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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Kühlkörper für ein zu
kühlendes
Element, insbesondere ein Halbleiterbauelement, mit einer Grundplatte,
deren Unterseite in einem Kontaktbereich an dem zu kühlenden
Element anbringbar ist, und einer Wand, die sich im wesentlichen
senkrecht von einem Randbereich der Oberseite der Grundplatte erstreckt
und diese in Umfangsrichtung vollständig umgibt, um einen topfförmigen Körper auszubilden,
wobei die Wand nahe der Grundplatte zumindest einen Durchbruch aufweist.
Die Erfindung betrifft daneben ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Kühlkörpers.
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Kühlkörper der
vorgenannten Art sind allgemein bekannt. So offenbart beispielsweise
EP 0 860 874 A2 einen
Kühlkörper, der
die Form einer Box aufweist. Die Box weist an ihren Seitenflächen Öffnungen
auf, durch die die von oben in die Box eingeblasene Kühlluft ausströmen kann.
Diese Box wird entweder aus einem Aluminiumblech gebogen oder aus Aluminium
gegossen. Weiter offenbart dieses Dokument einen Kühlkörper, der
eine Grundplatte und von dieser ausgehende Kühlrippen aufweist. Ruf diese Kühlrippen
wird eine Deckplatte aufgesetzt, die einen Ventilator trägt. Die
Herstellung des Kühlkörpers erfolgt
im Strangpreßverfahren,
wobei die einzelnen Kühlrippen
durch Querfräsen
ausgebildet werden.
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EP 0 253 126 A1 offenbart einen Kühlkörper, der
eine Grundplatte aufweist, von der eine Vielzahl von Kühlrippen
ausgeht. Die Herstellung dieses Kühlkörpers erfolgt mittels spanender
Bearbeitungsschritte.
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DE 198 56 955 A1 offenbart ein Gehäuse für einen
Kühlkörper, der
zur Kühlung
integrierter Schaltkreise dient. Der Kühlkörper weist eine Platte auf,
von der eine Vielzahl von Kühlstiften
ausgeht. Auf diese Platte mit den Kühlstiften wird ein Gehäuse aufgesetzt,
das zur Aufnahme eines Ventilators dient.
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Allgemein werden in vielen Bereichen
der Technik Kühlkörper eingesetzt,
um die von einem zu kühlenden
Element produzierte Wärme
abzuführen und
dieses damit zu kühlen.
Insbesondere im Bereich der Halbleitertechnik wird der Einsatz von
Kühlkörpern unumgänglich,
da die mittlerweile stark miniaturisierten Schaltkreise eine sehr
hohe Leistung verbrauchen. Folglich besteht gerade zur Kühlung von Mikroprozessoren
für einen
einwandfreien Dauerbetrieb die Notwendigkeit, die auf kleinstem
Raum entstehende Wärme
möglichst
schnell abzuführen.
Aufgrund der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung im Bereich
der Prozessortechnik, kommt dem Problem der Kühlung in der Zukunft ein noch
größerer Stellenwert
zu, wobei bedingt durch den harten Preiswettbewerb zwischen den
einzelnen Herstellern solcher Mikroprozessoren auch der kostengünstigen Herstellung
des Kühlkörpers eine
nicht unbeachtliche Rolle zukommt.
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Vor diesem Hintergrund besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kühlkörper insbesondere
für Halbleiterbauelemente
zu schaffen, der einerseits eine sehr hohe Kühlleistung aufweist und andererseits
kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Kühlkörper der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Grundplatte im Kontaktbereich
eine größere Dicke aufweist
als in umliegenden Bereichen, die Wand zumindest eine sich von der
Oberseite der Grundplatte bis zum gegenüberliegenden Ende der Wand
erstreckende Verstärkungsrippe,
aufweist die Grundplatte eine Vielzahl von Kühlstiften trägt, die
sich ausgehend von der Oberseite der Grundplatte senkrecht dazu
erstrecken, und der Kühlkörper aus
einem Fließpreßmaterial
einstückig
ausgebildet ist.
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Dadurch, daß im Kontaktbereich mehr Material
des Kühlkörpers zur
Abführung
der im Halbleiterbauelement entstehenden Wärme vorhanden ist, läßt sich
die Kühlung
gegenüber
den bisherigen Lösungen,
bei denen die Grundplatte im wesentlichen gleiche Dicke aufweist,
weiter verbessern. Mit Hilfe der sich in Längsrichtung erstreckenden Wand,
die zusammen mit der Grundplatte einen topfförmigen Körper bildet, läßt sich
bei einem aufgesetzten Lüfter, eine
gezielte Luftführung
zu der Grundplatte erreichen. Darüber hinaus dient auch die Wand
als Kühlkörper, der
von der Luft überstrichen
wird. Der Einsatz eines Fließpreßverfahrens,
das als solches bekannt ist, zur Herstellung des Kühlkörpers hat
einerseits den Vorteil, daß es äußerst kostengünstig ausführbar ist
und andererseits einen einstöckigen
Kühlkörper ermöglicht,
obgleich die geometrische Form kompliziert ist.
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Die Anzahl der maximal möglichen
Kühlstifte hängt dabei
alleine von der Grundfläche
der Grundplatte ab. Die einsetzbare Anzahl von Kühlstiften liegt somit in einem
Bereich von null bis zur maximal möglichen Anzahl. Welche Anzahl
gewählt
wird, hängt dabei
in der Regel von der zu erbringenden Kühlleistung ab.
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Auf jeden Fall haben die Kühlstifte
den Vorteil, daß die
Kühlleistung
durch weitere Vergrößerung der
zur Abgabe von Wärme
zur Verfügung
stehenden Oberfläche
verbessert wird.
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Bei einer einstückigen Ausgestaltung des Kühlkörpers wird
das im Stand der Technik vorhandene Problem hinfällig, daß gerade Verbindungsbereiche
zwischen miteinander verbundenen Elementen, also beispielsweise
Wand und Grundplatte, den Wärmeübergang
verschlechtern.
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In einer bevorzugten Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist
der Durchbruch als Schlitz ausgebildet, der sich in Umfangsrichtung,
vorzugsweise über
den gesamten Umfang der Wand, erstreckt.
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Dies hat den Vorteil, daß sich der
Luftstrom so einstellen läßt, daß er möglichst
gleichmäßig über alle
Bereiche der dem Lüfter
zugewandten Seite der Grundplatte (Oberseite) überstreicht. Darüber hinaus läßt sich
durch entsprechende Dimensionierung des Schlitzes, insbesondere
die Schlitzhöhe
(in Längsrichtung),
die Strömungsgeschwindigkeit
innerhalb des topfförmigen
Kühlkörpers festlegen
(bei gleichbleibender Lüfterleistung).
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Zur Veränderung des Strömungsverhaltens ist
es daneben auch möglich,
mehrere in Längsrichtung
beabstandete Schlitze vorzusehen und/oder die Öffnungsfläche der Schlitze auf der Innenseite
und auf der Außenseite
der Wand unterschiedlich auszugestalten.
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In einer bevorzugten Weiterbildung
sind mehrere in Längsrichtung
verlaufende Verstärkungsrippen
beabstandet zueinander, beispielsweise in einem Winkel von 45° vorgesehen.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Kühlkörper als
solcher eine größere Stabilität erhält und daß daneben
eine weitere Oberflächenvergrößerung erzielt
wird, die die Kühlleistung
weiter verbessert. Schließlich
erlauben die Verstärkungsrippen eine
Ausgestaltung der Schlitze entlang des gesamten Umfangs der Wand,
wobei in diesem Fall alleine die Verstärkungsrippen die einzelnen
Längsabschnitte
der Wand miteinander verbinden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung
weist die Wand an ihrem der Grundplatte gegenüberliegenden Ende eine Befestigungsvorrichtung
für einen
Lüfter auf.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein handelsüblicher
Lüfter
sehr einfach auf den Kühlkörper aufgesetzt
werden kann.
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Gegenüber der Lösung, Verstärkungsrippen nur wenig von
der Wand überstehen
zu lassen, ist es in einer bevorzugten alternativen Weiterbildung
möglich,
die Verstärkungsrippen
zumindest bis zur Mitte der Grundplatte auszubilden, so daß diese
Verstärkungsrippen
den Innenraum des topfförmigen
Kühlkörpers in
mehrere längs
verlaufende Sektoren aufteilen.
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Diese Lösung führt ebenfalls zu einer Vergrößerung der
Oberfläche
und zusätzlich
zu einem sehr stabilen Aufbau des Kühlkörpers.
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Es versteht sich, daß die beiden
vorgenannten Lösungen,
nämlich
einerseits senkrechte Kühlstifte
und andererseits nach innen verlaufende Verstärkungsrippen beliebig kombinierbar
sind.
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Besonders bevorzugt ist die Grundplatte kreisförmig ausgebildet,
so daß Wand
und Grundplatte zusammen einen rohrförmigen Becher bilden. Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht darauf beschränkt, vielmehr kann die Grundplatte
auch andere geometrische Formen annehmen, beispielsweise kann sie
oval oder rechteckförmig
bzw. quadratisch sein. Im letztgenannten Fall umfaßt die Wand
insgesamt vier Wandelemente, die miteinander verbunden sind und
zusammen mit der Grundplatte einen auf einer Seite offenen Quader
bilden.
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All die vorgenannten Elemente und
Formen des Kühlkörpers lassen
sich sehr einfach mit Hilfe eines Fließpreßverfahrens herstellen, was
eine nachgeordnete getrennte Montage von Kühlrippen oder ähnlichem
auf die Grundplatte entbehrlich macht. Vielmehr ist der Kühlkörper trotz
der komplizierten geometrischen Form aus einem Stück hergestellt,
so daß problematische
Wärmeübergänge zwischen
miteinander verbundenen Elementen nicht entstehen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers gelöst, bei
dem der Kühlkörper aus
einem geeigneten Material, insbesondere Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder
Kupfer, fließgepreßt, vorzugsweise
rückwärtsfließgepreßt wird.
Selbstverständlich
kann der Kühlkörper auch
im Wege eines Vorwärtsfließpreß-Verfahrens
hergestellt werden.
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Der Vorteil des Fließpreß-Verfahrens
liegt – wie
bereits erwähnt – unter
anderem darin, daß es eine
kostengünstige
Fertigung von geometrisch komplizierten Teilen ermöglicht.
Darüber
hinaus sind die mit diesem Verfahren hergestellten Teile einstückig und
damit ohne problematische Wärmeübergänge zwischen
miteinander verbundenen Teilen.
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Die in die Wand einzubringenden Durchbrüche werden
vorzugsweise nach dem Fließpressen eingestochen.
Bevorzugt wird die Unterseite der Grundplatte nach dem Fließpressen
nachbearbeitet, um eine gewünschte
Oberflächenqualität, insbesondere
eine sehr ebene Fläche
zu erhalten, um den Kontakt zu dem zu kühlenden Element zu verbessern.
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Die fließgepreßte Wand und die Kühlstifte werden
bevorzugt am Ende des Herstellungsverfahrens auf die gewünschte Länge gebracht.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der beiliegenden
Zeichnung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1a eine
schematische geschnittene Seitenansicht eines Kühlkörpers;
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1b eine
schematische geschnittene Draufsicht des Kühlkörpers;
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1c eine
schematische, teilweise aufgebrochene Seitenansicht des Kühlkörpers;
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2 eine
schematische geschnittene Draufsicht eines Kühlkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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3a eine
schematische, teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines Kühlkörpers gemäß einer
weiteren Ausführungsform;
und
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3b eine
schematische geschnittene Draufsicht des Kühlkörpers von 3a.
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Nachfolgend werden anhand der 1 bis 3 mehrere Ausführungsformen eines Kühlkörpers beschrieben.
Zur Vereinfachung werden in allen Figuren für gleiche Teile die gleichen
Bezugszeichen verwendet, so daß dann
auf eine nochmalige Beschreibung dieser Teile verzichtet werden
kann.
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In 1a ist
ein Kühlkörper mit
dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Der Kühlkörper 10 wird zur
Kühlung
eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Mikroprozessors
eingesetzt, der in 1a gestrichelt
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet
ist. Der den eigentlichen Chip tragende Bereich des Prozessors 80 ist
ebenfalls gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 82 gekennzeichnet.
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Der Kühlkörper 10 weist eine
Grundplatte 12 sowie eine Wand 14 auf. Die Grundplatte 12 ist
in Draufsicht kreisförmig
ausgebildet und besitzt eine Unterseite 16 sowie eine Oberseite 18.
Die Unterseite 16 ist besonders eben ausgebildet und liegt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
flächig
auf dem Prozessor 80 auf. Der Chip-Bereich 82 des
Prozessors 80 ist in Kontakt mit einem Kontaktbereich 20,
der in 1a gestrichelt
dargestellt ist. Es ist denkbar, daß in diesem Kontaktbereich 20 eine
Ausnehmung vorgesehen ist, in die ein besonders gut wärmeleitendes Material
eingelegt werden kann, beispielsweise ein Kupferstreifen. Ein solcher
Kupferstreifen ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet.
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Senkrecht zu der kreisförmigen Grundplatte 12 erstreckt
sich von deren Randbereich die Wand 14, wobei die Wand 14 die
Grundplatte 12 in Umfangsrichtung vollständig umgibt,
so daß die
Grundplatte 12 und die Wand 14 einen topfförmigen Körper bilden.
Der von der Grundplatte 12 und der Wand 14 umschlossene
Innenraum ist mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet.
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An der dem Innenraum 24 zugewandten
Seite der Wand 14 sind mehrere Verstärkungsrippen 30 vorgesehen,
die sich von der Oberseite der Grundplatte 12 bis zum gegenüberliegenden
Ende der Wand 14 in Längsrichtung
erstrecken. Diese Verstärkungsrippen 30 ragen
in den Innenraum 24 hinein. In der in 1b gezeigten Draufsicht ist zu erkennen, daß im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
insgesamt vier Verstärkungsrippen
gleichmäßig entlang
des Umfangs der Innenwand 14 beabstandet (also im Winkel
von 90° zueinander)
angeordnet sind. Es versteht sich, daß die Zahl der Verstärkungsrippen
beliebig je nach Anwendungsfall gewählt werden kann. Der Übersichtlichkeit
wegen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
jedoch nur vier Verstärkungsrippen
gezeigt.
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Im Innenraum 24 des Kühlkörpers 10 sind eine
Reihe von Kühlstiften 40 vorgesehen.
Die Kühlstifte 40 erstrecken
sich parallel zur Wand 14 und damit senkrecht zur Grundplatte 12,
wobei sie aus dieser hervorgehen. In 1b sind
insgesamt 14 Kühlstifte 40 dargestellt,
wobei diese Anzahl rein beispielhaft gewählt wurde. Es versteht sich,
daß die
Anzahl der Kühlstifte
frei gewählt
werden kann. Alleine die zur Verfügung stehende Fläche der
Oberseite der Grundplatte 12 begrenzt die maximal mögliche Anzahl
von Kühlstiften 40.
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In 1a ist
noch zu erkennen, daß in
dem dem Kontaktbereich 20 gegenüberliegenden Bereich der Oberseite 18 der
Grundplatte 12 eine Materialverdickung 26 vorgesehen
ist, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine kegelstumpfförmige
Erhebung 27 bildet, wie dies auch in 1b zu erkennen ist. Damit ist die Dicke
der Grundplatte 12 im mittleren Bereich größer als
in den umgebenden Bereichen. Auf der Erhebung 27 ist im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein weiterer Kühlstift 40 vorgesehen.
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Die Wand 14 weist in ihrem
der Grundplatte 12 zugewandten Längsendabschnitt Schlitze 50 auf, die
sich, wie in 1c deutlich
zu erkennen ist – über den
gesamten Umfang der Wand 14 erstrecken. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind insgesamt drei in Längsrichtung
beabstandet zueinander angeordnete Schlitze 50 vorgesehen.
Die Schlitze 50 stellen eine Verbindung von dem Innenraum 24 nach
außen
her. Die Verstärkungsrippen 30 sind
nicht geschlitzt und sorgen deshalb dafür, daß die durch die Schlitze 50 getrennten
Längsabschnitte
der Wand 14 miteinander verbunden bleiben. Es versteht
sich, daß die
Anzahl der Schlitze und deren Form beliebig gewählt werden können.
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Der Kühlkörper 10 besitzt eine – nicht
dargestellte – Befestigungsvorrichtung
an seinem der Grundplatte 12 gegenüberliegenden Ende zur Befestigung
eines schematisch dargestellten handelsüblichen Lüfters 60. Der Lüfter 60 wird,
wie mit Pfeilen 61 kenntlich gemacht, auf das Ende der
Wand 14 aufgesetzt und mit dieser verbunden, beispielsweise
mittels Schrauben. Der Lüfter 60 überdeckt
vollständig die
der Grundplatte 12 gegenüberliegende Öffnung des
Kühlkörpers 10.
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Der Lüfter 60 dient dazu,
die Kühlleistung des
Kühlkörpers 10 zu
erhöhen,
indem er einen Luftstrom erzeugt, der an der Oberfläche der
einzelnen Elemente des Kühlkörpers 10 vorbeistreicht.
Dieser Luftstrom ist in 1a mit
Pfeilen 70 kenntlich gemacht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bläst der
Lüfter 60 Luft
von oben in den Innenraum 24 hinein, die dann durch die
im unteren Bereich liegenden Schlitze 50 wieder austritt.
Es ist zu erkennen, daß in dem
so entstehenden Luftstrom sowohl die Kühlstifte 40, die Verstärkungsrippen 30,
die Erhebung 27 als auch die Oberseite der Grundplatte 12 liegt.
Damit läßt sich
ein Wärmetransport
von diesen Elementen auf die nach außen strömende Luft bewerkstelligen.
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Es versteht sich, daß die Strömungsrichtung auch
umgekehrt werden kann, d.h. daß der
Lüfter 60 Luft
von außen
durch die Schlitze in den Innenraum 24 einsaugt und diese
Luft dann nach oben ausbläst.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Kühlkörpers 10 in
einer geschnittenen Draufsicht dargestellt. Dieser Kühlkörper 10' unterscheidet
sich gegenüber
dem vorbeschriebenen Kühlkörper 10 alleine
durch die Form der Grundplatte 12, die bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht rund sondern viereckig ausgebildet ist. Entsprechend bildet
die Wand 14 keinen zylindrischen sondern einen vierflächigen Körper. Auch
diese Wand 14 weist in einem unteren Längsabschnitt mehrere Schlitze 50 auf,
die sich über
den gesamten Umfang erstrecken.
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Da die Funktionsweise dieses Kühlkörpers 10' identisch zu
der des Kühlkörpers 10 ist,
soll auf eine nochmalige Beschreibung verzichtet werden.
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Eine weitere Ausführungsform eines Kühlkörpers ist
in den 3a und 3b gezeigt und mit dem Bezugszeichen 10'' gekennzeichnet. Im Unterschied zu
dem in 1a gezeigten
Kühlkörper 10 sind
hier die Verstärkungsrippen 30 als
Wände 30' ausgebildet,
die sich senkrecht von der Wand 14 nach innen in den Innenraum 24 bis
zur Mitte hin erstrecken. In 3a ist
zur Verdeutlichung die Verstärkungswand 30' gestrichelt
dargestellt. Die beabstandet zueinander angeordneten Verstärkungswände 30' sind in der Mitte
des Kühlkörpers 10 miteinander
verbunden, wie dies in 3b deutlich
zu erkennen ist. Die Verstärkungswände 30 teilen
somit den Innenraum 24 in mehrere Sektoren 24' auf. Wie in
den vorgenannten Ausführungsformen
lassen sich in diesen Sektoren 24' Kühlstifte 40 vorsehen.
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Bei aufgesetztem Lüfter 60 ergibt
sich auch für
diesen Kühlkörper 10' ein Luftstrom
von oben in Richtung zur Grundplatte 12 und dann durch
die Schlitze 50 nach außen, wie dies durch Pfeile 70 gekennzeichnet
ist.
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Es versteht sich, daß die bei
dieser Ausführungsform
gewählte
Anzahl an Verstärkungswänden 30' rein beispielhaft
ist und keine Beschränkung
darstellen soll. Vielmehr lassen sich sowohl mehr als auch weniger
Verstärkungswände 30' vorsehen.
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Die in den 1, 2 und 3 gezeigten verschiedenen
Ausführungsformen
eines Kühlkörpers 10, 10', 10'' lassen sich mit einem Fließpreßverfahren
herstellen. Trotz der komplizierten geometrischen Formen dieser
Kühlkörper ist
es mit dem Fließpreßverfahren
möglich,
einen einstückigen
Kühlkörper 10 herzustellen,
was einerseits das Fertigungsverfahren vereinfacht, da nur wenige
Verfahrensschritte notwendig sind, und andererseits ein einstückiges Element
liefert.
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Das Fließpreßverfahren erfordert als Ausgangsmaterial
bspw. eine kreisförmigen
Scheibe aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material. Mit
einem entsprechend hergestellten Werkzeug können die Grundplatte 12,
die Wand 14, die Verstärkungsrippen 30,
die Kühlstifte 40 sowie
die Erhebung 27 in einem Preßvorgang (Rückwärtsfließpressen) ausgeformt werden.
Der Kühlkörper 10 kann
nach dem Fließpressen
einfach durch Abstreifen über
den Rand der Wand 14 vom Werkzeug getrennt werden.
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Nach dem Fließpressen werden die Schlitze 50 in
die Wand 14 eingestochen, wobei dieser Vorgang bei einem
rotationssymmetrischen Körper
mit einer Drehmaschine erfolgen kann. Anschließend wird – je nach Bedarf – die Unterseite 16 der
Grundplatte 12 nachbearbeitet, um eine optimale Kontaktfläche im Kontaktbereich 20 zu
erreichen.
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Sofern es aus ästhetischen Gründen gewünscht wird,
können
die Kühlstifte 40 auf
eine gemeinsame gleiche Länge
abgelängt
werden.
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Da ein Lüfter 60 auf den Kühlkörper 10 aufgesetzt
wird, erfolgt ebenfalls eine Nachbearbeitung des der Grundplatte 12 gegenüberliegenden
Endes der Wand 14.
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Nach alledem zeigt sich, daß ein Kühlkörper geschaffen
wurde, der sich trotz sehr großer
Oberfläche
und damit komplizierter Geometrie einfach und damit kostengünstig herstellen
läßt. Ferner
lassen sich durch das gewählte
Herstellungsverfahren problembehaftete Übergänge von miteinander verbundenen
Elementen vermeiden, so daß eine
Optimierung der Wärmeübertragung
erzielbar ist. Die vorgenannten Kühlkörper erreichen damit sehr hohe
Kühlleistungen
und lassen sich zur Kühlung
von Hochleistungsprozessoren sehr gut einsetzen.