УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ И ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ РАДИОТЕЛЕВИЗИОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2016 года по МПК H01L35/08 H01L35/28 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для обеспечения температурных режимов работы элементов и узлов радиоэлектронной и телевизионной аппаратуры при рассеивании ими значительного количество тепла, которое может выделяться в процессе работы мощных транзисторов и микросборок, тиристоров, индуктивных и резисторных элементов, светодиодов и других изделий. Оно может применяться в различных системах радиоэлектроники, в устройствах формирования и передачи радио и телевизионных (ТВ) сигналов, отображения видеоинформации на больших экранах и т.д.

Известны устройства для отвода тепла от наиболее тепловыделяющих электронных модулей (ЭМ), выполненные на основании теплопроводности материалов и естественной конвенции [1]. Согласно этим техническим решениям при турбулентности воздушного потока увеличивается интенсивность теплопередачи.

Известно устройство для отвода тепла от элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) [2], которое относится к рассеивающим тепло устройствам и может быть использовано для отвода тепла от микросхем или других малогабаритных радиоизделий, установленных на печатных платах. Устройство содержит металлизированный участок с металлизированными отверстиями, в которые запаяны теплопроводящие стержни в виде скоб. Микросхема установлена на этом же металлизированном участке через теплопроводящую пасту. Количество скоб и диаметр медной проволоки, из которой изготовлены скобы, зависят от свободной площади на плате и мощности рассеивания микросхемы, причем форма участка может быть любая. Высота скоб определяется высотой корпуса блока так, как их вершины. Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в повышении эффективности теплоотвода от элементов. РЭА, установленных на печатной плате, за счет увеличения площади теплоотводящей поверхности, а также в упрощении конструкции.

Основной недостаток данного изобретения заключается в том, что теплопроводящие пасты со временем теряют свои свойства, высыхают и тепловой контакт ухудшается. Это может привести к потере необходимого качества теплоотвода и привести к выходу из строя радиоэлектронных компонентов. Термопасты не обеспечивают высокой электрической изоляции между элементами ЭМ и металлической поверхностью.

В качестве прототипа заявляемого изобретения совокупности признаков принято устройство для обеспечения требуемых температурных режимов элементов и узлов РЭА, рассеивающих значительные мощности, содержащее термоэлектрические модули, находящиеся с одной стороны своей поверхности через основание в тепловом контакте с печатной платой с радиоэлектронными изделиями, датчик температуры, электрически связанный с блоком управления, выход которого электрически связан с термоэлектрическими модулями, имеющими с другой стороны своей поверхности через основание тепловой контакт с теплообменником [3].

Оно должно интенсивно термостабилизировать и поддерживать заданный тепловой режим работы РЭА за счет автоматического контроля и управления температурным режимом поверхности.

Если температура основания, где размещается ЭМ (печатная плата), превышает допустимую величину, то датчик температуры и блок управления в соответствии с этим сигналом, подает необходимой величины ток на термоэлектрические модули, которые через поверхность "холодной" стороны термоэлектрических модулей охлаждают ЭМ, а избыток тепла от "горячей" стороны термоэлектрических модулей отводят через второе основание к внешнему теплообменнику. При уменьшении температуры основания до допустимой величины, измеряемой датчиком температуры, блок управления отключает термоэлектрические модули. В тех случаях, когда необходимо отводить теплоту от элементов и узлов РЭА большой мощности, предлагается использовать каскадный способ построения термоэлектрических модулей (термоэлектроохладителей).

Основным недостатком является то, что термостабилизирующий узел РЭА прикрепляется через основание к поверхности "холодной" стороны термоэлектрических модулей с помощью теплопроводной пасты, которая со временем теряет свои свойства, высыхает и тепловой контакт ухудшается.

Технический результат настоящего изобретения - повышение эффективности термостабилизации и отвода тепла от радиоэлектронных элементов, располагаемых на двухсторонних печатных платах радиотелевизионной аппаратуры.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для термостабилизации и отвода тепла от электронных модулей радиотелевизионной аппаратуры, содержащем термоэлектрические модули, находящиеся с одной стороны своей поверхности через основание в тепловом контакте с печатной платой с радиоэлектронными изделиями, датчик температуры, электрически связанный с блоком управления, выход которого электрически связан с термоэлектрическими модулями, имеющими с других сторон своих поверхностей через основание тепловой контакт с теплообменником, согласно изобретению тепловой контакт между отдельными составляющими устройства выполнен с использованием нанесенных на двухстороннюю печатную плату с радиоэлектронными изделиями нескольких слоев теплопроводящих материалов с различными коэффициентами теплопроводности λ_i причем первый слой, наносимый непосредственно путем заливки на плату с радиоэлектронными изделиями, обладает свойствами электрического изолятора с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и теплопроводности λ₁, второй, третий и последующие слои теплопроводящих материалов характеризуются увеличением коэффициента теплопроводности λ_i, то есть:

λ₁<λ₂<λ₃<…<λ_n,

где n - порядковый номер наружного слоя теплопроводящих материалов, имеющего максимально возможное значение из выбранного диапазона значений теплопроводности λ₁÷λ_n и низкое тепловое сопротивление.

В предложенном устройстве возможно такое его выполнение, при котором отдельные слои теплопроводящих материалов и термоэлектрические модули располагаются идентично с двух сторон печатной платы с радиоэлектронными изделиями.

В предложенном устройстве возможно также его выполнение, при котором термоэлектрические модули располагают между вторым и третьим слоями теплопроводящих материалов.

В предложенном устройстве возможно также его выполнение, при котором термоэлектрические модули выполнены с возможностью изменять полярность питания на обратную для охлаждения или нагревания соприкасающегося с ними второго слоя теплопроводящего материала.

В предложенном устройстве возможно также его выполнение, при котором в качестве теплопроводящих материалов используют теплопроводящие пластмассы с теплопроводностью в диапазоне 5-10 Вт/м·К.

В предложенном устройстве возможно также его выполнение, при котором наружный слой теплопроводящих материалов выполнен из графита.

На фиг. 1 показаны слои теплопроводящих материалов, имеющие в своем составе встроенные датчики температуры, а также термоэлектрические модули устройства термостабилизации и отвода тепла от электронных модулей радиотелевизионной аппаратуры, включающей двухстороннюю печатную плату с радиоэлектронными изделиями.

На фиг. 2 показана общая структурная схема термостабилизации для электронных модулей

Позиции на чертежах:

1 - электронный модуль (ЭМ), представляющий собой двухстороннюю печатную плату с установленными на ней радиоэлектронными изделиями;

2₁, 2₂ - первые слои теплопроводящего материала с большой диэлектрической проницаемостью (изолятор), имеющие высокий коэффициент теплопроводности, нанесенный на верхнюю и нижнюю стороны платы, соответственно;

3_1j, 3_2j, - датчики температуры, располагаемые на верхней и нижней сторонах печатной платы, соответственно, где j=1,…k - порядковое число датчика температуры, k - количество встроенных датчиков температуры;

4₁, 4₂ - вторые слои теплопроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, расположенные с верхней и нижней сторон платы, соответственно;

5₁, 5₂ - термоэлектрические модули охлаждения/нагревания (модули Пельтье), расположенные с верхней и нижней сторон платы, соответственно;

6₁, 6₂ - третьи слои теплопроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, расположенные с верхней и нижней сторон платы, соответственно;

7₁, …, 7_m - общее количество электронных модулей (плат) с датчиками температуры, где m - количество электронных модулей 1 радиотелевизионной аппаратуры, где 1≤m≤Р;

8 - блок управления;

a_1ji, a_2ji - электрические соединения от температурных датчиков температуры верхней и нижней сторон печатной платы к блоку управления;

c_1i, c_2i - электрические соединения от блока управления к термоэлектрическим модулям;

n₁, n₂ - общее количество слоев теплопроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, расположенных с верхней и нижней сторон платы, соответственно.

Устройство термостабилизации и отвода тепла от электронных модулей радиотелевизионной аппаратуры включает m электронных модулей (ЭМ), каждый из которых представляет собой двухстороннюю печатную плату с установленными на ней радиоэлектронными изделиями с первыми слоями 2₁, 2₂, теплопроводящего материала с большой диэлектрической проницаемостью (изолятор), имеющие высокий коэффициент теплопроводности λ₁, нанесенными на верхнюю и нижнюю стороны платы, соответственно. В первых слоях 2₁, 2₂, теплопроводящего материала с большой диэлектрической проницаемостью встроены температурные датчики 3_1j, 3_2j, располагаемые на верхней и нижней сторонах печатной платы каждого электронного модуля 1. Расположение и число встроенных датчиков температуры 3_1j, 3_2j, на одной и другой стороне печатной платы зависит от типа электронного модуля, числа и местоположения мощных источников тепла.

Термоэлектрические модули 5 установлены между вторым и третьим слоями теплопроводящих материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. Второй, третий и последующие слои теплопроводящих материалов 4, 6, …n, соответственно, характеризуются увеличением коэффициента теплопроводности λ_i, где n - наружный слой имеет максимальное значение теплопроводности λ_n=λ_max и низкое тепловое сопротивление, то есть соблюдается условие, так что λ₁<λ₂<λ₃<…<λ_n. Величина коэффициента теплопроводности λ_i выбираемых теплорассеивающих материалов может находиться в диапазоне 5-10 Вт/м·К.

Датчики температуры 3_1j, 3_2j имеют электрическое соединение с блоком управления 8, выход которого, в свою очередь, электрически связан с термоэлектрическими модулями 5.

При изготовлении теплопроводящих слоев из теплорассеивающих полимерных композитов (ТРПК) с теплопроводностью многократно, (в десятки и сотни раз) превосходит теплопроводность традиционных пластмасс с теплопроводностью 0,1-0,3 Вт/м·К можно, в отличие от алюминиевых сплавов, изготовить изделия практически любой формы (3D-дизайн), создавая, по сути, интегрированную систему пассивного охлаждения с гораздо большей эффективной площадью теплообмена.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от показаний каждого из датчиков температуры 3_1j, 3_2j (большей или меньшей их величины относительно задаваемой температуры), блок управления 8, автоматически меняя полярность источника питания (не показано), переводит работу термоэлектрических модулей 5₁, 5₂ (модули Пельтье) в режим охлаждения или нагревания.

При использовании материалов группы Gap Pad благодаря особому теплопроводящему изолирующему полимеру, которые легко деформируются, можно достичь плотного их прилегания ко всем радиоэлектронным компонентам на печатной плате. Такие материалы можно использовать для отвода тепла от печатной платы целиком, как показано на фиг. 1.

Использование в заявленном устройстве термоэлектрических модулей, которые располагаются с двух сторон печатных плат, а также работающих в режиме охлаждения/нагревания, по сравнению с прототипом, работающем только в режиме охлаждения, позволяет осуществить стабилизацию температурного режима при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.

Отмеченные преимущества заявленного устройства в целом позволяют достичь технического результата - повысить эффективность термостабилизации и отвода тепла от радиоэлектронных элементов, располагаемых на двухсторонних печатных платах радиотелевизионной аппаратуры.

Источники информации

1. Савельев А. Как выбрать систему охлаждения. Силовая Электроника, №3, 2006.

2. Патент РФ 2355140. Устройство для отвода тепла от элементов радиоэлектронной аппаратуры. Опубл. 10.01.2009 г.

3. Патент РФ 2133084. Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для отвода теплоты и термостабилизации микросборок. Опубл. 10.07.1999 г.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для обеспечения температурных режимов работы элементов и узлов радиоэлектронной и телевизионной аппаратуры при рассеивании ими значительного количество тепла. Технический результат - повышение эффективности термостабилизации и отвода тепла от радиоэлектронных элементов, располагаемых на двухсторонних печатных платах радиотелевизионной аппаратуры. Достигается тем, что в устройстве для термостабилизации и отвода тепла, содержащем термоэлектрические модули, находящиеся с одной стороны своей поверхности через основание в тепловом контакте с печатной платой с радиоэлектронными изделиями, датчик температуры, электрически связанный с блоком управления, выход которого электрически связан с термоэлектрическими модулями, имеющими с других сторон своих поверхностей через основание тепловой контакт с теплообменником, согласно изобретению тепловой контакт между отдельными составляющими устройства выполнен с использованием нанесенных на двухстороннюю печатную плату с радиоэлектронными изделиями нескольких слоев теплопроводящих материалов с различными коэффициентами теплопроводности λ_i. Причем первый слой обладает свойствами электрического изолятора с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и теплопроводности λ₁, второй, третий и последующие слои теплопроводящих материалов характеризуются увеличением коэффициента теплопроводности λ_i, то есть: λ₁<λ₂<λ₃<…λ_n, где n - порядковый номер наружного слоя теплопроводящих материалов, имеющего максимально возможное значение из выбранного диапазона значений теплопроводности λ₁÷λ_n и низкое тепловое сопротивление. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство термостабилизации и отвода тепла от электронных модулей радиотелевизионной аппаратуры, содержащее термоэлектрические модули, находящиеся с одной стороны своей поверхности через основание в тепловом контакте с печатной платой с радиоэлектронными изделиями, датчик температуры, электрически связанный с блоком управления, выход которого электрически связан с термоэлектрическими модулями, имеющими с других сторон своих поверхностей через основание тепловой контакт с теплообменником, отличающееся тем, что тепловой контакт между отдельными составляющими устройства выполнен с использованием нанесенных на двухстороннюю печатную плату с радиоэлектронными изделиями нескольких слоев теплопроводящих материалов с различными коэффициентами теплопроводности λ_i, причем первый слой, наносимый непосредственно путем заливки на плату с радиоэлектронными изделиями, обладает свойствами электрического изолятора с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости и теплопроводности λ₁, второй, третий и последующие слои теплопроводящих материалов характеризуются увеличением коэффициента теплопроводности λ_i, то есть:
λ₁<λ₂<λ₃<…<λ_n,
где n - порядковый номер наружного слоя теплопроводящих материалов, имеющего максимально возможное значение из выбранного диапазона значений теплопроводности λ₁÷λ_n и низкое тепловое сопротивление.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отдельные слои теплопроводящих материалов и термоэлектрические модули располагаются идентично с двух сторон печатной платы с радиоэлектронными изделиями.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что термоэлектрические модули располагают между вторым и третьим слоями теплопроводящих материалов.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что термоэлектрические модули выполнены с возможностью изменять полярность питания на обратную для охлаждения или нагревания соприкасающегося с ними второго слоя теплопроводящего материала.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящих материалов используют теплопроводящие пластмассы с теплопроводностью в диапазоне 5-10 Вт/м·К.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наружный слой теплопроводящих материалов выполнен из графита.