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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Kühlung
von Halbleiterbauelementen, wie etwa Prozessoren auf gedruckten
Schaltungen. Die vorliegende Erfindung schafft durch die Lagerung
mindestens eines starren Wärmespreizerelements mit minimalem
Abstand von der Wärme abgebenden Oberfläche eines
oder mehrerer Halbleiterchips eine wirksame thermische Koppelung
an einen Kühlkörper.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
Steigerung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren und anderen
integrierten Schaltungen hat auch zu einem Anstieg der Abwärmeerzeugung dieser
Bauelemente und dadurch gestiegenen Anforderungen an ihre Kühlung
geführt. Die Wärme entwicklung erreicht Leistungsdichten
bis in die Größenordnung von 100 W/cm2 und übertrifft
damit z. B. übliche Herdplatten um ein Vielfaches. Gleichzeitig
liegen die zulässigen Höchsttemperaturen der integrierten
Schaltungen, bei deren Überschreitung mit Funktionsstörungen
oder dauerhafter Zerstörung zu rechnen ist, typischerweise
in einem Bereich von etwa 60° bis 100°C. Die gegenüber
der Raumtemperatur zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz
reicht z. B. bei den Prozessoren von PCs bei weitem nicht aus, um
die erzeugte Wärme durch natürliche Abstrahlung
und Konvektion passiv abzuführen.
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Zur
Wärmeabfuhr werden daher Kühlkörper verwendet,
die meist aus Aluminium oder Kupfer bestehen und zur Flächenvergrößerung
Kühlrippen aufweisen. Mit Hilfe eines Gebläses
wird die Wärme durch erzwungene Konvektion abgeführt.
Andere Lösungen, wie etwa flüssigkeitsgekühlte
Systeme, erweisen sich als aufwendig. Obwohl die bekannten Kühlsysteme
z. B. in handelsüblichen PCs ihre Aufgaben erfüllen,
weisen sie verschiedene Nachteile auf. Eine weitere Steigerung der
Rechenleistungen erhöht auch die Kosten und den Energieverbrauch des
Kühlsystems. Darüber hinaus erzeugen die verwendeten
Lüfter einen erheblichen Lärm, dem die am Computer
arbeitenden Menschen dauerhaft ausgesetzt sind. Daher sind verschiedene
Maßnahmen ergriffen worden, um die Wirksamkeit von Kühlvorrichtungen
zu steigern.
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Da
die Wärme auf einer sehr kleinen Fläche entsteht,
ist ein guter Wärmeübergang auf den in der Regel
wesentlich größeren Kühlkörper
von entscheidender Bedeutung. Eine direkte Befestigung des Kühlkörpers
an einem Chipgehäuse ist jedoch in vielen Fällen
nicht möglich, weil dadurch die Gefahr von Beschädigungen
des empfindlichen Chips bei der Montage und im späteren
Betrieb besteht. Daher ist es bei robusten Ausführungen
von Kühlvorrichtungen in der Regel erforderlich, den Kühlkörper
direkt an der Leiterplatte einer gedruckten Schaltung zu befestigen,
um die Übertragung von Kräften durch das Chipgehäuse
hindurch gering zu halten.
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Aufgrund
von Fertigungstoleranzen kann zwischen dem Chip und dem Kühlkörper
jedoch ein Zwischenraum bleiben, der mit Wärmeleitmaterialien,
wie z. B. Wärmeleitpasten, Wärmeleitpads oder Gap-Fillern überbrückt
wird, die sich jeweils an die Breite des Zwischenraums und die Oberflächenformen
anpassen und unerwünschte Lufteinschlüsse verhindern.
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DE 602 09 423 T2 offenbart
eine Kühlvorrichtung für Mikrochips, die auf einer
Leiterplatte montiert sind. Ein Kühlkörper wird
mit der Leiterplatte verbunden, so dass er flächig an dieser
anliegt. Zur Aufnahme jedes Chips ist im Kühlkörper
eine Aussparung vorhanden. Zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper
bleibt ein Spalt frei, der die Fertigungstoleranzen der Elemente
ausgleicht, damit der Chip nicht direkt zwischen Leiterplatte und
Kühlkörper eingeklemmt werden kann. In dem Spalt
ist ein knetbares, Wärme leitendes Material angeordnet,
das beim Zusammensetzen bis auf die jeweilige Spaltbreite plastisch
zusammengedrückt wird und eine thermische Verbindung zwischen
dem Chip und dem Kühlkörper herstellt.
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Das
US Patent Nr. 7,007,741 offenbart
einen flexiblen Wärmespreizer, der sich an Höhenunterschiede
zwischen den zu kühlenden Oberflächen mehrerer
Wärmequellen sowie an Winkeldifferenzen zwischen den Oberflächen
der Wärmequellen und des Kühlkörpers
anpasst. Der Wärmespreizer weist eine flexible Wand auf
und ist mit einem Fluid gefüllt, um sich an die Lage aller
zu kontaktierenden Oberflächen anzupassen.
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In
beiden Fällen wird bei auch unterschiedlichen Geometrien
eine flächige Kontaktierung der Oberflächen von
Chip und Kühlkörper erreicht, jedoch beträgt
die spezifische Wärmeleitfähigkeit des dazwischen
liegenden Wärmeleitmaterials nur ein Bruchteil derjenigen
des Metalls, aus dem der Kühlkörper besteht, so
dass bereits ein relativ schmaler Spalt, z. B in der Größenordnung
von 1 mm, den thermischen Widerstand erheblich vergrößert.
Der in dem Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Kühlkörper
auftretende Temperaturabfall steht nicht mehr zur Wärmeabgabe
an die Luft zur Verfügung und kann dazu führen,
dass der Kühler für Chips mit hohen Verlustleistungen
und/oder bei hohen Umgebungstemperaturen nicht einsetzbar ist. Alternativ muss
durch andere Maßnahmen, wie etwa einen größeren
Kühlkörper oder eine höhere Gebläseleistung, Abhilfe
geschaffen werden. Daher besteht das Bestreben, den Wärmeübergang
zwischen Chip und Kühlkörper zu verbessern.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste Kühlvorrichtung
mit einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen
einem oder mehreren Halbleiterchips und einem Kühlelement
zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung, die
ein Trägerelement, einen mit dem Trägerelement
verbundenen Halbleiterchip mit einer Wärmeabgabefläche,
ein mit dem Trägerelement verbundenes Kühlelement
mit einer Wärmeaufnahmefläche, mindestens ein
zwischen der Wärmeabgabefläche und der Wärmeaufnahmefläche
angeordnetes starres Wärmespreizerelement und ein Abstand überbrückendes
Wärmeleitmaterial aufweist.
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Die
Wärmeabgabefläche und die Wärmeaufnahmefläche
liegen einander gegenüber, wobei die Wärmeaufnahmefläche
größer als die Wärmeabgabefläche
ist. Das Wärmespreizerelement weist eine erste Koppelfläche,
die der Wärmeabgabefläche gegenüber liegt
und an dieser anliegt, sowie eine zweite Koppelfläche auf,
die der Wärmeaufnahmefläche gegenüber
liegt. Das Wärmeleitmaterial ist zwischen der Wärmeaufnahmefläche
und der zweiten Koppelfläche angeordnet und stellt eine
thermische Verbindung zwischen diesen her, die eine Wärmeleitung
ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht es, sowohl den Chip, der
eine Wärmequelle bildet, als auch das Kühlelement,
das eine Wärmesenke bildet, unabhängig voneinander
fest mit dem Trägerelement zu verbinden und dennoch zwischen
dem Chip und dem Kühlelement eine Verbindung mit einem
geringen thermischen Widerstand herzustellen. Dies wird erfindungsgemäß durch
ein oder mehrere starre Wärmespreizerelemente erreicht.
Mit dem Begriff „starr" wird hier ein fester Körper
mit einer geringen Verformbarkeit verstanden, der ein genügend
großes Elastizitätsmodul und eine genügend
große Dicke aufweist, dass es nicht zu einer wesentlichen
Verformung seiner Oberfläche im Kontaktbereich mit der Wärmeabgabefläche
kommt, wenn die im normalen Betrieb auftretenden Kräfte
auf das Wärmespreizerelement einwirken, die durch die mechanische
Belastbarkeit eines Halbleiterchips begrenzt sind.
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Anstelle üblicher
verformbarer Wärmeleitmaterialien wie Gap-Pads oder Gap-Fillern
kann als erfindungsgemäßes Wärmespreizerelement
vorzugsweise eine Platte aus Aluminium, Kupfer, einem anderen Metall
oder einem sonstigen Material mit sehr hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit
verwendet werden. Vor allem im Kontaktbereich mit der Wärmeabgabefläche
könnte auch Diamant oder eine Diamantschicht verwendet
werden, die zusätzlich zu ihrer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit
elektrisch isoliert.
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Im
Idealfall liegt die erste Koppelfläche des Wärmespreizerelements
flächig an der Wärmeabgabefläche des
Chips an. In anderen Fällen, in denen es z. B. erwünscht
ist, dass ein Wärmespreizer die Oberflächen mehrerer
Chips gleichzeitig kühlt, kann in der bestmöglichen
Einbaulage evtl. nur ein linienförmiger oder punktförmiger
Kontakt oder mit einzelnen der zu kühlenden Oberflächen
auch gar kein direkter Kontakt möglich sein. Sofern die
Wärmeabgabeflächen mehrerer Chips jedoch nahezu
in einer Ebene liegen, sind die Breiten etwaiger Restspalten selbst
bei vernachlässigbarer Biegung des Wärmespreizerelements
minimal und behindern den Wärmeübergang nicht
wesentlich.
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Analog
zur Elektrizitätslehre ergibt sich der Wärmestrom,
d. h. die durch ein Widerstandselement hindurch abgeführte
Wärmeleistung P, wie folgt als Produkt aus der an dem Widerstandselement
anliegenden Temperaturdifferenz ΔT und dessen thermischem
Leitwert, der sich seinerseits aus der spezifischen Wärmeleitfähigkeit Λ,
der Querschnittsfläche A und der Länge l des Widerstandselements
ergibt: P = ΔT·Λ·A/l
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Die
vorliegende Erfindung stellt zwischen dem Chip und dem Kühlelement
zwar eine Reihenschaltung aus drei thermischen Widerständen
her, die jedoch alle niedrig gehalten werden können. Dies geschieht
im Falle des Spaltes zwischen dem Chip und dem anliegenden Wärmespreizerelement
durch eine sehr geringe Länge, im Falle des Wärmespreizerelements
selbst durch die Verwendung eines Materials mit sehr hoher spezifischer
Wärmeleitfähigkeit und im Falle des Zwischenraums
zwischen dem Wärmespreizerelement und dem Kühlelement
durch eine große Querschnittsfläche des verwendeten
Wärmeleitmaterials.
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Dadurch
kann vermieden werden, dass sowohl eine erhebliche Länge
als auch eine geringe Querschnittsfläche als auch die relativ
geringe spezifische Wärmeleitfähig eines Gap-Fillers
in einem einzigen thermischen Widerstandselement zwischen dem Chip
und dem Kühlkörper auftreten, wie es nach dem
Stand der Technik geschieht. Dagegen weist in jedem der drei thermischen
Widerstandselemente mindestens einer der Faktoren A, Λ oder
1/l einen um ein Vielfaches größeren Wert auf.
Trotz der Reihenschaltung der drei Widerstandselemente kommt es dadurch
zu einer erheblichen Reduzierung des thermischen Gesamtwiderstands
zwischen Chip und Kühlelement.
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Die
optimale Einbaulage des Wärmespreizerelements bewirkt,
dass der Wärmestrom mit einem minimalen thermischen Widerstand
von der Wärmeabgabefläche in die Koppelfläche
des Wärmespreizerelements übertritt, das eine
hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Derjenige Teil des Wärmeleitpfades, der zwischen der Wärmeabgabefläche
und der ersten Koppelfläche liegt, besteht bei der optimalen
Einbaulage des Wärmespreizers gemäß der
Erfindung nur aus einem sehr schmalen Spalt. Obwohl die Querschnittsfläche
auf die Wärmeabgabefläche des Chips beschränkt
ist und ein Material mit einer relativ geringeren Wärmeleitfähigkeit, wie
etwa eine Wärmeleitpaste, verwendet wird, weist dieser
Abschnitts des Wärmeleitpfades durch seine Kürze
nur einen geringen thermischen Widerstand auf.
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Das
mindestens eine Wärmespreizerelement besteht vorzugsweise
aus Metall, z. B. Aluminium, oder einem anderen Material mit einer
sehr hohen spezifischen Wärmeleitfähigkeit, verbreitert
darüber hinaus den Wärmeleitpfad bereits nahe
an der Wärmeabgabefläche erheblich und stellt
ebenfalls nur einen geringen thermischen Widerstand dar.
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Aufgrund
von Maßtoleranzen bei Fertigung und Einbau ist weiterhin
ein Gap-Filler oder anderes Abstand überbrückendes
Wärmeleitmaterial erforderlich, das gemäß der
Erfindung zwischen der zweiten Koppelfläche des Wärmespreizerelements
und der Wärmeaufnahmefläche des Kühlelements
angeordnet ist. Da die Querschnittsfläche dort nicht auf
die Abmessungen der Wärmeabgabefläche des Chips beschränkt
ist, sondern sich über die größere Wärmeaufnahmefläche
des Kühlelements erstrecken kann, wird auch der thermische
Widerstand der Schicht des Wärmeleitmaterials gering gehalten.
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Das
Wärmeleitmaterial kann im Rahmen der auftretenden Kräfte,
denen der vom Wärmespreizerelement kontaktierte Chip ausgesetzt
werden darf, plastisch verformbar sein. Es kann z. B. eine formlose
Masse, wie etwa eine Paste oder ein Gap-Filler verwendet werden.
Vorzugsweise wird ein Zweikomponenten-Gap-Filler verwendet, der
zwischen Kühlelement und Wär mespreizer angeordnet
ist und bei der Montage den Zwischenraum zwischen diesen vorzugsweise
vollständig ausfüllt. Zumindest wird ein zusammenhängendes
Materialvolumen zur Wärmeleitung zwischen ausreichend großen
Flächenbereichen der Wärmeaufnahmefläche
und der zweiten Koppelfläche angeordnet. Etwaiges überschüssiges Material
kann bei der Montage der Vorrichtung seitlich aus dem Zwischenraum
herausgedrückt werden. Anschließend kann der Gap-Filler
z. B. aushärten und das Wärmespreizerelement relativ
zu dem Kühlelement in der bevorzugten Einbaulage fixieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann das Wärmeleitmaterial
ein oder mehrere elastisch verformbare Elemente enthalten, wie z.
B. Wärmeleitpads zwischen dem Wärmespreizerelement
und dem Kühlelement. Bei der Montage kann das Kühlelement
an dem Trägerelement angebracht werden, während
das Wärmespreizerelement durch das Wärmeleitmaterial
von dem Kühlelement beabstandet und mit diesem verbunden,
z. B. verklebt ist. Dabei kommt die erste Koppelfläche
des Wärmespreizerelements mit der Wärmeabgabefläche
in Berührung und kann eine Druckkraft auf diese ausüben,
die sich durch plastische oder elastische Verformung des Wärmeleitmaterials
ergibt und das Wärmespreizerelement zu der Wärmeabgabefläche
hin vorspannt. Dies bewirkt eine Ausrichtung des Wärmespreizerelements
in der optimalen Einbauposition, d. h. mit flächigem Anliegen
oder einem minimalen Spalt zwischen der oder den Wärmeabgabeflächen
und der ersten Koppelfläche des Wärmespreizerelements. Das
Wärmeleitmaterial kann silikonhaltige Materialien enthalten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird nebeneinander sowohl
plastisch verformbares als auch elastisch verformbares Wärmeleitmaterial
verwendet, z. B. mehrere Gap-Pads mit dazwischen angeordnetem Gap-Filler.
Es könnte auch nur ein plastisch verformbares Wärmeleitmaterial
in Verbindung mit zusätzlichen elastischen Elementen ohne
wesentliche Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Federelementen,
verwendet werden. Diese könnten z. B. zwischen dem Wärmespreizer
und dem Kühlelement angeordnet sein und die erfindungsgemäße
Lagerung des Wärmespreizers bewirken.
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Der
Kontakt zwischen der Wärmeabgabefläche und der
ersten Koppelfläche kann ein trockener Kontakt sein, bei
dem die Flächen unmittelbar aneinander anliegen. Dies ist
vor allem für flächig aneinander anliegende, ebene
Flächen mit geringer Oberflächenrauhigkeit geeignet.
Zwischen den beiden Flächen kann auch eine Wärmeleitpaste
oder ein anderes Wärmeleitmaterial angeordnet sein. Dies
ist vor allem dann vorteilhaft, wenn kein nahezu ideales Anliegen
der beiden Flächen zu erreichen ist. Ursachen dafür
können Unebenheiten der Oberflächen wie Krümmungen
oder Rauhigkeiten sowie Verkantungen der Elemente zueinander sein,
die etwa durch gleichzeitiges Anliegen eines Wärmespreizerelements
an mehreren, nicht genau in einer Ebene liegenden Oberflächen
entstehen. Die Paste füllt etwaige Zwischenräume
aus und verhindert dadurch Lufteinschlüsse, die die Wärmeleitung
behindern.
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Das
Trägerelement kann eine Leiterplatte enthalten, die z.
B. zu einer gedruckten Schaltung gehört und auf der ein
Halbleiterchip montiert ist. Der Halbleiterchip kann ein Halbleiterbauelement
mit einem Halbleitersubstrat oder Die oder ein ähnliches Element
enthalten, das eine Wärmeabgabefläche aufweist,
die gekühlt werden muss.
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Die
Wärmequelle kann auch mehrere auf einer Leiterplatte angeordnete
Halbleiterchips enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung enthält die Wärmequelle drei auf
der Platine nicht in einer Linie angeordnete Halbleiterchips. Diese
Anordnung ermöglicht es, die erste Koppelfläche des
Wärmespreizerelements mit der Wärmeabgabefläche
jedes der drei Chips zumindest punktförmig in Kontakt zu
bringen. Dabei werden drei Freiheitsgrade der Lage des Wärmespreizerelements
bzw. seiner vorzugsweise ebenen ersten Koppelfläche, ausgenutzt,
die die Höhe, den Neigungswinkel und die Neigungsrichtung
enthalten. Bei den üblicherweise geringen Höhenunterschieden
bzw. Neigungswinkeln der Chipoberflächen wird dadurch ein
nahezu flächiges Anliegen des Wärmespreizerelements
an den Wärmeabgabeflächen aller drei Chips erreicht.
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Diese
Anordnung hat weiterhin den Vorteil, dass schon eine einzige, auf
einen Punkt innerhalb des aus den drei Halbleiterchips gebildeten
Dreiecks ausgeübte Druckkraft das Wärmespreizerelement von
selbst stabil in die optimale Einbaulage mit Kontakt zu allen drei
Halbleiterchips bewegt. Zwischen dem Wärmespreizerelement
und dem Kühlelement kann dabei ein einziges, eine Vorspannung
erzeugendes Element, wie z. B. ein Gap-Pad ausreichen, um das Wärmespreizerelement
bestmöglich an die Wärmeabgabeflächen
aller Chips anzulegen.
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Die
Kühlvorrichtung kann einen Wärmespreizer aufweisen,
der mehrere starre Wärmespreizerelemente enthält,
die nach den Lehren der vorliegenden Erfindung jeweils an Wärmeabgabeflächen
eines oder mehrerer Halbleiterchips anliegen, um Wärme
von diesen abzuführen. Die einzelnen Wärmespreizerelemente
sind vorzugsweise durch flexible Verbindungselemente miteinander
verbunden und geringfügig gegeneinander beweglich. Da durch
wird erreicht, dass sich jedes Wärmespreizerelement unabhängig
von den benachbarten Elementen bestmöglich an die ihm zugeordnente(n)
Chipoberfläche(n) anlegen kann und dennoch ein großflächiger Wärmespreizer
mit einer ausreichenden Dicke aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
wie etwa Metall geschaffen wird, der die Wärme über
ein Wärmeleitmaterial auf das Kühlelement überträgt. Die
einzelnen Wärmespreizerelemente sind vorzugsweise erheblich
größer als die jeweils von ihnen kontaktierte
Wärmeabgabefläche.
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Die
Wärmespreizerelemente können mit einem flexiblen
Element, wie etwa einem Netz oder einer Folie verbunden sein, das
bei ausreichender Beweglichkeit gegeneinander den Zusammenhalt sicherstellt.
Alternativ kann der Wärmespreizer auch einstückig
ausgebildet sein, wobei benachbarte Wärmespreizerelemente
z. B. in der Art einer Schokoladentafel durch schmale Stege mit
wesentlich geringerer Materialstärke voreinander getrennt
sein können, die durch z. B. plastische und/oder elastische Verformung
eine gewisse Dehnung und/oder Biegung, z. B. einen Knick oder Versatz,
zulassen und dadurch das Anlegen mehrerer Wärmespreizerelemente
an nicht genau in einer Ebene liegende Chipoberflächen
erleichtern.
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Auch
ganz ohne solche dünneren Stege kann die vorhandene Elastizität
bei einer geeigneten gleichmäßigen Materialdicke
bewirken, dass die an den Wärmeabgabenflächen
verschiedener Chips unmittelbar anliegenden Flächenbereichen
zwar lokal jeweils im Wesentlichen starr bleiben, während über die
deutlich größeren Abstände zwischen den
Chips hinweg dennoch eine geringfügige Verformung, wie etwa
Biegung des Wärmespreizers auftritt, die ein flächiges
Anliegen an Wärmeabgabeflächen mehrerer Chips
ermöglicht. In einem anderen Beispiel können die
einzelnen Wärmespreizerelemente auch unverbunden nebeneinander
angeordnet und z. B. einzeln über Wärmeleitmaterial
mit dem Kühlelement verbunden sein, wobei sie vorzugsweise
durch elastische Elemente, wie etwa Gap-Pads zu den von ihnen zu
kontaktierenden Wärmeabgabeflächen hin vorgespannt
sind. Der übrige Raum zwischen den Wärmespreizerelementen
und dem Kühlelement kann mit einem Gap-Filler gefüllt
sein.
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Das
Kühlelement kann einen Kühlkörper enthalten,
der aus Metall, z. B. Aluminium oder Kupfer oder einem anderen Material
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen kann.
Der Kühlkörper kann eine Platte enthalten, deren
eine Seite dem Wärmespreizer zugewandt ist und die Wärmeaufnahmefläche
bildet. Die andere Seite der Platte kann Kühlrippen oder
andere die Oberfläche vergrößernde Strukturen
aufweisen, die eine Wärmeabgabe von dem Kühlkörper
an die Umgebungsluft fördern. Statt eines Kühlkörpers
könnte auch ein Flüssigkeitskühler verwendet
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer Kühlvorrichtung
nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
zur Kühlung eines Halbleiterchips.
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2 zeigt
einen Kühlkörper mit einem daran angebrachten
Wärmespreizer gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Draufsicht von unten.
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3 zeigt
in einer der 1 ähnlichen schematischen
Darstellung eine Kühlvorrichtung nach einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit gleichzeitiger Kontaktierung von
drei Chips.
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4 zeigt
eine Kühlvorrichtung mit einem aus mehreren Wärmespreizerelementen
bestehenden Wärmespreizer nach einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zur Kontaktierung der in 3 dargestellten
Chipanordnung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen genauer
beschrieben. 1 zeigt in schematischer Darstellung
eine Schnittansicht einer Kühlvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Auf einer Leiterplatte 2 einer gedruckten Schaltung
ist ein quaderförmiger Chip 3 montiert. Bei dem
Chip kann es sich um ein beliebiges Halbleiterbauelement, wie etwa
einen Mikroprozessor handeln, das im Betrieb so viel Wärme
erzeugt, dass Maßnahmen zu seiner Kühlung erforderlich
werden, um Betriebsstörungen oder Schäden zu verhindern.
Verglichen mit dem gesamten Chip weist das Halbleitersubstrat oder
Die nur ein geringes Volumen auf, in dem jedoch nahezu die gesamte
Wärme entsteht, die an einer Wärmeabgabefläche 11 an der
Oberseite des Chips 3 abgeführt wird. Der Chip 3 weist
typischerweise (nicht dargestellte) Pins auf, die durch Lötverbindungen
mechanisch mit der Leiterplatte 2 und elektrisch mit (nicht
dargestellten) auf der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen verbunden sind.
Typischerweise ist der Chip in einen (nicht dargestellten) Chipsockel
eingesteckt, der seinerseits mit der Leiterplatte verlötet
ist.
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Die
Wärmeabfuhr von dem Chip 3 erfolgt über
einen Wärmespreizer, eine Aluminiumplatte 5, auf
einen Kühlkörper 7. Der Kühlkörper
ist auf der Seite des Chips angeordnet, die der Leiterplatte 2 abgewandt
ist, besteht aus Aluminium und weist zur Verbesserung der Wärmeübertragung
auf die Luft Kühlrippen 8 auf. Ein (nicht dargestelltes)
Gebläse verstärkt die Wärmeabfuhr durch
eine erzwungene Konvektion. Um die in dem Chip 3 entstehende
Wärme abführen zu können, ohne die verfügbare
Temperaturspanne zwischen der zulässigen Maximaltemperatur
des Chips und der Temperatur der Umgebungsluft zu überschreiten,
weist der Kühlkörper 7 Abmessungen auf,
die diejenigen des Chips 3 weit überschreiten.
Aus Gründen der mechanischen Stabilität hat er
außerdem gewisse Dicke und dadurch eine erhebliche Masse.
Um Beschädigungen des Chips bei der Montage des Kühlkörpers
oder durch spätere Erschütterungen, insbesondere
bei mobilen Geräten, zu vermeiden, wird der Kühlkörper
nicht direkt an der Wärmeabgabefläche 11 des
Chips 3, sondern über Stützen 9 an
der Leiterplatte 2 befestigt.
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Der
Wärmespreizer 5 weist eine erste Koppelfläche 13 auf,
die über eine sehr dünne thermische Zwischenschicht 4 aus
einer Wärmeleitpaste, die dem Ausgleich von Oberflächenunebenheiten dient,
an der Wärmeabgabefläche 11 des Chips 3 angebracht
ist. Der Wärmespreizer dient dazu, den Wärmestrom über
eine größere Querschnittsfläche zu verteilen,
um den thermischen Widerstand und damit den Temperaturabfall zu
verringern. Die Fertigungs- und Einbautoleranzen sowie Oberflächenunebenheiten
der Leiterplatte 2, des Chips 3, des Wärmespreizers 5,
des Kühlkörpers 7 sowie der Stützen 9 addieren
sich typischerweise in einer Größenordnung von
etwa 1 mm. Da eine Druckbelastung des Chips auf jeden Fall vermieden
werden soll, wird stattdessen ein Spalt zwischen einer zweiten Kop pelfläche 14 des
Wärmespreizers 5 und der Wärmeaufnahmefläche 12 des
Kühlkörpers 7 hingenommen, der mittels
Gap-Pads 10 und eines Gap-Fillers 6 geschlossen
wird.
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Der
Gap-Filler 6 besteht aus einem Material, das sich der Wärmeaufnahmefläche 12 des
Kühlkörpers 7 und der zweiten Koppelfläche 14 des
Wärmespreizers 5 anpassen und Lufteinschlüsse
verhindern kann, die den Wärmeübergang erheblich
behindern würden. Der Gap-Filler umgibt vier zwischen dem
Kühlkörper und dem Wärmespreizer angeordnete
Gap-Pads, von denen nur zwei in der Zeichnungsebene liegen, und
füllt den Zwischenraum zwischen dem Wärmespreizer 5 und
dem Kühlkörper 7 im Wesentlichen vollständig
aus. Der Gap-Filler ist ein Zweikomponenten-Gap-Filler, der in einem
flüssigen oder plastisch verformbaren Zustand in den Zwischenraum
zwischen dem Kühlkörper und dem Wärmespreizer
eingeführt wird und nach der Montage aushärtet.
Der Gap-Filler trägt so zur Fixierung des Wärmespreizers 5 in
der für den Wärmeübergang optimalen Einbaulage
bei. Es können aber auch andere Wärmeleitmaterialien
verwendet werden.
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Die
Gap-Pads 10 sind elastisch verformbare Kissen, die Verformungen
in der Größenordnung der erwarteten Maßabweichungen
zulassen und dabei Federkräfte erzeugen, die jedoch nicht
so groß sind, dass sie zu einer Beschädigung des
Chip 3 führen. Die Gap-Pads 10 ermöglichen
eine Anpassung der Lage des Wärmespreizers 5 an
die tatsächliche Lage der Wärmeabgabefläche 11 des
Chips 3.
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Durch
eine Verwendung mehrerer, am Rand oder an den Ecken des Wärmespreizers 5 angeordneter
Gap-Pads 10 kann sich der Wärmespreizer nicht
nur in der Höhe, sondern auch noch im Neigungswinkel und
der Neigungsrichtung an die Wärmeabgabefläche 11 anpassen,
wobei die Gap-Pads 10 ggfs. unterschiedlich stark komprimiert
werden. Neben Abweichungen in der Höhe kann es z. B. durch
den Einbau auch zu einer (in 1 übertrieben dargestellten)
Schräglage der Wärmeabgabefläche 11 kommen,
an die sich der Wärmespreizer 5 gemäß der
vorliegenden Erfindung durch eine Schrägstellung anpassen
kann. Dabei wird das Gap-Pad 10 auf der rechten Seite etwas
stärker komprimiert als das Gap-Pad auf der linken Seite.
Eine entsprechende Anpassung an die Lage der Wärmeabgabefläche 11 im
Raum erfolgt auch in der dritten Dimension, so dass sich die Ebene
der ersten Koppelfläche 13 des Wärmespreizers 5 in
drei Freiheitsgraden (Höhe, Neigungswinkel und Neigungsrichtung)
an die Wärmeabgabefläche 11 des Chips 3 anpassen
kann. Dadurch entsteht ein für den Wärmeübergang
vorteilhafter flächiger Kontakt zwischen dem Chip und dem Wärmespreizer.
Die thermische Zwischenschicht 4 aus eine Wärmeleitpaste
braucht daher nur die Oberflächenrauhigkeiten und nicht
die viel größeren Maßtoleranzen auszugleichen
und stellt wegen ihrer geringen Dicke nur einen geringen thermischen
Widerstand dar.
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2 zeigt
die Lagerung eines Wärmespreizers 5 einer Chipkühlvorrichtung 1,
die derjenigen aus 1 ähnlich ist, in einer
Draufsicht von unten. Ein Kühlkörper 7 weist
eine ebene Wärmeaufnahmefläche 12 und
Kühlrippen 8 auf, die nur teilweise dargestellt
sind. Weitere (nicht dargestellte) Kühlrippen befinden
sich auf der in 2 nicht sichtbaren Oberseite
des Kühlkörpers 7. An der Wärmeaufnahmefläche 12 sind
vier Gap-Pads 10 angebracht, z. B. verklebt. An den Gap-Pads
ist ein plattenförmiger Wärmespreizer 5 befestigt,
der die Gap-Pads teilweise verdeckt, durch Verkleben mit den Gap-Pads
und dadurch mit dem Kühlkörper verbunden ist und
eine ebene erste Koppelfläche 13 aufweist, die
zur Kontaktierung eines oder mehrerer Chips vorgesehen ist. Die
vom Wärmespreizer 5 verdeckten Kanten der Gap-Pads 10 sind
als gestrichelte Linien dargestellt. Der Wärmespreizer 5 und
der Kühlkörper 7 bestehen aus Aluminium.
Es könnten jedoch auch andere Metalle oder sonstige Materialien
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
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Die
Gap-Pads 10 sind flache, elastisch verformbare Kissen,
die als Reaktion auf Druckkräfte, die auf den Wärmespreizer
ausgeübt werden, eine geringfügige Annäherung
des Wärmespreizers an den Kühlkörper
zulassen. In Abhängigkeit von dem Betrag und dem Angriffspunkt
der Druckkräfte weist die Lage des Wärmespreizers,
insbes. die Ebene ersten Koppelfläche 13, relativ
zu dem Kühlkörper wenigstens drei Freiheitsgrade
auf, nämlich einen Abstand, einen Neigungswinkel sowie
eine Neigungsrichtung.
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Die
in 2 dargestellte Kühlvorrichtung 1 ist
zum Einbau auf einer (nicht dargestellten) Leiterplatte einer gedruckten
Schaltung vorgesehen und dient zur Kühlung eines oder mehrerer
Chips, die in dem Zwischenraum zwischen dem Wärmespreizer und
der Leiterplatte angeordnet sind. Die Einbaumaße des Kühlkörpers 7 auf
der Leiterplatte sind so gewählt, dass der Wärmespreizer 5 mit
den Wärmeabgabeflächen eines oder mehrerer Halbleiterchips
in Kontakt gebracht wird. Dabei bewirkt die elastische Lagerung
des Wärmespreizers an dem Kühlkörper mit
Hilfe der Gap-Pads 10 eine optimale Ausrichtung des Wärmespreizers 5,
so dass dieser mit minimalem Abstand an dem Chip anliegt.
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Wie
in 1 gezeigt kann eine einzelne Wärmeabgabefläche 11 flächig
kontaktiert werden, während bei zwei oder mehr Wärmeabgabeflächen in
Abhängigkeit von der jeweiligen Geometrie eventuell nur
ein linien- oder punktförmiger Kontakt möglich
ist. Bei drei in einer Linie angeordneten Oberflächen oder
vier über eine Fläche verteilten Oberflächen
ist eine Berührung aller Oberflächen ohne Verformung
im allgemeinen Fall nicht mehr möglich. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht jedoch ein Anliegen des Wärmetauschers
an den Wärmeabgabeflächen durch Berührung
von im allgemeinen Fall drei über die Fläche der
Leiterplatte verteilte Chips sowie eine optimale Annäherung
an etwaige weitere Wärmeabgabeflächen im Rahmen
der Möglichkeiten der jeweiligen Geometrie.
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Das
Einbaumaß des Kühlkörpers bzw. der Abstand
zwischen dem Kühlkörper 7 und der Leiterplatte 2 und
die Elastizität der Gap-Pads 10 sind so zu wählen,
das einerseits der Wärmespreizer 5 die Wärmeabgabeoberfläche 11 überhaupt
erreicht und eine Druckkraft auf diese ausgeübt wird. Andererseits
dürfen die aus der erforderlichen elastischen Verformung
der Gap-Pads 10 resultierenden Druckkräfte nicht
zu Beschädigungen der Chips führen. Es könnte
auch eine andere Anzahl von Gap-Pads 10 oder eine andere
Anordnung derselben verwendet werden, die sicherstellt, dass der
Wärmespreizer mit angemessener Druckkraft an den kontaktierbaren Wärmeabgabeflächen
anliegt.
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Um
die Kraft vom Kühlkörper 7 über
die Gap-Pads 10, den Wärmespreizer 5 und
die Halbleiterchips 3 auf die Leiterplatte 2 als
Druckkraft übertragen zu können, ist eine stabile
geometrische Anordnung vorteilhaft. Bei der in 1 dargestellten Anordnungen
zur Kontaktierung einer einzelnen Chipober fläche 11 verläuft
die Wirkungslinie der auf den Chip ausgeübten Kraft zwischen
mehreren Gap-Pads 10, d. h. innerhalb eines aus diesen
gebildeten Polygons, wie z. B. des aus den in 2 dargestellten
Gap-Pads gebildeten Vierecks. Anderenfalls bestünde die
Gefahr, dass der Wärmespreizer bei der Montage keine stabile
Lagerung erhält und nach der Seite gekippt wird, ohne mit
minimalem Abstand an den Chips anzuliegen. Bei genauer Anordnung
von Chip, Wärmespreizer und Gap-Pad in Wirkungsrichtung
der Druckkraft kann auch ein einziges Gap-Pad zur Ausrichtung des
Wärmespreizers an einem einzelnen Chip ausreichen.
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Wie
in 3 gezeigt kann bei der Kontaktierung mehrerer
Chips zur optimalen Lagerung des Wärmespreizers 5 am
Kühlkörper ein einziges elastisches Element, wie
etwa ein Gap-Pad 10, in zentraler Lage eine stabile Lagerung
bewirken, sofern die Wirkungslinie der von ihm ausgeübten
Druckkraft innerhalb des aus den mehreren Chipoberflächen
gebildeten Polygons verläuft.
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3 zeigt
eine der 1 ähnliche Anordnung,
auf deren Beschreibung hier Bezug genommen wird. Gemäß 3 werden
jedoch die Wärmeabgabeflächen 51, 52, 53 von
drei in einer Linie auf der Leiterplatte 2 angeordneten
Halbleiterchips 31, 32, 33 durch einen
gemeinsamen Wärmespreizer 5 gemäß der
vorliegenden Erfindung kontaktiert. Wie in der Zeichnung dargestellt
ist das gewünschte flächige Anliegen der ersten
Koppelfläche 13 des Wärmespreizers 5 an
allen drei Wärmeabgabeflächen 51, 52, 53 geometrisch
nicht möglich. Die zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben
dargestellten Höhenunterschiede und Neigungen lassen in
der bestmöglichen Einbaulage des Wärmespreizers 5 nur
eine Punkt- oder li nienförmigen Berührung der beiden äußeren
Chips 31, 33 zu, während zwischen der
ersten Koppelfläche 13 und der Wärmeabgabefläche 52 des
mittleren Chips 32 ein Spalt frei bleibt.
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Durch
eine Neigung des Wärmespreizers 5 außerhalb
der Zeichnungsebene wäre noch eine Anpassung der Einbaulage
des Wärmespreizers an die Wärmeabgabefläche
eines (nicht dargestellte) vierten Chips außerhalb der
Zeichnungsebene möglich. Zwischen jeder Wärmeabgabefläche 51, 52, 53 und der
ersten Koppelfläche 13 ist jeweils eine Wärmeleitpaste
als thermische Zwischenschicht 41, 42, 43 angeordnet,
die im Gegensatz zu der in 1 dargestellten
Anordnung nicht nur die Oberflächenrauhigkeiten ausgleicht,
sondern auch die verbleibenden Restspalten auffüllt. Aufgrund
der geringen Höhen- und Winkeldifferenzen der einzelnen
Oberflächen sind die mit der Wärmeleitpaste aufzufüllenden
Volumina dennoch so gering, dass die thermische Zwischenschichten 41, 42, 43 weiterhin
nur einen geringen thermischen Widerstand darstellen.
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4 zeigt
die Kühlanordnung aus 3, auf deren
Beschreibung hier Bezug genommen wird, mit dem Unterschied, dass
der Wärmespreizer 5 in 4 nicht
aus einem einzigen, sondern aus mehreren Wärmespreizerelementen 71, 72, 73 besteht,
von denen jedes einzelne gemäß der vorliegenden
Erfindung an der Wärmeabgabeflächefläche 51, 52 bzw. 53 eines
der Chips 31, 32 bzw. 33 anliegt, wie
es zuvor beschrieben worden ist. Der Wärmespreizer 5 ist eine
einstückige Aluminiumplatte, deren einzelne Plattensegmente 71, 72, 73 in
der Art einer Schokoladentafel durch dünne Stege 74 miteinander
verbunden sind. Alternativ könnten auch getrennte Metallplatten
verwendet werden, die z. B. mit einem gemeinsamen flexiblen Element,
wie etwa einem Netz oder einer Folie verbunden sind.
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Die
Stege weisen durch ihre geringe Dicke eine gewisse Verformbarkeit
auf und ermöglichen den sehr viel starreren Plattensegmenten 71, 72, 73, sich
unabhängig voneinander bestmöglich an die Wärmeabgabeflächen 51, 52, 53 der
jeweiligen Chips 31, 32 bzw. 33 anzulegen.
Zwischen der Wärmeaufnahmefläche 12 des
Kühlkörpers 7 und jedem der Wärmespreizerelemente 71, 72, 73 bewirkt
ein Gap-Pad 61, 62 bzw. 63 durch Erzeugung
einer auf die jeweilige Wärmeabgabefläche 51, 52 bzw. 53 gerichteten
Vorspannung eine Ausrichtung jedes Wärmespreizerelements 71, 72 bzw. 73 auf
die jeweilige Wärmeabgabefläche, um ein flächiges
Anliegen sicherzustellen, wie es zuvor beschrieben worden ist. Der
restliche Zwischenraum zwischen dem Wärmespreizer 5 und
dem Kühlkörper 7 ist wiederum mit einem
ausgehärteten Zweikomponenten-Gap-Filler 6 ausgefüllt.
-
- 1
- Kühlvorrichtung
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Halbleiterchip
- 4
- Thermische
Zwischenschicht
- 5
- Wärmespreizer
- 6
- Gap-Filler
- 7
- Kühlkörper
- 8
- Rippe
- 9
- Stütze
- 10
- Gap-Pad
- 11
- Wärmeabgabefläche
- 12
- Wärmeaufnahmefläche
- 13
- Erste
Koppelfläche
- 14
- Zweite
Koppelfläche
- 31
- Erster
Halbleiterchip
- 32
- Zweiter
Halbleiterchip
- 33
- Dritter
Halbleiterchip
- 41
- Thermische
Zwischenschicht
- 42
- Thermische
Zwischenschicht
- 43
- Thermische
Zwischenschicht
- 51
- Wärmeabgabefläche
- 52
- Wärmeabgabefläche
- 53
- Wärmeabgabefläche
- 61
- Gap-Pad
- 62
- Gap-Pad
- 63
- Gap-Pad
- 71
- Wärmespreizerelement
- 72
- Wärmespreizerelement
- 73
- Wärmespreizerelement
- 74
- Steg
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 60209423
T2 [0006]
- - US 7007741 [0007]