DE19832710A1 - Elektrooptische Baugruppe - Google Patents

Abstract

Die elektrooptische Baugruppe umfaßt ein Basismodul (1), das mit einem Kühlkörper (2) bestückt ist, der im Baukastenprinzip aus mehreren alternativen Kühlkörpern (2, 40, 50) unter Berücksichtigung der erforderlichen Wärmeabfuhr ausgewählt ist. Das Basismodul (1) enthält mehrere elektronische Komponenten (14, 16), die ihre betriebsbedingte Verlustwärme an eine gemeinsame Wärmesenke (20) abgeben. Die Wärmesenke (20) bildet an einer Außenseite (21) des Basismoduls (1) eine thermische Schnittstelle (23), die mit dem ausgewählten Kühlkörper (2) wärmeleitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrooptischen Bau­ gruppen zur Nachrichtenübermittlung, die auch als elektroop­ tische Module bezeichnet werden. Derartige Baugruppen weisen zumindest ein elektrooptisch aktives Element auf, das auch elektrooptischer Wandler genannt wird. Ein elektrooptischer Wandler dient zur Umsetzung elektrischer in optische bzw. op­ tischer in elektrische Signale. Die optischen Signale werden üblicherweise über Lichtwellenleiter von der einen Baugruppe zu einer korrespondierenden weiteren Baugruppe übertragen und erlauben eine störungssichere Datenübertragung mit außeror­ dentlicher hoher Geschwindigkeit.

Aus der EP 0 709 699 A2 ist eine elektrooptische Baugruppe (Transceiver) bekannt, die sowohl einen optischen Sender als auch einen optischen Empfänger umfaßt. Der Sender kann bei­ spielsweise als elektrooptischen Wandler eine Laserdiode und der Empfänger als Wandler eine Fotodiode enthalten. Mit dem jeweiligen Wandler ist über präzise baugruppenseitige Aus­ richthülsen je ein zentral in einem Steckerstift eines Steck­ verbinders gehaltenes Lichtwellenleiterende eines Übertra­ gungskabels optisch koppelbar. Die Wandler und weitere der Signalverarbeitung oder Signalaufbereitung dienende elektro­ nische Komponenten sind in einem gemeinsamen Kunststoffge­ häuse untergebracht, das auch die Ausrichthülsen hält. Das Gehäuse ist im rückwärtigen Bereich mit Kühlrippen und Lüf­ tungsschlitzen versehen, um betriebsbedingt von den Wandlern und den elektronischen Komponenten abgegebene Verlustwärme abführen zu können. Der sich dabei einstellende Wärmeübergang zwischen der Baugruppentemperatur und der Umgebungstemperatur wird durch den sog. externen thermischen Übergangswiderstand beschrieben. Dieser ist von der Kühlkörpergeometrie und der Geschwindigkeit der äußeren Kühlluft abhängig.

Bei verstärkter Wärmeentwicklung und/oder ungünstigen Konvek­ tionsströmungen (beispielsweise bei einer Vielzahl von in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordneten elektroop­ tischen Baugruppen) müssen die gehäuseseitigen Kühlrippen - z. B. durch spezielle Kühlrippengeometrien - entsprechend lei­ stungsfähiger konzeptioniert werden.

Daraus ergibt sich die Problematik, daß mangels genauer Kenntnis der jeweiligen anwenderspezifischen Kühlsituation bezüglich der Wärmeabfuhrfähigkeit der elektrooptischen Bau­ gruppe Maximalanforderungen erfüllt werden müssen; d. h., die Baugruppe muß derart ausgelegt werden, daß auch unter ungün­ stigsten Kühlungsbedingungen eine Überhitzung der Baugruppe verhindert wird. Dies bedeutet andererseits, daß ein Anwender einer derartigen Baugruppe bei tatsächlich günstigen Kühlver­ hältnissen aufgrund der dann vorliegenden Überdimensionierung Nachteile hinsichtlich der Kosten und des Raumbedarfs in Kauf nehmen muß. Weitere Probleme können sich ergeben, wenn bei bereits montierten Baugruppen sich die Kühlungsverhältnisse beispielsweise dadurch verändern (verschlechtern), daß zu­ sätzliche Baugruppen nachträglich installiert werden, die zu­ sätzlich vom bestehenden Kühlungsluftstrom partizipieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer elektrooptischen Baugruppe, die hinsichtlich ihres Wärmeab­ fuhrverhaltens möglichst genau den Gegebenheiten und indivi­ duellen Einsatzbedingungen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektro­ optische Baugruppe mit einem Basismodul, das mit einem Kühl­ körper bestückt ist, der im Baukastenprinzip aus mehreren al­ ternativen Kühlkörpern unter Berücksichtigung der erforderli­ chen Wärmeabfuhr ausgewählt ist, wobei das Basismodul mehrere elektronische Bauelemente enthält und eine Wärmesenke auf­ weist, an die die Bauelemente betriebsbedingt erzeugte Ver­ lustwärme abgeben, wobei die Wärmesenke an einer Außenseite des Basismoduls eine thermische Schnittstelle bildet und wo­ bei die thermische Schnittstelle mit dem ausgewählten Kühl­ körper wärmeleitend verbunden ist.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine elektrooptische Baugruppe vorzusehen, die aus einem separaten Basismodul und einem spezifisch nach den jeweiligen Wärmeab­ fuhranforderungen ausgesuchten Kühlkörper besteht. Das Basis­ modul enthält die elektrooptischen bzw. elektronischen Funk­ tionselemente und die Wärmesenke mit einer geometrischen und entsprechend thermischen Schnittstelle. Die Wärmesenke kann beispielsweise als eine eine Außenseite des Basismoduls bil­ dende einheitliche Basisplatte realisiert sein. Bevorzugt bildet die Basisplatte die Oberseite des Basismoduls. Mit der Wärmesenke kann - von der Fertigung des Basismoduls vollkom­ men unabhängig - bedarfsweise der für den jeweiligen Anwen­ dungsfall optimal dimensionierte Kühlkörper thermisch verbun­ den werden. Damit ist eine Baugruppe geschaffen, deren Basis­ modul nach dem Baukastenprinzip mit einem Kühlkörper bestückt ist, der aus einer Vielzahl in ihrer Leistungsfähigkeit und Baugröße fein gestufter Kühlkörper ausgewählt ist.

In vorteilhafter Weise erhält der Anwender damit eine Bau­ gruppe, die in ihrem Wärmeabführverhalten genau den jeweili­ gen individuellen Systemgegebenheiten angepaßt ist. Der An­ wender vermeidet damit vorteilhafterweise eine Bauraumver­ schwendung (wie sie bei zu groß dimensioniertem Kühlkörper bestehen würde), wobei die Anschaffungskosten auf den tat­ sächlich benötigten Kühlkörper begrenzt bleiben. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht darin, daß auch bei nachträglicher Änderung der Kühlungsumstände nach dem Baukastenprinzip der bisherige Kühlkörper durch einen den veränderten Bedingungen angepaßten Kühlkörper ersetzt werden kann. Ein weiterer erheblicher Vorzug der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht darin, daß bei der Herstellung nur ein ein­ heitliches Basismodul zu fertigen ist, während die Kühlkörper entsprechend der jeweiligen Applikation ausgesucht und zur abschließenden Konfektion der Baugruppe bereitgestellt werden können. Damit ist eine kostenintensive Lagerhaltung von ver­ schiedenen Baugruppen nicht mehr erforderlich.

Bei der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht außerdem der Vorteil, daß der Kühlkörper einerseits und die Wärmesenke andererseits unabhängig voneinander nach unterschiedlichen Kriterien optimiert werden können. So kann die Oberfläche der Wärmesenke mit geringer Rauhigkeit ausgebildet sein, um eine gute elektrische und thermische Verbindung mit den elektrischen Bauelementen zu garantieren. Dagegen kann der Kühlkörper eine erhöhte Rauhigkeit aufweisen und schwarz eloxiert sein, um eine besonders effektive Wärmeableitung an die Umgebungsluft sicherzustellen.

Bei der Anordnung mehrerer Basismodule beispielsweise in einem gemeinsamen Einschub oder auf einer gemeinsamen Leiter­ platte kann die Funktion des jeweiligen individuellen Kühl­ körpers nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch von einem gemeinsamen Kühlkörper wahrgenommen werden, daß der Kühlkörper weiteren Basismodulen zugeordnet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erste Baugruppe vor der Endmontage,

Fig. 2 mehrere der in Fig. 1 dargestellten Baugruppen im montierten Zustand,

Fig. 3 eine Variante von Baugruppen und

Fig. 4 Baugruppen vor der Montage mit einem gemeinsamen Kühlkörper.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die elektrooptische Baugruppe ein Basis­ modul 1 und einen Kühlkörper 2. Der Kühlkörper ist aus einer Vielzahl alternativer Kühlkörper unter Berücksichtigung der speziellen wärmetechnischen Anforderungen ausgewählt. Der Kühlkörper weist eine thermische Schnittstelle 3 an seiner Unterseite auf, die mit einer thermischen Schnittstelle 4 des Basismoduls 1 über eine Wärmeleitfolie 5 verbunden wird. Es ist auch möglich, den Kühlkörper unter Zwischenlage einer Wärmeleitpaste unmittelbar mit der Schnittstelle zu verschrauben.

Das Basismodul 1 weist in an sich bekannter und daher nicht näher erläuterter Weise eine eingangsseitige Steckbucht 8 zur Ankopplung eines nicht dargestellten Lichtwellenleitersteck­ verbinders auf. In dem Lichtwellenleitersteckverbinder gehal­ tene Lichtwellenleiterenden werden damit optisch auf eine im Inneren des Moduls 1 angeordnete und daher nur gestrichelt dargestellte Sendeeinheit 10 bzw. Empfangseinheit 12 ausge­ richtet. Die Einheiten 10, 12 enthalten in an sich bekannter Weise (EP 0 709 699 A2) die eingangs beschriebenen elektroop­ tischen Wandler. In dem Basismodul ist eine Vielzahl weiterer elektronischer Komponenten oder Bauelemente 14, 16 enthalten, die wie die Einheiten 10, 12 betriebsbedingt Verlustleistung aufweisen. Diese Verlustleistung wird in Verlustwärme umge­ setzt und zu einer Wärmesenke 20 in Form einer Deckplatte des Basismoduls 4 abgeführt. Dazu stehen die Komponenten 14, 16 bzw. die Wandler 10, 12 in thermischem Kontakt mit der Wärme­ senke 20. Die Wärmesenke 20 kann als metallische Platte aus­ gebildet sein und vorteilhafterweise die gesamte Oberseite 21 des Moduls 4 bilden. Seitlich erkennbare Anschlußkontakte 22 dienen zur elektrischen externen Kontaktierung der Baugruppe.

Um eine unzulässige Aufheizung des Basismoduls zu verhindern, wird die Verlustwärme zunächst an die Wärmesenke 20, von dort auf die als thermische Schnittstelle 23 fungierende Oberseite 21 geführt. Über die Wärmeleitfolie 5 gelangt die Wärme zur Schnittstelle 3 des Kühlkörpers 2 und wird insbesondere über Kühlfahnen 25 des Kühlkörpers 2 durch Konvektion an die Umge­ bungsluft abgeleitet. Diese Ableitungsleistung ist abhängig von der Kühlkörpergeometrie und der Geschwindigkeit der Kühl­ luft.

Dabei kann das Basismodul 1 separat gefertigt und beispiels­ weise auf eine Leiterplatte 30 montiert werden, bevor über­ haupt der Kühlkörper 2 montiert wird. Je nach individueller spezifischer Anforderung ist der Kühlkörper 2 mit seiner zur Kopplung an die Schnittstelle 23 geeigneten Schnittstelle 3 aus einer Vielzahl alternativer Kühlkörper ausgewählt. Nach der Montage des Kühlkörpers 2 auf dem Basismodul 1 ist somit eine elektrooptische Baugruppe geschaffen, die optimal an die jeweiligen Einsatzbedingungen hinsichtlich der Wärmeabführung angepaßt ist.

Fig. 2 zeigt in diesem Zusammenhang mehrere Baugruppen gemäß Fig. 1, wobei die Kühlkörper 2 auf dem jeweiligen Basismodul 1 montiert sind. Mit den erfindungsgemäßen Baugruppen kann den spezifischen Wärmeabfuhrbedingungen bei mehreren hinter­ einander montierten Baugruppen Rechnung getragen werden, die von einem gemeinsamen Luftstrom (Luft) gekühlt werden. Bei einer Luftstromrichtung in Richtung des Pfeiles A ist die Kühlwirkung für die rechte Baugruppe R größer als für die linke Baugruppe L, weil der Kühlluftstrom beim Erreichen der linken Baugruppe durch die Verlustwärme der vorhergehenden Baugruppen bereits stärker erwärmt ist. Sollte sich das Tem­ peraturgefälle des Luftstromes als kritisch erweisen, verwen­ det der Anwender für die linke Baugruppe einen entsprechend leistungsfähigeren Kühlkörper 2.

Um den spezifischen Kühlungsbedingungen Rechnung tragen zu können, ist eine Ausgestaltung von Kühlkörpern 40 gemäß Fig. 3 mit breiteren Kühlrippen 42 vorgesehen. Die Kühlkörper 40 sind mit der Schnittstelle 23 (Fig. 1) kompatibel und somit Bestandteile des nach dem Baukastenprinzip zur Verfügung ste­ henden Kühlkörpersortiments.

Fig. 4 zeigt in Abwandlung der Fig. 2 oder 3 Basismodule 1 vor ihrer Verbindung mit einem gemeinsamen Kühlkörper 50.

Auch hier wird der Kühlkörper 50 vorzugsweise lösbar mit den Basismodulen 1 verbunden, was sowohl einen bedarfsweisen Aus­ tausch des Kühlkörpers 50 ermöglicht, als auch einen ggf. notwendigen Austausch eines z. B. defekten Basismodules 1.

Claims (2)

1. Elektrooptische Baugruppe mit einem Basismodul, das mit einem Kühlkörper (2) bestückt ist, der im Baukastenprinzip aus mehreren alternativen Kühlkörpern (2, 40, 50) unter Berücksichtigung der erforderlichen Wärmeabfuhr ausgewählt ist,

• - wobei das Basismodul (1) mehrere elektronische Bauelemente (14, 16) enthält und eine Wärmesenke (20) aufweist, an die die Bauelemente (14, 16) betriebsbedingt erzeugte Verlust­ wärme abgeben,
• - wobei die Wärmesenke (20) an einer Außenseite (21) des Basismoduls (1) eine thermische Schnittstelle (23) bildet und
• - wobei die thermische Schnittstelle (23) mit dem ausgewähl­ ten Kühlkörper (2) wärmeleitend verbunden ist.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (50) weiteren Basismodulen (1) zugeordnet ist.