DE3117758A1

DE3117758A1 - COOLING DEVICE FOR DISCRETE ELECTRONIC COMPONENTS AND / OR CIRCUIT BOARDS ON WHICH THE COMPONENTS ARE MOUNTED

Info

Publication number: DE3117758A1
Application number: DE19813117758
Authority: DE
Inventors: Folke 13553 Tyresö Andersson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1980-05-13
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1982-01-21
Also published as: GB2076141A; IT8121675A0; GB2076141B; IT1137472B; SE8003579L

Description

Telefonaktiebolaget LM Ericsson,
Stockholm / SCHWEDENTelefonaktiebolaget LM Ericsson,
Stockholm / SWEDEN

Kühlvorrichtung für diskrete elektronische Bauteile und/oder Schaltungsplatten, auf denen die Bauteile montiert sindCooling device for discrete electronic components and / or circuit boards on which the components are mounted

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die für diskrete elektronische Bauteile mit hoher Wärme-Entwicklung oder für verschiedene Arten von Schaltungsplatten, auf denen die Bauteile montiert sind, vorgesehen ist. Ein geeignetes Anwendungsfeld liegt in der Luftfahrt-Technik, wo hohe Anforderungen bezüglich Gewicht und Bauraum-Verringerung gestellt werden.The invention relates to a cooling device according to the preamble of claim 1, which is used for discrete electronic components with high heat generation or for different types of circuit boards on which the components are mounted, is provided. A suitable field of application is in aviation technology, where there are high requirements in terms of weight and installation space reduction.

Elektronische Bauteile sowohl in der Fernmeldetechnik als auch in der Stromversorgungstechnik benötigen ganz allgemein irgendeine Kühlung. Dies gilt auoh ganz besonders für integrierte Schaltkreise, die in gekapselten Mikroschaltungen unterschiedlichster Art enthalten sind, um die in den Halbleiterplatten entstehende Wärme abzuleiten, so daß die Eigenschaften des Halbleitermaterials durch ansteigende Temperatur nicht ungünstig beeinflußt werden. Sogenannte CCC-Kapseln wurden in neuerer Zeit entwickelt, d.h. Kapseln, die aus keramischem Material hergestellt sind {"Ceramic-Circuit-Carriers"), die die Halbleiterplatten umschließen. Die CCC-Technik ermöglicht ein dichteres Zusammenbauen als die DIP-Kapseln ("Dual-In-Package"), jedoch ist die Wärme-Entwicklung im wesentlichen dieselbe, so daß die Probleme bezüglich wirksamer KühlungElectronic components, both in telecommunications technology and in power supply technology, are generally required any cooling. This is especially true for integrated ones Circuits in encapsulated microcircuits of the most varied Kind are included to dissipate the heat generated in the semiconductor wafers, so that the properties of the semiconductor material are not adversely affected by increasing temperature. So-called CCC capsules have recently been developed, i.e. capsules made of ceramic material ("Ceramic Circuit Carriers"), which enclose the semiconductor plates. The CCC technology enables a closer assembly than the DIP capsules ("Dual-In-Package"), however, the heat generation is essentially the same, so that the problems related to efficient cooling

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der aus derartigen Kapseln aufgebauten Systeme besonders dringlich eine Lösung erfordern.the systems built up from such capsules urgently require a solution.

Es ist bekannt, ein elektronisches System dadurch zu kühlen, daß durch Kanäle in dem System ein starker Luftstrom geleitet wird. Dies erfordert eine gute Reinhaltung der Luft, da andernfalls die Luft die Kontaktgabe und auch sonstige empfindliche Elemente beeinflussen kann, wie dies z. B. in der US-PS 4 006 388 dargestellt ist. Es ist auch bekannt, großdimensionierte Metall-Leiter für die Wärmeleitung an einem oder mehreren Kühlflanschen anzubringen (US-PS 3 991 346).Dies kann aber bedeuten, daß das Gewicht des Systems untragbar hoch wird, wenn es beispielsweise in Luftfahrzeuge eingebaut werden soll. Die Verwendung von sogenannten Wärmeröhren ist ebenfalls bekannt, die die entstehende Wärme Kühlvorrichtungen zuleiten, die sich außerhalb des Systems selbst befinden, so daß auf diese Weise das Problem der Verschmutzung durch den Luftstrom ausgeschlossen ist (US-PS 3 631 325) .' Derartige Kühlvorrichtungen haben jedoch einen ziemlich komplizierten Aufbau und erfordern erheblich Platz.It is known to cool an electronic system by that a strong flow of air is passed through channels in the system. This requires keeping the air clean, since otherwise the air can affect the contact and other sensitive elements, such as z. B. in U.S. Patent 4 006 388 is shown. It is also known to use large-sized metal conductors for heat conduction to one or more To attach cooling flanges (US-PS 3,991,346) .This can but mean that the weight of the system becomes prohibitively high if it is to be installed, for example, in aircraft. The use of so-called heat pipes is also known, which conduct the resulting heat to cooling devices, which are external to the system itself, thus eliminating the problem of airflow pollution excluded (US Pat. No. 3,631,325). ' However, such cooling devices have a rather complicated structure and require considerable space.

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, die vorzugsweise für in Luftfahrzeugen eingesetzte Einrichtungen verwendet wird, welche auf dem Verdampfungs- und Kondensationsprinzip in einer geschlossenen Platte beruht. Von den Bauelementen oder den Schaltungsplatten, die die Bauelemente tragen, erzeugte Wärme wird an einen Ort in der Schaltungsanordnung transportiert, wo sie wirksam an die Luft abgegeben werden kann. Gase wie Freon werden als Transportmedium in dem Zyklus verwendet; ein solches Gas verdampft an der heißen Stelle und wird dann dampfförmig zu einem Kühlflansch geleitet, wo es abgekühlt wird und kondensiert. Nach dem Kondensationsvorgang strömt das nunmehr flüssige Gas durch Kanäle zwischen zwei Metallwänden, die die Bauteile oder SchaltungsplattenThe invention relates to a cooling device which is preferably used for devices used in aircraft which is based on the evaporation and condensation principle based in a closed plate. Generated from the components or circuit boards that support the components Heat is transported to a location in the circuit arrangement where it is effectively released into the air can. Gases such as Freon are used as the transport medium in the cycle; such a gas evaporates in the hot spot and is then passed in vapor form to a cooling flange, where it is cooled and condensed. After the condensation process the now liquid gas flows through channels between two metal walls that contain the components or circuit boards

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tragen, und kehrt so zu den die Wärme erzeugenden Bauteilen und Schaltungsplatten zurück, wo es erneut verdampft. Hierdurch ergeben sich ein sehr guter Wärmetransport und eine wirksame Kühlung innerhalb eines sehr begrenzten Raumes.wear, and so returns to the heat-generating components and circuit boards, where it evaporates again. Through this the result is very good heat transport and effective cooling within a very limited space.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für diskrete Bauelemente und/oder Schaltungsplatten zu schaffen, in der das Prinzip von Verdampfung und Kondensation in einer geschlossenen Kühlplatte eingesetzt wird, die so gestaltet ist, daß sie wenig wiegt und geringes Volumen hat.The invention is therefore based on the object of a cooling device for creating discrete components and / or circuit boards in which the principle of evaporation and condensation is used in a closed cooling plate, which is designed so that it weighs little and has a small volume Has.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht mit den kennzeichenden Merkmalen des Hauptanspruchs.The solution to this problem is done with the characterizing features of the main claim.

Anhand der Figuren der Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen im einzelnen näher beschrieben. Es zeigen:With reference to the figures of the drawing, the invention will be explained in more detail below in connection with exemplary embodiments described. Show it:

Fig. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung teils im Schnitt;1 shows a device according to the invention, partly in section;

Fig. 2 eine Schnittansicht der in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Kühlplatte;Figure 2 is a sectional view of the cooling plate used in the device of Figure 1;

Fig. 3 ein Baumodul für Keramikplatten, teils im Schnitt, bei welchem die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eingesetzt ist;Fig. 3 shows a building module for ceramic plates, partly in section, in which the inventive Cooling device is inserted;

Fig. 4 einen Schnitt durch das Modul in Fig. 3; undFIG. 4 shows a section through the module in FIG. 3; and

Fig. 5 ein geschlossenes Kühlsystem mit separat angeordneten Kühlkanälen gemäß Fig. 1.FIG. 5 shows a closed cooling system with separately arranged cooling channels according to FIG. 1.

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Fig. 1 zeigt eine Kühlvorrichtung nach der Erfindung, die teils im Schnitt wiedergegeben ist. Diese Vorrichtung enthält zahlreiche Kühlkanäle 3, die durch zwei im wesentlichen parallele Wände 1 und 2 aus metallischem Werkstoff, z. B. extrudiertem Aluminium oder Kupfer, gebildet werden. Die Ausbildung der Kanäle geht am deutlichsten aus der Fig. 2 hervor, die einen Schnitt nach der Linie A - A in Fig. 1 darstellt. Hierin ist zu erkennen, daß die Kühlkanäle Hohlräume 31 bis 3 7 aufweisen, von denen die Hohlräume 31 bis 33 eine Gruppe darstellen, in der sie untereinander über enge Spalte verbunden sind. Zwischen den Gruppen 31 bis 33 und 34 bis 37 liegt ein massiver Abschnitt 4, der ein Querelement bildet, das die beiden Wandabschnitte 1 und 2 zusammenhält. An einigen Stellen entlang des massiven Teils 4 befinden sich Löcher 8 (Fig. 1), an denen Bauteile , Schaltungsplatten oder sonstige Baukomponenten tragende Elemente befestigt werden können. In die mittleren Kammern 32 und 3 5 ist über die gesamte Höhe der Kühlplatte ein Kapillar-Material, z. B. Glasfasern, eingelegt.Fig. 1 shows a cooling device according to the invention, which is shown partly in section. This device contains numerous cooling channels 3, which by two substantially parallel walls 1 and 2 made of metallic material, for. B. extruded Aluminum or copper. The formation of the channels can be seen most clearly from FIG represents a section along the line A - A in FIG. It can be seen here that the cooling channels have cavities 31 to 37 have, of which the cavities 31 to 33 represent a group in which they are connected to one another via narrow gaps are. Between the groups 31 to 33 and 34 to 37 is a solid section 4, which forms a transverse element that the two Wall sections 1 and 2 holding together. At some points along the solid part 4 there are holes 8 (Fig. 1), on which components, circuit boards or other structural components load-bearing elements can be attached. In the middle chambers 32 and 3 5 is over the entire height of the cooling plate a capillary material, e.g. B. fiberglass, inserted.

Ein Kühlflansch 5 ist entlang der oberen Kante der zwei Wände 1 und 2 befestigt, und die Verbindungsränder 5a, 5b sind durch Salzbad-Lötung angelötet, was eine gute Kontrolle für die Dichtheit der Verbindung bietet. Das Kühlflanschelement 5 besteht aus extrudiertem Aluminium und weist Kühlrippen 51 bis 54 usw. auf. In seinem Innern befindet sich ein spitzwinkliger Hohlraum 6, der im unteren Teil eine Breite hat, die der Breite des Kanals mit dem weitesten Querschnitt entspricht. Die beiden einander gegenüberliegenden Flansche, z. B. 51 und 52, sind derart gegeneinander versetzt, daß sich ein zick-zack-ar— tiges Profil ergibt. Hiermit wird erzielt, daß die Flansche einer benachbarten (nicht gezeigten) Kühlvorrichtung in die Zwischenräume zweier nebeneinanderliegender Flansche, z. B. 52 und 54, eingreifen können. Es .ergibt sich dann zwischen den Flanschen zweier benachbarter Kühlflanschelemente ein Luftspalt , womit sich eine hohe Luftgeschwindigkeit aufgrundA cooling flange 5 is along the top edge of the two walls 1 and 2 attached, and the connection edges 5a, 5b are soldered by salt bath soldering, which is a good control for the Offers tightness of the connection. The cooling flange element 5 consists of extruded aluminum and has cooling fins 51 to 54 etc. In its interior there is an acute-angled cavity 6, which in the lower part has a width that is the width of the channel with the widest cross-section. The two opposite flanges, e.g. B. 51 and 52, are offset from one another in such a way that a zigzag-like profile results. This ensures that the flanges an adjacent (not shown) cooling device into the spaces between two adjacent flanges, e.g. B. 52 and 54 can intervene. It then results between the flanges of two adjacent cooling flange elements Air gap, which results in a high air speed

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der geringen Luftspalt-Dicke erzielen läßt.the small air gap thickness can be achieved.

Die abwärts weisenden öffnungen der Kühlkanäle sind mit einem Verschlußdecke 7 von U-förmigem Querschnitt abgeschlossen. Es ergibt sich dadurch ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum, der aus den Kühlkanälen 31 bis 33, 34 bis 37 und dem oberen, spitzwinkligen Hohlraum 6 innerhalb des Kühlflanschelementes gebildet wird.The downward-facing openings of the cooling channels are with a Closure cover 7 completed by a U-shaped cross-section. This results in a hermetically sealed cavity, that of the cooling channels 31 to 33, 34 to 37 and the upper, acute-angled cavity 6 within the cooling flange element is formed.

Wie bereits oben erwähnt, dienen die Löcher 8 dazu, diskrete elektronische Baukomponenten oder Schaltungsplatten, z. B. keramische Schaltungsplatten, zu befestigen. Im Betrieb erzeugen diese Baukomponenten oder Schaltungsplatten heiße Abschnitte auf den Kühlplatten, und diese erzeugte Wärme muß abgeleitet werden. Die Kanäle und Hohlräume sind hermetisch geschlossen und für diesen Zweck mit Freon gefüllt. An den heißen Stellen wird das Freon verdampft und kondensiert dann an den Kühlflanschelementen wieder, genauer gesagt, an den Wänden der inneren Kammer 6. Das flüssige Freon rinnt durch die Kühlkanäle 31, 33, 34, 36, 37 und alle die anderen "leeren" Kanäle abwärts. Durch das Kapillar-Material in den Kanälen 32, 35 wird die Flüssigkeit dann wieder nach oben gesaugt und ist so über die gesamte Fläche der beiden Wandteile 1 und 2 ausgebreitet. Das Verhältnis zwischen Flüssigkeit und Gas sowie Druck und Temperatur werden durch die zugeführte und die abgeleitete Wärmemenge bestimmt. Bei Raumtemperatur und ohne Zufuhr von Wärme beträgt der Innendruck etwas mehr als 1 bar. Wenn Wärme zugeführt wird, steigen Temperatur und Druck an. Bei einer Wärmezufuhr von 100 W und einer Kühlluft-Temperatur von 25 ⁰C ist der Innendruck auf etwa 4 bar berechnet, wobei die Temperatur der Kühlplatte dann über die gesamte Außenfläche den Wert von etwa 68 ° hat, ohne daß irgendwo heiße Stellen entstehen.As already mentioned above, the holes 8 serve to discreet electronic components or circuit boards, e.g. B. ceramic circuit boards to attach. In operation, these components or circuit boards create hot sections on the cooling plates and this generated heat must be dissipated. The channels and cavities are hermetically sealed and filled with freon for this purpose. The freon is evaporated at the hot spots and then condenses again on the cooling flange elements, more precisely on the walls of the inner chamber 6. The liquid freon runs through the cooling channels 31, 33, 34, 36, 37 and all the others "empty" Channels down. The liquid is then sucked up again through the capillary material in the channels 32, 35 and is thus spread over the entire surface of the two wall parts 1 and 2. The relationship between liquid and gas as well as pressure and temperature are determined by the amount of heat supplied and removed. At room temperature and without the supply of heat, the internal pressure is slightly more than 1 bar. When heat is applied, the temperature and pressure increase. At a heat input of 100 W and a cooling air temperature of 25 ⁰ C, the inner pressure to about 4 is calculated bar, whereby the temperature of the cooling plate then has a value of about 68 ° over the entire outer surface without somewhere hot spots arise.

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Für bestimmte Profile kann ein Kanal durch einen homogenen Abschnitt ersetzt werden, und es können Einheiten wie Leistungstransistoren aufgeschraubt werden, die dadurch sehr wirkungsvoll gekühlt werden.For certain profiles, a channel can be replaced by a homogeneous section, and units such as power transistors can be used be screwed on, which are thereby cooled very effectively.

Fig. 3 zeigt mehr im einzelnen, wie Keramik-Platten, die Keramik ("CCC")-Kapseln tragen, auf der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung angeordnet und befestigt werden.Fig. 3 shows in more detail how ceramic plates that carry ceramic ("CCC") capsules on the cooling device according to the invention be arranged and fastened.

Eine Grundplatte 10 aus einem Material wie Epoxid ist entlang ihrer Mitte faltbar und groß genug, die Oberseite von zwei Wänden 1 und 2 der Kühlvorrichtung zu überdecken. In der Grundplatte 10 sind zahlreiche Löcher oder öffnungen vorhanden für die Keramikplatten 9, von denen die oberen, wie in Fig. 3 gezeigt, die Keramik-Kapseln 12 und 13 tragen. Flexible Laschen 111, 112, 113 aus einem Material wie Polyimid sind an der Grundplatte 10 angebracht und besitzen Lötpunkte 14, 15, um gedruckte Schaltungsbahnen in der Folie 113 mit den Kerainik-Kapseln 13 verbinden zu können.A base plate 10 made of a material such as epoxy is foldable along its center and is large enough to be the top of two To cover walls 1 and 2 of the cooling device. In the base plate 10 there are numerous holes or openings for the ceramic plates 9, of which the upper ones, such as shown in Fig. 3, the ceramic capsules 12 and 13 carry. Flexible Tabs 111, 112, 113 made of a material such as polyimide are attached to the base plate 10 and have solder points 14, 15 to printed circuit tracks in the film 113 with to connect the Kerainik capsules 13.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt gemäß den Teilen B-B in Fig. Die Keramikplatten 9 liegen außen auf den Wänden 1, 2 und werden durch Schraubenbefestigungen 16, 17 und zwischengelegte Befestigungselemente 18 aus einem Material wie Teflon festgelegt. Die Kontakte der Grundschaltungsplatte 10 sind mit der Folie 113 verbunden, die eine gewisse Bewegungsfreiheit besitzt. Die Keramikplatten 9 sind in üblicher Weise gestaltet und haben angepaßte Größe mit 4 bis 5 Schichten einer leitenden Bedruckung.Fig. 4 shows a cross section according to parts B-B in Fig. The ceramic plates 9 lie outside on the walls 1, 2 and are by screw fasteners 16, 17 and intermediate Fasteners 18 made of a material such as Teflon set. The contacts of the basic circuit board 10 are with the Slide 113 connected, which has a certain freedom of movement. The ceramic plates 9 are designed in the usual way and are appropriately sized with 4 to 5 layers of conductive printing.

Die Kühlvorrichtung muß nicht unbedingt als Platte, die aus Kühlkanal-Modulen besteht, welche gemäß der Darstellung in Fig. 1 zusammengefügt sind, ausgebildet sein.The cooling device does not necessarily have to be a plate consisting of cooling channel modules which, as shown in FIG Fig. 1 are assembled, be formed.

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In Pig. 5 ist eine Kühlvorrichtung gezeigt, die aus einzelnen Modulen oder Kanalabschnitten 20 bis 22 besteht, von denen jedes eine Einzelgruppe von Kanälen, z. B. 31 bis 33 gemäß Fig. 2, besitzt. Die Abschnitte sind an das Kühlflanschelement 5 in der oben beschriebenen Weise angelötet. Die Kammer 6 innerhalb des Kühlelementes 5 ist durch Blöcke 23 verschlossen, jeder mit einem U-förmigen Querschnitt und mit einem oberen Abschnitt 25, der der öffnungsweite der Kammer angepaßt ist, damit eine gute Abdichtung erzielt wird. Die unteren Teile der Abschnitte 20 bis 22 sind mit Hilfe eines langgestreckten Blockes 26 von U-förmigem Querschnitt verbunden, wobei ein oberer Abschnitt 27 mit den Endkanten der Kanalabschnitte verlötet ist. Eine Verschlußleiste 28 bildet zusammen mit der Innenfläche des Blockes 26 einen Hohlraum, der mit sämtlichen Kammern in den Abschnitten 20 bis 22 in Verbindung steht. Es wird so ein geschlossenes Kühlsystem gebildet, das gleichmäßige Kühlung für Schaltungsplatten oder Bauteile ergibt, die in geeigneter Weise mit den Kanalabschnitten 20 bis 22 verbunden sind.In Pig. 5, a cooling device is shown which consists of individual modules or channel sections 20 to 22, of which each a single group of channels, e.g. B. 31 to 33 of FIG. 2, has. The sections are attached to the cooling flange element 5 soldered in the manner described above. The chamber 6 within the cooling element 5 is closed by blocks 23, each with a U-shaped cross-section and with an upper section 25 which is the opening width of the chamber is adapted so that a good seal is achieved. The lower parts of the sections 20-22 are by means of a elongated block 26 of U-shaped cross-section, with an upper section 27 connected to the end edges of the channel sections is soldered. A closure strip 28 together with the inner surface of the block 26 forms a cavity, which communicates with all of the chambers in sections 20-22. It becomes a closed cooling system formed, which results in uniform cooling for circuit boards or components, which in a suitable manner with the channel sections 20 to 22 are connected.

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Claims

(1J cooling device for electronic components and / or Circuit boards on which the components are mounted, with a hermetically sealed space for a medium, "the one Performs evaporation-condensation cycle, and heat transported from the components to a heat emission point, consisting of a cooling plate with a cooling flange element, which is attached in the upper area to the plate and has tapered cooling fins, while its interior as itself upwardly tapering cavity is formed, characterized in that the cooling plate consists of two flat, mutually parallel Walls (1, 2) consists of at least one cavity in the form of channels (31-33, 34-37) from the upper end of the plate to the lower end that a sealing device (7) for the channels on the lower part of the plate it is provided that the lower part of the cavity (6) in the cooling flange (5) opens into the channels and that the Cooling ribs (51 - 54) protrude on both sides of the cavity (6) in such a way that opposing cooling ribs

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are offset from one another, whereby cooling fins of a cooling device can partially penetrate into the interstices of an adjacent cooling device.

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that that of the channels (31-33, 34-37) a certain number are combined into a group and this group is divided into columns of smaller width than the cross-sectional dimensions of the individual channels are connected to one another.

3. Cooling device according to claim 2, characterized in that that at least one (3 2, 35) of the channels of a group is a capillary material, e.g. B. fiberglass, for sucking up of the condensed medium.

4. Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that that the sections of the plates lying between the channel groups (31-33, 34-37) run parallel to the channels, massive parts (4) are.

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