RU117056U1 - COOLING AND HEAT DISCHARGE DEVICE FROM COMPONENTS OF ELECTRONIC SYSTEMS - Google Patents

Abstract

1. Устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, отличающееся тем, что принимающий и отводящий тепло элементы выполнены в виде двух пластин из высокотеплопроводных материалов, одна из которых закреплена на корпусе электронного компонента, а другая - на конструкции теплостока, при этом пластины соединены между собой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев для обеспечения степени подвижности во всех направлениях. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна из пластин установлена над печатной платой с электронными компонентами и выполнена в соответствии с размерами печатной платы, в которой над каждым тепловыделяющим электронным компонентом выполнены отверстия в соответствии с размерами их корпусов для размещения в каждом из них второй пластины принимающего и отводящего тепло элемента. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гибкие звенья выполнены многожильными в виде пучка из волокон меди, или графита, или графена. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гибкие звенья выполнены в виде гофр из пластин меди, или графита, или графена. 1. A device for cooling and removing heat from components of electronic systems, consisting of elements receiving and removing heat from electronic components and a heat sink structure installed on a printed circuit board of an electronic system, characterized in that the elements receiving and removing heat are made in the form of two plates of highly heat-conducting materials , one of which is fixed on the housing of the electronic component, and the other - on the structure of the heat drain, while the plates are connected to each other by means of flexible high-heat-conducting links to ensure the degree of mobility in all directions. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that one of the plates is installed above the printed circuit board with electronic components and is made in accordance with the dimensions of the printed circuit board, in which holes are made above each heat-generating electronic component in accordance with the dimensions of their housings for placement in each of which the second plate is a heat receiving and removing element. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the flexible links are multicore in the form of a bundle of copper or graphite or graphene fibers. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the flexible links are made in the form of corrugations from plates of copper, or graphite, or graphene.

Description

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована для обеспечения эффективного отвода тепла от электронных компонентов, в частности микросхем и других электро- радиоэлементов (ЭРЭ), установленных на единой печатной плате в электронном модуле.The utility model relates to the field of electronics and can be used to provide effective heat removal from electronic components, in particular microcircuits and other electro-radio elements (ERE) installed on a single printed circuit board in the electronic module.

Известно устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, установленных в электронном модуле, в котором в качестве теплоотвода применены изогнутые медные пластины, имеющие три участка, установленные в разных плоскостях модуля так, что первые участки медных пластин установлены на базовую плоскость и могут использоваться как присоединительные выводы, вторые участки медных пластин присоединены к металлизированным плоскостям подложки, третьи участки медных пластин припаяны к основаниям тепловыделяющих приборов. Форма и толщина медных пластин выбираются исходя из требований к жесткости конструкции, плотности тока, протекающего через приборы, максимально допустимого теплового сопротивления теплоотвода, рассеивающим избыточное тепло непосредственно и/или с помощью прижима дополнительных радиаторных элементов. (Патент RU №2350055, кл. H05K 7/20 опублик. 20.03.2009),A device is known for removing heat from heat-generating components installed in an electronic module, in which curved copper plates are used as a heat sink, having three sections installed in different planes of the module so that the first sections of copper plates are mounted on the base plane and can be used as connecting leads , the second sections of the copper plates are attached to the metallized planes of the substrate, the third sections of the copper plates are soldered to the bases of the heat generating devices. The shape and thickness of the copper plates are selected based on the requirements for structural rigidity, current density flowing through the devices, the maximum allowable thermal resistance of the heat sink, dissipating excess heat directly and / or by pressing additional radiator elements. (Patent RU No. 2350055, CL H05K 7/20 published. 03.20.2009),

Недостатком этого устройства является, во-первых, необходимость прижима к устройству дополнительных радиаторов, что не всегда возможно с конструктивной точки зрения и не обеспечивает эффективный отвод тепла от прибора, во-вторых, невозможность обеспечить низкие тепловые сопротивления для нескольких теплонагруженных приборов одновременно, что диктуется требованиями к жесткости конструкции теплоотвода и, в третьих, данное устройство не применимо для отвода тепла от множества интегральных схем, имеющих матричные или шариковые выводы корпуса и установленных на одной печатной плате.The disadvantage of this device is, firstly, the need to clamp additional radiators to the device, which is not always possible from a structural point of view and does not provide efficient heat removal from the device, and secondly, the inability to provide low thermal resistance for several heat-loaded devices at the same time, which is dictated requirements for the rigidity of the heat sink design and, thirdly, this device is not applicable for heat removal from a variety of integrated circuits having matrix or ball outputs to rpusa and mounted on a single printed circuit board.

Известно также устройство для решения задачи отвода тепла от теплонагруженного электронного компонента с планарными выводами, размещенного на печатной плате. Теплоотводящее основание корпуса компонента прижато к теплопроводному корпусу блока, при этом планарные выводы корпуса компонента отогнуты под прямым углом в сторону противоположную теплоотводящему основанию его корпуса, что позволяет за счет пружинящих свойств выводов корпуса компонента обеспечивать плотный тепловой контакт между корпусом блока и корпусом компонента одновременно для нескольких теплонагруженных компонентов. (Патент RU №2105441, кл. H05K 7/20 опублик. 20.02.1998)A device is also known for solving the problem of heat removal from a heat-loaded electronic component with planar leads placed on a printed circuit board. The heat sink base of the component case is pressed against the heat-conducting block body, while the planar conclusions of the component case are bent at a right angle to the opposite side of the heat sink base of its case, which allows due to the spring properties of the terminals of the component case to ensure tight thermal contact between the block case and the component case simultaneously for several heat loaded components. (Patent RU No. 2105441, CL H05K 7/20 published. 02.20.1998)

Недостатком данного этого устройства является ограниченное его применение, пригодное только для рассматриваемой конкретной конструкции блока и невозможность его использования для интегральных микросхем с корпусами, имеющими матричные и шариковые выводы, установленных на одной печатной плате.The disadvantage of this device is its limited use, suitable only for the particular design of the unit and the impossibility of its use for integrated circuits with housings having matrix and ball pins installed on one printed circuit board.

Известно также конструктивное решение для конвективного охлаждения лазерного диода с теплообменником, вынесенным на крышку модуля, в котором использован теплопровод, передающий тепловой поток от лазерного диода к теплообменнику, и представляющий собой жгут медных волокон диаметром 30…70 мкм. Недостатком данного конструктивного решения является, во-первых, отсутствие обоснования выбора параметров теплопровода и, во-вторых, ограниченное применение описанного решения, продиктованного конкретной конструктивной задачей не связанной с охлаждением и отводом тепла от электронных модулей, содержащих печатную плату с установленными на ней электронными компонентами. (Николаенко Ю.Е., Жук С.К., Батуркин В.М., Олефиренко Д.Н. Моделирование и выбор систем обеспечения теплового режима лазерных модулей // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2001, №2. С.31-36)A constructive solution is also known for convective cooling of a laser diode with a heat exchanger mounted on the module cover, in which a heat conductor is used that transfers heat from the laser diode to the heat exchanger and is a bundle of copper fibers with a diameter of 30 ... 70 microns. The disadvantage of this design solution is, firstly, the lack of justification for the choice of heat conduit parameters and, secondly, the limited use of the described solution, dictated by a specific design problem not related to cooling and heat removal from electronic modules containing a printed circuit board with electronic components installed on it . (Nikolaenko Yu.E., Zhuk S.K., Baturkin V.M., Olefirenko D.N. Modeling and selection of systems for ensuring the thermal regime of laser modules // Technology and design in electronic equipment, 2001, No. 2. P.31 -36)

Недостатком описанного выше устройства является то, что они не обеспечивают эффективный отвод тепла. Это связано с тем, что микросхемы и ЭРЭ, установленные на печатной плате, имеют различные конструктивные габариты в том числе и высоту, поэтому обеспечить одинаково эффективный прижим каждого компонента к пластине-теплоотводу невозможно. Из-за значительного разброса величины зазоров между поверхностями компонентов и пластины-теплоотвода не помогают и эластичные теплопроводящие прокладки, заполняющие зазор. Кроме того необходима дополнительная установка охлаждающего приспособления, например, вентилятора. Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы (Николаенко Ю.Е., Жук С.К., Батуркин В.М., Олефиренко С.К. «Обеспечение тепловых режимов аппаратуры», Госкомитет промышленной политики Украины, НТУУ "Киевский политехнический институт" Украина, г.Киев, с.35)The disadvantage of the above device is that they do not provide efficient heat dissipation. This is due to the fact that microcircuits and electronic devices installed on a printed circuit board have various design dimensions, including height, so it is impossible to provide equally effective clamping of each component to the heat sink plate. Due to the significant spread in the gaps between the surfaces of the components and the heat sink plate, elastic heat-conducting gaskets filling the gap do not help either. In addition, additional installation of a cooling device, for example, a fan, is required. The closest in technical essence and the achieved technical result is a device for cooling and removing heat from components of electronic systems, consisting of receiving and removing heat elements from electronic components and the design of the heat sink installed on the printed circuit board of the electronic system (Nikolaenko Yu.E., Zhuk S. K., Baturkin V.M., Olefirenko S.K. “Ensuring the thermal conditions of equipment”, State Committee for Industrial Policy of Ukraine, NTUU “Kiev Polytechnic Institute” Ukraine, Kiev, p. 35)

Недостатком описанной выше конструкции устройства является недостаточная эффективность охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем потому, что тепловая энергия, выделяемая компонентами электронных систем, установленными на печатной плате, рассеивается внутри самой схемы, поэтому необходима дополнительная установка охлаждающего приспособления, например, вентилятора, что усложняет конструкцию печатной платы и уменьшает площадь, используемую для установки других радиоэлектронных компонентов.The disadvantage of the device design described above is the insufficient cooling and heat removal from the components of electronic systems because the thermal energy released by the components of electronic systems mounted on the printed circuit board is dissipated inside the circuit itself, therefore, additional installation of a cooling device, for example, a fan, is necessary, which complicates PCB design and reduces the area used to install other electronic components.

Технический результат, получаемый от использования полезной модели состоит в повышении качества процесса охлаждения и теплоотвода без использования дополнительных охлаждающих приспособлений.The technical result obtained from the use of the utility model is to improve the quality of the cooling and heat removal process without using additional cooling devices.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, состоящем из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, принимающий и отводящий тепло элемент выполнен в виде двух пластин из высокотеплопроводных материалов, одна из которых закреплена на корпусе электронного компонента, а другая - на конструкции теплостока, при этом пластины соединены между собой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев для обеспечения степени подвижности во всех направлениях;The specified technical result is achieved by the fact that in the device for cooling and removing heat from the components of electronic systems, consisting of the receiving and removing heat elements from electronic components and the design of the heat sink installed on the printed circuit board of the electronic system, the receiving and removing heat is made in the form of two plates of highly conductive materials, one of which is mounted on the body of the electronic component, and the other on the design of the heat sink, while the plates are interconnected in the middle the use of flexible high-heat-conducting links to ensure the degree of mobility in all directions;

а так же тем, что одна из пластин установлена над печатной платой с электронными компонентами и выполнена в соответствии с размерами печатной платы, в которой над каждым тепловыделяющим электронным компонентом выполнены отверстия в соответствии с размерами их корпусов для размещения в каждом из них второй пластины принимающего и отводящего тепло элемента;as well as the fact that one of the plates is mounted above a printed circuit board with electronic components and is made in accordance with the dimensions of the printed circuit board, in which openings are made over each heat-generating electronic component in accordance with the dimensions of their housings for placement of a second plate of the receiving and heat-removing element;

и еще тем, что гибкие звенья выполнены многожильными в виде пучка из волокон меди, или графита, или графена;and also the fact that the flexible links are multicore in the form of a bundle of fibers of copper, or graphite, or graphene;

и тем, что гибкие звенья выполнены в виде гофр из пластин меди, или графита, или графена.and the fact that the flexible links are made in the form of corrugations from plates of copper, or graphite, or graphene.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем с гибким многожильным высокотеплопроводящим звеном; на фиг 2 - вариант выполнения устройства с гофрированным высокотеплопроводящим звеном;The utility model is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a general view of a cooling and heat removal device from components of electronic systems with a flexible multi-core highly heat-conducting element; in Fig.2 is an embodiment of a device with a corrugated highly heat-conducting element;

на фиг.3 - конструктивный вариант применения устройства отвода тепла.figure 3 is a constructive application of the heat removal device.

Конструкция устройства охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем включает в себя две пластины 1, выполненные из высокотеплопроводного материала, например, из меди, алюминия и др., одна из которых прижимается к корпусу компонента 2, а другая - к теплостоку, или теплопроводу 3. Между обеими пластинами закреплено гибкое высокотеплопроводящее звено 4, имеющее степени свободы перемещений в различных направлениях. Гибкая конструкция позволяет, во-первых, осуществлять эффективную теплопередачу от корпуса электронного компонента независимо от его конструкции, высоты, неровностей и неплоскостности поверхности, и, во-вторых, обеспечивать индивидуальный прижим теплоотвода как к каждому электронному компоненту, так и к конструкции теплостока.The design of the device for cooling and removing heat from the components of electronic systems includes two plates 1 made of highly heat-conducting material, for example, copper, aluminum, etc., one of which is pressed against the case of component 2, and the other is pressed against a heat sink, or heat conduit 3 . Between both plates is fixed a flexible highly conductive link 4 having degrees of freedom of movement in various directions. The flexible design allows, firstly, to carry out effective heat transfer from the body of the electronic component regardless of its design, height, roughness and non-flatness of the surface, and, secondly, to provide an individual heat sink clip to each electronic component and to the design of the heat sink.

Гибкое звено в конструкции устройства может быть выполнено в различных вариантах, в частности, в многожильном (рис.1, а) и гофрированном видах (рис.1, б). Обе конструкции гибкого звена обладают возможностью перемещения во всех направлениях в пространстве, что достигается за счет выполнения гибких звеньев из проволочек, или волокон, малого диаметра, или пластин, малой толщины.A flexible link in the design of the device can be performed in various versions, in particular, in multi-core (Fig. 1, a) and corrugated forms (Fig. 1, b). Both designs of the flexible link have the ability to move in all directions in space, which is achieved by performing flexible links from wires, or fibers, small diameter, or plates, small thickness.

Многожильное гибкое звено 4 (рис.1, а) устройства представляет собой пучок (жгут), состоящий из большого числа отдельных, не соединенных между собой, высокотеплопроводных проволочек, или волокон, выполненных, например, из меди, графита, графена, и др., обладающих малым диаметром. Теплопроводящие свойства многожильного гибкого звена тем лучше, чем больше количество проволочек (волокон). Диаметр и числоStranded flexible link 4 (Fig. 1, a) of the device is a bundle (bundle) consisting of a large number of separate, not interconnected, highly heat-conducting wires, or fibers made, for example, of copper, graphite, graphene, etc. having a small diameter. The heat-conducting properties of a multicore flexible link are better, the greater the number of wires (fibers). Diameter and number

проволочек в одном жгуте гибкого звена, подбирается исходя из требуемого значения температуры электронного компонента.wires in one bundle of a flexible link, selected based on the desired temperature of the electronic component.

Гофрированное гибкое звено 4 (рис.1, б) представляет собой одну тонкую пластину, или набор тонких пластин, из высокотеплопроводного материала, например, из меди, графена и т.д., толщина и количество которых подбирается, во-первых, исходя из требований к уровню температуры электронного компонента, и, во-вторых, из требования обеспечения необходимой гибкости звена.Corrugated flexible link 4 (Fig. 1, b) is a single thin plate, or a set of thin plates, of highly heat-conducting material, for example, copper, graphene, etc., the thickness and quantity of which is selected, firstly, based on requirements for the temperature level of the electronic component, and, secondly, from the requirement to provide the necessary flexibility of the link.

Конструкция устройства может быть выполнена также в виде обладающей гибкостью единой высокотеплопроводной пластины, или набора пластин, например, из графена, толщина которой обеспечивает возможность требуемого изгибания во всех направлениях в пространстве, а высокая теплопроводность - эффективное рассеяние тепла по пластине-теплоотводу и эффективную теплопередачу к стокам тепла. Гибкие свойства конструкции единого устройства обеспечивают отвод тепла одновременно от всех тепловыделяющих компонентов, установленных на печатной плате за счет индивидуального прижима единой конструкции ко всем электронным компонентам одновременно.The design of the device can also be made in the form of a single highly heat-conducting plate having flexibility, or a set of plates, for example, of graphene, the thickness of which provides the required bending in all directions in space, and high thermal conductivity - efficient heat dissipation through the heat-transfer plate and effective heat transfer to heat sinks. The flexible design properties of a single device provide heat dissipation simultaneously from all heat-generating components installed on a printed circuit board due to the individual clamping of a single design to all electronic components simultaneously.

Устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем работает следующим образом. Мощности, потребляемые электронными компонентами, установленными на печатной плате, диссипируются в виде тепловой энергии, которая приводит к разогреву как каждого компонента в отдельности, так и всей конструкции электронного модуля в целом. Тепловой поток от каждого компонента 2 (рис.1) передается к высокотеплопроводной пластине 1 устройства, прижатой к корпусу компонента. Далее тепловые потоки поступают через гибкое звено 4 на другую пластину 3 конструкции устройства, или на теплопровод, которыеThe cooling device and heat removal from the components of electronic systems works as follows. The capacities consumed by the electronic components mounted on the printed circuit board are dissipated in the form of thermal energy, which leads to heating of each component individually, and the entire design of the electronic module as a whole. The heat flux from each component 2 (Fig. 1) is transferred to the highly conductive plate 1 of the device pressed against the component case. Further, heat flows through a flexible link 4 to another plate 3 of the device structure, or to a heat conduit, which

передают тепло на конструкцию стока тепла. Различие в размерах и конструкциях корпусов электронных компонентов снимается посредством обеспечения эффективного прижима каждого корпуса компонента на печатной плате, к индивидуальным конструкциям устройства.transfer heat to the heat sink structure. The difference in the sizes and designs of the housings of the electronic components is removed by ensuring that each component housing on the circuit board is effectively clamped to the individual device designs.

Пример одного из вариантов конструкции отвода тепла от нескольких компонентов, расположенных на одной печатной плате, приведен она рис.2. Конструкция работает следующим образом. Над печатной платой с компонентами расположена единая пластина-теплоотвод 6, в которой над каждым тепловыделяющим электронным компонентом выполнены отверстия 5 в соответствии с размерами корпусов компонентов. К корпусу каждого тепловыделяющего компонента, открытому благодаря отверстию 5, прикреплена одна из пластин 1 устройства, которая передает тепло через гибкие звенья 4 к другой пластине устройства, прикрепленной к единой пластине-теплоотводу на краях отверстия. Далее тепло рассеивается по пластине-теплоотводу и передается к стокам тепла 3. Крепление пластин, входящих в конструкцию, к корпусам электронных компонентов и к пластине-теплоотводу возможно осуществлять через теплопроводящие прокладки, пасты и компаунды, уменьшающие контактные тепловые сопротивления.An example of one of the design options for heat removal from several components located on one printed circuit board is shown in Fig. 2. The design works as follows. A single plate-heat sink 6 is located above the printed circuit board with components, in which openings 5 are made over each heat-generating electronic component in accordance with the dimensions of the components' housings. One of the plates 1 of the device is attached to the body of each heat-generating component, opened thanks to the hole 5, which transfers heat through flexible links 4 to the other plate of the device attached to a single plate-heat sink at the edges of the hole. Further, the heat is dissipated through the heat sink plate and transferred to the heat sinks 3. The plates included in the structure can be fixed to the housings of electronic components and to the heat sink plate through heat-conducting gaskets, pastes and compounds that reduce contact thermal resistances.

Исследование температурных распределений корпусов компонентов, установленных на печатных платах электронных модулей, показывает, что устройство обладает высокой эффективностью по отводу тепла от электронных компонентов и позволяет значительно снижать уровни температуры электронных компонентов и модулей.A study of the temperature distributions of the component housings installed on the printed circuit boards of electronic modules shows that the device is highly efficient in removing heat from electronic components and can significantly reduce the temperature levels of electronic components and modules.

Claims (4)

1. Устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, отличающееся тем, что принимающий и отводящий тепло элементы выполнены в виде двух пластин из высокотеплопроводных материалов, одна из которых закреплена на корпусе электронного компонента, а другая - на конструкции теплостока, при этом пластины соединены между собой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев для обеспечения степени подвижности во всех направлениях.1. A device for cooling and removing heat from components of electronic systems, consisting of a receiving and removing heat elements from electronic components and a heat sink design mounted on a printed circuit board of an electronic system, characterized in that the receiving and removing heat elements are made in the form of two plates of highly heat-conducting materials , one of which is mounted on the housing of the electronic component, and the other on the design of the heat sink, while the plates are interconnected by means of flexible high-heat conductors dnyh links to provide a degree of mobility in all directions. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна из пластин установлена над печатной платой с электронными компонентами и выполнена в соответствии с размерами печатной платы, в которой над каждым тепловыделяющим электронным компонентом выполнены отверстия в соответствии с размерами их корпусов для размещения в каждом из них второй пластины принимающего и отводящего тепло элемента.2. The device according to claim 1, characterized in that one of the plates is mounted above a printed circuit board with electronic components and is made in accordance with the dimensions of the printed circuit board, in which holes are made over each heat-generating electronic component in accordance with the dimensions of their housings for placement in each from them the second plate of the receiving and heat-removing element. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гибкие звенья выполнены многожильными в виде пучка из волокон меди, или графита, или графена.3. The device according to claim 1, characterized in that the flexible links are stranded in the form of a bundle of fibers of copper, or graphite, or graphene. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гибкие звенья выполнены в виде гофр из пластин меди, или графита, или графена.

4. The device according to claim 1, characterized in that the flexible links are made in the form of corrugations from plates of copper, or graphite, or graphene.