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Elektronische
Komponenten, wie beispielsweise integrierte Schaltungen oder gedruckte
Schaltungsplatinen, werden bei verschiedenen Vorrichtungen immer
häufiger.
Zum Beispiel weisen zentrale Verarbeitungseinheiten, Schnittstellen-,
Grafik- und Speicherschaltungen typischerweise mehrere integrierte
Schaltungen auf. Während
normaler Operationen erzeugen viele elektronische Komponenten, wie
beispielsweise integrierte Schaltungen, erhebliche Mengen an Wärme in örtlich begrenzten
Bereichen, die relativ zu der gesamten Anordnung klein sind. Falls
die Wärme,
die während
des Betriebs dieser und anderer Vorrichtungen erzeugt wird, nicht
abgeführt
wird, können
die elektronischen Komponenten oder andere Vorrichtungen nahe denselben überhitzen,
was in einer Beschädigung
an den Komponenten oder einer Verschlechterung einer Schaltungsleistungsfähigkeit
resultiert.
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Um
derartige Probleme zu vermeiden, die durch ein Überhitzen bewirkt werden, werden
Wärmesenken
oder andere wärmedissipierende
Vorrichtungen häufig
bei elektronischen Komponenten verwendet, um Wärme zu dissipieren. Bei einer,
Anordnung, bei der der Halbleiterchip an der Wärmesenke befestigt ist, wird
die Wärme
primär
in eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Chips durch eine allgemein
metallische Wärmesenke,
die an dem Chip angebracht ist, und andere Materialien abgeführt, die niedrige
thermische Ausbreitungskoeffizienten (CTE = coefficients of thermal
expansion) aufweisen. Gegenwärtige
Praktiken bestehen darin, die gesamte Wärmesenke aus einem Material
herzustellen, das eine gute Wärmeleitung
aufweist. Die meisten Materialien, die gegenwärtig für Wärmesenken verwendet werden,
weisen ferner viel größere thermische
Ausbreitungs koeffizienten als ein Halbleiterchip oder benachbarte
Schaltungselemente auf. Dies kann eine thermische Belastung und
eine Bewegung zwischen den Materialien in der gleichen Ebene wie
der Chip bewirken. Diese Belastungen und Bewegungen können den
Halbleiterchip beschädigen
oder die elektrische Zuverlässigkeit
des Chips oder der elektrischen Anordnung anderweitig reduzieren.
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Einige
bekannte Lösungen
für dieses
Problem bestanden darin, ein Wärmesenkenmaterial auszuwählen, das
einen Kompromiss zwischen einer guten Wärmeleitung und der CTE-Fehlübereinstimmung
zwischen dem Chip und der Wärmesenke
darstellt. Dieser Ansatz kann die Menge an Wärme begrenzen, die von dem
Chip abgeführt
werden kann. Derselbe begrenzt ferner die Gesamtschaltungsgröße aufgrund
der CTE-Fehlübereinstimmung
zwischen dem Chip, einer gedruckten Schaltungsanordnung (PCA = printed
circuit assembly) und der Wärmesenke.
Ein anderer Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die typischen Materialien,
die bei diesem Kompromiss verwendet werden, dazu neigen, ungewöhnlich,
teuer und deshalb schwierig zu formen und zu beschaffen sind, z.
B. CuW, Aluminiumcarbid und Siliziumcarbid, die z. B. dazu neigen,
spezialisierte Prozesse und eine spezialisierte Bearbeitungswerkzeugeinstellung
zu erfordern, um die Wärmesenke
zu formen.
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Man
muss die Wärmedissipationsanforderungen
einer Wärmesenke
mit anderen Faktoren in Einklang bringen. Wärmesenken können reißen, beschädigt werden oder sich von den
elektronischen Komponenten trennen, an denen dieselben angebracht
sind, falls die Wärmesenke
einen von der elektronischen Komponente erheblich unterschiedlichen thermischen
Ausbreitungskoeffizienten aufweist. Ferner sind viele Wärmesenkenmaterialien
ziemlich schwer. Falls die elektronische Komponente, an der die
Wärmesenke
angebracht ist, einer Schwingung oder einem Stoß unterzogen ist, kann das
Gewicht der Wärmesenke,
die an der elektronischen Komponente angebracht ist, die Wärmesenke
zum Reißen bringen,
beschädigen
oder bewirken, dass sich dieselbe von der elektronischen Komponente
trennt, an der dieselbe angebracht ist.
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Einige
Materialien liefern eine gute thermische Leitfähigkeit, aber sind schwierig
zu formen, teuer, schwer oder weisen andere weniger erwünschte Merkmale
für eine
spezielle Wärmedissipationssituation
auf.
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Folglich
besteht ein Bedarf in der Industrie nach der Fähigkeit, Wärmedissipation, Gewicht, Kosten,
Bearbeitbarkeit und andere Merkmale einer Wärmedissipationsvorrichtung
zu optimieren, während die
CTE-Fehlübereinstimmung
bei der Verbindung zwischen der elektronischen Komponente, die gekühlt wird,
und der Wärmedissipationsvorrichtung
minimiert wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmesenkenvorrichtung
zum Dissipieren von Wärme
von einer elektronischen Komponente und ein Verfahren zum Herstellen
einer Wärmesenkenvorrichtung
mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Optimieren einer Wärmedissipation,
einer CTE-Anpassung, eines Gewichts, von Kosten, einer Bearbeitbarkeit
oder anderen Merkmalen einer Wärmedissipationsvorrichtung.
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Die
Vorrichtung weist eine Wärmesenkenvorrichtung
zum Dissipieren von Wärme
von einer oder mehreren elektronischen Komponenten auf, wobei die
Wärmesenkenvorrichtung
ein wärmeleitendes
Substrat und einen oder mehrere wärmeleitende Ansätze aufweisen
kann, derart, dass der eine oder die mehreren wärmeleitenden Ansätze innerhalb
des Wärmedissipationssubstrats
sein können,
derart, dass die eine oder die mehreren elektronischen Komponenten
an dem einen oder den mehreren wärmeleitenden
Ansätzen
angebracht sein können.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer spezifischen Wärmesenkenvorrichtung, das ein
Auswählen oder
Bilden eines Wärmedissipationssubstrats
mit einer oder mehreren Öffnungen;
und ein Bilden eines oder mehrerer wärmeleitender Ansätze, derart,
dass der eine oder die mehreren wärmeleitenden Ansätze geformt
und proportioniert sein können,
um mit der einen oder den mehreren Öffnungen in dem Wärmedissipationssubstrat
zusammenzupassen, und mit einer oder mehreren elektronischen Vorrichtungen,
die gekühlt
werden sollen, zusammengepasst werden können, umfassen kann.
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Ein
vollständigeres
Verständnis
dieser Erfindung und vieler der zugehörigen Vorteile derselben werden
ohne weiteres ersichtlich, wenn dieselbe durch Bezugnahme auf die
folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen
klarer wird, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche
Komponenten angeben.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen: 1 eine weggeschnittene Seitenansicht
eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Wärmedissipationsvorrichtung;
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2 eine
Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Wärmedissipationsvorrichtung;
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3 eine
Draufsicht eines anderen, rechteckigen Ausführungsbeispiels einer Wärmedissipationsvorrichtung;
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4 eine
weggeschnittene Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Wärmedissipationsvorrichtung;
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5 eine
weggeschnittene Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Wärmedissipationsvorrichtung;
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6 eine
weggeschnittene Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Wärmedissipationsvorrichtung;
und
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7 ein
Flussdiagramm zum Herstellen einer Wärmedissipationsvorrichtung.
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Wie
es in den Zeichnungen zu Darstellungszwecken gezeigt ist, bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf Techniken zum Bereitstellen einer
Wärmedissipationsvorrichtung,
bei der Wärme
von einer elektronischen Komponente, wie beispielsweise einem Halbleiterchip
in die benötigte
Richtung weggeleitet wird, während
Wärmeausdehnungsbelastungen
relativ zu der Schnittstellenebene bzw. Grenzflächenebene zwischen dem Chip
und der Wärmedissipationsvorrichtung
minimiert sind.
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Unter
jetziger Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt 1 eine
Wärmedissipationsvorrichtung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar. Es ist eine Wärmedissipationsbasis 110 vorgesehen.
Das Wärmedissipationssubstrat 110 kann
aus irgendeinem bekannten Wärmesenkenmaterial,
einer Legierung oder einer Kombination derselben ausgewählt sein,
wie beispielsweise Aluminium-Siliziumcarbid,
Kupfer, Aluminium, Karbon-/Metall-Zusammensetzungen, Keramik, CuW, Wolfram,
Aluminiumcarbid, Siliziumcarbid oder einem anderen bekannten Wärmesenkenmaterial.
Lediglich beispielsweise kann AlSiC aufgrund der Wärmeleitqualitäten und
des geringen Gewichts desselben ausgewählt werden. Ein Wärmedissipationsansatz 120 kann durch
ein Stempeln, Bearbeiten, Ätzen
oder Laserschneiden aus irgendeinem bekannten Wärmesenkenmaterial, einer Legierung oder
einer Kombination derselben gebildet sein, wie beispielsweise Kupfer,
Wolfram, Molybdän,
Aluminium, Kupfer/Molybdän/Kupfer
oder einem anderen bekannten Wärmesenkenmaterial.
Der Wärmedissipationsansatz 120 kann
an der Wärmedissipationsbasis 110 durch
Hartlöten,
Löten,
haftendes Bonden, Befestigen mittels eines Presssitzes, Schweißen, Kaltdiffusion
unter hohem Druck, Diffusionsbonden, ein thermisch leitfähiges oder
metallisches Haftmittel oder ein anderes ähnliches Verfahren angebracht sein.
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Der
Wärmeansatz 120 kann
ausgewählt sein,
um einen CTE (coefficient of thermal expansion = thermischer Ausbreitungskoeffizient)
aufzuweisen, der relativ nahe an der Schaltungsvorrichtung 150 (integrierter
Schaltungschip, integriertes Schaltungsgehäuse, integriertes Schaltungsmodul,
gedruckte Schaltungsplatine etc.) liegt, an der derselbe durch ein
leitfähiges
Haftmittel, eine Lötpaste,
ein leitfähiges
Epoxyd, ein Lötmittel,
ein intermetallisches Bonden, eine eutektische Chipanbringung oder
eine andere bekannte Anbringungseinrichtung angebracht ist. Es ist
anzumerken, dass der Ansatz 120 an der Vorrichtung 150,
die gekühlt
werden soll, angebracht werden kann, bevor der Ansatz 120 an
dem Substrat 110 angebracht wird.
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Wie
es ist 2 und 3 gezeigt ist, kann der Wärmeansatz
. 120 in einer Form relativ zylindrisch sein und dann gebildet sein,
um an einem Ende zu der Schaltung zu passen, wie in 2,
oder einen relativ quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen,
um sich enger mit der Form der Schaltungsvorrichtung 150 auszurichten,
wie in 3. Es ist klar, dass die Vorrichtung 150 an
dem Ansatz 120 angebracht ist, der eine ähnliche
Ausdehnung aufweist. Folglich wird Wärme von der Vorrichtung 150 weg
bewegt, während
die thermischen Belastungen sich entlang des Oberflächenbereichs 130 zwischen dem
Ansatz 120 und der Basis 110 und nicht in den Ebenen
parallel zu der Vorrichtung 150 und dem Ansatz befinden.
Auf diese Weise kann die Auswahl des Basismaterials an einer besten Übereinstimmung von
CTE(s) der gesamten Schaltung und benachbarter Elemente getroffen
werden. Da die Basis im Wesentlichen aus dem Wärmeweg entfernt ist, ist die thermische
Leitfähigkeit
derselben kein primärer
Belang. Die zusammengesetzte Wärmesenke
aus dem Ansatz 120 und der Basis 110 stellt einen
thermischen Transport senkrecht zu dem Chip und minimale thermische
Belastungen parallel zu dem Chip bereit.
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Die
Scherbelastung oder -bewegung, die aus der CTE-Fehlanpassung zwischen der elektronischen
Vorrichtung 150, die gekühlt wird, und der Wärmedissipationsvorrichtung
resultiert, wurde wirksam von der Verbindung 160 zwischen
der Vorrichtung 150 und der Wärmesenke 100 zu der
Verbindung 130 zwischen dem Ansatz 120 und dem
Substrat 110 der Wärmesenke 100 bewegt,
wo eine Kompressionsbelastung eine geringere Bedrohung für die Vorrichtung 150 darstellt
und in der Tat eigentlich die Anordnung der Komponenten in der Ansatz-/Substratanordnung
festziehen kann. Eine Wärmesenkenanordnung
dieses Typs kann mit gewöhnlichen
Bearbeitungswerkzeugen, wie beispielsweise Fräsen, Schleifern und Drehbänken aus
allgemein verfügbaren
Materialien hergestellt werden, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer,
Kovar, Silber, Keramik, Metalloxiden, einem feuerfesten Material
und Kunststoffen. Jedes Material würde teilweise wegen einer besten thermischen
Leitung oder einer übereinstimmenden thermischen
Ausdehnung ausgewählt.
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Wenn
das Substrat 110 und der Ansatz 120 unterschiedliche
Materialien sind, können
dieselben elektrisch getrennt bzw. isoliert sein und somit kann ein
selektives Plattieren der Materialien ohne weiteres erzielt werden.
Gold oder andere bekannte Plattierungsmaterialien können auf
die Bereiche aufgebracht sein, die von einem Plattieren am meisten
profitieren. Zum Beispiel Oberflächen,
die bei hohen Frequenzen eine verbesserte Erdungsleistungsfähigkeit benöti gen, oder
dieselben, die stärker
einer Korrosion unterliegen würden,
falls dieselben nicht plattiert wären.
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Zusätzlich kann
der Ansatz 120 mittels einer dünnen konformen Elastomerschicht
zwischen der Verbindung 130 zwischen dem Ansatz 120 und
dem Substrat 110 von dem Substrat 110 elektrisch
getrennt sein. Das Elastomer kann eine CTE-Fehlübereinstimmung
zwischen dem Ansatz 120 und dem Substrat 110 absorbieren
helfen und kann eine Bewegung des Ansatzes 120 relativ
zu dem Substrat 110 absorbieren und eine Belastung reduzieren
helfen.
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Ferner
können
mehrere Wärmesenken
aus einer Einzelstrangbasis hergestellt werden, nachdem ein wärmeleitfähiger Kern
eingebracht wurde. Danach kann der grundlegende Wärmesenkenbearbeitungsprozess
demselben einer herkömmlichen
Wärmesenke ähnlich sein.
Mehrere Kerne könnten
ferner vor einem Zerteilen in dünnere
mehrere Wärmesenken
in Einzelstrangsubstratlängen
eingebracht werden.
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Wie
es in 4 gezeigt ist, kann sich mehr als ein Wärmedissipationsansatz 220, 222 innerhalb der
Basis 210 befinden. Die Verwendung von mehr als einem Wärmedissipationsansatz 220, 222 kann erwünscht sein,
um Wärme
von unterschiedlichen Vorrichtungen 250, 252 oder
unterschiedlichen heißen
Punkten an einer einzigen Vorrichtung abzuführen.
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Wenn
das Substrat 110 und der Ansatz 120 Einheit für Einheit
verbunden werden, können
anwendungsspezifische Wärmesenken
hergestellt werden, um eine CTE-Anpassung zwischen dem Ansatz 120 und
der Vorrichtung 150 und thermische und andere Qualitäten des
Wärmedissipationssubstrats 110 für eine spezielle
Anwendung zu optimieren. Wenn alternativ das Substrat und der Ansatz
Einheit für
Einheit verbunden werden, können
andere Kerngeometrien möglich
sein. Der Ansatz kann irgendeine Geometrie aufweisen, aber kann
typischerweise im Wesentlichen rund, quadratisch oder rechteckig
sein.
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Wie
es in 5 gezeigt ist, kann ein Ausführungsbeispiel einer Wärmedissipationsvorrichtung 300 einen
kegelförmigen
oder pyramidenförmigen Kern 320 mit
einer ähnlich
geformten Öffnung
innerhalb der Wärmedissipationsbasis 310 umfassen. Dieser
Entwurf kann für
eine weitere Reduzierung von thermischen Gradienten innerhalb des
Kerns der Wärmedissipationsvorrichtung 300 ausgewählt sein.
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Wie
es in 6 gezeigt ist, kann ein Ausführungsbeispiel einer Wärmedissipationsvorrichtung 400 einen
kegelförmig
oder pyramidenförmig
gestuften Kern 420 innerhalb einer ähnlich geformten Öffnung innerhalb
der Wärmedissipationsbasis 410 umfassen.
Eventuell hält
oder beschränkt
der Entwurf den Kern 420 besser innerhalb der Basis.
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7 stellt
ein Flussdiagramm zum Herstellen einer Wärmedissipationsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Eine oder mehrere Wärmedissipationsansätze 120, 220, 222, 420, 520 können mittels
eines Stempelns, eines Bearbeitens, eines Ätzens oder eines Laserschneidens
aus irgendeinem bekannten Wärmesenkenmaterial,
einer Legierung oder einer Kombination derselben, wie beispielsweise
Kupfer, Wolfram, Molybdän,
Aluminium, Kupfer/Molybdän/Kupfer
oder einem anderen bekannten Wärmesenkenmaterial
gewählt
oder gebildet werden 710. Es ist anzumerken, dass das Material
des Ansatzes für
eine CTE-Übereinstimmung mit
der Vorrichtung 150, 250, 252, 450, 550,
die gekühlt
werden soll, ausgewählt
sein kann. Eine oder mehrere Wärmedissipationsbasen 110, 210, 410, 510 werden
aus irgendeinem bekannten Wärmesenkenmaterial,
einer Legierung oder einer Kombination derselben, wie beispielsweise
Aluminium-Siliziumcarbid,
Kupfer, Aluminium, einer Karbon/Metall-Zusammensetzung, Keramik, CuW, Wolfram,
Aluminiumcarbid, Siliziumcarbid oder einem anderen allgemein bekannten
Wärmesenkenmaterial
mit einem niedrigeren CTE ausgewählt
oder gebildet 720. Der Ansatz kann durch ein Pressen oder
Gießen
oder ein anderes bekanntes Verfahren in die Basis eingebracht werden 730.
Alternativ kann die Öffnung
durch ein Bearbeiten, Stempeln oder eine andere bekannte Einrichtung
gebildet werden und der Ansatz kann durch ein Pressen, Bonden, Löten, Kaltlöten, haftendes
Bonden, Diffusionsbonden, Kaltdiffusion unter hohem Druck, ein thermisch
leitfähiges
metallisches Haftmittel oder eine andere bekannte Anbringungseinrichtung
eingebracht und in dieselbe gepasst werden. Eine oder mehrere Wärmedissipationsvorrichtungen 100, 200, 400, 500 können durch
Durchführen
der Schritte 710 – 730 an
einem großen
Strang und dann ein Bearbeiten, Schneiden, Ätzen oder unter Verwendung
einer anderen bekannten Trenneinrichtung gebildet werden 740,
um einzelne Wärmedissipationsvorrichtungen
aus dem größeren Strang zu
erzeugen. Die Schritte 710 – 730 können vorgenommen
werden, um einzelne Wärmedissipationsvorrichtungen 100, 200, 400, 500 ohne
die Notwendigkeit des Schritts 740 zu erzeugen.
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Alternativ
kann das Substrat gebildet oder gewonnen werden 720 und
dann können
einer oder mehrere Ansätze
in das Substrat gepresst oder gesintert werden 730. Ferner
kann ein ringförmiges Kunststoffelastomer
zwischen dem Ansatz und dem Substrat mittels eines Formens, Gießens, Injizierens oder
Pressens gebildet werden, um thermische Belastungen und eine Bewegung
zwischen dem Ansatz und dem Substrat zu absorbieren und zu reduzieren. Wenn
mehrere Teile aus einem Substratstrang hergestellt werden, können einer
oder mehrere Ansätze und
ein Substrat in Längen
vorzusammengefügt
werden, bevor einzelne Wärmesenken
als dünnere
Abschnitte mittels eines Drehens, Trennens, Scherens oder Spaltens
abgetrennt werden.
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Eine
nachfolgende Verarbeitung der Wärmesenken
könnte
ein Bearbeiten des Ansatzes (der Ansätze) umfassen, um quadratische
oder mehrere Vorrichtungen 150 anzunehmen. Das Substrat
kann heruntergefräst
werden, um eine keramische PCA oder ein Hybrid auf die Höhe der Vorrichtung
(en) 150 zu senken. Ein selektives Plattieren des Substrats oder
des Ansatzes kann vorgenommen werden, falls erwünscht. Wenn das Substrat und
der Ansatz Einheit für
Einheit verbunden werden, könnten
diese bei einem herkömmlichen
Bearbeitungsprozess hergestellt werden. Alternativ kann (können) der
Ansatz (die Ansätze)
in die Öffnung
in dem Substrat gegossen oder gesintert werden.
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Obwohl
dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
darstellende Zwecke offenbart wurde, ist Fachleuten auf diesem Gebiet
ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und
Substitutionen möglich
sind, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, was
in äquivalenten
Ausführungsbeispielen
resultiert, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche bleiben.
Zum Beispiel kann das generische Wärmedissipationssubstrat auch
ein Wärmedissipationssubstrat
mit Rippen oder anderen allgemeinen physischen Wärmedissipationsmerkmalen sein.