DE3321321C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Eine elektrische Schaltungsanordnung mit aus Modulen gebildeten Stapeln, die auf einem Träger angeordnet sind, ist bekannt aus der GB-PS 12 83 173.

Die Module mit ihren Schaltelementen sind bei dieser Schaltungsanordnung sehr dicht gepackt. Während des Betriebs der Schaltungsanordnung entsteht Wärme, welche die elektrischen Schaltungselemente schädigen kann. Eine Ab­ führung der Wärme bzw. eine Kühlung der Module und der Schaltungselemente wird bei dieser Schaltungsanordnung durch relativ enge Lüftungskanäle ermöglicht, die zwischen den Modulen verlaufen. Bei dieser Anordnung lassen sich nur geringe Wärmemengen abführen.

Aus der US-PS 42 91 364 und aus der US-PS 34 67 892 sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die im Betrieb sich erwärmenden Komponenten durch von Gebläsen geförderte Luft gekühlt werden.

Die Kühlkanäle laufen aber bei beiden Schaltungsanordnungen geradlinig durch diese hindurch, wodurch die Kühlwirkung beeinträchtigt wird.

Die DE-OS 24 59 532 beschreibt ein mikroelektronisches Modul zur Montage und zum Kontaktieren von Schaltkreisplättchen. Bei diesem Modul sind die einzelnen Schaltkreisplättchen freistehend auf den Montageebenen befestigt, so daß sie durch die Umgebungsluft oder durch Eintauchen in ein Bad aus flüssigem Helium oder Stickstoff gekühlt werden. Eine zwangsweise Kühlmittelströmung ist aber hier nicht vorgesehen.

Die GB-PS 13 26 972 schließlich betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung, deren Schaltungselemente mittels Luft gekühlt werden, wobei, um eine Verschmutzung der Schaltungselemente zu vermeiden, jeweils zwei Schaltungsplatten gegen den Lufteintritt abgedichtet sind. An den Außenseiten der Schaltungsplatten sind externe Wärmetauscher mit Kühlrippen vorgesehen, an denen Kühlluft vorbei­ geleitet wird und die in Verbindung mit den zu kühlenden Elementen stehen. Dies ist jedoch eine konstruktiv sehr aufwendige Art der Kühlung.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie bei einfachem Aufbau gut und wirksam kühlbar ist.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 im Schnitt eine elektrische Schaltungsanordnung aus einer Mehrzahl von Stapeln auf einem gemeinsamen Träger zeigt, wobei jeder Stapel eine Mehrzahl von Modulen umfaßt und ein Kühlmittel nacheinander durch wenigstens zwei der Stapel der Schaltungsanordnung strömt,

Fig. 2 zeigt perspektivisch einen Stapel der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt perspektivisch eine andere Ausführungsform eines Stapels,

Fig. 4 zeigt im Schnitt einen Teil nach einer weiteren Ausführungsform eines Stapels,

Fig. 5 zeigt eine Modifikation des Stapels nach Fig. 4,

Fig. 6 zeigt perspektivisch eine Kombination aus mehreren elektrischen Schaltungsanordnungen nach Fig. 1, durch welche ein Kühlmittel hindurchströmen kann.

Die elektrische Schaltungsanordnung nach Fig. 1 umfaßt eine Mehrzahl von Stapeln 10 auf einem gemeinsamen planaren Träger 10 A, wobei jeder Stapel eine Mehrzahl von wenigstens im wesentlichen gleich aufgebauten Modulen 11 enthält. Jedes Modul 11 hat ein ebenes Substrat 12 aus elektrisch isolieren­ dem Material, wie z. B. Tonerde, und es hat eine quadratische oder rechteckige Form in Draufsicht. Die Substrate 12 verlaufen rechtwinklig zur Längssymmetrie­ achse 13 des Stapels 10. Schaltkreiselemente sind auf einer Hauptfläche jedes Substrates 12 ausgebildet und sie umfassen Komponenten 14, z. B. gepackte oder nicht-eingekapselte Halbleiterelemente, die auf den Substraten ange­ bracht und an Schaltungselemente in Form von Leitern (nicht gezeigt) ange­ schlossen sind. Die Module 11 an jedem Ende des Stapels können mit Schalt­ kreiselementen versehen sein, die Anschlüsse (nicht gezeigt) für den zuge­ hörigen Stapel aufweisen.

Bei dem Stapel nach Fig. 2 sind die Schaltkreiselemente jedes Moduls, außer bei einem Modul an einem Ende des Stapels, gegenüber einer Hauptfläche des Substrates eines benachbarten Moduls innerhalb des Stapels ausgebildet, wobei diese angrenzende Hauptfläche des Substrates keine Schaltkreiselemente trägt. Innerhalb des Stapels hat jedes benachbarte Paar von Substraten einen gleichmäßigen Abstand.

Die Halterungen 16, die die Module 11 in ihren Positionen innerhalb des Stapels 10 halten, sind in Form von Winkelstücken ausgebildet, die parallel zur Längs­ symmetrieachse 13 des Stapels verlaufen.

Elektrische Verbindungen 17 sind zwischen den Modulen 11 des Stapels 10 aus­ gebildet, um den zugehörigen Teil des Schaltkreises zu vervollständigen. Die dargestellten elektrischen Verbindungen 17 haben jeweils ein Teil, das die Module in ihren Positionen innerhalb des Stapels hält, und sie verlaufen parallel zur Längssymmetrieachse 13 des Stapels. Die Endabschnitte der elektrischen Verbindungen 17 können Anschlüsse für den Stapel aufweisen. Die elektrischen Verbindungen 17 sind am Substrat 12 befestigt, z. B. in fluchtenden Nuten 18 angebracht, die am Rand der Substrate ausgebildet sind.

In komplexen elektrischen Schaltungsanordnungen, die dicht gepackte Module und/oder Schaltkreiselemente auf den Modulen haben, entsteht das Problem, die erzeugte Wärme abzuführen.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird die Wärme abgeleitet durch benachbarte Paare von Substraten jedes der im Abstand voneinander angeord­ neten Stapel und indem ein Kühlmedium, wie z. B. Luft, zwischen den im Ab­ stand liegenden Paaren der Substrate in jedem Stapel hindurchströmt, ferner durch die Stapel in Ebenen rechtwinklig zur Längsachse der Stapel, worauf es nacheinander durch mehrere Stapel hindurchströmt. In der dargestellten Aus­ führungsform des Stapels nach Fig. 2 strömt das Kühlmittel über die Schalt­ kreiselemente. Das Kühlmittel kann sehr leicht und wirksam zugeführt und über die Punkte der elektrischen Schaltung geleitet werden, wo die erzeugte Wärme abgeführt werden soll.

Im Stapel nach Fig. 2 wird der Fluß des Kühlmittels durch den Stapel hin­ durch in Richtung des Pfeiles 19 von einer nicht-gezeigten Luftkammer aus, praktisch nicht beeinträchtigt. Insbesondere wird durch die Winkelstücke 16 und die elektrischen Verbindungen 17 der Strom des Kühlmittels durch den Stapel nicht merklich beeinflußt. Selbst wenn der Strom des Kühlmittels durch den Stapel rechtwinklig zum Pfeil 19 erfolgt, entsteht keine merkliche Behinderung der Strömung durch die Zwischenräume zwischen den elektrischen Verbindungsleitungen 17.

Der gemeinsame Träger 10 A der elektrischen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält eine konventionelle gedruckte Schaltungsplatte, die die erforder­ lichen elektrischen Verbindungen zwischen den Stapeln enthält, um den Schalt­ kreis zu vervollständigen, und die Längssymmetrieachse 13 jedes Stapels ver­ läuft rechtwinklig zur Ebene des Trägers 10 A. Somit besitzt jeder Stapel nach Fig. 1 elektrische Verbindungsleitungen zwischen den Modulen, wobei die Verbindungsleitungen wenigstens teilweise die Module in ihren Positionen im Stapel halten, und Endabschnitte der Verbindungsleitungen 17 Anschlüsse in Form von Steckern oder Stiften aufweisen, die in mit ihnen zusammen­ wirkende, in Form von Fassungen ausgebildete Anschlüsse 17 A eingesetzt sind, die im Träger 10 A ausgebildet sind. Ferner sind die Endabschnitte der Winkelstücke jedes Stapels mit Nasen oder Ansätzen versehen, die in zusammen­ wirkende Fassungen eingesetzt werden, die im Träger 10 A ausgebildet sind. Das Kühlmittel fließt nacheinander durch die Stapel, wie durch die Pfeile 19 A angezeigt ist. Die Stapel sind in Richtung des Kühlmittelstromes abwechselnd auf Distanzelementen 17 B auf der gedruckten Schaltungsplatte montiert. Bei jedem benachbarten Paar der Stapel sind daher die im Abstand liegenden Substrate eines Stapels versetzt zu den im Abstand liegenden Substraten des anderen Stapels angeordnet, wodurch die Kühlwirkung der elektrischen Schal­ tungsanordnung gesteigert wird.

Bei der alternativen Ausführungsform des Stapels 20 nach Fig. 3 bestehen die Bauteile, die wenigstens teilweise die Module 11 in ihren Positionen inner­ halb des im Querschnitt viereckigen Stapels halten, aus zwei planaren Platten 21, die parallel zur Längsachse 13 des Stapels liegen und auf zwei gegenüberliegen­ den Seiten des Stapels angeordnet sind. Der Strom der Kühlluft durch den Stapel ist dadurch auf eine Richtung beschränkt, die durch den Pfeil 22 angezeigt ist, und zwar durch die beiden anderen gegenüberliegenden Seiten des Stapels, die parallel zur Längsachse 13 des Stapels liegen. Die Teile des Stapels 20 nach Fig. 3, die identisch oder im wesentlichen gleich den Teilen des Stapels 10 nach Fig. 2 sind, sind mit denselben Bezugszeichen in beiden Figuren be­ zeichnet.

Die Platten 21 sind mit den Substraten 12 verbunden, beispielsweise mittels Preßsitz oder auch verlötet. Die Platten 21 tragen dazu bei, daß der Stapel ohne Beschädigung gehandhabt werden kann.

Zwischen den Modulen 11 des Stapels sind elektrische Verbindungen 24 ausge­ bildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 bilden die elektrischen Verbindungs­ leitungen Teile der Platten 21, wobei ebene Abschnitte 25 der Platten 21 elektrisch isolierende Träger für die elektrischen Verbindungsleitungen 24 bilden.

Auf den Abschnitten 25 können Schaltungselemente montiert sein. Anschlüsse 26 für den Stapel 20 sind ebenfalls an den Platten 21 vorgesehen, wobei diese Anschlüsse Nasen oder Ansätze haben, die an den elektrisch isolierenden Ab­ schnitten 25 der Platten 21 angebracht sind und diese direkt mit den elek­ trischen Verbindungsleitungen 24 verbunden sind.

Anstatt aus einem elektrisch isolierenden Material, können die Substrate auch aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen und sie können Kühlkörper aufweisen, wobei die Wärme von diesen durch das über die Module strömende Kühlmittel abgeführt wird.

In den Ausführungsformen des Stapels 30 nach Fig. 4 sind Teile, die identisch oder ähnlichen Teilen des Stapels 10 nach Fig. 2 sind, mit denselben Bezugs­ zeichen bezeichnet.

In dem Stapel 30 nach Fig. 4 sind Schaltkreiselemente 14 auf nur einer Haupt­ fläche jedes, oder wenigstens einiger der Substrate ausgebildet, welche aus einem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten bestehen und in diesen ein wärmeleitendes Teil 31 auf der anderen Hauptfläche des Substrates angeordnet ist. Das wärmeleitende Teil 31 hat eine große Fläche und in der dargestellten Ausführungsform ist es mit Rippen 32 ausgestattet. Das Kühlmittel strömt über die große Fläche des wärmeleitenden Teils 31 und führt wirksam die Wärme von diesem ab.

In der modifizierten Form des Stapels 30 nach Fig. 5, sind benachbarte Paare von Substraten 12 so angeordnet, daß die Schaltkreiselemente 14 auf gegen­ überliegenden Hauptflächen der Substrate im Stapel 30 ausgebildet sind. Die wärmeleitenden Teile 32 auf den anderen Hauptflächen der Substrate alternie­ render, benachbarter Paare der Substrate sind einander direkt gegenüber ange­ ordnet. Die gegenüberliegenden Paare der wärmeleitenden Teile 31 sind versetzt und mit ihren Rippen 32 ineinandergreifend angeordnet, so daß Kanäle 40 für den Durchfluß des Kühlmittels zwischen ihnen gebildet werden.

Die Schaltung kann so ausgebildet sein, daß das Kühlmittel direkt über die Hauptflächen der Substrate strömt, die die Schaltkreiselemente tragen. Wenn jedoch die Möglichkeit besteht, daß die Schaltkreiselemente durch das Kühlmittel beschädigt werden könnten, wird zweckmäßigerweise der Kühlmittel­ strom nur über die anderen Hauptflächen der Substrate geführt, die keine Schaltkreiselemente tragen, wenn die Substrate aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen.

Auch wenn wärmeleitende Teile nicht in den Stapeln der Schaltung vorgesehen sind, wenn Schaltungselemente auf nur einer Hauptfläche jedes, oder wenigstens einiger der Substrate ausgebildet sind, sind die Schaltkreiselemente auf gegenüberliegenden Hauptflächen in den Stapeln angeordnet. Die Anordnung kann derart sein, daß das Kühlmittel nur zwischen abwechselnden benach­ barten Paaren solcher Substrate strömt, entweder direkt über die Schaltungs­ elemente, oder nur über die Hauptflächen der Substrate, die keine Schaltkreis­ elemente aufweisen.

Zusätzlich oder alternativ kann der Strom des Kühlmittels durch einen Stapel reguliert werden, so daß die Kühlwirkung für einige Module größer ist, als für andere Module, bei denen die Kühlwirkung geringer ist. Der Strom des Kühlmittels kann reguliert werden durch variieren seiner Ge­ schwindigkeit und/oder der Menge des über ein Modul strömenden Kühlmittels, z. B. durch Variation des Abstandes zwischen benachbarten Paaren der Susbstrate.

Zweckmäßigerweise sind jedoch innerhalb eines Stapels die benachbarten Paare von Substraten in einem gleichmäßigen Abstand angeordnet.

Die Substrate der Module der Stapel der elektrischen Schaltungsanordnung sind zweckmäßigerweise versetzt angeordnet. Für den Stapel kann ein Gehäuse vorge­ sehen sein, durch welches das Kühlmittel hindurchströmt. Das Kühlmittel kann in beliebig geeigneter Weise der elektrischen Schaltung zugeführt und von dieser abgeführt werden.

In Fig. 6 ist eine Kombination aus einer Mehrzahl von weniger komplexen Schaltkreisen auf einem gemeinsamen Träger gezeigt, wobei nur einige der weniger komplexen Schaltkreise dargestellt sind, von denen jeder gemäß Fig. 1 aufgebaut ist und eine Mehrzahl von Stapeln 10 auf einem gemein­ samen Träger 10 A aufweist, der eine konventionelle gedruckte Tochter- Schaltungsplatte besitzt. Der mehr komplexe Schaltkreis hat einen ge­ meinsamen Träger 60 mit einer konventionellen gedruckten Mutter-Schaltungs­ platte. Die Ebene des Trägers verläuft rechtwinklig zur Ebene jedes Trägers 10 A.

Teile der weniger komplexen elektrischen Schaltkreise nach Fig. 6, die identisch mit, oder sehr ähnlich zu Teilen der Schaltung nach Fig. 1 sind, sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Komponenten 14 auf den Modulen, die Winkelstücke 16 jedes Stapels und die Distanzelemente 17 B sind in Fig. 6 nicht dargestellt. Die benach­ barten Stapel der Schaltkreise sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 6 nicht versetzt zueinander dargestellt, dieses, in Fig. 1 gezeigte Merkmal gilt aber auch für den Aufbau der Kombination nach Fig. 6.

Ein Winkelanschlußstück 62 ist individuell an jedem Träger 10 A angebracht und jedes Anschlußstück hat nicht-gezeigte Leiter, die sowohl an die Anschlüsse der zugehörigen Tochter-Schaltungsplatte und an entsprechende Fassungen der Mutter-Schaltungsplatte angeschlossen sind.

Die Richtung des Kühlmittelstromes in der komplexeren Schaltung ist durch den Pfeil 64 in Fig. 6 angezeigt und sie läuft im wesentlichen parallel so­ wohl zur Ebene des Trägers 60 und zur Ebene jedes Trägers 10 A. Der Kühlmittel­ strom wird daher geteilt und fließt durch jeden der weniger komplexen Schalt­ kreise, wobei jeder solche Teil des Kühlmittels nacheinander durch Stapel des zugehörigen, weniger komplexen Schaltkreises hindurchfließt. Die Schaltkreise der Kombination werden daher durch das Kühlmittel wirksam gekühlt.

Claims (10)

1. Elektrische Schaltungsanordnung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
eine Mehrzahl von aus Modulen (11) bestehenden Stapeln (10, 20, 30) auf einem gemeinsamen Träger (10 A), wobei jedes Modul (11) durch Halterungen (16, 17, 25) im Stapel (10, 20, 30) gehalten ist, die parallel zur Längssymmetrieachse (13) verlaufen und sich längs des jeweiligen Stapels erstrecken, daß ferner jedes Modul ein Substrat (12) aufweist, das rechtwinklig zur Längssymmetrieachse (13) des jeweiligen Stapels (10, 20, 30) liegt, die ihrerseits rechtwinklig zur Ebene des gemeinsamen Trägers (10 A) verläuft, daß die Substrate (12) mit Schaltungskomponenten (14) versehen und elektrische Verbindungs­ leitungen (17) zwischen den Modulen (11) jedes Stapels vorgesehen sind, daß ferner in jedem Stapel (10, 20, 30) die Substrate (12) im Abstand voneinander angeordnet und ein Kühlmittel zwischen benach­ barten Paaren von Substraten durch jeden Stapel (10, 20, 30) in Ebenen rechtwinklig zur Längsmittelachse (13) der Stapel hindurchge­ führt wird und das Kühlmittel nacheinander durch wenigstens zwei der Stapel hindurchfließt, und daß die Substrate (12) eines Stapels gegen­ über den Substraten (12) eines benachbarten Stapels versetzt ange­ ordnet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskomponenten (14) auf nur einer Hauptfläche der Substrate (12) ausgebildet sind und benachbarte Paare von Substraten (12) eines Stapels so angeordnet sind, daß die Schaltungskomponenten (14) auf gegenüberliegenden Hauptflächen liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskomponenten (14) eines Stapels (10, 20, 30) auf nur einer Hauptfläche der Substrate (12) ausgebildet sind, daß die letzteren aus einem wärmeleitenden Material bestehen und ein wärme­ leitendes Teil (31) auf der anderen Hauptfläche der Substrate (12) angeordnet ist, und daß das Kühlmittel über das wärmeleitende Teil (31) geführt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der wärmeleitenden Teile (31) mit Rippen (32) versehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Teile (31) benachbarter Substrate (12) mit ihren Rippen (32) ineinandergreifend angeordnet sind, so daß Kanäle (40) für den Durchfluß des Kühlmittels gebildet werden.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Hauptflächen der Substrate (12) Schaltungskomponenten (14) aufgebildet sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen für die Mulde (11) in Form von Winkelschienen (16) aus­ gebildet sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen für die Module (11) in Form von Platten (25) ausgebildet sind.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel durch Zwischenräume zwischen den elektrischen Verbindungen (17) geführt ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Träger (10 A) eine gedruckte Schaltungs­ platte aufweist und die Anschlüsse jedes Stapels (10, 20, 30) elektrisch mit der Schaltungsplatte verbunden sind.