DE69406201T2

DE69406201T2 - Stiftkühlkörper

Info

Publication number: DE69406201T2
Application number: DE69406201T
Authority: DE
Inventors: Kevin James Brady; Charles Cohn
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-06-29
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: EP0632498B1; EP0632498A1; TW366167U; US5299090A; JPH07321259A; DE69406201D1; CA2123287A1; CA2123287C; KR950002008A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Abführung und zur Dissipation von Wärme von elektronischen Schaltkreisen, die z.B. in Gehäusen angeordnet sind.

Hintergrund der Erfindung

Integrierte Schaltungseinheiten, wie z.B. integrierte Schaltungschips (integrated circuit chips = IC's) und integrierte Hybridschaltungsmodule (HIC-Module = hybrid integrated circuit moduls), werden üblicherweise in geeigneten Gehäusen aus Kunststoff oder Keramik angeordnet, um sie mechanisch, elektrisch und chemisch zu schützen. Diese Gehäuse ermöglichen jedoch nicht immer eine effiziente Ableitung der von den Schaltungen erzeugten Wärme. Zur Lösung dieses Problems wird ein vorgegebenes Gehäuse oder eine Verpackung mit einem Kühlkörper versehen, der an seiner Außenfläche angebracht ist. Ein Kühlkörper umfaßt typischerweise eine Anordnung aus länglichen Kühlrippen, die auf einer gemeinsamen Unterlage angeordnet sind. Der Kühlkörper wird häufig zusammen mit einem Kühlfluid, wie z.B. Luft, das durch die Zwischenräume zwischen den Kühlrippen zirkuliert, um die Wärme von der Schaltung abzuleiten. Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Kühlkörpers 61 mit stiftförmigen Kühlrippen, der auf einem Gehäuse 62 mit Stiftgitteranordnung angebracht ist. Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines genffelten Kühlkörpers 71, der auf einem quadratischen Flachgehäuse 72 angebracht ist. Ein Nachteil der Kühlkörper nach dem Stand der Technik besteht in ihren relativ hohen Kosten. Ein Kühlkörper mit stiftförmigen Kühlrippen wird mittels eines teueren Herstellungsverfahrens hergestellt, bei dem aus einem Metallblock mehrere quadratische stiftförmige Kühlrippen maschinell herausgearbeitet werden. Die Leistungsfähigkeit eines geriffelten Kühlkörpers hängt häufig von der Strömungsrichtung des Kühlfluids ab. Ein durch die Kanäle zwischen den Kühlrippen eines geriffelten Kühlkörpers fließendes Fluid führt die Wärme sehr viel effektiver ab als ein in Querrichtung zu dem Kühlkörper strömendes Fluid.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Abführung und Dissipation von Wärme von elektronischen Schaltungen in einem Gehäuse einer IC-Baugruppe. Der an der Außenfläche des Gehäuses angebrachte Kühlkörper umfaßt mehrere Stifte, die an einem Ende mittels einer Halteeinrichtung befestigt sind und an ihrem anderen Ende zu einer sternausbruchförmigen oder bouquetförmigen Gestalt aufgeweitet sind. Die Unterseite der durch die Halteeinrichtung verbundenen Enden ist mit einer Befestigungssubstanz, wie z.B. ein Lötmittel oder ein wärmeleitender Klebstoff, beschichtet, der geglättet wird, um den Kühlkörper an dem Gehäuse positionieren zu können. Der Kühlkörper wird an dem Gehäuse durch Lötmittel oder durch einen wärmeleitenden Klebstoff befestigt. Der Kühlkörper wird dadurch hergestellt, daß mehrere längliche Stäbe durch Halteeinrichtungen gehalten werden, die in gewissen Intervallen entlang der Stäbe angeordnet sind, welche der Höhe des Kühlkörpers entsprechen. Die Stäbe werden nun benachbart zu einer Seite einer Halteeinrichtung abgeschnitten, so daß Stifte des Kühlkörpers gebildet werden. Die Stäbe werden nun an dem anderen freien Ende der abgeschnittenen Stäbe sternausbruchförmig aufgeweitet. Die gehaltenen Enden der Stäbe werden in ein Lötmittel oder in einen wärmeleitenden Klebstoff eingetaucht und geglättet, so daß eine ebene Oberfläche zum Befestigen des Kühlkörpers auf der Oberfläche eines Gehäuses entsteht.
Ein Kühlkörper, der auf der planaren Außenfläche eines ein Modul umgebenden Gehäuses befestigt ist, ist aus dem IBM Technical Disclosure Bullatin, Band 23, Nr. 11, Seite 4853, April 1981 bekannt. Der Kühlkörper umfaßt hierbei mehrere Litzendrähte (stranded wises), die an einem Ende sternausbruchförmig aufgeweitet sind, wobei die Stifte aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bestehen. Das gegenüberliegende Ende besitzt eine planare Oberfläche, die an der planaren Oberfläche des Gehäuses befestigt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer IC- Baugruppe mit einem erfindungsgemäßen Stiftkühlkörper;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung aus Stäben und Halteringen während eines Verfahrensschrittes bei der Herstellung des Stiftkühlkörpers;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Stiftbündels und eines Halterings, die von der Anordnung gemäß Fig. 2 abgetrennt wurden;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers, der durch eine sternausbruchförmige oder bouquetförmige Aufweitung der Stifte gebildet wurde;
Fig. 5 zeigt anhand einer Darstellung einen Vergleich der thermischen Eigenschaften einer Vorrichtung oder eines Bauelementes, das entweder keinen Kühlkörper (Kurve A) oder aber einen herkömmlichen Stiftkühlkörper (Kurve B) bzw. einen erfindungsgemäßen Kühlkörper (Kurve C) umfaßt;
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauelementes mit einem herkömmlichen Stiftkühlkörper nach dem Stand der Technik; und
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauelementes mit geriffeltem Kühlkörper nach dem Stand der Technik.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen IC-Baugruppe 10 mit einem Kühlkörper 11. Die IC-Baugruppe umfaßt eine (nicht dargestellte) integrierte Schaltungseinheit und mehrere elektrische Leiter 13. Bei der IC-Einheit kann es sich um einen Chip oder um ein Modul mit zumindest einem Chip und mit anderen Bauelementen und Leitern einer integrierten Hybridschaltung handeln. Die IC- Einheit ist von einem schützenden Gehäuse umgeben&sub1; wobei durch Leiter 13 elektrische Verbindungen mit dem integrierten Schaltkreis hergestellt werden können. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die elektrischen Leiter aus Stiften einer gitterförmigen Stiftanordnung. Alternativ hierzu kann es sich bei den Leitern auch um Zuleitungen eines Leiterrahmens oder eines Anschlußkamms handeln. Der Kühlkörper ist an dem IC- Bauelement durch Lötmittel oder einen Klebstoff befestigt. Der letztgenannte umfaßt einen Klebstoff, wie z.B. ein Epoxydharz, in dem wärmeleitende Teilchen, die beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Silber usw. bestehen, dispergiert sind.
Der Kühlkörper 11 umfaßt mehrere Stifte 14 in Form von festen Stäben oder Rohren, die aus einem sehr stark wärmeleitenden Material bestehen. Die Stifte sind an einer Halteeinrichtung 15, wie z.B. ein Ring, befestigt, wobei der obere Teil der Stifte sternausbruchförmig oder bouquetförmig aufgeweitet ist. Der Ring ist so bemessen und die Anzahl der Stifte wird so ausgewählt, daß die Stifte in fester Passung in dem Ring sitzen und an die Abmessungen des Bauelementes oder der Vorrichtung angepaßt sind. Zusätzlich hierzu sind die Stifte in dem Ring noch durch Lötmittel oder einen Klebstoff befestigt. Die untere Fläche des Kühlkörpers bildet eine planare Oberfläche, die mit dem unteren Rand des Rings eben ausgebildet ist, um die Positionierung des Kühlkörpers auf der IS-Baugruppe 10 und das Anbringen des Kühlkörpers an diese Baugruppe zu erleichtern. In Abhängigkeit von der Gestaltung des Bauelementes oder der Vorrichtung kann der Kühlkörper mittels eines Lötmittels oder eines Klebstoffs entweder an dem isolierenden Material des Gehäuses oder aber an einer Wärmeverteilungsplatte, wie z.B. der Platte 16, befestigt sein. Durch die aufgeweitete Gestaltung der Stifte kann der Kühlkörper zusammen mit einem Kühlfluid verwendet werden, ohne daß man hierbei die Strömungsrichtung des Kühlfluids beachten muß. Zudem ist der Kühlkörper relativ einfach herzustellen.
Der Kühlkörper wird dadurch hergestellt, daß eine ausgewählte Anzahl von länglichen Metallstäben 17 gebündelt wird und durch Halteeinrichtungen, wie z.B. die Metallringe 15, befestigt wird, die entlang der Stäbe in gewissen Intervallen L angeordnet sind (Fig. 2). Die Stäbe können entweder massiv oder aber auch hohl (röhrenförmig) ausgebildet sein. Sie bestehen aus einem sehr stark wärmeleitenden Material, wie z.B. Kupfer, Kupferlegierungen und Aluminium. Die Ringe 15 sind in Intervallen (L) beabstandet zueinander angeordnet, die der gewünschten Länge der Stäbe in dem Kühlkörper entsprechen, so daß man die gewünschten thermischen Eigenschaften und das gewünschte Gesamtvolumen erhält, wenn die Stäbe abgeschnitten und an ihrem freien Ende aufgeweitet werden. Ein Bündel aus Stäben 17 wird auf einer Seite der Ringe in Abschnitte mit einer vorbestimmten Länge geschnitten, so daß man die in Fig. 3 dargestellte Vorform erhält, die Stifte 14 und Ringe 15 umfaßt. Die Ringe sind so bemessen, daß sie die Stabbündel jeweils fest umschließen Die Stäbe können auch anstatt durch feste Ringe mittels eines Bandes oder eines Drahtes gebunden werden, so daß die Stäbe an ihrem gebundenen Ende zu einem festen Bündel zusammengehalten werden. Auf der Ringseite der Bündel werden die Stäbe zudem noch dadurch befestigt, daß das abgeschnittene Ende 18 in geschmolzenes Lötmittel oder meinen flüssigen Klebstoff eingetaucht wird, der einen Füllstoff aus wärmeleitenden Teilchen umfaßt. Die Oberfläche des eingetauchten Endes wird nach der Abkühlung bei Bedarf geschliffen oder maschinell geglättet, um einen planaren Sitz des Bodens des Kühlkörpers auf der IC-Baugruppe zu gewährleisten.
Die Stäbe werden nach außen aufgeweitet oder fächerförmig nach außen gebogen, so daß das freie Ende des Bündels (Fig. 4) eine sternausbruchförmige oder bouquetförmige Gestalt erhält. Zum Schutz des Metalls des Kühlkörpers vor Korrosion wird der Kühlkörper mit Ausnahme seines Bodens mit einer dünnen Schicht schwarzer Farbe bestrichen. Durch das Anstreichen wird auch der ästhetische Gesamteindruck des Kühlkörpers im Vergleich mit einem möglichen fleckigen Erscheinungsbild aus oxidiertem Metall verbessert.
Fig. 5 zeigt einen Vergleich der thermischen Eigenschaften eingekapselter Bauelemente mit einem beispielhaften bouquetförmigen Kühlkörper, ohne Kühlkörper und mit einem herkömmlichen Stiftkühlkörper der in Fig. 6 dargestellten Art. Die thermischen Eigenschaften wurden auf Meereshöhe und bei Raumtemperatur bei einer 159 Eingabe/Ausgabe-CPGA Baugruppe (ceramic pin grid array = Keramikstiftgitteranordnung) mit einer gitterförmigen 16 x 16 Stiftanordnung und einem quadratischen 6,8 mm (0,269 Zoll) Leistungschip und einem Cu-W-Wärmeverteiler gemessen. Ein Vergleich der thermischen Eigenschaften des getesteten Bauelementes ohne Kühlkörper (Kurve A), mit einem rippenförmigen Kühlkörper (Kurve B) und mit einem straußförmigen Kühlkörper (Kurve C) zeigt, daß der straußförmige Kühlkörper ausgezeichnete wärmeabführende Eigenschaften besitzt und dies insbesondere bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten der Kühlluft. Die Kurven zeigen, daß ein beispielhafter Kühlkörper bezüglich seiner Leistungsfähigkeit Bauelementen ohne einen Kühlkörper weit überlegen ist, und daß er auch besser ist als Bauelemente mit herkömmlichen Stiftkühlkörpern.
Zusätzliche Vorteile und Modifikationen ergeben sich für Fachleute auf diesem Gebiet. Die vorliegende Erfindung ist im weiteren Sinne nicht auf die dargestellten und beschriebenen speziellen Details, die Ausführungsformen der Bauelemente und auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können demgemäß zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden, die in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche fallen.

Claims

1. Eingekapselte Einrichtung mit einem Kühlkörper, mit folgenden Merkmalen:

ein Gehäuse, welches eine integrierte Schaltung umschließt, und

ein Kühlkörper, der auf einer ebenen Außenseite des Gehäuses angebracht ist, wobei der Kühlkörper eine Mehrzahl von länglichen Stiften umfaßt, die an einem Ende von einem Halter gehalten werden und am anderen Ende eine büschelartige, sternausbruchförmige Gestaltung aufweisen, wobei die Stifte aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen und das erste Ende eine ebene Oberfläche aufweist, die an der ebenen Oberfläche des Gehäuses befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Stifte in Form von Stangen vorliegen, die aus Vollzylindern und Rohren ausgewählt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Halter einen Ring darstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Stifte an einem Ende innerhalb des Halters mit Befestigungsmitteln befestigt sind, die aus Lot und Kunststoffkleber ausgewählt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in welcher die Enden der Stifte an einem Ende mittels einer Substanz eingeebnet sind, die aus Lot und Kunststoffkleber ausgewählt sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers, der eine Mehrzahl von länglichen Stiften umfaßt, die an einem Ende durch einen Halter gehalten und am entgegengesetzten Ende eine büschelartige, sternausbruchförmige Gestalt besitzen, mit folgenden Schritten:

Halter werden entlang einer Länge einer Mehrzahl von länglichen Stangen plaziert, wobei die Halter die Stangen in Intervallen vorbestimmter Länge gebündelt halten und die Stangen aus einem Material mit hohen thermischen Eigenschaften bestehen;

die Stangen werden in Abschnitte geschnitten, wobei jeder Abschnitt Stangen der vorgegebenen Länge und einen Halter umfaßt;

eine Endfläche benachbart dem Halter wird mit einer Substanz beschichtet, die aus Lot und einem thermisch leitfähigen Kleber ausgewählt ist;

die beschichtete Endfläche wird gegebenenfalls eingeebnet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem die Zylinder aus Vollstangen und Rohren ausgewählt sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem der Halter einen Ring darstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem die Stangen an entgegengesetzten Enden zum freien Ende hin in eine sternförmige, straußförmige Gestalt ausgeweitet sind.