专利名称：工业电子模块通过传导结构的热冷却的制作方法
工业电子模块通过传导结构的热冷却背景技术在客户要求不允许使用风扇或其它强制的空气流动来进行冷却的工业系统 中，热约束是关键的。随着技术趋向迫使电子模块设计向更高的功率耗散以及因此 导致的热输出的方向发展，这些热约束正变得越来越难以满足。这些技术趋势包括 (i)以工作在较高时钟速度下的市售CPU代替工作在较低时钟速度下的传统的、专 门设计的、专用的ASIC; (ii)导致漏电相应增大的越来越小的硅几何尺寸；以及(iii) 工业电子模块安装位置的越来越严酷的客户环境，即客户希望将可允许的环境温度 规范增大至60°C以上，而CPU的硅封装技术等迫使硅能够工作的可允许结温度降 低。由于工业电子系统一般是模块化的，在模块内或模块附近只有很少的空气流 动或者没有空气流动，这限制了传统热阱的有效性，因此加剧了工业电子模块的冷 却问题。因此，例如位于模块内并连接于CPU的仅利用对流的传统热阱不足以实 现冷却。另外，已发现将热量传导至每个工业电子模块的盖是不足以实现冷却的， 因为在模块周围缺少空气流动并且希望不要增加诸模块之间的间隔。如上所述，使用风扇或其它强制空气冷却系统是无法令人满意的。在某些情 形中，客户要求恰恰是不允许使用风扇。此外，由于风扇的可靠性问题和风扇倾向 于将灰尘和其它污染物吸入电子模块中，因此使用分散是不理想的。诸如辐射散热 系统、闭环相变系统等其它冷却系统是已知的，然而当作为电子系统的部件使用时， 它们在空间和成本上令人望而却步并带来顾虑。发明内容根据本发明的第一方面， 一种电子模块安装件包括界定至少一个适合用来容 纳电子模块的槽的金属机架。该机架包括后壁上为此机架界定一热输入区的曝露的 金属区。电子模块起效地安装于该槽内。该模块包括界定一容纳带电子元件的印刷 电路板的内部空间的盖组件。盖组件包括热通路，该热通路包括(i)热通道；(ii) 包括毗邻地位于并热耦合于其中至少一个电子元件的底座的烟囱式散热筒；以及 (iii)与烟囱式散热筒隔开并至少部分地界定热输出块的凸出尾部。热输出块毗邻地 位于并热耦合于金属机架的热输入区。烟囱式散热筒的底座将热量从与之热耦合的 电子元件传导至热通道。热输出块将热量从热通道通过所述热输入区传导至机架。根据本发明的另一方面， 一种电子模块包括电子元件和从电子元件吸取热量 并将热量传导至适合可松开地容纳该模块的相关联金属机架的热通路。该热通路包 括烟囱式散热筒、热耦合于烟囱式散热筒的热通道以及热连接于热通道的热输出 块。电绝缘的非金属层将烟囱式散热筒热耦合于电子元件。根据本发明的另一方面， 一种电子模块安装件包括含金属热输入区的机架。 电子模块可拆卸地连接于该机架。电子模块包括一电子元件。不间断的热通路将电 子元件热连接于机架的热输入区。该热通路包括金属制烟囱式散热筒、热连接于该 烟囪式散热筒的金属制热通道、以及热连接于热通道的金属制热输出块。第一和第 二电绝缘的非金属层分别使烟囱式散热筒热耦合于电子元件并使热输出块热耦合 于机架热输入区。
本发明包括各种部件和部件的布置和/或各种步骤和步骤的安排，其优选实施 例结合附图被公开于此，在附图中图1A和1B (现有技术)是适于容纳工业电子模块的常规金属机架的等角立 体图和主视图；图2是根据本发明形成的工业电子模块的底面等角立体图； 图3是图2的工业电子模块(在图3中模块的面板被拆下以显露出印刷电路 板及其与盖组件的关系)的正面等角立体图；图4是图2模块的热阱盖部分的等角立体图；图5A是示出安装在图1A和1B的机架中的图2的模块的侧视图(该模块仅 被部分地示出并且机架的顶壁和底壁未被示出以显露出模块配合在机架中)；图5B是示出安装在图1A和1B的机架中的图2的模块的底视图(该模块仅 被部分地示出并且顶壁和底壁未被示出以显露出模块配合在机架中)；图6是指示与现有技术模块相比、根据本发明形成的模块中的降温效果的实 验结果的图表。 具体实施方式
图1A和1B示出适合用来容纳用于控制系统等的常规工业电子模块的常规金属机架C。正如业内公知的那样，机架界定多个槽或模块容纳位置Sl、 S2、 S3、 S4，模块可通过如箭头A1所示那样向机架的后壁RW移动来插入。工业电子模块 的顶部和底部包括用于咬合机架的顶壁和底壁TW、 BW的夹具，并且该模块包括 分别与每个槽S1 — S4的相应插槽P1、 P2、 P3、 P4匹配的电插头。应当注意，插 槽P1—P4连接于在机架的左右侧壁WL、 WR之间横向延伸的印刷电路板PCB1。 在印刷电路板PCB1的底边El与机架C的底壁BW之间，机架的金属后壁RW被 曝露并相对于电路板PCB1凹进。插入到机架C的槽Sl-S4中的常规金属或塑料模 块不包括与机架后壁RW的曝露金属区匹配并热耦合以提供从模块到机架的专用 热传导通路的任何结构。图2示出根据本发明形成的工业电子模块10。模块IO适合被容纳在常规安装 机架C的槽Sl-S4中的任何一个中并包括分别咬合顶机架壁TW和底机架壁BW 的常规顶部夹具CL1和底部夹具CL2。然而，与常规模块不同，模块10包括从模 块内的电子元件吸取热量并包括紧密配合于机架后壁RW的曝露部分——它在这 里被称为机架C的热输入区HI——的热输出块12c的热通路，以将热量从模块10 的热通路传导至机架C。更具体地说，模块10包括将热量从模块的电子元件传导至机架的热通路。在 所示实施例中，热通路被提供为盖组件12的一部分。盖组件12包括(i)吸热和排 热的热阱盖部分12a;以及(ii)诸如底座盖部分12b的一个或多个其它盖部分。热阱 盖部分12a、并且优选地两部分12a、 12b都被规定为和/或由诸如铝或其它热传导 金属等金属构成。盖部分12a、 12b彼此互连以界定盖组件使其包括一内部空间14。 印刷电路板PCB2连接于和/或毗邻于底座盖部分12b并包括与之相连并位于内部 空间14中的CPU 20以及多个其它发热电子器件22。当模块10被安装在机架C 各槽SI —S4中时，接口插头I适合与机架插槽PI—P4之一匹配以分别将CPU 20 和其它电子器件22起效地连接于插槽Pl —P4和起效地耦合于插槽Pl —P4的其它 电子元件。CPU20和其它装置22隔开但朝向热阱盖部分12a定位。盖组件12包 括由热阱盖部分12a的至少一个凸出尾部12al界定的热输出块12c。如这里所示 那样，两个盖部分12a、 12b由铝或其它热传导金属构成，并且盖部分12a、 12b包 括彼此相抵并共同界定盖组件12的热输出块12c的各凸出尾部12al、 12bl。常规 面板24连接于盖组件12并在起效地连接于印刷电路板PCB2以输入/输出诸如用 户状态光/声、用户输入按钮/开关等所需的数据等的数据。该面板24包括使用户 隔绝于盖组件12的热量的塑料结构。现在参照图3，其中面板24已从模块10的前等角立体图中拆下，从另一透视 角度示出盖组件12。盖部分12a、 12b由延伸通过底座盖部分12b伸入热阱盖部分 的紧固凸起26的紧固件(未示出)互连(另行参见示出热阱盖部分12a本身的图 4)。当互连盖部分12a、 12b时，印刷电路板PCB2由任何适宜的装置连接于底座 盖部分12b和/或可被夹持在底座盖部分12b与紧固凸起26之间以使其毗邻于底座 盖部分12b。盖部分12a、 12b包括相应的外壁12aw、 12bw，它们以彼此平行隔开 的关系布置以在其间界定内部空间14。盖组件12的顶端12d和底端12e基本开放 以在希望如冷却所需要的那样促使气流如箭头A2所指示那样进入并通过盖组件的 内部空间14。热阱盖部分12a与印刷电路板PCB2隔开，但包括从壁12aw的内表面向底座 盖部分12b向内凸出的至少一个烟囱式散热筒30，由此烟囱式散热筒的底座部分 30b紧靠于并热耦合于印刷电路板PCB2上的相应电子元件。如图示实施例所示那 样，热阱盖部分12a包括具有紧靠并热耦合于CPU 20的底座30b的单个烟囱式散 热筒30，然而盖部分12a或者可以包括热耦合于相应多个电子元件20、 22的多个 烟囱式散热筒。为了实现良好的热耦合，底座30b被顺应并尺寸化以至少紧密覆盖 CPU 20的基本全部上表面20u。底座30b可通过直接接触热耦合于CPU 20，但优 选地使一热传导的、电绝缘且机械顺应的层ELl位于烟囱式散热筒底座30bCPU20 的上表面20u两者之间并与之接触以提供所需的热耦合并补偿由于烟囱式散热筒 底座30b和CPU 20上表面20u之间的机械失位造成的任何空间，这是提供现实解 决方案的关键所在。在一个实施例中，层EL1是基于弹性体的层，它包括含涂有 可自Laird科技(www丄airdtech.com)公司购买并以商标T-GARD5000为名出售 的陶土填充的高温硅橡胶的聚酰亚胺膜的介电材料，但本发明并不局限于这种产 品。在一个实施例中，当安装盖组件12时，弹性体层EL1粘附于烟囱式散热筒底 座30b并接触CPU。本领域内技术人员将可以发现，弹性体层EL1允许热量从CPU 20传至烟囱式散热筒30而不用担心烟囱式散热筒会在CPU中造成任何电干扰。参照图2-4，烟囱式散热筒30优选地定义为热阱盖部分12a中的单件式结构 (如图4其自身所示)，以使得从烟囱式散热筒至热阱盖部分12a的其它部分的热 传递最大化。烟囱式散热筒30可以是任何合需的形状，例如支柱、多个个体凸起 等。另外，烟囱式散热筒30不一定是整合到壁12aw或被定义成与壁12aw—起的
单件式结构，并可将热量传至盖部分12a和/或通过另一金属热传导路径传至机架 C。如这里所示那样，烟囱式散热筒包括其间界定气流通道34的多个隔开的鳍32。 鳍32彼此平行地设置并被定位成使鳍和气流通道平行于模块10的纵轴X (图2, 5B)延伸，这导致气流通道与盖组件12开放的顶端和底端12d、 12e对齐以促使 冷却的气流通过鳍32之间的通道34。烟囱式散热筒底座30b优选为连接于诸鳍32 并将它们互连的不间断面状体。以如此方式，进入底座30b的热量被传递至每个鳍 32。从CPU 20传导入烟囱式散热筒30的热量进一步传导通过盖组件12的热通道 40 (在图2中以虚线表示)至盖组件的热输出块12c部分。在所示实施例中，热阱 盖部分12a的壁12aw本身为尾部12al提供所需的热通道40，所述尾部12al单独 或与可任选的尾部12bl —起界定热输出块12c。热阱盖部分12a还包括分别贯通 壁12aw向气流通道34开放的多个槽36。根据毗邻模块的存在与否，槽36可能允 许附加的气流进入或离开气流通道34以增加冷却效果。这些槽还利于盖部分12a 及其烟囱式散热筒30的制造。在一替换实施例中，将烟囱式散热筒30互连于热输 出块12c的热通道由连接于盖部分壁12aw或完全与盖部分的壁12aw隔离的金属 制路径提供，在这种情形下壁12aw不一定是金属制的。如此，可以看出烟囱式散 热筒30、壁12aw或其它热通道40以及热输出块12c定义根据本发明的热通路。图5A、 5B示出当根据本发明形成的模块10被安装在机架C的槽中时，热输 出块12c毗邻并热耦合于机架C的金属热输入区HI。模块10仅被局部示出并且机 架C的一些部分未被示出以显露出模块10配合在机架C中，具体地说就是热输出 块12c和机架热输入区HI之间通过保证这两个金属区之间良好热传导的弹性体层 EL2的紧密配合。热输出块12c与机架C的热耦合或者可以藉由块12c与区HI之 间的直接金属—金属接触实现，但优选的是将热传导弹性体层EL2用作接口。层 EL2优选为与上述热传导弹性体层EL1相同的或者相当的材料，并位于热输出块 12c与机架热输入区HI之间并与此两者接触。如图2所示那样，在所示实施例中， 弹性体层EL2粘附于热输出块12c的后平面12cl以当将模块10安装在机架中时 使弹性体层EL2接触机架C的热输入区HI以实现所需的热耦合，并补偿由热输出 块12c与机架热输入区HI之间的机械失位造成的任何空间，这对提供一种可行的 现实解决方案而言是重要的。如图IB所示，热输入区HI界定印刷电路板PCB1 与底壁BW之间的最小高度Dl，并且优选的是热输出块12c界定至少为热输入区 高度Dl的90%的最大高度D2 (图5A)以在不干扰模块10滑动插入/安装至机架
的同时使向机架热输入区HI的热传递最大化。典型地，为保证热输出块12c不干 扰模块IO滑动插入至机架C，热输出块的侧向尺寸D3 (图2)等于或小于模块10 本身的最大侧向尺寸D4，即热输出块12c在侧向上不凸出至盖部分12a、 12b的相 应各壁12aw、 12bw之外。本领域普通技术人员可以发现热阱盖12a的烟囱式散热 筒30通过诸如壁12aw、热输出块12c和机架热输入区HI的热通道热耦合于机架 C。这使得热量从CPU20被传导离开模块10至机架C。作为底视图的图5B也揭 示出允许空气流至烟囱式散热筒30的鳍32并流过诸鳍之间的通道34的盖组件12 开放的底端12e。此外，热传导层EL1、 EL2是不导电的以使模块10电绝缘于机 架C，这在某些情形下便于定义电气或逻辑接地基准。图6是指示相比现有技术模块，根据本发明形成的模块中的温度下降的实验 结果的图表。这里，可以看出对于现有技术(基线)模块M和根据本发明形成的 模块10，对于给定的环境温度60°C，在模块M、 10的空间14中的CPU 20和其 它电子元件22所测得的温度降低量AT，对CPU20为AT^4"C。应当注意，即使 只有CPU 20通过如上所述的烟囱式散热筒结构30热耦合于热阱盖部分12a，诸元 件22也会产生AT值。本领域普通技术人员可以发现本发明提供一种电子模块和/或模块/机架安装 件。所述安装件包括含金属制热输入区HI的机架C。含电子元件20的电子模块 10连接于机架C。不间断的热通路将电子元件20热耦合于机架C的热输入区HI。 热通路包括金属制烟囱式散热筒30、热连接于烟囱式散热筒30的金属制热通道40、 以及热连接于热通道40的金属制热输出块12c。第一和第二电绝缘的非金属层 EL1、 EL2分别使烟囱式散热筒30热耦合于电子元件20并使热输出块12c热耦合 于机架热输入区HI。已结合优选实施例描述了本发明。然而本领域普通技术人员可以明白可对优 选实施例作出多种修改和变更。所公开的优选实施例不旨在限定所附权利要求的范 围，权利要求的范围不管是从字面上还是根据等同原则都应当作尽可能广义的解 释。
权利要求
1.一种电子模块安装件，包括金属机架，界定至少一个适合用来容纳电子模块的槽，所述机架包括后壁上为所述机架界定一热输入区的曝露的金属区；电子模块，起效地安装于所述至少一个槽内，所述模块包括界定一容纳带有电子元件的印刷电路板的内部空间的盖组件，所述盖组件包括热通路，所述热通路包括(i)热通道；(ii)包括毗邻地位于并热耦合于所述电子元件中的至少一个的底座的烟囱式散热筒；以及(iii)与所述烟囱式散热筒隔开并至少部分地界定一热输出块的凸出尾部，其中所述热输出块毗邻地位于并热耦合于所述金属机架的所述热输入区，其中，所述烟囱式散热筒的所述底座将热量从所述热耦合的电子元件传导入所述热通道，并且所述热输出块通过所述热输入区将热量从热通道传至所述机架。
2. 如权利要求l所述的电子模块安装件，其特征在于，所述机架的所述热输 入区由毗邻所述后壁的机架印刷电路板的下边沿与所述机架的底壁之间的所述后 壁的曝露金属区所界定，以使所述热输入区相对于所述机架印刷电路板凹进。
3. 如权利要求2所述的电子模块安装件，其特征在于，所述热输入区界定所 述印刷电路板的所述下边沿与所述机架底壁之间的最小高度，并且所述热输出块界 定一最大高度为所述热输入区最小高度的至少90%。
4. 如权利要求l所述的电子模块安装件，其特征在于，所述热通道由所述盖 组件的热阱盖部分的外壁的至少一部分所界定，并且所述烟囱式散热筒从所述外壁 的内表面凸出，所述烟囱式散热筒的所述底座相对于所述热阱盖部分的所述外壁形 成向内的间隔，所述烟囱式散热筒包括从所述热阱盖部分的所述外壁向所述烟囱式 散热筒的所述底座延伸的多个鳍。
5. 如权利要求4所述的电子模块安装件，其特征在于，所述多个鳍彼此隔开 以在两个隔开的鳍之间界定至少一条气流通道。
6. 如权利要求5所述的电子模块安装件，其特征在于，所述多个鳍彼此平行 并且平行于所述电子模块的纵轴而延伸，以使所述至少一条气流通道平行于所述纵 轴而延伸，并且所述盖组件的纵向隔开的顶端和底端是开放的以使纵向气流能往来 于所述至少一条气流通道。
7. 如权利要求4所述的电子模块安装件，其特征在于，热阱盖部分被界定为 一包括所述烟囱式散热筒的所述底座和鳍以及所述外壁和所述凸出尾部的单件式 金属结构。
8. 如权利要求7所述的电子模块安装件，其特征在于，所述单件式金属结构 包括铝合金。
9. 如权利要求l所述的电子模块安装件，其特征在于所述烟囡式散热筒的底座通过非金属的电绝缘材料构成的第一层热耦合于所 述至少一个电子元件，所述第一层位于所述烟闺式散热筒的所述底座与所述至少一个电子元件之间并与这两者接触；以及所述热输出块通过非金属的电绝缘材料构成的第二层热耦合于所述机架的所 述热输入区，所述第二层位于所述热输出块与所述热输入区之间并与这两者接触。
10. —种电子模块，包括 电子元件；盖组件，用于界定所述电子元件位于其中的空间；热通路，用来将热量从所述电子元件吸出并将热量传导至适于可松开地容纳 所述模块的相关联的金属机架，所述热通路包括-烟囱式散热筒；热连接于所述烟囱式散热筒的热通道； 热连接于所述热通道的热输出块；将所述烟囱式散热筒热耦合于所述电子元件的电绝缘的非金属层； 其中所述热通路的所述烟囱式散热筒、热通道以及热输出块由所述盖组 件的热阱盖部分界定为一单件式金属结构。
全文摘要
公开了一种电子模块和机架/模块安装件。该安装件包括含金属制热输入区的机架。含电子元件的电子模块适合连接于该机架。不间断的热通路将该模块的电子元件热连接于机架的热输入区。热通路包括烟囱式散热筒；热连接于烟囱式散热筒的热通道；以及热连接于热通道的热输出块。第一电绝缘非金属层将烟囱式散热筒热耦合于该电子元件。第二电绝缘非金属层将热输出块热耦合于机架热输入区。
文档编号H05K7/20GK101155502SQ20071016233
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月29日
发明者D·E·基利安, D·R·勃德曼, K·H·豪尔, P·C·赫伯特, R·E·舒尔茨 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司