Integrated Cooling Concepts for Printed Circuit Boards

INTEGRATED COOLING CONCEPTS FOR PRINTED CIRCUIT BOARDS PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor aan de Universiteit Twente, op gezag van de rector magnificus, prof. dr. W.H.M. Zijm, volgens besluit van het College voor Promoties in het openbaar te verdedigen op donderdag 4 december 2008 om 15.00 uur door Wessel Willems Wits geboren op 5 november 1977 te Amsterdam Dit proefschrift is goedgekeurd door: Prof. dr. ir. F.J.A.M. van Houten promotor Dr. ir. T.H.J. Vaneker assistent promotor INTEGRATED COOLING CONCEPTS FOR PRINTED CIRCUIT BOARDS PhD Thesis By Wessel Willems Wits at the Faculty of Engineering Technology (CTW) of the University of Twente, Enschede, the Netherlands. Enschede, 4 december 2008 De promotiecommissie: Prof. dr. F. Eising Universiteit Twente, voorzitter, secretaris Prof. dr. ir. F.J.A.M. van Houten Universiteit Twente, promotor Dr. ir. T.H.J. Vaneker Universiteit Twente, assistent promotor Prof. dr. ir. T.H. van der Meer Universiteit Twente Prof. dr. ir. H.J.M. ter Brake Universiteit Twente Prof. dr. A.G. Tijhuis Technische Universiteit Eindhoven Prof. dr. T. Tomiyama Technische Universiteit Delft Dr. R. Legtenberg Thales Nederland B.V. Keywords: Thermal Management, Electronics Cooling, PCB Cooling, Jet Impingement Cooling, Heat Pipe Cooling ISBN 978-90-365-2731-6 Copyright © Wessel W. Wits, 2008 Cover design by Sylvia Bergsma-Lak Printed by Gildeprint, Enschede All rights reserved. Aan mijn ouders, aan Irma Summary Thermal management plays an increasingly dominant role in the design process of electronic products. Component sizes decrease while performance and functional demands increase, resulting in more power dissipation on smaller surfaces. In an effort to cope with these growing thermal challenges, industry continuously seeks cooling equipment with improved heat transfer performance. However, as thermal engineering is traditionally considered toward the end of the design process, the applied cooling solutions are often simply mounted onto the product. As such, cooling equipment for electronics is growing out of proportion compared to the electronic component it is supposed to cool. This thesis describes the development of innovative cooling concepts for electronic products. Thermal criteria are considered during the conceptual design phase, in order to find more integrated solutions. This multidisciplinary approach strives to develop improved thermal management systems for electronic products, in terms of thermal performance, compactness and flexibility. To develop a cost efficient solution focus is also put on utilizing standardized electronic manufacturing pro- cesses, such as Printed Circuit Board (PCB) and Surface Mounted Device (SMD) production technologies. Cost considerations for high product volumes, enabling mass-market applications, are especially taken into account. This research has led to the identification of two promising cooling concepts for electronic products. The first concept – directly injected cooling – is based on (jet) air cooling. By manufacturing a coolant inlet port into the PCB underneath an electronic component, this component can be cooled directly from the bottom side. This concept excels in the area of high component density cooling, where many components on an electronic board must be cooled both independently and simultaneously. The second concept – integrated heat pipe cooling – integrates a passive, two- phase heat transport device directly into the PCB. As the heat transfer mechanism VII is based on phase change principles, it is capable of transporting large quantities of heat. The heat pipe is constructed inside the laminated structure that makes up the electronic board. This concept allows heat, dissipated by (multiple) components mounted onto the PCB, to be transported through the board structure with a very high efficiency. For both concepts detailed analysis and experimental investigation have been conducted. Both concepts show promising results compared to state-of-the-art cooling systems, in terms of thermal performance and flexibility. The integrated design also leads to a lighter and more compact electronic product. As thermal management systems are produced integrally, a significant cost re- duction is reached. This is especially true for high volume production, where electronic manufacturing technologies, such as PCB production and SMD as- sembly, are appreciated for their low recurring cost. In the future, this allows engineers to design electronic products featuring full integration of thermal management systems and electronic circuitry. This research pushes the boundary further toward more functionality in a smaller form factor for electronic products at a lower cost. VIII Samenvatting Warmtebeheer speelt een steeds groter wordende rol binnen het ontwerpproces van elektronische producten. De afmetingen van de elektronische componenten worden kleiner, terwijl de prestaties en functionele eisen stijgen. Dit resulteert in meer warmte dissipatie op een steeds kleiner wordend oppervlak. Om deze groeiende warmteproblematiek te beheersen zoekt de industrie voortdurend naar koeltechnieken met verbeterde prestaties. Maar, omdat de thermische aspecten traditioneel pas aan het einde van het ontwerpproces aan bod komen, worden de toegepaste oplossingen om te koelen vaak simpelweg op het product gemonteerd. Hierdoor wordt de omvang van koelapparatuur van elektronica, vergeleken met de elektronische component die hij dient te koelen, steeds groter. Dit proefschrift beschrijft het ontwikkelen van innovatieve concepten voor het koelen van elektronische producten. Thermische criteria worden reeds meege- nomen tijdens de conceptuele ontwerpfase. Hierdoor worden meer ge¨ıntegreerde oplossingen gevonden. Deze multidisciplinaire aanpak is er op gericht verbeterde systemen voor warmtebeheer van elektronische producten te ontwikkelen, zowel in termen van thermische prestaties, als in termen van compactheid en flexibiliteit. Om tot een effectieve oplossing te komen, die bovendien kostentechnisch gunstig is, is gekozen voor het gebruik van gestandaardiseerde elektronische productie- processen als Printed Circuit Board (PCB) en Surface Mounted Device (SMD) productietechnologieën. Met name bij grote productieaantallen is juist dit kos- tenaspect belangrijk. Hierdoor zijn namelijk toepassingen mogelijk voor een groot afzetgebied. Dit onderzoek heeft geleid tot de identificatie van twee veelbelovende concepten voor het koelen van elektronische producten. Het eerste concept – directly injected cooling – is gebaseerd op (jet) luchtkoe- ling. Door een instroomopening in de printplaat onder een elektronische component te maken, kan deze component direct vanaf de onderkant gekoeld worden. IX Dit concept blinkt uit doordat het een grote componentdichtheid kan koelen. Bo- vendien is het mogelijk met dit concept de vele componenten op een elektronisch bord zowel onafhankelijk als gelijktijdig te koelen. Het tweede concept – integrated heat pipe cooling – integreert een passief, twee- fase mechanisme voor warmtetransport direct in een printplaat. De warmteover- dracht is gebaseerd op het principe van faseverandering. Daardoor is het mogelijk om grote hoeveelheden warmte te transporteren. De heat pipe is geconstrueerd in de gelamineerde structuur van de printplaat. Dit concept transporteert warmte, gedissipeerd door (meerdere) componenten op een printplaat, met zeer hoge efficiency door de structuur van de printplaat. Voor beide concepten is een gedetailleerde analyse en experimenteel onderzoek uitgevoerd. Beide concepten laten, vergeleken met de huidige koelsystemen, een veelbelovend resultaat zien: goede thermische prestaties en grote flexibiliteit. Beide leiden ook tot een lichter and compacter elektronisch product. Een significante kostenbesparing wordt gerealiseerd, omdat beide systemen voor warmtebeheer volledig ge¨ıntegreerd geproduceerd worden. Dit geldt met name voor grote productieaantallen omdat elektronische productietechnologieën zoals PCB-productie en SMD-assemblage erg aantrekkelijk zijn vanwege hun lage re- peterende kosten. Ontwerpers kunnen hierdoor in de toekomst elektronische producten ontwerpen waarin warmtebeheer en elektronica volledig samengaan. Dit onderzoek toont aan hoe, tegen lage kosten, in een elektronisch product, de beperkte ruimte optimaal benut wordt door meerdere functies ge¨ıntegreerd toe te passen. X Preface “But I can assume you are taking on this Ph.D. project?”, those were the last words my professor asked me when I left his office after our first acquaintance four years ago. I guess I was playing hard to get by telling him I had to think about it. Nonetheless, I mumbled, “Yes”, confirming the beginning of this research. As a Ph.D. student you know, it ain’t over till the book is done. Here we are, four years and exactly three months later. The book is finished! Contrary to what many others warned me about, it was not all that hard; it was actually very motivating and good fun. If at any time someone asks you, “Can I assume you are taking on this Ph.D. project?”, I would advice you to instantly say, “Yes!” The reasons why it was such a positive experience probably lay in the people I had to work with. I guess this book, more than ever, is the appropriate place to thank them. Without their support, this book would not have existed. The research described in this book was conducted not only at the Laboratory of Design, Production and Management of the University of Twente, but also at our industrial partner Thales Netherlands in Hengelo. Combining

Load more