DE2107549A1 - Trager einer elektronischen Schaltung mit einem Sammelsystem mit Warmeleitungs eigenschaften fur alle Richtungen - Google Patents

Trager einer elektronischen Schaltung mit einem Sammelsystem mit Warmeleitungs eigenschaften fur alle Richtungen

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Description

Unser Zeichen: T 986
Träger einer elektronischen Schaltung mit einem Sammelsystem mit Wärmeableitungseigenschaften für alle Richtungen
Die Erfindung bezieht sich auf. ein Sammelsystem oder eine Kühlvorrichtung, das oder die darauf ausgebildete Wärmeableitungs- oder WärmeZerstreuungsmittel hat und insbesondere auf ein Sammelsystem, das vorteilhafterweise Wärmeableitungs- oder Wärmezerstreuungseigenschaften für alle Richtungen aufweist.
Die Wärmeableitungs- oder Wärmezerstreuungswirksamkeit eines durch ein fließfähiges Medium gekühlten Trägers einer elektronischen Schaltung der Art, die beispielsweise intdgrierte Schaltkreise, gesonderte Geräte bzw. Elemente, MSI- oder LSI-Komponenten enthält, hängt hauptsächlich von·der Größe des Schaltungsträgers, von den Materialien, aus denen der Schaltungsträger ausgeführt ist, νφη der Zahl der Leiter auf dem Schaltungsträger,
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• von der Ausrichtung des Schaltungsträgers zu dem Strom eines fließfähigen Kühlmittels und von der Geschwindigkeit des fließfähigen Kühlmittels ab. Bei einem üblichen Schaltungsträger mit einer hohen Wärmeableitungs- oder WärmeZerstreuungsleistung ist das Grundmaterial des Schaltungsträgers gewöhnlich aus einem keramischen Material, beispielsweise aus Aluminiumoxyd oder Alaunerde ausgeführt, auf dem die elektronische Komponente befestigt ist. Für eine optimale bis maximale Kühlwirkung sind die keramischen Schaltungsträger auf einer Oberfläche mit der elektronischen Komponente versehen und auf der gegen-A überliegenden Oberfläche ist der Kühlteil vorgesehen, so daß, wenn der Schaltungsträger mit einer gedruckten Schaltplatte verbunden ist, beispielsweise die Kühlfläche nach oben von der Befestigungsfläche der gedruckten Schaltplatte weg zeigt. Durch eine solche Ausführung ist der Strom eines fließfähigen Kühlmittels dann quer über die Kühlfläche der Unterlage gerichtet,auf der der elektronische Teil angebracht ist. Diese Ausführung bildet in vorteilhafter Weise eine minimale bis optimale Impedanzeigenschaft für die Wärmeableitung, da die durch den elektronischen Teil des elektronischen Schaltungsträgers erzeugte Wärme durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des keramischen Grundmaterials verteilt oder zerstreut wird, das so angebracht ist, daß es mit dem Strom des fließfähigen Mediums in dem System in einer direkten Berührung steht. Üblicherweise ist die Keramikfläche des elektronischen Schaltungsträgers, die für den Strom des fließfähigen Mediums freiliegt, eine flache Fläche. Ein vergleichender Versuch hat überraschend gezeigt, daß eine wesentliche Verbesserung der V/ärmeübergangseigenschaften durch die Anwendung der Erfindung erreicht wird.
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Nach dem Stand der Technik sind viele Vorrichtungen und Verfahren zur Ableitung oder Zerstreuung von Wärme bekannt, die durch aktive oder passive Komponenten erzeugt wird, die von verschiedenen Arten von elektronischen Schaltungsträgerformen gehalten und umschlossen sind. Obwohl bekannte Techniken und Vorrichtungen zur Ableitung und Zerstreuung der Wärme von elektronischen Schaltungsträgern in vieler Hinsicht ausreichen, bleiben verschiedene nicht ausreichende Merkmale, mit denen ein Fachmann für elektronische Komponenten und Schaltungsträger konfrontiert wird.
Beispielsweise hat eine Erhöhung der elektronischen %
Schaltungsträgergröße, der Länge und/oder der Breite, insbesondere der Wärmeableit- und Zerstreuungsfläche und/ oder Teile des elektronischen Schaltungsträgers einige der Wärmeableitungs-· und Wärmezerstreuungsschwierigkeiten beseitigt, die im Augenblick aufgetreten waren, jedoch haben strenge Grössenbeschränkungen den Elektroniker von dieser Entwicklungsrichtung abgehalten.
Fachleute auf dem Gebiet der elektronischen Komponenten und der Schaltungsträger haben auch eine Technik verwendet, bei der der wirksame Flächenbereich der Wärmeableitteile des elektronischen Schaltungsträgers innerhalb A beschränkter Längen- und Breitenabmessungen durch eine Verwendung einer Reihe von gleichmäßig ausgerichteten flossenartigen Wärmeableitungsteilen vergrößert wird, die sich von dem Schaltungsträger erstrecken. Obwohl diese letztere Technik eine gewisse Verbesserung der Wärmeableiteigenschaften durch einen vergrößerten Wärmeableitflächenbereich der Wärmeableitteile innerhalb einer be-
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" schränkten Größenerfordernis geschaffen hat, bringt dies doch andere ernste Probleme mit sich, d.h., daß der elektronische Schaltungsträger gegenüber der Strömungsrichtung des fließfähigen Kühlungsmittels ausgerichtet werden muß, da der mit Flössen versehene elektronische Schaltungsträger, was seine optimalen bis maximalen Wärmeableitungsvermögen betrifft, zweiseitig in Betrieb ist.
Die Entwicklung und die Verwendung von verbesserten Wärmeableitungsmaterialien hat den Fachmann bei der Herstellung von relativ annehmbaren elektronischen Schaltungsträgern innerhalb der begrenzten Wärmeableitungsparameter auch unterstützt.
Solche neuen Materialien haben jedoch keine ausreichenden Wärmeableitungsvermögen, um die dauernden Forderungen der Elektronikindustrie nach kleineren Schaltungsträgern hinreichend zu erfüllen, welche eine vergrößerte Zahl von Komponenten aufnehmen und darin einschließen. Somit sind die Fachleute für die Komponenten und die Schaltungsträger sowohl vor die Frage der Größe als auch des Materials und der Anordnungseinschränkungen sowie der Wärmeableitungserfordernisse gestellt, die, was die Herstellung und die Endkosten der Schaltungsträger, was die Formenanordnung d-er Komponenten innerhalb eines kompletten Systems und was die Wärmeableitungseigenschaften innerhalb der begrenzten Schaltungsträgerabmessungen betrifft, dauernd auftreten.
Durch die Erfindung sind in vorteilhafter Weise die vorge- · nannten Einschränkungen der Größe des Materials und der Ausrichtung sowie die Wärmeableitungserfordernisse des elektronischen Schaltungsträgers überwunden, ohne daß dies
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von einer bedeutsamen Vergrößerung der Schaltungsträgerabmessungen und der Form des Materials oder der Herstellkosten solcher SchaItungsträger begleitet ist. Demgemäß schafft die Erfindung in besonderer Weise ein Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger, der die dem Elektronikfachmann gestellten Forderungen nach den Einschränkungen der gewünschten Größe, dem Material und der Ausrichtung erfüllt und trotzdem in vorteilhafter Weise eine Größe für einen elektronischen Schaltungsträger und Ausrichtungseigenschaften für Wärmeableitzwecke innerhalb der Maße und Ziele, die augenblicklich von der Elektronikindustrie gefordert werden, erreicht. j|
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger geschaffen, das darauf ausgebildete Wärmeableitmittel umfaßt, wobei außerdem noch die Wärmeableitungseigenschaften in allen Richtungen durch die Verbindung einer Mehrzahl von im Abstand befindlichen Teilen auf dem Grundkörper des Sammelsystems in besonderem Maße geschaffen sind, die auf dem Grundkörper befestigt sind und von dem Grundkörper vorstehen, um in allen Richtungen Wege für einen Kühlstrom des fließfähigen Mediums über solche Teile für eine wirksame Beseitigung der Wärme zu erzeugen, , die durch die darauf gehaltenen elektronischen Komponenten " entsteht und die durch den elektronischen Schaltungsträger eingegrenzt ist. Leitelemente sind vorzugsweise auf dem Sammelsystem ausgerichtet und auf diesen zur Schaffung von elektrisch leitenden Wegen von den Elektronikkomponenten, die innerhalb der abgedichteten Bereiche des elektronischen Schaltungsträgers angeordnet sind, zu externen Bereichen außerhalb der abgedichteten Bereiche des elektronischen SchaltuEigsträgers für eine elektrische Verbindung zu be-
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■ nachbarten äußeren Elementen oder Geräten, beispielsweise eine gedruckte Schaltungsplatte, befestigt.
Das Sammelsystem der Erfindung kann als ein einstückiger Teil des Hauptkörpers des Schaltungsträgers oder als ein zusätzliches Element hergestellt werden, das auf den Hauptkörper des Schaltungsträgers in wärmeleitender Weise befestigt ist. Weiterhin kann die Mehrzahl der im Abstand befindlichen Teile, die sich von dem Hauptkörper des Schaltungsträgers erstrecken und'auf diesem befestigt sind, pyramidenförmig, konisch oder waffeiförmig sein und sie können darauf ausgerichtet sein, um wenigstens zwei Gruppen von Kanälen zu bilden, wobei jede Gruppe der Kanäle die andere Gruppe der Kanäle schneidet, um wenigstens zwei Gruppen von sich schneidenden Kanälen zu bilden. Ein solches Schneiden der Gruppe von Kanälen kann im wesentlichen auch unter einem rechten Winkel erfolgen, um rechtwinklig ausgerichtete, sich schneidende Gruppen von Kanälen zu bilden, obwohl dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel des Sammelsystems der Erfindung nicht leitende Materialien verwendet, um die Wärmeableitungselemente zu bilden, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, ausgewählte leitende Materialien zu verwenden.
Es·"ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger mit verbesserten Wärmeableitungseigenschaften zu schaffen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger zu schaffen, der in vorteilhafter Weise Wärmeableitungseigenschaften für alle Richtungen umfaßt.
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Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger zu schaffen, der den gewünschten Forderungen für die Wärmeableitung, die Größe, das Material und die Schaltungsträgerausrichtung erfüllt, ohne die Materialoder Herstellkosten wesentlich zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger zu schaffen, das im wesentlichen einfach in der Form und relativ billig herzustellen ist und trotzdem einen elektronischen Schaltungsträger in besonderem Maße darstellt, dessen Größen-, Material- und Leistungseigen- ^ schäften innerhalb besonders eingeschränkter Formpara- ™
meter liegen.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist. In dieser sind:
3?ig.1 eine Draufsicht auf eine isometrische Darstellung von ungefähr einer Hälfte eines elektronischen Schaltungsträgers mit einem Sammelsystem gemäß der Erfindung, wobei die isometrische Darstellung teilweise geschnitten ist, ■ ' ^
Fig.2 eine Unteransicht einer isometrischen Darstellung von ungefähr einer Hälfte eines elektronischen Schaltungsträgers mit einem Sammelsystem gemäß der Erfindung, wobei diese Darstellung teilweise geschnitten ist,
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Fig.3 eine Draufsicht auf einen elektronischen Schaltungsträger mit einem Sammelsystem gemäß der Erfindung, wobei der Leitungsrahmen in einer solchen Stellung dargestellt ist, den er während der Herstellung des elektronischen Schaltungsträgers einnimmt,
Fig.4 eine Bodenansicht eines elektronischen Schaltungsträgers, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommt, wobei der Leitungsrahmen in einer Stellung dargestellt ist, die er während der Herstellung des elektronischen SchaItungsträgers einnimmt, wobei der Haltering und die Abdeckung abgenommen sind, um die graphische Darstellung der metallischen Leiter zu erleichtern, die auf dem Hauptkörper des elektronischen Schaltungsträgers zur Schaffung von äußeren elektrischen Kontakten zu benachbarten Komponenten angeordnet sind.
Fig.5 ein Teilschnitt des elektronischen Schaltungsträgers der Fig.3 längs der Ebene 5~5»
Fig.6 ein Teilschnitt des elektronischen Schaltungsträgers der Fig.3 längs der Ebene 6-6,
Fig.7 eine graphische Darstellung, die die Meßergebnisse von Wärmeuntersuchungen zeigt, wobei die Luftge-. schwindigkeit (V) in Fuß pro Minute (fpm) längs der Abszisse und die Wärmeübergangszahl (h) in Watt pro Quadratzoll je Grad Celsius (W/IN -0CQ längs der Ordinate aufgetragen ist,
Fig.8 ein Querschnitt durch ein System, daß eine Mehrzahl
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von im Abstand befindlichen,parallel ausgerichteten, gedruckten Schaltkreistafeln enthält, wobei jede Schaltkreistafel eine Mehrzahl von im Abstand befindlichen elektronischen Schaltungsträgern hat, die das Saminelsystem der Erfindung verwenden, wobei das System auch ein Gebläse für ein fließfähiges Kühlmittel umfaßt, um dieses für eine Wärmeübertragung im Kreislauf zu führen und
Fig.9 eine Seitenansicht einer der elektronischen Schaltungsträger der Fig.8 mit der gedruckten Schaltkreisplatte, an der sie befestigt ist und die teil- A weise im Schnitt dargestellt ist.
Ein typischer elektronischer Schaltungsträger 10 ist in den verschiedenen Figuren der Zeichnung graphisch vereinfacht dargestellt. Ein solcher elektronischer Schaltungsträger umfaßt einen Hauptkörper 12, der vorzugsweise aus keramischem Material oder aus anderem nicht leitenden Material hergestellt ist, und eine Mehrzahl von wahlweise ausgerichteten Wärmeableitteilen 14, die von dem Hauptkörper 12 vorstehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Wärmeableitungsteile 14 auf einer Fläche des Hauptkörpers 12 einstückig mit dieser ausgebildet und sie können durch bekannte Techniken, wie Walzen, Gießen ' oder Preßformen hergestellt werden. Auf der gegenüberliegenden Fläche des Hauptkörpers 12 sind ein integrierter Schaltkreis 16, Leiter 18, ein Haltering 20 und ein Gehäuse 22 angeordnet.
Bei elektronischen Schaltungsträgern der hier beschriebenen Art ist es üblich, die aktive Schaltkreiskomponente,, beispielsweise den integrierten Schaltkreis 16, im wesent-
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lichen auf dem Hauptkörper 12 des elektronischen Schaltungsträgers anzuordnen und dann wahlweise die Le iteleinente mit der Fläche verbinden, auf der die elektronische Komponente im wesentlichen in einem koplanaren Verhältnis dazu befestigt ist, um Leitwege von dem inneren abgedichteten Bereich des elektronischen Schaltungsträgers zu dessen außen liegenden Bereichen zur Erleichterung einer elektrischen Verbindung mit außen liegenden und benachbarten Komponenten, beispielsweise gedruckte Schaltkreistafeln oder gleiche elektronische Schaltungsträger, zu schaffen. Die Leitelemente 18 können auf d.em Hauptkörper 12 durch übliche Leitrahmenteclmiken befestigt sein oder sie können durch übliche photochemische, photolithographische oder photomeclianische Techniken aufgebracht sein, um so ausgewählte elektronische Leitwege von der elektronischen Komponente 16 innerhalb des Bereiches, der durch das Gehäuse 22 begrenzt ist, zu Bereichen auf dem Hauptkörper 12 außerhalb des d/orch das Gehäuse 22 begrenzten Bereiches, beispielsweise eine oder mehrere der Umfangskanten des Hauptkörpers 12, wie dies in den 51Ig.1 bis 6 gezeigt ist, zu schaffen.
Es ist auch üblich einen Haltering 20 umfangsmäßig um die elektronische Komponente 16 und über die Leitelemente 18 in einer starren und hermetisch abgedichteten Anordnung, jedoch isoliert von den Leitern IS lurch. Kleben zu befestigen. Dann wird mit bekannten Is ">iii%:3:n das Gehäuse 22 hermetisch vorzugsweise auf dem Kai'resins 20 abgedichtet. Diese hermetisch abgedichtete Anordnung des Gehäuses 22 kann durch Kleben, Schweißen oder Löten des Gehäuses 22 auf dem Haltering 20 erreicht werden. Durch diese Anordnung ist die elektronische Komponente 16, die im wesentlichen auf dem
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Hauptkörper 12 des SaiEJüelsystems angeordnet ist, hermetisch abgedichtet, so daß sie ein Teil der inneren Enden der Leitelemente 18 ist. Ss liegt ,jedoch, auch im Rahmen der Erfindung, andere bekannte Techniken zur Halterung und Umschließung der elektronischen Komponenten 16 zu verwenden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Fig.1 bis 6 dargestellt ist, ist der Hauptkörper 12 des elektronischen SchaItungsträgers 10 ein Rechteck mit einer Länge von ungefähr 1,0 Zoll und einer Breite von ungefähr 0,62 Zoll. Die Wärmeableitteile 14 sind waffeiförmig und in der Form eines Gittermusters j
längs des Mittelbereiches der einen Oberfläche des Hauptkörpers 12 in neun Reihen ausgebildet, wobei jede Reihe acht ?färmeableitteile hat. Drei der Eckenbereiche des Hauptkörpers 12 haben vier Wärineableitteile 14, die gleichmäßig angeordnet sind, während die vierte Ecke nur drei darauf angeordnete Wärmeableitteile 14 sowie eine abgeschrägte Ecke 24 hat., um ein Einstellen und Steuern des elektronischen Schaltungsträgers während der Herstellung zu erleichtern. Ein flacher glatter Bereich auf den oberen und unteren Teilen des Hauptkörpers 12, wie dies in 3?ig.3 dargestellt ist, ist vorgesehen, so daß Komponentenkennzeichnungen und Herstellerzeichen sowie Identitätsbezeichnungen oder andere zweckdienliche Infor- f mationen aufgedruckt oder darauf befestigt werden können. Vorzugsweise sind die Wärmeableitteile 14 auf ungefähr 0,066 Zoll Mittenabstand mit einem Abstand zwischen jedem V/ärmeableitteil von ungefähr 0,025 Zoll angeordnet. Die Höhe der Wärmeableitteile 14 kann 0,05 Zoll mit einem oberen Quadrat von 0,025 Zoll Kantenlänge sein und die Seitenwände haben einen Neigungswinkel von ungefähr 15° zur
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Senkrechten. Die Höhe des Hauptkörpers 12 kann als typisches Beispiel 0,02 Zoll in der Stärke sein, und auf 0,05 Zoll Mittenabstand angeordnet sein.
Die Fig.3 und 4 zeigen eine Ansicht von oben bzw. eine Ansicht von unten des Sammelsystems der Erfindung mit einem Gehäuse 22, einem Haltering 20 und einer elektronischen Komponente 16, die zur Vereinfachung der graphischen Darstellung weggelassen ist. Weiterhin ist in den Figuren ein üblicher Metalleitrahmen dargestellt, der auf einer Oberfläche des Hauptkörpers 12 angeordnet und befestigt ist. Der Leitrahmen 26 wird üblicherweise zum Halten und Instellungbringen des Hauptkörpers 12 während der Herstellung des elektronischen Schaltungsträgers verwendet und er wird üblicherweise danach abgeschnitten, um so den äußeren Rahmenteil abzunehmen, wobei die Leitelemente 18 verbleiben, die sich von dem Hauptkörper 12 erstrecken. In der Mitte ist auf der Bodenfläche des Hauptkörpers 12 eine Befestigungsschicht 28 angeordnet, die verwendet wird, um die elektronische Komponente 16 in einer gewünschten Stellung auf dem Hauptkörper 12 zu befestigen. Natürlich sind mit üblichen Techniken Leitungsdrähte oder andere Formen von Leitern verwendet, um wahlweise die Elemente der elektronischen Komponente 16 mit den Leitern 18 zu verbinden. Es sei bemerkt, daß auch andere bekannte Techniken zur Schaffung von Leitelementen auf dem Hauptkörper 12 verwendet werden können, beispielsweise die Ablagerung von Metall und ein trennscharfes Ätzen, um ein gewünschtes Metalleitmuster auf dem Hauptkörper 12 zu erzeugen. Es sei weiterhin bemerkt, daß die elektronische Komponente innerhalb einer in der Mitte angeordneten Vertiefung in dem Hauptkörper 12 angeordnet
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und hier befestigt sowie mit einer Metallschicht überzogen werden kann, in einer Art, ähnlich der, die in der U.S.-Patentschrift 3 4-84 534 beschrieben ist.
Eine thermische Untersuchung und eine Prüfung eines elektronischen Schaltungsträgers mit einem Sammelsystem, das gemäß der Erfindung ausgeführt ist und ein thermischer Vergleich dieses neuen Sammelsystems mit einem üblichen Schaltungsträger mit einer flachen Platte wurden ausgeführt und die Ergebnisse dieser Untersuchungen und dieser Prüfung sind in der in Fig.7 gezeigten Graphik dargestellt und im nachfolgenden beschrieben.
Für diese thermische Untersuchung und die ■Vergleichsprüfung wurde ein Schaltungsträger mit einer Abmessung über alles von 1 χ 0,62 Zoll ausgewählt. Die vorstehenden Wärmeableitteile 14 oder waffelartigen Teile 14 sind einstückig mit dem Hauptkörper 12 des Sammelsystems 10 gegossen, der aus einem keramischen Material ausgeführt war. Die im Abstand befindlichen Teile 14 waren 50 Mils hoch mit einer pyramidenförmigen Schräge von ungefähr 50 mal 50 Mils im Quadrat an der Basis der Pyramide bis ungefähr 40 mal 40 Mils im Quadrat an der Oberseite der Pyramide, wobei die Oberseite der Pyramide angenähert flach oder im wesentlichen parallel zu der Ebene des Hauptkörpers 12 des Sammelsystems war. Die Dicke des Sammelsystems über alles, die den Hauptkörper 12 und die Wärmeableitteile 14 einschließt,war ungefähr 0,15 Zoll, wobei die Wärmeableitteile 14 auf einem Quadratgittermuster von ungefähr 70 Mils Mittenabstand ausgebildet waren.
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Die Viärmeübertragungseigenschaften des Sammelsystems der Erfindung wurden durch die Anbringung eines relativ kleinen nicht gezeigten Leistungsv/iderstandes auf der Rückseite des Sammelsystems 10 bestimmt, wobei das System in einem Luftstrom angebracht war, der die Richtung des Pfeiles A hatte. Dann wurde die Wärmeableitung als eine Funktion der Luftgeschwindigkeit gemessen. Die Temperaturen des Hauptkörpers wurden dann an wenigstens zwei Punkten durch die Verwendung von kleinen nicht gezeigten Eisen-Konstantan-Therinoelementen gemessen, die an nicht gezeigten metallischen Schichten auf der Rückseite des Hauptkörpers 12 befestigt v/aren. Die Wärmeübergangs zahl h wurde daher als eine Funktion der Luftgeschwindigkeit bestimmt, wobei die ϊ/ärmeübergangszahl h wie folgt definiert ist:
- V
hierbei gilt
h = Wärmeübergangszahl (W/IN - 0G) P = Nettoleistungsableitung von der Oberfläche (V/) A = gesamter Oberflächenbereich, der dem Luft-
2 strom ausgesetzt ist (IH )
Ό,
T » Temperatur der Unterlagefläche ( C) T= Temperatur des freien Luftstrpmes ( C)
Fig.7 zeigt graphisch das Ergebnis des oben genannten Wärmeübertragungsversuches und des Prüfverfahrens. Es wurde festgestellt, daß die Wärmeübergangszahl h proportional zu (Y) ' ist, worin V die Luftgeschwindigkeit darstellt. Diese funktionelle Abhängigkeit ist ein Charakteristikum des Wärmeüberganges bei Turbulenz bei einer flachen Platte und sie zeigt, daß die vorstehenden, sich im Abstand be-
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findenden Teile 14- eine relativ hohe Turbulenz verursacht haben, wobei sie in vorteilhafter Vie is e die Wärmeübertragungseigenschaften des elektronischen Schaltungsträgers 10 erhöht haben. Ss wurde weiterhin festgestellt, daß die Wärmeübergangszahl eines elektronischen Schaltungsträgers gemäß der Erfindung unabhängig von der Luftstromrichtung bezogen auf die Ausrichtung des elektronischen Schaltungsträgers 10 und bezogen auf die Wärmeableitteile 14 ist. Auf diese Weise ist eine unerwartete Wärmeableitungseigenschaft für alle Richtungen erreicht, die mit den üblichen V/ärmeübergangstechniken der flachen Platte oder der mit Flossen ver- M sehenen Platte bisher nicht erzielbar war. Daher ist die Wärmeübergangszahl von der Strömungsrichtung abhängig, wenn eine relativ laminare Strömung erreicht ist, beispielsweise wenn als flache Platten ausgebildete Wärmeübertragungsschaltungsträger verwendet sind, die im wesentlichen glatte Oberflächen und Abmessungen haben, die gleich wie die oben genannten sind und bei denen die Luftgeschwindigkeiten mit den oben genannten vergleichbar sind. Solche Schaltungsträger erzielen keine bedeutsame turbulente Strömung und sie zeigen keine bemerkbare Vergrößerung der Wärmeübertragungseigenschaften.
Daher gilt für eine laminare Strömung an elektronischen ^ Schaltungsträgern nach der Art einer flachen Platte:
hl = 0,664 (VL) 1/2 (PR) 1/3 (2)
k~ V
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hierin sind
h β Wärmeübergangszahl (W/IN - 0C) L « Länge des Schaltungsträgers, die parallel zum Luftstrom liegt (Zoll)
k m Wärmeleitfähigkeit des fließfähigen Mediums (W/I1T-OC) V - Geschwindigkeit des fließfähigen· Mediums (IN/SEC) ν « BewegungsZähigkeit des fließfähigen Mediums (ΙίΓ/SEC) PR * Prandtlsche Zahl des fließfähigen Mediums (dimensions!»)
Die Gleichung 2 zeigt daher, daß bei einer laminaren Strö-
1/2
mung die Wärmeübergangs zahl proportional zu (V) ' und umgekehrt proportional zu (L) ' ist. Es kann daher gefolgert werden, daß ein rechteckiger flacher Schaltungsträger eine höhere Wärmeübergangszahl zeigt, wenn der Luftstrom quer gerichtet ist, d.h. wenn der Luftstrom parallel zu der kürzeren Länge des Schaltungsträgers strömt. Hierzu wird auf die Kreise in der graphischen Darstellung der Fig.7 verwiesen.
Von größerem Interesse als die vorgenannte Wärmeübergangszahl, soweit es rechteckige flache Schaltungsträger betrifft, ist das Produkt aus der Wärmeübergangszahl (h) und dem gesamten Oberflächenbereich (A), der dem Luftstrom (2x4) ausgesetzt ist. Dieses Produkt hat die Dimension W/°C. Somit ist der Kehrwert dieses Produktes im wesentlichen die thermische Impedanz Θ«. zwischen dem Schaltungsträger und der Umgebung. Demgemäß ist,je höher das Produkt hA ist, der Wert Θ«. kleiner und der Schaltungsträger arbeitet im allgemeinen kühler. In Fig.1 ist der gesamte Oberflächenbereich der Kühlfläche, die die Seitenwände und die Oberseiten der Wärmeableitteile umfaßt, ungefähr 1,78 Quadratzoll. Jedoch wäre bei einem Schaltungsträger mit der ver-
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gleichbaren Gesamtabmessung, der eine Kühlfläche als flache Platte verwendet, der Gesamtflächenbereich ungefähr 0,94 Quadratzoll. Ein "Vergleich eines mit einer flachen Platte ausgerüsteten Schaltungsträgers mit dem waffeiförmigen elektronischen Schaltungstrager der Erfindung ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:
Schaltungsträger mit einer flachen Platte :
. waffeIförmiger Schaltungsträger
LuftgeschwindiRkeit (FPM) h (W/IN2 - 0C)
500 0,032 ! 0,022 J
1 000 0,045 : 0,039
2 000 ' 0,065 : 0,068
Luftgeschwindigkeit (FPM) hA (W/°C)
500 0,030 Ϊ 0,039
1 000 0,042 : 0,069
2 000 0,061 : 0,121
Luftgeschwindigkeit (FPM) I/hA (QT„)
500 35,5 : 25,6
1 000 23,8 : 14,5
2 000 16,4 : 8,3
In der oben genannten Tabelle wurde die Wärmeübergangszahl h für die flache Platte aus der Gleichung (2) für einen Übertragungsstrom mit einer Schaltungstragerlänge L von ungefähr 0,62 Zoll berechnet. Die Wärmeübergangszahl h für einen waffeiförmigen Schaltungsträger gemäß der Erfindung wurde aus Daten entnommen, aus. denen sich die Fig.7 ergibt. Gemäß Fig.7 ergibt sich beispielsweise für Luftgeschwindigkeiten von ca. 500 bis ca. 1000 Fuß
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• pro Minute für den waffeiförmigen Schaltungsträger eine 2O?6 bis 40% Verringerung der thermischen Umgebungsimpedanz gegenüber der Impedanz eines vergleichbaren Schaltungsträgers mit einer flachen Platte.
Es können auch anders geformte, im Abstand befindliche Teile verwendet werden, um die Wärmeübertragungseigenschaften eines elektronischen Schaltungsträgers weiter zu verbessern. Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die verschiedenen erwähnten Gegenstände und Vorteile durch die Verwendung von im Abstand befindlichen Teilen, die auf der Außenfläche des Hauptkörpers des Sammelsystems gemäß der Erfindung befestigt sind und ύοπ dieser Außenfläche vorstehen, in ganz besonderer Weise erzielt sind, d.h. daß ein turbulenter Strom durch die vorstehenden, sich im Abstand befindenden Teile erzeugt wird, was überraschender Weise die Wärmeableitungseigenschaften vergrößert, wobei eine wesentliche Vergrößerung des Oberflächenbereiches zur Vergrößerung der Wärmeableiteigenschaften erzielt wird und eine gleichförmige · WärmeÜbe2.*gangsz3hl geschaffen ist, die unabhängig von der Luftströmungsrichtung gegenüber der Ausrichtung der elektronischen Komponenten ist, um Wärmeableiteigenschaften für alle Richtungen zu erzeugen.
Die Fig.8 und 9 zeigen einen Querschnitt durch ein einfaches System, das aus folgendem besteht:
1) einer Mehrzahl von elektronischen Schaltungsträgern mit einem Sammelsystem gemäß der Erfindung, die auf entsprechenden gedruckten Schaltkreistafeln 30 angebracht sind,
2) einem geschlossenen Halter 32 zur lösbaren Halterung und Anordnung der gedruckten Schaltkreistafeln 30,
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3) einem Gebläse 34, das an einer Eingangsöffnung 36 zum Einblasen eines fließfähigen Kühlmittels, beispielsweise kühle trockene Luft, in den geschlossenen Halter 32 angeschlossen ist,
4} einer Ausblaseöffnung 38 zur Ableitung des erwärmten fließfähigen Kühlmittels, nachdem es über die elektronischen Schaltungsträger, wie dies durch die Sichtung der Strömungspfeile A dargestellt ist, gegangen ist und
5) einem elektrischen Leitungssystem 40 mit Leitern 42 für die gedruckten Schaltkreisplatten, sekundären Ver- ^j biridungsleitungen 44, primären Verbindungsleitungen und externen Leitungen 48, die untereinander verbunden sind, um ausgewählte Elemente jedes elektronischen Schaltungsträgers 10 mit ausgewählten Endpunkten der Leiter 48 über die gedruckten Schaltkreisplatten 30, die Leiter 42, die sekundäre Leitung 44 und die primäre Leitung 46 elektrisch zu verbinden.
Im Betrieb wird, wenn das Gebläse 34 arbeitet, Kühlluft durch den Halter 32 quer über die elektronischen Schaltungsträger 10 und aus der Ausblaseöffnung 38 gedrückt, wie dies durch die Strömungspfeile A dargestellt ist. Das | System der Pig.8 und 9 kann ein geschlossenes System sein, bei dem das ausgeblasene fließfähige Kühlmittel getrocknet und auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt und zu dem Gebläse 34 über nicht gezeigte Ausblaseleitungen zurückgeführt werden kann. Es ist auch vorgesehen, daß das System der Fig.8 und 9 umgekehrt werden kann, wobei ein fließfähiges Kühlmittel, beispielsweise Umgebungsluft, durch die Öffnung 38 eintritt und aus der öffnung 36 mit einer
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entsprechenden nicht gezeigten Pumpe,' die das Gebläse 34- ersetzt, ausgeblasen wird. Es sei auch bemerkt, daß irgendein bekanntes fließfähiges Kühlmittel und Kühlmittelregeltechniken in "Verbindung mit der Erfindung verwendet werden können, solange diese mit der Ausführung, dem Aufbau und den elektrischen Eigenschaften der in dem System verwendeten elektronischen Schaltungsträger vereinbar sind.
Aus der obigen Beschreibung und der Zeichnung ergibt sich, daß die Erfindung ein besonderes Sammelsystem für einen elektronischen SchaItungsträger schafft, daß verbesserte Wärmeableitungseigenschaften mit Wärmeableitungsvermögen für alle Richtungen hat, wobei jedoch ein solches verbessertes Sammelsystem die gewünschte Wärmeableitung, die Schaltungsträgergröße, die Material- und Ausrichtungserfordernisse innerhalb der angemessenen Form-, Material- und Herstellungskostenparameter erfüllt. Das Sammelsystem der Erfindung ist im wesentlichen einfach in der Form und relativ billig herzustellen, wobei es jedoch in vorteilhafter Weise eine elektronische Schaltungsträgergroße, Material- und Ausführungseigenschaften innerhalb » stark eingeschränkter Formparameter erzielt.
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Claims (11)

  1. Patentansprüche
    1y Sammelsystem für einen elektronischen Schaltungsträger mit einem Hauptkörper zur Halterung elektrischer Geräte auf dessen erster Fläche, mit einem Gehäuse auf der ersten Oberfläche und Leitern zur Verbindung von Bereichen innerhalb des Gehäuses mit Bereichen außerhalb des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von im Abstand befindlichen Teilen (14) an der zweiten Oberfläche des Hauptkörpers (12) befestigt ist und von dieser zweiten Oberfläche vorsteht, daß j
    wenn das Sammelsystem gegenüber der Strömungsrichtung ™ eines Kühlmittels wahllos angeordnet ist, die im Abstand befindlichen Teile (14) Wärmeableiteigenschaften für den elektronischen Schaltungsträger für alle Richtungen haben.
  2. 2. Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand befindlichen Teile (14) auf der zweiten Oberfläche einstückig ausgebildet sind.
  3. 3. Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand befindlichen Teile (14) pyramidenförmig sind, um eine turbulente Strömung des Kühlmittels | zu erzeugen.
  4. 4. Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand befindlichen Teile (14) wahllos zueinander ausgerichtet sind, um eine turbulente Strömung des Kühlmittels zu erzeugen.
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  5. 5. Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand befindlichen Teile (14-) konisch. geformt sind, um eine turbulente· Strömung des Kühlmittels zu erzeugen.
  6. 6. Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abstand befindlichen Teile gleichförmig zueinander auf der zweiten Oberfläche ausgerichtet sind, um wenigstens zwei Gruppen von Rinnen zu bilden, wobei jede Gruppe der Rinnen die andere Gruppe der Rinnen schneidet.
  7. 7. Sammelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Gruppen von Rinnen sich untereinander im wesentlichen unter rechten Winkeln schneiden, um im rechten Winkel gerichtete, sich schneidende Gruppen von Rinnen zu bilden.
  8. 8. Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der ersten Oberfläche des Hauptkörpers (12) befestigten Leiter (18) eine Mehrzahl von Leitwegen von einem elektrischen Gerät (16) innerhalb des Gehäuses (22) zu dem Umfang des Hauptkörpers (12) bilden.
  9. 9· Sammelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Leiter (18) sich über den Umfang des Hauptkörpers (12) hinauserstrecken.
  10. 10. Sammelsystem nach Anspruch 1 mit einem System eines fließfähigen Kühlmittels für eine Kombination von elektronischen Schaltungsträgern, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer Eingangs- und einer Ausblaseöffnung, durch eine Kühlmittelquelle, die mit der Ein-
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    gangsöffnung zur Schaffung eines Stromes des Kühlmittels durch das Gehäuse zu der AusblaseÖffnung verbunden ist, durch eine Mehrzahl von im Abstand befindlichen Haltern für eine wahlweise Halterung und Einstellung einer Mehrzahl der elektronischen Schaltungsträger in dem Weg des Kuhlmittelstromes, wo bei jeder der elektronischen SchaItungsträger ein Sammelsystem mit Ableiteigenschaften für alle Riehtungen hat und wobei jedes der Sämmelsysteme gegenüber der Strömungsrichtung des Kühlmittels wahllos ausgerichtet ist.
  11. 11. Eühlmittelsystem nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel entweder gasförmig oder flüssig sein kann.
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    Leerseite
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