WO2003003520A2 - Placa de circuito impreso con substrato metalico aislado con sistema de refrigeracion integrado - Google Patents

Placa de circuito impreso con substrato metalico aislado con sistema de refrigeracion integrado Download PDF

Info

Publication number
WO2003003520A2
WO2003003520A2 PCT/ES2002/000315 ES0200315W WO03003520A2 WO 2003003520 A2 WO2003003520 A2 WO 2003003520A2 ES 0200315 W ES0200315 W ES 0200315W WO 03003520 A2 WO03003520 A2 WO 03003520A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal substrate
cavities
plate according
conduits
heat transfer
Prior art date
Application number
PCT/ES2002/000315
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003003520A3 (es
Inventor
Carles Borrego Bel
Xavier Sanchez Foguet
Alex Subirats Sole
Original Assignee
Lear Automotive (Eeds) Spain, S.L.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lear Automotive (Eeds) Spain, S.L. filed Critical Lear Automotive (Eeds) Spain, S.L.
Priority to DE60202476T priority Critical patent/DE60202476T2/de
Priority to EP02743277A priority patent/EP1408728B1/en
Publication of WO2003003520A2 publication Critical patent/WO2003003520A2/es
Publication of WO2003003520A3 publication Critical patent/WO2003003520A3/es
Priority to US10/707,634 priority patent/US7119284B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20336—Heat pipes, e.g. wicks or capillary pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0272—Adaptations for fluid transport, e.g. channels, holes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/05—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
    • H05K1/056—Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate the metal substrate being covered by an organic insulating layer

Definitions

  • Scope of the invention concerns a printed circuit board with insulated metal substrate with integrated cooling system, said cooling system comprising one or more conduits for a heat transfer fluid.
  • heat sinks or sinks consisting of elements of a highly thermally conductive material thermally connected, either directly or indirectly, with the generating components of heat or with a support substrate thereof and provided with a high surface area, frequently formed by fins, in contact with the surrounding medium.
  • US-A-5875097 and US-A-6219246 describe examples of embodiment of such thermal sinks
  • US-A-6181556 discloses an apparatus for thermal dissipation of electronic devices composed of a combination of thermal sinks provided with fins, arranged around the component to be cooled and thermally connected to each other by means of thermal bridge elements, said thermal sinks being subjected to an air flow generated by several fans.
  • thermal extraction tubes (commonly known in the sector by the English term "heat pipe”) to maintain a component of an electronic circuit at a suitable operating temperature.
  • a thermal extraction tube comprises a section of tube closed at its ends and partially filled with heat transfer fluid, said tube comprising at least one evaporation region located near or in contact with the heat source and at least one condensation region, by example, exposed to the surrounding air.
  • US-A-6226178 describes a portable computer in which a thermal extraction tube has an evaporation region in contact with a heat generating microprocessor and two separate condensation regions connected to respective respective different heat dissipating devices, one consisting of them in a thermal sink with forced ventilation and the other in an extensive passive thermal dissipation plate located behind the display screen.
  • a drawback of this system is that the evaporation region is in contact with the individual component or with an auxiliary plate on which the component is mounted, but does not cool an entire printed circuit board on which a plurality of generating components are mounted.
  • thermoconductive tracks can be formed analogously to the electroconductive tracks in a multilayer plate, in which case they would be copper. They can also be formed by drilling holes from the edge of the plate and filling said holes with a molten metal material, such as welding material.
  • heat pipes conventional heat pipes
  • US-A-6190941, US-A-6032355 and US-A-6201300 disclose various other ways of providing thermal conduction paths through a substrate in a printed circuit board to dissipate heat generated by some components.
  • a technology aimed at providing a high degree d ⁇ thermal dissipation to the support plate of the components of a circuit is I; printed circuit board technology with insulated metal substrate, which is commonly referred to in the sector as IMS (from the groin term "insulated metal substrate").
  • IMS from the groin term "insulated metal substrate”
  • a typical printed circuit board with insulated metallic substratum comprises at least one support substrate generally metallized from an aluminum alloy, onto which the: electroconductive tracks of the circuit, generally of copper, are adhered by a layer of an electrically insulating material The best thermal conductor possible.
  • US-A-6201701 discloses a multilayer track structure d 'connection of power and control components, mounted on a thick metal substrate isolated.
  • the multiple electroconductive layers are separated by layers of electrically insulating material and between them are arranged thermal communication paths that improve the efficiency in heat dissipation.
  • heat transmission occurs from the components and electroconductive tracks to the metal substrate but no improvements are made in terms of heat evacuation from the metal substrate.
  • the objective of the present invention is to provide a printed circuit board with insulated metal substrate provided with a cooling system that includes one or more conduits for a heat transfer fluid.
  • a printed circuit board with insulated metal substrate which incorporates or is in intimate contact with conduits for said heat transfer fluid, whose conduits extend outside the metal substrate to an area of thermal transfer to an external medium.
  • said conduits are cavities formed in the metal substrate located in a direction substantially parallel to said electrically insulating layer. At least one of the ends of each of said cavities flows into an opening located in a edge of the metal substrate. In these openings they are capable of coupling conduits of said heat transfer fluid that extend to said thermal transfer zone.
  • the metal substrate material itself constitutes the walls of the pipes.
  • said conduits are conduits for said heat transfer fluid located in intimate contact with the walls of cavities formed in the metal substrate material in a direction substantially parallel to said electrically insulating layer.
  • said conduits protrude at least one edge of the metal substrate and extend for an external portion to said thermal transfer zone.
  • the cavities can be obtained by simply drilling the metal substrate.
  • a cheaper way is to provide said metal substrate formed by two layers joined together. This allows the cavities to be constituted by the juxtaposition of two semi-cavities formed respectively in each of the layers of the metal substrate.
  • the second embodiment mentioned above has the advantage of allowing easy extraction of the substrate by extrusion.
  • said cavities are parallel to each other and have a longitudinal opening in all its extension that opens on a face of the metal substrate opposite to the face thereof on which the said electrically insulating layer and electroconductive tracks are fixed.
  • the cross section of the metal substrate has an open profile shape that can be easily obtained by extrusion by means of a single row.
  • said conduits for said heat transfer fluid may be known thermal extraction tubes, which are closed at both ends and partially filled with said heat transfer fluid, presenting a region of internal evaporation to the substrate. metallic and a region of external condensation that extends a stretch outside it and that is in contact with the surrounding air.
  • said conduits for said heat transfer fluid are connected to a pipe of a closed circuit that includes a passage through said heat exchange zone.
  • a section of the said pipe of said closed circuit may be in intimate contact with the frame material or bodywork of a vehicle to facilitate thermal dissipation through it.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a printed circuit board with insulated metal substrate with cavities prepared to implement the refrigeration system of the present invention
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention
  • Figs. 4 and 5 are cross-sectional views illustrating different embodiments of said cavities
  • Figs. 6, and 7 are cross-sectional views of different types of printed circuit boards with insulated metal substrate on which the present invention has been implemented.
  • a printed circuit board with insulated metal substrate with the integrated cooling system is of the simplest type and comprises a metal substrate 10, on which an electrically insulating layer 11 and electroconductive tracks 12 adhered to said electrically insulating layer 11 are attached. These tracks connect between yes power electronic components 24, or a combination of power components 24 and control 25, at least some of which are highly heat generating and need to be refrigerated to keep them at a temperature suitable for operation.
  • the said electroconductive tracks 12 are generally obtained from a metal layer adhered to the insulating layer 11 selectively removed by a formation process such as a chemical attack.
  • the material of the insulating layer 11 is selected so that, being electrically insulating, it is as good a thermal conductor as possible. Thus, much of the heat generated by the components 24 is transferred to the metal substrate 10, which is typically of an aluminum alloy.
  • the metal substrate 10 incorporates or is in intimate contact with heat conduction channels comprising conduits for a heat transfer fluid that extend outside the metal substrate to a thermal transfer zone to an external medium.
  • the metal substrate 10 comprises cavities 13 located in a direction substantially parallel to said electrically insulating layer 11. At least one of the ends of each of said cavities 13 open at an opening 14 located in at least one edge 19 of the metal substrate 10.
  • said cavities 13 are passages, of circular or polygonal cross-section, whereby you have openings 14 at their two ends arranged at different edges 19 , opposite, of the metallic substrate 10. Different ways of obtaining said cavities are explained below in relation to Figs. 4 and 5.
  • said conduits are conduits of said heat transfer fluid in intimate contact with the walls of said cavities 13.
  • said conduits are thermal extraction tubes 20 (commonly referred to by the English term “heat pipes”) which are closed at both ends and partially filled with said heat transfer fluid, with an evaporation region 21, internal to the metal substrate 10, and an external condensation region 22, which extends a length outside the substrate metallic 10 and which is in contact with the surrounding air.
  • This condensation region 22 may include fins (not shown) or be in contact with a heat dissipation surface.
  • the condensed fluid returns to the evaporation zone by capillarity and gravity through the inner walls of the tube, so that in said region 22 it is inclined, as shown in Fig. Repeated evaporation-condensation cycles of the heat transfer fluid extract heat of the metal substrate 10 and transfer it to the surrounding air.
  • each of the cavities 13 has a blind end 16 while presenting an opening 14 only in one of the edges 19 of the metal substrate 10.
  • a tube section 17 is fitted provided with a blind distal end 18
  • the cavity assembly 13 and tube 17 constitutes a thermal extraction tube in which the cavity 13 functions as an evaporation region 21 and the tube section 17 of the condensation region 22 in contact with the surrounding air.
  • the openings 14 have a countersunk mouth 15 to receive the ends of the respective tube sections 17.
  • the metal substrate 10 is formed by two layers 10a, 10b joined together, for example by an adhesive layer 28 or by welding.
  • Each of the cavities 13 is formed by the juxtaposition of two semi-cavities 13a, 13b, formed respectively in each of the layers 10a, 10b of the metal substrate 10. If the cavities 13 are in the form of parallel through holes, the semi-cavities 13a, 13b take the form of parallel grooves formed on the corresponding surfaces of the layers 10a, 10b of the metal substrate 10 and can be easily obtained by extrusion, by machining or by molding.
  • This embodiment is also compatible with the implementation of thermal extraction tubes 20 in intimate contact with the walls of the cavities 13, according to the example of embodiment of Fig. 2 and with the use of said walls of the cavities 13 as part of the thermal extraction tubes 17, according to the example of embodiment of Fig. 3, although for the latter case the obtaining of the half-life 13a, 13b by extrusion would not be possible.
  • the cavities 13 are parallel to each other and have a longitudinal opening 29 in its entire length that opens on a face of the metal substrate 10 opposite to the face thereof on which the said ones are fixed. electrically insulating layer 11 and electroconductive tracks 12, so that the metal substrate 10 has an open profile shape of cross section very suitable to be easily obtained by extrusion.
  • this mode of execution only supports the implementation of thermal extraction tubes 20 in intimate contact with the walls of the cavities 13, according to the example of embodiment of the Flg. two.
  • Figs. 6 and 7 show different types of printed circuit board with insulated metal substrate prepared to receive the cooling system of the present invention.
  • the printed circuit board of Fig. 6 comprises a metal substrate 10 on one side of which multiple alternating layers of electrically insulating material 11 and electroconductive tracks 12. are arranged.
  • Printed circuit of Fig. 7 comprises a metal substrate 10 on both sides of which multiple alternating layers of electrically insulating material 11 and electroconductive tracks 12 are arranged. Both on the printed circuit board of Fig. 6 and on that of Fig. 7, on the metal substrate 10 the cavities 13 are provided ready to receive any of the conduit variants for a heat transfer fluid of the present invention as described above.

Abstract

Comprende un substrato metálico (10), al menos una capa eléctricamente aislante (11) adherida a dicho substrato metálico (10) y unas pistas electroconductoras (12) capaces de interconectar componentes electrónicos de potencia (24), adheridas a dicha capa eléctricamente aislante (11), incorporando dicho substrato metálico (10) unos canales de transporte de calor los cuales comprenden unas conducciones para un fluido caloportador, cuyas conducciones se extienden al exterior del substrato metálico hasta una zona de transferencia térmica a un medio externo.

Description

PLACA DE CIRCUITO IMPRESO CON SUBSTRATO METÁLICO AISLADO CON SISTEMA DE REFRIGERACIÓN INTEGRADO
Ámbito de la invención La presente invención concierne a una placa de circuito impreso con substrato metálico aislado con sistema de refrigeración integrado, comprendiendo dicho sistema de refrigeración uno o más conductos para un fluido caloportador.
Antecedentes técnicos
En placas de circuito impreso que interconectan componentes eléctricos y electrónicos de potencia aparece un problema relacionado con la disipación o eliminación del calor generado por tales componentes. Es bien conocido en el estado de la técnica la utilización de disipadores o sumideros térmicos (comúnmente denominados con el término inglés "heat sink") consistentes en elementos de un material altamente termoconductor conectados térmicamente, ya sea directa o indirectamente, con los componentes generadores de calor o con un substrato de soporte de los mismos y provistos de una elevada área superficial, frecuentemente formada por aletas, en contacto con el medio circundante. Las patentes US-A-5875097 y US-A-6219246 describen ejemplos de realización de tales sumideros térmicos, y la patente US-A-6181556 describe un aparato para disipación térmica de dispositivos electrónicos compuesto por una combinación de sumideros térmicos provistos de aletas, dispuestos circundado el componente a enfriar y conectados térmicamente entre sí mediante elementos de puente térmico, estando dichos sumideros térmicos sometidos a un flujo de aire generado por varios ventiladores.
También es conocida la utilización de tubos de extracción térmica (comúnmente conocidos en el sector por el término inglés "heat pipe") para mantener un componente de un circuito electrónico a una temperatura de funcionamiento adecuada. Un tubo de extracción térmica comprende un tramo de tubo cerrado por sus extremos y parcialmente lleno de fluido caloportador, comprendiendo dicho tubo al menos una región de evaporación situada próxima o en contacto con la fuente de calor y al menos una región de condensación, por ejemplo, expuesta al aire circundante. La patente US-A-6226178 describe un ordenador portátil en el que un tubo de extracción térmica tiene una región de evaporación en contacto con un microprocesador generador de calor y dos regiones de condensación separadas conectadas a unos respectivos dispositivos diferentes disipadores de calor, consistiendo uno de ellos en un sumidero térmico con ventilación forzada y el otro en una extensa placa de disipación térmica pasiva situada detrás de la pantalla de visualización. Un inconveniente de este sistema es que la región de evaporación está en contacto con el componente individual o con una placa auxiliar sobre la que el componente está montado, pero no enfría toda una placa de circuito impreso sobre la que están montados una pluralidad de componentes generadores de calor.
La patente US-A-6212071 utiliza unas pistas de un material termoconductor embebidas en el substrato de una placa de circuito impreso convencional y conectadas térmicamente por un extremo con aquellas zonas o componentes de la placa donde se genera el calor y por otro extremo, en el borde del substrato, con unos disipadores externos, tales como una camisa metálica circundante de la placa. Estas pistas termoconductoras se pueden formar de manera análoga a las pistas electroconductoras en una placa multicapa, en cuyo caso serían de cobre. También se pueden formar taladrando unos agujeros desde el canto de la placa y llenando dichos agujeros con un material metálico fundido, tal como material de soldadura. Sin embargo, tanto las pistas o canales de cobre como los de material de soldadura son de costosa fabricación y tienen un rendimiento de disipación térmica relativamente bajo. En la citada patente US-A-6212071 se sugiere que se pueden emplear tubos de extracción térmica ("heat pipes") convencionales pero no se dan detalles de construcción o montaje, no se reivindican ni se aporta ninguna ilustración sobre la disposición de los mismos.
Las patentes US-A-6190941, US-A-6032355 y US-A-6201300 dan a conocer otras varias formas de proporcionar vías de conducción térmica a través de un substrato en una placa de circuito impreso para disipar calor generado por algunos componentes. Una tecnología encaminada a proporcionar un elevado grado d< disipación térmica a la placa de soporte de los componentes de un circuito es I; tecnología de placa de circuito impreso con substrato metálico aislado, a la qui comúnmente se hace referencia en el sector como IMS (del término ingle "insulated metal substrate"). Una típica placa de circuito impreso con substrati metálico aislado comprende al menos un substrato de soporte metalice generalmente de una aleación de aluminio, sobre el que están adheridas la: pistas electroconductoras del circuito, generalmente de cobre, mediante un¡ capa de un material eléctricamente aislante lo más buen conductor térmici posible. Con esta disposición, parte del calor generado por los componentes s< disipa a través del substrato metálico, el cual actúa a modo de sumidero térmico Sin embargo, en aplicaciones de potencia, tales como una caja de control ; distribución en un automóvil, la disipación térmica aportada por la tecnología d< substrato metálico aislado no es suficiente para garantizar que no se produzcí un deterioro o un malfuncionamiento del circuito debido a la fatiga térmica.
Últimamente se ha estado trabajando para mejorar la eficacia en cuanto Í disipación térmica en placas de circuito impreso con substrato metálico aislado La patente US-A-6201701 da a conocer una estructura multicapa de pistas d« conexión de componentes de potencia y de control, montada sobre un gruesc substrato metálico aislado. Las múltiples capas electroconductoras estar separadas por capas de material eléctricamente aislante y entre las mismas están dispuestas unas vías de comunicación térmica que mejoran la eficiencié en la disipación de calor. Sin embargo, la transmisión de calor se produce desde los componentes y las pistas electroconductoras hasta el substrato metálico pero no se aportan mejoras en cuanto a la evacuación de calor desde e substrato metálico.
Por consiguiente, todavía persiste la necesidad de un sistema de refrigeración más eficaz, compacto y económico para disipar de una maners eficaz el calor generado por componentes electrónicos, especialmente componentes sometidos a regímenes intensos, placas de circuito impreso cor substrato metálico aislado en aplicaciones de potencia, tales como una caja de control y distribución en un vehículo automóvil. Breve exposición de la invención
El objetivo de la presente invención es el de aportar una placa de circuito impreso con substrato metálico aislado provista de un sistema de refrigeración que incluya una o más conducciones para un fluido caloportador.
Este objetivo se alcanza, de acuerdo con la presente invención, aportando una placa de circuito impreso con substrato metálico aislado el cual incorpora o está en íntimo contacto con unas conducciones para dicho fluido caloportador, cuyas conducciones se extienden fuera del substrato metálico hasta una zona de transferencia térmica a un medio externo. Según un ejemplo de realización, dichas conducciones son unas cavidades formadas en el substrato metálico situadas en una dirección substancialmente paralela a dicha capa eléctricamente aislante. Al menos uno de los extremos de cada una de dichas cavidades desemboca en una abertura situada, en un canto del substrato metálico. En estas aberturas son susceptibles de acoplar unos conductos de dicho fluido caloportador que se extienden hasta la citada zona de transferencia térmica. Así, el propio material del substrato metálico constituye las paredes de las conducciones. En cambio, según otro ejemplo de realización, dichas conducciones son unos conductos para dicho fluido caloportador situados en íntimo contacto con las paredes de unas cavidades formadas en el material del substrato metálico en una dirección substancialmente paralela a dicha capa eléctricamente aislante. En este caso, dichos conductos sobresalen al menos por un canto del substrato metálico y se prolongan por una porción externa hasta la citada zona de transferencia térmica. Tanto en uno como en otro ejemplos de realización, las cavidades se pueden obtener por simple taladrado del substrato metálico. Sin embargo, una forma más económica consiste en aportar dicho substrato metálico formado por dos capas unidas entre sí. Esto permite que las cavidades estén constituidas por la yuxtaposición de dos semicavidades formadas respectivamente en cada una de las capas del substrato metálico.
El segundo ejemplo de realización mencionado más arriba tiene la ventaja de permitir una fácil obtención del substrato por extrusión. Para ello, dichas cavidades son paralelas entre sí y presentan una abertura longitudinal en toda su extensión que se abre en una cara del substrato metálico opuesta a la cara del mismo sobre la que se encuentran fijadas las citadas capa eléctricamente aislante y pistas electroconductoras. Con ello, la sección transversal del substrato metálico presenta una forma de perfil abierto apta para ser fácilmente obtenida por extrusión mediante una hilera simple.
En cualquiera de los dos ejemplos de realización, dichas conducciones para el citado fluido caloportador pueden ser unos tubos de extracción térmica en sí conocidos, los cuales están cerrados por ambos extremos y parcialmente llenos de dicho fluido caloportador, presentando una región de evaporación interna al substrato metálico y una región de condensación externa que se extiende un trecho fuera del mismo y que está en contacto con el aire circundante. En otra forma de intercambio térmico, dichas conducciones para el citado fluido caloportador están conectadas a una tubería de un circuito cerrado que incluye un paso por la citada zona de intercambio térmico. En los casos en los que la placa está montada en un vehículo, por ejemplo formando parte de una caja de control y distribución en un automóvil, un tramo de la citada tubería de dicho circuito cerrado puede estar en contacto íntimo con el material del bastidor o carrocería de un vehículo para facilitar la disipación térmica a través del mismo. Estas y otras ventajas y características de la invención se pondrán más de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización de la misma, los cuales tienen un carácter meramente ilustrativo por lo que en ningún caso debe ser interpretados como limitativos del alcance de la invención.
Breve explicación de los dibujos
La citada descripción detallada se realiza con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: la Fig. 1 es una vista en perspectiva esquemática de una placa de circuito impreso con substrato metálico aislado con unas cavidades preparadas para implementar el sistema de refrigeración de la presente invención; la Fig. 2 es una vista en sección transversal de un ejemplo de realización de la presente invención; la Fig. 3 es una vista en sección transversal de otro ejemplo de realización de la presente invención; las Figs. 4 y 5 son vistas en sección transversal que ilustran diferentes formas de ejecución de las citadas cavidades; y las Figs. 6, y 7 son vistas en sección transversal de diferentes tipos de placas de circuito impreso con substrato metálico aislado en las que se ha implementado la presente invención.
Descripción detallada de los ejemplos de realización preferidos Haciendo en primer lugar referencia a la Fig. 1 , en la misma se muestra una placa de circuito impreso con substrato metálico aislado con el sistema de refrigeración integrado de acuerdo con la presente invención. La placa de circuito impreso ilustrada en la Fig. 1 es del tipo más sencillo y comprende un substrato metálico 10, sobre el cual está adherida una capa eléctricamente aislante 11 y unas pistas electroconductoras 12 adheridas a dicha capa eléctricamente aislante 11. Estas pistas conectan entre sí componentes electrónicos de potencia 24, o una combinación de componentes de potencia 24 y de control 25, al menos algunos de los cuales son altamente generadores de calor y necesitan ser refrigerados para mantenerlos a una temperatura adecuada para su funcionamiento. Las citadas pistas electroconductoras 12 son obtenidas generalmente a partir de una capa metálica adherida a la capa aislante 11 selectivamente eliminada mediante un proceso de formación tal como un ataque químico. El material de la capa aislante 11 se selecciona de manera que, siendo eléctricamente aislante, sea lo más buen conductor térmico posible. Así, gran parte del calor generado por los componentes 24 se transfiere al substrato metálico 10, el cual es típicamente de una aleación de aluminio. El substrato metálico 10 incorpora o está en íntimo contacto con unos canales de conducción de calor que comprenden unas conducciones para un fluido caloportador que se extienden fuera del substrato metálico hasta una zona de transferencia térmica a un medio externo.
Para ello, el substrato metálico 10 comprende unas cavidades 13 situadas en una dirección substancialmente paralela a dicha capa eléctricamente aislante 11. Al menos uno de los extremos de cada una de dichas cavidades 13 desemboca en una abertura 14 situada en al menos un canto 19 del substrato metálico 10. Preferiblemente, dichas cavidades 13 son pasantes, de sección transversal circular o poligonal, por lo que presentas aberturas 14 en sus dos extremos dispuestas en distintos cantos 19, opuestos, del substrato metálico 10. Diferentes formas de obtener dichas cavidades se explican más abajo con relación a las Figs. 4 y 5.
En la Flg. 2 se muestra un ejemplo de realización de la Invención en el que dichas conducciones son unos conductos de dicho fluido caloportador en íntimo contacto con las paredes de dichas cavidades 13. Ventajosamente dichos conductos son unos tubos de extracción térmica 20 (comúnmente denominados mediante el término inglés "heat pipes") los cuales están cerrados por ambos extremos y parcialmente llenos de dicho fluido caloportador, con una región de evaporación 21, interna al substrato metálico 10, y una región de condensación 22, externa, que se extiende un trecho fuera del substrato metálico 10 y que está en contacto con el aire circundante. Esta región de condensación 22 puede incluir unas aletas (no mostradas) o estar en contacto con una superficie de disipación térmica. El fluido condensado retorna a la zona de evaporación por capilaridad y gravedad a través de las paredes interiores del tubo, por lo que en dicha región 22 se halla inclinado, según muestra la Fig. Los ciclos repetidos de evaporación-condensación del fluido caloportador extraen calor del substrato metálico 10 y lo transfieren al aire circundante.
En la Fig. 3 se puede observar otro ejemplo de realización en el que las paredes de las propias cavidades 13 actúan como una parte de las conducciones para el fluido caloportador. Para ello, cada una de las cavidades 13 tiene un extremo ciego 16 mientras que presenta una abertura 14 sólo en uno de los cantos 19 del substrato metálico 10. En dicha abertura 14 está acoplado un tramo de tubo 17 provisto de un extremo distal ciego 18. Así, el conjunto de cavidad 13 y tubo 17 constituye un tubo de extracción térmica en el que la cavidad 13 hace las funciones de región de evaporación 21 y el tramo de tubo 17 de región de condensación 22 en contacto con el aire circundante. Preferiblemente, las aberturas 14 tienen una boca avellanada 15 para recibir los extremos de los respectivos tramos de tubo 17. Haciendo ahora referencia a las Figs. 4 y 5, en ellas se muestran en sección transversal dos formas de ejecución diferentes de las citadas cavidades 13.
En la variante de la Fig. 4, el substrato metálico 10 está formado por dos capas 10a, 10b unidas entre sí, por ejemplo mediante una capa de adhesivo 28 o por soldadura. Cada una de las cavidades 13 está formada por la yuxtaposición de dos semicavidades 13a, 13b, formadas respectivamente en cada una de las capas 10a, 10b del substrato metálico 10. Si las cavidades 13 tienen la forma de agujeros pasantes paralelos, las semicavidades 13a, 13b adoptan la forma de unas ranuras paralelas formadas en las superficies correspondientes de las capas 10a, 10b del substrato metálico 10 y pueden ser fácilmente obtenidas por extrusión, por mecanizado o por moldeo. Este modo de ejecución es igualmente compatible con la implementación de tubos de extracción térmica 20 en contacto íntimo con las paredes de las cavidades 13, según el ejemplo de realización de la Fig. 2 y con la utilización de dichas paredes de las cavidades 13 como parte de los tubos de extracción térmica 17, según el ejemplo de realización de la Fig. 3, aunque para este último caso la obtención de las semicavidades 13a, 13b por extrusión no sería posible.
En la variante de la Fig. 5, las cavidades 13 son paralelas entre sí y presentan una abertura longitudinal 29 en toda su extensión que se abre en una cara del substrato metálico 10 opuesta a la cara del mismo sobre la que se encuentran fijadas las citadas capa eléctricamente aislante 11 y pistas electroconductoras 12, de manera que el substrato metálico 10 presenta una forma de perfil abierto de sección transversal muy apta para ser fácilmente obtenida por extrusión. Sin embargo, este modo de ejecución sólo admite la implementación de tubos de extracción térmica 20 en contacto íntimo con las paredes de las cavidades 13, según el ejemplo de realización de la Flg. 2.
En las Figs. 6 y 7 se muestran diferentes tipos de placa de circuito Impreso con substrato metálico aislado preparadas para recibir el sistema de refrigeración de la presente invención.
La placa de circuito impreso de la Fig. 6 comprende un substrato metálico 10 sobre una cara del cual están dispuestas múltiples capas alternadas de material eléctricamente aislante 11 y pistas electroconductoras 12. La placa de circuito impreso de la Fig. 7 comprende un substrato metálico 10 sobre ambas caras del cual están dispuestas múltiples capas alternadas de material eléctricamente aislante 11 y pistas electroconductoras 12. Tanto en la placa de circuito impreso de la Fig. 6 como en la de la Fig. 7, en el substrato metálico 10 están previstas las cavidades 13 listas para recibir cualquiera de las variantes de conducciones para un fluido caloportador de la presente invención según se han descrito más arriba.
Un experto en la técnica del sector podrá aportar múltiples variantes sin salirse del objeto de la presente invención, cuyo alcance es tal como está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Placa de circuito impreso con substrato metálico aislado con sistema de refrigeración integrado, del tipo que comprende un substrato metálico (10), al menos una capa eléctricamente aislante (11) adherida a dicho substrato metálico (10) y unas pistas electroconductoras (12) capaces de interconectar componentes electrónicos de potencia (24), o una capa metálica destinada a ser transformada en dichas pistas electroconductoras (12), adherida(s) a dicha capa eléctricamente aislante (11), caracterizada porque dicho substrato metálico (10) incorpora unos canales de transporte de calor los cuales comprenden unas conducciones para un fluido caloportador, cuyas conducciones se extienden al exterior del substrato metálico hasta una zona de transferencia térmica a un medio externo.
2.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizada porque dichas conducciones son unos conductos para dicho fluido caloportador en íntimo contacto con las paredes de unas cavidades (13) formadas en el material del substrato metálico (10) en una dirección substancialmente paralela a dicha capa eléctricamente aislante (11), sobresaliendo dichos conductos al menos por un canto (19) del substrato metálico (10) y prolongándose por una porción hasta la citada zona de transferencia térmica.
3.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dichos conductos del fluido caloportador son unos tubos de extracción térmica (20) cerrados por ambos extremos y parcialmente llenos de dicho fluido caloportador, con una región de evaporación (21) interna al substrato metálico (10) y una región de condensación (22) externa que se extiende con inclinación un trecho fuera del substrato metálico (10) y que está en contacto con el aire circundante.
4.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dichas cavidades (13) son pasantes.
5.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizada porque dichas conducciones comprenden unas cavidades (13) situadas en una dirección substancialmente paralela a dicha capa eléctricamente aislante (11), desembocando al menos uno de los extremos de cada una de dichas cavidades (13) en una abertura (14) situada en al menos un canto (19) del substrato metálico (10), en cuya abertura (14) está acoplado uno tramo de un tubo (20) de dicho fluido caloportador que se extiende hasta la citada zona de transferencia térmica.
6.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque cada una de las cavidades (13) tiene un extremo ciego (16) y presenta sólo una abertura (14) en uno de los cantos (19) del substrato metálico (10) en la que está acoplado dicho tramo de tubo (17) el cual está provisto de un extremo distal ciego (18), constituyendo el conjunto de cavidad (13) y tubo (17) un tubo de extracción térmica en el que la cavidad (13) hace las funciones de una región de evaporación (21) interna al substrato (10) y el tramo de tubo (17) hace las funciones de una región de condensación (22) en contacto con el aire circundante.
7.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque las aberturas (14) tienen una boca avellanada (15) para recibir los extremos de los respectivos tramos de tubo (17).
8.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 2 ó 5, caracterizada porque dichas cavidades (13) son de sección transversal circular.
9.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 2 ó 5, caracterizada porque dichas cavidades (13) son de sección transversal poligonal.
10.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque dichas cavidades (13) son paralelas entre sí y presentan una abertura longitudinal en toda su extensión que se abre a una cara del substrato metálico (10) opuesta a la cara del mismo sobre la que se encuentran fijadas las citadas capa eléctricamente aislante (11) y pistas electroconductoras (12), de manera que el substrato metálico (10) presenta una forma de sección transversal apta para ser fácilmente obtenida por extrusión.
11.- Placa, de acuerdo con la reivindicación 4 ó 6, caracterizada porque dicho substrato metálico (10) está formado por dos capas (10a, 10b) unidas entre sí, estando dichas cavidades (13) formadas por la yuxtaposición de dos semicavidades (13a, 13b) formadas respectivamente en cada una de las capas (10a, 10b) del substrato metálico (10).
PCT/ES2002/000315 2001-06-28 2002-06-27 Placa de circuito impreso con substrato metalico aislado con sistema de refrigeracion integrado WO2003003520A2 (es)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE60202476T DE60202476T2 (de) 2001-06-28 2002-06-27 Leiterplatte mit einem isolierten metallischen substrat mit einem integrierten kühlsystem
EP02743277A EP1408728B1 (en) 2001-06-28 2002-06-27 Printed circuit board with isolated metallic substrate comprising an integrated cooling system
US10/707,634 US7119284B2 (en) 2001-06-28 2003-12-26 Printed circuit board with isolated metallic substrate comprising an integrated cooling system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200101499A ES2187280B1 (es) 2001-06-28 2001-06-28 Placa de circuito impreso con substrato metalico aislado con sistema de refrigeracion integrado.
ESP200101499 2001-06-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2003003520A2 true WO2003003520A2 (es) 2003-01-09
WO2003003520A3 WO2003003520A3 (es) 2003-03-13

Family

ID=8498211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2002/000315 WO2003003520A2 (es) 2001-06-28 2002-06-27 Placa de circuito impreso con substrato metalico aislado con sistema de refrigeracion integrado

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7119284B2 (es)
EP (1) EP1408728B1 (es)
DE (1) DE60202476T2 (es)
ES (1) ES2187280B1 (es)
WO (1) WO2003003520A2 (es)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7898807B2 (en) * 2009-03-09 2011-03-01 General Electric Company Methods for making millichannel substrate, and cooling device and apparatus using the substrate

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005010129A1 (de) * 2004-03-05 2005-09-15 Marquardt Gmbh Elektrische Schaltungsanordnung für ein Elektrowerkzeug
DE102005014513B4 (de) * 2005-03-30 2011-05-12 Att Advanced Temperature Test Systems Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Temperieren eines Substrats, sowie Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung
US20060256533A1 (en) * 2005-05-13 2006-11-16 Lear Corporation Thermally dissipating and power dispersing adhesively bonded metal-printed circuit board structure
EP1761114A3 (en) * 2005-08-31 2009-09-16 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Circuit board
DE102005056046B4 (de) * 2005-11-24 2008-04-17 Siemens Ag Zur Montage in einem Kraftfahrzeug zwischen zwei A-Säulen vorgesehenes Cockpit
US7738249B2 (en) * 2007-10-25 2010-06-15 Endicott Interconnect Technologies, Inc. Circuitized substrate with internal cooling structure and electrical assembly utilizing same
US7742307B2 (en) * 2008-01-17 2010-06-22 Raytheon Company High performance power device
EP2315987A2 (en) 2008-06-03 2011-05-04 Bsst Llc Thermoelectric heat pump
TW201036527A (en) * 2009-03-19 2010-10-01 Acbel Polytech Inc Large-area liquid-cooled heat-dissipation device
US8232637B2 (en) * 2009-04-30 2012-07-31 General Electric Company Insulated metal substrates incorporating advanced cooling
EP2431701B1 (en) * 2009-06-17 2017-04-26 Huawei Technologies Co., Ltd. Heat dissipation device and radio frequency module with same
EP2354744B1 (en) * 2010-01-20 2017-09-20 ABB Technology Oy Cooling element
US8077460B1 (en) 2010-07-19 2011-12-13 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Heat exchanger fluid distribution manifolds and power electronics modules incorporating the same
US8179676B2 (en) * 2010-07-21 2012-05-15 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) Optical interconnects in cooling substrates
US8199505B2 (en) 2010-09-13 2012-06-12 Toyota Motor Engineering & Manufacturing Norh America, Inc. Jet impingement heat exchanger apparatuses and power electronics modules
US8659896B2 (en) 2010-09-13 2014-02-25 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling apparatuses and power electronics modules
US8427832B2 (en) 2011-01-05 2013-04-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cold plate assemblies and power electronics modules
JP5848874B2 (ja) * 2011-01-07 2016-01-27 日本発條株式会社 温度調節装置およびこの温度調節装置の製造方法
US8391008B2 (en) 2011-02-17 2013-03-05 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Power electronics modules and power electronics module assemblies
US8482919B2 (en) 2011-04-11 2013-07-09 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Power electronics card assemblies, power electronics modules, and power electronics devices
JP5409740B2 (ja) * 2011-09-28 2014-02-05 日本発條株式会社 放熱構造体、パワーモジュール、放熱構造体の製造方法およびパワーモジュールの製造方法
CN103078518A (zh) * 2011-10-26 2013-05-01 台达电子企业管理（上海）有限公司 一种散热装置
KR101388781B1 (ko) * 2012-06-22 2014-04-23 삼성전기주식회사 전력 모듈용 방열 시스템
US8643173B1 (en) 2013-01-04 2014-02-04 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling apparatuses and power electronics modules with single-phase and two-phase surface enhancement features
US9131631B2 (en) 2013-08-08 2015-09-08 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Jet impingement cooling apparatuses having enhanced heat transfer assemblies
WO2016044246A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-24 D Onofrio Nicholas Michael Liquid cooled metal core printed circuit board
DE102016218451A1 (de) 2016-09-26 2018-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Leistungselektronische Schaltung und Verfahren zu deren Herstellung
FR3097077B1 (fr) * 2019-06-04 2021-06-25 Sodern Module électronique
DE102020107173A1 (de) 2020-03-16 2021-09-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kühlungsanordnung für zumindest eine stromführende Komponente eines Kraftfahrzeugs
CN113645799A (zh) * 2020-04-27 2021-11-12 富泰华工业（深圳）有限公司 用于电子装置的散热结构及电子装置
US11849539B2 (en) * 2020-08-13 2023-12-19 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Embedded cooling systems utilizing heat pipes

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2278676A (en) * 1993-05-14 1994-12-07 Furukawa Electric Co Ltd Cooling electronic apparatus

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4777561A (en) * 1985-03-26 1988-10-11 Hughes Aircraft Company Electronic module with self-activated heat pipe
JPH0837389A (ja) * 1994-07-22 1996-02-06 Furukawa Electric Co Ltd:The ヒートパイプ式放熱装置
US5875097A (en) * 1997-06-09 1999-02-23 Power Trends, Inc. Heat sink for auxiliary circuit board
US5929518A (en) * 1997-07-20 1999-07-27 Motorola, Inc. Circuit board and method
US6201701B1 (en) * 1998-03-11 2001-03-13 Kimball International, Inc. Integrated substrate with enhanced thermal characteristics
JP3082738B2 (ja) * 1998-03-13 2000-08-28 日本電気株式会社 高効率液体冷却装置
TW388201B (en) * 1998-04-22 2000-04-21 World Wiser Electronics Inc Method for producing thermal structure of printed circuit board
TW430959B (en) * 1998-04-22 2001-04-21 World Wiser Electronics Inc Thermal enhanced structure of printed circuit board
DE19842590A1 (de) * 1998-09-17 2000-04-13 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Herstellung von Schaltungsanordnungen
US6219246B1 (en) * 1999-07-02 2001-04-17 Powerware Corporation Heat sink apparatus
US6212071B1 (en) * 1999-08-20 2001-04-03 Lucent Technologies, Inc. Electrical circuit board heat dissipation system
US6226178B1 (en) * 1999-10-12 2001-05-01 Dell Usa, L.P. Apparatus for cooling a heat generating component in a computer

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2278676A (en) * 1993-05-14 1994-12-07 Furukawa Electric Co Ltd Cooling electronic apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE WPI Week 199615, Derwent Publications Ltd., London, GB; AN 1996-148896, XP002971282 & JP 8 037 389 A (THE FURUKAWA ELECTRIC CO LTD) 06 February 1996 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7898807B2 (en) * 2009-03-09 2011-03-01 General Electric Company Methods for making millichannel substrate, and cooling device and apparatus using the substrate

Also Published As

Publication number Publication date
DE60202476T2 (de) 2005-12-29
US7119284B2 (en) 2006-10-10
EP1408728B1 (en) 2004-12-29
US20040188132A1 (en) 2004-09-30
ES2187280A1 (es) 2003-05-16
EP1408728A2 (en) 2004-04-14
ES2187280B1 (es) 2004-08-16
DE60202476D1 (de) 2005-02-03
WO2003003520A3 (es) 2003-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2003003520A2 (es) Placa de circuito impreso con substrato metalico aislado con sistema de refrigeracion integrado
US7965511B2 (en) Cross-flow thermal management device and method of manufacture thereof
ES2690540T3 (es) Aparato térmica y eléctricamente conductor
ES2256471T3 (es) Dispositivo electronico.
US6234240B1 (en) Fanless cooling system for computer
EP2141740A2 (en) Semiconductor device
US20130056178A1 (en) Ebullient cooling device
KR101609253B1 (ko) 반도체 모듈의 소켓 장치
US20110044043A1 (en) Led lamp
US20120080177A1 (en) High-power finless heat dissipation module
JP2009192728A (ja) 表示装置
US20170112018A1 (en) Heat transfer chassis and method for forming the same
US20110197596A1 (en) Heat-Dissipating Device For Supplying Cold Airflow
ES2332772T3 (es) Intercambiador de calor.
ES2305643T3 (es) Metodo para fabricar un dispositivo de transferencia de calor.
US20060032617A1 (en) Heat sink electronic components
US8312736B2 (en) Cold plate and refrigeration system
JP2010267435A (ja) Ｌｅｄ放熱装置およびｌｅｄ照明装置
ES2359548T3 (es) Módulo electrónico de potencia y componente de potencia destinado a equipar dicho módulo.
JP2005214565A (ja) ヒートパイプ式ヒートシンク
JP4026038B2 (ja) 沸騰冷却装置
JP4229738B2 (ja) ヒートパイプ式放熱ユニット
JP4011272B2 (ja) 半導体冷却装置
CN113395866A (zh) 散热装置
EP2363882A1 (en) Heat-dissipating device for supplying cold airflow

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
AK Designated states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2002743277

Country of ref document: EP

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2002743277

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2004115628

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 2002743277

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP