WO2004109798A1

WO2004109798A1 - Verfahren und anordnung zum thermischen schutz elektronischer einheiten in einem elektronischen gerät

Info

Publication number: WO2004109798A1
Application number: PCT/DE2004/000858
Authority: WO
Inventors: Janos-Gerold Enderlein; Waldemar Schlegel
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2004-12-16
Also published as: DE10324156A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Schutz elektronischer Einheiten in einem elektronischen Gerät, insbesondere in einem Mobilfunkgerät, mit wärmeerzeugenden elektrischen Einheiten (Wärmequellen), insbesondere mit elektrischen Bauelementen und Schaltungen, bei dem die wärmeerzeugenden elektrischen Einheiten mit einem Stoffsystem (Wärmesenke) in Wirkkontakt gebracht werden, das eine Phasenänderungstemperatur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes liegt. Ferner umfasst die Erfindung eine entsprechende Anordnung.

Description

Beschreibung

Verfahren und Anordnung zum thermischen Schutz elektronischer Einheiten in einem elektronischen Gerät

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum thermischen Schutz elektronischer Einheiten, wie beispielsweise elektronischer Bauelemente oder Baugruppen in einem elektronischen Gerät, insbesondere in einem Mobilfunk- gerät. In mobilen Telekommunikationsgeräten bzw. in Mobilfunkgeräten, wie beispielsweise Handys, PDAs und Laptops, wird ein Betriebsbereich mit einer Umgebungstemperatur in der Regel von etwa +55°C angegeben. Diese Mobilfunkgeräte sind zu den elektronischen Bauelementen und den Schaltungen schalen- artig aufgebaut und die Temperatur steigt von Schale zu Schale bis hin zu dem Bauelementen bzw. Schaltungen an. Eine maximal zulässige Betriebstemperatur darf dabei aus physikalischen Gründen nicht überschritten werden. Diese maximale Betriebstemperatur einzelner Bauelemente liegt typischerweise bei ca. 85°C an ihrer Gehäuseoberfläche, wobei ihr Kern, typischerweise bestehend aus den Basismaterialien Silizium oder Galliumarsenid, Temperaturen von größer 100°C aufweisen kann. Für Silizium bzw. Siliziumdotierungen führt typischerweise eine Dauertemperatur von größer 150°C zu einer Degenerierung und Zerstörung des entsprechenden Bauelementes. Die elektronischen Bauelemente und auch die elektronischen Schaltungen setzen einen großen Teil der zugeführten Energie/Leistung in Wärme um, die die Bauelemente bzw. die Schaltungen selbst wie auch die Umgebung erwärmt. Bei der in Wärme umgesetzten Leis- tung handelt es sich demnach um eine Verlustleistung.

Ferner droht dabei nach einer gewissen Betriebszeit eine Überhitzung der Bauelemente und der Schaltungen. Bei manchen elektronischen Geräten, wie beispielsweise Desktopcomputern, wurden an die temperaturkritischen Bauelemente und Schaltungen Kühlkörper oder Lüfter montiert. Bei der Mon- tage von Kühlkörpern ist darauf zu achten, dass eine gute Wärmekopplung zwischen dem Kühlkörper und dem elektrischen Bauelement bzw. der Schaltung, welche sich durch die Verlustleistung erhitzen, gewährleistet ist. Ferner sind Kühlkörper nachteilig aufgrund ihrer Größe. Tendenziell wird die Integ- rationsdichte von Bauelementen in einer integrierten Schaltung immer höher. Zudem steigen Prozessor- bzw. Sendeleistungen relativ der zur Verfügung stehenden Fläche von integrierten Modulen, ICs und „embedded Systems* weiter an, da im Zuge einer Miniaturisierung der elektronischen Geräte die zur Ver- fügung stehende Fläche immer kleiner wird. Gleichzeitig verringert sich auch die für eine Wärmeableitung zur Verfügung stehende Fläche. Durch diese Tendenzen steigt die Verlustleistung und damit die Wärmeentwicklung pro Flächeneinheit drastisch an. Kühlkörper, Wasserkühlung oder ein Ventilator sind aufgrund ihrer Größe nur noch bedingt einsetzbar. Ein Ventilator hat zudem den Nachteil des mit seiner Verwendung einhergehenden Stromverbrauchs. Peltier Elemente sind aufgrund ihres sehr hohen Stromverbrauchs auch nachteilig.

Es war nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereit zu stellen, mit dessen Hilfe es möglich ist, auch auf kleinem Raum eine möglichst gute Wärmeableitung in elektronischen Geräten zu gewährleisten.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den entsprechenden Unteransprüchen aufgeführt. Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum thermischen Schutz elektronischer Einheiten in einem elektronischen Gerät, insbesondere in einem Mobilfunkgerät, bereitgestellt, wobei das elektronische Gerät wärmeerzeugende elektrische Einheiten, insbesondere elektrische Bauelemente und Schaltungen aufweist. Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren die wärmeerzeugenden elektrischen Einheiten mit einem Stoffsystem in Wirkkontakt gebracht werden, das eine Phasenänderungstempera- tur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes liegt. Bei der Phasenänderungstemperatur handelt es sich dabei um diejenige Temperatur, bei welcher innerhalb des Stoffsystems eine Phasenänderung stattfindet. Der Wirkkontakt kann dabei durch eine di- rekte Kontaktierung, wie beispielsweise durch Verlötung, Aufspritzung, Vergießung, Aufklebung der wärmeerzeugenden Einheiten, wie beispielsweise der wärmeerzeugenden Bauelemente oder der wärmeerzeugenden Schaltungen mit dem Stoffsystem, das als eine Wärmesenke fungiert, erfolgen. Denkbar ist aber auch eine indirekte Kontaktierung, das heißt die wärmeerzeugenden Einheiten werden durch einen wärmeleitenden Pfad, wie beispielsweise einer Durchkontaktierung einer Leiterplatte, mit der Wärmesenke, das heißt dem StoffSystem verbunden. Mögliche Ausführungsformen der Wärmesenke sind dünne und dicke Schichten und Beläge, elastische oder poröse Schaumstoffe, Matten, Platten und Körper.

Das Stoffsystem als Wärmesenke kann direkt an eine Oberfläche einer integrierten, wärmeerzeugenden Einheit, wie beispiels- weise eines Bauelementes, einer Schaltung oder einer Applikation angebracht werden. Ferner kann das Stoffsystem als Wärmesenke nur partiell, das heißt nur an den temperaturrelevan- ten Stellen oder über die gesamte Fläche der wärmeerzeugenden

Einheit aufgebracht werden.

Beispielsweise können auf einer wärmeerzeugenden, elektroni- sehen Einheit Plättchen, bestehend aus dem Stoffsystem, geklebt werden oder eine Vergussmasse aus dem Stoffsystem aufgebracht werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird als Stoffsystem ein sogenanntes Phase-Change-Material (PCM) verwendet. Die Wirkungsweise eines Phase-Change-Materials lässt sich anhand des Stoffsystems Eis/Wasser bzw. dessen Phasenübergang erläutern. Die Phasenänderungstemperatur liegt bei dem Stoffsystem Wasser/Eis bei 0°C. Findet ein Phasenübergang von Wasser zu Eis, d.h. vom flüssigen in den festen Aggregatszustand, statt, so wird bei diesem Phasenübergang Wärme freigesetzt. Wird ein Gemisch aus Wasser und Eis unter ständigem Rühren erhitzt, so wird die aufgenommene Wärme ausschließlich in der Änderung des Aggre- gatszustandes von Eis zu Wasser und nicht in Änderung der

Temperatur des Wassers umgesetzt. Dieser Effekt wird nun erfindungsgemäß für eine Wärmeableitung in elektronischen Geräten, insbesondere in Mobilfunkgeräten genutzt. Ferner kann • ein derartiges Stoffsystem auch zur Wärmespeicherung dienen. Neben dem genannten klassischen PCM Wasser/Eis können auch andere PCMs mit anderen Phasenänderungstemperaturen eingesetzt werden. Die Phasenänderungstemperatur des einsetzbaren Stoffsystems liegt erfindungsgemäß im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes. Wird diese Betriebstemperatur bzw. entsprechend die Phasenänderungstemperatur des ausgewählten PCMs überschritten, so kommt es bei dem Stoffsystem unter Aufnahme von Wärme zu einer Phasenänderung. Die überflüssige Wärme wird somit abgeleitet und kann zu keiner Zerstörung oder Beeinträchtigung des elektronischen Gerätes bzw. dessen Bauelemente und/oder Schaltungen führen.

Als Beispiele für phasenändernde Materialien, das heißt als Phase-Change-Materials, können nach dem Stand der Technik Salzhydrate oder deren Mischungen sowie Paraffine eingesetzt werden. Andere Materialien sind nach dem technischen Fortschritt möglich.

Vorzugsweise wird als Phase-Change-Material, wie bereits erwähnt, ein Paraffin, ein Salz und/oder ein Wachs eingesetzt. Salzlösungen sind beispielsweise geeignet bei einer Betriebstemperatur unter 0°C, für den mittleren Temperaturbereich können Paraffine eingesetzt werden. Deren Phasenänderungstem- peratur bzw. deren Schmelztemperatur liegt zwischen 20 °C und 80°C. Bei Temperaturen bis etwa 120°C sind Salzhydrate sowie Mischungen von Salzhydraten geeignet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Stoffsystem sowohl als Kühlkörper als auch als Wärmespeicher eingesetzt. Das bedeutet, dass, wenn die vorherrschende Temperatur die Phasenänderungs- temperatur des Stoffsystems überschreitet, so wird die Wärme in einem Phasenübergang innerhalb des StoffSystems umgesetzt. Bei Unterschreitung der Phasenänderungstemperatur wird die Wärme aus dem Stoffsystem zurückgeführt.

Vorzugsweise wird ein Stoffsystem verwendet, bei dem im Be- reich der vorgegebenen Betriebstemperatur eine Phasenänderungstemperatur für einen Phasenübergang zwischen zwei festen Aggregatzuständen liegt, wie beispielsweise zwischen einem kristallinen und einem amorphen Zustand. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass kein Strom verbraucht wird. Ferner bedingt das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kein großes Raumerfordernis. Fer- ner lässt sich mit der Phasenänderungstemperatur ein oberer bzw. unterer Temperaturgrenzwert einstellen. Der obere maximale Temperaturwert der betreffenden elektronischen Einheit, wie beispielsweise eines Bauelementes, wird durch die Phasenübergangstemperatur definiert. Darüber hinaus ergibt sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Ausgleichseffekt, was bedeutet, dass Wärmeenergie nach einer Speicherung in dem Stoffsystem mit Verzögerung wieder an die elektronischen Bauelemente bzw. Schaltungen zurückgeführt wird. Hierdurch wird thermischer Stress der durch plötzliche Erwär- mung und Abkühlung der Bauelemente auftreten könnte, vermieden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können elektronische Bauelemente oder Schaltungen beispielsweise bei Prozessoren oder bei Modulen vor Erwärmung bzw. Unterkühlung geschützt werden.

Das Stoffsystem, vorzugsweise das ausgewählte PCM kann unmittelbar an eine Oberfläche der betroffenen elektrischen Ein- heiten des elektronischen Gerätes, wie beispielsweise an betroffene Bauelemente oder Schaltungen angebracht werden. Das PCM kann beispielsweise in Form einer Schicht bzw. Belages auf einer Oberfläche aufgebracht werden. Ferner kann das PCM auch in Form eines elastischen oder porösen Schaumstoffes, einer Matte oder einer Platte verwendet werden. Beispiele für Aufbringungstechnologien des PCMs auf einer betroffenen Oberfläche sind Spritzen, Giessen, Kleben oder andere kraftschlüssige Verbindungen.

Das PCM kann partiell, das heißt nur an den temperaturrelevanten Stellen oder über eine größere Einheit des elektronischen Gerätes aufgebracht werden.

Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung von einem Stoff- System und einer wärmeerzeugenden elektronischen Einheit, wobei das Stoffsystem eine Phasenänderungstemperatur im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur der wärmeerzeugenden elektronischen Einheit besitzt und mit der wärmeerzeugenden elektronischen Einheit in thermischem Wirkkontakt steht.

Vorzugsweise ist das Stoffsystem ein phasenänderndes Material, ein sogenanntes Phase-Change-Material (PCM) .

Besonders bevorzugt ist der Wirkkontakt durch eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den wärmeerzeugenden Einheiten und dem Stoffsystem realisiert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Stoffsystem auf die wär eer- zeugenden Einheiten gespritzt, gegossen oder geklebt.

Vorzugsweise ist das Stoffsystem in Form einer Schicht, einer Platte, einer Matte oder eines porösen oder elastischen Schaumstoffes auf die wärmeerzeugenden Einheiten aufgebracht.

Weitere Vorteile werden anhand der folgenden Figuren aufgezeigt. Es zeigen Fig. 1 Schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 Schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 Schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 Schematische Darstellung einer wiederum anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Figur 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt. In Figur 1 ist eine Leiterplatte 1 als Bestandteil eines elektronischen Gerätes gezeigt. Ferner ist als weiterer Bestandteil des elektronischen Gerätes eine wärmeerzeugende, elektronische Einheit 2, die beispielsweise einem elektronischen Bauelement oder einem Modul entsprechen kann, dargestellt. Mit einem Bezugszeichen 3 ist nunmehr ein Stoffsystem gekennzeichnet, das eine Phasenänderungstemperatur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes liegt. Als ein derartiges Stoffsystem 3 wird vorzugsweise ein phasenänderndes Material, ein sogenanntes Phase-Change-Material oder kurz PCM, einge- setzt. Hier wird ein Wirkkontakt zwischen dem StoffSystem 3, das heißt zwischen dem PCM und der wärmeerzeugenden Einheit 2, das heißt der Wärmequelle, durch eine Beschichtung der wärmeerzeugenden Einheit 2 mit dem PCM 3 realisiert.

In Figur 2 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Wiederum ist eine elektronische, wärmeerzeugende Einheit 2, das heißt eine Wärmequelle, als Bestandteil eines elektronischen Gerätes und eine Leiter- platte 1 gezeigt. Mit einem Bezugszeichen 3 ist ferner wiederum ein Stoffsystem gekennzeichnet, das eine Phasenänderungstemperatur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes liegt. Als ein derartiges Stoffsystem 3 wird vorzugsweise ein phasenänderndes Material, ein sogenanntes Phase-Change-Material oder kurz PCM, eingesetzt. Hier wird ein Wirkkontakt zwischen dem StoffSystem 3, das heißt zwischen dem PCM und der wärmeerzeugenden Einheit 2, das heißt der Wärmequelle, durch unmittel- bares Auftragen des PCM 3 auf der Wärmequelle 2 realisiert. Das bedeutet, dass keine vollständige Beschichtung der Leiterplatte 1, sondern nur eine Oberfläche der Wärmequelle 2 in direktem Wirkkontakt mit dem PCM 3 steht. Dabei werden die thermisch relevanten Stellen der Wärmequelle 2 abgedeckt und gleichzeitig wird dabei PCM 3 eingespart.

In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Wiederum ist eine elektronische, wärmeerzeugende Einheit 2, das heißt eine Wärmequelle, als Bestandteil eines elektronischen Gerätes und eine Leiterplatte 1 gezeigt. Mit einem Bezugszeichen 3 ist ferner wiederum ein Stoffsystem gekennzeichnet, das eine Phasenänderungstemperatur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes liegt. Als ein derartiges Stoffsystem 3 wird vorzugsweise ein phasenänderndes Material, ein sogenanntes Phase-Change-Material oder kurz PCM, eingesetzt. Hier wird ein Wirkkontakt zwischen dem Stoffsystem 3, das heißt zwischen dem PCM und der wärmeerzeugenden Einheit 2, das heißt der Wärmequelle, dadurch reali- siert, dass das PCM 3 als separates Bauelement ausgeführt ist, das derart auf der Leiterplatte 1 angeordnet ist, dass die Leiterplatte 1 genau zwischen der Wärmequelle 2 und dem PCM 3 zu liegen kommt. Das bedeutet, dass hier kein direkter, sondern ein mittelbarer Kontakt zwischen der Wärmequelle 2 und dem PCM 3 vorliegt.

In Figur 4 ist eine wiederum andere Ausführungsform des er- findungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hier sind mehrere e- lektronische, wärmeerzeugende Einheiten 2, das heißt Wärmequellen, als Bestandteil eines elektronischen Gerätes und eine Leiterplatte 1 gezeigt. Mit einem Bezugszeichen 3 ist ferner wiederum ein Stoffsystem gekennzeichnet, das eine Phasen- änderungstemperatur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des elektronischen Gerätes liegt. Als ein derartiges Stoffsystem 3 wird vorzugsweise ein phasenänderndes Material, ein sogenanntes Phase-Change-Material oder kurz PCM, eingesetzt. Hier wird ein Wirkkontakt zwischen dem StoffSystem 3, das heißt zwischen dem PCM und den wärmeerzeugenden Einheiten 2, das heißt den Wärmequellen, durch Verfül- len der wärmeerzeugenden Einheiten 2 mit dem PCM 3 realisiert. Dieses Verfahren ist sehr schnell und effektiv. Insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl von eng beieinander liegen- den wärmeerzeugenden Einheiten 2 vorliegen, ist diese Ausführungsform des Verfahrens gut einsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum thermischen Schutz elektronischer Einheiten in einem elektronischen Gerät, insbesondere in einem Mobil- funkgerät, mit wärmeerzeugenden elektrischen Einheiten (Wärmequellen) , insbesondere mit elektrischen Bauelementen und Schaltungen, bei dem die wärmeerzeugenden elektrischen Einheiten mit einem Stoffsystem (Wärmesenke) in Wirkkontakt gebracht werden, das eine Phasenänderungstemperatur besitzt, die im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur des e- lektronischen Gerätes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Stoffsystem ein sogenanntes Phase-Change-Material (PCM) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Phase-Change-Material ein Paraffin, ein Salz und/oder ein Wachs eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Stoffsystem als Kühlkörper und Wärmespeicher eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Wirkkontakt durch eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den wärmeerzeugenden Einheiten und dem Stoffsystem realisiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Stoffsystem auf die wärmeerzeugenden Einheiten gespritzt, gegossen oder geklebt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Stoffsystem in Form einer Schicht, einer Platte, einer Matte oder eines porösen oder elastischen Schaumstoffes auf die wärmeerzeugenden Einheiten aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass bei Überschreiten oder Unterschreiten der Phasenände- rungstemperatur ein Phasenwechsel innerhalb des Stoffsystems zwischen einer ersten festen Phase und einer zweiten festen Phase bewirkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Phasenwechsel zwischen einer kristallinen und einer amorphen Phase bewirkt wird.

10. Anordnung von einem StoffSystem und einer wärmeerzeugen- den elektronischen Einheit, wobei das Stoffsystem eine Phasenänderungstemperatur im Bereich einer vorgegebenen Betriebstemperatur der wärmeerzeugenden elektronischen Einheit besitzt und mit der wärmeerzeugenden elektronischen Einheit in thermischem Wirkkontakt steht.

11. Anordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Stoffsystem ein phasenänderndes Material, ein sogenanntes Phase-Change-Material (PCM) ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Wirkkontakt durch eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den wärmeerzeugenden Einheiten und dem Stoffsystem realisiert ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Stoffsystem auf die wärmeerzeugenden Einheiten gespritzt, gegossen oder geklebt ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Stoffsystem in Form einer Schicht, einer Platte, einer Matte oder eines porösen oder elastischen Schaumstoffes auf die wärmeerzeugenden Einheiten aufgebracht ist.