DE19723085A1 - Hochleistungskupferwärmesenke mit großem Seitenverhältnis zur Luftkühlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Ge­ biet von Halbleiterwärmesenken und insbesondere auf ein Ver­ fahren zum Steigern der Verhaltenshüllkurve einer luftge­ kühlten Wärmesenke.

Im allgemeinen sind Wärmesenken an einer äußeren Oberfläche eines Gehäuses einer integrierten Schaltung (IC-Gehäuse; IC = integrated circuit) befestigt, um die Beseitigung von Wär­ me von der integrierten Schaltung, die in demselben enthal­ ten ist, zu erleichtern. Die meisten Wärmesenken sind ther­ misch leitfähig und weisen eine Mehrzahl von Rippen auf, um einen großen Oberflächenbereich zu liefern, was ermöglicht, daß Wärme effizienter durch einen natürlichen oder einen er­ zwungenen Luftfluß abgeleitet wird. Es ist allgemein er­ wünscht, das Wärmeableitungsverhalten einer Wärmesenke zu erhöhen, während relativ geringe Kosten beibehalten werden. Es war typischerweise schwierig, ein Hochleistungs-Halblei­ terbauelement, beispielsweise ein 35 Watt-Halbleiterbauele­ ment, bei relativ geringen Kosten zu kühlen. Es ist allge­ mein vorteilhaft, Bauelemente unter Verwendung eines erzwun­ genen Luftstroms zu kühlen, und nicht unter Verwendung exo­ tischer Kühlverfahren, beispielsweise Wärmerohren und einer Flüssigkeitskühlung, die vergleichsweise aufwendig sind. Es ist jedoch aufgrund von Begrenzungen der Lüfter oder Gebläse in dem System ferner vorteilhaft, einen minimalen Einfluß auf die Flußrate zu besitzen (d. h. der Druckabfall ist der­ art, daß der Luftfluß durch die Wärmesenke auf einem Maximum gehalten ist). Ferner ist das reale Raumangebot auf Platinen sehr begrenzt. Folglich ist es bevorzugt, daß Wärmesenken keinen zusätzlichen Platinenraum verbrauchen. Um diese Auf­ gaben zu erreichen, wäre eine Wärmesenke mit einem großen Seitenverhältnis von Höhe zu Kanal erforderlich, beispiels­ weise ein Höhe/Kanal-Verhältnis von 20 oder mehr.

Eine herkömmliche Wärmesenke ist eine gestanzte Aluminium­ wärmesenke, die ziemlich kostengünstig ist. Jedoch sind ge­ stanzte Wärmesenken typischerweise keine Hochleistungswärme­ senken, weshalb dieselben typischerweise nur in Niederlei­ stungsanwendungen verwendet werden und für Hochleistungs­ halbleiter hoher Dichte nicht anwendbar sind.

Eine weitere herkömmliche Wärmesenke ist eine extrudierte Aluminiumwärmesenke, die ebenfalls relativ wenig aufwendig ist, jedoch mehrere Verhaltensbegrenzungen aufgrund des Her­ stellungsverfahrens aufweist. Erstens weist Aluminium eine um 50% geringere Leitfähigkeit als Kupfer auf und ist folg­ lich weniger effizient, was einen höheren Widerstand und hö­ here Halbleitertemperaturen zur Folge hat. Zweitens ist das Höhe/Kanal-Seitenverhältnis einer Extrusion typischerweise aufgrund von Begrenzungen, die der Extrusionsform während der Herstellung zugeordnet sind, auf 10 begrenzt. Folglich sind hochdichte oder "hochgewachsene" Wärmesenken (d. h. Sei­ tenverhältnisse größer als 10) für extrudierte Wärmesenken nicht machbar. Drittens ist der Ausbreitungswiderstand der Basis für konzentrierte Wärmequellen relativ hoch, was noch höhere Halbleitertemperaturen bewirken könnte. Viertens ist Kupfer schwierig zu extrudieren und wird folglich für extru­ dierte Wärmesenken nicht berücksichtigt. Demgemäß werden ex­ trudierte Aluminiumwärmesenken allgemein in der Zukunft für eine Kühlung von Hochleistungshalbleitern hoher Dichte nicht verwendet.

Noch eine weitere herkömmliche Wärmesenke ist eine Alumi­ niumwärmesenke mit aufgebrachten (gebondeten) Rippen, die viel kostspieliger ist als extrudierte Wärmesenken, da jede Rippe einzeln mittels Epoxids an die Basis geklebt ist. Ob­ wohl diese Technologie die Verwendung von Rippen mit großem Seitenverhältnis ermöglicht, was allgemein eine höhere Wär­ meableitung bedeutet, leidet dieselbe unter drei Hauptbe­ grenzungen. Erstens liefert die geringere Leitfähigkeit des Aluminiums einen geringeren Gesamtwirkungsgrad. Zweitens verschlechtert die Verbindung zwischen der Rippe und der Ba­ sis den Gesamtwirkungsgrad der Wärmesenke aufgrund der rela­ tiv geringen Leitfähigkeit des Epoxids. Drittens ist der Ausbreitungswiderstand in der Basis für konzentrierte Wärme­ quellen relativ hoch.

Hinsichtlich Kupferwärmesenken mit aufgebrachten Rippen ist zu sagen, daß dieser Wärmesenkentyp typischerweise viel auf­ wendiger ist als die vorher genannten Wärmesenken, da jede Rippe einzeln mittels Epoxids an die Basis geklebt ist und ferner Kupfer viel aufwendiger ist als Aluminium. Obwohl diese Technologie ebenfalls die Verwendung von Rippen mit großem Seitenverhältnis ermöglicht, was allgemein eine größere Wärmeableitung bedeutet, leidet dieselbe unter zwei Hauptbegrenzungen. Erstens sind die Kosten der Wärmesenke etwa zweimal so groß wie die einer Aluminiumwärmesenke mit aufgebrachten Rippen. Zweitens verschlechtert die Verbindung zwischen der Rippe und der Basis den Gesamtwirkungsgrad der Wärmesenke aufgrund der relativ geringen Leitfähigkeit des Epoxids. Diese Wärmesenke ist jedoch von den vier herkömmli­ chen Wärmesenken, die oben beschrieben sind, die, die das beste Verhalten aufweist.

Eine weitere herkömmliche Wärmesenke ist eine maschinell be­ arbeitete Aluminiumwärmesenke, die viel aufwendiger ist als Extrusionen, jedoch weniger aufwendig als gebondete Wärme­ senken, und die ebenfalls mehrere Verhaltensbegrenzungen aufgrund des Herstellungsverfahrens aufweist. Erstens weist Aluminium eine um 50% geringere Leitfähigkeit als Kupfer auf und ist folglich weniger wirksam, was einen höheren Wider­ stand und höhere Halbleitertemperaturen zur Folge hat. Zwei­ tens ist das Höhe/Kanal-Seitenverhältnis maschinell bearbei­ teter Wärmesenken aufgrund von Begrenzungen, die dem Säge­ prozeß während der Herstellung zugeordnet sind, typischer­ weise auf 20 begrenzt. Folglich sind hochdichte oder "hoch­ gewachsene" Wärmesenken (d. h. Seitenverhältnisse größer als 20) für maschinell bearbeitete Wärmesenken nicht machbar.

Drittens ist der Ausbreitungswiderstand der Basis für kon­ zentrierte Wärmequellen relativ hoch, was noch höhere Halb­ leitertemperaturen bewirken könnte. Viertens ist Kupfer schwierig maschinell zu bearbeiten und wird daher für ma­ schinell bearbeitete Wärmesenken nicht berücksichtigt. Folg­ lich werden maschinell bearbeitete Aluminiumwärmesenken all­ gemein in der Zukunft für die Kühlung von Hochleistungshalb­ leitern hoher Dichte nicht verwendet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, auf dem Gebiet von Halbleiterwärmesenken eine luftgekühlte Wär­ mesenke mit hohem Wirkungsgrad und einem hohen Verhältnis zwischen Verhalten und Kosten zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Wärmesenken überwindet.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmesenke gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine luftgekühlte Wärmesenke mit hohem Wirkungsgrad und einem ho­ hen Verhältnis von Verhalten zu Kosten zu schaffen, die die Begrenzungen der bekannten Wärmesenken überwindet. Eine sol­ che Wärmesenke weist einen geringen thermischen Widerstand auf, ist in der Lage, die Kühlungsanforderungen für Hochlei­ stungshalbleiter zu handhaben und ist kostengünstig. Die obigen und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden mit einer luftgekühlten Faltrippen-Kupferwärmesenke mit großem Seitenverhältnis erreicht, die ermöglicht, daß ein thermisches Verhalten erreicht wird, das durch Aluminiumex­ trusion oder Wärmesenken mit aufgebrachten Rippen nicht er­ reicht wird. Ferner ist die vorliegende Erfindung einfach und kostengünstig herzustellen. Da Kupferrippen verwendet werden, kann außerdem die Rippendicke verringert werden, um den Druckabfall zu minimieren, so daß der Luftfluß durch die Wärmesenke maximiert werden kann. Überdies kann eine Deck­ platte auf der Oberseite der Wärmesenke befestigt werden, um die Kupferrippen zu stabilisieren, da die Rippen andernfalls anfällig für ein Biegen sind.

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Luftfluß-Wärmesenke mit großem Seitenverhältnis zum Ableiten von Wärme von einer integrierten Schaltungsvorrichtung in einem Gehäuse, wobei die Wärmesenke nur drei Teile aufweist: eine Kupferbasis­ platte mit einem geringen thermischen Widerstand; eine ge­ faltete Kupferrippe mit einem geringen thermischen Wider­ stand, die auf der Basisplatte befestigt ist, wobei die ge­ faltete Rippe eine einzelne Schicht ist, die in der Art eines Akkordeons gefaltet ist; und eine Deckplatte, die auf der gefalteten Rippe befestigt ist, derart, daß sich die Ba­ sisplatte und die Deckplatte auf gegenüberliegenden Seiten der gefalteten Rippe befinden, wobei Luft in der Lage ist, zwischen der Basisplatte und der Deckplatte durch die gefal­ tete Rippe zu fließen. Es sollte bemerkt werden, daß die Deckplatte nur notwendig ist, wenn eine Verbiegung oder Be­ schädigung der Rippen von Bedeutung ist, da die Deckplatte hauptsächlich verwendet ist, um die Rippen gegenüber einer Verbiegung zu stabilisieren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht einer luftgekühlten Faltrippen-Kupferwärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der luftgekühlten Faltrippen-Kupfer­ wärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine Draufsicht der luftgekühlten Faltrippen-Kup­ ferwärmesenke gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht einer luftge­ kühlten Faltrippen-Kupferwärmesenke 10 gemäß der vorliegen­ den Erfindung. Die Wärmesenke 10 der vorliegenden Erfindung kann gefaltete Rippen 12 aufweisen, die auf einer Basisplat­ te 16 befestigt und durch eine Deckplatte 18 stabilisiert sind. Die Wärmesenke 10 kann aus einem Kupferblech aufgebaut sein, das an der oberen Oberfläche 14 und der unteren Ober­ fläche 28 akkordeonartig gefaltet ist, um gefaltete akkorde­ onartige Rippen 12 zu erzeugen. Sobald die Wärmesenke ge­ schnitten und gefaltet ist, kann dieselbe auf der Basisplat­ te 16 befestigt werden, die aus jedem Material mit gutem thermischen Verhalten, jedoch bevorzugt aus Kupfer, bestehen kann. Die Faltrippenwärmesenke kann mittels einer beliebigen bekannten Einrichtung auf der Basisplatte 16 befestigt sein, einschließlich Epoxid oder eines anderen Klebers, jedoch vorzugsweise mittels Hartlöten für das beste thermische Ver­ halten. Diese Grenzfläche ist kritisch für das Verhalten; es wurde herausgefunden, daß Kupferfaltrippen, die auf eine Kupferbasisplatte hartgelötet sind, überlegen sind. Die Ba­ sisplatte 16 kann ferner einen Eckenausschnitt 26 aufweisen, um die Ausrichtung und Orientierung zu unterstützen, wenn die Wärmesenke an einem Halbleiterbauelement (nicht gezeigt) befestigt wird.

Ferner kann eine Deckplatte 18 auf der Oberseite der gefal­ teten Rippen befestigt sein, um die Rippen zu stabilisieren, die dazu tendieren können, sich zu verbiegen, besonders wenn dieselben sehr dünn sind. Die Deckplatte 18 kann aus einem beliebigen Material bestehen, jedoch vorzugsweise aus einem Material mit einem geringen thermischen Widerstand, und noch vorzugsweiser aus Kupfer. Die Deckplatte 18 kann mittels ei­ ner beliebigen bekannten Einrichtung an den gefalteten Rip­ pen befestigt sein, da diese Grenzfläche einen relativ ge­ ringen Einfluß auf das thermische Verhalten der Wärmesenke hat. Obwohl Hartlöten bevorzugt ist, sind Kleber und Epoxide ebenfalls brauchbar.

Die Wärmesenke 10 kann mittels einer beliebigen bekannten Einrichtung an dem Gehäuse eines (nicht gezeigten) Bauele­ ments befestigt sein, einschließlich jedes bekannten Kle­ bers, thermischen Fetts oder Epoxids; eines Lötmittels; einer Befestigung mittels Schrauben, Nieten oder dergleichen durch Löcher 20, 22, 24 und 30 in der Basisplatte 16; einer Befestigung mittels einer Federklammer; oder einer Befesti­ gung mittels eines Wärmeverteilers oder einer thermischen Kontaktfläche, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 08/617,002 mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR ATTACHING A HEAT SINK AND A FAN TO AN INTEGRATED CIRCUIT PACKAGE, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, gelehrt wird.

Bezugnehmend auf die Fig. 2 und 3 werden die Abmessungen ei­ nes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erläu­ tert. Es sei jedoch bemerkt, daß viele der Abmessungen sich mit der Größe des Halbleiterbauelements und den spezifischen Wärmeableitungsanforderungen des Halbleiterbauelements än­ dern können. Die Basisplatte weist eine Größe von näherungs­ weise 42,4 mm (1,670 Inch) (A) mal 42,4 mm (1,670 Inch) (B) und eine Dicke von 2,54 mm (0,100 Inch) (C) auf. Die Deck­ platte 18 weist eine Größe von näherungsweise 43,18 mm (1,700 Inch) (D) mal 25,4 mm (1,000 Inch) (E) und eine Dicke von 0,51 mm (0,020 Inch) (F) auf.

Die Gesamthöhe der Wärmesenke beträgt näherungsweise 41,1 mm (1,62 Inch) (G). Folglich sind die gefalteten Rippen 12 nä­ herungsweise 38,1 mm (1,50 Inch) hoch [G - (C + F)]. Die ge­ falteten Rippen 12 sind näherungsweise 0,51 mm (0,020 Inch) dick (H) und 25,4 mm (1,000 Inch) breit (E). Der Abstand zwischen dem Beginn einer Rippe und dem Beginn der nächsten Rippe beträgt näherungsweise 5,6 mm (0,22 Inch) (I). Die Breite einer Rippe beträgt näherungsweise 3,3 mm (0,13 Inch) (J). Die letzte Rippe ist bei 1,78 mm (0,07 Inch) (K) nach der Biegung geschnitten und dann um 90 Grad gebogen und an der Basisplatte bei 32 befestigt. Löcher 20, 22, 24 und 30 in der Basisplatte 16 weisen einen Durchmesser von nähe­ rungsweise 3,2 mm (0,125 Inch) und eine Mittenbeabstandung (L) von näherungsweise 35,6 mm (1,400 Inch) auf, und sind näherungsweise 3,4 mm (0,135 Inch) (M) vom Rand der Basis­ platte 16 beabstandet.

Es sei bemerkt, daß, da die gefalteten Rippen aus Kupfer be­ stehen, dieselben viel höher sein können als herkömmliche Wärmesenken und folglich den Oberflächenbereich signifikant erhöhen, ohne den thermischen Wirkungsgrad der Wärmesenke dramatisch zu verringern. Folglich ist das Verhalten signi­ fikant verbessert. Die höheren Rippen ermöglichen ein Kanal­ seitenverhältnis von über 20, was ermöglicht, daß sich mehr Luft zur Kühlung über die Rippen 12 bewegt, während gleich­ zeitig die Kanäle zwischen den Rippen breit gehalten werden, so daß die Luftflußrate durch die Rippen 12 maximiert ist. Obwohl das Höhe/Kanal-Seitenverhältnis kleiner als 20 sein kann, hat der Erfinder herausgefunden, daß die thermischen Vorteile beginnen, sich zu verringern, wenn das Seitenver­ hältnis unter 20 abfällt. Da die Rippen 12 dünn und hoch sind, weisen sie die Neigung auf, sich zu verbiegen, so daß die Befestigung einer Deckplatte 18 an den Rippen ferner die Stabilität der Wärmesenke verbessert. Der Erfinder hat her­ ausgefunden, daß während des Lötens das Kupfer ausglühte oder erweichte, was die Rippen 12 für ein Verbiegen oder ei­ ne andere Beschädigung relativ anfällig macht. Folglich wird die Deckplatte 18 verwendet, um die gefalteten Rippen 12 zu stabilisieren.

Wenn die Basisplatte 16, die gefalteten Rippen 12 und die Deckplatte aus Kupfer sind, ist überdies der thermische Wir­ kungsgrad maximiert. Die Wärmesenke wird mittels eines Löt­ mittels, eines thermischen Fetts oder einer thermischen Kon­ taktfläche an dem Halbleitergehäuse (nicht gezeigt) befe­ stigt, wobei der thermische Widerstand an der Schnittstelle auf einem Minimum gehalten werden kann. In gleicher Weise ist, wenn die Kupferrippen 12 mittels Hartlöten an der Ba­ sisplatte 16 befestigt sind, der thermische Widerstand an dieser Grenzfläche minimiert. Wenn die Deckplatte 18 mittels Hartlöten an den gefalteten Rippen 12 befestigt ist, ist der thermische Widerstand an dieser Grenzfläche ebenfalls auf einem Minimum gehalten, obwohl diese Grenzfläche allgemein weit genug von dem Halbleiterbauelement (nicht gezeigt) ent­ fernt ist, daß der thermische Widerstand nicht von derart großer Bedeutung ist, so daß eine andere Befestigungsein­ richtung (beispielsweise Kleber, Epoxide, usw.) aus einer Kosten/Vorteils-Perspektive praktischer sein können.

Da die gefalteten Rippen 12 aus Kupfer bestehen, können die­ selben schließlich dünner und höher sein, als wenn sie aus Aluminium bestünden, ohne den thermischen Gesamtwirkungsgrad der Wärmesenke dramatisch zu verschlechtern. Ferner ermögli­ chen gefaltete Rippen ein Höhe/Kanal-Seitenverhältnis von über 20, wodurch ein größerer Oberflächenbereich ermöglicht wird, um das thermische Verhalten hoch zu halten, wobei je­ doch gleichzeitig breitere Kanäle möglich sind, was die Flußrate durch die Rippen maximiert oder alternativ den Ein­ fluß auf die Flußrate durch die Rippen minimiert. Folglich schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Luftfluß­ wärmesenke (d. h. einen geringeren Flußwiderstand), die einen höheren thermischen Wirkungsgrad bei relativ geringen Kosten aufweist.

Die vorangegangene Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Darstellung und Beschreibung geboten. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die exakte offenbarte Form zu begrenzen, wobei im Licht der obigen Lehren weitere Modifikationen und Abwei­ chungen möglich sein können. Beispielsweise könnten die Ab­ messungen der gefalteten Rippen oder der Wärmesenke modifi­ ziert werden, ohne von den Konzepten der Erfindung abzuwei­ chen. Ferner muß die Basisplatte nicht, wie in den Figuren gezeigt, eine Übergröße aufweisen. Überdies könnten unter­ schiedliche Einrichtungen zum Befestigen der Wärmesenke 10 an dem Gehäuse oder den gefalteten Rippen 12 verwendet wer­ den, die den thermischen Widerstand an diesem Übergang be­ einflussen könnten, jedoch nicht wesentlich von den Gesamt­ konzepten der Erfindung abweichen würden. Das Ausführungs­ beispiel wurde ausgewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und der praktischen Anwendung derselben am be­ sten zu erklären, um dadurch Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und ver­ schiedenen Modifikationen, wie sie für die spezielle be­ trachtete Verwendung geeignet sind, am besten auszunutzen. Die beiliegenden Ansprüche sind dazu bestimmt, entworfen zu sein, um weitere alternative Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung mit Ausnahme der Begrenzung derselben durch den Stand der Technik, einzuschließen.

Claims (8)

1. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis zum Ableiten von Wärme von einer integrierten Schaltungs­ vorrichtung in einem Gehäuse, wobei die Wärmesenke (10) folgende Merkmale aufweist:
eine Basisplatte (16) mit einem geringen thermischen Widerstand;
eine gefaltete Rippe (12) mit einem geringen thermi­ schen Widerstand, die an der Basisplatte (16) befestigt ist, wobei die gefaltete Rippe (12) eine einzelne Schicht ist, die Akkordeon-artig gefaltet ist; und
eine Deckplatte (18), die auf der gefalteten Rippe (12) befestigt ist, derart, daß sich die Basisplatte (16) und die Deckplatte (18) auf gegenüberliegenden Seiten der gefalteten Rippe (12) befinden, wobei Luft in der Lage ist, zwischen der Basisplatte (16) und der Deck­ platte (18) durch die gefaltete Rippe (12) zu fließen.

2. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß Anspruch 1, bei der die Basisplatte (16) im wesent­ lichen aus Kupfer besteht.

3. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß Anspruch 1 oder 2, bei der die gefaltete Rippe (12) im wesentlichen aus Kupfer besteht.

4. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die gefaltete Rippe (12) mittels Löten an der Basisplatte (16) befe­ stigt ist.

5. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die gefaltete Rippe (12) mittels Hartlöten an der Basisplatte (16) befestigt ist.

6. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Deckplatte (18) mittels Hartlöten an der gefalteten Rippe (12) be­ festigt ist.

7. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Höhe/Ka­ nal-Seitenverhältnis der gefalteten Rippe (12) nähe­ rungsweise 20 beträgt.

8. Luftflußwärmesenke (10) mit großem Seitenverhältnis ge­ mäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Höhe/Ka­ nal-Seitenverhältnis der gefalteten Rippe (12) größer als 20 ist.