DD263161A1 - ARRANGEMENT FOR REFRIGERATING ELECTRONIC COMPONENTS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kuehlung von waermeabgebenden elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte und findet fuer integrierte Baugruppen der Mikroelektronik, insbesondere in der Automatisierungstechnik, Schiffs- sowie Konsumgueterelektronik Anwendung. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen darin, dass auf eine mit waermeabgebenden elektronischen Bauelementen bestueckten Leiterplatte zur Kuehlung unter Verwendung einer stroemenden, die elektronischen Bauelemente beruehrende Kuehlfluessigkeit, ein Gehaeuse vakuumdicht aufgebracht ist, wobei das Gehaeuse eine Ein- und Austrittsoeffnung vorsieht, die ueber ein Schlauch- und/oder Roehrensystem an einem Fluessigkeitszwangsumlauf mit einer konstant zu haltenden Betriebstemperatur angeschlossen sind.The invention relates to an arrangement for cooling of heat dissipating electronic components on a printed circuit board and is used for integrated assemblies of microelectronics, in particular in automation technology, marine and consumer goods electronics application. The essential features of the invention consist in that a housing is vacuum-tightly applied to a printed circuit board equipped with heat-dissipating electronic components for cooling by using a flowing, electronic components contacting the electronic components, wherein the housing provides an inlet and outlet opening, which via a hose - And / or pipe system are connected to a fluid forced circulation with a constant operating temperature to be maintained.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Baugruppen der Mikroelektronik, die insbesondere in der Automatisierungstechnik, Schiffs- sowie Konsumgüterelektronik Anwendung finden.The invention relates to integrated assemblies of microelectronics, which are used in particular in automation technology, ship and consumer electronics.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die steigende Integration elektronischer Bauelemente und deren Packungsdichte auf integrierten Baugruppen der Mikroelektronik stellt immer höhere Anforderungen an die Kühltechnik, elektromagnetische Abschirmung, an den elektrostatischen und mechanischen Schutz.The increasing integration of electronic components and their packaging density on integrated assemblies of microelectronics is placing increasing demands on cooling technology, electromagnetic shielding, electrostatic and mechanical protection.

Zur Verbesserung der Kühlwirkung bei diskreten Bauelementen der Leistungselektronik sind Kühleinrichtungen bekannt, die nach dem Siedekühlprinzip arbeiten.To improve the cooling effect in discrete components of the power electronics cooling devices are known which operate on the Siedekühlprinzip.

Bei der direkten Siedekühlung befindet sich das wärmeabgebende diskrete Bauelement innerhalb eines geschlossenen vakuumdichten Gehäuses und taucht in die Siedekühlflüssigkeit ein. Der durch die Verlustwärme des Bauelementes entstehende Dampf steigtauf und kondensiert an dem vom sekundären Kühlmedium durchflossenen Wärmetauscher (DE-OS 2319274). Die Kühlmittelzuführung erfolgt zu jedem diskreten Bauelement einzeln.In direct evaporative cooling, the heat-emitting discrete component is located within a closed vacuum-tight housing and immersed in the boiling liquid. The resulting from the heat loss of the component steam rises and condenses on the heat exchanger through which the secondary cooling medium (DE-OS 2319274). The coolant supply takes place individually for each discrete component.

Weiterhin sind Lösungsprinzipien zur Kühlung für hochintegrierte Baugruppen der Mikroelektronik aus der DE-OS 2638702 und DE-OS 2903685 bekannt, wobei dünnwandige Kunststoffbehälter mit dem Kühlmittel gefüllt sind und sich unter Innendruck an die wärmeabgebenden elektronischen Bauelemente einer Leiterplatte anlegen. Eine andere bekannte Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte unter Verwendung eines strömenden Kühlmdiums wird in der DD-PS 246441 vorgestellt.Furthermore, solution principles for cooling for highly integrated assemblies of microelectronics from DE-OS 2638702 and DE-OS 2903685 are known, wherein thin-walled plastic containers are filled with the coolant and invest under internal pressure to the heat-emitting electronic components of a circuit board. Another known cooling device for electronic components on a printed circuit board using a flowing Kühlmdiums is presented in DD-PS 246441.

Erfindungsgemäß ist eine elastische Deckfolie, die eine Kühlkassette an der den elektronischen Bauelementen und der Leiterplatte zugewandten Seite begrenzt, unter Innendruck an die Bauelemente geklebt. An der Kühlkassette ist eine Ein- und Austrittsöffnung für das Kühlmedium vorgesehen, an der sich jeweils Elemente zur Steuerung und Regelung des Kühlprozesses anschließen. Der Nachteil des Lösungsprinzips nach DE-OS 2638702 und DE-OS 2903685 besteht darin, daß diefür einen hohen Wärmeübergang notwendige innige Kontaktfläche zwischen Bauelement und Foliebeutel erst entsteht, wenn die Kühlflüssigkeit unter einem bestimmten Mindestinnendruck steht.According to the invention, an elastic cover film, which delimits a cooling cassette on the side facing the electronic components and the printed circuit board, is glued to the components under internal pressure. At the cooling cassette, an inlet and outlet opening for the cooling medium is provided, to which in each case connect elements for controlling and regulating the cooling process. The disadvantage of the solution principle according to DE-OS 2638702 and DE-OS 2903685 is that the necessary for a high heat transfer intimate contact surface between the component and film bag only arises when the cooling liquid is below a certain minimum internal pressure.

Eine Verwertung der DD-PS 246441 wirkt sich auch durch die indirekte Kühlung der elektronischen Bauelemente nachteilig aus, da infolge der aufgeklebten Folie ein zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand zwischen dem elektronischen Bauelement und der strömenden Kühlflüssigkeit entsteht. Weiterhin ist die Zugänglichkeit der Bauelemente durch das Aufkleben der Folie nicht gegeben und bei eventuell auftretendem Austausch eines defekten Bauelementes die Erneuerung der gesamten Folie notwendig. Auch die Anpassung der Folie an die gesamte zur Verfügung stehende Bauelementeoberfläche ist nicht gewährleistet, da z. B. die Bauelementepins bei elektronischen Schaltkreisen einen Kontakt ader Folie mit der Bauelementeunterseite behindern. Damit geht ein Teil der Bauelementeoberfläche für den direkten Wärmeaustausch über die Folie verloren.A utilization of DD-PS 246441 also has an adverse effect on the indirect cooling of the electronic components, since, as a result of the glued-on foil, an additional heat transfer resistance arises between the electronic component and the flowing cooling liquid. Furthermore, the accessibility of the components by gluing the film is not given and in case of replacement of a defective component renewal of the entire film necessary. The adaptation of the film to the entire available component surface is not guaranteed because z. B. the device pins in electronic circuits hinder a contact ader foil with the component bottom. Thus, part of the device surface is lost for direct heat exchange across the foil.

Eine weitere bekannte Kühlwirkung tritt durch die zwangsweise Be- und Entlüftung ein, die für hochleistungsfähige Baugruppen und -systeme mit hohen Bauelementepackungsdichten, wie sie durch die Anwendung von Mehrebenenleiterplatten erzielt werden, vorgesehen istAnother known cooling effect is provided by the forcible ventilation provided for high performance assemblies and systems having high device packaging densities, as achieved by the use of multi-level printed circuit boards

Nachteilig wirkt sich hierbei The disadvantage is this

— die begrenzte Kriech- und Luftstrecke durch das Kühlmedium Luft- The limited creepage and air path through the cooling medium air

— die fehlende Abschirmung von der Umgebung bezüglich agressiver Medien und- the lack of shielding from the environment regarding aggressive media and

— der fehlende elektrostatische sowie mechanische Schutz, insbesondere beim Transport für die Verwertung dieser Lösungen aus.- The lack of electrostatic and mechanical protection, especially during transport for the exploitation of these solutions.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist eine zuverlässige und betriebssichere Anordnung, die den Anforderungen nach hoher Packungsdichte elektronischer Baugruppen entspricht, wobei die Gebrauchswerteigenschaften hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen entsprechend den Anwendungsgebieten erhöht werden.The aim of the invention is a reliable and reliable arrangement, which meets the requirements of high packing density of electronic assemblies, wherein the utility value characteristics are increased in terms of advantageous embodiments according to the application areas.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlung wärmeabgebender elektronischer Bauelemente auf einer Leiterplatte unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit zu entwickeln, die eine höhere Packungsdichte, eine elektromagnetische Abschirmung, einen elektrostatischen und mechanischen Schutz von integrierten Baugruppen realisiert. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß auf eine mit wärmeabgebenden elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatte zur Kühlung unter Verwendung einer strömenden , die elektronischen Bauelemente berührende und wärmeaufnehmende Kühlflüssigkeit ein Gehäuse vakuumdicht aufgebracht ist. Das Gehäuse sieht eine Eintrittsöffnung mit einem Rückschlagventil und eine Austrittsöffnung mit einem manuell betätigbarem Ventil vor, die über ein Schlauch- und/oder Röhrensystem an einem Flüssigkeitszwangsumlauf mit konstant zu haltender Betriebstemperatur T1 angeschlossen sind. In Ausgestaltung der Erfindung sit auf der Leiterplatte ein weiteres Gehäuse vakuumdicht aufgebracht, das einem selbständigen Flüssigkeitszwangsumlauf mit der konstant zu haltenden Betriebstemperatur T2 zugeordnet ist.The invention has for its object to develop an arrangement for cooling heat dissipating electronic components on a circuit board using a cooling liquid, which realizes a higher packing density, an electromagnetic shield, an electrostatic and mechanical protection of integrated assemblies. The object of the invention is achieved in that a housing is applied vacuum-tight on a stocked with heat-emitting electronic components circuit board for cooling using a flowing, the electronic components contacting and heat-absorbing coolant. The housing provides an inlet opening with a check valve and an outlet opening with a manually operable valve, which are connected via a hose and / or pipe system to a forced liquid circulation with constant operating temperature T1. In an embodiment of the invention sit on the circuit board a further housing vacuum-tight applied, which is assigned to a self-contained fluid forced circulation with the operating temperature to be kept constant T2.

Als Kühlflüssigkeit für den Flüssigkeitszwangsumlauf wird vorzugsweise Rizinusöl verwendet. Es umströmt alle innerhalb des Gehäuses befindlichen Leiterzüge und wärmeabgebenden elektronischen Bauelemente. In vorteilhafter Weise wird dadurch die Isolationsfestigkeit der zu kühlenden Baugruppe erhöht und die elektronischen Bauelemente vor eventueller elektrostatischer Zerstörung geschützt.Castor oil is preferably used as the cooling fluid for the forced circulation of fluid. It flows around all inside the housing located conductor tracks and heat dissipating electronic components. Advantageously, this increases the insulation resistance of the assembly to be cooled and protects the electronic components against potential electrostatic destruction.

Die besseren dielektrischen Eigenschaften dder verwendeten Kühlflüssigkeit gegenüber dem Kühlmedium Luft erlauben eine höhere Packungsdichte sowohl der Leiterzüge als auch der elektronischen Bauelemente. Durch die Berührung der gesamten Bauelementeoberfläche mit der Kühlflüssigkeit entsteht ein hoher Wärmeübergang, so daß die Kühlflüssigkeit die Wärme der elektronischen Bauelemente ohne einen zusätzlichen Wärmeübergangswiderstand überwinden zu müssen, aufnehmen kann. Die Verwendung eines stabilen Gehäuses erhöht die Gebrauchswerteigenschaften bezüglich der mechanischen Stabilität, der Abschirmung vor aggressiven Umwelteinflüssen und des vereinfachten Transportes.The better dielectric properties of the cooling liquid used compared to the cooling medium air allow a higher packing density of both the conductor tracks and the electronic components. By touching the entire surface of the component with the cooling liquid, a high heat transfer occurs, so that the cooling liquid can absorb the heat of the electronic components without having to overcome an additional heat transfer resistance. The use of a sturdy housing increases the utility value characteristics in terms of mechanical stability, shielding against aggressive environmental influences and simplified transport.

In weiterer Ausgestaltung wird durch das Einbeziehen des Gehäuses in das elektrische System der Baugruppe ein Faradayscher Käfig realisiert, der eine elektromagnetische Abstrahlung und Störung von außen verhindert.In a further embodiment, by incorporating the housing into the electrical system of the assembly, a Faraday cage is realized which prevents electromagnetic radiation and interference from the outside.

Weiterhin sind an der Innenwand des Gehäuses zur Funktionsüberwachung der elektronischen Bauelemente z. B. ein Temperatursensor und galvanomagnetische Sensoren angeordnet.Furthermore, on the inner wall of the housing for monitoring the function of the electronic components z. B. a temperature sensor and galvanomagnetic sensors arranged.

Ausf ü hru ngsbeispieiExample of execution

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die beiliegenden Zeichnungen zeigen:The invention will be explained below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show:

Fig. 1: Schematische Darstellung einer bestückten Leiterplatte mit aufgesetztem Gehäuse Fig. 2: Draufsicht einer Baugruppe mit zwei GehäusenFig. 1: Schematic representation of a populated printed circuit board with attached housing Fig. 2: Top view of an assembly with two housings

Fig.3: Schnitt zur Darstellung der Eintrittsöffnungen ins Gehäuseinnere3: section showing the inlet openings into the housing interior

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bestücken Leiterplatte 3 mit aufgesetztem Gehäuse 4, mit busseitigen und Anwendersteckverbindungen 1,14.1 shows a schematic representation of a populated printed circuit board 3 with attached housing 4, with bus-side and user connectors 1.14.

Das Gehäuse 4 und die Leiterplatte 3 sind zur Arretierung durch zwei sich gegenüberliegende, aus Stecker 5.1,8.1 und Buchse 5.2, 8.2 bestehende Verbindungen gekoppelt.The housing 4 and the printed circuit board 3 are coupled to the locking by two opposing, consisting of plug 5.1,8.1 and 5.2 socket, 8.2 existing connections.

Auf der Leiterplatte 3 ist eine Kupferbahn 9 aufgebracht, die mit dem Gehäuse 4 durch eine Lötverbindung 10 vakuumdicht verschlossen ist. Das Gehäuse 4 sieht ein elektrisch nichtleitfähiges Trägermaterial vor, wobei die Außen- und Innenwand 4.2,4.1 mit elektrisch leitfähigem und lötbarem Material beschichtet sind. Die Außenwand 4.2 ist zum Schutz vor äußerenOn the circuit board 3, a copper sheet 9 is applied, which is sealed vacuum-tight with the housing 4 by a solder joint 10. The housing 4 provides an electrically non-conductive carrier material, wherein the outer and inner walls 4.2,4.1 are coated with electrically conductive and solderable material. The outer wall 4.2 is for protection against external

elektromagnetischen Feldern mit der elektrischen Masse auf der Leiterplatte 3 verbunden. An der Innenwand 4.1 des Gehäuses 4 sind vorzugsweise zur Funktionsüberwachung der elektronischen Bauelemente 6.1, 6.2, 6.3 ein Temperatursensor 7.2 und gaivanomagnetische Sensoren 7.1, 7.3, 7.4 angeordnet. Sie sind durch ein auf die Innenwand 4.1 aufgebrachtes Leiterzugbild mit dem jeweiligen Stecker 5.1, 8.1 und über die auf der Leiterplatte angeordneten Buchsen elektrisch mit der Leiterplatte verbunden. Das Gehäuse 4 weist an seiner Eintrittsöffnung ein Rückschlagventil 11 und seiner Austrittsöffnung ein manuell betätigbares Ventil 12 auf, wobei diese über ein nichtdargestelltes Schlauch- und/oder Röhrensystem an einen Flüssigkeitszwangsumlauf mit konstant zu haltender Betriebstemperatur T1 derart angeschlossen sind, daß die natürliche Flüssigkeitskonvektion den erzwungenen Umlauf unterstützt.electromagnetic fields connected to the electrical ground on the circuit board 3. On the inner wall 4.1 of the housing 4, a temperature sensor 7.2 and gaivanomagnetic sensors 7.1, 7.3, 7.4 are preferably arranged for monitoring the operation of the electronic components 6.1, 6.2, 6.3. They are electrically connected by an applied to the inner wall 4.1 Leiterzugbild with the respective plug 5.1, 8.1 and arranged on the circuit board sockets with the circuit board. The housing 4 has at its inlet opening a check valve 11 and its outlet opening a manually operable valve 12, which are connected via an unillustrated hose and / or tube system to a liquid forced circulation to be kept constant operating temperature T1 such that the natural Flüssigkeitskonvektion the forced Circulation supported.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung der Draufsicht einer Baugruppe, bei der auf der Leiterplatte 3 ein zusätzliches Gehäuse 15 angeordnet ist, das über einen selbständigen Flüssigkeitszwangsumlauf mit einer konstant zu haltenden Betriebstemperatur T2 verfügt. Dieser Anwendungsfall tritt ein, wenn die Differenz der konstant zu haltenden Betriebstemperaturen T1,T2 den technischen Mehraufwand vertretbar macht. Hierbei sind die technischen Mittel für einen zweiten separaten Flüssigkeitszwangsumlauf einzusetzen.Fig. 2 shows the schematic representation of the plan view of an assembly in which on the circuit board 3, an additional housing 15 is arranged, which has a self-contained forced circulation medium to be kept constant operating temperature T2. This application case occurs when the difference between the constant operating temperatures T1, T2 makes the additional technical effort justifiable. Here, the technical means for a second separate liquid forced circulation are used.

Auf der Leiterplatte 3, außerhalb der Gehäuse, befinden sich die Bauelemente 2, die während der Inbetriebnahme oder des ständigen Betriebes, zwecks eventuellen Abgleiche oder Veränderung der Funktionsparameter der Baugruppe, zugänglich sein müssen.On the circuit board 3, outside the housing, there are the components 2, which must be accessible during commissioning or continuous operation, for the purpose of any adjustments or changes in the functional parameters of the module.

Frg.3 zeigt die Anordnung der Flüssigkeitseintrittsöffnungen ins Gehäuseinnere. Zur gleichmäßigen Verteilung des wärmeaufnehmenden Kühlmediums über das gesamte Gehäuseinnere findet eine Trennwand 16 Anwendung, die über in gleichen Abständen verteilte Eintrittsöffnungen 17 verfügt. Damit wird der Ausbildung eventueller Wärmestaus weitgehend vorgebeugt.Frg.3 shows the arrangement of the liquid inlet openings in the housing interior. For uniform distribution of the heat-absorbing cooling medium over the entire interior of the housing is a partition wall 16 application, which has distributed at equal intervals inlet openings 17. Thus, the formation of any heat accumulation is largely prevented.

Claims (7)

1. Anordnung zur Kühlung von wärmeabgebenden elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit, gekennzeichnet dadurch, daß auf eine mit wärmeabgebenden elektronischen Bauelementen (6.1; 6.2; 6.3) bestückte Leiterplatte (3) zur Kühlung unter Verwendung einer strömenden, die elektronischen Bauelemente berührende und wärmeaufnehmende Kühlflüssigkeit (13), vorzugsweise Rizinusöl, ein Gehäuse (4) vakuumdicht aufgebracht ist, wobei das Gehäuse (4) eine Ein- und Austrittsöffnung (11; 12) vorsieht, die über ein Schlauch- und/oder Röhrensystem an einem Flüssigkeitszwangsumlauf mit einer konstant zu haltenden Betriebstemperatur T1 angeschlossen sind.1. Arrangement for cooling of heat-emitting electronic components on a printed circuit board using a cooling liquid, characterized in that on a with heat dissipating electronic components (6.1; 6.2, 6.3) populated printed circuit board (3) for cooling using a flowing, the electronic components touching and heat-absorbing cooling liquid (13), preferably castor oil, a housing (4) is applied vacuum-tight, wherein the housing (4) an inlet and outlet opening (11; 12) provides, via a hose and / or pipe system to a forced circulation with a constant operating temperature T1 are connected. 2. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Eintrittsöffnung (11) des Gehäuses (4) ein Rückschlagventil und die Austrittsöffnung (12) ein manuell betätigbares Ventil aufweist.2. Arrangement for cooling according to claim 1, characterized in that the inlet opening (11) of the housing (4) has a check valve and the outlet opening (12) has a manually operable valve. 3. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Leiterplatte (3) ein weiteres Gehäuse angeordnet ist, das über einen selbständigen Flüssigkeitszwangsumlauf mit einer konstant zu haltenden Betriebstemperatur T2 verfügt.3. Arrangement for cooling according to claim 1 and 2, characterized in that on the circuit board (3), a further housing is arranged, which has a self-contained fluid forced circulation with a constant operating temperature T2 to be maintained. 4. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (4) und die Leiterplatte (3) zur Arretierung durch zwei sich gegenüberliegende, aus Stecker (5.1; 8.1) und Buchse (5.2; 8.2) bestehende Verbindungen gekoppelt sind.4. Arrangement for cooling according to claim 1 to 3, characterized in that the housing (4) and the printed circuit board (3) for locking by two opposing, from plug (5.1, 8.1) and socket (5.2, 8.2) coupled existing connections are. 5. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (4) ein elektrisch nicht leitfähiges Trägermaterial vorsieht, wobei jeweils die Außen- und Innenwand (4.2; 4.1) mit elektrisch leitfähigem und lötbarem Material beschichtet ist.5. Arrangement for cooling according to claim 1 to 4, characterized in that the housing (4) provides an electrically non-conductive carrier material, wherein in each case the outer and inner walls (4.2, 4.1) is coated with electrically conductive and solderable material. 6. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die elektrisch leitfähige Außenwand (4.2) zum Schutz vor äußeren elektromagnetischen Feldern mit der elektrischen Masse auf der Leiterplatte (3) verbunden ist.6. Arrangement for cooling according to claim 1 to 5, characterized in that the electrically conductive outer wall (4.2) is connected to protect against external electromagnetic fields with the electrical ground on the circuit board (3). 7. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß an der Innenwand (4.1) des Gehäuses (4) zur Funktionsüberwachung der elektronischen Bauelemente (6.1; 6.2; 6.3) Sensoren, insbesondere ein Temperatursensor (7.2) und galvanomagnetische Sensoren (7.1; 7.3; 7.4) angeordnet sind, die durch ein auf die Innenwand (4.1) aufgebrachtes Leiterzugbild mit dem jeweiligen Stecker (5.1; 8.1) elektrisch verbunden sind.7. Arrangement for cooling according to claim 1 to 6, characterized in that on the inner wall (4.1) of the housing (4) for monitoring the operation of the electronic components (6.1, 6.2, 6.3) sensors, in particular a temperature sensor (7.2) and galvanomagnetic sensors ( 7.1, 7.3, 7.4) are arranged, which are electrically connected to the respective plug (5.1, 8.1) by a printed circuit pattern applied to the inner wall (4.1).