УСТРОЙСТВО ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR HEAT REMOVAL FROM HEAT-GENERATING OBJECTS

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для обеспечения эффективного отвода тепла от тепловыделяющих объектов, например от электронных компонентов, установленных на единой печатной плате в электронном модуле.
Известно устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, установленных в электронном модуле [RU 2350055, H05K 7/20, 20.03.2009], 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, причем форма и толщина медных пластин выбираются исходя из требований к жесткости конструкции, плотности тока, протекающего через приборы, максимально допустимого теплового сопротивления теплоотвода, рассеивающего избыточное тепло непосредственно и/или с помощью прижима дополнительных радиаторных элементов.
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.
Известно также устройство для отвода тепла от теплонагруженного электронного компонента с планарными выводами, размещенного на печатной плате [RU 2105441, H05K 7/20, 20.02.1998], в котором 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.
Недостатком этого устройства являются относительно узкие функциональные возможности, обусловливающие его ограниченное применение, поскольку оно пригодно только для рассматриваемой конкретной конструкции блока и отсутствует возможность его использования для интегральных микросхем с корпусами, установленных на одной печатной плате и имеющих матричные и шариковые выводы.
Известно также конструктивное решение для конвективного охлаждения лазерного диода с теплообменником, вынесенным на крышку модуля [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], в котором использован теплопровод, передающий тепловой поток от лазерного диода к теплообменнику, представляющий собой жгут медных волокон диаметром 30-70 мкм.
Недостатком такого конструктивного решения являются относительно узкие функциональные возможности, обусловливающие его ограниченное применение, поскольку оно создано для охлаждения конкретного электронного прибора - лазерного диода с теплообменником, вынесенным на крышку модуля. Это ограничивает возможность использования его для других конструкций.
Близким аналогом предложенного является устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем [RU 117056 U1, H05K 7/20, G12B 15/06, G06F 1/20, 10.06.2012], состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкций теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, причем 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.
Недостатком наиболее близкого технического решения является недостаточная эффективность отвода тепла от компонентов электронных систем, обусловленная тем, что пластины из высокотеплопроводных материалов, одна из которых закреплена на корпусе электронного компонента, а другая - на конструкции теплостока, не могут идеально прилегать к корпусу электронного компонента и к теплостоку, соответственно, поскольку на прилегающих друг к другу поверхностях, как правило, имеются шероховатости, которые приводят к образованию малоразмерных воздушных зазоров и, следовательно, к снижению теплопроводности устройства для отвода тепла от компонентов электронных систем в целом.
Использование для улучшения прилегания поверхностей термопасты имеет существенный недостаток, связанный с тем, что технологический процесс нанесения термопаст весьма трудоемок, требует постоянного контроля (толщина, профиль нанесения пасты, сила прижатия, устранение подтекания пасты после подпрессовки и т.д.).
В силу этого нанесения термопасты с трудом встраивается в конвейерное производство, плохо поддается автоматизации, имеет репутацию «грязного» технологического процесса, характеризуется достаточно большим процентом невозвратных отходов.
Альтернативное термопастам использование эластичных термопрокладок достаточно легко встраивается в автоматизированные линии сборки и является малоотходным. Однако несмотря на то что в силу эластичности термопрокладки относительно эффективно могут использоваться при сопряжении поверхностей с крупными воздушными зазорами, возникающими при большой криволинейности, перекосами при монтаже, крупными дефектами поверхностей, они имеют крупный недостаток, связанный с тем, что могут обеспечить проникновение (заполнение) во все «пограничные» неровности и шероховатости сопрягаемых поверхностей, поэтому при использовании эластичных термопрокладок могут оставаться незаполненными большое количество воздушных зазоров. Это приводит к снижению теплопроводности устройств для отвода тепла от компонентов электронных систем в целом.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем [US 2014/0008050 A1, F28F 3/00, 09.06.2014], содержащее теплопринимающий элемент в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к тепловыделяющему объекту, и теплоотводящий элемент в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к внешнему теплостоку, а также теплопроводный элемент, размещенный между пластинами вплотную к их внутренним поверхностям, причем теплопроводный элемент выполнен в виде слоя термопасты, а пластины выполнены из гибкой теплопроводной фольги и снабжены равномерно размещенными по их площади сквозными отверстиями.
Недостатком наиболее близкого технического решения является недостаточная эффективность отвода тепла от компонентов электронных систем.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности теплоотвода.
Требуемый технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении эффективности теплоотвода.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве для отвода тепла от тепловыделяющих объектов, содержащем теплопринимающий элемент в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к тепловыделяющему объекту, и теплоотводящий элемент в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к внешнему теплостоку, а также теплопроводный элемент, размещенный между пластинами вплотную к их внутренним поверхностям, причем, теплопроводный элемент выполнен в виде слоя термопасты, а пластины выполнены из гибкой теплопроводной фольги и снабжены равномерно размещенными по их площади сквозными отверстиями с диаметром 0,1-2 мм, согласно изобретению, формирование сквозных отверстий производят путем прокола теплопроводной фольги поочередно с ее внутренней и внешней стороны, а на выходах сквозных отверстий, полученных путем прокола, формируют выступы в теплопроводной фольге в форме усеченного конуса с высотой 0,1-2 мм и с углом наклона образующей 15°-90°.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что используют гибкую теплопроводную фольгу толщиной 5-500 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что слой термопасты имеет толщину 0,1-3 мм.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов;
на фиг. 2 - иллюстрация работы устройства отвода тепла от тепловыделяющих объектов.
Устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов содержит теплопринимающий элемент 1 в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к тепловыделяющему объекту, и теплоотводящий элемент 2 в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к внешнему теплостоку (на чертеже не показан)
Кроме того, устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов содержит теплопроводный элемент 3, размещенный между пластинами вплотную к внутренним поверхностям теплопринимающего 1 и теплоотводящего 2 элементов.
В устройстве отвода тепла от тепловыделяющих объектов теплопроводный элемент 3 выполнен в виде слоя термопасты, а теплопринимающий 1 и теплоотводящий 2 элементы выполнены из гибкой теплопроводной фольги и снабжены равномерно размещенными по их площадям сквозными отверстиями 4.
При реализации устройства отвода тепла от тепловыделяющих объектов в частном случае могут быть использованы следующие рекомендации по параметрам его конструкции.
Сквозные отверстия могут иметь диаметр 0,1-2 мм, при их формировании целесообразно производить поочередный прокол теплопроводной фольги с ее внутренней и внешней стороны. Кроме того, при формировании сквозных отверстий формируют выступы в теплопроводной фольге в форме усеченного конуса с высотой 0,1-2 мм и с углом наклона образующей 15°-90°.
Дополнительно к указанному в качестве гибкой теплопроводной фольги используют алюминиевую или медную фольгу толщиной 5-500 мкм, в качестве термопасты используют, например, пасту КПТ-8, слой термопасты формируют толщиной 0,1-3 мм.
Сами пластины из теплопроводного материала, как правило, имеют одинаковые размеры, а по краям они могут быть жестко соединены (спаяны).
Величина суммарной площади отверстий находится в пределах от 20% до 75% от величины площади пластины из теплопроводного материала.
Используется устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов следующим образом.
При внешнем силовом воздействии это усилие передается на теплопринимающий 1 и теплоотводящий 2 элементы, выполненные из гибкой теплопроводной фольги. Поэтому сразу нивелируются относительно крупные неровности на поверхностях тепловыделяющего объекта и внешнего теплостока. Кроме того, под влиянием силового воздействия термопаста 3 через сквозные отверстия 4 заполняет шероховатости на поверхностях тепловыделяющего объекта и внешнего теплостока. Этим самым обеспечивается качественный контакт сопрягаемых поверхностей и приводит к повышению эффективности теплоотвода.
Таким образом, благодаря тому что формирование сквозных отверстий производят путем прокола теплопроводной фольги поочередно с ее внутренней и внешней стороны, а на выходах сквозных отверстий, полученных путем прокола, формируют выступы в теплопроводной фольге в форме усеченного конуса с высотой 0,1-2 мм и с углом наклона образующей 15°-90°, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности теплоотвода.
Это обусловлено тем, что при формировании отверстий путем прокола иглами происходит пластическая деформация пластины с формированием конусообразных отверстий без удаления части ее высокотеплопроводящего материала. Кроме того, благодаря поочередному прокалыванию теплопроводной фольги с ее внутренней и внешней стороны устраняется недостаток, присущий наиболее близкому техническому решению, в котором при сдавливании изделий для термопасты пасты либо затруднен, либо полностью блокирован проход между плоскими участками ее поверхности и поверхностью охлаждаемого устройства. В результате у них остаются воздушные микрозазоры-теплоизоляторы, сильно снижающие теплопроводность всей системы. В предложенном устройстве профиль поверхности сразу же при сдавливании начинает инициировать поступление термопасты из отверстий в свободный воздушный объем по всей поверхности соприкосновения, что гарантирует их полное заполнение термопастой и гарантирует отсутствие воздушных включений.