DE19520938A1

DE19520938A1 - Anordnung zur thermischen Kopplung

Info

Publication number: DE19520938A1
Application number: DE1995120938
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Herres
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2015-06-03
Also published as: DE19520938C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur thermischen Kopplung zwischen einem Bauelement und einem Kühlkörper, wobei das Bauelement beim bestimmungsgemäßen Gebrauch eine Verlustwärme erzeugt, die zum Schutz des Bauelementes vor thermischer Zerstörung abzuführen ist.

Üblicherweise werden zur Abführung von Verlustwärme Kühlkörper verwendet, die durch ihre geometrische Gestalt eine große Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen aufweisen und somit zum Wärmeaustausch mit der umgebenden Atmosphäre geeignet sind.

Insbesondere in hoch integrierten, mikroelektronischen Bauelementen, die darüber hinaus mit hoher Taktfrequenz betrieben werden, wie beispielsweise Mikroprozessoren, werden beim bestimmungsgemäßen Gebrauch elektrische Leistungen umgesetzt, die zu einer derartigen Erwärmung des Bauelementes führen, bei der die Wärmemenge allein über die Oberfläche des Gehäuses des Bauelementes nicht mehr an die Umgebung abführbar ist.

Durch offenkundige Vorbenutzung ist bekannt, derartige Bauelemente mit einem an die Gehäuseform angepaßten Kühlkörper auszustatten und im Bedarfsfall zusätzlich mit einem Ventilator fremd zu belüften.

In sicherheitsrelevanten, aber unbeobachteten, mit derartigen Bauelementen ausgestatteten Baugruppen ist jedoch der mögliche Ausfall eines Ventilators nicht tolerierbar. Alternativ wird die Fläche des Kühlkörpers derart vergrößert, daß ohne Fremdbelüftung eine widerstandsarme Wärmeabführung gewährleistet ist. Ein derartig vergrößerter Kühlkörper kann jedoch aus Gründen der Masse und der mechanischen Stabilität nicht mehr am Bauelement befestigt werden, sondern an der das Bauelement tragenden Basisvorrichtung, beispielsweise der Leiterplatte. Dazu ist der Kühlkörper mit Distanzstücken parallel zur Basisvorrichtung angeordnet.

Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß im wesentlichen durch zulässige Toleranzen begründet, die Ebene der thermisch kontaktierbaren Oberfläche des Bauelementes hinsichtlich ihres Abstandes und/oder von der Parallelität zur Ebene der Basisvorrichtung und somit der Ebene des Kühlkörpers abweicht. Daraus resultiert, daß der Kühlkörper anstelle flächenhaft nur punktuell mit dem zu kühlenden Bauelement unter Bildung eines vergleichsweise hohen thermischen Übergangswiderstandes verbunden ist. Die Folge ist eine ungenügende Kühlung des Bauelementes, die zu dessen thermischer Zerstörung führen kann.

Weiterhin ist aus der DE 44 09 015 bekannt, einen Kühlkörper federbelastet, sich gegen eine parallel zur Bauelemente tragenden Trägerplatte angeordnete Halteplatte abstützend auf den zu kühlenden Bauelementen anzuordnen. Zwar sind Lagetoleranzen eines Bauelementes in engen Grenzen mit dieser Vorrichtung ausgleichbar, jedoch ist die Größe eines derartig angeordneten Kühlkörpers wegen der geringen Bauhöhe in Bezug auf die Trägerplatte begrenzt, so daß bei hoher Verlustleistung des Bauelementes auf Mittel zur Zwangskühlung nicht verzichtet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einer Anordnung zur thermischen Kopplung zwischen einem Bauelement und einem Kühlkörper anzugeben, die trotz von der Parallelität abweichende Ebenen der thermisch kontaktierbaren Oberflächen einen möglichst geringen thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Anforderungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine Anordnung zur thermischen Kopplung

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Wärmeübertragungsgliedes mit konzentrischen Nuten

Fig. 3 eine ausschnittweise perspektivische Darstellung eines Wärmeübertragungsgliedes mit schachbrettmusterartig angeordneten Säulen.

Als bevorzugte Ausführungsform wird nachstehend die Kühlung eines Mikroprozessorschaltkreises beschrieben, der in einer Automatisierungsanlage eingebaut ist.

Dazu ist in Fig. 1 in teilweiser Schnittdarstellung eine Anordnung der erfindungswesentlichen Bestandteile gezeigt. Auf einer Leiterplatte 7 ist eine Fassung 6 angeordnet, die zur steckbaren Aufnahme eines als Mikroprozessorschaltkreis ausgeführten Bauelementes 4 vorgesehen ist. Das Bauelement 4 ist durch ein flaches, im wesentlichen quaderförmiges Gehäuse gebildet, wobei die der Leiterplatte 7 zugewandte Seite des Bauelementes 4 weitgehend mit Anschlußstiften 8 besetzt ist. Als thermisch kontaktierbare Oberfläche des Bauelementes 4 ist demgemäß vorzugsweise die der Leiterplatte 7 abgewandte Seite des Bauelementes 4, die zudem aufgrund der Bauform die thermisch schlüssigste Verbindung zur Wärmequelle darstellt, vorgesehen.

Wegen der eingangs erwähnten zulässigen Toleranzen können beliebige Punkte auf der der Leiterplatte 7 abgewandten Oberfläche des Bauelementes 4, in Fig. 1 symbolisiert durch die senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden körperkanten des Bauelementes 4, verschieden von der Leiterplatte 7 beabstandet sein, H1≠H2. Dabei sind die konkrete Schieflage sowie die absoluten Abstandsmaße H1 und H2 völlig unbestimmt.

In einem konstanten Abstand ist parallel zur Ebene der Leiterplatte 7 ein Kühlkörper 1 angeordnet, der über nicht dargestellte, gleichlange Distanzstücke mit der Leiterplatte 7 fest verbunden sein kann. Zum Ausgleich der Abstandsdifferenzen zwischen der der Leiterplatte 7 abgewandten Oberfläche des Bauelementes 4 und der dem Bauelement 4 zugewandten Oberfläche des Kühlkörpers 1 sind zwei komplementäre, spiel behaftet mäanderförmig ineinandergreifende, geschnitten dargestellte Wärmeübertragungsglieder 2 und 3 vorgesehen. Dabei ist eines der Wärmeübertragungsglieder 2 starr an dem Kühlkörper 1 befestigt und das andere Wärmeübertragungsglied 3 ist durch eine Feder 5 flächenhaft mit der der Leiterplatte 7 abgewandten, thermisch kontaktierbaren Oberfläche des Bauelementes 4 kraftschlüssig verbunden. Dabei gestattet das vorgesehene Spiel zwischen den Wärmeübertragungsgliedern 2 und 3 den beabsichtigten Ausgleich der Schieflage und der Abstände.

Durch flächige Auflage des Wärmeübertragungsgliedes 3 auf der thermisch kontaktierbaren Oberfläche des Bauelementes 4 wird der thermische Übergangswiderstand an diesem Übergang kleingehalten, so daß das Temperaturgefälle zwischen dem Bauelement 4 und dem Wärmeübertragungsglied 3 gering ist. Der Wärmeübertragungswiderstand zwischen dem Kühlkörper 1 und dem Wärmeübertragungsglied 2 ist wegen der starren Verbindung vernachlässigbar.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, durch ein großes Längen- Breiten-Verhältnis der Mäander die komplementären, mäanderförmig ineinandergreifenden Wärmeübertragungsglieder 2 und 3 so zu gestalten, daß die Summe ihrer gegenüberliegenden Flächenanteile größer ist als die thermisch kontaktierbare Oberfläche des Bauelementes 3 ist, so daß der thermische Übergangswiderstand zwischen den Wärmeübertragungsgliedern 2 und 3 vernachlässigbar wird gegenüber dem Wärmeübertragungswiderstand zwischen dem Wärmeübertragungsglied 3 und dem Bauelement 4, dessen Oberflächengüte als vorgegeben hingenommen werden muß.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Zwischenräume zwischen dem Kühlkörper 1 und dem daran befestigten Wärmeübertragungsglied 2, zwischen dem Bauelement 4 und dem mit ihm verbundenen Wärmeübertragungsglied 3 sowie zwischen den beiden Wärmeübertragungsgliedern 2 und 3 mit einer für sich bekannten Wärmeleitpaste auszufüllen. Auf diese Weise wird der thermische Gesamtübergangswiderstand zwischen dem Bauelement 4 und dem Kühlkörper 1 weiter reduziert.

In den Fig. 2 und 3 sind bevorzugte Ausgestaltungen der einander zugewandten Seiten der Wärmeübertragungsglieder 2 und 3 dargestellt. In Fig. 2 ist ein Wärmeübertragungsglied gezeigt, das konzentrische Nuten und Stege aufweist, wobei in die Nuten des einen Wärmeübertragungsgliedes die ringförmigen Stege des komplementären Wärmeübertragungsgliedes eingreifen. Eine derartige Anordnung des mäanderförmigen Ineinandergreifens gewährleistet infolge der Rotationssymmetrie eine gleichmäßige lageunabhängige Verkippung der Wärmeübertragungsglieder zueinander.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem Wärmeübertragungsglied mit rechteckiger Grundfläche gezeichnet, das schachbrettmusterartig mit Säulen besetzt ist. Im Rahmen des Spiels zwischen den Säulen ist eine Verkippung komplementärer Wärmeübertragungsglieder zueinander in beliebigen Winkeln, bezogen auf eine Körpergrundkante, möglich. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für Bauelemente, deren thermisch kontaktierbare Oberfläche eine rechteckige Gestalt aufweist.

Bezugszeichenliste

1 Kühlkörper
2, 3 Wärmeübertragungsglieder
4 Bauelement
5 Feder
6 Fassung
7 Leiterplatte
8 Anschlußstifte

Claims

1. Anordnung zur thermischen Kopplung zwischen einem Bauelement und einem Kühlkörper, bei denen die Ebenen der thermisch kontaktierbaren Oberflächen von der Parallelität und einem Nennabstand abweichen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei komplementäre, spielbehaftet mäanderförmig ineinandergreifende Wärmeübertragungsglieder (2, 3) vorgesehen sind, wobei

- eines der Wärmeübertragungsglieder (2) an dem Kühlkörper (1) starr befestigt ist und
- das andere Wärmeübertragungsglied (3) federbelastet flächenhaft mit einer thermisch kontaktierbaren Oberfläche des Bauelementes (4) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der gegenüberliegenden Flächenanteile der komplementären, mäanderförmig ineinandergreifenden Wärmeübertragungsglieder (2, 3) für jedes Wärmeübertragungsglied (2, 3) größer als die thermisch kontaktierbare Oberfläche des Bauelementes (4) ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Zwischenräume zwischen dem Kühlkörper (1) und dem daran befestigten Wärmeübertragungsglied (2), zwischen dem Bauelement (4) und dem mit ihm verbundenen Wärmeübertragungsglied (3) und zwischen den beiden Wärmeübertragungsgliedern (2, 3) mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsglieder (2, 3) in den einander zugewandten Oberflächen konzentrische Nuten aufweisen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsglieder (2, 3) auf den einander zugewandten Oberflächen Säulen in schachbrettmusterartiger Anordnung aufweisen.