PT1240811E - Quadro estrutural de material condutor térmico. - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "QUADRO ESTRUTURAL DE MATERIAL CONDUTOR TÉRMICO"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se, em geral, a dispositivos electrónicos, componentes de circuito integrado e quadros de montagem estruturais para montagem de tais componentes. Mais especificamente, a presente invenção refere-se à criação de componentes estruturais para estes dispositivos que também funcionem para a dissipação do calor gerado no interior de tais dispositivos.

Na industria de microelectrónica e computadores, é bem conhecida a utilização de vários tipos de pacotes de componentes electrónicos e chips de circuito integrado, tais como os chips de processamento central empregues nos telefones celulares e as unidades de processamento central (CPU) utilizadas nos computadores palmtop como o Cassiopeia fabricado pela Casio. Estes chips de circuito integrado possuem um pacote pin grid array (PGA) e são tipicamente instalados num suporte, ou são soldados directamente sobre uma placa de circuito de computador. Estes dispositivos de circuito integrado, particularmente os chips de microprocessador CPU, geram uma grande quantidade de calor, durante o funcionamento, que tem de ser removido para impedir efeitos adversos no funcionamento do sistema dentro do qual o dispositivo está instalado. Por exemplo, o CPU no interior do Cassiopeia, um microprocessador contendo milhões de transístores, é altamente susceptível ao sobreaquecimento que 1 pode destruir o próprio dispositivo de microprocessador ou outros componentes proximais do microprocessador.

Além do microprocessador Cassiopeia anteriormente discutido, existem muitos outros tipos de pacotes de dispositivo semicondutor que são habitualmente utilizados noutros tipos de microelectrónica. Recentemente, vários tipos de pacotes de montagem de superfície, tais como pacotes de semicondutor do tipo BGA (bali grid array) e LGA (land grid array) têm aumentado a sua popularidade como os pacotes de semicondutores de escolha preferencial na microelectrónica.

Os componentes electrónicos anteriormente mencionados são habitualmente empregues em dispositivos electrónicos, tais como computadores e telefones celulares. Estes dispositivos são fabricados cada vez mais pequenos e incluem componentes electrónicos cada vez mais rápidos. Em resultado, a produção de calor e sobreaquecimento continua a ser uma séria preocupação ao mesmo tempo que os tamanhos dos dispositivos ficam mais pequenos. Por esse motivo, surgem os problemas de como arrefecer eficazmente os pequenos componentes electrónicos dentro dos espaços pequenos e restritos no interior do dispositivo. As soluções de arrefecimento típicas, tais como os dissipadores de calor e os ventiladores, não são preferidas devido às suas grandes dimensões e, em resultado, a ocuparem muito espaço no interior de uma caixa de dispositivo electrónico já exígua. Além disso, visto que estes pequenos dispositivos, tais como telefones celulares ou computadores portáteis, têm de equilibrar as exigências contraditórias de requisitos de potência mais elevada, tamanhos de bateria mais reduzidos com as limitações de potência associadas e tamanho global de caixa de dispositivo, as 2 soluções de arrefecimento activo, tais como os ventiladores eléctricos e semelhantes, não são desejáveis. 0 fabrico destes pequenos dispositivos electrónicos inicia-se com um quadro estrutural base ao qual se ligam todos os dispositivos de circuito integrado e sobre o qual são instaladas tampas para criar o produto final. A solução tradicional consistia em fabricar o chassi estrutural para estes pequenos dispositivos electrónicos com um material metálico, tal como o alumínio ou o magnésio. Embora estes materiais permitam a transferência de calor, não são tão leves como os plásticos e são difíceis de fabricar em formatos compactos e complexos necessários para os pequenos dispositivos electrónicos. Estes quadros estruturais metálicos necessitam frequentemente de múltiplas operações de rectificação antes de estarem prontos para a incorporação no dispositivo. 0 documento US 5990549 descreve uma unidade electrónica que pode possuir um primeiro pacote de circuito integrado montado num primeiro lado de um substrato e um segundo pacote de circuito integrado montado num segundo lado do substrato. Pode unir-se, de modo térmico, uma placa térmica ao primeiro pacote de circuito integrado. Pode montar-se um dissipador de calor na placa térmica. Pode unir-se, de modo térmico, um colector térmico ao segundo pacote de circuito integrado e à placa térmica. A barra colectora térmica permite que o calor flua desde o segundo pacote de circuito integrado até à placa térmica e ao dissipador de calor. O documento US 4768286 divulga uma composição de polímero condutor térmico moldável, para conduzir o calor desde os componentes electrónicos numa placa de circuito até uma caixa de um dispositivo electrónico. O documento DE 19701731 dá a conhecer um dispositivo de controlo que possui, pelo menos, duas peças de invólucro e, pelo menos, uma placa de circuito povoada com 3 componentes de potência, pelo que, pelo menos, um componente de potência está ligado a um corpo de arrefecimento no lado afastado da placa de circuito. 0 corpo de arrefecimento consiste em, pelo menos, uma das peças de invólucro. Pelo menos um dos componentes de potência possui a sua parte inferior em contacto com a peça de invólucro que actua como um corpo de arrefecimento.

Além disso, a protecção de interferência electromagnética é, frequentemente, necessária para assegurar o funcionamento adequado do dispositivo electrónico. Contudo, os quadros estruturais metálicos não proporcionam protecção e a utilização de protecção de EMI tradicional, que, tipicamente, cobre o componente electrónico no interior do dispositivo a proteger, impede a instalação adequada e a utilização de soluções eficazes para o arrefecimento do mesmo componente electrónico. Por esse motivo, existem necessidades contraditórias relativamente à protecção de EMI e soluções de transferência térmica eficazes no interior dos dispositivos electrónicos, particularmente nas caixas de dispositivo em que o espaço é precioso.

Considerando o anterior, existe uma procura de um quadro estrutural, para um dispositivo electrónico, que seja leve, possua um baixo perfil e seja moldável em forma de malha a partir de um material condutor térmico de modo que se possa obter geometrias complexas para configurações de arrefecimento ideais. Também existe uma procura de um quadro estrutural, para um dispositivo electrónico, que proporcione dissipação passiva de calor para arrefecer um componente electrónico gerador de calor. Existe ainda procura de um quadro estrutural, para um dispositivo electrónico, que possa servir tanto como um quadro estrutural quanto como uma caixa de dispositivo. Também existe 4 ainda procura de um quadro estrutural, para um dispositivo electrónico, para proporcionar tanto a protecção de EMI como superior dissipação de calor. A presente invenção preserva as vantagens das unidades de dissipador de calor, quadros estruturais e caixas para dispositivos electrónicos da técnica anterior. Além disso, proporciona novas vantagens que não se encontram nas unidades actualmente disponíveis e supera muitas desvantagens de tais unidades actualmente disponíveis. A invenção refere-se, em geral, a um novo e único quadro estrutural compreendendo as características da reivindicação 1. 0 quadro estrutural da presente invenção possibilita o arrefecimento rentável de dispositivos electrónicos ao mesmo tempo que realiza uma superior condutividade térmica e proporciona protecção electromagnética melhorada.

De acordo com a presente invenção, proporciona-se um quadro estrutural para dissipação de calor de um dispositivo electrónico. 0 dispositivo electrónico inclui uma placa de circuito electrónico com um componente electrónico gerador de calor aí instalado, montada no quadro da presente invenção. Os componentes geradores de calor na placa de circuito são instalados de um modo tal que ficam em comunicação térmica com o quadro de forma a que o calor gerado possa ser dissipado através do quadro e para fora do dispositivo electrónico. Além disso, são montadas tampas exteriores ou componentes de caixa no quadro estrutural para proteger os componentes internos e proporcionar a forma final do dispositivo. 5 0 quadro estrutural é moldado por injecção a partir de uma composição de polímero condutor térmico, passível de ser moldada em forma de malha. Algumas das superfícies do quadro estão situadas ao longo das superfícies externas do dispositivo, de modo a proporcionarem um ponto no qual o calor possa ser eficazmente dissipado à medida que é conduzido desde o interior do dispositivo, através do quadro condutor térmico. Como o quadro estrutural da presente invenção é fabricado a partir de materiais plásticos, é mais leve do que os materiais estruturais previamente empregues. Além disso, a presente invenção também possui a vantagem de poder ser moldada em forma de malha, o que significa que a parte que é criada no processo de moldagem por injecção não necessita de quaisquer outros passos de processamento após ser removida do molde e antes de ser incorporada no dispositivo final. Tanto o peso mais leve como a aptidão para moldagem em forma de malha são vantagens distintas relativamente à técnica anterior, em que as partes metálicas tinham de ser submetidas a trabalho mecânico, em diversos passos, para se obter a desejada geometria de peça.

Outra característica da presente invenção é a protecção de interferência magnética (EMI) proporcionada. Normalmente instala-se um escudo de EMI separado num dispositivo electrónico. 0 escudo actua como uma blindagem em torno do componente electrónico para o proteger de interferência electromagnética. Contudo, um tal escudo cobre, efectivamente, o componente electrónico tornando muito difícil, se não impossível, o acesso a este para dissipação de calor. A cobertura do escudo de EMI impede ainda fluxo de ar, para arrefecimento, para o componente electrónico. Visto que o quadro estrutural é construído a partir de polímeros condutores térmicos, de forma inerente, absorve ondas EMI e impede a sua 6 transmissão para o circuito electrónico dentro do dispositivo, sem a instalação de um componente suplementar. Esta caracteristica é particularmente importante em aplicações tais como os telefones celulares em que as ondas EMI podem impedir o dispositivo de funcionar adequadamente. Deste modo, um quadro de polímero condutor térmico pode, efectivamente, dissipar o calor gerado no interior do dispositivo ao mesmo tempo que protege os componentes electrónicos das ondas EMI sem a inclusão de uma peça de escudo de EMI separada que pode, potencialmente, interferir com a transferência de calor a partir do dispositivo. A presente invenção pode, alternativamente, ser moldada de forma a, além de servir como quadro estrutural para o dispositivo electrónico, formar, também, uma parte substancial da superfície exterior do dispositivo, proporcionando, deste modo, uma superfície exterior acabada para o dispositivo, que também proporciona uma superfície maior, através da qual o calor transferido pode ser dissipado. É, por esse motivo, um objectivo da presente invenção proporcionar um quadro estrutural para um dispositivo electrónico que melhore a dissipação de calor de um componente electrónico gerador de calor aí montado. É um objectivo da presente invenção proporcionar um quadro estrutural para um dispositivo electrónico que proporcione, directamente, a dissipação de calor para um componente electrónico gerador de calor aí montado. É um outro objectivo da presente invenção proporcionar um quadro estrutural para uma caixa de dispositivo electrónico que 7 proporcione, de modo passivo, a dissipação de calor para um componente electrónico gerador de calor ai montado.

Outro objectivo da presente invenção é proporcionar um quadro estrutural para um dispositivo electrónico que proporcione, simultaneamente, protecção electromagnética e dissipação de calor para um componente electrónico. É um outro objectivo da presente invenção proporcionar um quadro estrutural para um dispositivo electrónico que seja passivel de ser moldado por injecção, a partir de um material compósito térmico, em geometrias complexas para melhorar a dissipação térmica.

As novas caracteristicas, que são particulares da presente invenção, são apresentadas nas reivindicações apensas. Contudo, as formas de realização preferidas da invenção, conjuntamente com outros objectivos e vantagens acessórias, serão melhor compreendidas fazendo referência à descrição detalhada seguinte tomada em associação com os desenhos concomitantes, em que: A Fig. 1 é uma vista explodida em perspectiva da forma de realização preferida do dispositivo electrónico mostrando o quadro estrutural da presente invenção; A Fig. 2 é uma vista em perspectiva do dispositivo da Fig. 1 num estado montado; A Fig. 3 é uma vista superior do dispositivo com a bateria e as peças de caixa removidas para maior clareza; e, A Fig. 4 é uma vista em corte através da linha 4-4 da Fig. 2.

Apenas para fins de ilustração e a titulo exemplificativo, a presente invenção é mostrada como sendo empregue para um telefone celular. Como posteriormente será observado, o quadro estrutural para o dispositivo electrónico da presente invenção pode ser facilmente empregue no fabrico de outros dispositivos electrónicos, tais como, por exemplo, computadores portáteis e assistentes pessoais digitais. A invenção será posteriormente descrita em detalhe, no contexto de uma aplicação para um telefone celular; contudo, tal divulgação não se destina a limitar o âmbito da presente invenção a uma tal aplicação da presente invenção.

Mostra-se, nas Figs. 1 - 4, a forma de realização preferida da presente invenção. Na Fig. 1, é mostrada uma vista explodida em perspectiva da forma de realização preferida que inclui um dispositivo electrónico que possui uma construção modular de encaixe à pressão na forma de um telefone 10 celular. O telefone 10 celular inclui um quadro 12 estrutural com uma placa 14 de circuito montada sobre ele. Instala-se um determinado número de componentes 16 electrónicos geradores de calor, tais como chips de microprocessadores e de RAM, na placa 14 de circuito. Como será posteriormente mostrado em detalhe, o quadro 12 estrutural da presente invenção proporciona uma solução de arrefecimento térmico para estes componentes 16 electrónicos sem afectar o funcionamento do telefone 10 celular. Ligam-se, ainda, de modo modular, ao quadro 12 estrutural do telefone 10 celular, uma antena 18, uma bateria 20, um teclado (não mostrado) e tampas 22 de dispositivo. Como se pode observar, o quadro 12 estrutural estende-se até aos bordos 24 9 periféricos do telefone 10 celular e todos os outros componentes são montados no quadro 12 de modo a permitirem que estes bordos 24 permaneçam expostos. Os componentes 16 electrónicos são instalados em reentrâncias 26 na geometria de quadro permitindo que a bateria 20 seja instalada sobre a parte de trás do quadro 12 protegendo, deste modo, os componentes ai instalados. O quadro 12 proporciona a estrutura necessária para conter de modo firme e proteger os componentes do telefone 10. Para aceder à placa 14 de circuito, para reparação por exemplo, a bateria 20 e a placa 22 de tampa podem ser removidas. Contudo, como se pode observar, quando o dispositivo está completamente montado e em normal funcionamento, possui uma geometria compacta, com poucos espaços vazios e poucos trajectos através dele para condução de calor. A Fig. 2 ilustra o telefone 10 celular numa posição fechada e completamente montada, com as tampas 22 instaladas sobre o quadro 12 estrutural e a bateria 20 fechada na sua posição de instalação. Como se pode observar, a bateria 20 cobre quase toda a parte de trás do telefone 10 celular enquanto que o teclado (não mostrado) e a tampa 22 de ecrã cobrem quase toda a parte da frente, deixando apenas os bordos 24 periféricos, do quadro 12 estrutural, expostos para dissipação de calor.

De acordo com a presente invenção, o quadro 12 estrutural é utilizado como uma estrutura de dissipação de calor no interior do telefone 10 celular. Mais especificamente, o quadro 12 estrutural é fabricado de um material condutor térmico. De um modo preferido, o quadro 12 estrutural é fabricado a partir de uma composição de polimero condutor térmico, moldada em forma de malha. O quadro 12 estrutural é moldado em forma de malha, o que significa que, após o quadro ser moldado, tal como por 10 intermédio de moldagem por injecção, não é necessário mais trabalho mecânico da peça devido a esta ter sido moldada na sua configuração e forma finais como, na realidade, se utiliza. A composição de polimero que é preferida inclui uma matriz de base polimérica, tal como um polimero de cristal liquido. 0 polimero é, de um modo preferido, carregado com enchimento condutor térmico, tal como a fibra de carbono, limalha de cobre, pó de nitreto de boro e semelhantes.

Na Fig. 3, o quadro 12 estrutural condutor térmico, mostrado numa vista superior, possui reentrâncias 26 moldadas dentro das quais são montados os componentes 16 electrónicos, instalados numa placa 14 de circuito. Como a placa 14 de circuito está montada sobre o quadro 12 condutor térmico, os dois componentes ficam em comunicação térmica. 0 calor gerado a partir dos componentes 16 electrónicos dissipa-se dentro do quadro 12 estrutural circundante e sai através dos bordos 24 periféricos, do quadro 12 estrutural do telefone 10 celular. Em resultado, pode ser obtida a dissipação térmica passiva de calor dos componentes 16 electrónicos no interior de um dispositivo electrónico.

Na Fig. 4 mostra-se um corte do dispositivo 10 de telefone celular. Esta figura ilustra a geometria compacta do dispositivo 10 totalmente montado e os trajectos limitados através dos quais o calor pode ser dissipado. Como exposto anteriormente, a bateria 20 cobre quase toda a parte de trás do dispositivo e o teclado 22 cobre quase toda a parte da frente. Isto resulta num requisito para dissipação de calor gerado no interior do dispositivo nos bordos 24 periféricos do quadro 12 estrutural. 11

Fazendo referência a ambas as Figs. 3 e 4, pode ser observada uma característica suplementar da forma de realização preferida da presente invenção. É instalado um determinado número de componentes 16 electrónicos numa placa 14 de circuito no interior de um telefone 10 celular. Como discutido anteriormente, a protecção de EMI é frequentemente exigida para assegurar que os componentes 16 electrónicos e, por esse motivo, todo o dispositivo electrónico, funcionem adequadamente. Não é necessário discutir aqui os detalhes do funcionamento de um escudo de EMI, devido a tais métodos de protecção de EMI serem bem conhecidos. Como se pode compreender, a instalação e posicionamento de um escudo de EMI em torno dos componentes 16 electrónicos impede o acesso aos componentes 16 electrónicos para ligação de soluções térmicas, tais como dissipadores de calor e outras soluções de arrefecimento. Além disso, o encerramento dos componentes 16 electrónicos no interior de um escudo de EMI impede a exposição dos componentes 16 electrónicos ao ar, ou a outros componentes no interior de um dispositivo, o que constitui um método comum para o arrefecimento de componentes 16 electrónicos.

Como melhor se observa nas Figs. 3 e 4, a placa 14 de circuito está instalada em reentrâncias 26 no interior do quadro 12 estrutural, por exemplo, com elementos de fixação. O quadro 12 estrutural envolve substancialmente a placa 14 de circuito e os componentes 16 electrónicos. De acordo com a presente invenção, como o quadro 12 estrutural é construído a partir de uma composição de polímero condutor térmico, as suas propriedades inerentes incluem a aptidão para absorver ondas EMI. Por esse motivo, esta geometria permite que o quadro 12 estrutural absorva as ondas EMI e impeça a sua transmissão aos componentes 16 electrónicos no interior do 12 dispositivo, permitindo que o dispositivo funcione sem os efeitos deletérios da transmissão de EMI. Com a presente invenção pode obter-se, simultaneamente, protecção de EMI e dissipação de calor do mesmo grupo de componentes 16 electrónicos, o que não era possível em quadros estruturais de dispositivo electrónico de técnica anterior. 0 quadro 12 pode, ainda, ser revestido com um material metálico, tal como níquel, para reflectir as ondas EMI em vez de as absorver. Tal reflexão de onda EMI pode ser preferida em determinadas aplicações da presente invenção.

Prefere-se que o quadro 12 estrutural seja fabricado a partir de um elemento unitário moldado de um polímero condutor térmico ou semelhante. Por exemplo, pode ser empregue uma matriz de base polimérica carregada com material de enchimento condutor, tal como a fibra de carbono PITCH, como o material para a presente invenção. Tal construção unitária é diferente da que se encontra na técnica anterior e proporciona vantagens significativas incluindo, baixo custo, facilidade de fabrico e flexibilidade de geometria térmica devido à aptidão para moldar a unidade em vez de a trabalhar mecanicamente.

Lisboa, 28 de Agosto de 2007 13

Claims (6)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Quadro estrutural para dissipação de calor de um dispositivo (10) electrónico possuindo um componente (16) electrónico gerador de calor disposto numa placa (14) de circuito electrónico; sendo o referido quadro (12) estrutural montado na referida placa (14) de circuito electrónico e estando, em utilização, em comunicação térmica com o referido componente (16) electrónico; sendo o referido quadro (12) feito de uma composição de polímero condutor térmico, passível de ser moldada em forma de malha.
2. 2. Quadro estrutural da reivindicação 1, em que o referido quadro (12) estrutural é moldado por injecção.
3. 3. Quadro estrutural da reivindicação 1, em que o referido quadro (12) estrutural forma o invólucro exterior para o referido dispositivo (10) electrónico.
4. 4. Quadro estrutural da reivindicação 1, em que o referido quadro (12) estrutural forma uma parte do invólucro exterior para o referido dispositivo (10) electrónico.
5. 5. Quadro estrutural da reivindicação 1, em que o referido quadro (12) estrutural protege o referido componente (16) electrónico de interferência electromagnética. 1
6. 6. Unidade compreendendo um quadro (12) estrutural de acordo com uma das reivindicações prévias, compreendendo ainda um componente (16) electrónico gerador de calor possuindo uma superfície superior, disposto numa placa (14) de circuito; um alojamento de caixa exterior de um dispositivo (10) electrónico; possuindo o referido quadro (12) estrutural uma superfície interior e uma superfície exterior, contendo a referida placa (14) de circuito electrónico o referido componente (16) electrónico gerador de calor montado na referida superfície interior do referido quadro (12) estrutural; e estando a referida superfície interior do referido quadro (12) estrutural em comunicação térmica com a referida superfície superior do referido componente (16) electrónico e formando a referida superfície exterior do referido quadro (12) estrutural uma parte da referida caixa exterior, com o calor sendo dissipado do referido componente (16) electrónico gerador de calor, através do referido quadro (12) estrutural, para a referida superfície exterior. Lisboa, 28 de Agosto de 2007 2