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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeverteiler zum Abführen von Wärme, die durch mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement erzeugt wird. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit Wärmeverteilern, die durch ein auf der Grundplatte montiertes Wärmeübertragungselement eine verbesserte Wärmekopplung zwischen einem Chip und einem Kühlkörper bieten, wobei das Wärmeübertragungselement eine Oberfläche aufweist, die so bemessen ist, dass sie sich zumindest über die gesamte Oberfläche des mindestens einen Leistungshalbleiterbauelements erstreckt.
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Leistungshalbleiter können beispielsweise auf Leiterplatten montiert werden, auf denen zusätzlich weitere Bauteile angebracht sind, die je nach Funktionalität der Leiterplatten variieren. Aufgrund der hohen Leistungsdichten, die heutzutage insbesondere im Zusammenhang mit Embedded-Computern auftreten, sind optimierte Kühllösungen erforderlich, um eine Zerstörung der Bauteile durch Überhitzung zu verhindern. Leiterplatten mit den Halbleiterbauelementen unterliegen dabei bestimmten Toleranzen, die bei der Montage der Kühlvorrichtung ausgeglichen werden sollten. Ein solcher Ausgleich von Toleranzen ist besonders bei Halbleiterbaugruppen wichtig, die in sogenannte Basisplatinen eingebaut werden. Solche Baugruppen werden üblicherweise „Computer an modules”, COM-Lösungen genannt.
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Neben der oben beschriebenen Anwendung ist die vorliegende Erfindung aber selbstverständlich auch für die Wärmeabfuhr bei beliebigen anderen elektronischen Komponenten, für die Kühlung von Halbleiterschaltern in Gleich- und Wechselrichtern, sogenannten Power-Modules, wie auch allen beliebigen anderen Einsatzgebieten, in denen überschüssige Wärme abgeführt werden soll, verwendbar.
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COM-Lösungen sind hochintegrierte CPU-Module, die zwar keine selbstständig lauffähigen Computer darstellen, jedoch die wichtigsten Funktionselemente eines Computers enthalten. Erst durch den Einbau der Module in eine Basisplatine erhalten sie ihre Funktionalität, wie beispielsweise als Messgerät, Steuercomputer oder für eine andere Applikation. Die Systemerweiterung und -anpassung wird ausschließlich über die Basisplatine ermöglicht, wodurch eine teilweise kundenspezifische integrierte Lösung entsteht. Die Basisplatine enthält alle erforderlichen Anschlüsse, um das System an Peripheriegeräte wie Festplatten, Maus oder Bildschirm anzuschließen. Ein COM-Modul enthält beispielsweise den Prozessor, einen Prozessorbus sowie einen oder mehrere Speicher (RAM) und kann je nach Hersteller auch eine gewisse Anzahl von Standardperipheriefunktionen übernehmen. COM-Module können als Steckkarten in eine Basisplatine eingebaut werden oder flächig über entsprechende Verbinder mit der Basisplatine verbunden werden.
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COM-Module haben üblicherweise ein spezifiziertes Interface zur Anbindung an geeignete Kühllösungen. Dieses Interface wird nachfolgend Wärmeverteiler (englisch: heat spreader) genannt, wobei auch andere Bezeichnungen geläufig sind, wie Wärmespreizplatte, Hitzeverteiler oder auch Kühlkörper. Der Wärmeverteiler wird dazu verwendet, im COM-Modul eine Wärmeabfuhr von den aktiven Hitze erzeugenden Bauteilen wie CPU oder Chip zu ermöglichen und die Wärme an eine weitere Kühllösung, wie einen Kühlkörper oder eine Gehäusewandung, weiterzuleiten.
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Eine große Stärke von COM-Modulen ist deren freie Austauschbarkeit. Die thermische Anbindung des Moduls an eine weitere Kühllösung erfolgt somit immer über die Wärmeverteileroberfläche an der gleichen geometrischen Position. Um eine Austauschbarkeit innerhalb der Systemumgebung ohne mechanische Anpassungen zu gewährleisten, sind COM-Module daher in ihren Abmessungen, wie Höhe, Breite und Länge, genau spezifiziert.
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Toleranzen der Bauteile und Soll-Abweichungen während des Montageprozesses, beispielsweise durch den Lötprozess, erschweren die positionsgenaue Anbindung der Basisplatine zum Wärmeverteiler. Bei ungünstigen Toleranzen entstehen unerwünschte mechanische Belastungen an dem Schaltungsträger, beispielsweise einer Leiterplatte, und dem Wärmeverteiler, was im schlimmsten Fall zu einer Durchbiegung oder zu einer Krümmung der Leiterplatte führen kann.
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Daher ist bekannt, dass der Wärmeverteiler zumindest teilweise mit einem flexiblen Wärmekopplungselement ausgestattet ist, das flexibel mit Bezug auf eine Grundplatte des Wärmeverteilers angeordnet ist, um Toleranzen in den Abmessungen des Leistungshalbleiterbauelements aufzufangen.
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4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Halbleitereinheit
10 mit einem Wärmeverteilter
3, wie sie beispielsweise aus der
EP 1791177 A1 bekannt ist. Die Halbleitereinheit der
4 wird üblicherweise in eine Basisplatine eingebaut, um eine anwendungsspezifische integrierte Lösung zu erzielen.
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Ein Chip 2 mit einer aktiven und einer rückseitigen Fläche stellt hier den ausführenden Teil des CPU-Moduls dar, wobei die aktive Fläche des Chips 2 einen Prozessorkern 6 umfasst. Die rückseitige Fläche des Chips 2 ist auf einer Leiterplatte 1 montiert. Es können beispielsweise Lötkügelchen 7 verwendet werden, um den Chip elektrisch und fest mit der Leiterplatte zu verbinden. Der Chip 2 kann beispielsweise als oberflächenmontiertes (surface mounted device) Bauteil ausgeführt sein. Die „surface mount technology” SMT wird heute üblicherweise verwendet, da sie gegenüber früheren Verfahren zahlreiche Vorteile bietet. Das dabei verwendete Wiederaufschmelzlöten ist ein Weichlötverfahren, bei dem die Bauteile durch Weichlot und Lötpaste direkt auf einer Leiterplatte montiert werden. Allerdings sind darüber hinaus alle dem Fachmann geläufigen Techniken zur Montage eines Chips auf einer Leiterplatte möglich.
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Während des Betriebs des COM-Moduls entsteht rund um dem Chip 2 und dem Prozessorkern 6 Hitze. Die entstandene Hitze muss von dem Chip 2 abgeführt werden, um eventuelle Hitzeschäden an der Leiterplatte 1 und dem Chip 2 zu vermeiden. Ein Wärmeverteiler 3 ist über dem Chip 2 montiert und führt zum einen die Wärme vom Chip 2 ab und schützt zum anderen den Chip 2 vor möglichen Beschädigungen. Der Wärmeverteiler 3 ist mit der Leiterplatte lösbar verbunden.
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Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 3 durch entsprechende Befestigungsvorrichtungen mit Schrauben (nicht gezeigt) an die Leiterplatte montiert werden. Allerdings sind alle dem Fachmann geläufigen Montagemöglichkeiten, die eine lösbare Befestigung erlauben, ebenfalls denkbar. Darunter fallen beispielsweise auch Nieten-, Klammer- oder Klebebefestigungen (ebenfalls nicht gezeigt). Eine solche lösbare Montage hat den Vorteil, dass der Wärmeverteiler 3 ausgetauscht werden kann. Weiterhin kann für Reparaturarbeiten am Chip 2 der Wärmeverteiler 3 demontiert werden, wodurch der Chip 2 leichter erreichbar ist.
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Um den Chip 2 thermisch an den Wärmeverteiler 3 anzubinden, wird eine thermisch leitfähige Wärmekopplungsanordnung 4 verwendet. Diese ist in 4 zwischen der aktiven Fläche des Chips 2 und dem Wärmeverteiler 3 angeordnet, so dass eine direkte thermische Verbindung des wärmeerzeugenden Chips 2 mit dem Wärmeverteiler 3 hergestellt wird.
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Die Halbleitereinheit wird als standardisierte Einheit in eine Basisplatine eingebaut und üblicherweise mit weiteren Kühllösungen des Systems verbunden. Eine solche Kühllösung ist in 4 beispielhaft als eine Vielzahl von Kühlrippen 8 veranschaulicht. Andere Kühllösungen sind aber ebenfalls möglich. Dabei können alle dem Fachmann geläufigen Kühlkörper und Kühlprozesse Anwendung finden, wie beispielsweise eine Lüfter- oder Wasserkühlung. Darüber hinaus ist auch eine Wärmeabfuhr mittels zusätzlicher Heatpipes denkbar. Auch die Größe der Kontaktfläche zum Wärmeverteiler 3 kann in einer geeigneten Weise je nach Systemumgebung gewählt werden. Vorzugsweise liegt der Kühlkörper 8 an den vom Chip 2 abgewandten Seiten des Wärmeverteilers 3 an. Für die Funktion der vorliegenden Erfindung ist die verwendete Systemkühllösung 8 ohne große Bedeutung.
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Eine standardisierte Anbindung an das System (Kühllösung, Basisplatine) erfordert genau spezifizierte Abmessungen der Halbleitereinheit. Bauteile werden zwar möglichst maßgenau gebaut, sind aber trotzdem gewissen Toleranzschwankungen unterworfen. Üblicherweise bewegen sich diese Toleranzen im Bereich von ± 0.2 mm. Darüber hinaus entstehen beispielsweise bei der Montage des Chips 2 auf der Leiterplatte 1 durch den Lötprozess Toleranzen. Diese Bau- und Montagetoleranzen erschweren zum einen die Anbindung an die Basisplatine, aber zum anderen auch die Montage der Halbleitereinheit.
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Bei ungünstigen Toleranzkombinationen der Bauteile kann es zu mechanischen Belastungen kommen, die zu einer Durchbiegung der Leiterplatte 1 führen. Beispielsweise können große mechanische Belastungen bei großen positiven Toleranzen des Lötprozesses und/oder der Bauteile und bei einer nicht erfindungsgemäßen Wärmeanbindung an den Wärmeverteiler 3 auftreten. Bei der Anbindung an die Kühllösung 8 des Systems, hier beispielhaft eine Kühlrippe an derselben mechanischen Position, wird eine mechanische Kraft über den Wärmeverteiler 3 und die nicht erfindungsgemäße Wärmeanbindung auf den Chip 2 und damit auf die Leiterplatte 1 ausgeübt. Durch die mechanische Belastung wird die Leiterplatte 1 durchbogen, wobei dies durchaus zu Schäden führen kann.
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Falls eine große negative Toleranz des Lötprozesses auftritt, so wird zwar keine mechanische Kraft auf die Leiterplatte ausgeübt, allerdings ist eine optimale Wärmeanbindung des Chips an die Systemkühllösung nicht gewährleistet. Es können Lücken zwischen der nicht erfindungsgemäßen Wärmeanbindung und dem Wärmeverteiler auftreten, welche die Wärmeabfuhr verschlechtern.
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Die Wärmekopplungsanordnung 4 besteht aus einem mehrschichtigen wärmeleitenden Block 4 und aus einer elastischen Schicht 5. Diese elastische Schicht 5 ermöglicht einen Toleranzausgleich. Die mechanischen Belastungen, die, wie oben erläutert, bei ungünstigen Toleranzen der Bauteile und des Lötprozesses auftreten können, werden von der elastischen Schicht 5 kompensiert. Die mechanische Kraft sorgt für eine Kompression der elastischen Schicht. Daher erfolgt keine Übertragung der Kraft auf die Leiterplatte 1 und somit auch keine Durchbiegung der Leiterplatte 1.
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Da die elastische Schicht 5 komprimierbar ist, kann diese so ausgeführt sein, dass sie stets etwas dicker als nötig ist. Dadurch erfolgt immer eine lückenlose und damit uneingeschränkte Wärmeanbindung an den Wärmeverteiler 3, auch wenn, wie oben erläutert, negative Toleranzen auftreten. In diesem Fall würde die elastische Schicht 5 weniger komprimiert werden als bei positiven Toleranzen des Lötprozesses und der Bauteile.
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Die elastische Schicht 5 sollte eine möglichst große Fläche im Verhältnis zum Wärmeverteiler 3 aufweisen und möglichst dünn sein, da die elastische Schicht 5 normalerweise eine schlechtere thermische Leitfähigkeit aufweist. Allerdings ist die Schicht bei abnehmender Dicke weniger elastisch und flexibel, wodurch eine größere Kraft nötig wäre, um Toleranzen auszugleichen. Deswegen muss ein Kompromiss zwischen thermischer Leitfähigkeit und Flexibilität gefunden werden.
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Die elastische Schicht 5 kann dabei aus verschiedenen Materialien bestehen, solange diese gute Wärmeleiteigenschaften haben und ausreichend elastisch sind. Beispielhaft seien hier graphitgefüllte Silikone erwähnt. Jedoch können andere, dem Fachmann geläufige Materialien verwendet werden, die elastisch sind.
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Zur besseren thermischen Anbindung der Wärmekopplungsanordnung 4 kann diese über eine dünne Schicht Wärmeleitpaste (nicht gezeigt), die einen geringen thermischen Übergangswiderstand besitzt, mit dem Chip 2 verbunden werden.
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Weiterhin ist bekannt, dass eine Schicht 9 des wärmeleitenden Blockes 4 aus Kupfer oder ähnlich gut wärmeleitendem Material besteht. Die Menge an thermischer Energie, welche die Kupferschicht aufnehmen kann, hängt von ihrem Volumen ab. Die Kupferschicht 9 liegt entweder direkt oder über eine dünne Schicht Wärmeleitpaste am Chip 2, beziehungsweise am Prozessorkern 6 an, und nimmt dessen Hitze auf und gibt diese an weitere Schichten des wärmeleitenden Blockes 4 ab, in 4 an die elastische Schicht 5. Diese wiederum gibt die Hitze an den Wärmeverteiler 3 weiter, der mit einer weiteren Kühltechnik 8 des Systems gekühlt wird.
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Allerdings haben die Anordnungen, die in der
EP 1791177 A1 beschrieben sind, den Nachteil, dass nicht genug Wärme von dem Halbleiterbauelement abgeführt werden kann, um besonders hohe Wärmespitzen aufzufangen. Darüber hinaus ist für moderne Halbleiter
2 die abführbare Wärmemenge pro Zeiteinheit oftmals nicht mehr ausreichend.
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Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine verbesserte Wärmeableitung von einem wärmeerzeugenden Leistungshalbleiterbauelement, wie einer CPU oder einem Chipsatz, zum Wärmeverteiler zu ermöglichen, wobei der Wärmeverteiler kostengünstig herstellbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Wärmeverteiler mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Wärmeverteiler zum Abführen von Wärme, die durch mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement generiert wird, eine Grundplatte, die geeignet ist, mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement thermisch verbunden zu werden, und ein Wärmeübertragungselement, das an der Grundplatte montiert ist und dazu geeignet ist, erzeugte Wärme abzuführen, wobei eine Oberfläche des Wärmeübertragungselementes so bemessen ist, dass sie sich über mindestens die gesamte Oberfläche des mindestens einen Leistungshalbleiterbauelements erstreckt. Somit kann die von dem Leistungshalbleiterbauelement generierte Wärme wirksam zu dem Wärmeübertragungselement übertragen und von dem in der Umgebung des Leistungshalbleiterbauelements sich befindenden Heißpunkt (hot spot) abgeführt werden.
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In vorteilhafter Weise kann das Wärmeübertragungselement eine Vielzahl von Flachwärmerohren umfassen, die zueinander parallel angeordnet sind, um mindestens die Hälfte einer Oberfläche der Grundplatte abzudecken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Wärmeverteiler mindestens ein Wärmekopplungselement umfassen, das mit dem mindestens einen Leistungshalbleiterbauelement durch eine erste Oberfläche und mit dem Wärmeübertragungselement durch eine zweite, der ersten Oderfläche gegenüberliegenden Oberfläche wärmeleitend verbunden ist.
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Durch das Vorsehen eines zusätzlichen Wärmekopplungselements, das mit dem Leistungshalbleiterbauelement einerseits und mit dem Wärmeübertragungselement andererseits wärmeleitend verbindbar ist, lässt sich eine Übertragung zwischen den unterschiedlichen Flächen des Halbleiterbauelements und des Wärmeübertragungselements realisieren. Gleichzeitig kann das Wärmekopplungselement auch als Puffer dienen, um Temperaturspitzen abzufangen.
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Um eine optimale Wärmeübertragung einerseits und eine minimale mechanische Belastung der Chips andererseits zu erreichen, wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Anpressdruck des Wärmekopplungselements auf das Wärmeübertragungselement und/oder auf das Leistungshalbleiterbauelement durch eine elastische Schicht definiert eingestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das mindestens eine Wärmekopplungselement eine elastische Schicht, wobei das Wärmekopplungselement so an dem Wärmeübertragungselement montiert ist, dass die elastische Schicht das Wärmeübertragungselement berührt. Die elastische Schicht stützt das Wärmekopplungselement federnd mit Bezug auf die Grundplatte.
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Der Wärmeverteiler kann weiterhin einen Halterahmen umfassen, der geeignet ist so an der Grundplatte montiert zu werden, um das Wärmeübertragungselement teilweise abzudecken.
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In vorteilhafter Weise kann der Halterahmen mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei das mindestens eine Wärmekopplungselement so an dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist, um mit dem Wärmeübertragungselement thermisch verbunden zu sein und um sich durch die mindestens eine Öffnung zu erstrecken. Bei einem Anpressdruck des Wärmekopplungselements auf das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement verhindert der Halterahmen seitliche Bewegungen des Wärmeübertragungselements mit Bezug auf die Grundplatte.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Wärmeübertragungselement einen abgeflachten Querschnitt aufweisen.
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In dem Wärmeverteiler gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Grundplatte eine Ausnehmung aufweisen, die geeignet ist das Wärmeübertragungselement aufzunehmen, wobei der Querschnitt des Wärmeübertragungselementes so bemessen ist, dass das Wärmeübertragungselement eine Dicke kleiner oder gleich einer Dicke der Grundplatte aufweist.
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Alternativ kann der Wärmeverteiler weiterhin einen Schutzrahmen umfassen, der an der Grundplatte montierbar ist, um das Wärmeübertragungselement zu umranden, wobei der Querschnitt des Wärmeübertragungselementes so bemessen ist, dass das Wärmeübertragungselement eine Dicke kleiner oder gleich einer Dicke der Grundplatte aufweist.
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In dem Wärmeverteiler gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Wärmeübertragungselement aus einem Metall, vorzugsweise Kupfer, gefertigt, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten.
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In dem Wärmeverteiler gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Grundplatte, das Wärmeübertragungselement und/oder das Wärmekopplungselement mit einer Oberflächenbeschichtung, vorzugsweise einer Nickelschicht, versehen. Somit wird die Lötbarkeit der einzelnen Komponenten ermöglicht.
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In dem Wärmeverteiler gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine wärmeleitende Zwischenschicht zum Ankoppeln des mindestens einen Leistungshalbleiterbauelements an den Wärmeverteiler vorgesehen sein. Somit ist eine nochmals verbesserte Wärmekopplung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Wärmeverteiler gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Zwischenschicht ein Latentwärmespeichermaterial umfassen. Dazu oder alternativ kann die Zwischenschicht mechanisch an dem Wärmekopplungselement gesichert sein.
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Diese Zwischenschicht kann weiterhin ein Latentwärmespeichermaterial umfassen. Unter Latentwärmespeicherung versteht man allgemein die Speicherung von Wärme in einem Material, welches einen Phasenübergang, vorwiegend fest/flüssig, erfährt (phase change material, PCM).
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Neben dem Phasenübergang fest/flüssig können prinzipiell auch fest/fest Phasenübergänge eingesetzt werden. Diese zeigen in der Regel jedoch weit geringere Wärmespeicherdichten. Bei der Einspeicherung von Wärme in das Speichermaterial beginnt das Material bei Erreichen der Temperatur des Phasenübergangs zu schmelzen und erhöht dann trotz weiterer Einspeicherung von Wärme seine Temperatur nicht mehr, bis das Material komplett geschmolzen ist. Erst dann tritt wieder eine Erhöhung der Temperatur auf. Da für längere Zeit keine Temperaturerhöhung auftritt, bezeichnet man die während des Phasenübergangs eingespeicherte Wärme als versteckte Wärme oder latente Wärme. Dieser Effekt ermöglicht es, Temperaturschwankungen zu glätten und Temperaturspitzen, die den Halbleiter schädigen könnten, zu verhindern. Das Latentwärmespeichermaterial wird je nach Temperaturbereich gewählt. Meist kommen verschiedene Salze und deren eutektische Mischungen zum Einsatz.
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Die Grundplatte ist vorteilhaft so ausgebaut, dass sie mit einem zusätzlichen Kühlkörper oder mit einem Gehäuse verbindbar ist.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale und Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
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1 eine perspektivische explodierte Darstellung eines Wärmeverteilers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht des Wärmeverteilers der 1;
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3 eine Draufsicht und eine Untersicht des Wärmeverteilers der 1;
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4 eine schematische Schnittdarstellung einer Halbleitereinheit.
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1 ist eine perspektivische explodierte Darstellung, die einen Wärmeverteiler 3 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der in der Halbleitereinheit 10 aus 4 vorteilhaft zum Kühlen der Leistungshalbleiterbauelemente 2 eingesetzt werden kann. Der Wärmeverteiler 3 umfasst dabei eine Grundplatte 11, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt sein kann. Damit an der Oberfläche der Grundplatte 11 keine störende Oxidschicht vorhanden ist, die ein Verlöten z. B. mit weiteren Schaltungskomponenten oder einem Kühlkörper verhindern würde, kann die Oberfläche der Grundplatte 11 vernickelt sein. Für einen Fachmann ist aber klar, dass die Wärmeverteilergrundplatte 11 aus allen weiteren für einen Fachmann üblichen Materialien, wie beispielsweise auch einer hochwärmeleitfähigen Keramik, hergestellt sein kann.
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Die Grundplatte 11 ist durch Abstandshalter 21 mit einer Leiterplatte verbindbar. Solche Abstandshalter 21 können beispielweise als Eindrückbolzen mit Innengewinde geformt sein.
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Ein Wärmeübertragungselement 13 ist an einer den Leistungshalbleiterbauelementen gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 11 montiert. Das Wärmeübertragungselement 13 kann aus einem Material gefertigt werden, wie beispielweise vernickeltem Kupfer, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und kann an der Grundplatte durch Klebeverbindung befestigt werden. In der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Wärmeübertragungselement 13 einen abgeflachten Querschnitt auf und besteht aus einer Vielzahl von parallel verlaufenden Wärmeröhren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Wärmerohre als Einzelhauptkörper gefertigt, um ein Flachrohrkühlelement auszubilden. Das Flachrohrkühlelement 13 wird mit Bezug auf 2 näher beschrieben.
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Das Flachrohrkühlelement oder Wärmeübertragungselement 13 kann auf die Grundplatte 11 gelötet werden und hat eine flache Oberfläche, die sich erstreckt um einen wesentlichen Teil der Grundplatte 11 abzudecken, damit die gesamte Oberfläche der darauf montierten Leistungshalbleiterbauelemente mit dem Wärmeübertragungselement thermisch verbunden ist, wenn die Wärmeverteileranordnung mit einer Leiterplatte verbunden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Anordnung ist eine Fläche einer der Grundplatte 11 gegenüberliegenden entsprechenden Seite des Flachrohrkühlelements 13 so bemessen, dass sie mindestens die Hälfte der Oberfläche einer den Leistungshalbleiterbauelementen gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 11 abdeckt. In vorteilhafter Weise kann das Flachrohrkühlelement bis zu 80% oder mehr der Fläche der Grundplatte 11 abdecken. Gemäß dieser Anordnung ist das Wärmeübertragungselement 13 in thermischem Kontakt mit einem wesentlichen Teil der Grundplatte, auf welche Wärme übertragen werden kann. Demgemäß kann die von den Leistungshalbleiterbauelementen 2 erzeugte Wärme effektiv und schnell durch das Flachrohrkühlelement 13 von den Hitzepunkten über die Leistungshalbleiterbauelemente 2 abgeführt werden.
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Die Wärmeverteileranordnung 3 gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst weiterhin einen Schutzrahmen 12 für das Wärmeübertragungselement 13. Der Schutzrahmen 12 ist an der Grundplatte 11 mechanisch durch Fixiermittel, wie beispielweise Montageschrauben 16, montiert. Der Schutzrahmen ist so montiert, um das Flachrohr 13 zu umranden, und hat eine Dicke, die größer ist oder gleich der Dicke des Flachrohres 13. Das Flachrohr 13 hat einen abgeflachten Querschnitt und ist innerhalb des Schutzrahmens so angeordnet, dass es aus dem Schutzrahmen 12 nicht herausragt.
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In einer alternativen Ausführungsform, die in den Figuren nicht gezeigt ist, kann die Grundplatte 11 eine Ausnehmung aufweisen, die beispielsweise durch einen Fräsvorgang hergestellt wird, damit das Wärmeübertragungselement 13 darin aufgestellt werden kann. Ähnlich zu der oben beschriebenen Ausführungsform kann der Querschnitt des Flachrohres 13 eine Dicke kleiner oder gleich der Dicke der Grindplatte 11 aufweisen, damit das Flachrohr fast vollständig in der Ausnehmung aufgestellt werden kann. Die Dicke des Flachrohres kann in vorteilhafter Weise so ausgebildet sein, dass das Flachrohr aus der Ausnehmung nicht herausragt.
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Um weiterhin den thermischen Kontakt zu den Chips (in den 1 und 2 nicht dargestellt) zu erhöhen, ist der Wärmeverteiler 3 gemäß der vorliegenden Erfindung mit Wärmekopplungselementen 4 ausgestattet. Diese sind jedoch optional.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Wärmekopplungselemente aus Kupfer hergestellt und mit einer Nickelschicht überzogen. Weitere Materialien, z. B. Aluminium oder Magnesium sowie Mehrschichtaufbauten, sind natürlich ebenfalls einsetzbar.
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Die in 1 dargestellte Wärmeverteileranordnung 3 ist mit zwei Wärmekopplungselementen 4 ausgestattet. Die Anzahl der Wärmekopplungselemente 4 ist natürlich nicht fest und kann basierend auf dem Anwendungsbereich der Wärmeverteileranordnung 3 variiert werden. Dabei könnte ein erstes großflächiges Wärmekopplungselement zur thermischen Kopplung mit einer CPU geeignet sein. Das weitere Wärmekopplungselement, das eine etwas geringere Grundfläche aufweist, könnte zur Wärmeabfuhr von einem Schnittstellensteuerungs-Hub (Interface Controller Hub) und von einem Grafiksteuerungs-Hub (Graphic Controller Hub) ausgelegt sein. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Prinzipien auch für beliebige andere wärmeerzeugenden Komponente verwendet werden.
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Jedes der Wärmekopplungselemente
4 ist durch einen Dreischicht-Aufbau gebildet. Ein Kern
9 ist mit dem Wärmeübertragungselement
13 thermisch über eine elastische Schicht
5 gekoppelt. Der Kern kann aus Kupfer oder aus jedem anderen wärmeleitenden geeigneten Material gefertigt sein. Die elastische Schicht kann beispielsweise eine thermisch leitfähige Zwischenschicht gemäß dem
US-Patent 5,679,457 der Firma „The Bergquist Company” sein.
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Die elastische Schicht 5 sorgt für den Toleranzausgleich über ihre Deformierbarkeit. Der Kupferkern ermöglicht eine Zwischenspeicherung und rasche Ableitung von erzeugter Wärme und ist mit dem Leistungshalbleiterbauelement über eine zusätzliche Latentwärmespeicherzwischenschicht 15 koppelbar. Erfindungsgemäß sind die Wärmekopplungselemente 4 an der Grundplatte 11 durch Verklebung fixiert.
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Weiterhin umfasst das Wärmekopplungselement
4 eine Zwischenschicht, die vorzugsweise aus einem Latentwärmespeichermaterial
15 gebildet ist und mit dem Chip in Anlage kommt. Dieses Latentwärmespeicherelement
15 dient als zusätzlicher Wärmepuffer zum Abdämpfen von Temperaturspitzen und kann beispielsweise mittels einer Klebung und/oder einer weiteren mechanischen Fixierung auf dem Wärmekopplungselement
4 gesichert werden. Derartige Latentwärmespeichermaterialien, wie sie im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise in der
US-Patentschrift 6,197,859 B1 beschrieben. Auch wenn die in
1 beschriebene Ausführungsform lediglich zwei die Zwischenschicht
15 umfassende Wärmekopplungselemente
4 zeigt, würde ein Fachmann erkennen, dass dieses kein wesentliches Element ist und dass andere Wärmekopplungselemente
4 im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden können.
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Aufgrund des geschichteten Aufbaus wird das Wärmekopplungselement 4 auch als „Thermal Stack” bezeichnet. Bei der Fertigung werden zunächst die Thermal Stacks wie in 1 dargestellt zusammengefügt, anschließend unter Führung eines Halterahmens 14, der zusätzlich als Zentriermittel dient, positioniert und über die Verklebung mit der elastischen Schicht 5 an dem Wärmeübertragungselement 13 befestigt. Das Befestigen der Wärmekopplungselemente lediglich durch Verklebung könnte den Nachteil aufweisen, dass bei Wärmebelastung oder Belastung durch Vibrationen die Wärmeübertragungselemente 13 aus der gewünschten Position innerhalb einer durch eine Grundplatte des Wärmeverteilers definierten Ebene verrutschen könnten. Im schlimmsten Fall ist dann kein ausreichender Kontakt zu dem Chip 2 mehr gegeben und der Chip kann durch Überhitzung beschädigt werden. Der Halterahmen ist gemäß der vorliegenden Erfindung mechanisch an der Grundplatte, beispielweise mittels Befestigungsmitteln wie Bolzen oder ähnliches, befestigt, und hat weiterhin die Funktion die Kopplungselemente 4 so zu befestigen, dass diese sich bei mechanischen Belastungen nicht seitwärts entlang einer an der Ebene der Grundplatte parallel verlaufenden Richtung bewegen können.
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2 stellt eine Schnittansicht der Wärmeverteileranordnung 3 dar. Aus der Vergrößerung der Schnittansicht der Wärmeverteileranordnung 3 kann ein Querschnitt des in der Wärmeverteileranordnung 3 der vorliegenden Erfindung verwendeten Wärmeübertragungselements (Flachrohrkühlelements) 13 erkannt werden. Das Flachrohrkühlelement ist ein geschlossener Raum bestehend aus einer Vielzahl paralleler Flachröhren, die teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Das Wandmaterial und die Art der Flüssigkeit hängen im Wesentlichen von dem Temperaturbereich ab, in welchem die Flachröhren arbeiten sollen. Bei Wärmezufuhr an einer Stelle des Wärmerohrs (der Heizzone) verdampft die Flüssigkeit und der Dampf verteilt sich über den gesamten Innenraum. An einer Wärmesenke (der Kondensationszone) kondensiert der Dampf und gibt dabei Wärme ab. Die Arbeitsflüssigkeit muss zur Heizzone zurück transportiert werden. Dies kann mit Hilfe der Schwerkraft geschehen, wenn man das Wärmerohr so anordnet, dass die Heizzone unten und die Wärmesenke weiter oben ist. Der Rücktransport der Flüssigkeit kann jedoch auch durch Kapillarkräfte erfolgen, wozu die Innenwand mit Rillen, Netzen oder einer porösen Schicht versehen wird. Das Wärmerohr zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärme von einer Wärmequelle, also dem wärmeerzeugenden Halbleiterbauelement hin zu einer weiter entfernten und/oder größerflächigen Wärmesenke bei nur geringem Temperaturabfall transportiert werden kann. Die das Wärmerohr bildende Vielzahl von Kammern muss nicht zylindrisch sein sondern kann einen nahezu beliebigen Querschnitt aufweisen.
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Das Wärmekopplungselement 4 ist durch die elastische Schicht 5 an dem Wärmeübertragungselement montiert. Die in dem Wärmekopplungselement enthaltene und zur thermischen Kopplung mit der CPU geeignete elastische Schicht 5 kann zweckmäßigerweise eine unkomprimierte Dicke von 1 mm und kann bei mechanischer Belastung bis zu einer Dicke von 0.7 mm komprimiert werden. Dies ist nur ein Beispiel und die elastische Schicht kann natürlich jede beliebige Dicke haben, die eine wirksame Wärmeübertragung gewährleistet und gute elastische Eigenschaften aufweist. Andere Leistungshalbleiterbauelemente als die CPU, wie z. B. Schnittstellensteuerungs-Hubs und Grafiksteuerungs-Hubs, erzeugen eine geringere Wärme im Vergleich zur CPU. Somit kann die Dicke einer in dem Wärmekopplungselement enthaltenen und zur thermischen Kopplung mit einem Schnittstellensteuerungs-Hub oder einem Grafiksteuerungs-Hub geeigneten elastischen Schicht 5, 2 mm betragen und bei mechanischer Belastung bis zu 1.6 mm komprimiert werden.
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3 stellt eine Draufsicht (a) und eine Untersicht (b) der Wärmeverteileranordnung 3 gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
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3(a) zeigt eine Oberfläche 22 der Grundplatte 11, die einer Leiterplatte (PCB) und den Leistungshalbleiterbauelementen abgewandt ist, wenn die Wärmeverteileranordnung an der Leiterplatte montiert ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche 22 so ausgestaltet, dass eine Wärmesenke oder auch ein Gehäuse in direktem wärmeableitendem Kontakt mit dem Wärmeverteiler 3 gebracht werden kann. Alternativ kann aber auf der Oberfläche 22 auch eine strukturierte Geometrie, beispielsweise eine Kühlrippenoberfläche zur besseren Luftkühlung angebracht sein. Die jeweilige Ausgestaltung liegt im Belieben des Fachmanns und hängt von der gewünschten Applikationsumgebung ab.
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3(b) zeigt eine Seite der Wärmeverteileranordnung 3, welche in einem montierten Zustand des Wärmeverteilers an einer Leiterplatte der Leiterplatte und den daran montierten Leistungshalbleiterbauelementen zugewandt ist. Aus dieser Figur kann erkannt werden, wie der Schutzrahmen 12 durch Befestigungsmittel, wie beispielweise Montageschrauben 16 oder ähnlichen Mittel, direkt an der Grundplatte 11 montiert ist. In dem montierten Zustand umrandet der Schutzrahmen das Wärmeübertragungselement 13 so, dass das Wärmeübertragungselement aus dem Schutzrahmen nicht herausragt. Der Halterahmen 14 ist an der den Schutzrahmen und das Wärmeübertragungselement umfassenden Anordnung aufgestellt und ist an dem Schutzrahmen 12 und an der Grundplatte 11 durch Befestigungsmittel befestigt. In der in 3 gezeigten Ausführungsform weist der Halterahmen zwei Öffnungen auf, die geeignet sind jeweilige Wärmekopplungselemente 4 zu umranden. Die Wärmekopplungselemente 4 sind an dem Wärmeübertragungselement 13 so montiert, um innerhalb den jeweiligen Öffnungen des Halterahmens 14 angeordnet zu sein. Da die Wärmekopplungselemente in jeweiligen Öffnungen des Halterahmens 14 angeordnet sind, kann eine seitliche Verschiebung entlang einer zu der den Leistungshalbleiterbauelementen zugewandten Oberfläche der Grundplatte parallelen Linie verhindert werden. In der Ausführungsform der 3 ist das Wärmeübertragungselement 13 nur teilweise von dem Halterahmen 14 abgedeckt. Der Teilbereich des Wärmeübertragungselements, der von dem Halterahmen nicht abgedeckt ist, definiert eine Kondensationszone. Der Dampf, der in der Heizzone oberhalb der Leistungshalbleiterbauelemente erzeugt wird, wird an der Kondensationszone kondensieren und dabei Wärme abgeben. Die Arbeitsflüssigkeit wird zur Heizzone gemäß einer der oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Methoden zurück transportiert.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Computerprozessor-Wärmeübertragungselementes, beispielweise des Flachrohrkühlelements, kann eine optimale Wärmeabfuhr erzielt werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Heatspreader-Platte erstreckt sich bei dieser Lösung das abgeflachte Rohr so, dass es im thermischen Kontakt mit einem wesentlichen Teil der Grundplatte ist und dadurch die Hitze effektiv und schnell aus dem Chip zur Heatspreader-Platte übertragen wird. Damit erhöht sich in vorteilhafter Weise die Wärmeabfuhr aus der Prozessorumgebung des Wärmeverteilers und verteilt sie auf der gesamte Oberfläche des Wärmeverteilers. Des Weiteren sorgt das die elastische Schicht umfassende Wärmekopplungselement für einen optimalen Anpressdruck der Kühllösung auf den Prozessorchip. Der Halterahmen unterstützt die Wärmekopplungselemente und verhindert somit eine seitliche Verschiebung der Wärmekopplungselemente, wenn diese unter mechanischer Belastung stehen, beispielweise bei Pressen der Leistungshalbleiterbauelemente gegen die Wärmekopplungselemente.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1791177 A1 [0009, 0024]
- US 5679457 [0061]
- US 6197859 B1 [0063]
