外围PCB电子器件的液体冷却设计的制作方法

外围pcb电子器件的液体冷却设计
技术领域
1.本公开的实施例总体上涉及用于冷却装配在外围印刷电路板上的电子部件的架构，例如基于pcie连接接口的架构。


背景技术：

2.一般来说，计算主板包括各种接口，用于与各种部件交换数据。这些接口包括外围部件互连(pci)，其接受外围印刷电路板(pcb)。外围pcb通常比主板小，并可以包括电子装置，例如，图形处理器(gpu)、硬盘驱动器(hhd)主机适配器、固态驱动器(ssd)、wifi和以太网硬件等。各种标准可用于外围部件互连，例如，pci、pci-x、agp、pcie(pci高速)等。这些标准的共同点在于，它们都能以不同的速度实现安装在主板上的部件和安装在外围pcb上的部件之间的相互通信。
3.随着现代计算要求的提高，越来越多的任务从主cpu卸载到其他部件，包括安装在外围pcb上的部件。因此，外围pcb的处理能力增加，这增加了对能量的需求，从而增加了散热。
4.随着工作负载的更加多样化，计算架构变得越来越异质化，并且它要求现代硬件更加灵活地被安装或移除以及在系统中进行重新配置。
5.需要为安装在外围pcb上的微芯片进行适当的冷却布置的新设计，其易于装配，为部件提供适当的冷却，并且是可靠的。此外，还迫切需要开发先进的高性能冷却技术，以管理这些功率不断增加的电子器件的热条件。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种冷却设备，其配置成冷却外围电路板，且包括：冷却框架；安装到所述冷却框架上的至少一个冷却装置；连接到所述冷却装置的多个冷却软管；附接到所述冷却框架一侧的铰链；可旋转地附接到所述铰链一侧的缓冲框架；附接到所述缓冲框架的缓冲布置；以及锁定布置，其配置成将所述冷却框架与所述缓冲框架锁定在关闭位置，从而将所述外围电路板容纳在所述冷却框架和所述缓冲框架之间。
7.在一些实施例中，所述至少一个冷却装置包括液体冷却板。
8.在一些实施例中，所述冷却设备进一步包括在所述缓冲布置上提供的绝缘层。
9.在一些实施例中，所述冷却设备进一步包括将所述冷却装置安装到所述冷却框架上的弹性安装布置。
10.在一些实施例中，所述弹性安装布置包括弹簧布置。
11.在一些实施例中，所述缓冲布置包括泡沫、相互连接的弹簧或冲压的弹性板中的一种。
12.在一些实施例中，所述冷却设备进一步包括在所述缓冲布置上提供的接触层。
13.在一些实施例中，所述冷却设备进一步包括附接到所述冷却框架并容纳所述多个冷却软管的延伸框架。
14.在一些实施例中，所述的冷却设备进一步包括至少一个锚定器，其定位在所述延伸框架内，并配置成保持所述多个冷却软管。
15.本发明的实施例还提供一种外围系统，包括：具有液体冷却的外围电路板，其具有外围接口连接器和待主动冷却的至少一个微芯片；壳体，其封装所述外围电路板，所述壳体具有开口，所述开口适于将所述外围接口连接器延伸到所述壳体之外，所述壳体包括：冷却框架和借助铰链附接到所述冷却框架的缓冲框架；锁定机构，其将所述冷却框架和所述缓冲框架锁定在消减取向上；安装到所述冷却框架上的至少一个冷却装置；连接到所述冷却装置的多个冷却软管；附接到所述缓冲框架并对所述外围电路板施加压力的缓冲布置。
16.在一些实施例中，所述冷却框架包含空气通道。
17.在一些实施例中，所述的外围系统进一步包括在所述外围电路板和所述缓冲布置之间提供电绝缘。
18.在一些实施例中，所述的外围系统进一步包括容纳所述冷却软管的延伸框架。
19.在一些实施例中，所述延伸框架包括用于附接所述冷却软管的至少一个锚定器。
20.在一些实施例中，所述锚定器在所述延伸框架内是可移动的。
21.在一些实施例中，所述延伸框架从所述冷却框架可移除，并且其中所述冷却软管包括附接到所述冷却装置的第一组软管和位于所述延伸框架内的第二组软管，并且其中所述第一组软管和所述第二组软管进一步包括交互的连接器，所述交互的连接器配置成将所述第一组软管附接到所述第二组软管，并且其中所述第二组软管进一步包括供应连接器，所述供应连接器配置成将所述第二组软管连接到液体供应系统。
22.在一些实施例中，所述的外围系统进一步包括至少一个夹具，其定位在所述延伸框架内并将所述第二组固定在所述延伸框架内。
23.在一些实施例中，所述缓冲布置包括泡沫、相互连接的弹簧或冲压的弹性板中的一种。
24.在一些实施例中，所述的外围系统进一步包括弹性机构，其将所述冷却装置弹性地附接到所述冷却框架。
25.在一些实施例中，所述延伸框架包括在一侧的第一软管出口端口和在第二侧的第二出口端口，所述第二侧与所述第一侧相对。
附图说明
26.在附图中以举例而非限制的方式示出本发明的实施例，附图中类似的附图标记表示类似的元件。
27.图1是示出根据一个实施例的冷却设备的示例的图，示出了"开卷"位置。
28.图2a示出了根据一个实施例的冷却设备的"闭卷"布置，而图2b示出了根据另一个实施例的闭卷布置。
29.图2c是冷却设备在其安装和关闭位置的仰视图，而图2d是其侧视图。
30.图3示出了根据公开的实施例的冷却设备的一个示例，该冷却设备包括延伸框架。
31.图4示出了根据公开的实施例的延伸框架的操作。
32.图5示出了根据一个实施例的冷却设备的模块化设计的示例。
33.图6示出了根据一个实施例的安装在外围pcb上的冷却设备的示例，该外围pcb安
装到主板上。
34.图7示出了根据另一实施例的单独冷却设备的集成的示例。
具体实施方式
35.将参照下文讨论的细节描述本发明的各个实施例和方面，并且附图将示出各个实施例。下面的描述和图示是对本发明的说明，不应理解为对本发明的限制。描述了许多具体细节，以提供对本发明各个实施例的透彻理解。然而，在某些情况下，为了提供对本发明实施例的简明讨论，没有描述众所周知的或常规的细节。
36.说明书中提及"一个实施例"或"实施例"意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书的不同地方出现的“在一个实施例中”这一短语不一定都是指同一个实施例。
37.下面的详细描述提供了突出本文所述的创新冷却设计的某些特征和方面的示例。不同的实施例或其组合可以用于不同的应用或实现不同的结果或益处。根据所要实现的结果，本文所公开的不同特征可以部分或充分使用，单独使用或与其他特征组合使用，平衡优势与要求以及限制。因此，将参照不同的实施例强调某些益处，但不限于所公开的实施例。也就是说，本文公开的特征不限于在其中描述的实施例，而是可以与其他特征"混合和匹配"并纳入其他实施例中。
38.当前公开的内容介绍了用于外围pcb的电子部件的液体冷却解决方案，电子部件诸如用于密集计算应用(例如，例如人工智能应用和高性能计算应用)的图形处理器。现代外围pcb使用pcie连接器将系统集成到主板上。这些装置使用完全不同的形状因子和系统集成，冷却系统需要独立于应用于主板层面的冷却。为了实现更好的计算性能，外围装置的功率在不断增加。因此，特别是随着由于ic和晶粒的功率密度不断增加引起的封装密度的增加，对应的热挑战也在增加。因此，适当的液体冷却对于解决这些外围装置的热管理非常重要。然而，为这些外围装置提供液体冷却是一项困难的设计挑战，因为其需要容纳在周围系统中。此外，由于这些是外围装置，它们自然需要对不同系统的热设计有高度的兼容性。另外，外围板冷却的硬件设计和实施与基于夹层的装置不同。
39.公开的实施例提供了用于冷却安装在外围pcb上的外围装置的硬件架构。公开的实施例提供稳健且可靠的冷却解决方案，包括用于具有多个外围装置的系统。该设计包括用于单独外围pcb的冷却解决方案和全系统液体分布设计。该解决方案可以很容易地适应不同的设计和使用情况，并引入了增强不同外围板以及不同系统硬件环境的互操作性的特征。
40.目前的技术主要依赖于外围装置的空气冷却。相反，公开的实施例预见到了增强外围装置的除热需求，并提供外围装置的液体冷却架构。该硬件解决方案结合了用于单个外围板或具有多个外围板的系统的液体冷却。值得注意的是，这种外围装置的液体冷却设计需要易于安装、更换或重新配置，并应能适应系统内不同的现有液体冷却硬件设计。显然，冷却设备不应该对外围装置的性能特征产生不利影响。
41.公开的实施例包括冷却设备的设计，其包括两个框架，这两个框架在一侧可旋转地附接到铰链，类似于书的封面，从而形成容纳外围板的外壳。在装配之前，设备处于"开卷"的位置，在装配过程中，两个框架被旋转到"闭卷"的位置，从而形成壳体，将外围板装在
其中(就像书的页面被装在封面中一样)。正如下文将详细解释的那样，由两个框架形成的壳体包括开口，该开口使外围板的接口连接器能够从开口延伸并与主板上的接口插座配合。在这个意义上，除了延伸到冷却设备之外的接口连接器，外围印刷电路板被冷却设备封装。
42.本设计的一个特征是，除了提供冷却外，还为外围板提供物理保护。在公开的实施例中，除了冷却功能外，该设备还增强外围板的刚性，从而增强可靠性并防止了在运输过程中或在恶劣的振动环境中的损坏。
43.图1示出了两个框架105和110处于打开位置并且没有外围板的情况下的外围板冷却设备100的一个实施例。在本实施例中，冷却装置或单元115(如冷板、冷却导轨等)安装在冷却框架105上，并与冷却软管125连接。冷却软管125在其端部处具有连接器130，以连接到冷却液体输送系统，该冷却液体输送系统可以是任何标准的液体冷却输送系统，或者可以包括主板的液体冷却系统。
44.缓冲框架110具有附接在内部的缓冲垫120，以便在冷却设备安装在外围板上时稍微压在外围板上。缓冲垫120能够以各种形式形成，但它应该具有弹性品质，以便在外围板上施加所需的压力，从而确保外围装置与冷却设备115的良好热接触，并增加组件的刚性。在一个示例中，缓冲垫可以由泡沫或其他柔性结构制成，其对电子器件和冷却框架105提供平均的压力和保护。这在实线插图框中得到了例证。根据在虚线插图框中示出的另一个实施例，缓冲垫是是通过将多个弹簧122装配成相互连接的弹簧板或网络(例如，在弹簧床垫中)而形成的。根据点线插图框所示的再一个实施例，缓冲垫是通过冲压金属板以在其中形成多个弹性突起124而形成的。在一些实施例中，缓冲垫120涂覆有电绝缘涂层。
45.图1中示出的并可以在任何其他实施例中实施的另一个特征是为冷却单元115提供弹性安装件135。以这种方式，冷却单元115不是固定地附接到框架105，而是弹性地附接到框架105，从而允许它稍微移动以调整其位置，从而适应不同外围板中不同外围部件的位置变更。使用这一特征是为了便于装配，因为设计上的偏差可能会影响到外围板上的电子部件，使其与冷却单元的位置不能完美匹配。公开的弹性安装结构使得在装配过程中，冷却单元和电子装置之间更容易有更好的对准。弹性安装组件可以类似于任何一个缓冲垫120而形成，或者可以结合直接附接到冷却单元115的弹簧元件，如点划线插图框所示。然而，请注意，弹性安装件135也可以在进出页面的方向上(即，朝向和远离其接触的外围装置)给予弹性运动，从而适应不同外围装置的厚度变更。
46.一旦冷却设备100折叠在外围板上，就使用附接到互补紧固件113的紧固件112将其固定在折叠位置，从而形成外壳或壳体。紧固件112和113仅作为一个示例提供，但将冷却设备100固定在其折叠位置的任何手段都是可以接受的。在一个实施例中，为了便于装配，由元件112和113表示的、所选择的紧固件零件附接到框架，因此不需要额外的螺钉或紧固零件，也不需要单独添加额外的螺钉或紧固零件。
47.图2a是图1的冷却设备200在折叠位置的侧视图，该冷却设备容纳外围板202。在所示的示例中，外围板202包括接口连接器204(如pcie连接器)，并且两个外围装置206和208(例如，gpu、asci、cpu微芯片、芯片等)安装在其上。一般来说，可能有更多的微芯片和电路元件安装到外围板202上；但是，由于它们不需要主动冷却，所以在图中没有示出。两个框架205和210通过绕铰链235旋转而折叠，以便封装外围板202，然后使用匹配的连接器212和
213或任何其他合适的锁定机制将其相互锁定。如所示，冷却框架定位在外围装置或外围板202的正面之上，而缓冲垫框架定位在外围板202的背面之上。在安装和关闭的位置，冷却装置215与外围装置206、208接触，以便从其上去除热。
48.缓冲垫220有助于确保冷却装置215与外围装置206、208之间的适当接触，并为整个组件提供增强的刚性，从而保护电子装置。顺便说一下，外围装置产生的一些热传播到外围板的背面，并且缓冲垫可以作为散热器来去除这些热。图2a还示出了缓冲垫220和外围板202的背面之间的可选接触层224。接触层224可以是直接提供在缓冲垫220上的绝缘涂层，或者是由电绝缘材料制成的单独的片材，以防止在缓冲垫由导电材料制成的情况下，缓冲垫可能引起的任何短路。在某些实施例中，让缓冲垫直接与外围板的背面接触可能不合适，在这种情况下，提供可选的接触层224作为中间元件。在接触层224由绝缘材料制成时，它也可以被称为绝缘层。
49.图2b示出了一个实施例，该实施例除了沿框架205的侧面提供穿孔或开口240之外与图2a的实施例类似。提供这些穿孔或开口240是为了使空气流过装配好的冷却装置和外围板，从而作为一个示例，提供针对其他低功率密度的辅助部件的进一步的除热能力。开口240还提供了改进的通向软管225的通道，以便于装配、检查和维修。
50.图2c是冷却设备的底部侧视图。如所示，接口连接器204穿过冷却设备的顶部开口突出。图2d是总体示意图，示出了两个框架在没有冷却元件或外围板的情况下处于关闭位置，以更好地示出用于外围连接器的气流开口240和顶部开口201。虚线箭头示出了气流以协助冷却。铰链235被示出在组件的底部处。在这方面，对顶部和底部的提法是相对的，因为该组件能够以任何需要的取向安装到主板上。
51.图3示出了结合软管管理组件的另一个实施例。在图3中，软管延伸框架350可以添加到在冷却框架205上的冷却系统。软管延伸框架350用于实际使用中可能需要的额外冷却液体软管。根据该实施例，软管在连接以输送冷却液之前，被储存在软管延伸框架350内。在软管延伸框架350内可以提供有一个或更多个软管锚定器352，图3中示出了三个。替代地，可以不提供多个锚定器，而是提供单个滑动的锚定器，从而锚定点可以在软管延伸框架内可移动或滑动。例如，锚定器可以是协助在框架内布置软管的夹具或支柱。
52.如所提及的，这些锚定器可用于管理软管。例如，如图3中所示，在软管附接在#1所示的锚定位置上时，软管完全储存在框架内，例如，在运输过程中。相反，如图4中所示，在软管附接到#2所示的锚定位置时，流体软管延伸并可以与液体输送端口连接。同样地，如果冷却软管需要加长以达到其他系统集成或连接要求，那么可以使用#3锚定点。
53.图3中示出了三个锚定器，然而，可以使用不同数量的锚定器，并且，可以提供单个锚定器352而不是使用若干锚定器，使得它可滑动以采取例如由图3中三个锚定器所指示的位置。因此，对于运输而言，单个锚定器可以固定在位置#1，而在部署过程中，它可以被固定在表示为#2或#3的位置。此外，冷却软管的出口方向可以是可逆的，使得软管在相反侧离开延伸框架(如图4中虚线软管225'所示)。这也示出在图2d中，其中软管可以从冷却框架的任何一侧离开，因此在一侧软管表示为225，而在相反侧则表示为225'。翻转冷却软管的出口端口的能力使得能够适应不同的服务器机箱或不同的冷却装置的串行/并行连接。
54.图5示出了其中软管延伸框架350从冷却框架205可拆卸的示例。这为在不同的集成布置中部署冷却设备提供了巨大的灵活性，使得根据特定集成方案的需要，可以使用或
不使用软管延伸框架。在使用软管延伸框架350时，软管225使用第一组连接器527和529与冷却装置连接，并通过第二组连接器525与液体供应连接。在本实施例中，冷却软管包括：附接到冷却框架中的冷却装置的第一组软管；和容纳在延伸框架内的第二组软管。冷却装置连接器527和529可以针对所有应用标准化，并将第一组软管连接到第二组软管，而第二组软管的液体供应连接器525可以互换，以适应每个特定的集成方案中使用的特定连接器。
55.图6示出了根据一个实施例的安装到主板660上并封在冷却设备200内的外围板202的一个示例。如所示，主板660上设置有外围接口插座665。一般来说，会提供若干这样的外围接口插座665，如图7中所示。在这方面，这里提到的主板意在涵盖各种通过接口插座承载一个或更多个外围板的系统板。外围板202通过将接口连接器204插入外围接口插座665中而安装到主板660上。可选地，可以添加额外的机械接口670以将冷却设备200附加到主板660上，如图中的虚线所示。
56.图7示出了一个示例，其中若干外围板附接到主板660。如所示，一些冷却装置与冷却软管225串行连接，而其他连接是并行的或连接到歧管725。借助翻转来自冷却框架或延伸框架的软管出口端口的能力，促进了以不同取向连接冷却软管的能力。由于任一框架的任一侧都可用于软管端口，因此一侧的端口可以用于以串行方式将冷却设备连接到相邻的冷却设备，而相反侧的端口可以用于将冷却设备连接到例如分配歧管。
57.通过以上公开，提供了一种用于外围电路板的冷却设备，该设备包括借助在其一侧的铰链相互附接的冷却框架和缓冲框架，冷却框架具有安装在其上的冷却装置以及连接到冷却装置的冷却软管；缓冲框架具有缓冲布置，该缓冲布置配置成在装配时对外围电路施加压力；锁定布置，该锁定布置可操作以将冷却框架和缓冲框架保持在关闭位置，其中冷却框架和缓冲框架限定设计成使外围接口连接器延伸通过其的开口。在关闭位置中，冷却框架与缓冲框架接触，并限定用于在其中容纳外围板的壳体空间。
58.在公开的实施例中，冷却框架可以包括用于安装软管延伸框架的配置，该软管延伸框架包含有多个冷却软管和保持软管的至少一个锚定器。在公开的实施例中，可以将绝缘层应用于缓冲布置。缓冲布置可以是泡沫布置、弹簧布置或其他弹性布置。至少一个冷却装置可以弹性地安装到冷却框架上。
59.在上述说明书中，已经参照具体的示例性实施例描述了本发明的实施例。显而易见的是，在不背离所附权利要求书中所阐述的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。因此，本说明书和附图应被视为说明性的，而不是限制性的。