RU152503U1 - PASSIVE HEAT REMOVAL SYSTEM FROM ELECTRONIC COMPONENT - Google Patents

Abstract

1. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента, характеризующаяся последовательно соединенными теплоотводами, имеющими теплорассеивающие поверхности, причем: первый теплоотвод, выполненный расположенным на одной поверхности печатной платы, имеющий тепловой контакт, по крайней мере, с одной из теплоотдающих поверхностей тепловыделяющего электронного компонента и вторым теплоотводом, выполненным таким образом, что одна его теплорассеивающая поверхность, расположена под прямым углом к теплорассеивающим поверхностям первого и третьего теплоотводов.2. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что второй теплоотвод выполнен в виде сплошного или полого стержня, имеющего форму цилиндрического тела вращения или призмы.3. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что второй теплоотвод выполнен таким образом, что имеет в сечении, перпендикулярном к поверхности печатной платы, Т-образный профиль.4. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что третий теплоотвод выполнен в виде пластины из DBC керамики.5. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что между обращенными друг к другу поверхностями второго и третьего теплоотводов расположена прокладка из электроизолирующего теплопроводного материала.1. The system of passive heat removal from the electronic component, characterized by series-connected heat sinks having heat dissipating surfaces, and: the first heat sink made located on one surface of the printed circuit board, having thermal contact with at least one of the heat transfer surfaces of the heat-generating electronic component and the second a heat sink made in such a way that one of its heat dissipating surfaces is located at right angles to the heat dissipating surfaces first and third heat sinks. 2. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that the second heat sink is made in the form of a solid or hollow rod having the form of a cylindrical body of revolution or prism. 3. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that the second heat sink is designed in such a way that it has a T-shaped profile in cross section perpendicular to the surface of the printed circuit board. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that the third heat sink is made in the form of a plate made of DBC ceramic. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that between the facing surfaces of the second and third heat sinks there is a gasket of electrically insulating heat-conducting material.

Description

Заявленная полезная модель касается теплоотводов от тепловыделяющих электронных компонентов, в частности, теплоотводов от малогабаритных электронных компонентов поверхностного монтажа на печатных платах.The claimed utility model relates to heat sinks from heat-generating electronic components, in particular, heat sinks from small-sized electronic components for surface mounting on printed circuit boards.

Известен радиатор для электронных компонентов (ЭК) поверхностного монтажа (Surface mount heat sink), патент США 5311395, МПК H01L 23/34, приоритет от 29.10.1992 г. Отвод тепла от ЭК поверхностного монтажа осуществляется через паяный тепловой контакт на металлическую площадку, к которой припаян радиатор.Known radiator for electronic components (EC) surface mount (Surface mount heat sink), US patent 5311395, IPC H01L 23/34, priority from 10/29/1992, Heat is removed from the EC surface mount through a soldered thermal contact to a metal platform, to which soldered radiator.

Эффективность таких устройств охлаждения определяется, в основном, площадью радиатора и, в меньшей степени, площадью теплорассеивающей поверхности металлической площадки. С одной стороны, такое решение увеличивает теплоотдачу от ЭК. С другой стороны, оно требует выделения на печатной плате определенной площади, что увеличивает ее геометрические размеры. Кроме того, такой радиатор для ЭК поверхностного монтажа увеличивает высоту изделия и занимает часть объема изделия, необходимого для размещения, например, габаритных трансформаторов.The effectiveness of such cooling devices is determined mainly by the area of the radiator and, to a lesser extent, the area of the heat-dissipating surface of the metal pad. On the one hand, this solution increases the heat transfer from the EC. On the other hand, it requires the allocation of a certain area on the printed circuit board, which increases its geometric dimensions. In addition, such a radiator for surface mount EC increases the height of the product and occupies part of the volume of the product necessary to accommodate, for example, overall transformers.

Известны радиоэлектронные блоки, в которых эффективность охлаждения размещенных на печатной плате ЭК повышается за счет использования теплопроводящих элементов конструкции, например корпуса в качестве теплоотводов и радиаторов. При этом, для электрической изоляции ЭК от теплопроводящих элементов, применяются теплопроводящие диэлектрические прокладки или пасты, как, например, в модуле электропитания по патенту на полезную модель РФ №19247, МПК Н05К 7/00, приоритет от 28.03.2001.Radio-electronic blocks are known in which the cooling efficiency of an EC installed on a printed circuit board is enhanced by the use of heat-conducting structural elements, for example, housings, as heat sinks and radiators. At the same time, for the electrical isolation of the EC from heat-conducting elements, heat-conducting dielectric gaskets or pastes are used, as, for example, in the power supply module according to the patent for utility model of the Russian Federation No. 19247, IPC Н05К 7/00, priority dated March 28, 2001.

Эти электроизолирующие элементы имеют тепловое сопротивление, значение которого больше теплового сопротивления паяного контакта. These electrical insulating elements have thermal resistance, the value of which is greater than the thermal resistance of the soldered contact.

Известен радиатор (патент РФ на полезную модель №27439, МПК H01L 23/36, приоритет от 09.09.2002), выполненный в виде проводника печатной платы, соединенный с выводом электронного компонента.Known radiator (RF patent for utility model No. 27439, IPC H01L 23/36, priority 09.09.2002), made in the form of a PCB conductor, connected to the output of the electronic component.

Известен миниатюрный радиатор для элементов поверхностного монтажа (Miniature surface mount heatsink element and method of use), патент US 6621705, МПК H05K 7/20, приоритет от 12.04.2002 г. (см. фиг. 4 в описании к патенту). Это техническое решение включает печатную плату 402 с металлическим слоем 406, к которому припаян ЭК поверхностного монтажа 408. Этот металлический слой 406 отводит тепло от корпуса ЭК вдоль поверхности печатной платы 402, увеличивая тем самым, эффективность теплоотвода. Так как теплопроводность печатной платы достаточно низкая, то для увеличения площади рассеивания тепла на теплорассеивающей поверхности слоя 406 располагается множество элементов теплоотвода 410. Таким образом, множество элементов теплоотвода и слой 406 выполняют функцию радиатора. Множество элементов теплоотвода 410, расположенных на верхней теплоотдающей поверхности корпуса ЭК дополнительно рассеивают тепло непосредственно от ЭК поверхностного монтажа.Known miniature radiator for surface mount elements (Miniature surface mount heatsink element and method of use), patent US 6621705, IPC H05K 7/20, priority from 04/12/2002 (see Fig. 4 in the description of the patent). This technical solution includes a printed circuit board 402 with a metal layer 406, to which a surface-mounted EC 408 is soldered. This metal layer 406 removes heat from the EC housing along the surface of the printed circuit board 402, thereby increasing the heat sink efficiency. Since the thermal conductivity of the printed circuit board is quite low, many heat sink elements 410 are located on the heat-dissipating surface of layer 406 to increase the heat dissipation area. Thus, many heat sink elements and layer 406 serve as a radiator. Many elements of the heat sink 410 located on the upper heat transfer surface of the housing of the EC additionally dissipate heat directly from the EC surface mount.

Данное решение позволяет достаточно эффективно отводить тепло от ЭК, но при этом множество элементов теплоотвода занимает достаточно большую площадь печатной платы. Кроме того, множество элементов теплоотвода занимает определенную часть объема изделия. Кроме того, при большой интенсивности теплового потока, данная конструкция радиатора может не справляться с теплоотдачей при пассивном отводе тепла. Увеличение количества элементовтеплоотвода не решает проблему, так как при этом затрудняется конвекция; увеличение высоты элементов теплоотвода увеличивает габариты теплорассеивающего элемента и, следовательно, габариты изделия. Дополнительным отрицательным эффектом от использования такого решения является увеличение паразитной емкости между проводниками платы.This solution allows you to quite effectively remove heat from the EC, but at the same time, many heat sink elements occupy a rather large area of the printed circuit board. In addition, many heat sink elements occupy a certain part of the product volume. In addition, with a high heat flux intensity, this design of the radiator may not cope with heat transfer with passive heat removal. An increase in the number of heat sink elements does not solve the problem, since convection is hindered; increasing the height of the heat sink elements increases the dimensions of the heat-dissipating element and, therefore, the dimensions of the product. An additional negative effect of using such a solution is an increase in stray capacitance between the conductors of the board.

Задачей заявленного в качестве полезной модели технического решения является увеличение количества отводимого в единицу времени тепла от ЭК.The objective of the claimed technical model as a utility model is to increase the amount of heat removed from the EC per unit time.

Другой задачей является уменьшение площади металлизированного покрытия печатной платы, выполняющей роль теплоотвода от выделяющего тепло ЭК.Another objective is to reduce the metallized area of the printed circuit board, which acts as a heat sink from the heat-generating EC.

Еще одной задачей является уменьшение объема изделия, например силового электронного модуля, занимаемого радиатором - теплорассеивающим элементом отдельного ЭК.Another objective is to reduce the volume of the product, for example, a power electronic module occupied by a radiator - a heat-dissipating element of a separate EC.

Решение этих задач позволит увеличить плотность упаковки электронного модуля и уменьшить паразитную емкость между теплоотводящим металлизированным покрытием и проводниками печатной платы.The solution to these problems will increase the packing density of the electronic module and reduce the stray capacitance between the heat-absorbing metallized coating and the conductors of the printed circuit board.

Технический результат достигается тем, что система пассивного отвода тепла от электронного компонента, характеризующаяся последовательно соединенными теплоотводами, имеющими теплорассеивающие поверхности, причем: первый теплоотвод, выполненный расположенным на одной поверхности печатной платы, имеющий тепловой контакт, по крайней мере, с одной из теплоотдающих поверхностей тепловыделяющего электронного компонента и вторым теплоотводом, выполненным таким образом, что одна его теплорассеивающая поверхность, расположена под прямым углом к теплорассеивающим поверхностям первого и третьего теплоотводов.The technical result is achieved by the fact that the system of passive heat removal from the electronic component, characterized by series-connected heat sinks having heat dissipating surfaces, wherein: a first heat sink made located on one surface of the printed circuit board, having thermal contact with at least one of the heat-releasing surfaces of the heat generating electronic component and the second heat sink, made in such a way that one of its heat dissipating surface is located under the direct glom to the heat-dissipating surfaces of the first and third heat sinks.

Возможен вариант, когда второй теплоотвод выполнен в виде сплошного или полого стержня, имеющего форму цилиндрического тела вращения или призмы.A variant is possible when the second heat sink is made in the form of a solid or hollow rod having the form of a cylindrical body of revolution or a prism.

Возможен вариант, в котором второй теплоотвод имеет в сечении, параллельном направлению основного потока отводимого тепла сложный профиль.A variant is possible in which the second heat sink has a complex profile in a section parallel to the direction of the main heat flux.

Возможен вариант, в котором третий теплоотвод выполнен в виде пластины из DBC керамики.A variant is possible in which the third heat sink is made in the form of a plate made of DBC ceramics.

Возможен вариант, в котором пространство между первым и третьим теплоотводами заполнено теплопроводящим материалом.A variant is possible in which the space between the first and third heat sinks is filled with heat-conducting material.

Возможен вариант, в котором между вторым и третьим теплоотводами расположена прокладка из электроизолирующего теплопроводного материала.A variant is possible in which a gasket of electrically insulating heat-conducting material is located between the second and third heat sinks.

Описания вариантов устройства отвода тепла электронного модуля, необходимые для понимания сущности заявленного технического решения приведены ниже, где:Descriptions of the options for the heat removal device of the electronic module necessary to understand the essence of the claimed technical solution are given below, where:

На фиг. 1 приведен вариант системы пассивного отвода тепла от основания ЭК.In FIG. 1 shows a variant of the system of passive heat removal from the base of the EC.

На фиг. 2 приведен вариант системы пассивного отвода тепла через выводы ЭК и проводники печатной платы.In FIG. Figure 2 shows a variant of the system of passive heat removal through the terminals of the EC and the conductors of the printed circuit board.

На фиг. 3 приведен вариант системы пассивного отвода тепла, в котором второй теплоотвод имеет в сечении Т-образный профиль, третий теплоотвод выполнен в виде металлической пластины.In FIG. Figure 3 shows a variant of a passive heat removal system in which the second heat sink has a T-shaped cross section, the third heat sink is made in the form of a metal plate.

На фиг. 1 представлен вариант технического решения, в котором одна теплоотдающая поверхность является поверхностью теплопроводной подложки полупроводникового кристалла ЭК (для наглядности этот элемент конструкции ЭК показан в виде выступающего из объема корпуса металлического элемента 3-1). На печатной плате 1 расположен первый теплоотвод 2, выполненныйIn FIG. Figure 1 shows a technical solution in which one heat-transfer surface is the surface of a heat-conducting substrate of an EC semiconductor crystal (for clarity, this EC construction element is shown as a metal element 3-1 protruding from the body volume). On the printed circuit board 1 is the first heat sink 2, made

виде металлического покрытия печатной платы. На нем закреплен ЭК 3 для поверхностного монтажа и второй теплоотвод 4, который, в свою очередь, соединен с третьим теплоотводом 5. В качестве третьего теплоотвода в данном варианте используется пластина из DBC керамики с двумя слоями металлизации. a metal coating of a printed circuit board. EC 3 is mounted on it for surface mounting and a second heat sink 4, which, in turn, is connected to the third heat sink 5. As the third heat sink in this embodiment, a plate made of DBC ceramic with two layers of metallization is used.

Тепловые контакты создаются любым известным способом, обеспечивающим тепловое сопротивление менее чем 0,1 С°/Вт, например, пайкой (на фиг. 1 и далее пайка показана черными треугольниками).Thermal contacts are created by any known method providing thermal resistance of less than 0.1 ° C / W, for example, by soldering (in Fig. 1 and further, the soldering is shown by black triangles).

На фиг. 2 показан вариант, в котором отвод тепла от ЭК 3 осуществляется через выводы 3-1. В этом случае, первый теплоотвод 2 состоит, например, двух частей, представляющих собой проводники 2-1 и 2-2 печатной платы 1. Широкие части проводников 2-1 и 2-2, к которым крепится второй теплоотвод 4, могут находиться как вблизи от источника тепла (см. фиг. 2) так и на некотором расстоянии от него (не показано). Каждая из частей первого теплоотвода 2 имеет тепловые контакты с соответствующими частями 4-1 и 4-2 второго теплоотвода 4, в свою очередь, имеющими тепловые контакты с отдельными частями 5-1 и 5-2 третьего теплоотвода 5. Второй теплоотвод 4 выполнен в виде двух сплошных стержней.In FIG. 2 shows a variant in which heat is removed from the EC 3 through terminals 3-1. In this case, the first heat sink 2 consists, for example, of two parts, which are the conductors 2-1 and 2-2 of the printed circuit board 1. The wide parts of the conductors 2-1 and 2-2, to which the second heat sink 4 is attached, can be located close to from a heat source (see Fig. 2) and at a certain distance from it (not shown). Each of the parts of the first heat sink 2 has thermal contacts with the corresponding parts 4-1 and 4-2 of the second heat sink 4, in turn, having thermal contacts with the individual parts 5-1 and 5-2 of the third heat sink 5. The second heat sink 4 is made in the form two solid rods.

На фиг. 3 показан вариант технического решения, в котором в качестве третьего теплоотвода 5 используется, например, теплопроводное основание корпуса изделия. В этом варианте второй теплоотвод 4 выполнен в виде монолитного стержня, имеющего в сечении, перпендикулярном поверхности печатной платы Т-образный сложный профиль. Диэлектрическая изоляция 6 между вторым 4 и третьим 5 теплоотводами выполнена из керамического или полимерного теплопроводящего диэлектрического материала, например, прокладок Bergquist. Во всех вариантах заявленного технического решения, в том числе и не приведенных в данном описании, возможно использование в качестве третьего теплоотвода 5 пластины из DBC керамики с односторонней металлизацией.In FIG. 3 shows an embodiment of a technical solution in which, for example, a heat-conducting base of a product body is used as the third heat sink 5. In this embodiment, the second heat sink 4 is made in the form of a monolithic rod having a T-shaped complex profile in cross section perpendicular to the surface of the printed circuit board. The dielectric insulation 6 between the second 4 and third 5 heat sinks is made of ceramic or polymer heat-conducting dielectric material, for example, Bergquist gaskets. In all variants of the claimed technical solution, including those not shown in this description, it is possible to use plates from one-sided metallization DBC ceramic as the third heat sink 5.

Заявленная система пассивного отвода тепла работает следующим образом.The claimed system of passive heat removal works as follows.

В варианте, изображенном на фиг. 1, выделяемое ЭК 3 тепло отводится от одной теплоотдающей поверхности ЭК 3 вдоль расположенного на печатной плате 1 первого теплоотвода 2. Это тепло частично рассеивается в окружающую среду и отводится на второй теплоотвод 4. Часть тепла рассеивается с его боковой поверхности, а часть отводится через него на третий теплоотвод 5, где сначала распределяется в нижнем слое DBC керамики, затем равномерно распределяется по всей толщине изолирующей теплопроводящей подложки, проходит через другой слой металлизации и далее передается радиатору (не показан).In the embodiment depicted in FIG. 1, the heat emitted by EC 3 is removed from one heat-transfer surface of EC 3 along the first heat sink 2 located on the circuit board 1. This heat is partially dissipated into the environment and removed to the second heat sink 4. Part of the heat is dissipated from its side surface, and part is removed through it to the third heat sink 5, where it is first distributed in the lower layer of ceramic DBC, then evenly distributed over the entire thickness of the insulating heat-conducting substrate, passes through another metallization layer and then transferred to the radiator (not azan).

За счет того, что соединения теплоотдающей поверхности ЭК 3 с первым теплоотводом 2 и первого теплоотвода 2 со вторым теплоотводом 4 выполнено паяным, тепловое сопротивление в зоне теплообразования минимально, что позволяет интенсивно отводить тепло от ЭК.Due to the fact that the joints of the heat-transfer surface of EC 3 with the first heat sink 2 and the first heat sink 2 with the second heat sink 4 are soldered, the thermal resistance in the heat-generating zone is minimal, which allows intensive heat removal from the EC.

Остальные варианты заявленного технического решения, описанные выше (см. фиг. 2 и 3), работают аналогичным образом.The remaining variants of the claimed technical solution described above (see Fig. 2 and 3) work in a similar way.

При изготовлении электронного изделия, использующего заявленное техническое решение, используются стандартные технологии установки электронных компонентов на печатную плату. Возможна ручная установка третьего теплоотвода, выполненного из DBC пластины в случае, если его габаритные размеры превышают возможности имеющегося оборудования.In the manufacture of electronic products using the claimed technical solution, standard technologies for installing electronic components on a printed circuit board are used. It is possible to manually install a third heat sink made of a DBC plate if its overall dimensions exceed the capabilities of existing equipment.

Claims (5)

1. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента, характеризующаяся последовательно соединенными теплоотводами, имеющими теплорассеивающие поверхности, причем: первый теплоотвод, выполненный расположенным на одной поверхности печатной платы, имеющий тепловой контакт, по крайней мере, с одной из теплоотдающих поверхностей тепловыделяющего электронного компонента и вторым теплоотводом, выполненным таким образом, что одна его теплорассеивающая поверхность, расположена под прямым углом к теплорассеивающим поверхностям первого и третьего теплоотводов.1. The system of passive heat removal from the electronic component, characterized by series-connected heat sinks having heat dissipating surfaces, and: the first heat sink made located on one surface of the printed circuit board, having thermal contact with at least one of the heat transfer surfaces of the heat-generating electronic component and the second a heat sink made in such a way that one of its heat dissipating surfaces is located at right angles to the heat dissipating surfaces first and third heat sinks. 2. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что второй теплоотвод выполнен в виде сплошного или полого стержня, имеющего форму цилиндрического тела вращения или призмы.2. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that the second heat sink is made in the form of a solid or hollow rod having the form of a cylindrical body of revolution or prism. 3. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что второй теплоотвод выполнен таким образом, что имеет в сечении, перпендикулярном к поверхности печатной платы, Т-образный профиль.3. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that the second heat sink is designed in such a way that it has a T-shaped profile in cross section perpendicular to the surface of the printed circuit board. 4. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что третий теплоотвод выполнен в виде пластины из DBC керамики.4. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that the third heat sink is made in the form of a plate of DBC ceramic. 5. Система пассивного отвода тепла от электронного компонента по п. 1, характеризующаяся тем, что между обращенными друг к другу поверхностями второго и третьего теплоотводов расположена прокладка из электроизолирующего теплопроводного материала.

5. The system of passive heat removal from the electronic component according to claim 1, characterized in that between the surfaces of the second and third heat sinks facing each other there is a gasket of electrically insulating heat-conducting material.

Images