DE19832450A1

DE19832450A1 - Halbleiter-Kühl-Anordnung

Info

Publication number: DE19832450A1
Application number: DE1998132450
Authority: DE
Inventors: Gerd Friedrich Nohl
Original assignee: Frankl and Kirchner GmbH and Co KG
Current assignee: Frankl and Kirchner GmbH and Co KG
Priority date: 1998-07-18
Filing date: 1998-07-18
Publication date: 2000-01-20

Abstract

Eine Halbleiter-Kühlanordnung umfaßt eine Leiterplatte (2), eine darauf vorgesehene und mit dieser verbundene Wärme-Leitungs-Schicht (3), mindestens ein mit der Leiterplatte (2) elektrisch leitend verbundenes und mit der Wärme-Leitungs-Schicht (3) wärmeleitend verbundenes Halbleiter-Bauteil (4) und mindestens ein Kühlelement (5) zum Abführen von durch das Halbleiter-Bauteil (4) erzeugter Wärme, welches aus einem wärmeleitenden Material besteht und mindestens ein Wandelement (10) aufweist, das mit der Wärme-Leitungs-Schicht (3) wärmeleitend verbunden ist und von der Leiterplatte (2) aufrecht nach oben absteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Kühl-Anordnung.

Bei Leistungs-Halbleitern ist es von großer Bedeutung, die produzierte Wärme abzuführen, da diese sonst zu einer Zerstörung des Halbleiters führt. Hierfür werden Kühlkörper vorgesehen, die jedoch oftmals nicht leicht montierbar sind bzw. keine optimale Kühlung bewerkstelligen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-Kühl- Anordnung zu schaffen, deren Kühlelemente einfach herstellbar sind bzw. eine möglichst optimale Wärmeabführung gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht gemäß Anspruch 7 darin, zwischen der Oberseite des Gehäuses des Halbleiter-Bauteils und der Unterseite der Decke des Kühlelements ein Wärme-Abführ-Element vorzusehen, so daß auch über den sonst vorhandenen Luftspalt Wärme direkt an das Kühlele ment abgegeben werden kann.

Eine besonders einfache Ausbildung eines Kühlelements ergibt sich aus Anspruch 9.

Zusätzliche Vorteile ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungs beispiel im Querschnitt,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Halbleiter-Bauteil und die Wärme-Leitungs- Schicht gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Kühlelement gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Kühlelements gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 6 eine Vorderansicht des Kühlelements gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Wärme-Leitungs-Schicht gemäß dem zwei ten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine Draufsicht auf das Kühlelement gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 10 eine Vorderansicht des Kühlelements gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 11 eine Seitenansicht des Kühlelements gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel.

Gemäß einem ersten in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiel weist eine Halbleiter-Kühl-Anordnung 1 eine Leiterplatte 2 und eine darauf vorgesehene und mit dieser verbundene Wärme-Leitungs-Schicht 3, welche als Kupferschicht 3 ausgebildet ist, auf. Mit der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden und mit der Kupferschicht 3 wärmeleitend verbunden sind ein oder mehrere oberflächenmontierbare Halbleiter-Bauteile bzw. SMD-Bauteile (SMD = Surface Mounted Device) vorgesehen. Zur Abfüh rung der durch das Halbleiter-Bauteil 4 erzeugten Wärme ist ein Kühlele ment 5 vorgesehen.

Die Kupferschicht 3 dient als Lötfläche zur wärmeleitenden Befestigung des Halbleiter-Bauteils 4 sowie des Kühlelements 5. Die Form der Kupfer schicht 3 richtet sich nach den Geometrien der Halbleiter-Bauteile 4 und des Kühlelements 5 sowie nach dem Lötverfahren zur Herstellung der Lei terplatte 2.

Das Halbleiter-Bauteil 4 weist eine metallische Bodenplatte 6 auf, welche flächig mit der Kupferschicht 3 verlötet ist. Das Halbleiter-Bauteil 4 weist Anschluß- bzw. Kontakt-Elemente 8 auf, die über Sockelbereiche 9 der Kupferschicht 3 mit der Leiterplatte 2 elektrisch leitend verbunden sind. Über diese Kontakt-Elemente 8 wird das Halbleiter-Bauteil 4 mit Strom versorgt und betrieben.

Das Kühlelement 5 weist seitliche Wände 10 auf, die über eine Decke 11 miteinander verbunden sind. Die Wände 10 sind im wesentlichen auf drei Seiten eines Rechtecks angeordnet. Auf der vierten Seite fehlt eine Wand 10, um die Konvektion der Umgebungsluft im Innenraum des Kühl elements 5 zu erhöhen, um im Fehlerfall an den Kontakt-Elementen 8 Mes sungen vornehmen zu können. Auf der Oberseite der Decke 11 sind raster förmige Vorsprünge 12 in Form kleiner Kühltürme zur Vergrößerung der Oberfläche vorgesehen. Die unteren Ränder 13 der Wände 10 weisen Kontaktstifte 14 auf, welche in Bohrungen 15, die durch die Kupferschicht 3 und die Leiterplatte 2 verlaufen, durch Verlötung oder mechanisch ge halten sind und gleichzeitig als Wärmetransportbrücken dienen. Das Kühl element 5 ist aus einem wärmeleitenden Material, wie z. B. Aluminium, im Druckgußverfahren hergestellt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Materialien oder Herstellungsverfahren geeignet.

Zwischen der Oberseite des Gehäuses 7 und der Unterseite der Decke 11 ist ein Drahtgeflecht 16 angeordnet, welches flexibel und stauchbar ist und den Raum ausfüllt. Das Drahtgeflecht 16 ist aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium hergestellt. Es können auch ande re gut wärmeleitende, flexible Materialien verwendet werden. Durch die Verwendung des flexiblen Drahtgeflechts 16 können Abstandsschwankun gen zwischen dem Gehäuse 7 und der Decke 11 ausgeglichen werden.

Beim Betrieb des Halbleiter-Bauteils 4 wird die produzierte Wärme primär über die Bodenplatte 6 und die Wärme-Leitungs-Schicht 3 an das Kühlele ment 5 abgegeben, von wo die Wärme an die Umgebungsluft durch Kon vektion der Umgebungsluft und Abstrahlung abgegeben wird. Sekundär wird Wärme über das Gehäuse 7 und das Drahtgeflecht 16 an die Decke 11 des Kühlelements 5 abgegeben, von wo der Wärmeabgabeprozeß in der oben beschriebenen Weise stattfindet.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 7 bis 11 gezeigt. Im folgenden wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungs beispiels Bezug genommen. Lediglich die Unterschiede werden erläutert. Identische Teile werden mit denselben Bezugszeichen und funktionell gleichwertige Teile mit apostrophierten Bezugszeichen versehen.

Der wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht im Aufbau des Kühlelements 5'. Dieses besteht aus einer Platte 17', welche auf der Außen- und Innenseite wellenförmig mit Vertiefungen 18' ausgebildet ist. An zwei benachbarten Rändern 19' der Platte 17' sind Kon taktstifte 14' vorgesehen, welche mit in der Leiterplatte 2 und der Wärme- Leitungs-Schicht 3 vorgesehenen Bohrungen 15' durch Verlötung verbind bar sind. Zur Verbindung des Kühlelements 5' mit der Leiterplatte 2 wer den die Kontaktstifte 14' entlang genau einem der Ränder 19' verwendet, so daß die Vertiefungen 18' der Platte 17' in der endgültigen Betriebsposition der Leiterplatte 2 im wesentlichen vertikal verlaufen. Somit ist es ohne Än derung des Kühlelements 5' möglich, dieses in der Weise an der Leiter platte 2 zu befestigen, daß sowohl bei einer horizontalen als auch bei einer vertikalen Betriebsposition der Leiterplatte 2 ein vertikaler Verlauf der Vertiefungen 18' sichergestellt ist. Bei einem im wesentlichen senkrechten Verlauf der Vertiefungen 18' bezüglich der Leiterplatte 2 sind in der Ver längerung der Vertiefungen 18' in Richtung der Leiterplatte 2 Konvektions- Bohrungen 20' vorgesehen, welche durch die Leiterplatte 2 und die Wärme- Leitungs-Schicht 3 verlaufen. Das Kühlelement 5' ist an mindestens einer Seite des Halbleiter-Bauteils 4 angebracht. Die Anordnung an weiteren Seiten des Halbleiter-Bauteils 4 erhöht die Wärme-Abführ-Wirkung.

Beim Betrieb des Halbleiter-Bauteils 4 wird die produzierte Wärme über die Bodenplatte 6 an die Wärme-Leitungs-Schicht 3 abgegeben, welche die Wärme an die Platte 1T abführt, welche wiederum die Wärme durch Kon vektion der Umgebungsluft und Abstrahlung abgibt. Durch das Vorsehen der Vertiefung 18' wird die Oberfläche der Platte 17' erhöht, so daß das Wärme-Abgabe-Verhalten verbessert wird. Darüber hinaus findet in den Vertiefungen 18' eine im wesentlichen vertikal verlaufende Konvektion statt, die durch das Vorsehen von Konvektions-Bohrungen 20' verbessert wird.

Claims

1. Halbleiter-Kühl-Anordnung, umfassend

a) eine Leiterplatte (2),
b) eine darauf vorgesehene und mit dieser verbundene Wärme- Leitungs-Schicht (3),
c) mindestens ein mit der Leiterplatte (2) elektrisch leitend verbun denes und mit der Wärme-Leitungs-Schicht (3) zur Wärme- Abführung wärmeleitend verbundenes Halbleiter-Bauteil (4) und
d) mindestens ein Kühlelement (5) zum Abführen von durch das Halbleiter-Bauteil (4) erzeugter Wärme,
- a) welches aus einem wärmeleitenden Material besteht und
- b) mit der Wärme-Leitungs-Schicht (3) zur Wärme-Abführung wärmeleitend verbunden ist.

2. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei jedes Halbleiter- Bauteil (4) mindestens ein Wandelement (10) aufweist, welches von der Leiterplatte (2) aufrecht nach oben absteht.

3. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Halbleiter-Bauteil (4) eine wärmeleitende, insbesondere metallische, Bo denplatte (6) aufweist, die wärmeleitend mit der Wärme-Leitungs-Schicht (3) verbunden ist.

4. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei das Kühlelement (5) mindestens zwei Wandelemente (10) aufweist, die über ein Deckenele ment (11) miteinander verbunden sind.

5. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 4, wobei das Kühlelement (5) mindestens drei im wesentlichen auf den Seiten eines Rechtecks ange ordnete Wandelemente (10) aufweist, die jeweils mit dem Deckenele ment (11) verbunden sind.

6. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei auf der Oberseite des Deckenelements (11) rasterförmig angeordnete Vor sprünge (12) vorgesehen sind.

7. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das mindestens eine Wandelement (10) über Kontaktstifte (14) mit der Leiterplatte (2) und der Wärme-Leitungs-Schicht (3) verbunden ist.

8. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein Wärme-Abführ-Element zwischen der Oberseite des mindestens einen Halbleiter-Bauteils (4) und der Unterseite des entsprechenden Deckenele ments (11) zu deren wärmeleitender Verbindung vorgesehen ist.

9. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 8, wobei das Wärme- Abführ-Element als wärmeleitendes Geflecht (16) ausgebildet ist.

10. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei das mindestens eine Wandelement (10') einen mäanderförmigen Querschnitt aufweist.

11. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 10, wobei das mindestens eine Wandelement (10') an mindestens zwei benachbarten Rändern (19') jeweils mindestens einen Kontaktstift (14') zur wahlweisen Verbindung mit der Leiterplatte (2) aufweist.

12. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß Anspruch 10 oder 1 l, wobei das mindestens eine Wandelement (10') aus einer gebogenen Blechplatte gebil det ist.

13. Halbleiter-Kühl-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Leiterplatte (2) und die Wärme-Leitungs-Schicht (3) durch diese geführte Konvektions-Bohrungen (20') aufweisen.