede, por ejemplo, comprender un material basado en carbono pirolítico, y en realizaciones particulares el material de alta conductividad térmica puede comprender TC1050®.
Para mantener el rendimiento eléctrico, al menos parte del material o materiales térmicamente conductores puede estar galvanizado o revestido de otro modo para mejorar la conductividad eléctrica. Por ejemplo, al menos parte del material puede estar recubierto con plata (Ag) u oro (Au).
Se puede proporcionar una combinación de un aparato de acuerdo con el primer aspecto y un disipador de calor de tubo de calor.
De acuerdo con un aspecto adicional independiente de la presente invención, se proporciona un procedimiento de interfaz térmica de un transistor y un disipador de calor para su uso en un amplificador, que comprende las etapas:
proporcionar un transistor para proporcionar amplificación de señal;
proporcionar al menos una placa de circuito para contener señales de entrada y señales de salida del transistor; y proporcionar un dispositivo de interfaz térmica configurado para facilitar la conexión mecánica y térmica entre el transistor y un disipador de calor de tubería de calor de microprocesador o un disipador de calor de fluido circulante de microprocesador, caracterizado porque el procedimiento comprende:
acoplar indirectamente el dispositivo de interfaz térmica al transistor para proporcionar al menos tres uniones térmicas entre el transistor y el disipador de calor.
Debe entenderse que se pueden utilizar las características definidas anteriormente de acuerdo con cualquier aspecto de la presente invención, ya sea en solitario o en combinación con cualquier otra característica definida, en cualquier otro aspecto de la invención.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán estos y otros aspectos de la presente invención, a modo de ejemplo solamente, con referencia a las figuras adjuntas, en las que:
Las figuras 1(a), 1(b) y 1(c) muestran vistas esquemáticas superior, lateral y de extremo de un transistor de alta potencia;
Las figuras 2(a) y 2(b) son vistas esquemáticas lateral y superior de una disposición de amplificador, disipador de calor por convección y ventilador conocida;
La figura 3 es una vista lateral esquemática de un disipador de calor de tubería de calor y un amplificador mostrado junto a un disipador de calor de convección y un amplificador para comparación;
La figura 4a es una vista esquemática de un disipador de calor de microprocesador de tubería de calor, un dispositivo de interfaz térmica y un transistor de alta potencia de un aparato, mostrando los componentes por separado para facilitar la referencia. La figura 4b es un diagrama esquemático de un disipador de calor de fluido circulante;
Las figuras 5(a) y 5(b) son vistas esquemáticas en sección en perspectiva de un ejemplo relacionado que muestra un dispositivo de interfaz térmica y un transistor de potencia montado en una carcasa del circuito amplificador; La figura 6 es una vista esquemática en sección transversal del ejemplo de las figuras 5a y 5b;
Las figuras 7(a) y 7(b) son vistas esquemáticas en sección transversal del aparato de las figuras 4 a 6 junto con un disipador de calor Zalman VF2000® VGA/CPU incorporado al ventilador conectado al aparato;
La figura 8 es una vista esquemática en sección transversal de una realización de la presente invención que muestra un dispositivo de interfaz térmica montado en una carcasa de circuito amplificador en la que un transistor de potencia está montado en la carcasa del circuito y está separado del dispositivo de interfaz térmica por una región de tabique delgada;
La figura 9 es una vista alternativa en sección transversal en perspectiva desde abajo del aparato de la figura 8; Las figuras 10 y 11 son vistas esquemáticas en sección transversal del aparato de las figuras 8 y 9 junto con un disipador de calor Zalman VF2000® conectado al aparato;
La figura 12 es un gráfico que representa los resultados de las pruebas para la disposición que se muestra en las figuras 10 y 11.
Descripción detallada
Con referencia inicialmente a las figuras 1(a), 1(b) y 1(c) de los dibujos, se muestran vistas superior, lateral y de extremo de un transistor 1 de alta potencia. El transistor 1 comprende un transistor de alta potencia de microondas de radiofrecuencia (RF), tal como un CREE CGH25120F GaN HEMT, y comprende lengüetas 2 de conexión de señal eléctrica, brida 3 de base de montaje y encapsulación 4 de transistor.
El transistor 1 se puede montar en una placa de circuito (no se muestra) y se aloja en una caja blindada (no mostrada) para formar un amplificador, que se muestra esquemáticamente como el número de referencia 5 en las figuras 2(a), 2(b) y la figura 3.
Como se señaló anteriormente, los amplificadores de alta potencia suelen disipar una proporción relativamente alta de su energía de funcionamiento como calor debido a la ineficiencia. Para evitar daños al amplificador 5, y como se muestra en las figuras 2(a) y 2(b), se puede proporcionar un disipador 6 de calor con aletas en disposiciones conocidas para eliminar el calor del amplificador 5 y disipar este calor al medio ambiente. El disipador 6 de calor puede estar asistido por uno o más ventiladores 7 que dirigen el aire 7 caliente lejos del disipador 6 de calor. Sin embargo, esta
disposición suele ser bastante voluminosa, ya que los requisitos de disipación de calor dictarán el área de superficie y el flujo de aire necesarios para disipar la energía térmica al medio ambiente.
En la figura 3(b) se muestra un disipador de calor alternativo en forma de disipador 8 de calor de tubo de calor. A modo de comparación, la figura 3(a) muestra un disipador 6 de calor de convección con aletas, que es similar o idéntico al disipador 6 de calor mostrado en las figuras 2(a) y 2(b). El amplificador 5 también se muestra en cada una de las figuras 3(a) y 3(b) para que se pueda entender el tamaño relativo.
La figura 4(a) muestra los componentes de un aparato 20 de acuerdo con el ejemplo relacionado con la invención, mostrándose los componentes por separado para facilitar la referencia. Tal como se muestra en la figura, el aparato 20 comprende un disipador de calor en forma de disipador 22 de calor de microprocesador de tubería de calor, un dispositivo de interfaz térmica en forma de placa 24 y un transistor 26 de alta potencia. El disipador 22 de calor puede ser similar o idéntico al disipador 8 de calor de tubería de calor que se muestra en la figura 3(b) anterior. En realizaciones alternativas, el disipador de calor puede comprender un disipador 23 de calor de fluido circulante, tal como se ilustra en la figura 4(b), en el que se pasa un fluido refrigerante alrededor de una trayectoria 25 de circulación, generalmente mediante una bomba (no mostrada). El transistor 26 de alta potencia puede comprender un transistor de alta potencia de microondas de radiofrecuencia (RF), tal como un CREE CGH25120F GaN HEMT, similar o idéntico al transistor 1 que se muestra en las figuras 1(a) a 1(c). El transistor puede ser cualquier otro transistor de potencia de RF/microondas empaquetado que opere al menos a una frecuencia en el rango de 100 MHz a 100GHz. Un transistor de potencia de RF/microondas puede ser un transistor que produce una potencia de salida saturada en el rango de 1 a 1000 W o más. En el ejemplo del transistor CGH40120FE GaN HEMT, la potencia de salida es de 120 W y el calor generado es de aproximadamente 50 W. Un transistor de potencia de microondas puede basarse en cualquier compuesto semiconductor que pueda incluir GaN, LD-MOS, silicio, GaAs o cualquier otro material semiconductor.
En uso, para facilitar la transferencia eficiente de calor/energía térmica desde el transistor 26 al disipador de calor 22, la placa 24 se proporciona entre el disipador 22 de calor y el transistor 26. La placa 24 conecta el disipador 22 de calor al transistor 26 y proporciona un conducto térmico entre los mismos.
Las figuras 5(a) y 5(b) son vistas esquemáticas en sección en perspectiva de un ejemplo relacionado y la figura 6 es una vista esquemática en sección transversal del ejemplo mostrado en las figuras 5a y 5b. Como se muestra, la placa 24 y el transistor 26 de alta potencia están montados en una carcasa 28 de circuito amplificador. La placa 24 de interfaz térmica está configurada para un contacto mínimo con la carcasa 28 del circuito gracias de un espacio 30 de aire, actuando el espacio 30 de aire para reducir la conductividad térmica desde el transistor 26 de alta potencia a la carcasa 28 del circuito.
En este ejemplo, y con referencia también a la figura 4, el transistor 26 de alta potencia está unido directamente a la placa 24 de interfaz térmica a través de tornillos 32 insertados a través de unos orificios 34 en un soporte 36 de brida del transistor 24 y en orificios 38 roscados proporcionados en la placa 24 de interfaz. Sin embargo, pueden emplearse otros medios adecuados para fijar o unir el transistor a la placa 24.
En este ejemplo, existen dos uniones térmicas entre el transistor 26 de alta potencia y el disipador 22 de calor del microprocesador, una primera unión proporcionada por la interfaz de material entre el transistor 26 y la placa 24 de interfaz y una segunda unión proporcionada por la interfaz de material entre la placa 26 de interfaz y el disipador 22 de calor. La placa 24 de interfaz permite la interconexión del transistor 26 de alta potencia y un disipador 22 de calor del microprocesador, proporcionando la placa 24 una interfaz mecánica y un conducto térmico entre el transistor 26 y el disipador 22 de calor.
Para mejorar la conductividad térmica a través de las uniones, un compuesto de disipador de calor, por ejemplo, "Arctic Silver # 5", puede aplicarse entre el transistor 26 de potencia y la placa 24 de interfaz térmica y/o entre la placa 24 de interfaz térmica y el disipador 22 de calor del microprocesador.
El transistor 26 de alta potencia ensamblado, la placa 24 de interfaz térmica, el disipador 22 de calor del microprocesador y la carcasa 28 se ilustran en las figuras 7(a) y 7(b), que muestran vistas esquemáticas en sección transversal del aparato 20 de las figuras 4 a 6 junto con un disipador 22 de calor Zalman VF2000® VGA/CPU incorporado conectado al aparato 20.
Con referencia a las figuras 8 y 9, allí se muestra una vista esquemática en sección transversal y una vista en sección en perspectiva de un aparato de acuerdo con una realización de la presente invención, componentes similares entre la primera y segunda realizaciones representadas por números similares incrementados en 100. Como se muestra, el aparato 120 tiene un dispositivo de interfaz térmica, en forma de placa 124 de interfaz, montado en una carcasa 128 del circuito amplificador. Un transistor 126 de alta potencia está montado en la carcasa 128 del circuito y está separado de la placa 124 de interfaz térmica por una región 140 de tabique delgado.
La placa 124 de interfaz térmica está configurada para un contacto mínimo con la carcasa 128 del circuito gracias de un espacio 130 de aire, actuando el espacio 130 de aire para reducir la conductividad térmica desde el transistor 126 de alta potencia a la carcasa 128 del circuito.
El tabique 140 mantiene el plano de conexión a tierra eléctrico dentro del transistor 126/aparato 120 amplificador y
evita la fuga a través de cualquier espacio hacia el exterior. Tales espacios también pueden afectar el rendimiento del transistor 126/aparato 120 amplificador al introducir inductancia o capacitancia parásita no deseada.
En la realización de las figuras 8 y 9, existen tres uniones térmicas entre el transistor 126 de alta potencia y el disipador 122 de calor del microprocesador, una primera unión proporcionada por la interfaz material entre el transistor 126 y el tabique 140, una segunda unión proporcionada por la interfaz de material entre el tabique 140 y la placa 124 de interfaz y una tercera unión proporcionada por la interfaz de material entre la placa 124 de interfaz y el disipador 122 de calor.
En esta realización, compuesto de disipador de calor, por ejemplo, "Arctic Silver # 5", puede aplicarse entre el transistor 126 de potencia y la cara interna del tabique 140 de la carcasa del circuito y/o entre la cara externa del tabique 140 de la carcasa del circuito y la placa 124 de interfaz térmica y/o entre la placa 124 de interfaz térmica y el difusor 122 de calor del microprocesador.
La disposición completa que incluye el transistor 126 de alta potencia, la placa de interfaz térmica 124 y el disipador 122 de calor del microprocesador se ilustran en las figuras 10 y 11.
La figura 12 es un gráfico que representa los resultados de las pruebas para la disposición que se muestra en las figuras 10 y 11. El gráfico traza la eficiencia del amplificador a 2,45 GHz en el eje y izquierdo frente al tiempo en el eje x. El gráfico también traza la temperatura del amplificador en el eje y derecho frente al tiempo en el eje x.
Aunque las realizaciones descritas en el presente documento han descrito el acoplamiento de un dispositivo de interfaz con un disipador de calor de tubo de calor, el dispositivo de interfaz puede estar igualmente dispuesto para acoplarse con un disipador de calor de fluido circulante, y dicha disposición se proporciona en realizaciones alternativas.
El dispositivo de interfaz se puede formar de cualquier material adecuado, por ejemplo, al menos uno de cobre, plata y/o aluminio. En general, es deseable que el dispositivo de interfaz tenga una alta conductividad térmica.
En algunas realizaciones, al menos parte del dispositivo de interfaz comprende un material, o una o más combinaciones de materiales, que posee propiedades de conductividad térmica sustancialmente unidireccionales. Se puede usar cualquier material o combinación de materiales adecuados. En algunas realizaciones, el material puede comprender uno o más de un material pirolítico basado en carbono, por ejemplo, TC1050® fabricado por Momentive Performance Materials Inc, un material de nanofibras de polímero de polietileno y/o un material compuesto de nanotubos de carbono. Un material que tiene una conductividad térmica sustancialmente unidireccional puede ser un material que tenga una mayor conductividad térmica en una dirección que en otra dirección.
Al menos parte del dispositivo de interfaz puede estar galvanizado o revestido de otro modo para mejorar la conductividad eléctrica y evitar la oxidación de la superficie. Por ejemplo, al menos parte del dispositivo de interfaz puede estar recubierto con plata (Ag) u oro (Au).
Se puede proporcionar un material que posea propiedades de conductividad térmica extremadamente altas sobre y/o debajo del transistor para mejorar la conductividad térmica en el dispositivo de interfaz térmica. El material de alta conductividad térmica puede, por ejemplo, comprender un material basado en carbono pirolítico, y en realizaciones particulares el material de alta conductividad térmica puede comprender TC1050®.
Para mantener el rendimiento eléctrico, al menos parte del material o materiales térmicamente conductores puede estar galvanizado o revestido de otro modo para mejorar la conductividad eléctrica. Por ejemplo, al menos parte del material puede estar recubierto con plata (Ag) u oro (Au).
Debe entenderse que las realizaciones descritas en el presente documento son ejemplares y que pueden realizarse diversas modificaciones a las mismas sin apartarse del ámbito de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, aunque es deseable minimizar el número de uniones térmicas entre el transistor y el disipador de calor, el aparato puede configurarse para proporcionar más de tres uniones térmicas entre el transistor y el disipador de calor, cuando corresponda.
Claims (12)
1. Un aparato para su uso como un amplificador que comprende:
un transistor (26) de radiofrecuencia o microondas para proporcionar amplificación de señal;
al menos una placa de circuito para proporcionar señales de entrada y/o recibir señales desde el transistor (26); y un dispositivo (24) de interfaz térmica configurado para facilitar la conexión mecánica y térmica entre el transistor (26) y un disipador de calor de tubería de calor o disipador (22) de calor de fluido circulante, caracterizado porque: en uso, el dispositivo (24) de interfaz se acopla indirectamente al transistor (26) para proporcionar al menos tres uniones térmicas entre el transistor (26) y el disipador (22) de calor.
2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el disipador (22) de calor comprende un disipador de calor de microprocesador.
3. El aparato de la reivindicación 1 o 2, en el que al menos uno de a) y b):-
a) el transistor (26) comprende un transistor de potencia que tiene una potencia de salida en el rango de 1 W a 10.000 W, opcionalmente en el rango de 1 W a 1000 W, también opcionalmente en el rango de 20 W a 200 W; b) el transistor (26) tiene una potencia de salida por unidad de superficie en el intervalo de 1 W/cm2 a 100 W/cm2, opcionalmente en el rango de 80 W/cm2 a 100W/cm2.
4. El aparato de cualquier reivindicación anterior, que comprende además un tabique (140) entre el transistor (26) y el dispositivo (24) de interfaz.
5. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en el que el dispositivo (24) de interfaz comprende al menos una característica geométrica configurada para acoplarse con una parte de un disipador (22) de calor, por ejemplo, una de una porción macho y una porción hembra configurada para acoplarse con la otra de una porción macho y una porción hembra dispuesta en el disipador (22) de calor.
6. El aparato de cualquier reivindicación anterior, que comprende además una carcasa (28).
7. El aparato de la reivindicación 6, en el que:-el dispositivo (24) de interfaz está configurado para proporcionar un contacto térmico mínimo con la carcasa; y/o se proporciona un espacio de aire entre la carcasa y el dispositivo (24) de interfaz.
8. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en el que:-el dispositivo (24) de interfaz está configurado para acomodar una pluralidad de elementos de disipador de calor; y/o el dispositivo (24) de interfaz está configurado para acomodar una pluralidad de disipadores de calor de microprocesador; y/o
el dispositivo (24) de interfaz está configurado para alojar al menos un disipador de calor de tubería de calor y al menos un disipador de calor de convector con aletas estándar.
9. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en el que:-al menos parte del dispositivo (24) de interfaz comprende un material que proporciona una conexión a tierra eléctrica para el transistor (26); y/o
al menos parte del dispositivo (24) de interfaz comprende un material eléctricamente conductor; y/o
al menos parte del dispositivo (24) de interfaz comprende un material termoconductor, en el que, opcionalmente, al menos parte del dispositivo (24) de interfaz comprende un material que posee propiedades de conductividad térmica unidireccional.
10. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en el que:-al menos parte del dispositivo (24) de interfaz comprende un material seleccionado del grupo que consiste en: un material basado en carbono pirolítico; un material de nanofibras de polímero de polietileno; y/o un material compuesto de nanotubos de carbono; y/o
al menos parte del dispositivo (24) de interfaz está galvanizado; y/o
se proporciona un material a base de carbono pirolítico sobre y/o debajo del transistor (26).
11. El aparato de cualquier reivindicación anterior, en el que:-el transistor (26) comprende un transistor empaquetado y, en uso, el dispositivo (24) de interfaz está configurado para facilitar la conexión entre el embalaje del transistor y el disipador (22) de calor; y/o
el aparato está en combinación con un disipador de calor de tubería de calor o un disipador (22) de calor de fluido circulante.
12. Un procedimiento de interfaz térmica de un transistor (26) y un disipador (22) de calor para su uso en un amplificador, que comprende las etapas:
proporcionar un transistor (26) para proporcionar amplificación de señal;
proporcionar al menos una placa de circuito para proporcionar señales de entrada y recibir señales del transistor
(26); y
proporcionar un dispositivo (24) de interfaz térmica configurado para facilitar la conexión mecánica y térmica entre el transistor (26) y un disipador de calor de tubo de calor de microprocesador o un disipador (22) de calor de fluido circulante de microprocesador, caracterizado porque:
el procedimiento comprende además acoplar indirectamente el dispositivo (24) de interfaz térmica al transistor (26) para proporcionar al menos tres uniones térmicas entre el transistor (26) y el disipador (22) de calor.
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