Устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована 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.
Наиболее близким к предложенному является устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов [RU 2602805, C1, G12B 15/06, H05K 7/20, H01L 23/373, 20.11.2016], 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 с диаметром 0,1-2 мм, причем, 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°.
Особенностями наиболее близкого технического решения, соответствующие частному случаю его выполнения является то, что, используют гибкую теплопроводную фольгу толщиной 5-500 мкм, а слой термопасты имеет толщину 0,1-3 мм.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно малая площадь контакта у теплопринимающего элемента, снижающего эффективность термического контакта с теплоотводящего элемента. На практике зазор между ними в силу перекосов при монтаже и дефектов поверхности может достигать 3-5 мм, а большое соотношение между толщиной слоя термопасты и металлической фольги (в среднем 1:20) приводит к большому боковому вытеканию термопасты. Эти выделения загрязняют монтажное пространство и требуют дополнительной технологической операции по их очистке.
Кроме того, для создания гарантированного теплового контакта с помощью этого устройства требуются большие удельные давления сжатия (до 2 МПА), которые создать в условиях малотиражного производства затруднительно, что существенно сужает сферу применения устройства.
Поскольку пластины устройства выполнены из гибкой теплопроводной фольги, то это не позволяет использовать его для охлаждения процессоров с множеством контактных элементов, фрагментов печатной платы PSB, а также подобных электронных компонентов с открытыми токоведущими контактами.
Таким образом, недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность отвода тепла от компонентов электронных систем, а также относительно узкая область применения, что сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для отвода тепла от тепловыделяющих объектов.
Задача, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, заключается в повышении эффективности теплоотвода.
Требуемый технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, 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 и содержащий термопасту, при этом пластины выполнены из гибкой теплопроводной фольги и снабжены равномерно размещенными по их площади сквозными отверстиями, согласно полезной модели, теплопроводный элемент выполнен в виде помещенного в термопасту слоя из гибкой теплопроводной фольги с равномерно выполненными в нем сквозными отверстиями, а поверхности теплопринимающего и теплоотводящего элементов, выполненные в виде пластин из теплопроводного материала, обращенные, соответственно, к тепловыделяющему объекту и внешнему теплостоку, имеют профилированные поверхности, состоящие из множества регулярно выполненных выпуклостей.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что слой из гибкой теплопроводной фольги выполнен в виде пластины толщиной 5-500 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что слой из гибкой теплопроводной фольги выполнен в виде двух параллельно размещенных пластин с толщиной 5-500 мкм и расстоянием между параллельно размещенными пластинами 5-200 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что слой из гибкой теплопроводной фольги выполнен в виде пластины толщиной 5-500 мкм пилообразной формы.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что выпуклости на профилированных поверхностях, имеют высоту в интервале 100-1500 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что внешняя поверхность теплопринимающего элемента в виде пластины из теплопроводного материала, прилегающей к тепловыделяющему объекту, покрыта слоем электроизоляционного материала толщиной 5-300 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве электроизоляционного материала используют пленку из высокомолекулярных пластмасс.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов;
на фиг. 2 - устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов с теплопроводящей пластиной двойной;
на фиг. 3 - устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов с теплопроводящей пластиной пилообразной.
На чертеже обозначены:
1 - теплопринимающий элемент;
2 - теплопроводный элемент;
3 - теплопроводящий элемент;
4 - термопаста;
5 - слой электроизоляционного материала.
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 3 в виде пластины из теплопроводного материала с внешней поверхностью, прилегающей к внешнему теплостоку, а также теплопроводный элемент 2, размещенный между указанными пластинами вплотную к их внутренним поверхностям и содержащий термопасту 4, причем пластины 1 и 3 выполнены из гибкой теплопроводной фольги и снабжены равномерно размещенными по их площади сквозными отверстиями, а поверхности теплопринимающего 1 и теплоотводящего 3 элементов, выполненные в виде пластин из теплопроводного материала, обращенные, соответственно, к тепловыделяющему объекту и внешнему теплостоку, имеют профилированные поверхности, состоящие из множества регулярно выполненных выпуклостей.
В устройстве теплопроводный элемент 2 выполнен в виде помещенного в термопасту слоя из гибкой теплопроводной фольги с равномерно выполненными в нем сквозными отверстиями на расстояниях в 50-500 мкм от теплопринимающего 1 и теплоотводящего 3 элементов. Расстояние менее 50 мкм затрудняет изготовление устройства и не позволяет надежно подавать в зазор термопасту, а расстояния более 500 мкм значительно увеличивает размеры устройства без существенного повышения эффективности утилизации тепла.
В частном случае выполнения теплопроводный элемент 2 выполнен в виде помещенного в термопасту слоя из гибкой теплопроводной фольги толщиной 5-500 мкм с равномерно выполненными в нем сквозными отверстиями (фиг. 1). Кроме того, слой из гибкой теплопроводной фольги может быть выполнен в виде двух параллельно размещенных пластин с толщиной 5-500 мкм (фиг. 2) и расстоянием между параллельно размещенными пластинами 5-200 мкм или в виде пластины толщиной 5-500 мкм пилообразной формы (фиг. 3). Выпуклости на профилированных поверхностях имеют высоту в интервале 50-1500 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что внешняя поверхность теплопринимающего элемента в виде пластины из теплопроводного материала, прилегающей к тепловыделяющему объекту, покрыта слоем электроизоляционного материала толщиной 5-300 мкм, в качестве которого может быть использована пленка из высокомолекулярных пластмасс.
Используется устройство отвода тепла от тепловыделяющих объектов следующим образом.
При внешнем силовом воздействии, которое передается на теплопринимающий 1 и теплоотводящий 2 элементы, выполненные из гибкой теплопроводной фольги, соприкасаются, в первую очередь, с выпуклостями и, кроме того, под влиянием силового воздействия термопаста 4 через сквозные отверстия равномерно заполняет шероховатости на поверхностях тепловыделяющего объекта и внешнего теплостока. Этим самым обеспечивается качественный контакт сопрягаемых поверхностей и приводит к повышению эффективности теплоотвода.
Дополнительно предусмотрена возможность изготовления перфорации с отверстиями отличной от круга формы (прямоугольника, эллипса, креста, звезды и т.п.). Это позволяет термопасте при более меньших давлениях сжатия выйти через эти отверстия и вытеснить воздух.
2
Выполнение теплопроводного элемента в виде помещенного в термопасту слоя из гибкой теплопроводной фольги с равномерно выполненными в нем сквозными отверстиями на расстояниях в 5-500 мкм от теплопринимающего и теплоотводящего элементов, улучшает тепловой контакт, увеличивает его теплоемкость и продольную, вдоль устройства теплопроводность. Слой из гибкой теплопроводной фольги изготавливается из теплопроводящего материала, например, из алюминиевой, медной или серебряной фольги толщиной от 5 до 500 мкм Отверстия могут любой формы и быть выполнены любым способом. Площадь каждого из отверстий может колебаться в пределах 0,3-1,5 мм. Величина суммарной площади отверстий находится в пределах от 20% до 40% от величины площади слоя. Кроме того, слой из гибкой теплопроводной фольги может быть выполнен в виде двух параллельно размещенных пластин с толщиной 5-500 мкм (фиг. 2) и расстоянием между параллельно размещенными пластинами 5-200 мкм или в виде пластины толщиной 5-500 мкм пилообразной формы (фиг. 3). Выпуклости на профилированных поверхностях имеют высоту в интервале 50-1500 мкм. Это улучшает тепловой контакт между теплопринимающим и теплоотводящим элементами и увеличивает теплопроводность устройства, как вдоль, так и поперек.
Таким образом, благодаря тому, что теплопроводный элемент выполнен в виде помещенного в термопасту слоя из гибкой теплопроводной фольги с равномерно выполненными в нем сквозными отверстиями, а поверхности теплопринимающего и теплоотводящего элементов, выполненные в виде пластин из теплопроводного материала, обращенные, соответственно, к тепловыделяющему объекту и внешнему теплостоку, имеют профилированные поверхности, состоящие из множества регулярно выполненных выпуклостей, достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении эффективности теплоотвода.