NO321138B1

NO321138B1 - Dress body for semiconductor components and similar equipment

Info

Publication number: NO321138B1
Application number: NO19963394A
Authority: NO
Inventors: Uwe Bock
Original assignee: Alcan Tech & Man Ltd
Priority date: 1995-08-17
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 2006-03-27
Also published as: NO963394L; EP0759636A2; EP0759636A3; DE29602366U1; NO963394D0

Description

Oppfinnelsen gjelder et kjølelegeme for halvlederkomponenter eller lignende utstyr, som i det minste delvis er fremstilt i ekstrudert aluminium eller et annet lettmetall og som omfatter en grunnplate og flere kjøleribber utført for fastsetting i hvert sitt spor utformet i innbyrdes avstand i grunnplaten, slik at kjøleribbene etter fastsetting rager hovedsakelig parallelt med hverandre ut fra grunnplaten. The invention relates to a heatsink for semiconductor components or similar equipment, which is at least partially produced in extruded aluminum or another light metal and which comprises a base plate and several heat sinks made for fixing in each separate groove designed at a distance from each other in the base plate, so that the heat sinks after attachment projects mainly parallel to each other from the base plate.

Publikajsonen DE 35 18 310 beskriver et kjølelegeme av denne art, hvor enkeltvis ekstruderte kjøleribber er formtilpasset forbundet med en ekstrudert grunnplate ved hjelp av en sammenføyningsmetode hvor kjøleribbene etter innføring i respektive spor låses til grunnplaten ved at grunnplatematerialet mellom sporene utsettes for et trykk fra et spesielt verktøy, som får det til å flyte sideveis i den hensikt å låse kjøleribbene til grunnplaten. For å forbedre denne låsing har hver kjøleribbe en koblingssokkel for innføring i et respektivt spor i grunnplaten, som kan være forsynt med rifler som løper parallelt med grunnplaten og som noe grunnplatematerial kan flyte inn i. Denne materiatdeformasjon har som mål å gi optimal varmeovergang mellom grunnplaten og kjøleribbene, men fordrer forholdsvis store krefter med et tilsvarende kraftig maskinelt oppbud for å gjennomføres. The publication DE 35 18 310 describes a cooling body of this kind, where individually extruded heat sinks are connected to an extruded base plate in a form-fitting manner by means of a joining method where the heat sinks, after being inserted into respective grooves, are locked to the base plate by subjecting the base plate material between the grooves to a pressure from a special tool, causing it to float sideways in order to lock the heatsinks to the baseplate. To improve this locking, each heatsink has a coupling base for insertion into a respective groove in the base plate, which can be provided with grooves that run parallel to the base plate and into which some base plate material can flow. This material deformation aims to provide optimal heat transfer between the base plate and the heat sinks, but requires relatively large forces with a correspondingly powerful mechanical effort to be carried out.

I forhold til dette beskriver publikasjonen EP 0 483 058 et forbedret kjølelegeme som har kjøleribber i form av ekstruderte, avstivede hulprofiler, idet profilenes parallelle sidevegger både innvendig og utvendig er forsynt med rifler for å øke deres overflateareal. Også i dette tilfelle har hver kjøleribbe en koblingssokkel som kan være forsynt med rifler for å forbedre kjøleribbens låsing til grunnplaten etter deformasjon av material i platen, slik som ovenfor. Med et sådant kjølelegeme skulle både kjøleribbenes veggtykkelse og kjølelegemets fremstill i ngsomkostn inger bli mindre, og det ble oppnådd et ribbeforhold på omtrent 30:1. In relation to this, the publication EP 0 483 058 describes an improved heat sink which has heat sinks in the form of extruded, stiffened hollow profiles, the parallel side walls of the profiles both internally and externally being provided with ribs to increase their surface area. Also in this case, each heatsink has a coupling base which may be provided with riffles to improve the locking of the heatsink to the base plate after deformation of material in the plate, as above. With such a heatsink, both the wall thickness of the heatsinks and the manufacturing cost of the heatsink should be reduced, and a rib ratio of approximately 30:1 was achieved.

Særlig ved forsert lufttilførsel med aksialventilatorer blir resultatet konstruksjoner med forholdsvis stor ribbehøyde og liten ribbetykkelse. Ribbevirkningsgraden blir da forholdsvis dårlig. Avhengig av metode er avstanden mellom de enkelte kjøleribber begrenset nedover til minst 3 mm. For anvendelse med fremtvungen konveksjon som har høyere lufthastighet og tilsvarende høyere varmeovergangstall, er det absolutt nødvendig med en god forbindelse mellom kjøleribbe og grunnplate, hvis ikke vil den store varmestrøm-tetthet føre til forholdsvis store temperaturforskjeller i sammenføyningssonen og derved merkbart forringe et kjølelegemes virkningsgrad. Especially with forced air supply with axial ventilators, the result is constructions with a relatively large rib height and small rib thickness. The degree of rib efficiency will then be relatively poor. Depending on the method, the distance between the individual cooling fins is limited downwards to at least 3 mm. For use with forced convection that has a higher air velocity and a correspondingly higher heat transfer coefficient, a good connection between the heatsink and the base plate is absolutely necessary, otherwise the high heat flow density will lead to relatively large temperature differences in the joining zone and thereby noticeably reduce the efficiency of a heatsink.

Således beskriver publikasjonen DE 41 34 929 et kjølelegeme som har en grunnplate med spor for feste av enkeltvise kjøleribber, hvor sporene i grunnplaten har U-formet tverrsnitt mens koblingssokkelen på kjøleribbene har gaffellignende tverrsnitt. Når en "gaffel" presses inn i et spor bøyes og rulles da "tinnene" på gaffelen innover stik at kjøleribben låses fast i grunnplaten for å gi god forbindelse mellom kjøleribbe og grunnplate. Thus, the publication DE 41 34 929 describes a cooling body which has a base plate with grooves for attaching individual heat sinks, where the grooves in the base plate have a U-shaped cross-section while the coupling base on the heat sinks has a fork-like cross-section. When a "fork" is pressed into a groove, the "tins" on the fork are bent and rolled inwards so that the heatsink is locked in the base plate to provide a good connection between the heatsink and base plate.

Ifølge den ovenfor beskrevne teknikk blir med andre ord kjøleribbene festet til grunnplaten ved hjelp av permanent deformerende operasjoner på grunnplate eller ribbe. Enten beholder kjøleribbene sin opprinnelige fasong, mens materialet i grunnplaten presses og "støpes" mot ribbenes sokler, eller grunnplaten forblir uendret, mens kjøleribbenes gafler tar form etter sporene i grunnplaten. According to the technique described above, in other words, the heat sinks are attached to the base plate by means of permanently deforming operations on the base plate or ribs. Either the heat sinks retain their original shape, while the material in the base plate is pressed and "molded" against the bases of the ribs, or the base plate remains unchanged, while the forks of the heat sinks take shape according to the grooves in the base plate.

Det finnes imidlertid anvendelsestilfeller som ikke ubetinget rettferdiggjør det ovenfor drøftede store oppbud. Dette gjelder særlig for bruk med fri konveksjon og i mindre grad også for fremtvungen konveksjon ved lav lufthastighet. However, there are application cases that do not unconditionally justify the large tender discussed above. This applies in particular to use with free convection and, to a lesser extent, also to forced convection at low air speeds.

I erkjennelse av den kjente teknikk har så den foreliggende oppfinnelse som formål å frembringe et kjølelegeme som oppviser fordelen av liten ribbeavstand så vel som liten ribbetykkelse og derved forholdsvis høy spesifikk kjøleytelse, men som samtidig på grunn av redusert oppbud under produksjonen, er mer omkostningsgunstig å fremstille. In recognition of the prior art, the purpose of the present invention is to produce a cooling body which exhibits the advantage of small rib spacing as well as small rib thickness and thereby a relatively high specific cooling performance, but which, due to reduced procurement during production, is more cost-effective to present.

I henhold til oppfinnelsen oppnås dette med et kjølelegeme av den innledningsvis nevnte art, og hvor den enkelte kjøleribbe har form av et plateprofil som i tverrsnitt i hovedsak har fasongen av en U, hvis to sideben utgjør kjøleribbens sidevegger som strekker seg bort fra U'ens tverrsteg. According to the invention, this is achieved with a heat sink of the kind mentioned at the outset, and where the individual heat sink has the form of a plate profile which in cross-section essentially has the shape of a U, whose two side legs form the side walls of the heat sink that extend away from the U's cross step.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da kjølelegemet i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at sporene i grunnplaten i det minste delvis har økende bredde mot bunnen av sporene og at tverrsteget på hver kjøleribbe ved innføring i et spor i grunnplaten i tverrsnitt er slik utformet at midten av tverrsteget er hevet mot rommet mellom sideveggene, hvoretter tverrsteget har blitt utsatt for en utflating under samtidig økning av tverrstegets bredde og fastspenning av sideveggene mot veggene i sporet. Based on this background of known technology in principle, the heat sink according to the invention has as a distinctive feature that the grooves in the base plate at least partly have an increasing width towards the bottom of the grooves and that the transverse step on each heat sink when inserted into a groove in the base plate in cross-section is designed in such a way that the center of the transverse step is raised towards the space between the side walls, after which the transverse step has been exposed to a flattening while simultaneously increasing the width of the transverse step and clamping the side walls against the walls of the groove.

Når en kjøleribbe i henhold til oppfinnelsen skal festes til en grunnplate, klemmes ribb-ens to sidevegger mot hverandre mens steget og en nedre del av sideveggene føres inn i et spor i grunnplaten. I denne stilling slippes sideveggene slik at de beveger seg fra hverandre i retning av sin opprinnelige hvilestilling og den nedre del av kjøleribbens sidevegger presses da mot innsiden av sporets vegger. Den tilbakestillings- eller fjærkraft som da utøves av kjøleribbens sidevegger mot innsiden av sporets vegger holder kjøleribben fast i sporet i grunnplaten. When a cooling fin according to the invention is to be attached to a base plate, the rib's two side walls are clamped against each other while the step and a lower part of the side walls are guided into a groove in the base plate. In this position, the side walls are released so that they move apart in the direction of their original rest position and the lower part of the heat sink's side walls is then pressed against the inside of the track walls. The reset or spring force which is then exerted by the side walls of the heat sink against the inside of the walls of the slot holds the heat sink firmly in the slot in the base plate.

Til forskjell fra tidligere kjent teknikk behøver således kjøleribbene i henhold til foreliggende oppfinnelse ikke bli utformet med spesielle koblingssokler og det er heller ikke nødvendig å utføre permanent deformerende operasjoner på grunnplate eller ribbe, siden det er fjærkraft som utnyttes for å holde kjøleribbene på plass i sporene i kjøle-legemets grunnplate. In contrast to prior art, the heat sinks according to the present invention do not need to be designed with special coupling sockets, nor is it necessary to carry out permanently deforming operations on the base plate or ribs, since spring force is used to keep the heat sinks in place in the grooves in the base plate of the heatsink.

For å frembringe en tilbakestillingskraft har det vist seg gunstig at sporene i grunnplaten i tverrsnitt i det minste delvis har form av en svalehale som har størst brede nær bunnen av sporene, mens avstanden mellom en kjøleribbes sidevegger forut for innføring i et spor øker mot deres ytterkanter, slik at de spriker fra hverandre. In order to produce a restoring force, it has been found advantageous that the grooves in the base plate in cross-section are at least partially dovetail-shaped, having their greatest width near the bottom of the grooves, while the distance between the side walls of a heatsink prior to insertion into a groove increases towards their outer edges , so that they split apart.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at det hevede tverrsteg på den U-formede kjøle-ribbe i tverrsnitt kan ha form av en del av en sirkelbue som vender mot rommet mellom sideveggene. Alternativt kan det hevede tverrsteg i tverrsnitt ha en vinklet fasong hvis spiss peker inn i rommet mellom sideveggene. I tillegg eller i stedet kan det hevede tverrsteg løpe mellom den U-formede kjøleribbes sidevegger i avstand fra sideveggenes nærliggende fotender motsatt deres ytterkanter. A further feature of the invention is that the raised transverse step on the U-shaped cooling rib in cross-section can take the form of part of a circular arc facing the space between the side walls. Alternatively, the raised transverse step in cross-section can have an angled shape whose tip points into the space between the side walls. In addition or instead, the raised transverse step may run between the side walls of the U-shaped heatsink at a distance from the side walls' adjacent foot ends opposite their outer edges.

Når en kjøleribbe er ført inn i et spor kan kjøleribbens tverrsteg eventuelt påføres en trykkraft for ytterligere utflating av tverrsteget til et tilnærmet rettlinjet steg, slik at det skapes en formtilpasset kontakt mellom utsiden av sideveggene og innsiden av sporets vegger. Dette forbedrer fastsettingen av kjøleribben i det tilordnede spor, særlig når sporet i tverrsnitt er underskåret, og forbedrer også generelt varmeovergangen mellom grunnplaten og de fastsatte kjøleribber. When a heatsink has been inserted into a slot, the heatsink's transverse step can optionally be applied a compressive force to further flatten the transverse step into an approximately rectilinear step, so that a shape-matched contact is created between the outside of the side walls and the inside of the slot's walls. This improves the fixation of the heatsink in the assigned groove, especially when the groove is undercut in cross-section, and also generally improves the heat transfer between the base plate and the fixed heatsinks.

Ytterligere fordeler, særtrekk og detaljer ved oppfinnelsen fremgår av den etterfølgende beskrivelse av de foretrukne utføretseseksempier gitt under henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Further advantages, distinctive features and details of the invention appear from the subsequent description of the preferred design examples given with reference to the attached drawings, on which:

Fig. 1 er en skisse av et kjølelegeme med kjøleribber på en grunnplate, Fig. 1 is a sketch of a heat sink with heat sinks on a base plate,

fig. 2 viser et forstørret utsnitt av fig. 1, fig. 2 shows an enlarged section of fig. 1,

fig. 3 - 5 viser forskjellige utførelsesformer av kjøleribbeavsnitt, fig. 3 - 5 show different embodiments of heat sink sections,

fig. 6 er en perspektivskisse av en enkelt kjøleribbe, og fig. 6 is a perspective sketch of a single heatsink, and

fig. 7 viser et forstørret utsnitt tilsvarende fig. 2 for en ytterligere utførelsesform. fig. 7 shows an enlarged section corresponding to fig. 2 for a further embodiment.

Et kjølelegeme 10 i lettmetall, særlig fremstilt fra AIMgSiO.5 F 22, beregnet på halvlederkomponenter som av hensyn til oversiktligheten ikke er nærmere vist på tegningene, oppviser en ekstrudert grunnplate 12 med spor 14 i form av rennelignende profileringer, som er skilt fra hverandre med bunnribber 16, idet sporveggene 18 er underskåret med en vinkel w på 1 - 2°. Dette fører til omvendte trapeslignende tverrsnitt av spor 14 og bunnribber 16. A heat sink 10 in light metal, in particular made from AIMgSiO.5 F 22, intended for semiconductor components which, for reasons of clarity, are not shown in detail in the drawings, has an extruded base plate 12 with grooves 14 in the form of channel-like profiles, which are separated from each other by bottom ribs 16, the groove walls 18 being undercut with an angle w of 1 - 2°. This leads to inverted trapezoidal cross-sections of grooves 14 and bottom ribs 16.

I sporene 14 med spordybde a settes det inn kjøleribber 20, 20a med et omtrent U-formet tverrsnitt og som enten er ekstrudert eller fremstilt fra et bånd tilformet ved valsing. Før de settes inn, har deres sidevegger 22 en stilling på skrå utover og avgrenser da et tverrsnitt som utvider seg i retning av ytterkanten 24 sideveggene, slik at sideveggene 22 i innbygget stilling trykkes mot hverandre av sporveggene 18 med vedkommende vinkel w. Cooling fins 20, 20a with an approximately U-shaped cross-section and which are either extruded or produced from a band shaped by rolling are inserted into the grooves 14 with groove depth a. Before they are inserted, their side walls 22 have a position slanting outwards and then define a cross-section which expands in the direction of the outer edge 24 of the side walls, so that the side walls 22 in the built-in position are pressed against each other by the track walls 18 with the relevant angle w.

Tverrsteget 26 i den ekstruderte kjøleribbe 20 er utformet som en del av en sirkelbue i tverrsnitt og anordnet slik som vist i fig. 3 på den platevendte sideveggende 23, eller slik som vist i fig. 4, i avstand fra denne. Avstanden i tilsvarer den halve spordybde a. The transverse step 26 in the extruded cooling fin 20 is designed as part of a circular arc in cross-section and arranged as shown in fig. 3 on the plate-facing side wall end 23, or as shown in fig. 4, at a distance from this. The distance i corresponds to half the track depth a.

I fig. 2 er tverrsteget 26 buet bare i sideveggområdet. In fig. 2, the transverse step 26 is curved only in the side wall area.

I fig. 5 og 6 er det vist et tverrsteg 26a i en kjøleribbe 20a fremstilt fra et valsetilformet bånd, som har en noe trekantet form. In fig. 5 and 6, a transverse step 26a is shown in a cooling fin 20a produced from a roll-shaped strip, which has a somewhat triangular shape.

Fig. 7 viser et spor 14a med en særskilt form, som omtrent halvveis har et rettvinklet Fig. 7 shows a groove 14a with a special shape, which approximately halfway has a right angle

tverrsnitt (avsnitt 18a) og som fra den halve spordybde a til bunnen 15 av sporet utvider seg til en svalehaleform (avsnitt 18b). Sporbunnen 15 har her konkav utforming og etter sin deformering drøftet nedenfor, danner tverrsteget 26b et plan i den fastliggende kjøle-ribbe 20a. cross section (section 18a) and which from half the groove depth a to the bottom 15 of the groove expands into a dovetail shape (section 18b). The groove bottom 15 here has a concave design and after its deformation discussed below, the transverse step 26b forms a plane in the stationary cooling rib 20a.

Bredden b (fig. 3) av ribbefoten er mindre enn minstemålet av sporbredden e (fig. 1 og 2), slik at kjøleribben 20 først kan settes inn uten særlig kraft. Kjøleribben 20 blir festet til grunnplaten 12 på følgende måte: De sirkelsegmentformede eller trekantformede tverrsteg 26, 26a blir ved hjelp av en trykkraft som like gjerne kan frembringes ved hjelp av valser som også ved hjelp av stemjern, deformert slik at de tilnærmet, slik som vist i fig. 7, danner et rett steg. Derved spres sideveggene 22 i fotområdet og trykkes mot sporveggene 18, slik at det opprettes en formtilpasset forbindelse mellom utsiden av sideveggene og innsiden av sporveggene 18. Det derved oppnådde kontakttrykk sikrer en fullt ut tilstrekkelig varmeovergang med hensyn til det forutsette anvendelsesområde. The width b (fig. 3) of the rib base is smaller than the minimum dimension of the groove width e (fig. 1 and 2), so that the heat sink 20 can first be inserted without much force. The cooling rib 20 is attached to the base plate 12 in the following way: The circular segment-shaped or triangular-shaped transverse steps 26, 26a are deformed with the help of a compressive force that can just as well be produced with the help of rollers as with the help of a stem iron so that they approximate, as shown in fig. 7, forms a straight step. Thereby, the side walls 22 are spread in the foot area and pressed against the groove walls 18, so that a form-fitting connection is created between the outside of the side walls and the inside of the groove walls 18. The contact pressure thus obtained ensures a fully sufficient heat transfer with regard to the expected area of application.

Claims

1. Heatsink for semiconductor components or similar equipment, which is at least partially produced in extruded aluminum or another light metal and which comprises a base plate (12) and several heat sinks (20, 20a) made for fixing in each separate groove (14) designed at a distance from each other in the base plate, so that the heat sinks, after fixing, protrude mainly parallel to each other from the base plate, and where the individual heat sink has the form of a plate profile which in cross-section essentially has the shape of a U, whose two side legs form the side walls of the heat sink ( 22) which extends away from the U's transverse step (26, 26a), characterized in that the grooves (14) in the base plate (12) at least partially have increasing width (e) towards the bottom (15) of the grooves and that the transverse step ( 26, 26a) on each cooling rib (20, 20a) when inserted into a groove in the base plate in cross-section is designed so that the center of the transverse step is raised towards the space between the side walls (22), after which the transverse step has been subjected to a flattening under simultaneously increasing the width of the cross step (b) and clamping the side walls (22) against the walls (18,18b) in the groove (14).

2. Heat sink as stated in claim 1, and where the grooves (14) in the base plate (12) in cross-section at least partially have the shape of a dovetail which has the greatest width near the bottom (15) of the grooves.

3. Heatsink as specified in claim 2, and where the distance between a heatsink's side walls (22) prior to introduction into a groove increases towards their outer edges (24), so that they spread apart.

4. Heatsink as stated in claim one of claims 1, 2 or 3, and where the raised transverse step (26) on the U-shaped heatsink (20) in cross-section has the shape of a part of a circular arc facing the space between the side walls ( 22).

5. Heatsink as stated in one of claims 1, 2 or 3, and where the raised transverse step (26a) on the U-shaped heatsink (20a) in cross-section has an angled shape whose tip points into the space between the side walls (22).

6. Heatsink as stated in one of the preceding claims, and where the raised transverse step (26) runs between the side walls (22) of the U-shaped heat sink at a distance (i) from the side walls' nearby foot ends (23) opposite their outer edges (24).

7. Cooling body as stated in claim 1, and where the transverse step (26, 26a) after the introduction into a groove (14) in the base plate (12) has been subjected to a compressive force for further flattening of the transverse step into an approximately rectilinear step, so that it is form-fitting contact has been created between the outside of the side walls (22) and the inside of the track walls (18,18a).

8. Cooling body as stated in claim 7, and where the compressive force for further flattening of the transverse step (26, 26a) has been applied by means of rollers or a tamping iron.

9. Heat sink as stated in one of the preceding claims, and where the bottom (15) of the grooves (14) has a curved depression between the groove walls (18,18a).