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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 einem elektronischen Bauelement 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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EP 0 354 722 A2 beschreibt
einen gemeinsamen Kühlkörper für eine Anzahl
von Chips, die auf einer Platine angeordnet sind. Der Kühlkörper weist
an seiner Unterseite für
jeden Chip eine Ausnehmung auf, in der ein keilförmiges Element angeordnet ist, das
von einer Feder gegen die Chipoberfläche und eine Oberfläche der
Ausnehmung gedrückt
wird, um einen Wärmeleitpfad
zu schaffen.
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DE 87 11 779 U1 beschreibt
einen Wärmeleiter
zur Ableitung von Wärme
von elektronischen Bauelementen auf einen Kühlkörper. Der Wärmeleiter besteht aus zwei
Keilelementen, die durch in Langlöchern bewegliche Schrauben
gegeneinander verschiebbar sind, um Maßtoleranzen zwischen Bauelement
und Kühlkörper auszugleichen,
und in Berührung
mit dem Bauelement bzw. dem Kühlkörper fixiert werden
können.
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US 7 120 023 B2 beschreibt
eine Vorrichtung aus mehreren Keilelementen zur Wärmeübertragung von
einem Bauelement auf einen Kühlkörper. Die Keile
weisen ebene oder gewölbte
Anlageflächenpaare
auf, die außer
einem Ausgleich von Höhenunterschieden
auch Schwenkbewegungen zulassen, um Winkeldifferenzen zwischen dem
Bauelement und dem Kühlkörper auszugleichen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste Kühlvorrichtung
mit einer verbesserten Wärmeübertragung
zwischen einem elektronischen Bauelement und einem Kühlkörper zu
schaffen, die eine einfache und zuverlässige Montage der Kühlvorrichtung
zulässt.
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 eine Leiterplatte,
ein mit der Leiterplatte verbundenes elektronisches Bauelement mit einer
ersten Oberfläche
und einen mit der Leiterplatte verbundenen Kühlkörper 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 des elektronischen Bauelements
bzw. der zweiten Oberfläche
des Kühlkörpers anzuliegen
und zwischen diesen eine Verbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, sowohl das elektronische Bauelement als auch den Kühlkörper fest
mit der Leiterplatte zu verbinden und dennoch eine im Wesentlichen
unterbrechungsfreie Verbindung zwischen Bauelement und Kühlkörper herzustellen.
Dies wird durch das erfindungsgemäße Keilelement ermöglicht,
das in den keilförmigen
Zwischenraum zwischen Bauelement und Kühlkörper eingesetzt wird. Fertigungstoleranzen,
die zu Höhenunterschieden
der den keilförmigen
Zwischenraum begrenzenden ersten und zweiten Oberfläche des Bauelements
bzw. des Kühlkörpers 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 des
Bauelements bzw. der zweiten Oberfläche des Kühlkörpers flächig unter Vorspannung anliegt.
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Die
erste Oberfläche
des elektronischen Bauelements und die zweite Oberfläche des
Kühlkörpers 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 des Bauelements
und der zweiten Oberfläche
des Kühlkörpers ist.
Das Keilelement ist so gestaltet, dass es in den keilförmigen Zwischenraum
zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper einsetzbar ist, wobei
vorzugsweise der ebene Bereich der ersten Oberfläche des Bauelements an dem
ebenen Bereich der dritten Oberfläche des Keilelementes und der
ebene Bereich der zweiten Oberfläche
des Kühlkörpers 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
das elektronische Bauelement, der Kühlkörper 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 des Bauelements 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 des Kühlkörpers 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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Die
Leiterplatte kann die Leiterplatte einer gedruckten Schaltung sein.
Das elektronische Bauelement kann ein auf der gedruckten Schaltung
montierter Chip, wie etwa ein Prozessor sein. Das Bauelement könnte aber
auch ein anderer integrierter Schaltkreis oder ein beliebiges elektronisches
Bauelement sein, das eine Kühlung
erfordert. Der Kühlkörper 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 das elektronische Bauelement
umgibt. Dabei können
ein einziger oder mehrere nicht zusammenhängende Auflageflächenbereiche
des Kühlkörpers auf
der gedruckten Schaltung vorhanden sein, die sicherstellen, dass
Kräfte
ohne Beschädigung
des Bauelements auf die Leiterplatte 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
dem elektronischen Bauelement als auch an dem Kühlkörper anliegt, ist ein Federelement
vorgesehen, das das Keilelement in den keilförmigen Zwischenraum zwischen
dem Bauelement 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 das
Bauelement 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 dem elektronischen
Bauelement 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, der
Leiterplatte oder des Bauelements, wie etwa eines Chips führen. Das
Federelement ist vorzugsweise eine Blattfeder, kann aber auch eine andere
Art von Feder sein.
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Die
Blattfeder kann mit dem Kühlkörper verschraubt
sein. Sie ist in einer an den keilförmigen Zwischenraum angrenzenden
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 Halbleitersubstrat 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 jeweiligen 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 Kühlkörper 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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Bezugszeichenliste
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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