DE202008010130U1

DE202008010130U1 - Layer structure between an electronic component and a heat sink

Info

Publication number: DE202008010130U1
Application number: DE200820010130
Authority: DE
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2018-07-30

Abstract

Schichtstruktur zur Überbrückung eines Spaltes von 0,5 bis 2,5 mm zwischen einem elektronischen Bauelement (10) und einer Wärmesenke (20), mit folgendem Aufbau:
– einer bauelementseitigen ersten Kleberschicht (14) aus einem Wärmeleitkleber
– einer wärmesenkenseitigen zweiten Kleberschicht (16) aus einem Wärmeleitkleber,
– einer Wärmeleitschicht (15) zwischen und im flächigen Kontakt mit erster und zweiter Kleberschicht,
wobei das Verhältnis der Dicken von Wärmeleitschicht (15) und zweiter Kleberschicht (16) im Bereich kleiner 1 und größer 0,2 liegt,
und die Fläche der Wärmeleitschicht (15) mindestens doppelt so groß ist wie die Grenzfläche zwischen Bauelement (10) und erster Kleberschicht (14).Layer structure for bridging a gap of 0.5 to 2.5 mm between an electronic component (10) and a heat sink (20), with the following structure:
- A component-side first adhesive layer (14) made of a thermal adhesive
A heat sink side second adhesive layer (16) made of a thermal adhesive,
A heat conducting layer (15) between and in area contact with first and second adhesive layers,
wherein the ratio of the thicknesses of thermal conduction layer (15) and second adhesive layer (16) is in the range of less than 1 to greater than 0.2,
and the surface of the heat conducting layer (15) is at least twice as large as the interface between the component (10) and the first adhesive layer (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schichtstruktur zur Überbrückung eines Spaltes von 0,5 bis 2,5 mm zwischen einem elektronischen Bauelement und einer Wärmesenke.The The invention relates to a layer structure for bridging a gap of 0.5 to 2.5 mm between an electronic component and a heat sink.

Bei der Ableitung von Wärme aus einem elektronischen Bauelement in eine Wärmesenke sind neben der Anforderung nach einer optimierten Wärmeableitung auch zusätzliche Randbedingungen, z. B. der Ausgleich vorgegebener Bauteiltoleranzen, von Bedeutung.at the dissipation of heat from an electronic component into a heat sink are in addition to the requirement after an optimized heat dissipation also additional Boundary conditions, eg. B. the compensation of predetermined component tolerances of Importance.

Für spezielle Anwendungen ist es deshalb notwendig, zwischen elektronischem Bauelement und Wärmesenke einen kräftefreien Spalt in der Größenordnung von ca. 1 mm einzuhalten, damit die mechanische Belastungen von empfindlichen Lötverbindungen am elektronischen Bauelement vermieden werden kann.For special Applications, it is therefore necessary between electronic component and heat sink a force-free Gap in the order of magnitude 1 mm, so that the mechanical loads of sensitive solder joints can be avoided on the electronic component.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schichtstruktur zur Überbrückung eines derartigen Spalts vorzuschlagen, mit der einerseits eine hohe Wärmeübertragung erzielt wird, und gleichzeitig eine mechanische Beanspruchung des elektronischen Bauelements, insbesondere seiner Lötverbindungen, aufgrund von Bauteiltoleranzen, vermieden wird.Of the Invention is based on the object, a layer structure for bridging a to propose such gap, with the one hand, a high heat transfer achieved, and at the same time a mechanical stress of the electronic component, in particular its solder joints, due to component tolerances, is avoided.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstände von Unteransprüchen.These The object is achieved with the subject of claim 1. advantageous versions are objects of dependent claims.

Die erfindungsgemäße Schichtstruktur weist folgenden Aufbau auf:

– eine bauelementseitige erste Kleberschicht aus einem Wärmeleitkleber,
– eine wärmesenkenseitige zweite Kleberschicht aus einem Wärmeleitkleber,
– eine Wärmeleitschicht zwischen erster und zweiter Kleberschicht.

The layer structure according to the invention has the following structure:

A component-side first adhesive layer of a thermal adhesive,
A heat sink side second adhesive layer of a thermal adhesive,
- A heat conducting layer between the first and second adhesive layer.

Die Kleberschichten dienen insbesondere dem Ausgleich der Bauteiltoleranzen. Sie können aufgrund ihrer Elastizität mechanische Belastungen aufnehmen, so dass das elektronische Bauteil weitgehend kräftefrei bleibt.The Adhesive layers serve in particular to compensate for the component tolerances. You can because of their elasticity absorb mechanical stresses, so that the electronic component largely free of forces remains.

Die Fläche des Wärmeleitblechs ist mindestens doppelt so groß ist wie die Grenzfläche zwischen Bauelement und erster Kleberschicht. Aufgrund dieses Aufbaus der Schichtstruktur erfolgt unmittelbar am elektronischen Bauelement der Wärmefluss im Wesentlichen senkrecht zur Hauptwärmeflussrichtung (d. h. der direkten Verbindung zwischen Bauelement und Wärmesenke) in die Fläche des Wärmeleitblechs und wird danach großflächig durch die zweite Kleberschicht hindurch an die Wärmesenke abgeführt. Durch den großflächigen Wärmeübergang ist der thermische Widerstand gering. Als Materialien für die Wärmeleitschicht können vorteilhaft metallische Materialien, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, oder andere Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Keramiken oder Graphit, eingesetzt werden.The area the Wärmeleitblechs is at least twice as big like the interface between the component and the first adhesive layer. Because of this construction the layer structure takes place directly on the electronic component the heat flow substantially perpendicular to the main heat flow direction (i.e. direct connection between the component and the heat sink) in the surface of the Wärmeleitblechs and is then extensively by the second adhesive layer passed through to the heat sink. By the large-scale heat transfer the thermal resistance is low. As materials for the heat conducting layer can advantageous metallic materials, such as. As copper or aluminum, or other materials with good thermal conductivity, e.g. As ceramics or Graphite, are used.

Das Verhältnis der Dicken von Wärmeleitschicht und zweiter Kleberschicht liegt im Bereich kleiner 1 und größer 0,2. Durch diese Dickenverhältnisse von Wärmeleitschicht und zweiter, wärmesenkenseitiger Kleberschicht wird unter Berücksichtigung der vorgegebene Spaltbreite von 0,5 bis 2,5 mm eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitschicht sichergestellt, ohne dass die Fähigkeit der zweiten Kleberschicht zum Toleranzausgleich eingeschränkt wird.The relationship the thicknesses of thermal conduction layer and second adhesive layer is in the range of less than 1 and greater than 0.2. Due to these thickness ratios of thermal conduction layer and second, heat sink side Adhesive layer is under consideration the predetermined gap width of 0.5 to 2.5 mm sufficient thermal conductivity the heat conducting layer ensured without the ability of the second adhesive layer is limited to tolerance compensation.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Dicke der zweiten, wärmesenkenseitigen Kleberschicht größer als die Dicke der ersten, bauelementseitigen Kleberschicht. Die erste Kleberschicht hat dabei vor allem die Funktion, die mechanische Verbindung zwischen elektronischem Bauelement und Wärmeleitblech zu realisieren und ansonsten den Wärmeübergang in das Wärmeleitblech möglichst wenig zu behindern. Die Dicke der ersten Kleberschicht kann deshalb sehr gering sein. Der zweiten Kleberschicht kommt dagegen vor allem die Funktion zu, einen Toleranzausgleich zu ermöglichen. Sie sollte deshalb dicker ausgebildet sein.In an advantageous embodiment the invention is the thickness of the second, heat sink side adhesive layer greater than the thickness of the first, component-side adhesive layer. The first Adhesive layer has mainly the function, the mechanical Connection between electronic component and Wärmeleitblech to realize and otherwise the heat transfer in the Wärmeleitblech possible to hinder little. The thickness of the first adhesive layer can therefore be very low. The second layer of adhesive, on the other hand, comes first and foremost the ability to allow tolerance compensation. It should therefore be thicker.

Die Erfindung erlaubt – verglichen mit einer Ausführung mit ausschließlich klebergefülltem Spalt zwischen Bauelement und Wärmesenke – eine höhere Wärmemenge abzuführen und somit die Temperatur am Bauelement zu senken. Gleichzeitig kann der Toleranzausgleich zwischen elektronischem Bauelement und Wärmesenke aufrechterhalten werden. Es wird insgesamt eine kräftefreie und sehr gut thermisch leitfähige Anbindung von elektronischem Bauelement und Wärmesenke erreicht.The Invention allowed - compared with an execution with exclusively klebergefülltem Gap between component and heat sink - a higher amount of heat dissipate and thus to lower the temperature on the component. At the same time the tolerance compensation between the electronic component and the heat sink be maintained. It is a total of a force-free and very good thermal conductivity Connection of electronic component and heat sink achieved.

Die Erfindung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Fig. näher erläutert.The Invention will be with reference to a specific embodiment with reference closer to a figure explained.

Die Fig. zeigt in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Schichtstruktur zur Anbindung eines Elektronikbauelements 10 an eine Wärmesenke 20. Das Elektronikbauelement 10 kann z. B. als Prozessorkarte mit mehreren Prozessoren ausgebildet sein. Die von diesen Prozessoren erzeugte Wärme muss an die Wärmesenke 20 abgeleitet werden. Das elektronische Bauelement 10 ist an eine Leiterkarte 5 gelötet, z. B. über ein so genanntes BGA (Ball Grid Array).The FIGURE shows a sectional view of a layer structure according to the invention for connecting an electronic component 10 to a heat sink 20 , The electronic component 10 can z. B. be designed as a processor card with multiple processors. The heat generated by these processors must be applied to the heat sink 20 be derived. The electronic component 10 is on a circuit board 5 soldered, z. B. via a so-called BGA (Ball Grid Array).

Bei der Wärmesenke 20 kann es sich z. B. um ein luftgekühltes oder wassergekühltes Metallplatte handeln.At the heat sink 20 can it be z. B. to trade an air-cooled or water-cooled metal plate.

Der aus Gründen der Bauteiltoleranzen notwendige Spalt zwischen Bauelement 10 und Wärmesenke 20, im Beispiel ca. 1,5 mm, wird erfindungsgemäß überbrückt durch die dargestellte Schichtstruktur aus:

– erster Kleberschicht 14 aus einem Wärmeleitkleber, z. B. 0,2 mm dick (z. B. in Folienform), welche unmittelbar an das elektronische Bauelement angrenzt;
– einer zweiten Kleberschicht 16 aus einem Wärmeleitkleber, z. B. 0,8 mm dick, zweikomponentig, der kräftefrei aushärtet und unmittelbar an die Wärmesenke 20 angrenzt. Diese Kleberschicht 16 ist auch im ausgehärteten Zustand elastisch.
– einem Wärmeleitblech 15 zwischen erster 14 und zweiter Kleberschicht 16 mit einer Dicke von ca. 0,5 mm. Als Material für das Wärmeleitblech 15 kann z. B. Aluminium mit einer thermischen Leitfähigkeit von 210 W/(mK) oder Kupfer eingesetzt werden.

The necessary for reasons of component tolerances gap between component 10 and heat sink 20 , in the example about 1.5 mm, is bridged by the illustrated layer structure according to the invention:

- first adhesive layer 14 from a thermal adhesive, z. B. 0.2 mm thick (eg in foil form), which is directly adjacent to the electronic component;
- A second adhesive layer 16 from a thermal adhesive, z. B. 0.8 mm thick, two-component, which hardens without force and directly to the heat sink 20 borders. This adhesive layer 16 is elastic even when cured.
- a Wärmeleitblech 15 between the first 14 and second adhesive layers 16 with a thickness of about 0.5 mm. As material for the Wärmeleitblech 15 can z. As aluminum with a thermal conductivity of 210 W / (mK) or copper can be used.

Der für die Klebeschichten 14,15 eingesetzte Kleber weist z. B. eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 3 W/(mK) auf.The one for the adhesive layers 14 . 15 used adhesive has z. B. a thermal conductivity of at least 3 W / (mK).

Wie man aus der Fig. erkennt, ist die Breite des Wärmeleitblechs 15 und der sie an ihren Flachseiten bedeckenden Kleberschichten 14,16 mehr als doppelt so groß wie die Breite des Elektronikbauelements 10. Die in dieser Schnittzeichnung nicht zu erkennende Tiefe von Kleberschichten 14,16 und Wärmeleitblech 15 ist mindestens so groß wie die Tiefe des elektronischen Bautelements 10, so dass sich insgesamt eine Fläche des Wärmeleitblechs 15 ergibt, die mindestens doppelt so groß ist als die Kontaktfläche des Bauelements 10 mit der ersten Klebeschicht 14 (in angeführten Beispiel entspricht die Kontaktfläche der gesamten Unterseite des elektronischen Bauelements 10).As can be seen from the figure, the width of the Wärmeleitblechs 15 and the adhesive layers covering their flat sides 14 . 16 more than twice the width of the electronic device 10 , The depth of adhesive layers not visible in this sectional drawing 14 . 16 and Wärmeleitblech 15 is at least as large as the depth of the electronic Bautelements 10 , so that a total of one surface of the Wärmeleitblechs 15 which is at least twice as large as the contact surface of the component 10 with the first adhesive layer 14 (In the example given, the contact surface corresponds to the entire underside of the electronic component 10 ).

Die aus dem Bauelement 10 abgeführte Wärme verteilt sich im zwischengeschalteten Wärmeleitblech 15 auf einer größeren Fläche (verglichen mit der Fläche des Bauelements 10). Der Verlauf der der Wärmeströme ist angedeutet.The from the component 10 dissipated heat is distributed in the intermediate heat conduction 15 on a larger area (compared to the area of the device 10 ). The course of the heat flows is indicated.

Durch die Einführung des Wärmeleitblechs 15 ergibt sich – abhängig von der gewählten Blechdicke – eine bis ca. 10% niedrigere Temperatur am Bauelement 10. Der Toleranzausgleich bleibt erhalten.Through the introduction of the Wärmeleitblechs 15 Depending on the selected sheet thickness, this results in an up to approx. 10% lower temperature on the component 10 , The tolerance compensation remains.

Die erfindungsgemäße Struktur weist eine geringe Bauhöhe auf.The inventive structure has a low height on.

Eine kräftefreie Montage der Bauelemente ist gewährleistet, so dass die Lötstellen keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden müssen.A force-free Assembly of the components is ensured so the solder joints need not be subjected to mechanical stress.

Claims

Layer structure for bridging a gap of 0.5 to 2.5 mm between an electronic component ( 10 ) and a heat sink ( 20 ), having the following construction: - a component-side first adhesive layer ( 14 ) of a thermal adhesive - a heat sink side second adhesive layer ( 16 ) of a thermally conductive adhesive, - a heat conducting layer ( 15 ) between and in areal contact with first and second adhesive layers, wherein the ratio of the thicknesses of thermal interface ( 15 ) and second adhesive layer ( 16 ) is in the range of less than 1 and greater than 0.2, and the surface of the heat conducting layer ( 15 ) is at least twice as large as the interface between the component ( 10 ) and first adhesive layer ( 14 ).

Layer structure according to claim 1, characterized in that the material of the heat conducting layer ( 15 ) is a metal, a ceramic or graphite.

Layer structure according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the second, heat sink side adhesive layer ( 16 ) is greater than the thickness of the first, component-side adhesive layer ( 14 ).