DE69121843T2

DE69121843T2 - Wärmesenke und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69121843T2
Application number: DE69121843T
Authority: DE
Inventors: Katsumi Hisano; Hideo Iwasaki; Koichiro Kawano; Toshio Maeda; Ko Minakami; Tomiya Sasaki; Toshinori Terashima
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: KR950004846B1; JPH053272A; DE69121843D1; EP0485205A3; EP0485205A2; US5381859A; EP0485205B1; JP3122173B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine(n) Kühlkörper bzw. Wärmesenke für zweckmäßige Verwendung in Anwendungsfällen, wie bei einer Vorrichtung zum Kühlen von integrierten Schaltungsbaugruppen (packages), einer Strahlungs- oder Radiatorvorrichtung und einem Wärmetauscher, sowie ein Verfahren zu seiner bzw. ihrer Herstellung.
Aus WO-A-89 00 751 ist ein Kühlsystem für ein gekapseltes Gehäuse mit einem darin befindlichen, Wärme erzeugenden Gerät bekannt, das gekennzeichnet ist durch Zwangskonvektions-Indirektkühlung des Wärme erzeugenden Geräts in Kombination mit einer externen, mit natürlicher Konvektion arbeitenden verrippten Wärmesenke. Das Kühlsystem oder der Wärmetauscher ist an der Wand des gekapselten Gehäuses montiert und weist zwei Seitenplatten auf, die in einem gegenseitigen Abstand befestigt sind. Eine Seitenplatte bildet einen Abschnitt einer Wand des gekapselten Gehäuses und weist an der einen Seite, welche die Außenseite des Gehäuses ist, montierte bzw. angebrachte Rippenelemente auf. Rippenelemente sind zwischen den beiden Seitenplatten von gegenüberliegenden Enden der Seitenplatten eine gewünschte Strecke einwärts verlaufend montiert, um dabei zwischen den beiden Sätzen von Rippenelementen eine zentrale Kammer (plenum) zu bilden. Ein Gebläse ist so eingebaut, daß es Luft zwischen den Seitenplatten einsaugt und sie in die gekapselte Umgebung zurückführt.
Eine "Nadel- oder Stiftrippen-Wärmesenke" besitzt eine derart kleine charakteristische Länge, daß der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient groß ist, und sie strahlt ein Mehrfaches der Wärmemenge wie eine "Plattenrippen-Wärmesenke" einer gleich großen Wärmeübergangs(ober)fläche ab.
Eine bekannte Stiftrippenwärmesenke umfaßt normalerweise zwei Wärmeleiterplatten 1a, 1b, die parallel zueinander angeordnet sind und eine Vielzahl von einander paarweise zugeordneten und einander gegenüberliegend angeordneten Löchern bzw. Bohrungen 2a, 2b aufweisen, wie dies typischerweise in den Fig. 43A und 43B dargestellt ist. Durch jedes Lochpaar 2a, 2b ist ein feiner Metalidraht 3 hindurchgezogen, der an seinen beiden (äußersten) Enden mit der Innenfläche der betreffenden Löcher 2a, 2b verbunden oder daran gebondet ist. Eine oder beide der Wärmeleiterplatten 1a, 1b steht (stehen) in Berührung mit einer Wärmequelle oder einem Wärmeübertragungsmedium; ein Wärmeaustauschfluid (fluid heat exchanger) oder ein Kühlmittel (z.B. Luft, Wasser o.dgl.) wird zwischen den beiden Wärmeleiterplatten 1a, 1b in einer durch einen Pfeil 4 angedeuteten Richtung geleitet, so daß Wärme vom Fluid über die Oberfläche der feinen Metalldrähte 3 aufgenommen werden kann.
Die feinen Metalldrähte 3 einer "Nadel- oder Stiftrippenwärmesenke" besitzen vorzugsweise einen sehr kleinen Außendurchmesser von weniger als 1 mm zwecks Maximierung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, wobei darin möglichst viele feine Metalldrähte 3 verwendet werden sollten, um die Wärmeübertragungs- bzw. -übergangscharakteristika der Wärmesenke zu optimieren. Die Herstellung einer bekannten Striftrippenwärmesenke der oben beschriebenen Ausgestaltung erfordert folglich eine große Zahl von Fertigungsschritten, einschließlich derjenigen des "Bohrens von Löchern" durch die Wärmeleiterplatten 1a, 1b und des "Einsetzens und Verbindens bzw. Bondens" der feinen Metalldrähte 3; ein solches Verfahren zur Herstellung einer Stiftrippenwärmesenke bedingt demzufolge hohe Herstellungskosten.
Als Möglichkeit zur Vermeidung dieses Problems wurde eine Stiftrippenwärmesenke vorgeschlagen, bei welcher der Schritt des Bohrens von Löchern durch die Wärmeleiterplatten 1a, 1b nicht nötig ist und die dadurch gefertigt werden kann, daß die Enden der feinen Metalldrähte 3 einfach über Bonding- oder Verbindungsschichten 5a, 5b aus Lot oder Silber, die für das Verbinden (Bonden) zweckmäßig angeschmolzen oder hartgelötet werden, mit den Innenflächen der Wärmeleiterplatten 1a, 1b verbunden (gebondet) werden. Während eine solche Stiftrippenwärmesenke den Schritt des Bohrens der Löcher durch die Wärmeleiterplatten nicht erfordert und sie daher kostengünstiger herstellbar ist, muß jeder feine Metalldraht 3 - wenn auch nur vorübergehend - genau an den Innenflächen der Wärmeleiterplatten 1a, 1b positioniert werden, wenn er mit letzteren verbunden wird, so daß das Anordnungsmuster der feinen Metalldrähte 3 und der Abstand zwischen (je) zwei benachbarten Drähten ungunstigen Einschränkungen unterworfen sind.
Zudem wird in ggf. vorhandenen Bereichen, in denen die feinen Metalldrähte 3 die Wärmeleiterplatten 1a, 1b nicht kontaktieren, die Wärme von den letzteren auf die ersteren über die Verbindungsschichten 5a, 5b abgeführt, so daß sich in diesen Bereichen ein sehr großer Wärmewiderstand oder ein großer Widerstand gegenüber Wärmeleitung ergibt.
Wie oben beschrieben, bedingt eine bekannte Wärmesenke mit einer "Stiftrippenstruktur" nicht nur ziemlich komplizierte Fertigungsschritte und hohe Herstellungskosten, vielmehr ist sie auch verschiedenen Einschränkungen bezüglich des Abstands zwischen benachbarten Rippen und des Musters oder Schemas der Rippenanordnung, vom Problem des großen Wärmewiderstands ganz abgesehen, unterworfen.
Im Hinblick auf die geschilderten Probleme besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Wärmesenke (d.h. eines Kühlkörpers), die (der) keine komplizierten Fertigungsschritte erfordert, den Einschränkungen bezüglich Größe und Form sowie Teilungsabstand und Muster bzw. Schema der Anordnung von Stiften (oder Nadeln) nicht unterworfen ist und einen hohen "Wärmeübergangswirkungsgrad" besitzt, sowie eines Verfahrens zur Herstellung der Wärmesenke.
Gemäß der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, gelingt die Lösung obiger Aufgabe durch Schaffung einer Wärmesenke, die als Hauptbauteil einen mehrlagigen Körper bzw. Mehrschichtkörper aufweist, der durch Anordnen einer Vielzahl dünner Wärmesenken-Rippenelemente, die jeweils durch Ausbilden einer Anzahl von Schlitzen durch eine wärmeleitende Platte realisiert sind, zu einer mehrlagigen oder Mehrschicht- Struktur mit Abstandhaltermitteln, die zwischen zwei benachbarte Elemente zum Trennen derselben mit einem gegebenen Abstand eingefugt sind, geformt ist.
Eine im folgenden als Radiatorvorrichtung bezeichnete Strahlungs- oder Strahlervorrichtung, wie sie im Anspruch 13 definiert ist, ist unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Wärmesenke realisiert und umfaßt typischerweise eine Ventilationsleitung und innerhalb dieser in der Weise angeordnete Mehrschichtkörper, daß letztere in einem Zustand gehalten werden, in welchem sie sich mit einer Wärmequelle in Berührung befinden und Kühlfluid mit einer gegebenen geeigneten Strömungsmenge (rate) in der Ventilationsleitung strömen lassen; jeder der Mehrschichtkörper ist durch Anordnen einer Vielzahl dünner Wärmesenken-Rippenelemente an einer Mehrschichtstruktur mit Abstandhaltern, die jeweils zwischen zwei benachbarte Rippenelemente eingefügt sind, um sie in einem gegebenen gegenseitigen Abstand zu halten, realisiert, wobei jedes der Wärmesenken-Rippenelemente durch Ausbilden einer Anzahl von Schlitzen durch eine wärmeleitfähige Platte hindurch verkörpert ist.
Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmesenke, wie es im Anspruch 15 definiert ist, umfaßt die Schritte eines Bereitstellens dünner Wärmesenken-Rippenelemente durch Ausbilden einer Anzahl von Schlitzen in jeder von mehreren wärmeleitenden Platten, eines Aufeinanderlegens der zahlreichen Wärmesenken-Rippenelemente mit einem zwischen je zwei benachbarte Rippenelemente eingefügten Abstandhalter und des Verbindens oder Bondens der Wärmesenken-Rippenelemente und der Abstandhalter miteinander zur Bildung eines mehrlagigen Körpers bzw. Mehrschichtkörpers.
Wie sich aus obiger Beschreibung ergibt, stellen die Wärmesenken - Rippenelemente des Mehrschichtkörpers einer erfindungsgemäßen Wärmesenke ein unerläßliches und grundsätzliches Bauteil dar; sie können nach einer Stanz- oder Ätztechnik in jedem gegebenen Muster und mit beliebigen Abmessungen geformt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmesenke ist daher sehr einfach und für die Erzeugung von Wärmesenken-Rippenelementen anwendbar, die gegebenen Vorschriften bezüglich Breite, Zahl, Abstand, Form und Verteilung der Rippen genügen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmesenke kann mithin effektiv bzw. wirtschaftlich für die kostengünstige Bereitstellung von Stiftrippenwärmesenken einer gewünschten Konfiguration genutzt werden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Wärmesenke die Schritte der Bereitstellung von dünnen Wärmesenken-Rippenelementen durch Ausbilden einer Anzahl von Schlitzen in jeder von mehreren wärmeleitenden Platten, des Aufeinanderlegens der Vielzahl der Wärmesenken-Rippenelemente unter Einfügung eines Abstandhalters zwischen je (any) zwei benachbarte Rippenelemente und des Verbindens oder Bondens der Wärmesenken-Rippenelemente und der Abstandhalter miteinander umfaßt und diese Schritte von technischen Problemen frei sind, kann es entscheidend zu einer Kostensenkung bei der Herstellung von Stiftrippenradiatoren beitragen.
Im folgenden ist diese Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, im einzelnen beschrieben.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1A eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke,
Fig. 1B eine künstlerische Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 1A,
Fig. 2A eine Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 1A im Schnitt längs der Linie A-A,
Fig. 2B eine Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 1A im Schnitt längs der Linie B-B,
Fig. 2C eine Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 1A im Schnitt längs der Linie C-C,
Fig. 3 eine auseinandergezogene (perspektivische) Darstellung eines Wärmesenken-Rippenelements sowie zweier für eine Wärmesenke zu verwendender Abstandhalter,
Fig. 4A bis 4C perspektivische Darstellungen verschie dener Zusammensetz- bzw. Montagestufen einer bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke,
Fig. 6A bis 6C perspektivische auseinandergezogene Darstellungen verschiedener Montagestufen noch einer anderen bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung noch einer anderen bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke,
Fig. 8A bis 8E perspektivische Darstellungen bzw. eine Seitenansicht verschiedener Montagestufen einer weiteren bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Wärmesenke,
Fig. 9 eine perspektivische Teildarstellung eines abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 10 eine perspektivische Teildarstellung eines anderen abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 11 eine perspektivische Teildarstellung noch eines anderen abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 12 eine perspektivische Teildarstellung eines weiteren abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 13 eine perspektivische Teildarstellung noch eines weiteren abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 14 eine perspektivische Teildarstellung noch eines weiteren abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 15 eine perspektivische Teildarstellung noch eines weiteren abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 16 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von abgewandelten Wärmesenken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 17 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von anderen abgewandelten Wärmesen ken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 18 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von noch anderen abgewandelten Wärmesenken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 19 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von weiteren abgewandelten Wärmesenken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 20 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von noch weiteren abgewandelten Wärmesenken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 21 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von noch weiteren abgewandelten Wärmesenken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 22A und 22B Schnittansichten zur Darstellung zweier verschiedener Anordnungen von Wärmesenken-Rippenelementen bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 23 eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers einer Klimaanlage mit Wärmesenken gemäß der Erfindung,
Fig. 24 eine Schnittansicht des Wärmetauschers nach Fig. 23,
Fig. 25 eine Schnittansicht einer Radiatorvorrichtung mit Wärmesenken gemäß der Erfindung,
Fig. 26 eine Schnittansicht einer anderen Radiatorvorrichtung mit Wärmesenken gemäß der Erfindung,
Fig. 27 eine Schnittansicht eines noch weiter abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 28 eine Schnittansicht eines noch weiter abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 29 eine perspektivische Darstellung eines noch weiter abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 30 eine perspektivische Darstellung eines noch weiter abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 31 eine perspektivische Darstellung eines noch weiter abgewandelten Mehrschichtkörpers bei der Ausführungsform nach Fig. 1,
Fig. 32 eine Teilschnittansicht des Mehrschichtkörpers nach Fig. 31,
Fig. 33 eine Teilschnittansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke zur Darstellung des Bereichs, in welchem die Wärme senken-Rippenelemente verankert sind,
Fig. 34 eine Schnittansicht noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke,
Fig. 35 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke,
Fig. 36 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke,
Fig. 37 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung noch eines anderen abgewandelten Mehrschichtkörpers zur Verwendung für die Zwecke dieser Erfindung,
Fig. 38 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung eines weiteren abgewandelten Mehrschichtkörpers zur Verwendung für die Zwecke dieser Erfindung,
Fig. 39 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung von Wärmesenken mit Mehrschichtkörpern der in Fig. 38 dargestellten Art in tatsächlicher Anwendung,
Fig. 40 eine Teilseitenansicht eines abgewandelten Wärmesenken-Rippenelements zur Verwendung für die Erfindungszwecke,
Fig. 41A eine Ansicht des Wärmesenken-Rippenelements im Schnitt längs der Linie E-E in Fig. 40,
Fig. 41B eine Ansicht des Wärmesenken-Rippenelements im Schnitt längs der Linie F-F in Fig. 40,
Fig. 42A eine Draufsicht auf noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke,
Fig. 42B eine Ansicht der Ausführungsform nach Fig. 42A im Schnitt längs der Linie G-G (in Fig. 42A),
Fig. 43A eine Draufsicht auf eine herkömmliche Wärmesenke,
Fig. 43B eine Ansicht der Wärmesenke im Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 43A und
Fig. 44 eine Seitenansicht einer anderen herkömmlichen Wärmesenke zur Veranschaulichung ihrer Konfiguration bzw. Ausgestaltung.
Gemäß der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmesenke zeigenden Fig. 1 umfaßt die Wärmesenke 11 einen mehrlagigen Körper bzw. Mehrschichtkörper 14, der durch Aufeinanderlegen einer Vielzahl von Wärmesenken-Rippenelementen 12 zur Bildung einer Mehrschichtstruktur unter Einfügung (je) eines Abstandhalters 13 zwischen jeweils zwei benachbarte Elemente 12 realisiert ist.
Jedes der Wärmesenken-Rippenelemente 12 besteht aus einer rechteckigen, dünnen Platte 15 aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wie Kupfer oder Aluminium, mit einer Anzahl von in der dünnen Platte 15 parallel zu ihren kürzeren Kanten oder Rändern angeordneten Schlitzen 16 und mit durch die restlichen Bereiche der dünnen Platte 15 geformten Stiftrippensektionen 17 (vgl. Fig. 3).
Obgleich die Dicke der dünnen Platte 15 in Abhängigkeit vom tatsächlichen Anwendungszweck der unter Verwendung solcher dünner Platten realisierten Wärmesenke bestimmt wird, kann sie etwa 0,2 mm betragen, wenn die die Platte umfassende Wärmesenke 11 für Wärmeemission von einer integrierten Schaltungsbaugruppe benutzt wird. Die Breite jedes Schlitzes 16 liegt typischerweise zwischen 0,1 und 0,01 mm, während die Breite jeder Stiftrippensektion 17 typischerweise 0,2 mm beträgt. Eine Wärmesenke mit den oben angegebenen Abmessungen kann das Aussehen gemäß Fig. 1B besitzen. Die Schlitze 16 können mittels einer Stanz- oder Ätztechnik geformt werden.
Die Abstandhalter 13 bestehen andererseits aus einem ähnlichen Werkstoff wie dem der dünnen Platten 15, und sie besitzen normalerweise eine Dicke von 0,1 bis 1,0 mm. Jeder Abstandhalter 13 ist längs und zwischen einem Paar gegenüberliegender längerer Kanten von zwei benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen 12 (d.h. den parallel zu ihren Schlitzen verlaufenden Kanten) in der Weise angeordnet, daß er kein Hindernis bildet, welches - wenn auch teilweise - einen der Schlitze 16 blockiert (vgl. Fig. 3). (Wenn die Stiftrippensektionen 17 lang und die Zahl der Schlitze eines Wärmesenken-Rippenelements klein sind, können die längeren und kürzeren Kanten der Wärmesenken-Rippenelemente auch umgekehrt definiert sein.)
Ein kennzeichnendes Merkmal einer erfindungsgemäßen Wärmesenke besteht somit darin, daß die Abstandhalter 13 längs der Kanten oder Ränder der Wärmesenken-Rippenelemente 12 und parallel zu den Schlitzen 16 angeordnet sind. Die Abstandhalter 13 und die Wärmesenken-Rippenelemente 12 sind mit Hilfe von Lot oder eines anderen geeigneten Verbindungs- bzw. Bondingmittels miteinander verbunden, so daß ein Mehrschichtkörper 14 mit der Form eines rechteckigen Blocks entsteht. Ein solcher Mehrschichtkörper 14 weist somit eine in den Fig. 2A bis 2C dargestellte Innenstruktur auf, bei welcher durch die Schlitze 16 und die Abstandhalter 13 zahlreiche Spalte bzw. Zwischenräume gebildet sind.
Eine Wärmesenke 11 mit einer Ausgestaltung, wie oben beschrieben, wird dann durch Löten oder andere Verbindungstechnik an einer wärmeleitfähigen Platte 18, die mit einem Wärmeübertragungsmedium (z.B. Wasser) in Kontakt steht oder mit einer Wärmequelle beladen ist, in der Weise starr angebracht, daß eine Außenfläche des Mehrschichtkörpers 14, an welcher die Abstandhalter 13 vollständig freiliegen, der wärmeleitenden Platte 18 zugewandt ist. Wenn die Wärmesenke 11 für eine LSI-Baugruppe benutzt wird, kann ihr Mehrschichtkörper 14 unmittelbar auf einer Oberfläche der LSI-Baugruppe plaziert werden, ohne eine wärmeleitende Platte 18 zu verwenden, um den thermischen Gesamtwiderstand zu reduzieren und den Kühlwirkungsgrad der Wärmesenke 11 zu verbessern. Auf ähnliche Weise kann die Wärmesenke 11 zur Verbesserung ihres Kühlwirkungsgrads unmittelbar an einer Wärmequelle angebracht werden. Der Mehrschichtkörper 14 kann in einer Atmosphäre eines strömenden, flüssigen Kühlmittels angeordnet sein bzw. werden, das in einer Richtung strömt, der durch einen großen, ausgezogenen Pfeil 19 oder einen doppelt strichpunktierten Pfeil 20 in Fig. 19 angedeutet ist. Bei einer solchen Anordnung gelangt das flüssige Kühlmittel bzw. Kühlfluid bei seiner Strömung durch den Mehrschichtkörper 14 in innige Berührung mit den Stiftrippensektionen 17 jedes der Wärmesenken-Rippenelemente 12, so daß die von der wärmeleitenden Platte 18 auf die Wärmesenken-Rippenelemente 12 geförderte bzw. übertragene Wärme unter Verbesserung der Wärmeabstrahlleistung der Wärmesenke durch die Stiftrippensektionen 17 schnell auf das Kühlfluid übertragen werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Strömungsrichtung des Kühlfluids nicht auf die in Fig. 19 angegebenen Richtungen beschränkt ist, sondern das Kühlmittel auch schräg strömen oder von oben her in den Mehrschichtkörper eingeblasen (eingeleitet) werden kann, wenn letzterer nicht durch eine oberseitige Platte abgedeckt ist.
Eine Wärmesenke 11 gemäß dieser Erfindung umfaßt somit als Hauptbauteil einen Mehrschichtkörper 14, der durch Anordnen einer Vielzahl dünner Wärmesenken-Rippenelemente 12, die jeweils durch Ausbilden einer Anzahl von Schlitzen 16 durch eine wärmeleitende Platte hindurch ausgebildet sind, zu einer Mehrschichtstruktur mit Abstandhaltern 13, die jeweils zwischen zwei benachbarte Elemente zum Trennen derselben in einem gegebenen Abstand eingefügt sind, geformt ist. Die Wärmesenken-Rippenelemente 12 eines Mehrschichtkörpers 14 werden durch eine "Stanz"- oder "Ätz"-Technik ausgebildet, derart, daß Wärmesenken-Rippenelemente eines beliebigen Musters und beliebiger Abmessungen erhalten werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer solchen Wärmesenke ist somit sehr einfach und auf die Fertigung von Wärmesenken-Rippenelementen 12 anwendbar, die bezüglich Breite, Zahl, Raum oder Abstand, Form und Verteilung der Rippen beliebigen gegebenen Vorschriften genügen. Dieses erfindungsgemäße Wärmesenken-Herstellungsverfahren läßt sich demzufolge wirksam zur kostengünstigen Bereitstellung von Stiftrippen-Wärmesenken einer gewünschten Ausgestaltung nutzen. Darüber hinaus ist eine erfindungsgemäße Wärmesenke 11 mit einer oben beschriebenen Ausgestaltung dadurch gekennzeichnet, daß ihre Ober- oder Unterseitenfläche als einziges Plattenelement angesehen und als wärmeleitende Platte benutzt werden kann, weil sie durch eine Anzahl von Wärmesenken-Rippenelementen 12 und Abstandhaltern 13 gebildet ist, die einander abwechselnd ohne Zurücklassung jeglicher Zwischenräume dazwischen fest (miteinander verbunden) angeordnet sind. Eine erfindungsgemäße Wärmesenke 11 kann daher zur Gewährleistung eines wirksamen Wärmeübergangs und wirksamer Kühlung unmittelbar mit einer LSI-Baugruppe verbunden werden.
Im folgenden ist das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmesenke beschrieben.
Die Fig. 4A bis 4C zeigen in perspektivischer Darstellung verschiedene Montagestufen einer bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Wärmesenken-Herstellungsverfahrens.
Zunächst werden in einem Schritt (1) mittels beispielsweise einer Ätztechnik zahlreiche Schlitze 16 durch eine rechteckige dünne Platte 15 aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wie Kupfer oder Aluminium, parallel zu ihren kürzeren Kanten (vgl. Fig. 4A) geformt. Die Schlitze 16 werden in der Weise eingestochen, daß Stiftrippensektionen 17 einer gewünschten bzw. vorgesehenen Breite und eine schlitzfreie Randzone 21 in den verbleibenden Bereichen der dünnen Platte 15 gleichzeitig entstehen. In die Randzone werden an Stellen, die nahe der kürzeren Kanten der dünnen Platte 15 liegen, zwei einander gegenüberliegend angeordnete Justierlöcher 23 eingestochen. Die so bearbeitete dünne Platte 15 bildet ein Teil 23 zur Verwendung für ein Wärmesenken-Rippenelement 12.
Andererseits wird in einem Schritt (2) ein zentraler Bereich einer dünnen Platte 24 aus dem gleichen Werkstoff wie dem der dünnen Platte 15 und mit den gleichen Außenmaßen wie bei der dünnen Platte 15 mittels einer Stanztechnik ausgeschnitten und entfernt, so daß ein Rahmenkörper 25 einer Form entsteht, die derjenigen der Randzone 21 der dünnen Platte 15 entspricht (vgl. Fig. 4B). Außerdem werden im Rahmenkörper in Positionen, die nahe der kürzeren Kanten der dünnen Platte 24 liegen, zwei einander gegenüberliegend angeordnete Justierlöcher 26 geformt. Die so bearbeitete dünne Platte 24 bildet dann ein für einen Abstandhalter 13 verwendbares Teil 27.
Sodann werden in einem Schritt (3) eine Anzahl von auf diese Weise bereitgestellten Teilen 23 und 27 zur Bildung einer Mehrschichtstruktur einander abwechselnd angeordnet, wobei durch die Justierlöcher 22, 26 zwei Stifte 28 hindurchgeführt werden (vgl. Fig. 4C).
Daraufhin werden in einem Schritt (4) die Teile 23 und 27 der blockförmigen Mehrschichtstruktur 29 an bzw. in den Außenumfangsbereichen miteinander verbunden. Der Verbindungsvorgang kann ohne Schwierigkeit nach einer zweckmäßigen Technik erfolgen, ausgewählt aus Druckverbinden bzw. -bonden, Diffusionsverbinden bzw. -bonden, Löten und Silberhartlöten, oder unter Verwendung eines zweckmäßigen Bindemittels. Wahlweise können die Teile 22 und 27 der blockförmigen Mehrschichtstruktur 29 dadurch verbunden werden, daß ihr Außenumfang mit einem Laser- oder Elektronenstrahl abgetastet wird, um die Teile für ihre Verbindung zu verschmelzen.
Schließlich werden in einem Schritt (5) die gegenüberliegenden Quer- bzw. Seitenabschnitte der blockförmigen Mehrlagenstruktur 29, die für Ausrichtung bzw. Justierung benutzt worden sind, mit Hilfe z.B. einer in Fig. 5 schematisch dargestellten Drahtentladungs- Schneid/Trimmvorrichtung 30 abgeschnitten und getrimmt bzw. besäumt.
Eine nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Wärmesenke umfaßt eine Anzahl bzw. Vielzahl von Wärmesenken-Rippenelementen 12 mit Stiftrippensektionen 17 und einer Randzone 21, die materialeinheitlich aus einer dünnen Platte 15 geformt worden sind, und sie zeigt daher nur einen sehr geringen Wärmewiderstand. Da außerdem die Randzone 21 fest mit benachbarten Abstandhaltern 13 verbunden ist, wirken diese (Teile) wie eine einzige dünne Platte unter wirksamer Wärmeabfuhr. Eine solche Wärmesenke kann somit unmittelbar an einem wärmeemittierenden Körper (z.B. eine LSI-Baugruppe) angebracht werden. Der Kontaktwärmewiderstand zwischen dem wärmeemittierenden Körper und der Wärmesenke kann durch Abschleifen und Polieren der mit dem wärmeemittierenden Körper in Berührung gelangenden Oberfläche der Wärmesenke minimiert werden.
Die Fig. 6A bis 6C veranschaulichen eine andere Ausführungsart des Wärmesenken-Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung.
Zunächst werden in einem Schritt (1) gemäß Fig. 6A zahlreiche Schlitze 16 durch eine rechteckige dünne Platte 15 aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wie Kupfer oder Aluminium, parallel zu deren kürzeren Kanten mittels z.B. einer Ätztechnik geformt. Die Schlitze 16 werden in der Weise eingestochen, daß in den verbleibenden Bereichen der dünnen Platte 15 gleichzeitig Stiftrippensektionen 17 einer gewünschten oder vorgesehenen Breite entstehen, um ein Wärmesenken-Rippenelement 12 zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsart werden in der dünnen Platte 15 keine Justierlöcher 23 ausgebildet.
Andererseits werden in einem Schritt (2) gemäß Fig. 6B bandförmige Abstandhalter 13 vorbereitet. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Abstandhalter 13 mit einer Randzone, wie im Fall der vorherigen Ausführungsart, nicht geformt wird. Die bandförmigen Abstandhalter 13 bestehen aus Lot (Lötmaterial) oder Silber, das später unter technischen Gegebenheiten für das Verbinden leicht geschmolzen oder zum Hartlöten benutzt werden kann. Dies stellt das besondere kennzeichnende Merkmal dieser Ausführungsart dar.
Sodann werden in einem Schritt (3) gemäß Fig. 6C zahlreiche Wärmesenken-Rippenelemente 12 und bandförmige Abstandhalter 13 zur Verwendung für das Verlöten in einer Justierlehre 31 einander abwechselnd angeordnet. (Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Wärmesenken- Rippenelement 13 und zwei längs seiner gegenüberliegenden Ränder oder Kanten angeordnete bandförmige Abstandhalter 13 eine Schichteinheit bilden.)
Anschließend wird in einem Schritt (4) die die Wärmesenken-Rippenelemente 12 und Abstandhalter 13 enthaltende Lehre mit einem Deckel 32 abgedeckt und einer Wärmebehandlung in einem (nicht dargestellten) Ofen unterworfen, um die Wärmesenken-Rippenelemente 12 unter Festlegung eines gegebenen Abstands zwischen zwei jeweils benachbarten derartigen Elementen 12 mittels der Abstandhalter 13 miteinander zu verbinden.
Eine Ausführungsart, wie oben beschrieben, liefert eine Wärmesenke aus einem Mehrschichtkörper 14, der aus einer Anzahl oder Vielzahl von Wärmesenken-Rippenelementen 12 geformt ist, die durch Lötsektionen 33 miteinander verbunden sind. Die Lötsektionen brauchen nur eine Dicke von einigen µm zu besitzen. Wenn benach barte Wärmesenken-Rippenelemente keinen ausreichenden, sie voneinander trennenden Spalt oder Zwischenraum aufweisen, können diese Rippenelemente relativ zueinander verschoben oder versetzt werden, um eine etwaige Minde rung des Abstrahlwirkungsgrads zu vermeiden; wahlweise können Wärmesenken-Rippenelemente verschiedener Konfigurationen auf noch näher zu beschreibende Weise gestapelt werden.
Die bandförmigen Lot-Abstandhalter 13 können durch bandförmige Abstandhalter 13 aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wie im Fall der ersten Ausführungsart, ersetzt werden. In diesem Fall können die Wärmesenken- Rippenelemente und Abstandhalter durch Festhalten bzw. Verspannen derselben mittels einer Justierlehre 31 an ihren nicht für das Verbinden benutzten Quer- oder Seitenrändern ausgerichtet oder justiert und die Wärmesenken-Rippenelemente sowie die Abstandhalter an ihren freien Kanten miteinander verbunden werden.
Für den Zweck dieser Ausführungsart kann eine beliebige Verbindungs- oder Bondingtechnik, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsart, angewandt werden. Zum Verbinden der Wärmesenken-Rippenelemente an ihren Querkanten kann ein Löten, Silberhartlöten oder Schmelzbzw. Fusionsverbinden mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls angewandt werden.
Die Fig. 8A bis 8E veranschaulichen noch eine andere bevorzugte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Wärmesenken-Herstellungsverfahrens.
Das besondere kennzeichnende Merkmal dieser Ausführungsart besteht in der Verwendung von mit Lötmaterial belegten (solder copper clad) Kupfer-Platten 34 gemäß den Fig. 8A und 8B. Eine mit Lötmaterial belegte Kupfer-Platte 34 umfaßt längs der Seitenkanten einer dünnen Kupferpiatte 35 angeordnete Lötmaterialbänder 36. Obgleich in den Fig. 8A und 8B eine doppelseitige, mit Lötmaterial belegte Kupferplatte, die Lötmaterialbänder 36 an beiden Seiten aufweist, dargestellt ist, kann eine einseitig mit Lötmaterial belegte Kupferplatte ebenfalls für die Zwecke der vorliegenden Ausführungsart verwendet werden. Die Lötmaterialbänder können durch Silberbänder ersetzt werden.
Zunächst werden in einem Schritt (1) gemäß Fig. 8C wie im Fall der vorhergehenden Ausführungsarten zahlreiche Schlitze 16 in einer rechteckigen, mit Lötmaterial belegten Kupferplatte 15 geformt. Die Schlitze 16 werden derart eingestochen, daß in den verbleibenden Bereichen der Platte 15 gleichzeitig Stiftrippensektionen 17 entstehen, um ein Wärmesenken- Rippenelement 12a zu bilden.
Sodann werden in einem Schritt (2) gemäß Fig. 8D zahlreiche Wärmesenken-Rippenelemente 12a unter Bildung einer entsprechenden Zahl von Schichten in einer Justierlehre 31 angeordnet. Hierauf werden in einem Schritte (3) die Lötmaterialbänder 36 in einem Wärmebehandlungsofen angeschmolzen, um die genannten Rippenelemente 12 mit einem zwischen je zwei benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen vorgesehenen gegebenen Abstand miteinander zu verbinden und damit einen Mehrschichtkörper 14 zu erzeugen, der eine Wärmesenke gemäß Fig. 8E bildet.
Diese Ausführungsart wird auch zur Herstellung eines Mehrschichtkörpers 14 oder einer Wärmesenke angewandt, ohne daß sich dabei besondere schwierigkeiten ergeben.
Während bei den oben beschriebenen Ausführungsarten Abstandhalter aus einem wärmeleitenden Werkstoff oder Lötmaterialbänder verwendet werden, können wahlweise auch in Fig. 9 gezeigte bandförmige Abstandhalter 13a verwendet werden, die auf beiden Seiten Lotbzw. Lötmaterialschichten 37 (oder Silberschichten) tragen. Ein solcher Abstandhalter 13 kann eine sichere Verbindungswirkung und einen genau bemessenen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Wärmesenken-Rippen elementen 12 gewährleisten, weil das Lötmaterial längs der Verbindungsbereiche dieser Rippenelemente 12 gleichmäßig verteilt wird.
Ein Abstandhalter braucht nicht notwendigerweise einen rechteckigen Querschnitt aufzuweisen, vielmehr kann auch ein Abstandhalter 13b eines elliptischen Querschnitts oder ein solcher eines mehreckigen Querschnitts verwendet werden. Ein Abstandhalter 13b eines elliptischen Querschnitts kann eine große Verbindungs fläche gewährleisten, wenn zugeordnete Wärmesenken- Rippenelemente mittels des Lots bzw. Lötmaterials 38 miteinander verbunden werden.
Ein abgewandelter Mehrschichtkörper 14 mit Abstandhaltern 13, die gemäß Fig. 11 geringfügig von seiner Außenfläche zurückgezogen bzw. zurückversetzt (withdrawn) sind, gewährleistet ein sicheres Verbinden, weil Lötmaterial 38 oder ein anderes Verbindungsmittel darauf aufgetragen werden und die durch die zurückversetzten Abstandhalter 13 gebildeten Vertiefungen 39 ausfüllen kann.
Die Fig. 12 und 13 veranschaulichen zwei andere abgewandelte Mehrschichtkörper 14, bei denen Abstandhalter 13c mit außenseitigen Vertiefungen oder Ausnehmungen 40 versehen sind, die für sichere Verbindung mit Lötmaterial 38 oder einem anderen Verbindungsmittel gefüllt werden können.
Obgleich die oben beschriebenen Mehrschichtkörper getrennt vorbereitete bzw. hergestellte Abstandhalter aufweisen, können Abstandhalter wahlweise einfach durch Abbiegen von Seitenrändern von Wärmesenken-Rippen elementen 12b um 180º, wie in Fig. 14 gezeigt, oder um 90º, wie in Fig. 15 dargestellt, zum Zeitpunkt der Herstellung der Wärmesenken-Rippenelemente erzeugt werden. Auf diese Weise kann die Zahl der Fertigungsschritte bei der Wärmesenkenherstellung durch Nutzung der gebogenen Sektionen 41 und 42 als derartige Abstandhalter verringert werden.
Während gemäß obiger Beschreibung ein Wärmesenken- Rippenelement durch Einstechen von Schlitzen durch eine dünne Platte hindurch gefertigt wird, kann ein für den Zweck dieser Erfindung zu verwendendes Wärmesenken- Rippenelement 12c wahlweise dadurch hergestellt werden, daß auf die in Fig. 16 gezeigte Weise zahlreiche feine Metalldrähte 44 parallel zueinander zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenrändern eines Rahmens 43 aus wärmeleitendem Werkstoff nach einer "Drahtbonding"- Technik angeordnet werden. Hierbei bilden die feinen Metalldrähte 44 Stiftrippensektionen. Es kann zweckmäßig sein, längs der Seitenränder eines Rahmens 43 Aussparungssektionen 45 zu bilden und diese mit Lot bzw. Lötmaterial zu füllen, um sie mit benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen 12c zu verbinden.
Der Rahmen 43 kann durch zwei stabförmige Elemente ersetzt werden. In diesem Fall kann ein Wärmesenken- Rippenelement dadurch bereitgestellt werden, daß die stabförmigen Elemente sicher festgehalten und zahlreiche feine Metalidrähte 44 parallel zueinander dazwischen angeordnet werden. Es ist ohne weiteres ersicht lich, daß eine Vielzahl feiner Metalldrähte 44 durch einen einzigen, aber langen Metalldraht ersetzt werden können, der hin- und herlaufend unter Bildung eines Musters paralleler Linien zwischen den beiden stabförmigen Elementen verlegt (gespannt) wird.
Obgleich gemäß obiger Beschreibung zahlreiche Schlitze in einer Einzelreihe in eine rechteckige dünne Platte aus wärmeleitendem Werkstoff parallel zu den kürzeren Rändern oder Kanten eingestochen und Stiftrippensektionen durch den verbleibenden Bereich der Platte gebildet werden, um ein Wärmesenken-Rippenelement herzustellen, kann gemäß Fig. 17 wahlweise ein derartiges Rippenelement 12d mit zwei oder mehr Reihen von Schlitzen 16 geformt werden. In weiterer Abwandlung kann ein Wärmesenken-Rippenelement 12 mit einer Reihe von Schlitzen, die um 90º relativ zu denen der benachbarten Wärmesenken-Rippenelemente verdreht sind, zur Bildung einer dreidimensionalen Matrix von Stiftrippen benutzt werden. Ebenso können die Schlitze 16 bei jeder dünnen Platte 15 in einem gewissen Maß winkelmäßig versetzt sein, so daß ein Mehrschichtkörper 14 mit Wärmesenken-Rippenelementen erhalten werden kann, die mit in unterschiedlichen Richtungen angeordneten Stiftrippensektionen 17 versehen sind.
Fig. 18 zeigt ein Wärmesenken-Rippenelement 12e mit längs seiner längeren Kanten ungleichmäßig verteilten Stiftrippensektionen 17.
Fig. 19 zeigt ein Wärmesenken-Rippenelement 12f mit Stiftrippensektionen 17, die längs seiner längeren Ränder oder Kanten verschiedene Breiten aufweisen.
Fig. 20 veranschaulicht ein Wärmesenken-Rippenelement 12g mit Stiftrippensektionen 17a, die jeweils eine längs seiner kürzeren Kanten variierende Breite aufweisen.
Fig. 21 zeigt ein Wärmesenken-Rippenelement 12h mit Stiftrippensektionen 17b, die periodisch oder willkürlich gewellte Seitenränder aufweisen.
Während die Figuren 18 bis 20 Wärmesenken-Rippenelemente mit Schlitzen 16 verschiedener Breiten zur Erzielung eines verbesserten Wärmeübergangswirkungsgrads zeigen, welche (Breiten) abhängig von ihren jeweiligen Anwendungszwecken variieren können, läßt sich das Ziel des effektiven Wärmeübergangs auch durch Variieren der Dicke von Abstandhaltern 13 oder dünnen Platten 15, wie sie für den Zweck dieser Erfindung verwendet werden, erreichen. Ein Wärmesenken-Rippenelement mit Stiftrippensektionen, die gewellte Seitenränder aufweisen, wie dies in Fig. 21 dargestellt ist, kann durch wiederholtes Durchführen eines Ätzprozesses erhalten werden. Ebenso können zylindrische Stiftrippensektionen durch Ätzen der Ränder bzw. Kanten von rechteckigen Stiftrippensektionen erzeugt werden. Zylindrische Stiftrippensektionen mit flachen Sektionen können auf ähnliche Weise geformt werden.
Beim Verbinden einer Anzahl oder Vielzahl von Wärmesenken-Rippenelementen mit Abstandhaltern zur Herstellung eines Mehrschichtkörpers 14 sind mehrere verschiedene Anordnungen der Wärmesenken-Rippenelemente vorstellbar. Fig. 22A zeigt eine versetzte oder gestaffelte Anordnung von Wärmesenken-Rippenelementen 12; diese sind unter Bezugnahme auf die Stiftrippensektionen 17 des unmittelbar stromaufseitigen Wärmesenken- Rippenelements 12 relativ zu der durch einen Pfeil 46 angegebenen Fluidströmungsrichtung so angeordnet, daß sie die Stiftrippensektionen 17 des stromabseitigen oder nachgeschalteten Wärmesenken-Rippenelements 12 nicht vollständig abschatten. Hierbei sind die Stiftrippensektionen 17 benachbarter der Wärmesenken-Rippen elemente 12 um genau einen halben Teilungsabstand der Anordnung oder Reihe von Stiftrippensektionen seitlich bzw. quer versetzt. Fig. 22B zeigt eine andere Anordnung von Wärmesenken-Rippenelementen 12, bei welcher die Stiftrippensektionen 17 stromabseitig der Wärmesenken-Rippenelemente 12 stufenweise in einer Querrichtung verschoben oder versetzt sind. Bei jeder dieser Anordnungen trifft Kühlfluid auf die Stiftrippensektionen 17 auf unter Verbesserung ihrer Kühlwirkung (und daher des Wärmeübergangswirkungsgrads des Radiators). Selbstverständlich kann eine ähnliche Wirkung durch Verwendung einer dreidimensionalen Matrixanordnung von Stiftrippensektionen 17, wie oben in Verbindung mit Fig. 17 beschrieben, erzielt werden.
Fig. 23 zeigt eine Anwendung von Wärmesenken 11 der Art gemäß Fig. 1A für die Verwendung bei einem Wärmetauscher einer Klimaanlage. Hierbei werden Wärmesenken 11 und Rohre 48 einander abwechselnd in einer (einem) Verbindungslehre bzw. -werkzeug 47 angeordnet, und benachbarte Bauteile werden mit Hilfe von Lötmittel oder eines anderen Verbindungsmittels miteinander verbunden. Nach Abschluß des Verbindungsvorgangs wird einfach durch Entfernen des Werkzeugs 47 ein Wärmetauscher 50 einer Klimaanlage erhalten, umfassend eine Anzahl von Rohren 48 zur Bildung von Fluid- oder Kühlmittelstrecken und Wärmesenken 11, die in einer mehrlagigen oder Mehrschichtkonfiguration gemäß Fig. 24 angeordnet sind.
Fig. 25 zeigt eine Strahlungs- oder Radiatorvorrichtung 53 mit einer Leitung und einer Anzahl von Wärmesenken gemäß Fig. 1A in einer Ausgestaltung für die Verwendung zum Kühlen von integrierten Schaltungsbaugruppen 52.
Gemäß Fig. 25 wird die Seitenwand der Leitung 51 zum Teil durch ein großes Schaltungssubstrat (Tragplatte) 54 gebildet, das darauf eine Anzahl von integrierten Schaltungsbaugruppen 52 trägt. Die Wärmesenken 11 sind in der Leitung derart angeordnet, daß sie mit den betreffenden integrierten Schaltungsbaugruppen 52, die entsprechend viele Wärmequellen bilden, in thermischem Kontakt stehen und einen Kühlfluidstrom längs der Leitung 51 ohne wesentliche Behinderung zulassen.
Da die Wärmesenken 11 eines Wärmetauschers mit einer solchen Ausgestaltung ständig einem Kühlfluidstrom ausgesetzt sind, können die integrierten Schaltungs- bzw. LSI-Baugruppen 52 durch Einbau von Wärmesenken mit einer großen Zahl von Stiftrippensektionen effektiv und effizient gekühlt werden.
Obgleich bei obiger Anordnung nur eine Seite der Wärmesenken 11 mit den integrierten Schaltungsbaugruppen 52 in Kontakt steht, kann gemäß Fig. 26 jede Wärmesenke 11 an gegenüberliegenden Querseiten in ther mischem Kontakt mit zwei verschiedenen integrierten Schaltungsbaugruppen 52 angeordnet sein. Während bei der oben beschriebenen Anwendung ein Schaltungssubstrat zur Bildung eines Teils der Seitenwand einer Leitung benutzt wird, kann eine vollständig getrennte Leitung eingebaut sein oder werden, wobei die integrierten Schaltungsbaugruppen 52 an der Außenseite und die Wärmesenken 11 an der Innenseite der Leitung angeordnet werden.
Obgleich der Mehrschichtkörper 14 eine Wärmesenke 11 gemäß obiger Beschreibung in Form eines rechteckigen Blocks realisiert oder ausgestaltet ist, kann ein für den Erfindungszweck zu benutzender Mehrschichtkörper 14 wahlweise ein Profil gemäß Fig. 27 aufweisen&sub1; wobei die Höhe des Mehrschichtkörpers 14a längs der Strömungsrichtung des Kühlfluids 56 fortlaufend abnimmt. Mit einer solchen Anordnung wird die Strömungsgeschwindigkeit des den Mehrschichtkörper 14a durchströmenden Kühlfluids 56 bei dessen Annäherung an das hintere Ende des Mehrschichtkörpers 14a beschleunigt, so daß der Mehrschichtkörper über seine Länge hinweg eine gleichmäßig verteilte Wärmeabstrahlwirkung aufweisen kann.
Während gemäß obiger Beschreibung der Mehrschichtkörper einer Wärmesenke 11 eine flache oder geneigte Außenfläche aufweist, kann ein für den Erfindungszweck zu benutzender Mehrschichtkörper 14b gemäß Fig. 28 wahlweise eine gezackte Außenfläche 57 aufweisen, wobei die ihn tragende wärmeleitende Platte 58 eine entsprechend gezackte Oberfläche 59 aufweist, so daß der Mehrschichtkörper 14b für die Montage einfach ausgerichtet werden kann, indem einfach die betreffenden Flächen 57, 59 in Eingriff miteinander gebracht werden.
Fig. 29 zeigt einen Mehrschichtkörper 14c, der in seinem Zentrum mit einer Öffnung 60 versehen ist, durch welche bei seiner Anbringung an einer wärmeleitenden Platte ein (Schraub-)Bolzen eingeführt wird. Eine in Fig. 29 gezeigte Öffnung 60 kann dadurch geformt werden, daß eine bestimmte Zahl dünner Platten 15 und Abstandhalter 13 in Hälften geschnitten und ihre jeweilige Länge in Längsrichtung zweckmäßig verkleinert werden, so daß die Öffnung 60 zwangsläufig entsteht, wenn alle Bauteilplatten 15 und Abstandhalter 13 zusammengesetzt und miteinander verbunden sind. Die Öffnung 60 dient zum Aufnehmen eines Bolzens, welcher den Mehrschichtkörper 14c sicher an einer wärmeleitenden Platte verankert, obgleich ein Mehrschichtkörper auch auf andere Weise an einer wärmeleitenden Platte angebracht werden kann, beispielsweise durch Silberhartlöten oder Auftragen eines Klebmitteis (Epoxyharz). Eine Platte mit einer Gewindebohrung kann auf einen eine Öffnung 60 aufweisenden Mehrschichtkörper aufgelegt werden, und der Mehrschichtkörper kann mittels einer Schraube an einer wärmeleitenden Platte verankert werden. Wahlweise kann zum Verankern eines Mehrschichtkörpers an einer wärmeleitenden Platte eine mit einer Schraube versehene Platte vorgesehen werden.
Während ein Abstandhalter getrennt oder durch Umbiegen eines Teils eines Wärmesenken-Rippenelements 12 bereitgestellt und zwischen zwei benachbarten derartigen Rippenelementen angeordnet ist oder wird, wie vorstehend beschrieben, wird die Verwendung solcher Abstandhalter für einen Mehrschichtkörper unnötig, wenn ein in Fig. 30 dargestellter Tragkörper 62 aus einem wärmeleitenden Werkstoff und mit einer Anzahl von paarigen Nuten 61a, 61b zum Aufnehmen der Seitenkanten von Wärmesenken-Rippenelementen 12 (verwendet wird). Sodann kann ein Mehrschichtkörper 14b geformt werden, indem die Wärmesenken-Rippenelemente 12 mit Hilfe eines Verbindungsmittels mit dem Tragkörper 62 verbunden werden.
Ein in den Fig. 31 und 32 gezeigter Tragkörper 64 ist mit einer oder mehreren U-förmigen Nuten 63 versehen, wobei eine Zahl von Wärmesenken-Rippenelementen 12i mit jeweils zwei Seitenkanten 65, die um 90º abgebogen sind und als Abstandhalter dienen, als eine entsprechende Zahl von Lagen oder Schichten eingelegt werden. Hierauf wird ein Mehrschichtkörper 14e durch Verbinden der umgebogenen Seitenkanten 65 mit Hilfe eines Verbindungsmittels mit dem Tragkörper 64 geformt. Die umgebogenen Seitenkanten 65 brauchen nicht notwendigerweise im voraus geformt zu werden, wenn Wärmesenken-Rippenelemente einer größeren Breite als die der Nuten 63 in die (jeweilige) Nut so hineingedrückt werden, daß die Seitenkanten dieser Rippenelemente Zwangsweise umgebogen werden, um als Abstandhalter zu wirken.
Fig. 33 veranschaulicht die Verwendung eines von einer wärmeleitenden Platte 66 hochragenden und eine um ihn herum aufgesetzte Hülse 68 tragenden wärmeleitenden Stabs 67. Andererseits weist ein Wärmesenken-Rippenelement 12j einen Hohlansatz 70 mit einem als Abstandhalter dienenden Flansch 69 auf. Mehrere Wärmesenken- Rippenelemente 12j werden um den wärmeleitenden Stab 67 herum justiert und gestapelt, während sie von oben her aufgeschoben und vom Stab 67, der den Hohlansatz 70 durchsetzt, aufgenommen werden. Ein Mehrschichtkörper 14f wird sodann durch Verbinden des wärmeleitenden Stabs 67, der Hülse 68 und der Flansche 69 mit Hilfe eines Verbindungsmittels geformt. Wahlweise können ein Mehrschichtkörper und eine wärmeleitende Platte so angeordnet sein oder werden, daß sie ohne Verwendung eines wärmeleitenden Stabs in innige Anlage gegeneinander gebracht werden. In weiterer Abwandlung können mehrere wärmeleitende Platten parallel zueinander mit einem gegebenen Abstand zwischen je zwei benachbarten Platten um einen wärmeleitenden Stab herum angeordnet und sodann Mehrschichtkörper starr an den wärmeleitenden Platten angebracht werden. Eine solche Anordnung kann einer Mehrscheibenrippe einer an sich bekannten Art vergleichbar sein, welche zusätzlich erfindungsgemäße Wärmesenken zwischen den Scheiben aufweist und damit eine sehr große Oberfläche für Wärmeübergang bietet.
Fig. 34 zeigt eine Kombination aus einem Mehrschichtkörper 14g und einem Wärmehohlleiter 72, wobei Hohlansätze 70 von Wärmesenken-Rippenelementen 12j mit dem Außenumfang einer Wärmesenkensäule 73 eines Wärmehohlleiters 72, der ein aktives flüssiges Material 71 enthält und luftdicht versiegelt ist, in Berührung gebracht und damit verbunden sind.
Fig. 35 zeigt eine Anordnung einer Wärmesenke 11a, bei welcher ein Mehrschichtkörper 14 einer Ausgestaltung gemäß Fig. 1A mit einem Wärmehohlleiter 75 verbunden ist, der ein aktives flüssiges Material 75 luftdicht eingeschlossen enthält.
Fig. 36 veranschaulicht eine Wärmesenke 11b mit einem Mehrschichtkörper 14h, der mit einem Wärmehohlleiter 77 einstückig geformt ist, der ein luftdicht eingeschlossenes aktives flüssiges Material 76 enthält.
Fig. 37 veranschaulicht einen Mehrschichtkörper 14i unter Verwendung verschiedener Sektionen eines Wärmehohlleiters 78 als eine entsprechende Zahl von Abstandhaltern, die benachbarte Wärmesenken-Rippenelemente 12m voneinander trennen. Ein in Fig. 38 gezeigter Mehrschichtkörper 14j ist durch Ersetzen des Wärmehohlleiters gemäß Fig. 37 durch ein Kühlmittelführungsrohr 79 realisiert.
Fig. 39 veranschaulicht, wie eine Wärmesenke 11 mit einem Mehrschichtkörper 14j einer Ausgestaltung der oben beschriebenen Art verwendet werden kann, um auf einem Substrat 80 montierte integrierte Schaltungsbaugruppen 81 zu kühlen. Hierbei ist eine Zweigleitung 82 zum Leiten von flüssigem Kühlmittel bzw. Kühlfluid in Kontakt mit den integrierten Schaltungs baugruppen 81 angeordnet; die beiden Enden der Leitung 82 sind über Verteiler 83, 84 mit dem Kühlmittelleitrohr 79 des Mehrschichtkörpers 14j verbunden, um für das Kühlmittel eine endlose Strecke bereitzustellen, durch welche das Kühlmittel mittels einer Pumpe 85 umgewälzt wird. Ein (nicht dargestellter) Ventilator oder Lüfter dient zum Hindurchblasen von Luft durch den Mehrschichtkörper 14j in der durch einen großen Pfeil 86 angedeuteten Richtung, um etwa im Substrat 80 aufgespeicherte Wärme abzuführen. Selbstverständlich durchströmt das Kühlmittel das Kühlmittelleitrohr 79 mit Sektionen oder Abschnitten, die als Abstandhalter benutzt werden.
Die Fig. 40, 41A und 41B zeigen ein Wrmesenken- Rippenelement 12a mit Kühlmittelstrecken 87, die von einem Kühlfluid durchströmbar sind. Wahlweise kann auf und unter dem Mehrschichtkörper das Kühlmittelleitrohr eines Mehrschichtkörpers 14j gemäß Fig. 38 angeordnet werden oder sein, und zwar unter Verwendung getrennter Abstandhalter zur Einhaltung eines gegebenen Abstands zwischen benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen. Bei einer solchen Anordnung kann ein Rohr eines großen Querschnittes zur Vergrößerung der Kühlmittelströmungsmenge benutzt werden.
Die Fig. 42A und 42B veranschaulichen eine Wärmesenke 11d mit einem Mehrschichtkörper 14m, bei dem keine oberseitige Platte vorgesehen ist. Diese ausgezackte oder ausgesparte Ausgestaltung eines Mehrschichtkörpers 14m, der das Aussehen eines mit senkrechten Stecknadeln besteckten Nadelkissens besitzt, ermöglicht das Aufblasen oder Aufströmenlassen eines Kühlmediums auf seine unregelmäßige Oberfläche für wirksame Kühlung. In diesen Figuren steht die Bezugsziffer 88 für eine Wärmequelle oder eine wärmeleitende Platte. Ein solcher Mehrschichtkörper kann dadurch bereitgestellt werden, daß die oberseitige Platte eines Mehrschichtkörpers 14 gemäß Fig. 1A weggeschnitten wird oder Wärmesenken-Rippenelemente 12 mit der Form gemäß Fig. 3 verwendet werden, die jedoch nicht den Seitenrandbereich aufweisen (so daß Schlitze bis zu einem Seiten- oder Querende verlaufen), wobei Abstandhalter nur längs der restlichen Seitenränder dieser Rippenelemente 12 angeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Wärmesenke ist verschiedenen Abwandlungen zugänglich, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
Darüber hinaus ist der grundlegende konstruktive Gedanke einer Wärmesenke gemäß der Erfindung auch auf von Wärmesenken verschiedene Vorrichtungen anwendbar. Beispielsweise kann eine auf der Grundlage einer Wärmesenke gemäß der Erfindung realisierte Struktur mit Stiftrippensektionen aus einem Katalysatormaterial, wie Platin, als wirksamer Katalysator benutzt werden. Eine solche Struktur kann auch als Katalysatorträger eingesetzt werden, wenn die Stiftrippensektionen mit einem katalytischen Material beschichtet sind. Eine Struktur der oben angegebenen Art kann auch als Fluid- bzw. Flüssigkeitsfilter oder elektrisches Wellenfilter benutzt werden. Ein Fluidfilter einer solchen Konfiguration kann sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn die Bauteile des Mehrschichtkörpers nicht miteinander verbunden sind, sondern durch eine Spannvorrichtung (jig) zusammengehalten werden, so daß sie für Reinigung leicht zerlegbar sind.
Wie sich aus der obigen Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung und Abwandlungen derselben ergibt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung einer Vielfalt von Wärmesenken in einem einfachen Fertigungsprozeß bereitgestellt.

Claims

1. Wärmesenke, umfassend einen mehrlagigen Körper bzw. Mehrschichtkärper (14), der durch Anordnen einer Vielzahl dünner Wärmesenken-Rippenelemente (12) mit jeweils einer dünnen wärmeleitenden Platte und mit jeweils einer Vielzahl von Schlitzen zur Bildung einer Mehrschichtstruktur mit einer Vielzahl von Abstandhaltern (13) geformt ist, von denen jeder zumindest einen Teil von Randabschnitten von zwei benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen kontaktiert und zwei benachbarte Wärmesenken-Rippenelemente mit einem vorbestimmten Abstand voneinander trennt

2. Wärmesenke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wärmesenken-Rippenelemente (12) durch Ausbildung einer Anzahl von Schlitzen (16) einer gegebenen Breite durch eine wärmeleitende Platte hindurch realisiert bzw. geformt ist.

3. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach der Ausbildung der Schlitze verbleibenden Bereiche (17) der Platte im wesentlichen nadel- oder stiftförmige Rippen bilden.

4. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (13) getrennte Abstandhalter (13) aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff sind.

5. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter Biegesektionen sind, die durch Abbiegen zumindest eines Teils der Ränder der Wärmesenken-Rippenelemente (12) geformt sind.

6. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter hochgezogene (vermutlich: ausgesparte) Sektionen (45) sind, die durch Beschneiden von Seitenrändern der Wärmesenken-Rippenelemente geformt sind.

7. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der (Abstandhalter-)Mittel (13, 62) zum Trennen benachbarter Wärmesenken-Rippenelemente (12) mit einem vorbestimmten Abstand voneinander an seiner Außenumfangsfläche mit Ausnehmungen (61a, 62b) versehen ist.

8. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wärmesenken-Rippenelemente (12) einen Rahmen (43) aus einem wärmeleitenden Werkstoff und im wesentlichen eine Vielzahl feiner Metalldrähte (44), die zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenrändern des Rahmens angeordnet sind, umfaßt.

9. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wärmesenken-Rippenelemente (12) materialeinheitlich mit einem Mittel (13) zum Trennen benachbarter Wärmesenken-Rippenelemente mit einem gegebenen Abstand voneinander durch Verbinden oder Bonden derselben miteinander, um den Verbindungsbereich als Wärmeübertragungs- oder -übergangsplatte dienen zu lassen, geformt ist.

10. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13) zum Trennen benachbarter Wärmesenken-Rippenelemente mit einem gegebenen Abstand längs der Quer- oder Seitenränder der Platten parallel zu den durch diese hindurch geformten Schlitzen angeordnet sind.

11. Wärmesenke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmehohlleiter (72, 74, 78), der eine Wärmeübergangsstrecke zum Leiten von Wärme in den Mehrschichtkörper bildet.

12. Wärmesenke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zwischen benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen angeordnetes Wärmeübertragungsfluid- Leitrohr (79).

13. Strahlungs- oder Radiatorvorrichtung mit einer Ventilationsleitung (51) sowie einem oder mehreren Radiator(en) (11), die jeweils einen durch Anordnen einer Vielzahl dünner Wärmesenken-Rippenelemente (12) mit jeweils einer dünnen wärmeleitenden Platte geformten Mehrschichtkörper (14) aufweisen, wobei jedes der mehreren Wärmesenken-Rippenelemente eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, um eine Mehrschichtstruktur mit Abstandhaltern (13) zu formen, welche jeweils zumindest einen Teil von Randabschnitten von zwei benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen kontaktieren und zwei benachbarte Wärmesenken-Rippenelemente mit einem gegebenen Abstand (voneinander) trennen, welcher Mehrschichtkörper (14) in thermischem Kontakt mit einem wärmeemittierenden Körper (52) innerhalb der Ventilationsleitung steht, um flüssiges Kühlmittel (oder Kühlfluid) ohne wesentliche Hemmung des Kühlmittelstroms durch die Ventilationsleitung leiten zu können.

14. Radiatorvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Ventilationsleitung (51) teilweise oder vollständig aus einem Tragkörper zum Tragen bzw. Haltern des wärmeemittierenden Körpers geformt ist.

15. Verfahren zur Herstellung einer Wärmesenke, umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen bzw. Anfertigen von Wärmesenken- Rippenelementen durch Ausbilden einer Anzahl von Schlitzen in jeder einer Vielzahl von wärmeleitenden dünnen Platten,

Aufeinanderlegen der Vielzahl von Wärmesenken- Rippenelementen und

Verbinden oder Bonden der Wärmesenken-Rippenelemente miteinander zur Bildung eines Mehrschichtkörpers,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens bzw. Anfertigens der Wärmesenken-Rippenelemente einen Schritt eines Formens von Biegungssektionen längs mindestens eines Teils der Quer- oder Seitenränder der Platten zur Verwendung als Abstandhalter zwischen je zwei (gegebenen) benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen umfaßt.

16. Wärmesenke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verbindungs- oder Bondingmittel zum Vereinigen von Abstandhaltern mit zwei benachbarten Wärmesenken-Rippenelementen.

17. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmesenken-Rippenelement zumindest teilweise mit einer eine vorbestimmte Dicke besitzenden Schicht eines Verbindungs- oder Bondingmittels beschichtet (clad) wird, bevor die Wärmesenken-Rippenelemente aufeinandergelegt werden.

18. Wärmesenke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine (bestimmte) Dicke besitzende Bänder aus Verbindungs- oder Bondingmittel, das zwischen zwei benachbarte Wärmesenken-Rippenelemente eingefügt ist, um sowohl als Abstandhalter als auch als Verbindungs- oder Bondingmittel zu wirken.