УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ
DEVICE TO REMOVE HEAT FROM HEAT RELEASING COMPONENTS

Изобретение относится к области электроники и может быть использована для обеспечения эффективного отвода тепла от печатных плат с размещенными на них электронными компонентами.
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. Форма и толщина медных пластин выбираются исходя из требований к жесткости конструкции, плотности тока, протекающего через приборы, максимально допустимого теплового сопротивления теплоотвода, рассеивающих избыточное тепло непосредственно и/или с помощью прижима дополнительных радиаторных элементов.
Недостатком устройства является относительно низкая эффективность отвода тепла.
Известно также устройство для охлаждения полупроводниковых элементов на печатной плате [RU 128766, U1, G12B 15/06, 27.05.2013], состоящее из корпуса, имеющего верхнюю крышку и нижнюю крышку, полупроводниковых элементов, печатной платы, при этом на одном краю корпуса на верхней крышке расположен П-образный паз с выпуклостью на внутренней поверхности, направленный в нижний паз на нижней крышке, причем печатная плата и нижняя крышка взаимодействуют через теплопроводную прокладку, а над полупроводниковыми элементами, расположенными над печатной платой, расположена теплопроводная резина, которая взаимодействует с верхней крышкой, причем на втором конце корпуса крышки соединены винтовой парой и «замком» из системы паз на торце верхней и выступ на торце нижней крышки, а над полупроводниковыми элементами на верхней и нижней крышках имеются ребра радиаторов охлаждения.
Недостатком устройства также является относительно низкая эффективность отвода тепла.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем [RU 117056, U1, H05K 7/20, 10.06.2012], состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции 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 описанной выше конструкции устройства является недостаточная эффективность охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем потому, что тепловая энергия, выделяемая компонентами электронных систем, установленных на печатной плате, принимается только одной из пластин, форма которой не согласована с формой печатной платы с компонентами электронных систем, и отводится в теплосток к другой пластине, которая соединена с первой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности теплоотвода.
Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности теплоотвода.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, размещенных на печатной плате, содержащем две пластины из высокотеплопроводных материалов, первая из которых закреплена на печатной плате с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами, согласно изобретению первая пластина закреплена на фронтальной стороне печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами и со стороны, обращенной к размещенным на печатной плате тепловыделяющим компонентам, выполнена в виде реплики фронтальной стороны печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами, при этом вторая пластина из высокотеплопроводных материалов закреплена на обратной стороне печатной платы.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что вторая пластина из высокотеплопроводных материалов со стороны, прилегающей к поверхности обратной стороны печатной платы, выполнена в виде реплики обратной стороны печатной платы.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в первой и/или второй пластинах из высокотеплопроводных материалов выполнены сквозные технологические отверстия или для разъемов, и/или для креплений, и/или для элементов вывода электромагнитного излучения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что стороны первой и/или второй пластин из высокотеплопроводных материалов, противоположные сторонам, обращенным к печатной плате, выполнены в виде охлаждающих радиаторов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что сквозные технологические отверстия для элементов вывода электромагнитного излучения выполнены коническими с углами раствора, соответствующими требуемым углам излучения соответствующих источников электромагнитного излучения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что сквозные технологические отверстия для вывода электромагнитного излучения содержат фокусирующую оптику.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что сквозные технологические отверстия для элементов вывода электромагнитного излучения содержат отражающее покрытие.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве высокотеплопроводных материалов для пластин используют или металлы, и/или теплопроводные пластмассы, и/или теплопроводные керамики с коэффициентом теплопроводности 1-1000 Вт/м·К.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что поверхности первой и/или второй пластины со стороны печатной платы покрыты слоем высокотеплопроводной пасты с коэффициентом теплопроводности 1-200 Вт/м·К.
Предложенное устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов поясняется чертежом:
на фиг.1 - пример монтажа первой и второй пластин из высокотеплопроводных материалов на фронтальную сторону печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами и ее обратную сторону, соответственно;
на фиг. 2 - пример выполнения устройства для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов с частичным покрытием пластиной из высокотеплопроводного материала обратной стороны печатной платы;
на фиг.3 - пример выполнения устройства для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов при выполнении в пластине из высокотеплопроводного материала сквозных отверстий для вывода электромагнитного излучения.
На чертеже представлены: печатная плата 1 с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами 2, первая пластина 3 из высокотеплопроводных материалов, предназначенная для закрепления на фронтальной стороне печатной платы 1 с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами 2. Первая пластина 3 из высокотеплопроводных материалов со стороны, обращенной к размещенным на печатной плате тепловыделяющими компонентам 2, выполнена в виде реплики (объемного отпечатка) фронтальной стороны печатной платы 1 с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами. При этом с обратной стороны первая пластина 3 из высокотеплопроводных материалов выполнена в форме охлаждающего радиатора, образованного элементами охлаждения 4 первой пластины, а вторая пластина 5 из высокотеплопроводных материалов, выполненная в форме охлаждающего радиатора, образованного элементами охлаждения 6 второй пластины, закреплена на обратной стороне печатной платы 1. При этом вторая пластина 5 из высокотеплопроводных материалов, выполненная в форме охлаждающего радиатора и закрепленная на обратной стороне печатной платы 1, со стороны, обращенной к печатной плате 1, может быть выполнена в виде реплики (объемного отпечатка) обратной стороны печатной платы. Первая 3 и вторая 5 пластины из высокотеплопроводных материалов могут иметь как технологические отверстия, так и сквозные отверстия и элементы 7, предназначенные для специального назначения, например для вывода излучения светодиодов, креплений, разъемов и т.п.
Сквозные технологические отверстия для элементов вывода электромагнитного излучения могут быть выполнены коническими с углами раствора, соответствующими требуемым углам излучения соответствующих источников электромагнитного излучения, и содержать фокусирующую оптику. Сквозные технологические отверстия для элементов вывода электромагнитного излучения могут содержать отражающее покрытие. В качестве высокотеплопроводных материалов для пластин используют или металлы, и/или теплопроводные пластмассы, и/или теплопроводные керамики с коэффициентом теплопроводности 1-1000 Вт/м·К. Поверхности первой и/или второй пластины со стороны печатной платы могут быть покрыты слоем высокотеплопроводной пасты с коэффициентом теплопроводности 1-200 Вт/м·К.
Работает устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов следующим образом.
Первая 3 и вторая 5 пластины выполнены из материала (металл, керамика, теплопроводящая пластмасса и т.п. с коэффициентом теплопроводности не меньше 1-1000 Вт/м·К). Первая 3 и вторая 5 пластины из высокотеплопроводных материалов со стороны, обращенной к печатной плате, выполнены в виде реплики (объемного отпечатка) соответствующих сторон печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами 2, а противоположные их стороны, как правило, выполнены в виде охлаждающего радиатора, например, в форме цилиндров, пластин, конусов и т.д. для увеличения площади теплоотвода.
Функция, в частности, первой пластины 3 из высокотеплопроводных материалов - выравнивание температурных полей по плоскости печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами 2 за счет механизма теплопроводности материала, из которого она изготовлена, и увеличение поверхности теплообмена (теплорассеяния) с воздухом с противоположной стороны, выполненной в виде охлаждающего радиатора.
Аналогичным образом может быть выполнена вторая пластина 5 из высокотеплопроводных материалов. Однако в распространенных случаях обратная сторона печатной платы 1 является плоской, что упрощает конструкцию второй пластины 5.
В зависимости он конструктивного исполнения и функционального назначения устройства в пластинах могут быть предусмотрены сквозные отверстия для разъемов, креплений и элементов вывода специфических видов электромагнитного излучения (например, лазерного, оптического от светодиодов (позиция 7 на фиг.2), инфракрасного и т.п.), а покрытие фронтальной и обратной сторон печатной платы 1 пластинами из высокотеплопроводных материалов может быть частичным.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства путем введения дополнительного арсенала технических средств (в частности, тем, что первая пластина закреплена на фронтальной стороне печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами и со стороны, обращенной к размещенным на печатной плате тепловыделяющим компонентам, выполнена в виде реплики фронтальной стороны печатной платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами, при этом вторая пластина из высокотеплопроводных материалов закреплена на обратной стороне печатной платы) достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности теплоотвода, поскольку теплоотвод осуществляется с обеих сторон печатной платы через пластины, которые непосредственно соприкасаются как с самой печатной платой, так и тепловыделяющими компонентами, которые на ней размещены.
Кроме того, при одинаковых теплорассеивающих характеристиках предложенное конструктивное решение обеспечивает заметно меньшие массогабаритные размеры по отношению к традиционным радиаторам из алюминиевых сплавов. В таблице приведены результаты сравнения удельных массогабаритных характеристик прожекторных LED типовых конструкций на основе алюминия и конструкций с фронтальным охлаждением из теплорассеивающего пластика.
Торговая марка, материал корпуса, тип оптической системы (ОС)
М Масса, g
V Объем, cm<sup>3</sup>
LED, Р wt, S(Lm)
Tmax, °C
Удельные массогабаритные характеристики, (на 1 люмен, ватт)
М/Р, g/wt
V/P, cm<sup>3</sup>/wt
m/lm, g/Lm
V/lm, cm<sup>3</sup>/Lm
«Рынок-2013», алюминий, рассеивающая ОС
280
454
NB, 10wt900 Lm
50
28
45
0,28
0,5
«ШТУРМАН-LED», ТРП ТЕПЛО-СТОК,  фокусирующая ОС, угол 60 град
55
55
CREE 10wt 1100 Lm
49
5,5
5,5
0,05
0,05
Как следует из таблицы, светильники, сконструированные на основе предложенных принципов фронтального охлаждения светодиодов и изготовленные из современных теплорассеивающих композитов, в сравнении с типичными алюминиевыми светильниками при одинаковых светотехнических характеристиках имеют в 5 раз меньшую массу и в 8 раз меньшие габариты.