УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ И ОТВОДА ТЕПЛА ОТ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована для обеспечения эффективного отвода тепла от электронных компонентов, в частности микросхем и других электро- радиоэлементов (ЭРЭ), установленных на единой печатной плате в электронном модуле.
Известно устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, установленных в электронном модуле, 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, рассеивающим избыточное тепло непосредственно и/или с помощью прижима дополнительных радиаторных элементов. (Патент RU №2350055, кл. H05K 7/20 опублик. 20.03.2009),
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 решения задачи отвода тепла от теплонагруженного электронного компонента с планарными выводами, размещенного на печатной плате. 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. (Патент RU №2105441, кл. H05K 7/20 опублик. 20.02.1998)
Недостатком данного этого устройства является ограниченное его применение, пригодное только для рассматриваемой конкретной конструкции блока и невозможность его использования для интегральных микросхем с корпусами, имеющими матричные и шариковые выводы, установленных на одной печатной плате.
Известно также конструктивное решение для конвективного охлаждения лазерного диода с теплообменником, вынесенным на крышку модуля, в котором использован теплопровод, передающий тепловой поток от лазерного диода к теплообменнику, и представляющий собой жгут медных волокон диаметром 30…70 мкм. Недостатком данного конструктивного решения является, во-первых, отсутствие обоснования выбора параметров теплопровода и, во-вторых, ограниченное применение описанного решения, продиктованного конкретной конструктивной задачей не связанной с охлаждением и отводом тепла от электронных модулей, содержащих печатную плату с установленными на ней электронными компонентами. (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)
Недостатком описанного выше устройства является то, что они не обеспечивают эффективный отвод тепла. Это связано с тем, что микросхемы и ЭРЭ, установленные на печатной плате, имеют различные конструктивные габариты в том числе и высоту, поэтому обеспечить одинаково эффективный прижим каждого компонента к пластине-теплоотводу невозможно. Из-за значительного разброса величины зазоров между поверхностями компонентов и пластины-теплоотвода не помогают и эластичные теплопроводящие прокладки, заполняющие зазор. Кроме того необходима дополнительная установка охлаждающего приспособления, например, вентилятора. Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы (Николаенко Ю.Е., Жук С.К., Батуркин В.М., Олефиренко С.К. «Обеспечение тепловых режимов аппаратуры», Госкомитет промышленной политики Украины, НТУУ "Киевский политехнический институт" Украина, г.Киев, с.35)
Недостатком описанной выше конструкции устройства является недостаточная эффективность охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем потому, что тепловая энергия, выделяемая компонентами электронных систем, установленными на печатной плате, рассеивается внутри самой схемы, поэтому необходима дополнительная установка охлаждающего приспособления, например, вентилятора, что усложняет конструкцию печатной платы и уменьшает площадь, используемую для установки других радиоэлектронных компонентов.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели состоит в повышении качества процесса охлаждения и теплоотвода без использования дополнительных охлаждающих приспособлений.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, состоящем из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, принимающий и отводящий тепло элемент выполнен 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;
а так же тем, что одна из пластин установлена над печатной платой с электронными компонентами и выполнена в соответствии с размерами печатной платы, в которой над каждым тепловыделяющим электронным компонентом выполнены отверстия в соответствии с размерами их корпусов для размещения в каждом из них второй пластины принимающего и отводящего тепло элемента;
и еще тем, что гибкие звенья выполнены многожильными в виде пучка из волокон меди, или графита, или графена;
и тем, что гибкие звенья выполнены в виде гофр из пластин меди, или графита, или графена.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем с гибким многожильным высокотеплопроводящим звеном; на фиг 2 - вариант выполнения устройства с гофрированным высокотеплопроводящим звеном;
на фиг.3 - конструктивный вариант применения устройства отвода тепла.
Конструкция устройства охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем включает в себя две пластины 1, выполненные из высокотеплопроводного материала, например, из меди, алюминия и др., одна из которых прижимается к корпусу компонента 2, а другая - к теплостоку, или теплопроводу 3. Между обеими пластинами закреплено гибкое высокотеплопроводящее звено 4, имеющее степени свободы перемещений в различных направлениях. Гибкая конструкция позволяет, во-первых, осуществлять эффективную теплопередачу от корпуса электронного компонента независимо от его конструкции, высоты, неровностей и неплоскостности поверхности, и, во-вторых, обеспечивать индивидуальный прижим теплоотвода как к каждому электронному компоненту, так и к конструкции теплостока.
Гибкое звено в конструкции устройства может быть выполнено в различных вариантах, в частности, в многожильном (рис.1, а) и гофрированном видах (рис.1, б). Обе конструкции гибкого звена обладают возможностью перемещения во всех направлениях в пространстве, что достигается за счет выполнения гибких звеньев из проволочек, или волокон, малого диаметра, или пластин, малой толщины.
Многожильное гибкое звено 4 (рис.1, а) устройства представляет собой пучок (жгут), состоящий из большого числа отдельных, не соединенных между собой, высокотеплопроводных проволочек, или волокон, выполненных, например, из меди, графита, графена, и др., обладающих малым диаметром. Теплопроводящие свойства многожильного гибкого звена тем лучше, чем больше количество проволочек (волокон). Диаметр и число
проволочек в одном жгуте гибкого звена, подбирается исходя из требуемого значения температуры электронного компонента.
Гофрированное гибкое звено 4 (рис.1, б) представляет собой одну тонкую пластину, или набор тонких пластин, из высокотеплопроводного материала, например, из меди, графена и т.д., толщина и количество которых подбирается, во-первых, исходя из требований к уровню температуры электронного компонента, и, во-вторых, из требования обеспечения необходимой гибкости звена.
Конструкция устройства может быть выполнена также в виде обладающей гибкостью единой высокотеплопроводной пластины, или набора пластин, например, из графена, толщина которой обеспечивает возможность требуемого изгибания во всех направлениях в пространстве, а высокая теплопроводность - эффективное рассеяние тепла по пластине-теплоотводу и эффективную теплопередачу к стокам тепла. Гибкие свойства конструкции единого устройства обеспечивают отвод тепла одновременно от всех тепловыделяющих компонентов, установленных на печатной плате за счет индивидуального прижима единой конструкции ко всем электронным компонентам одновременно.
Устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем работает следующим образом. Мощности, потребляемые электронными компонентами, установленными на печатной плате, диссипируются в виде тепловой энергии, которая приводит к разогреву как каждого компонента в отдельности, так и всей конструкции электронного модуля в целом. Тепловой поток от каждого компонента 2 (рис.1) передается к высокотеплопроводной пластине 1 устройства, прижатой к корпусу компонента. Далее тепловые потоки поступают через гибкое звено 4 на другую пластину 3 конструкции устройства, или на теплопровод, которые
передают тепло на конструкцию стока тепла. Различие в размерах и конструкциях корпусов электронных компонентов снимается посредством обеспечения эффективного прижима каждого корпуса компонента на печатной плате, к индивидуальным конструкциям устройства.
Пример одного из вариантов конструкции отвода тепла от нескольких компонентов, расположенных на одной печатной плате, приведен она рис.2. Конструкция работает следующим образом. Над печатной платой с компонентами расположена единая пластина-теплоотвод 6, в которой над каждым тепловыделяющим электронным компонентом выполнены отверстия 5 в соответствии с размерами корпусов компонентов. К корпусу каждого тепловыделяющего компонента, открытому благодаря отверстию 5, прикреплена одна из пластин 1 устройства, которая передает тепло через гибкие звенья 4 к другой пластине устройства, прикрепленной к единой пластине-теплоотводу на краях отверстия. Далее тепло рассеивается по пластине-теплоотводу и передается к стокам тепла 3. Крепление пластин, входящих в конструкцию, к корпусам электронных компонентов и к пластине-теплоотводу возможно осуществлять через теплопроводящие прокладки, пасты и компаунды, уменьшающие контактные тепловые сопротивления.
Исследование температурных распределений корпусов компонентов, установленных на печатных платах электронных модулей, показывает, что устройство обладает высокой эффективностью по отводу тепла от электронных компонентов и позволяет значительно снижать уровни температуры электронных компонентов и модулей.