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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kühlvorrichtungen
und insbesondere auf Vorrichtungen zur Kühlung von integrierten
Halbleiterbauelementen, wie etwa Prozessoren, auf gedruckten Schaltungen.
Die vorliegende Erfindung schafft mit Hilfe eines Keilelementes
eine wirksame thermische Kopplung zwischen einer Wärmequelle und
einem Kühlkörper.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
Steigerung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren und anderen
integrierten Schaltungen hat auch zu einem Anstieg der Abwärmeerzeugung dieser
Bauelemente und dadurch gestiegenen Anforderungen an ihre Kühlung
geführt. Die Wärmeentwicklung erreicht Leistungsdichten
bis in die Größenordnung von 100 W/cm2 und übertrifft
damit z. B. übliche Herdplatten um ein Vielfaches. Gleichzeitig
liegen die zulässigen Höchsttemperaturen der integrierten
Schaltungen, bei deren Überschreitung mit Funktionsstörungen
oder dauerhafter Zerstörung zu rechnen ist, typischerweise
in einem Bereich von etwa 60° bis 90°C. Die gegenüber
der Raumtemperatur zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz
reicht z. B. bei den Prozessoren von PCs bei weitem nicht aus, um
die erzeugte Wärme durch natürliche Abstrahlung
und Konvektion passiv abzuführen.
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Zur
Wärmeabfuhr werden daher Kühlkörper verwendet,
die meist aus Aluminium oder Kupfer bestehen und zur Flächenvergrößerung
Kühlrippen aufweisen. Mit Hilfe eines Gebläses
wird die Wärme durch erzwungene Konvektion abgeführt.
Andere Lösungen, wie etwa flüssigkeitsgekühlte
Systeme, erweisen sich als aufwendig. Obwohl die bekannten Kühlsysteme
z. B. in handelsüblichen PCs ihre Aufgaben erfüllen,
weisen sie verschiedene Nachteile auf. Eine weitere Steigerung der
Rechenleistungen erhöht auch die Kosten und den Energieverbrauch des
Kühlsystems. Darüberhinaus erzeugen die verwendeten
Lüfter einen erheblichen Lärm, dem die am Computer
arbeitenden Menschen dauerhaft ausgesetzt sind. Daher sind verschiedene
Maßnahmen ergriffen worden, um die Wirksamkeit von Kühlvorrichtungen
zu steigern.
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Da
die Wärme auf einer sehr kleinen Fläche entsteht,
ist ein guter Wärmeübergang auf den in der Regel
wesentlich größeren Kühlkörper
von entscheidender Bedeutung. Eine direkte Befestigung des Kühlkörpers
an einem Chipgehäuse ist jedoch in vielen Fällen
unerwünscht, weil dadurch die Gefahr von Beschädigungen
des empfindlichen Chips bei der Montage und im späteren
Betrieb besteht. Daher ist es bei robusten Ausführungen
von Kühlvorrichtungen häufig erforderlich, den
Kühlkörper direkt mit der Leiterplatte einer gedruckten
Schaltung zu verbinden.
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DE 602 09 423 T2 offenbart
eine Kühlvorrichtung für Mikrochips, die auf einer
Leiterplatte montiert sind. Ein Kühlkörper wird
mit der Leiterplatte verbunden, so dass er flächig an dieser
anliegt. Zur Aufnahme jedes Chips ist im Kühlkörper
eine Aussparung vorhanden. Zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper
bleibt ein Spalt frei, der die Fertigungstoleranzen der Elemente
ausgleicht, damit der Chip nicht direkt zwischen Leiterplatte und
Kühlkörper eingeklemmt werden kann. In dem Spalt
ist ein knetbares, Wärme leitendes Material angeordnet,
das beim Zusammensetzen bis auf die jeweilige Spaltbreite plastisch
zusammengedrückt wird und eine thermische Verbindung zwischen
dem Chip und dem Kühlkörper herstellt.
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Die
Maßtoleranzen können sich typischerweise in einer
Größenordnung von etwa 1 mm addieren. Da die Wärmeleitfähigkeit
derartiger Wärmeleitmaterialien jedoch in der Regel nur
einen Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit des zumeist
aus Metall bestehenden Kühlkörpers beträgt,
stellt bereits ein relativ schmaler Spalt einen erheblichen thermischen
Widerstand dar.
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Ein
in dem Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Kühlkörper
auftretender Temperaturabfall steht nicht mehr zur Wärmeabgabe
an die Luft zur Verfügung und kann dazu führen,
dass der Kühler für Chips mit hohen Verlustleistungen
und/oder bei hohen Umgebungstemperaturen nicht einsetzbar ist. Alternativ
muss durch andere Maßnahmen, wie etwa einen größeren
Kühlkörper oder eine höhere Gebläseleistung,
Abhilfe geschaffen werden. Daher besteht das Bestreben, den Wärmeübergang
zwischen Chip und Kühlkörper zu verbessern.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste Kühlvorrichtung
mit einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen
Wärmequelle und -senke zu schaffen. Diese Aufgabe wird
durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung, die
ein Trägerelement, eine mit dem Trägerelement
verbundene Wärmequelle mit einer ersten Oberfläche
und eine mit dem Trägerelement verbundene Wärmesenke
mit einer zweiten Oberfläche aufweist. Die erste und die
zweite Oberfläche liegen einander gegenüber und
bilden einen keilförmigen Zwischenraum, der zur Aufnahme
eines Keilelementes eingerichtet ist. Das Keilelement weist eine
dritte und eine vierte Oberfläche auf, die dafür
vorgesehen sind, an der ersten Oberfläche der Wärmequelle
bzw. der zweiten Oberfläche der Wärmesenke anzuliegen und
zwischen diesen eine Verbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit
herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht es, sowohl die Wärmequelle
als auch die Wärmesenke fest mit dem Trägerelement
zu verbinden und dennoch eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie
Verbindung zwischen Wärmequelle und -senke herzustellen.
Dies wird durch das erfindungsgemäße Keilelement
ermöglicht, das in den keilförmigen Zwischenraum
zwischen Wärmequelle und -senke eingesetzt wird. Fertigungstoleranzen,
die zu Höhenunterschieden der den keilförmigen
Zwischenraum begrenzenden ersten und zweiten Oberfläche
der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke führen,
können bewirken, dass die Breite des Zwischenraums deutlich
von dem gewünschten Wert abweicht. Während nach
dem Stand der Technik zum Ausgleich eine ausreichend dicke Schicht
eines plastisch verformbaren Wärmeleitmaterials zwischen
dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper vorgesehen
ist, ermöglicht das erfindungsgemäße
Keilelement allein durch eine seitliche Verschiebung eine Anpassung
an die tatsächliche Breite des Zwischenraums. Je nach Breite
wird es unterschiedlich weit in den keilförmigen Zwischenraum
eingeschoben, bis es mit seiner dritten und vierten Oberfläche
an der ersten Oberfläche der Wärmequelle bzw.
der zweiten Oberfläche der Wärmesenke flächig
vorzugsweise unter Vorspannung anliegt.
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Die
erste Oberfläche der Wärmequelle und die zweite
Oberfläche der Wärmesenke können jeweils
einen ebenen Bereich aufweisen, die einander gegenüber
liegen und in einem spitzen Winkel zueinander geneigt sind. Die
dritte und die vierte Oberfläche des Keilelementes weisen
vorzugsweise jeweils einen ebenen Bereich auf, wobei die ebenen
Bereiche der dritten und vierten Oberfläche des Keilelementes
in einem Winkel zueinander geneigt sind, der gleich dem Winkel zwischen
den ebenen Bereichen der ersten Oberfläche der Wärmequelle
und der zwei ten Oberfläche der Wärmesenke ist.
Das Keilelement ist vorzugsweise so gestaltet, dass es in den keilförmigen
Zwischenraum zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke
einsetzbar ist, wobei der ebene Bereich der ersten Oberfläche
der Wärmequelle an dem ebenen Bereich der dritten Oberfläche des
Keilelementes und der ebene Bereich der zweiten Oberfläche
der Wärmesenke an dem ebenen Bereich der vierten Oberfläche
des Keilelementes flächig anliegt. Das Keilelement weist
vorzugsweise eine plattenähnliche Gestalt auf, wobei es
aufgrund der Neigung der Unter- und Oberseite bzw. dritten und vierten
Oberfläche gegeneinander ein breites und ein schmales Ende
aufweist.
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Abgesehen
von den ebenen Bereichen können die Wärmequelle,
die Wärmesenke und das Keilelement weitere Oberflächenbereiche
aufweisen, die jedoch vorzugsweise so gestaltet sind, dass sie das Einsetzen
des Keilelementes in den keilförmigen Zwischenraum und
das flächige Anliegen der ebenen Bereiche nicht beeinträchtigen.
Der Winkel zwischen den ebenen Bereichen liegt vorzugsweise in einem Bereich
von etwa 5° bis 10°. Ein derart spitzer Winkel ermöglicht
es, dass der keilförmige Zwischenraum bei relativ großen
Seitenflächen auch an seinem breiten Ende nur eine relativ
geringe Breite aufweist.
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Zwischen
den ebenen Bereichen der ersten Oberfläche der Wärmequelle
und der dritten Oberfläche des Keilelementes ist vorzugsweise
ein wärmeleitfähiges Material angeordnet, um die
Oberflächenrauhigkeit auszugleichen und Lufteinschlüsse
zu verhindern, die die Wärmeübertragung behindern.
Zwischen der zweiten Oberfläche der Wärmesenke
und der vierten Oberfläche des Keilelementes ist vorzugsweise
ebenfalls ein wärmeleitfähiges Material angeordnet.
Das wärmeleitfähige Material kann eine Wärmeleitpaste
oder ein Gap Filler sein und z. B. ein silikonhaltiges Material
enthalten. Auf diese Weise können die nach dem Einsetzen
des Keilelementes in den keilförmigen Zwischenraum noch
verbleibenden Restspalten mit einem geringst möglichen
thermischen Widerstand überbrückt werden. Je geringer die
Oberflächenunebenheiten der ersten bis vierten Oberflächen
sind und je genauer die Winkel zwischen der ersten und zweiten sowie
zwischen der dritten und vierten Oberfläche übereinstimmen,
desto kleiner sind die verbleibenden Volumina, die durch ein wärmeleitfähiges
Material aufgefüllt werden und desto besser ist die Wärmeübertragung.
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Das
Trägerelement kann die Leiterplatte einer gedruckten Schaltung
sein. Die Wärmequelle kann ein auf der gedruckten Schaltung
montierter Chip, wie etwa ein Prozessor sein. Die Wärmequelle könnte
aber auch ein anderer integrierter Schaltkreis, ein beliebiges elektronisches
Bauelement oder ein anderes Wärme erzeugendes Element sein,
das eine Kühlung erfordert. Die Wärmesenke ist
vorzugsweise ein an der gedruckten Schaltung angebrachter Kühlkörper,
der aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit,
wie etwa einem Metall, z. B. Aluminium oder Kupfer, bestehen kann.
Der Kühlkörper weist vorzugsweise eine Rippenstruktur
oder eine andere, die Oberfläche vergrößernde
Form auf, die die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft fördert.
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Der
Kühlkörper weist vorzugsweise eine Auflagefläche
auf der gedruckten Schaltung auf, die die Wärmequelle umgibt.
Dabei können ein einziger oder mehrere nicht zusammenhängende
Auflageflächenbereiche des Kühlkörpers
auf der gedruckten Schaltung vorhanden sein, die sicherstellen,
dass Kräfte ohne Beschädigung der Wärmequelle
bzw. des Chips auf die Leiter platte übertragen werden.
Die Auflageflächenbereiche des Kühlkörpers
können vorstehende Stützen sein, die mit der Oberfläche
der Leiterplatte z. B. verklebt oder mit dieser verschraubt werden.
Das Keilelement besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer
hohen Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminium
oder einem anderen Metall.
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Um
das Keilelement in einer Stellung zu halten, in der es sowohl an
der Wärmequelle als auch an dem Kühlkörper
anliegt, kann eine Vorspanneinrichtung vorgesehen sein, die das
Keilelement in den keilförmigen Zwischenraum zwischen der
Wärmequelle und dem Kühlkörper hinein
in der Richtung vorspannt, in der sich der Zwischenraum verengt.
Auf diese Weise kann eine im Voraus festgelegte Kraft auf das Keilelement
ausgeübt werden, die die unter Berücksichtigung
der Reibung die Anpresskraft bestimmt, die das Keilelement auf die
Wärmequelle und dem Kühlkörper ausübt.
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Die
Kraft wird vorzugsweise so gewählt, dass sie einerseits
groß genug ist, um ein sicheres Anliegen des Keilelementes
an der Wärmequelle und dem Kühlkörper
zu gewährleisten, das nicht durch die Schwerkraft oder
Beschleunigungskräfte in Folge von Erschütterungen
etc. beeinträchtigt wird, wie sie z. B. bei mobilen Geräten
auftreten können. Gleichzeitig kann die Kraft auf Werte
begrenzt werden, die nicht zu Beschädigungen des Kühlkörpers,
des Trägerelements oder der Wärmequelle, wie etwa
eines Chips führen. Die Vorspanneinrichtung ist vorzugsweise
eine Blattfeder, kann aber auch eine andere Art von Feder oder ein
anderes, eine in etwa vorgegebene Kraft ausübendes Element
sein. Zur Halterung des Keilelementes im Zwischenraum kann in Sonderfällen
auch allein die Schwerkraft ausreichen und genutzt werden, wenn
die Kühl vorrichtung so ausgerichtet ist, dass das Keilelement
in Richtung der Schwerkraft von oben in einen sich nach unten verengenden
Zwischenraum eingesetzt wird.
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Die
Blattfeder kann mit dem Kühlkörper verschraubt
sein. Vorzugsweise ist sie in einer Aussparung innerhalb des Kühlkörpers
angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache
Montage des Keilelementes. Eine Aussparung, die sich an die breite
Seite des keilförmigen Zwischenraums anschließt, ermöglicht
es, das Keilelement ein Stück aus dem keilförmigen
Zwischenraum heraus zu verschieben. In dieser Lage des Keilelements
kann der Kühlkörper bei der Montage auf der gedruckten
Schaltung befestigt werden, ohne bereits mit dem Keilelement in
Berührung zu kommen. Als nächstes kann das Keilelement
in den keilförmigen Spalt hinein in seine endgültige
Position geschoben werden, wodurch die Aussparung wieder frei gegeben
wird. Nun kann die Feder in die Aussparung eingesetzt werden, um
das Keilelement vorzuspannen, und mit dem Kühlkörper verbunden
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine teilweise im Schnitt dargestellte,
perspektivische Ansicht einer Chipkühlvorrichtung nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung
genauer beschrieben. 1 stellt in einer schematischen
Darstellung eine perspektivische, teilweise im Schnitt dargestellte
Ansicht einer Chipkühlvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung dar. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 1 einer
gedruckten Schaltung, auf der ein Chip 2 montiert ist.
Bei dem Chip kann es sich um ein beliebiges Halbleiterbauelement
wie etwa einen Mikroprozessor handeln, das im Betrieb so viel Wärme erzeugt,
dass Maßnahmen zur seiner Kühlung erforderlich
werden, um Betriebsstörungen oder Schäden zu verhindern.
Auf dem im Wesentlichen quaderförmigen Chipgehäuse
befindet sich das ebenfalls quaderförmige Halbleitersubstrat 3 oder
Die, das mit dem Chipgehäuse verbunden ist. Verglichen
mit dem gesamten Chip weist das Halbleitersubstrat nur ein geringes
Volumen auf, in dem jedoch nahezu die gesamte Wärme freigesetzt
wird, zu deren Abfuhr die Kühlvorrichtung dient. Das Haibleitersubstrat 3 könnte
alternativ auch in den Chip 2 integriert sein. Der Chip 2 weist
typischerweise (nicht dargestellte) Pins auf, die durch Lötverbindungen
mechanisch mit der Leiterplatte 1 und elektrisch mit (nicht
dargestellten) auf der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen verbunden
sind. Typischerweise ist der Chip in einen (nicht dargestellten)
Chipsockel eingesteckt, der seinerseits mit der Leiterplatte 1 verlötet
ist.
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Die
Wärmeabfuhr von dem Halbleitersubstrat 3 erfolgt über
ein Keilelement 17 auf einen Kühlkörper 7.
Der Kühlkörper 7 weist eine über
dem Chip angeordnete und seitlich über diesen hinaus reichende
Aluminiumplatte 10 auf. Die Aluminiumplatte weist seitlich
um den Chip angebrachte Stützen 9 auf, die an
der Leiterplatte 1 befestigt sind. Der Kühlkörper 7 könnte
aber auch aus einem anderen Metall oder einem sonstiges Material
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen. Der
Kühlkörper weist zur Verbesserung der Wärmeübertragung
auf die Luft an seiner der Platine abgewandten Oberseite (nicht dargestellte)
Kühlrippen auf. Ein (nicht dargestelltes) Gebläse verstärkt
die Wärmeabfuhr durch eine erzwungene Konvektion.
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Die
Abmessungen des Kühlkörpers 7 überschreiten
diejenigen des Halbleitersubstrats 3 deutlich, damit er
die in dem Halbleitersubstrat 3 entstehende Wärme
abführt, ohne die verfügbare Temperaturspanne
zwischen der zulässigen Maximaltemperatur des Halbleitersubstrats
und der Temperatur der Umgebungsluft zu überschreiten.
Aus Gründen der mechanischen Stabilität hat er
außerdem gewisse Dicke und dadurch eine erhebliche Masse.
Der Kühlkörper 7 ist nicht an dem Chip 2 bzw.
dem Halbleitersubstrat 3, sondern über die Stützen 9 direkt
an der Leiterplatte 1 befestigt, um Beschädigungen
des Chips bei der Montage des Kühlkörpers oder
durch spätere Erschütterungen, insbesondere bei
mobilen Geräten, zu vermeiden.
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Die
dem Chip 2 zugewandte Unterseite des Kühlkörpers 7 weist
eine ebene Oberfläche 12 auf, die zu der oberen
Oberfläche 11 des Halbleitersubstrat 3 nicht
parallel ist, sondern in einem Winkel von 7° zu dieser
geneigt ist. Nach der Montage des Chips und des Kühlkörpers
ist dadurch zwischen der oberen Oberfläche 11 des
Halbleitersubstrats 3 und der unteren Oberfläche 12 des
Kühlkörpers 7 ein keilförmiger
Zwischenraum entstanden.
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Der
keilförmige Zwischenraum wird durch das Keilelement 17 aus
Aluminium geschlossen, das eine rechteckige untere Oberfläche 13,
die an der oberen Oberfläche 11 des Halbleitersubstrat
anliegt, und eine rechteckige obere Oberfläche 14,
die an der unteren Oberfläche 12 des Kühlkörpers 7 anliegt, aufweist.
Das Keilelement könnte auch eine andere Form haben oder
aus einem anderen Metall oder einem anderen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Die Oberflächen 13 und 14 des Keilelementes 17 sind
jedoch eben und weisen zueinander den gleichen Winkel auf, wie ihn
die untere Oberfläche 12 des Kühlkörpers 7 und
die obere Oberfläche 11 des Halbleitersubstrats 3 einschließen.
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Der
Winkel könnte auch anders gewählt werden, liegt
aber vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5° bis 10°.
Ein derart spitzer Winkel bewirkt, dass sich die Breite des keilförmigen
Zwischenraums von seinem breiten Ende 15 zu seinem schmalen Ende 16 im
Vergleich zu der dazwischen liegenden Strecke nur geringfügig ändert.
Wesentlich größere Winkel sind unerwünscht,
weil die Breite des Keilelements bei gegebener Chipgröße
zu groß und der Wärmeleitpfad zu lang wird. Wesentlich
kleinere Keilwinkel sind ebenfalls ungeeignet, wenn die möglichen
seitlichen Verschiebungen des Keilelements nicht mehr ausreichen,
um die zu erwartenden Maßabweichungen des keilförmigen
Zwischenraums auszugleichen.
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Die
Länge und die Breite des Keilelements 17 sind
wesentlich größer als die des Halbleitersubstrats,
so dass das Keilelement bei zentraler Anordnung auf dem Halbleitersubstrat
nach allen Seiten erheblich über dieses übersteht.
Bereits dies verteilt den Wärmestrom innerhalb des Keilelements
und beim Übergang auf den Kühlkörper 7 auf
eine größere Querschnittsfläche und begrenzt
die Wärmestromdichte und den Temperaturabfall. Die Dicke
des Keilelementes ist so bemessen, dass es bei einer in etwa zentralen
Anordnung auf dem Halbleitersubstrat den keilförmigen Zwischenraum
zwischen dem Kühlkörper 7 und dem Halbleitersubstrat 3 gerade
schließt, d. h. mit seinen beiden Oberflächen 13 und 14 an
den jeweili gen Oberflächen des Halbleitersubstrats und des
Kühlkörpers 7 flächig anliegt.
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Zwischen
den Oberflächen des Keilelementes und den angrenzenden
Oberflächen des Kühlkörpers 7 bzw.
des Halbleitersubstrats 3 kann eine (in 1 nicht
dargestellte) dünne Schicht eines Wärme leitenden
Materials wie etwa einer Wärmeleitpaste oder eines Gap
Fillers angeordnet sein, um Unebenheiten der Oberflächen
auszugleichen und die Wärmeübertragung zu verbessern.
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An
das breite Ende 15 des keilförmigen Zwischenraums
angrenzend weist der Kühlkörper 7 eine Aussparung
auf, in der sich eine Blattfeder 18 befindet. Die Blattfeder
ist auf Druck belastet und an ihrem einen, dem Keilelement 17 abgewandten
Ende 19 mit einer Schraube 20 an dem Kühlkörper
befestigt, während sie mit ihrem anderen freien Ende 21 an
dem breiten Ende 22 des Keilelementes 17 anliegt
und dieses in den sich verjüngenden keilförmigen
Zwischenraum zwischen dem Kühlkörper 7 und
dem Halbleitersubstrat 3 hinein vorspannt.
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Fertigungstoleranzen
der einzelnen Elemente oder der Lötverbindung zwischen
dem Chip 2 und der Leiterplatte 1 können
dazu führen, dass der Zwischenraum zwischen dem Halbleitersubstrat 3 und dem
Kühlkörper 7 erhebliche Abweichungen
in der Breite aufweisen kann. Während nach dem Stand der Technik
ein knetbares Material mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit
zum Überbrücken des frei bleibenden Spaltes erforderlich
ist, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, lediglich
das Keilelement 17 im erforderlichen Maße seitlich
zu verschieben, bis der Spalt vollständig geschlossen ist
und das Keilelement 17 sowohl am Halbleitersubstrat 3 als
auch am Kühl körper 7 flächig
anliegt. Da es seitlich weit über das Halbleitersubstrat
hinaus ragt, führt eine geringfügige Verschiebung
aus der zentralen Position heraus nicht zu einer wesentlichen Verschlechterung des
Wärmeübergangs vom Halbleitersubstrat auf das
Keilelement. Das Keilelement 17 stellt dadurch in der gewünschten
Position einen Flächenkontakt mit der Unterseite 12 des
Kühlkörpers 7 und der Oberseite 11 des
Halbleitersubstrats 3 her. Ein Gap Filler ist dadurch gar
nicht mehr erforderlich oder braucht anstelle der Fertigungstoleranzen
nur die viel kleineren Oberflächenrauhigkeiten auszugleichen.
Da die Wärmeleitfähigkeit von Metall oder anderen,
für den Kühlkörper 7 und das
Keilelement 17 verwendeten Materialien um ein Vielfaches
höher ist als die eines Gap Fillers, der z. B. aus einem
silikonhaltigen Material besteht, wird trotz der wegen der geneigten
Oberflächen 11, 12, 13, 14 evtl.
insgesamt größeren Materialdicke und einer geringfügigen
Verlängerung des Wärmeleitpfades eine deutliche
Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht.
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Die
Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschieht
z. B. auf eine einfache Art in der folgenden Reihenfolge. Nach der
Montage des Chips 2 auf der Leiterplatte 1 wird
das Keilelement 17 auf das Halbleitersubstrat 3 aufgelegt.
Dabei wird es jedoch nicht zentral, sondern seitlich zu seinem breiten Ende 22 hin
(in 1 nach rechts) verschoben angeordnet. Nun wird
der Kühlkörper 7 noch ohne die Blattfeder 18 an
der Leiterplatte 1 angebracht. Dabei befindet sich das
breite Ende 15 des Keilelementes teilweise in der Aussparung
des Kühlköpers, und die obere Oberfläche 14 des
Keilelementes 17 liegt noch nicht an der unteren Oberfläche 12 des
Kühlkörpers 7 an. Nun wird das Keilelement
waagerecht in den keilförmigen Zwischenraum hinein (d.
h. in 1 nach links) verschoben, bis seine beiden Oberflächen
an den entsprechenden Oberflächen des Kühlkörpers 7 und
des Halbleitersubstrats 3 flächig anliegen. Nun
wird die auf Druck belastete Blattfeder 18 in die Aussparung
des Kühlkörpers 7 eingesetzt und mit der
Schraube 20 mit dem Kühlkörper verschraubt. Das
freie Ende 21 der Feder liegt nun an dem breiten Ende 22 des
Keilelements 17 an und spannt dieses in den keilförmigen
Zwischenraum hinein vor. Die Feder ist so gewählt, dass
sie eine ausreichende Druckkraft auf das Keilelement ausübt,
um eine Lockerung desselben, z. B. infolge von Erschütterungen
zu verhindern, aber keine Beschädigung des Halbleitersubstrats
durch übermäßige Druck- oder Schubkräfte bewirkt.
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Chip
- 3
- Halbleitersubstrat
- 7
- Kühlkörper
- 9
- Stütze
- 11
- Obere
Oberfläche
- 12
- Untere
Oberfläche
- 13
- Untere
Oberfläche
- 14
- Obere
Oberfläche
- 15
- Breites
Ende
- 16
- Schmales
Ende
- 17
- Keilelement
- 18
- Blattfeder
- 19
- Ende
- 20
- Schraube
- 21
- Freies
Ende
- 22
- Breites
Ende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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