DE102015012421A1 - The Thermal Management Board (TMB) as a universally applicable cooling and heating system for the regulated heat transfer to components and the utilization, the heat energy generated or required at the components and / or the externally acting thermal energy. - Google Patents

Abstract

Das Thermomanagement-Board (TMB) ist ein universell einsetzbares Kühl- und Heizsystem für Single- und Multilayer-Leiterplatten zur regulierten Wärmeführung (Zu- und Abführung) an Bauelementen und der Verwertung, der an den Bauelementen entstehenden bzw. benötigten Wärmeenergie und/oder der extern einwirkenden Wärmeenergie. Das System besteht aus einem, in einer Formmasse ausgebackenen, strukturierten Kapillarnetz von metallisierten Kanälen, die mit einer strukturierten Single- oder Multilayer-Leiterplatte stoffschlüssig, elektrisch isolierend verbunden werden. Hierbei wird die geometrische Kapillarnetzstruktur den jeweiligen Anforderungen (Kühlung und Erwärmung) angepasst. Das eigentliche Wärmemanagement wird dann über ein Fluid, das in den Kanälen zirkuliert, realisiert. Volumenstrom und Druck sind die regulierenden Parameter für die Wärmezu- oder -ableitung.The Thermal Management Board (TMB) is a universally applicable cooling and heating system for single and multilayer printed circuit boards for regulated heat conduction (supply and removal) of components and the utilization, the thermal energy generated or required by the components and / or externally acting heat energy. The system consists of a, in a molding compound baked, structured capillary network of metallized channels, which are materially connected to a structured single or multilayer printed circuit board, electrically insulating. Here, the geometric capillary network structure is adapted to the respective requirements (cooling and heating). The actual heat management is then realized via a fluid that circulates in the channels. Volume flow and pressure are the regulating parameters for heat supply or discharge.

Description

Das Thermomanagement-Board (TMB) ist ein universell einsetzbares Kühl- und Heizsystem für Single- und Multilayer-Leiterplatten zur regulierten Wärmeführung (Zu- und Abführung) an Bauelementen und der Verwertung, der an den Bauelementen entstehenden bzw. benötigten Wärmeenergie und/oder der extern einwirkenden Wärmeenergie. Das System besteht aus einem, in einer Formmasse ausgebackenen, strukturierten Kapillarnetz von metallisierten Kanälen, die mit einer strukturierten Single- oder Multilayer-Leiterplatte stoffschlüssig, elektrisch isolierend verbunden werden. Hierbei wird die geometrische Kapillarnetzstruktur den jeweiligen Anforderungen (Kühlung und Erwärmung) angepasst. Das eigentliche Wärmemanagement wird dann über ein Fluid, das in den Kanälen zirkuliert, realisiert. Volumenstrom und Druck sind die regulierenden Parameter für die Wärmezu- oder -ableitung.The Thermal Management Board (TMB) is a universally applicable cooling and heating system for single and multilayer printed circuit boards for regulated heat conduction (supply and removal) of components and the utilization, the thermal energy generated or required by the components and / or externally acting heat energy. The system consists of a, in a molding compound baked, structured capillary network of metallized channels, which are materially connected to a structured single or multilayer printed circuit board, electrically insulating. Here, the geometric capillary network structure is adapted to the respective requirements (cooling and heating). The actual heat management is then realized via a fluid that circulates in the channels. Volume flow and pressure are the regulating parameters for heat supply or discharge.

Problemstellungproblem

Die Lebensdauer elektronischer Bauelemente wird weitgehend auch von ihrer thermischen Belastung bestimmt. Dies sind sowohl statische wie auch dynamische Belastungen, die durch den eignen Leistungsumsatz oder durch externe Belastungen hervorgerufen werden. Im Stoffgebiet der Thermoelektrik sind Wärmeströme von Bedeutung, die eine Zu- und Ableitung von Wärmeenergie bei gleichzeitiger verlustarmer bis verlustfreier Ankopplung an Generator-Bauelemente bedingen.The lifetime of electronic components is largely determined by their thermal load. These are both static and dynamic loads, which are caused by the own power conversion or by external loads. In the field of thermoelectric heat flows of importance, which cause a supply and dissipation of heat energy with low-loss to lossless coupling to generator components.

Stand der TechnikState of the art

Gegenwärtig sind verschiedene Wärmemanagementmethoden in der Technik bekannt. Dabei gehen die meisten Lösungen von einer freien und/oder Zwangskonvektion (Lüfter) aus. Häufig wird dabei die Wärme auch auf benachbarte Bauelemente übertragen, was wiederum ebenfalls erhebliche thermische Belastungen generiert. Luft ist bekanntermaßen ein äußerst schlechter Wärmeleiter, so dass kostenintensive Lösungen notwendig werden, um ein Wärmemanagement überhaupt realisieren zu können.At present, various thermal management methods are known in the art. Most solutions assume free and / or forced convection (fans). Frequently, the heat is transferred to neighboring components, which in turn also generates considerable thermal loads. Air is known to be an extremely poor conductor of heat, so that costly solutions are necessary to realize a thermal management at all.

Als eine Alternative zur Konvektion steht die Wärmeableitung durch ein Fluid zur Verfügung. Diese Methode ist bei großen elektrischen (Motoren, Generatoren, Hochleistungsbauelemente) und elektronischen Baueinheiten bereits bekannt, bedingt aber den Einsatz weiterer Module, wie Flüssigkeitskühler.As an alternative to convection, heat dissipation by a fluid is available. This method is already known for large electrical (motors, generators, high-performance components) and electronic components, but requires the use of additional modules, such as liquid chillers.

Hier sind im Stand der Technik integrierte Mikrokühlsysteme bekannt, die aber nur über eine Kanalhöhe von bis zu 500 μm verfügen und folglich auch nur geringste Mengen von Kühlflüssigkeit transportieren können, was mit einer Begrenzung der transportierbaren Wärmemengen korrespondiert. Damit besteht auch die Gefahr, dass bei einer höheren thermischen Belastung das Kühlmedium in Mikrokapillarnetz zu sieden bzw. zu verdampfen beginnt. Auch die bisher bekannten Fluidanschluss-, Pump- und Rückkühlsysteme sind recht störanfällig und kostenintensiv. Weiterhin sind Metallkernsysteme bei Leiterplatten bekannt, die aber nur eine ungeregelte Wärmeableitung zulassen.Here, integrated microcooling systems are known in the prior art, but only have a channel height of up to 500 microns and consequently can transport even very small amounts of cooling fluid, which corresponds to a limitation of the transportable amounts of heat. There is also the risk that at a higher thermal load, the cooling medium begins to boil or evaporate in Mikrokapillarnetz. The previously known fluid connection, pumping and recooling systems are quite prone to failure and costly. Furthermore, metal core systems are known in printed circuit boards, but allow only an unregulated heat dissipation.

Die aus Leiterplattenmaterial z. B. FR4, hergestellten Cool- bzw. Waterboards haben zwar bereits ein größeren Wärmekapazitätvolumen, sind aber fertigungstechnisch für große Serien aus Kostengründen nicht geeignet. Zum Teil sind diese Systeme auch als Kühlinnenschicht in Multilayer-Leiterplatten ausgeführt. Hierbei ist insbesondere das Eindringen von Kühlfluid in die Schichten als problematisch anzusehen, woraus Probleme mit der Dichtigkeit und der elektrischen Isolation resultieren.The printed circuit board material z. B. FR4, manufactured Cool- or Waterboards already have a larger heat capacity, but manufacturing technology for large series for cost reasons are not suitable. In part, these systems are also designed as a cooling inner layer in multilayer printed circuit boards. Here, in particular, the penetration of cooling fluid into the layers is to be regarded as problematic, resulting in problems with the tightness and the electrical insulation.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass momentan keine flächenhaften und universell einsetzbaren Wärmemanagementsysteme für Leiterplatten und elektronische Bauelemente verfügbar sind.In summary, it can be stated that currently no areal and universally applicable thermal management systems for printed circuit boards and electronic components are available.

Daher wird Erstens ein System benötigt, welches fertigungstechnisch wirtschaftlich realisiert werden kann, über definierte große Kanäle verfügt und damit eine hohe nutzbare Wärmekapazität zur Wärmekopplung erreicht.Therefore, first, a system is needed which can be realized economically economically, has defined large channels and thus achieves a high usable heat capacity for heat coupling.

Zweitens muss das System einen maximalen Wärmeübergang zwischen dem Kanalsystem, der Leiterplatte und den Bauelementen zulassen bzw. realisieren.Second, the system must allow or realize maximum heat transfer between the duct system, the circuit board and the components.

Drittens muss das System resistent gegenüber dem Kühl-/Heizmedium sein und weitere Parameter, wie Fördermenge und -druck, Arbeitstemperatur, Lebensdauer der Kanäle etc. sicherstellen.Third, the system must be resistant to the cooling / heating medium and ensure other parameters such as flow rate and pressure, working temperature, lifetime of the channels, etc.

Viertens muss das System die Parameter auf der gesamten Fläche der nutzbaren Arbeitsbereiche homogen realisieren.Fourth, the system must homogeneously realize the parameters over the entire area of usable workspaces.

Technische Beschreibungtechnical description

Aus den am Stand der Technik aufgezeigten Nachteilen der bisherigen Kühlsysteme wird eine Platte konzipiert, die diese Nachteile eliminiert und in einer serientauglichen Technologie kostengünstig hergestellt werden kann.From the disadvantages of the prior art cooling systems, which have been pointed out in the prior art, a plate is designed which eliminates these disadvantages and can be inexpensively manufactured in a production-ready technology.

Hierzu werden zwei bekannte Technologien, das SMC-Verfahren und die Leiterplattentechnologie, zusammengeführt und weiterentwickelt.For this purpose, two well-known technologies, the SMC process and the printed circuit board technology, are brought together and further developed.

Das System besteht aus einem Basispanel mit dem Kapillarnetz (Bauteil 1), das mit einer Single- und/oder Multilayer-Leiterplatte (Bauteil 2) verklebt wird.The system consists of a base panel with the capillary network (component 1), which is glued to a single and / or multilayer printed circuit board (component 2).

Als Basis dient eine Form, die das Kapillarnetzsystem mit all seine Kanälen und Anschlüssen abbilden kann. Beim Ausformen des Kapillarnetzes wird gleichzeitig eine Kupferfolie in die Kanalstruktur mit eingelegt und stoffschlüssig ausgehärtet.The basis is a form that can map the capillary network system with all its channels and connections. When forming the capillary network, a copper foil is simultaneously inserted into the channel structure and solidified.

Danach wird die erzeugte Kanalstruktur des Bauteil 1 galvanisch weiter veredelt und gegen Korrosion geschützt. Das können z. B. chemisch abgeschiedene Schichten aus Nickel und Gold sein. In einem Ätzprozess werden dann nicht benötigte Kupferanteile wieder entfernt, um die Kunststoffbasis für den Klebprozess verfügbar zu machen.Thereafter, the generated channel structure of the component 1 is further galvanically refined and protected against corrosion. This can z. B. chemically deposited layers of nickel and gold. In an etching process, unnecessary copper components are then removed again in order to make the plastic base available for the bonding process.

Die Single- und/oder Multilayer-Leiterplatte wird in einem Stufenprozess aufgebaut. Zunächst wird eine einzelne Prepreg-Lage an den Stellen der Wärmeableitung mit geometrisch definierten Öffnungen versehen. Anschließend wird dieses Prepreg mit einer Kupferfolie laminiert. Nach dem bekannten galvanischen Herstellungsverfahren für Leiterplatten erfolgen die Maskierung und das Abscheiden von Dickkupfer in den erzeugten Öffnungen. Danach werden die Flächen zwecks Korrosionsschutzes der Kupferschicht gegen das Fluid z. B. mit chemisch, physikalisch oder galvanisch abgeschiedenen Nickel und/oder Gold versehen.The single and / or multilayer printed circuit board is set up in a step process. First, a single prepreg sheet is provided with geometrically defined apertures at the heat sink locations. Subsequently, this prepreg is laminated with a copper foil. According to the known galvanic manufacturing method for printed circuit boards, the masking and deposition of thick copper takes place in the openings produced. Thereafter, the surfaces for the purpose of corrosion protection of the copper layer against the fluid z. B. provided with chemically, physically or galvanically deposited nickel and / or gold.

Die so vorbereitete Decklage für das Kapillarnetzsystem kann nun direkt oder mit weiteren Prepreg und Kupferlagen strukturiert und aufgebaut werden.The thus prepared cover layer for the capillary network system can now be structured and constructed directly or with further prepreg and copper layers.

In einem weiteren Schritt werden nun die Bauteile unter Druck gefügt. Hierzu wird mittels geeigneter Verfahren, z. B. Siebdruck, ein heiß oder kalt aushärtbarer Klebstoff auf Bauteil 2 so positioniert, dass einerseits eine sichere Verklebung mit Bauteil 1 erfolgt, andererseits aber das Kapillarnetzsystem des Bauteil 1 nicht verunreinigt wird.In a further step, the components are now joined under pressure. For this purpose, by means of suitable methods, for. As screen printing, a hot or cold curable adhesive on component 2 positioned so that on the one hand a secure bonding with component 1 takes place, on the other hand, the capillary network system of the component 1 is not contaminated.

Nach dem Aushärten des Klebstoffes ist der Herstellungsprozess des Thermomanagementboards abgeschlossen.After curing of the adhesive, the manufacturing process of the thermal management board is completed.

Claims (10)

Thermomanagmentboard bestehend aus mindestens einem Basispanel mit Kapillarnetz (Bauteil 1) und mindestens einer Single- und/oder Multilayer-Leiterplatte (Bauteil 2), die stoffschlüssig, elektrisch isolierend miteinander verbunden sind.Thermomanagmentboard consisting of at least one base panel with capillary network (component 1) and at least one single and / or multilayer printed circuit board (component 2), which are materially interconnected, electrically insulating. Bauteil 1 gemäß Anspruch 1 bestehend auch aushärtbarer Formmasse mit Faseranteilen und stoffschlüssig verbundener Metallisierung der fluidführenden Kanäle.Component 1 according to claim 1 consisting also hardenable molding compound with fiber fractions and cohesively connected metallization of the fluid-carrying channels. Bauteil 1 gemäß Anspruch 1 bei dem die kanalbildenden Vertiefungen mit chemisch stabilen Metallschichten überzogen werden.Component 1 according to claim 1, in which the channel-forming recesses are coated with chemically stable metal layers. Bauteil 2 gemäß Anspruch 1 bestehend aus einem NoFlow-Prepreg mit in geometrischen Öffnungen im Bereich der kanalbildenden Vertiefungen in denen Dickkupferschichten bis zur Dicke des Prepregs abgeschieden und anschließend mit einer chemisch stabilen Schicht überzogen werden.Component 2 according to claim 1 consisting of a NoFlow prepreg with in geometric openings in the region of the channel-forming recesses in which thick copper layers are deposited to the thickness of the prepreg and then coated with a chemically stable layer. Bauteil 2 gemäß Anspruch 4 mit einer wärmeleitenden Anbindung für mindestens ein elektronisches Bauelement bzw. Thermogenerator ausgebildet.Component 2 according to claim 4 with a thermally conductive connection for at least one electronic component or thermogenerator. Bauteil 2 nach Anspruch 1, 4 und 5 mit Leiterstruktur für elektronische Bauelemente.Component 2 according to claim 1, 4 and 5 with a conductor structure for electronic components. Thermomanagementboard nach Anspruch 1 bei dem zum Zweck des Fixierens der beiden Bauteile zwischen diesen eine Klebschicht eingebracht wird.Thermal management board according to claim 1, wherein for the purpose of fixing the two components between these an adhesive layer is introduced. Thermomanagementboard nach Anspruch 7 bestehend aus einer Klebschicht, die aus ein- oder zweikomponentigen Material besteht und eine elektrisch isolierende Funktion besitzt.Thermal management board according to claim 7 consisting of an adhesive layer, which consists of one or two-component material and has an electrically insulating function. Thermomanagementboard nach Anspruch 1 bis 7 so ausgeführt und strukturiert, dass zwischen dem Kanalsystem und der elektrischen Leistungsebenen eine Isolation besteht.Thermal management board according to claim 1 to 7 designed and structured so that there is an insulation between the channel system and the electrical power levels. Thermomanagementboard nach Anspruch 1 mit integrierten Anschluss für das Fluid.Thermal management board according to claim 1 with integrated connection for the fluid.

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