Мікрозборка електронного блока

Мікрозборка електронного блока, що містить багатошарову керамічну плату з зоною на и поверхні для розташування тепловидільних елементів та систему каналів охолодження всередині вказаної плати, живильний колектор з порожниною, тепловий роз'єднувач для теплового сполучення з системою охолодження електронного блока, ВХІДНІ та ВИХІДНІ КІНЦІ каналів охолодження вищевказаної плати, розташовані на двох протилежних и торцях, а тепловий роз'єднувач виконано у вигляді порожнього елемента, що встановлений на верхньому торці плати, на якому розташовані ВИХІДНІ КІНЦІ ка налів охолодження, з забезпеченням його обхвату і сполучений своєю порожниною з указаними вище каналами охолодження, а ВХІДНІ КІНЦІ каналів спо лучені з порожниною живильного колектора, яка Запропонований пристрій відноситься до галузі мікроелектроніки і може бути використаний при конструюванні електронних модулів з підвищеною ЩІЛЬНІСТЮ теплового виділення При конструюванні швидкодіючих електроннообчислювальних машин широко використовуються керамічні багатокристальні модулі надвеликих інтегральних схем з питомою тепловою потужністю, яку вони розсіюють, більш, ніж 105Вт/м2, що потребує високоефективного охолодження кристалів для забезпечення їх нормального теплового режиму (див книгу Савельев А Я , Овчинников В А Конструироввание ЭВМ и систем - М Высш школа, 1989 -С 182-183) Відома мікрозборка електронного блока ( див пат США № 4739443, кл Н05К7/20, 1987 р), що містить у своєму складі багатошарову комутаційну плату, складену з двох керамічних підкладинок Керамічні підкладинки з"єднані між собою шаром скла Кожна керамічна підкладинка покрита з обох відрізняється тим, що корпус порожнього елемента виконано герметичним, а внутрішня поверхня полиці корпуса розташована під кутом до горизонту, причому принаймні один канал плати має еквівалентний діаметр більший еквівалентного діаметра кожного з інших каналів плати і розміщений в межах плати поза зоною для розташування тепловидільних елементів, а нахил внутрішньої поверхні полиці порожнього елемента направлено до каналу з більшим еквівалентним діаметром, при цьому порожнини живильного колектора та каналів плати заповнені рідким теплоносієм 2 Мікрозборка електронного блока за п 1, яка відрізняється тим, що живильний колектор з порожниною виконано єдиним цілим з багатошаровою керамічною платою як її продовження 3 Мікрозборка електронного блока за п 1, яка відрізняється тим, що порожнини каналів плати, живильного колектора та порожнього елемента сполучені між собою з утворенням вакуумнощільної рідинно-парової камери сторін шаром металічної фольги, що приєднані до підкладинок за допомогою шару скла На ЗОВНІШНІХ поверхнях підкладинок встановлені кристали інтегральних схем Мікрозборка загерметизована кришками Канали системи охолодження виконані травленням канавок в металічній фользі на внутрішній поверхні підкладинок з наступним з'єднанням підкладинок шаром скла Сполучення каналов охолодення мікрозборки з системою охолодження електронного блока здійснено тонкими металічними трубками, по яким подається охолоджуюча рідина до каналів мікрозборки Недоліком відомого пристрою є складність конструкції та невисока ремонтопридатність, оскільки вилученню мікрозборки з електронного блоку з метою її ремонту чи заміни заважають металічні трубки системи охолодження Крім того, наявність в конструкції мікрозборки шарів скла з низкою теплопровідністю знижує ефективність передачі теплоти від інтегральних схем к каналам охолоджен ю о ю 45075 охолодження мікрозборки з водяною системою ня охолодження електронного блока здійснюється за Відома інша конструкція мікрозборки електродопомогою штуцерів та трубопроводів нного блока (див статтю Джерри Лай-мен МногоТака конструкція пристрою забезпечує подачу кристальные модули с охлаждающими микроканатеплоносія у всі паралельні канали мікрозборки з лами -Журнал «Электроника», 1986, № 10, с 20 температурою, близкою до температури теплоно21), яка містить у своему складі багатошарову кесія на вході у вхідний порожній елемент, завдяки рамічну плату з розміщеній всередині неї систейого зменшеному термічному опору, що підвищує мою мікроканалів охолодження Багатошарова кеефективность охолодження интегральних схем рамічна плата виконана у вигляді керамічної пластини з розмірами 85 х 105мм, у верхнему шарі якої Однак пристрій-прототип має всеж-таки і сутрозташовані провідникові з'єднання для комутації тєві недоліки Виконання теплових раз'єднувачів у кристалів інтегральних схем і електричного сполувигляді штуцерів та трубопроводів обумовлює низчення з Іншими елементами електронного блока, а ку ремонтопридатність пристрою Пристрій не зау нижньому - канали системи охолодження Систебезпечує однаковий температурний режим интегма охолодження багатошарової керамічної плати ральних схем внаслідок підвищення температури виконана у вигляді розміщених всередині плати рідкого теплоносія по мірі проходження юго по кавзаємопов'язаних між собою 29 мікроканалів скланалах плати Значний гідравлічний опір мікроканадної конфігурації, що мають загальний вхід і загалів обумовлює значні енерговитрати на прокачку льний вихід Система каналів розпочинається від рідкого теплоносія через ці мікроканали вхідного отвору на торці плати каналом-розподільВ основу винаходу поставлено задачу створиником Від НЬОГО ВІДХОДИТЬ ряд паралельних канати таку конструкцію мікрозборки електронного блолів з меншим перерізом, що дорівнює 0,4 х 0,8мм, ка з рідинним охолодженням, яка б шляхом удорозташованих на одному або різних рівнях рівносконалення виконання теплового роз'єднувача, камірно по довжині розподільника і перпендикулярно налів та колекторів мікрозборки забезпечила б піддо нього ВИХІДНІ КІНЦІ мікроканалів об'єднані канавищення рівномірності та ефективності охололом-колектором, вихід якого розташований на тордження, зниження енерговитрат на прокачку рідкоці плати На торцях плати у місцях розміщення вхіго теплоносія та підвищення ремонтопридатністі в да канала-розподільника та вихіда канала-колекумовах експлуатації тора розташовані штуцери та трубопроводи, заПоставлена задача вирішується за рахунок товдяки яким забезпечується теплове з'єднання сисго, що в мікрозборці електронного блока, що містеми охолодження микрозборки з системою охолотить в своєму складі багатошарову керамічну пладження електронного блока ту з плату з зоною на и поверхні для розташування тепловидільних елементів та системою каналів Одним з недоліків такої конструкції є значний охолодження всередіні указаної плати,живильний гідравлічний опір мікроканалів, що потребує значколектор з порожниною, тепловий роз'єднувач для них енерговитрат на прокачку рідкого теплоносія теплового сполучення з системою охолодження через ці мікроканали Другий суттєвий недолік - неелектронного блока, ВХІДНІ та ВИХІДНІ КІНЦІ каналів рівномірність та недостатня ефективність охолоохолодження в якої разташовані на двох протиледження кристалів інтегральних схем, встановлених жних и торцях, а тепловий роз'єднувач виконано у на платі, внаслідок нагріву теплоносія по мірі провигляді порожнього елемента, що встановлений ходження його по довжині мікроканалів Третій нена верхньому торці вказаної вище плати, на якому долік - низька ремонтопридатність, оскільки негайрозташовані ВИХІДНІ КІНЦІ каналі в охолодження, з ному вилученню мікрозборки з електронного блока забезпеченням його обхвата і сполучений своєю та заміні її заважають трубопроводи, що сполучапорожниною з указаними вище каналами охолоють між собою мікрозборкута блок дження плати, а ВХІДНІ КІНЦІ канал, в сполучені з Найбільш близьким до запропонованого за супорожниною живильного колектора, стінки корпуса купністю ознак і технічному результату є пристрійпорожнього елемента виконані герметичними, а прототип, відомий з патенту України № 3247 від внутрішня поверхня полиці корпуса порожнього 1994 р, МПКН05К 7/20, опубл 26 12 94 р. бюл № елемента розташована під кутом до горизонту, 5 - 1 мікрозборка електронного блока, що містить причому принайні один канал плати має еквівалену своєму складі багатошарову керамічну плату з тний діаметр більший ніж еквівалентний діаметр системою паралельних каналів охолодження всекожного з інших каналів плати і розміщений в мередині неї, теплові раз'єднувачі для сполучення жах плати поза зоною розташування тепловидільканалів охолодження плати з системою охолоних елементів Нахил внутрішньої поверхні полидження електронного блока, в якій КІНЦІ паралельці порожнього елемента направлено до каналу з них каналів охолодження плати розташовані на більшим еквівалентним діаметром Порожнина жидвох протилежних и торцях Теплові раз'єднувачі вильного колектора та порожнина каналів плати виконані у вигляді порожніх елементів зі штуцеразаповнені рідким теплоносієм Порожнини каналів ми, причому порожні елементи встановлені наторплати, живильного колектора та порожнього елецах указаної вище плати, на яких розташовані КІНЦІ мента сполучені між собою з утворенням вакуумканалів охолодження з забезпеченням їх обхвата нощільної рідинно-парової камери, живильний коПорожні елементи сполучені своїми полостями з лектор з порожниною виконано єдиницілим з багавищеуказаними каналами охолодження І виконані, тошаровою керамічною платою як її продовження як приклад, у вигляді прямокутних паралелепіпедів без однієї бокової грані Штуцери підвода та відвоСуть та принцип дії запропонованого пристрою да рідини розташовані по центру бокової поверхні пояснюється кресленнями порожніх елементів Сполучення каналів системи На фіг 1 показан загальний вигляд мікрозбор 45075 колектора 9 та порожнього елемента 18 сполучені між собою з утворенням вакуумнощільної рідиннопарової камери Зв'язок теплового роз'єднувача мікрозборки з водяною системою охолодження електронного блока здійснюється шляхом встановлення порожнього елемента 18 мікрозборки з забезпеченням теплового контакта (наприклад, через прошарок теплопровідного мастила) в пазу 17 несучої плити 15 Нижній край мікрозборки при цьому розміщений у направляючому пазі 24 опорної планки 25 Запропонована мікрозборка електронного блока виготавяється таким чином Багатошарова керамічна плата 1 виготавляється, наприклад, за методом обпалення пакета металізованих необпалених керамічних заготовок Для цього використовують люмо-оксидну кераміку ВК 94 - 1 (аЯО 027 002 ТУ) Провідники наносять за допомогою метода трафаретного друку вольфрамо-молібденової пасти В-1 (ЩИО 028 002 ТУ) Канали 8 виконують прамо-кутного або круглого перетину, наприклад з еквівалентним діаметром від 1,0 до 1,5мм , а канал 23 - прямокутного перетину з еквівалентним діамепорожниною 10 ВХІДНІ та ВИХІДНІ КІНЦІ 11 та 12, ВІДтром, більшого, чим канали 8, наприклад, від 4 до ПОВІДНО, каналів 8 охолодження вищеуказаної пла6мм шляхом набора в напівпакет керамічних заготи разташовані на двох протилежних и торцях 13 товок Потім їх пресують і оброблюють за допомота 14 Теплове сполучення мікрозборки з систегою лазерного луча, щоб одержати потрібну конфімою охолодження електронного блока, яка виконагурацію каналів на, наприклад, у вигляді несучої плити 15 з канаМеталізовані заготовки с малюнком провіднилами 16 для прокачки води та пазами 17 для встаків, напівпакет керамічних заготовок з малюнком новлення мікрозборок, здйснено за допомогою теканалів, неметалізовані керамічні заготовки набиплового роз'єднувача Тепловий роз'єднувач викорають у пакет в ПОСЛІДОВНОСТІ, що визначається нано у вигляді металічного, наприклад мідного, потопологією схеми Потім ЗДІЙСНЮЮТЬ пресування рожнього елемента 18, наприклад, прямокутного та обпалювання виробу Таким чином одержують паралелепіпеда без однієї бокової грані з полицею багатошарову керамічну плату 1, на ЗОВНІШНІЙ по19, та встановлений на верхньому торці 14 указаверхні якої розміщені провідникові елементи та ної вище плати, на якому розташовані ВИХІДНІ КІНЦІ площадки для приєднання інтегральних схем, рам12 каналов охолодження, з забезпеченням його ки, виводів, порожніх елементів обхвата Порожній елемент 18 сполучений своєю Потім К платі методом паяння твердим припопорожниною 20 з вказаними вище каналами 8 охоєм приєднюють до елепропровідних контактів 6 ЗОлодження, а ВХІДНІ КІНЦІ 11 каналов 8 сполучені з ВНІШНІ виводи (на фіг 1 не показани), рамку 4 і попорожниною Юживильйого колектора 9 Корпус порожній елемент 18 теплового роз'єднувача В разі рожнього елемента 18 виконано герметичним и виконання живильного колектора у вигляді нижскладається з полиці 19 та бокових стінок 21 Внутнього порожнього елемента (другий варіант викорішня поверхня 22 полиці 19 корпуса порожнього нання) його також приєднюють до плати з обхваелемента 18 розташована під кутом а до горизонтом и нижнього торца Далі виконують монтаж пату Принайні один канал 23 плати має еквівалентянням чи зварюванням виводів інтегральних схем ний діаметр більший за еквівалентного діаметру З та приєднання кришки 5 до рамки 4 за допомокожного з інших каналів плати і розміщений в мегою роликового зварювання жах плати поза зоною розташування інтегральних схем 3 Нахил внутрішньої поверхні 22 полиці 19 Мікрозборка електронного блока працює сліпорожнього елемента 18 направлено до каналу 23 дуючим чином Під час роботі електронного блока, до якого входить мікрозборка, розташовані на ній інтегральні схеми 3 (або їх кристали) виділяють те3 більшим еквівалентним діаметром Порожнина плоту Під ВПЛИВОМ теплоти, що виділяється інтег10 живильного колектора 9 тавсі канали плати заральними схемами, рідкий теплоносій в каналах 8 повнені рідким теплоносієм, наприклад, дістілліропочинає випаровуватися та кипгги, поглинаючи ваною водою Живильний колектор 9 з порожнизначну КІЛЬКІСТЬ теплоти від інтегральних схем та ною 10 виконано заодне ціле з багатошаровою кеохолоджуючі їх На внутрішній поверхні каналів 8 рамічною платою 1 як и продовження (див фіг 1) заявляються парові бульбочки Температура насиУ другому варіанті виконання (на фіг 1 не показаченої пари та тиск у парових бульбочках підвищуно) він може бути виконаний у вигляді металічного, ються і перевищують температуру та тиск насіченаприклад мідного, ніжнього порожнього елемента ної пари в порожнині порожнього елемента 18, що з гермеричними стінками, аналогічного порожньознаходиться у тепловому контакті з холодною плиму елементу 18, але без нахилу внутрішньої поветою 15 електронного блока Бульбочки та рідкий рхні його полиці до горизонту, з охопленням нижтеплоносій рухаються догори вздовж каналів 8 нього торца плати (див фіг 4 ), на якої рух рідкого теплоносія та паПорожнини усіх каналів плати 1, живильного ки електронного блока заявленої конструкції сумісно з частковим вертикальним перерізом, а на фіг 2 - переріз по лінії А-А На фіг 3 наведена схема руху потоків рідини у каналах багатошарової керамічної плати упристроі-прототипі, руху потоків рідини та пари у пристрої, що заявляється, фіг 4 ) Можливість реалізації винаходу ілюструється наступним прикладом Мікрозборка електронного блока (фіг 1) містить в своєму складі багатошарову керамічну плату 1 з зоною на її поверхні 2 для розташування тепловидільних елементів, в якій встановлені з забезпеченням теплового контакта інтегральні схеми 3 (або їхні кристали) Рамка 4 з кришкою 5 забезпечують герметизацію мікрозборки За допомогою електричних контактів 6 здійснюється електричне з'єднання мікрозборки з іншими елементами електронного блока Електричне з'єднання інтегральних схем з електричними контактами 6 виконано за допомогою друкованих провідників 7 (див Фіг 2), що розміщені у верхнему шарі багатошарової керамічної плати 1 Всередині багатошарової керамічної плати 1 виконана система каналів 8 охолодження, живильний колектор 9 з 45075 ри показано стрілками) Насичена пара з бульбочок виходить у паровий простір над каналами і конденсується на внутрішній похилій поверхні 22 полиці 19 корпуса порожнього елемента 18 і віддає їй заховану теплоту пароутворення, яка за рахунок теплопередачі теплопровідністю корпуса порожнього елемента 18, прошарка мастила в пазу 17 та стінки плити 15 передається потоку холодної води в каналах 16 (на фіг 1 потік води показано стрілками) несучої плити 15 електронного блока і відводиться нею Конденсат з похилої поверхні 22 полиці 19 під дією сили тяжіння повертається до рідкого теплоносія в каналі 23, а з останнього, завдяки дії капілярних сил, сили тяжіння та закону сполучених посудин, рідкий теплоносій надходить через порожнину 10 лггаючого колектора 9 у зону нагріву каналів 8 плати 1 Цикл кипіння-конденсацм та передачі теплоти повторюється Оскільки температура рідкого теплоносія в каналах 8 практично дорівнює температурі насиченої пари, яка однакова в усіх каналах плати незалежно від місця розміщення інтегральних схем на платі, то в описаному пристрої забезпечується однаковий температурний режим для всіх інтегральних схем Для порівняння на фіг 3 ) стрілками показано рухрідкого теплоносія в каналах плати пристрою-прототипа при охолодженні внутрішньої поверхні каналів конвекцією, з якого видно, що по мірі проходження вздовж каналів рідина нагрівається, внаслідок чого температурний режим інтегральних схем, розміщених вздовж одного і того ж ка 8 нала різний Завдяки високим коефіцієнтам тепловіддачі при КИПІННІ та конденсації та передачі теплоти від інтегральних схем шляхом високоефективного замкненого випаровувально-конденсаційного циклу забезпечується більш ефективне (в порівнянні з прототипом) тепловідведення від інтегральних схем мікрозборки та однаковий, більш низкий, рівень температури інтегральних схем, що підвищує їх надійність та завадозахищеність апаратури електронного блока з мікрозборкою Для негайного вилучення та заміни мікрозборки в умовах експлуатації достатньо висунути и із направляючіх пазів блока та вставити замість неї справну ЩІЛЬНІСТЬ каналів охолодження блока та потік холодної води в них при цьому не порушуються і не перериваються, що значно підвищує ремонтопридатність пристрою Завдяки тому, що еквівалентний діаметр каналів охолодження в плиті 15 електронного блока є значно більшим, наприклад 5мм, у порівнянні з еквівалентним діаметром мікроканалів у пристроіпрототипі, який, як правило, не перевищує 1 ци, енерговитрати на прокачку теплоносія по каналах охолодження блока значно зменшуються Таким чином, запропонований пристрій є новим, промислове придатним і забезпечує підвищення ефективності охолодження, зниження енерговитрат на прокачку теплоносія та підвищення ремонтопридатності мікрозборки електронного блока в умовах експлуатації оппопппаша 45075 Фіг. 2 Фіг. З 10 11 45075 12 Фіг. 4 ДП "Український інститут промислової власності "(Укрпатент) Україна, 04119, Киів-119, вул сім'ї Хохлових, 15 (044) 456-20-90 6