WO2002043143A2 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung von elektronischen bauelementen, beispielsweise von integrierten schaltkreisen - Google Patents

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WO2002043143A2
WO2002043143A2 PCT/EP2001/012309 EP0112309W WO0243143A2 WO 2002043143 A2 WO2002043143 A2 WO 2002043143A2 EP 0112309 W EP0112309 W EP 0112309W WO 0243143 A2 WO0243143 A2 WO 0243143A2
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spring
electronic component
circuit board
printed circuit
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Ernst Engst
Ibrahim Rojhalat
Josef STRÖBL
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OCé PRINTING SYSTEMS GMBH
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling electronic components by means of a heat sink seated thereon.
  • Heat sinks for integrated circuits such as microprocessors, are known from DE 196 43 612 AI, to the disclosure of which reference is made here in full.
  • Such a known heat sink is a rectangular, essentially flat metal plate which has, on one side, integrally molded parts in the form of webs which define a contact surface for thermal contact with the integrated circuit.
  • the integrated circuit sits, possibly via an elastic heat-conducting foil, on the heat contact surface of the heat sink defined by the webs.
  • the heat sink is fastened to a printed circuit board by screws engaging in the webs, contact pins of the integrated circuit engaging in a base which is in turn contacted on the printed circuit board.
  • cooling fins are provided for heat dissipation.
  • the cross-sectional area of the metal plate of the heat sink perpendicular to its thickness is large compared to the cross-sectional area of the electronic component perpendicular to its thickness.
  • the webs surrounding the integrated circuit have a height which is equal to the thickness of the integrated circuit.
  • assemblies of low height can be realized, the height being given by the total thickness of the heat sink, which in turn is determined by the thickness of the heat sink Metal plate and the height of the cooling fins and the webs defining the heat contact surface is fixed.
  • the large cross-sectional area of the metal plate of the heat sink perpendicular to its thickness ensures good heat dissipation.
  • the small height of the assemblies comprising the printed circuit board, the integrated circuit to be cooled, further electronic components on the printed circuit board and the heat sink takes up a relatively small amount of space, so that, given the volume of the assembly system of an electrical system, a comparatively large number of assemblies can be accommodated.
  • Heat sinks of the type described above are still expensive in that by the integrally molded, the
  • a housing module for integrated circuits is known from US Pat. No. 5,065,280, in which the electronically inactive side of a circuit system is pressed against a heat sink in that an elastomer - an elastic plastic - is pressed against the circuit system by a multilayer flexible printed circuit board.
  • This results in a large height of the housing module making it unsuitable for assemblies of low height in the sense of the heat sink explained above with reference to DE 196 43 612 A1.
  • rigidly screwed mounting of the heat sink for components of the dimensions mentioned above is also not practical.
  • a module for integrated circuits is known from US Pat. No. 5,548,482, in which the circuit system is electrically mounted on a circuit board via external connections and a heat sink is placed on the circuit system via a heat-conducting material.
  • the arrangement of the circuit system, the thermally conductive material and the heat sink is held on the circuit board by thermally conductive clamps acting on the heat sink and on the circuit board.
  • springs for example coil springs or leaf springs, can also be provided between the brackets and the heat sink. These springs exert a pressure on the heat sink so that it is pressed firmly onto the circuit system via the thermally conductive material.
  • Cooling element are attached to the circuit board, are pressed against the component to be cooled.
  • Such arrangements are primarily suitable for using cooling elements whose area is approximately as large as the area of the processor of the component to be cooled.
  • the cooling elements are therefore generally provided with relatively high cooling fins in order to achieve sufficient cooling area.
  • the heat coupling between the processor and the cooling element may not be optimal due to the uneven surface pressure, because the different springs cause different pressure forces between the heat sink and the component to be cooled.
  • T2 cooling arrangements are known in which a nipple is provided centrally on the component to be cooled, on which a heat sink is attached with a spiral spring is mountable. This arrangement also requires a specially adapted component provided with a nipple.
  • Arrangements are known from WO-Al-99/12202 in which the cooling element is connected to the component by means of springs and fixing elements, which are applied directly to the component to be cooled.
  • the component to be cooled has corresponding projections into which the spring-loaded arrangement is snapped into place.
  • the invention has for its object to provide a cooling device for non-specially adapted components, through which a heat sink sits flat on the heat-generating electronic component and the force that the heat sink exerts on the component is precisely adjustable.
  • a cooling body made of metal which has at least one flat surface, is provided for cooling an electronic component which is mounted on a printed circuit board and has a flat housing.
  • This flat surface sits on a flat surface of the electronic component, which is on the opposite side of the circuit board Component lies.
  • the heat sink is pressed onto the electronic component by a spring which is mounted centrally with respect to the surface of the electronic component and / or with respect to the surface of the heat sink.
  • the heat sink is fixed with fixing elements on the circuit board in such a way that the heat sink is fixed against movements perpendicular to the spring force effect and / or against twisting.
  • the spring can in particular be designed as a helical spring or as a leaf spring, which has a force transmission area located centrally on the heat sink and / or on the electronic component.
  • electronic components of almost any type that are mounted on a printed circuit board can be cooled.
  • the components themselves only have to have a sufficiently wide contact surface for the heat sink, which is generally fulfilled by integrated switching (IC) in particular.
  • IC integrated switching
  • the components do not otherwise have to be specially adapted to the heat sink.
  • the contact between the heat sink and the electronic component is established, in particular, by the heat sink and the fixation of the heat sink with respect to displacements and twists with respect to the integrated one
  • Circuit or the circuit board generated by the fixing elements which cause a mechanically firm connection or storage of the heat sink on the circuit board.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an inventive
  • Figure 2 shows an embodiment of a device according to the invention with a coil spring for generating the force acting centrally on the heat sink and the electronic component;
  • Figure 3 shows an embodiment of a device according to the invention with a leaf spring for generating the force acting centrally on the heat sink and the electronic component;
  • Figure 4 shows an embodiment of an inventive device for cooling an electronic component in the form of an integrated processor circuit
  • FIG. 5 shows a top view of the heat sink of the device according to FIG. 5.
  • Figure 1 shows a cooling device for an electronic
  • This is a circuit system, which is understood to mean a semiconductor body 11 containing the electronic components such as transistors, diodes, capacitors or resistors, conductor tracks and connection pads on the semiconductor body 11 and a housing 12 with external connections.
  • the circuit system represents a heat-generating area with an exposed flat surface 11 ', on which a heat sink 13 with a heat sink bottom 14 and cooling fins 15 can be placed.
  • This heat sink is an essentially flat metal plate, for example made of aluminum or copper.
  • the heat-generating area is expediently coupled via a thermally conductive material 17, for example a heat-conducting film or heat-conducting paste, in order to improve the heat transfer.
  • a thermally conductive material 17 for example a heat-conducting film or heat-conducting paste
  • the circuit system 10 On the side facing away from the heat sink 13, the circuit system 10 is mounted on a printed circuit board 16 and electrically coupled into it, which is likewise only shown schematically.
  • this force F is transmitted by a spring acting in the center.
  • the pressure acting on the circuit system 10 is determined by the spring force and can be defined via the spring stiffness.
  • the structure is mechanically stable despite the flexible assembly.
  • the heat sink 13 is freely movable in the direction of the spring force.
  • a further advantage is that, despite the small size of the heat-generating area 12, the circuit system 10 can use a large-area heat sink 13.
  • the area requirement on the circuit board 16 is also comparatively small because further components can be arranged under the heat sink 13, i.e. a predetermined area of the
  • Circuit board 16 can be used optimally because the area occupied by the cooling device is not exclusively occupied by it.
  • fixing elements 19 are provided, which can be screws or bolts. As FIG. 1 shows, these fixing elements 19 reach through the heat sink 13 and the printed circuit board 16.
  • Figure 2 shows an embodiment in which the force F of Figure 1 is generated by a coil spring 23.
  • a bracket 20 is provided, which has fixing elements in the form of two legs 21 and a third leg 22, on which the spring 23 is positioned centrally with respect to the flat surface 11 'of the circuit system.
  • the length of the leg 22 is selected so that it does not rest on the heat sink 13.
  • the legs 21 in turn serve to fix the heat sink 13 against movements perpendicular to the spring force effect and twisting.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment in which the force F according to FIG. 1 is generated by a leaf spring 30 which has a force transmission region 31 which is seated centrally on the heat sink 13 in the region of the flat surface 11 ′ of the electronic component 10.
  • the fixation of the heat sink 13 against movements perpendicular to the spring force effect and Rotations takes place in this embodiment by fixing elements 32 in the form of screws or bolts which engage through the heat sink 13 and the circuit board 16.
  • FIGS. 2 and 3 correspond to the basic exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • Figures 4 and 5 show a practical embodiment of a device for cooling an electronic
  • Component 10 in the form of an integrated microprocessor is seated in a manner known per se in a base 40, which is not absolutely necessary, into which it is pressed into the cooling device before assembly. Furthermore, a bracket 41 is provided with a leg 42 on which the coil spring 23 is seated and which is detachably connected to the printed circuit board 16 via the screws 32. The spring force in turn acts centrally on the processor 10. To fix the heat sink 13 against movements perpendicular to the spring force effect and twists, two fixation elements 43 in the form of bolts 45 held by screws 44 are provided, which by the bracket 41, the heat sink 13 and the Grasp circuit board 16, whereby a counterforce for the spring 23 is generated.
  • leg 42 and the fixing elements 43 or bores in the heat sink 13 lie thereon on a straight line which runs horizontally in the plane of the drawing.
  • This exemplary embodiment also corresponds to the exemplary embodiments described above.
  • the processor system may only be loaded via the spring 23 with a force that is significantly less than the force that must be used to push the processor into the socket, the processor is installed in the socket before assembly in the cooling device.
  • the heat sink 13 cannot simply be screwed tightly onto the printed circuit board 16, since it cannot be assumed that the processor 10 will give in to the pressure and continue to press into the socket 40. When the processor 10 is pressed in, the force must therefore act uniformly on the entire processor area.
  • the heat sink 13 is mounted separately after the process assembly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (10) mit einem auf mindestens einem wärmeerzeugenden Bereich des Bauelementes (10) aufsitzenden Kühlkörper (13), der durch eine mittig am Kühlkörper (13) über dem wärmeerzeugenden Bereich des Bauelementes (10) angreifende Feder (23) gegen das Bauelement (10) gepresst wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, beispielsweise von integrierten Schaltkreisen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mittels eines auf diesen aufsitzenden Kühlkörpers.
Kühlkörper für integrierte Schaltkreise, wie beispielsweise Mikroprozessoren, sind aus der DE 196 43 612 AI bekannt, auf deren Offenbarungsinhalt hier vollständig Bezug genommen wird.
Bei einem solchen bekannten Kühlkörper handelt es sich um eine rechteckige, im wesentlichen flache Metallplatte, die auf einer Seite einstückig angeformte Teile in Form von Stegen besitzt, welche eine Kontaktfläche für einen Wärmekontakt mit dem integrierten Schaltkreis definieren. Der integrierte Schaltkreis sitzt, gegebenenfalls über eine elastische Wärm- leitfolie, auf der durch die Stege definierten Wärmekontaktfläche des Kühlkörpers. Durch in die Stege eingreifende Schrauben wird der Kühlkörper auf einer Leiterplatte befestigt, wobei Kontaktstifte des integrierten Schaltkreises in einen Sockel eingreifen, der seinerseits auf der Leiterplatte kontaktiert ist. Auf der der Wärmekontaktfläche abgewandten Seite des Kühlkörpers sind Kühlrippen zur Wärmeabfuhr vorgesehen. Die Querschnittsfläche der Metallplatte des Kühlkörpers senkrecht zu ihrer Dicke ist groß gegen die Querschnittsfläche des elektronischen Bauelementes senkrecht zu dessen Dicke.
Bei derartig ausgebildeten Kühlkörpern besitzen die den integrierten Schaltkreis umgebenden Stege eine Höhe, welche gleich der Dicke des integrierten Schaltkreises ist. Mittels eines solchen Kühlkörpers sind Baugruppen geringer Höhe realisierbar, wobei die Höhe durch die Gesamtdicke des Kühlkörpers gegeben ist, die ihrerseits durch die Dicke von dessen Metallplatte sowie der Höhe der Kühlrippen und der die Wärmekontaktfläche definierenden Stege festgelegt ist.
Die große Querschnittsfläche der Metallplatte des Kühlkörpers senkrecht zu ihrer Dicke gewährleistet eine gute Wärmeabfuhr. Gleichzeitig nimmt bei genormten Aufbausystemen für elektrische Anlagen die geringe Höhe der Baugruppen aus Leiterplatte, zu kühlendem integrierten Schaltkreis, weiteren elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte sowie Kühlkörper relativ geringen Platz ein, so dass bei vorgegebenem Volumen des Aufbausystems einer elektrischen Anlage eine vergleichsweise große Anzahl von Baugruppen unterbringbar ist.
Kühlkörper der vorstehend beschriebenen Art sind insofern noch aufwendig, als durch die einstückig angeformten, die
Wärmekontaktfläche definierenden Stege ein zusätzlicher Formvorgang zur Ausbildung dieser Stege notwendig ist.
Weitere Probleme ergeben sich durch die immer geringer wer- dende Größe der zu kühlenden Bauelemente. Die Auflagefläche des Kühlkörpers auf dem Bauelement liegt inzwischen teilweise nur noch bei 1 bis 2 cm2. Um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten, muss der Kühlkörper, beispielsweise mit einer Fläche von über 100 cm2, absolut plan auf dem wärmeerzeugen- den Bereich des Bauelementes aufliegen. Gleichzeitig darf™ die Kraft, die der Kühlkörper auf das Bauelement ausübt, nicht zu groß werden, da das Halbleitermaterial des Bauelementes druk- kempfindlich ist. Eine starr verschraubte Montage des Kühlkörpers, wie dies bei dem vorstehend erläuterten bekannten Kühlkörper der Fall ist, ist daher nicht mehr praktikabel.
Aus der US-PS 5,065,280 ist ein Gehäusemodul für integrierte Schaltkreise bekannt, bei dem die elektronisch inaktive Seite eines Schaltkreissystems dadurch gegen einen Kühlkörper ge- presst wird, dass ein Elastomer - ein elastischer Kunststoff - durch eine mehrschichtige flexible Leiterplatte gegen das Schaltkreissystem gedrückt wird. Unterhalb der mehrschichti- gen flexiblen Leiterplatte, d.h., auf deren vom Schaltkreissystem abgewandten Seite, befindet sich eine feste Rückseitenplatte, die mit dem Kühlkörper verschraubt ist, wodurch der Druck erzeugt wird, der die mehrschichtige flexible Lei- terplatte und das Elastomer gegen das Schaltkreissystem und dieses gegen den Kühlkörper drückt. Daraus ergibt sich eine große Höhe des Gehäusemoduls, wodurch er für Baugruppen geringer Höhe im Sinne des oben an Hand der DE 196 43 612 AI erläuterten Kühlkörpers nicht geeignet ist. Darüber hinaus ist dabei auch eine starr verschraubte Montage des Kühlkörpers für Bauelemente der oben genannten Abmessungen ebenfalls nicht praktikabel.
Aus der US-PS 5,548,482 ist ein Modul für integrierte Schalt- kreise bekannt, bei dem das Schaltkreissystem über Außenanschlüsse elektrisch auf einer Leiterplatte montiert ist und auf das Schaltkreissystem über ein wärmeleitendes Material ein Kühlkörper aufgesetzt ist. Die Anordnung aus Schaltkreissystem, thermisch leitendem Material und Kühlkörper wird durch am Kühlkörper und an der Leiterplatte angreifende thermisch leitende Klammern auf der Leiterplatte gehalten. Speziell können auch zwischen den Klammern und dem Kühlkörper Federn, z.B. Schraubenfedern oder Blattfedern, vorgesehen sein. Durch diese Federn wird ein Druck auf den Kühlkörper ausgeübt, so dass dieser über das thermisch leitende Material fest auf das Schaltkreissystem gepresst wird. Dieses Prinzip ist jedoch nicht mehr praktikabel, wenn die Querschnittsfläche des Kühlkörpers senkrecht zu seiner Dicke groß gegen die Querschnittsfläche des Schaltkreissystems senkrecht zu dessen Dicke ist. Dabei entsteht dann das Problem einer exzentrischen Krafteinwirkung auf den Kühlkörper. Sollen nämlich geringe Aufbauhöhen realisiert werden, so sind die Federn entsprechend kurz und müssen daher eine relativ große Stei- figkeit besitzen, um die nötige Kraft aufzubringen. Derartige Federn sind nie exakt gleich und daher mit Toleranzen behaftet, woraus sich im schlechtesten Fall ein Kippmoment ergibt, das zu einem nicht mehr planen Aufsitzen des Kühlkörpers auf dem Schaltkreissystem und damit zu einem schlechten Wärmeübergang führt. Zu den Federtoleranzen kommen noch weitere Fertigungs- und Montagetoleranzen, die sich auf die Federlängen und damit auf die Federkräfte auswirken, was das Problem des schlechten Wärmeübergangs aufgrund des nicht mehr planen Aufsitzens des Kühlkörpers auf dem Schaltkreissystem noch verschärft .
Aus der JP-A-10256444 und aus der JP-A-11251496 sind Anord- nungen bekannt, bei denen ein Kühlkörper auf ein elektronisches Bauteil zentrisch geschraubt wird. Bei derartigen Anordnungen müssen die elektronischen Bauteile für eine entsprechende Verschraubung geeignet sein. Dies ist jedoch nicht für alle elektronische Bauelemente der Fall, insbesondere nicht für sogenannte Ball-grid-array-Gehäuse (BGA) , welche in extremer Flachbauweise ausgeführt sind.
Aus der EP-A-1020910 und aus der US 5,730,710 A sind Anordnungen zur Kühlung von elektronischen Bauelementen bekannt, bei denen die Kühlelemente mit Federn, die beidseitig des
Kühlelementes an der Leiterplatte befestigt sind, an das zu kühlende Bauelement angepreßt werden. Derartige Anordnungen sind vorwiegend dazu geeignet, Kühlelemente, deren Fläche etwa so groß ist wie die Fläche des Prozessors des zu kühlen- den Bauelements, zu verwenden. Die Kühlelemente sind bei derartigen Anordnungen deshalb in der Regel mit relativ hohen Kühlrippen versehen, um genügend Kühlungsfläche zu erzielen. Dazu kommt, daß bei Anordnungen mit mehreren Federn unter Umständen die Wärmekopplung zwischen Prozessor und Kühlele- ment aufgrund ungleichmäßiger Flächenanpressung nicht optimal ist, weil die verschiedenen Federn zu verschiedenen Andruck- kräften zwischen Kühlkörper und zu kühlenden Bauelement bewirken.
Aus der DE 68915471 T2 sind Kühlanordnungen bekannt, bei denen auf dem zu kühlenden Bauelement zentrisch ein Nippel vorgesehen ist, an dem mit einer Spiralfeder ein Kühlkörper montierbar ist. Auch diese Anordnung erfordert ein speziell angepaßtes, mit einem Nippel versehenes Bauelement.
Aus der WO-Al-99/62117 ist eine Kühlanordnung bekannt, bei der das Kühlelement bezüglich der zu kühlenden Fläche des
Prozessors .auf der selben Seite angeordnet ist, wie die Leiterplatte. Dies erfordert eine spezielle Leiterplattenkonstruktion mit entsprechenden Ausnehmungen für die Kühlelemente.
Aus der WO-Al-99/12202 sind Anordnungen bekannt, bei denen das Kühlelement mittels Federn und Fixierelementen mit dem Bauteil verbunden sind, die direkt auf das zu kühlende Bauelement aufgebracht werden. Dazu weist das zu kühlende Bau- element entsprechende Vorsprünge auf, in die die gefederte Anordnung eingerastet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für nicht speziell angepaßte Bauelemente anzugeben, durch die ein Kühlkörper plan auf dem wärmeerzeugenden elektronischen Bauelement aufsitzt und die Kraft, die der Kühlkörper auf das Bauelement ausübt, genau einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit einem flachen wenigstens eine ebene Fläche aufweisenden Gehäuse durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran- Sprüchen. ' -
Erfindungsgemäß wird zur Kühlung eines auf einer Leiterplatte montierten elektronischen Baulemente, das ein flaches Gehäuse aufweist, ein Kühlkörper aus Metall vorgesehen, der wenig- stens eine ebene Fläche aufweist. Diese ebene Fläche sitzt auf einer ebenen Fläche des elektronischen Bauelements auf, die bezüglich der Leiterplatte auf der abgewandten Seite des Bauelements liegt. Der Kühlkörper wird durch eine Feder, die bezüglich der Fläche des elektronischen Bauelements und/oder bezüglich der Fläche des Kühlkörpers zentrisch gelagert ist, auf das elektronische Bauelement gepreßt. Zusätzlich ist der Kühlkörper mit Fixierungselementen derart auf der Leiterplatte fixiert, daß der Kühlkörper gegen Bewegungen senkrecht zur Federkraftwirkung und/oder gegen Verdrehungen fixiert ist.
Die Feder kann insbesondere als Schraubenfeder oder als Blattfeder ausgeführt sein, die einen mittig auf dem Kühlkörper und/oder auf dem elektronischen Bauelement aufsitzenden Kraftübertragungsbereich hat. Mit der Erfindung können elektronische Bauelemente nahezu jeder Art, die auf einer Leiterplatte montiert sind, gekühlt werden. Die Bauelemente ansich müssen dazu lediglich eine ausreichend breite Berührfläche für den Kühlkörper aufweisen, was inbesondere integrierte Schaltweise (IC) in aller Regel erfüllen. Die Bauelemente müssen ansonsten in keiner Weise besonders an den Kühlkörper angepaßt sein. Insbesondere ist es nicht nötig, am elektroni- sehen Bauelemente mechanische Einrichtungen zu platzieren oder vorzusehen, an denen das Kühlelement befestigt ist. Erfindungsgemäß wird der Kontakt zwischen Kühlkörper und elektronischen Bauteil insbesondere durch den Kühlkörper hergestellt und die Fixierung des Kühlkörpers bezüglich Ver- Schiebungen und Verdrehungen gegenüber dem integrierten
Schaltkreis bzw. der Leiterplatte durch die Fixierelemente erzeugt, die eine mechanisch feste Verbindung bzw. Lagerung des Kühlkörpers auf der Leiterplatte bewirken.
Mit der Erfindung ist es insbesondere möglich, einen sehr flachen Gesamtaufbau zu erreichen, bei dem der Kühlkörper nur wenig von der Leiterplatte bzw. dem Prozessor hervorragt, in dem Kühlkörper mit vergleichsweise niedrigen Kühlrippen eingesetzt werden. Der Kühlkörper kann sich dann hauptsächlich in der Fläche parallel zur Leiterplatte bzw. zur Kühlfläche des Prozessors erstrecken. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einer mittig auf einem Kühlkörper und ein elektronisches Bauelement wirkenden Kraft;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schraubenfeder zur Erzeugung der mittig auf den Kühlkörper und das elektronischen Bauelement wirkenden Kraft;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Blattfeder zur Erzeugung der mittig auf den Kühlkörper und das elektronische Bauelement wirkenden Kraft;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung eines elektronischen Bauelementes in Form eines integrierten Prozessorschaltkreises; und
Figur 5 eine Draufsicht des Kühlkörpers der Vorrichtung nach Figur 5.
In den Figuren der Zeichnungen sind jeweils gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine Kühlvorrichtung für ein elektronisches
Bauelement in Form eines integrierten Schaltkreises 10, der lediglich schematisch dargestellt ist. Es handelt sich dabei um ein Schaltkreissystem, unter dem ein die elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Transistoren, Dioden, Kapazi- täten oder Widerstände, enthaltender Halbleiterkörper 11, Leiterbahnen und Anschlusspads auf dem Halbleiterkörper 11 sowie ein Gehäuse 12 mit Außenanschlüssen verstanden wird. Das Schaltkreissystem stellt einen wärmeerzeugenden Bereich mit einer freiliegenden ebenen Fläche 11' dar, auf die ein Kühlkörper 13 mit einem Kühlkörperboden 14 und Kühlrippen 15 aufsetzbar ist. Bei diesem Kühlkörper handelt es sich um eine im wesentlichen flache Metallplatte, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer.
Zweckmäßigerweise wird der wärmeerzeugende Bereich über ein thermisch leitendes Material 17, beispielsweise eine Wärme- leitfolie oder Wärmeleitpaste, zur Verbesserung des Wärmeübergangs angekoppelt.
Auf der vom Kühlkörper 13 abgewandten Seite ist das Schaltkreissystem 10 auf einer Leiterplatte 16 montiert und elek- trisch in diese eingekoppelt, was ebenfalls lediglich schematisch dargestellt ist.
Wesentlich für eine plane Auflage des Kühlkörpers 13 auf dem Schaltkreissystem 10 ist es, dass eine mittig wirkende, in Figur 1 schematisch mit F bezeichnete Kraft auf den Kühlkörper 13 wirkt.
Wie die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 bis 5 zeigen, wird diese Kraft F durch eine mittig wirkende Feder übertra- gen.
Damit ist die plane Auflage des Kühlkörpers 13 auf dem Schaltkreissystem 10 sichergestellt. Der auf das Schaltkreissystem 10 wirkende Druck wird durch die Federkraft bestimmt und ist über die Federsteifigkeit definierbar. Der Aufbau ist trotz der flexiblen Montage mechanisch stabil. In Federkraftrichtung ist der Kühlkörper 13 frei beweglich.
Selbst wenn auf den Kühlkörper 13 eine exzentrische Kraft wirken sollte, kehrt er sofort wieder in die plane Auflage zurück, wenn diese Kraft verschwindet. Auch bewirken Bauteiltoleranzen kein Kippmoment. Der Kühlkörper 10 liegt trotz dieser Toleranzen immer plan auf, wodurch ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist, was durch Zwischenschaltung des thermisch leitenden Materials 17 noch unterstützt wird.
Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass trotz der geringen Abmessung des wärmeerzeugenden Bereiches 12 das Schaltkreissystem 10 ein großflächiger Kühlkörper 13 verwendbar ist. Auch ist der Flächenbedarf auf der Platine 16 vergleichsweise gering, weil unter dem Kühlkörper 13 weitere Bauelemente angeordnet werden können, d.h., eine vorgegebene Fläche der
Platine 16 kann optimal ausgenutzt werden, weil die durch die Kühlvorrichtung belegte Fläche nicht ausschließlich durch sie beansprucht wird.
Um Bewegungen senkrecht zur Federkraftwirkung und Verdrehungen des Kühlkörpers 13 zu vermeiden, sind Fixierungselemente 19 vorgesehen, bei denen es sich um Schrauben oder Bolzen handeln kann. Wie Figur 1 zeigt, greifen diese Fixierungselemente 19 durch den Kühlkörper 13 und die Leiterplatte 16.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kraft F nach Figur 1 durch eine Schraubenfeder 23 erzeugt wird. Dabei ist ein Bügel 20 vorgesehen, der Fixierungselemente in Form zweier Schenkel 21 sowie einen dritten Schenkel 22 besitzt, auf dem die Feder 23 in Bezug auf die ebene Fläche 11' des Schaltkreissystems mittig positioniert ist. Die Länge des Schenkels 22 ist so gewählt, dass er nicht auf dem Kühlkörper 13 aufsitzt. Die Schenkel 21 dienen wiederum der Fixierung des Kühlkörpers 13 gegen Bewegungen senkrecht zur Federkraft- Wirkung und Verdrehungen.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kraft F nach Figur 1 durch eine Blattfeder 30 erzeugt wird, welche einen Kraftübertragungsbereich 31 besitzt, der mittig auf dem Kühlkörper 13 im Bereich der ebenen Fläche 11' des elektronischen Bauelementes 10 aufsitzt. Die Fixierung des Kühlkörpers 13 gegen Bewegungen senkrecht zur Federkraftwirkung und Ver- drehungen erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel durch Fixierungselemente 32 in Form von Schrauben oder Bolzen, welche durch den Kühlkörper 13 und die Leiterplatte 16 greifen.
Im übrigen entsprechen die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 und 3 dem prinzipiellen Ausführungsbeispiel nach den Figur 1.
Die Figuren 4 und 5 zeigen ein praktisches Ausführungsbei- spiel einer Vorrichtung zur Kühlung eines elektronischen
Bauelementes 10 in Form eines integrierten Mikroprozessors. Dieser Mikroprozessor sitzt dabei in an sich bekannter Weise in einem - nicht zwingend erforderlichen - Sockel 40, in den er vor der Montage in die Kühlvorrichtung eingedrückt wird. Weiterhin ist dabei ein Bügel 41 mit einem Schenkel 42 vorgesehen, auf dem die Schraubenfeder 23 sitzt und der über die Schrauben 32 lösbar mit der Leiterplatte 16 verbunden ist. Die Federkraft wirkt dabei wiederum mittig auf den Prozessor 10. Zur Fixierung des Kühlkörpers 13 gegen Bewegungen senk- recht zur Federkraftwirkung und Verdrehungen sind zwei Fixierungselemente 43 in Form durch Schrauben 44 gehalterten Bolzen 45 vorgesehen, welche durch den Bügel 41, den Kühlkörper 13 und die Leiterplatte 16 greifen, wodurch eine Gegenkraft für die Feder 23 erzeugt wird.
In Figur 4 ist erkennbar, daß der Gesamtaufbau relativ flach ist. Die Höhe a beträgt nur wenige Zentimeter, wobei die Höhe h des Kühlkörpers nur wenig mehr als die Hälfte der Gesamthöhe a beträgt. Dagegen ist die Längsausdehnung L des Kühlkör- pers wesentlich größer als die Länge b des elektronischen Bausteins 10.
Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass der Schenkel 42 und die Fixierungselemente 43 bzw. Bohrungen im Kühlkörper 13 dafür auf einer Geraden liegen, die in der Zeichenebene horizontal verläuft . Auch dieses Ausführungsbeispiel entspricht im übrigen den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Da das Prozessorsystem über die Feder 23 lediglich mit einer Kraft belastet werden darf, die deutlich geringer ist, als diejenige Kraft, die aufgewendet werden uss, um den Prozessor in den Sockel zu drücken, erfolgt der Einbau des Prozessors in den Sockel vor der Montage in der Kühlvorrichtung. Der Kühlkörper 13 kann nicht einfach fest auf die Leiterplat- te 16 geschraubt werden, da nicht davon ausgegangen werden kann, dass der Prozessor 10 dem Druck nachgibt und sich weiter in den Sockel 40 drückt. Beim Einpressen des Prozessors 10 muss daher die Kraft gleichmäßig auf die gesamte Prozessorfläche wirken. Der Kühlkörper 13 wird im Anschluss an die Prozessmontage gesondert montiert.
Bezugszeichenliste
10 elektronisches Bauelement
11 Halbleiterkörper 11 λ ebene Fläche des elektronischen Bauelementes
12 wärmeerzeugender Bereich des elektronischen Bauelementes
13 Kühlkörper 14 Kühlkörperboden
14a Kühlkörperfläche
15 Kühlkörperrippen
16 Leiterplatte
17 wärmeleitendes Element 19 Fixierungselement
20 Fixierungsbügel
21 Fixierungsschenkel
22 Schenkel für Schraubenfeder
23 Schraubenfeder 30 Blattfeder
31 ebener Blattfederbereich
32 Fixierungselement
40 Sockel
41 Fixierungsbügel 42 Schenkel für Schraubenfeder
43 Fixierungselement
44 Schraube
45 Bolzen

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Kühlung eines auf einer Leiterplatte (16) montierten elektronischen Bauelements (10) , das ein fla- ches Gehäuse (12) aufweist, mittels eines Kühlkörpers (13) aus Metall, der wenigstens eine ebene Fläche aufweist, wobei der Kühlkörper (13) mit seiner ebenen Fläche auf einer ebenen, der Leiterplatte (16) abgewandten Fläche (11') des elektronischen Bauelements (10) aufsitzt und wobei der Kühlkörper (13) durch eine Feder (23; 30) , die bezüglich der Fläche (11 ) des elektronischen Bauelementes (10) und/oder bezüglich der Fläche (14a) des Kühlkörpers (13) zentrisch gelagert ist, auf das elektronische Bauelement (10) gepresst wird und wobei der Kühlkör- per (13) mit Fixierungselementen (19; 21; 32; 43) auf der Leiterplatte (16) gegen Bewegungen senkrecht zur Feder- kraftwirkung und/oder gegen Verdrehungen fixiert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kenn- zei chnet , dass die Größe der auf den Kühlkörper
(13) und das elektronische Bauelement (10) wirkenden Kraft durch die Steifigkeit der Feder (23; 30) festgelegt ist .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Feder eine Schraubenfeder (23) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e - kennzeichnet , dass die Feder eine Blattfeder
(30) mit einem mittig auf dem Kühlkörper (13) aufsitzenden Kraftübertragungsbereich (31) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a - durch gekennzeichnet , dass die Fixierungselemente einen Fixierungsbügel (41) umfassen, der mit zwei an der Leiterplatte (16) befestigten Fixierungselementen (32) lösbar verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch" gekenn- zeichnet , dass die Fixierung des Kühlkörpers (13) auf der Leiterplatte (16) durch mindestens ein durch die Leiterplatte (16) geführtes Fixierungselement (19; 21; 32; 43) erfolgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung des Kühlkörpers (13) auf der Leiterplatte durch mindestens ein durch ihn geführtes Fixierungselement (19; 21; 32) erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet , dass die Fixierungselemente (19; 21; 32; 43) und der Bereich der Kraftwirkung in einer Ebene des Kühlkörpers (13) senkrecht zur Krafteinwirkung auf einer Geraden liegen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet , dass bei einer Blattfeder (30) als kraftausübendes Element diese an ihren Enden an den Fixierungselementen (32) befestigt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Fixierungselemente (32) Schrauben umfassen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Fixierungselemente (43) mit Schrauben gehalterte Bolzen umfassen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, d a - durch gekenn zeichnet , dass die Fixierungselemente (21) Schenkel eines Bügels (20) umfassen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (20) einen weiteren, mittig über dem elektronischen Bauelement (10) sitzenden, eine Feder (23) lagernden Schenkel (22) besitzt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (23) eine Schraubenfeder ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein auf den Kühlkörper (13) aufsitzender Bügel (41) vorgesehen ist, der einen mittig über dem elektronischen Bauelement (10) sitzenden, eine Schraubenfeder (23) lagernden Schenkel (42) besitzt und dass zur Fixierung des Kühlkörpers (13) gegen Bewegungen senkrecht zur Federkraftwirkung und Verdrehung durch den Bügel (41), den Kühlkörper (13) und die Leiterplatte (16) greifende durch Schrauben gehalterte Bolzen (43) vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet , dass die Länge des die Feder (23) lagernden Schenkels (23; 42) so gewählt ist, dass er nicht auf dem Kühlkörper '(13) aufsitzt.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen dem Kühlkörper (13) und dem elektronischen Bauelement (10) ein thermisch leitendes Element (17) vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzei chnet , dass das thermisch leitende Element (17) eine Wärmeleitfolie ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kenn- zei chnet , dass das thermisch leitende Element (17) eine Wärmeleitpaste ist.
0. Verfahren zum Kühlen eines auf einer Leiterplatte (16) montierten elektronischen Bauelements (10) , das ein flaches Gehäuse aufweist, wobei ein Kühlkörper (13) in Form einer wenigstens eine ebenen Fläche aufweisenden Metall- platte mit seiner ebenen Fläche auf einer ebenen, der
Leiterplatte (16) abgewandten Fläche (11 ) des elektronischen Bauelements (10) aufsitzt und wobei der Kühlkörper (13) durch eine Feder (23; 30), die bezüglich der Fläche (11') des elektronischen Bauelementes (10) und/oder be- züglich der Fläche (14a) des Kühlkörpers (13) zentrisch gelagert ist, auf das elektronische Bauelement (10) gepreßt wird.
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