DE19640381C2 - Kühlkörper für elektronische Bauelemente mit einem Lüfter und Verfahren zur Montage des Kühlkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für elektronische Bauelemente, insbesondere für Pentium-Prozessoren.

Für den zuverlässigen Einsatz von Halbleiter-Bauelementen ist eine gute Wärmeabfuhr unerläßlich. Mit zunehmender Lei­ stungsdichte oder mit steigender Integration der elektroni­ schen Bauelemente müssen regelmäßig größere Verlustleistungen in Form von Verlustwärme abgeführt werden. Damit ist eine gu­ te Wärmeleitung im Inneren der Bausteine notwendig. Danach folgt die Übertragung der Verlustwärme nach außen. Dies kann verschiedenartig geschehen, beispielsweise durch Konvektion, Wärmeleitung oder Wärmestrahlung.

Teilweise werden sog. Wärmeverteiler oder Wärmeableitkör­ per aus Metall konstruktiv so plaziert, daß sie nach außen aus dem Kunststoffgehäuse eines Bauelementes herausragen. Ein sog. Heatslug (Wärmetrum, Wärmesenke, Wärmeableitkörper) bildet eine vollständi­ ge oder partielle flächige Seite eines Kunststoffgehäuses ei­ nes Bauelementes. Diese flächige Seite des Heatslugs ist ent­ weder bündig mit dem Kunststoffgehäuse oder überstehend aus­ gelegt. Die hier vorhandene Wärmeübertragung durch Konvektion oder Strahlung reicht in der Regel nicht aus, da die nach au­ ßen tretende Fläche des Heatslugs zu klein ist. Somit werden für viele Bauelemente Kühlkörper aufgesetzt, die insgesamt die wärmeableitende Oberfläche vergrößern und im Kontakt mit der nach außen stehenden Oberfläche des Heatslugs sind. Um diese Kühlkörper vorteilhaft anzukoppeln, werden sog. Wärme­ leitfolien eingesetzt, die Unebenheiten an den Bestandteilen ausgleichen, so daß keinerlei Lufteinschlüsse die Wärmeüber­ tragung bzw. Wärmeleitung behindern.

Im Stand der Technik sind verschiedenartige Ausbildungen von Kühlkörpern bekannt. So wird ein Kühlkörper in der DE-OS 43 35 299 beschrieben. Weitere Formen von Kühlkörpern ergeben sich aus der DE-OS 24 25 723 oder aus der japanischen Offenlegungsschrift 3-94456. Ein mäanderförmig aus einem Blechstreifen gebogener Kühlkörper wird in der deutschen älteren Patentanmeldung mit der amtlichen Anmeldenummer 195 31 628.2 beschrieben. Dieser Kühlkörper weist Mäanderbögen auf, die als Kontaktflä­ chen für die Wärmeübertragung vom Heatslug zum Kühlkörper dienen. Der Kühlkörper hat eine innere Vorspannung, die für eine Stabilisierung der für die Montage notwendigen Schnapp­ verbindungen sorgt. Im montierten Zustand ist dieser Kühlkör­ per bis zu einem gewissen Grad längs elastisch.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 32 03 609 A1 ist ein Kühlkörper für integrierte Bauelemente bekannt, welcher aus einem mäanderförmigen Blechstreifen besteht und an einem Konvektionsbereich Abluftöffnungen aufweist.

Für bestimmte Kühlkörper bzw. für die Kühlung bestimmter Bau­ elemente ist neben der Montage der Kühlkörper auch die Montage eines notwendigen Lüfters zu betrachten. Da diese Kühlkörper vor dem Hintergrund von großen Stückzahlen sehr kostengün­ stig, leicht zu montieren, selbstzentrierend und gut fixier­ bar sein sollen, werden hohe Anforderungen an sie gestellt. Die im Vordergrund stehende einfache Montage wird durch die Anforderung der Montage eines zusätzlichen Lüfters erschwert.

Durch das deutsche Gebrauchsmuster DE-GM 94 09 045 ist ein Kühlkörper für Mikroprozessoren bekannt, der massiv ausgeführt ist und in den ein Lüfter und ein Bauelement eingeschoben werden können.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE-GM 93 02 754 offenbart eine Kühlrippenanordnung für integrierte Schaltungen, die durch Schnapp­ verbindungen mit dem elektronischen Bauelement und mit einem Lüfter verbunden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper zu entwickeln, der auf einen Heatslug eines Prozessors bzw. elektronischen Bauelementes aufgeklipst werden kann. Ein Lüf­ ter soll dabei integrierbar sein und gleichzeitig den Kühl­ körper und das elektronische Bauelement bzw. dessen Heatslug belüften. Weiterhin sind Verfahren zur Montage des Kühlkörpers anzuge­ ben.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. Anspruch 7, 8 oder 9.

Die Grundlage der Erfindung ist eine Konstruktion, bei der das elektronische Bauelement unten plaziert ist und dessen Heatslug nach oben sichtbar ist bzw. geringfügig nach oben übersteht, wobei darauf der Kühlkörper montiert wird und an der dem Bauelement gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers der Lüfter angebracht ist. Bei dieser Erfindung liegt ein aus einem gestanzten und gebogenen Blechstreifen dargestellter Kühlkörper vor. Die Erzeugung von Vorspannungen durch ent­ sprechende Ausbildungen der Mäanderform, wobei im montierten Zustand eine Spannkraft wirkt und den Kühlkörper stabili­ siert, ist in diesem Fall im wesentlichen aus Platzgründen nur sehr eingeschränkt möglich. Die Anforderung besteht dar­ in, eine Verbundkonstruktion aus Bauelement, Kühlkörper und Lüfter zu erzeugen, die einfach aufgebaut und stabil ist. Die für die Betriebssicherheit erforderliche Steifigkeit erhält der Kühlkörper durch entsprechendes Einschnappen verschiede­ ner Verbindungskonstruktionen, wobei die Bestandteile des Verbundes jeweils eng aneinanderliegen bzw. aneinandergezogen werden. Somit entsteht ein guter Wärmekontakt zwischen Heats­ lug und Kühlkörper.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprü­ chen entnommen werden.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt die teilweise geschnittene Seitenansicht eines Aufbaus bestehend aus einem Sockel, einem elektronischen Bau­ element, einem Kühlkörper und einem Lüfter,

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Kühlkörpers von oben,

Fig. 3 zeigt eine Ansicht des Kühlkörpers von unten,

Fig. 4 zeigt eine Abwicklung bzw. einen Blechstreifen aus dem ein Kühlkörper hergestellt wird,

Fig. 5 bis 8, sowie Fig. 9 und 10 sowie 11 bis 14 zei­ gen drei verschiedene Montageverfahren des Kühlkörpers, wobei Fig. 15 den montierten Endzustand entsprechend Fig. 1 dar­ stellt.

In den Fig. 1 bis 4 sind im wesentlichen konstruktive Merkmale des Kühlkörpers 1 in verschiedenen Ansichten und bei verschiedenen Zuständen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Verbund eines erfindungsgemäßen Kühlkör­ pers 1 zusammen mit einem eingebauten und arretierten Lüfter 4, sowie mit einem mit einem Wärmeableitkörper 3 versehenen Bauelement 2, das auf einem Sockel 20 kontaktiert ist. Kontaktpins sind in diesem Fall nicht dargestellt ist. In Fig. 1 sind die we­ sentlichen Merkmale, die die Stabilität des Kühlkörpers 1 ge­ währleisten, erkennbar. Hierzu gehört, daß der Kühlkörper mit oberen Nasen 14 und unteren Nasen 15 jeweils horizontal im Verbund arretiert oder eingespannt ist. Die oberen Nasen 14 bilden im wesentlichen eine Arretierung für den Lüfter 4. Die unteren Nasen 15, die entweder unter das Bauelement 2 ein­ schnappen oder in einen Sockel 20 innerhalb von Vertiefungen 21 müssen durch vertikal auf den Verbund wirkende Kräfte zum Einschnappen gebracht werden. Somit werden die unteren Mäan­ derbögen 9 durch eine damit erzeugte Vorspannkraft auf den Wärmeableitkörper 3 gedrückt. Diese Vorspannkraft wird durch entspre­ chende Biegung des Blechstreifens gewährleistet. Zur besseren Kontaktierung zwischen den unteren Mäanderbögen 9 und dem Wärmeableitkörper 3 können sog. Wärmeleitfolien eingesetzt werden. Die Schultern 10 und die Lappen 12 sorgen für eine exakte Aus­ richtung der unteren Mäanderbögen relativ zum Wärmeableitkörper 3. Von den oberen Mäanderbögen stehen nicht notwendigerweise alle in Kontakt mit dem Lüfter 4. Es ist ausreichend, wenn die äuße­ ren beiden oberen Mäanderbögen 6 mit den Schnappern 13 als Auflage für den Lüfter 4 dienen. Die Aussparungen am Lüfter 4, die mit den Schnappern 13 zusammenwirken sollen, sind in diesem Fall als Durchbrüche 6 ausgelegt. Dies können einfach ausführbare Bohrungen sein, durch die hindurch ein Lösen der Schnappverbindung erzielbar ist. Die Schnappverbindung sorgt im eingebauten bzw. arretierten Zustand dafür, daß die äuße­ ren Wände 7, die auch als Rippen bezeichnet werden, und die oberen Verlängerungen 18 in einer be­ stimmten Position nach seitlichem Zusammendrücken des Kühl­ körpers 1 arretiert sind. Der Kühlkörper 1 ist im wesentli­ chen symmetrisch ausgebildet und durch das Anliegen der obe­ ren Verlängerungen 18 links und rechts am Lüfter 4 ergibt sich die Stabilität der zusammengebauten Anordnung. Nachdem die Oberseite des Bauelementes 2 nicht vollständig vom Wärmeableit­ körper 3 belegt ist, enthält die in Fig. 1 dargestellte Ausfüh­ rung des Kühlkörpers 1 untere Verlängerungen 19, die ungefähr im 90° Winkel seitwärts nach außen die äußeren Rippen 7 ver­ längern, so daß die unteren Nasen 15 entsprechend eingreifen können.

In Fig. 2 ist zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Merkmalen ersichtlich, daß durch Zentrierhilfen 11 eine wei­ tere Stabilisierung des Kühlkörpers 1 relativ zum Lüfter 4 erzielt wird. Darüber hinaus sind Öffnungen 17 in den oberen Mäanderbögen 8 vorgesehen, die durch entsprechende Positio­ nierung eine gute Luftzirkulation zwischen Lüfter 4 und Wärmeableitkörper ermöglichen. Konstruktionsbedingt, d. h. durch die Ausbildung des Kühlkörpers 1 aus einem gestanzten Blechstrei­ fen, wird durch die oberen Verlängerungen 18 jeweils eine re­ lativ große Öffnung 17 erzeugt. Die Konstruktion des Lüfters 4 mit dessen Flügeln 5 ist derart ausgebildet, daß auch die seitlich liegenden in den beiden äußeren oberen Mäanderbögen 8 plazierten Öffnungen 17, mit Kühlluft versorgt werden. Die­ ser Zusammenhang ist aus der Fig. 1 nicht zu entnehmen.

Fig. 3 zeigt eine Unteransicht des Kühlkörpers 1 mit ent­ sprechenden bereits beschriebenen Details. Zusätzlich ist die Projektion des Wärmeableitkörper 3 an zentraler Stelle angegeben.

Der Kühlkörper 1 kann beispielsweise aus Messingblech mit ei­ ner Blechstärke von 0,3 mm bestehen und wird in Stanz-Biege- Technik hergestellt. Dies hat den Vorteil eines geringen Ma­ terialeinsatzes. Neben den Kosteneinsparungen beim Materi­ aleinkauf hat dies auch den Vorteil des geringen Gewichtes, was insbesondere für tragbare Rechner interessant ist, da sich eine Gewichtsersparnis von ca. 25% gegenüber einem Alu­ minium-Strang-Preßkühlkörper ergibt. Die erforderliche Stei­ figkeit, die ein hinreichend festes Aufklipsen des Kühl­ körpers 1 auf dem Wärmeableitkörper 3 notwendig ist, erhält der Kühl­ körper 1 durch die Verbundkonstruktion zwischen Lüfter 4 und Bauelement 2.

In Fig. 4 ist das Vorprodukt des Kühlkörpers 1, nämlich der noch nicht gebogene Blechstreifen dargestellt. Zusätzlich zu den bisher bezeichneten Merkmalen sind Sicken 16 eingebracht, die eine Stabilisierung der oberen Verlängerungen 18 gewähr­ leisten.

In den Fig. 5 bis 15 sind drei verschiedene Montageverfah­ ren dargestellt, wobei die Fig. 15 jeweils den fertig mon­ tierten Zustand wiedergibt, der der Darstellung in Fig. 1 entspricht. In den Fig. 5 bis 8 wird eine erste Variante eines Montageverfahrens für den Kühlkörper 1 dargestellt. Da­ bei wird zunächst der Lüfter 4 in den Kühlkörper einge­ schnappt, nachdem der Kühlkörper 1 ausreichend weit horizon­ tal auseinander gezogen worden ist. Somit erhalten die beiden außen liegenden Rippen 7 des Kühlkörpers 1 in Kombination mit dem Anliegen der oberen Verlängerungen 18 am Lüfter 4 ent­ sprechend Fig. 7 in Verbindung mit einem festen Aufklipsen über die Schnapper 13 zunächst ihre Steifigkeit. Im Anschluß daran werden zur Montage auf dem Bauelement 2 die unteren Na­ sen 15 entsprechend seitlich auseinandergezogen, so daß das Bauelement 2 einführbar ist und mit leichtem vertikal gerich­ teten Druck einschnappen kann.

Eine relativ einfache Variante eines Montageverfahrens wird durch die Fig. 9 und 10 wiedergegeben. Hierbei sind je­ doch gleichzeitig sämtliche Verfahrensschritte in einer kom­ primierten Form auszuführen. Der Kühlkörper 1 wird horizontal derart auseinander gezogen, daß die lagerichtig bereitge­ stellten weiteren Bestandteile, der Lüfter 4 und das Bauele­ ment 2, mit einer einzigen Fügebewegung horizontal angedrückt werden und durch seitliche Entlastung des Kühlkörpers 1 bzw. durch seitliches Zusammendrücken die Herstellung des Verbun­ des geschieht. Es ergibt sich wiederum der montierte Zustand entsprechend Fig. 15.

In den Fig. 11 bis 14 wird der Kühlkörper 1 aufgrund sei­ ner guten Längselastizität ohne Lüfter in einfacher Weise auf das Bauelement 2 entsprechend der Fig. 11 bis 13 montiert. In einem weiteren Montageschritt wird dann der Lüfter 4 auf der dem Bauelement 2 gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 1 bei seitlich auseinandergezogenen oberen Nasen 14 einge­ führt, angedrückt und arretiert. Somit ist die gesamte Kon­ struktion versteift.

Weitere Vorteile der Konstruktion bestehen in der leichten Lösbarkeit des Kühlkörpers, in dem die den Kühlkörper 1 arre­ tierenden Elemente leicht entriegelt werden können. Durch Niederdrücken der Schnapper 13, die den Lüfter 4 auf dem Kühlkörper 1 fixieren, wird beispielsweise der Lüfter freige­ geben. Dadurch wird der Kühlkörper 1 wieder elastisch und kann leicht demontiert werden. Der Kühlkörper 1 benötigt kei­ nerlei Klammern, die ihn mit anderen Bestandteilen der Anord­ nung verbinden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Kühlkörper 1 mit sehr wenig Verschnitt beim Herstellungspro­ zeß gefertigt werden kann. Wie aus der Abwicklung entspre­ chend Fig. 4 ersichtlich ist, werden die Aussparungen, die Öffnungen 17 für den Luftdurchtritt an den beiden äußeren Kühlrippen dadurch erzeugt, daß das Material hierfür hochge­ klappt ist und die oberen Verlängerungen 18 bildet. Diese Verlängerungen sind gleichzeitig Halterungen für den Lüfter 4. Eine weitere Ausgestaltung des Kühlkörpers 1 sieht Zen­ trierhilfen 11 im oberen Bereich vor. Sie bewirken, daß sich der Lüfter beim Einschnappen in den Kühlkörper 1 von selbst zentriert.

Claims (9)

1. Kühlkörper für elektronische Bauelemente (2), mit einem Lüfter (4), bestehend aus einem gestanzten und gebogenen Blechstreifen, der eine mäanderförmige Form aufweist und dessen Grundfläche ungefähr gleich der Grundfläche des elektronischen Bauelementes (2) ist, welches einen annähernd zentral positionierten Wärmeableitkörper (3) mit kleinerer Grundfläche aufweist, wobei im montierten Zustand:

• 1. mindestens zwei untere Mäanderbögen (9) des Kühlkörpers (1) mit dem Wärmeableitkörper (3) in Kontakt stehen,
• 2. die unteren Mäanderbögen (9) über Wände (7) des Kühl­ körpers (1) mit oberen Mäanderbögen (8) verbunden sind,
• 3. die äußeren Wände (7) durch Verlängerungen (18) über die oberen Mäanderbögen (8) nach oben verlängert sind und die Verlängerungen (18) am oberen Ende nach innen gerichtete obere Nasen (14) aufweisen, die einen Lüfter (4) in vertikaler Richtung fixieren,
• 4. die beiden äußeren oberen Mäanderbögen (8) die Auflage für den Lüfter (4) darstellen und Schnapper (13) aufweisen, die in Aussparungen oder Durchbrüche (6) des Lüfters (4) eingreifen und den Lüfter (4) relativ zum Kühlkörper (1) horizontal arretieren,
• 5. an den unteren Enden der äußeren Wände (7) befindliche nach innen gerichtete untere Nasen (15) des Kühlkörpers (1) an gegenüberliegenden Seiten des elektronischen Bauelementes (2) an dessen Unterseite oder in Vertiefungen (21) eines Sockels (20) für das elektro­ nische Bauelement (2) eingeschnappt sind, so daß die unteren Mäanderbögen (9) gegen den Wärmeableitkörper (3) vertikal angedrückt sind und die Verlängerungen (18) der äußeren Wände (7) am Lüfter (4) anliegen und in den oberen Mäanderbögen (8) ausgebildete Öffnungen (17) im Bereich eines Flügels (5) des Lüfters (4) liegen.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, worin die Mäanderbögen (8, 9) annähernd rechtwinklig zu den Wänden (7) ausgebildet sind.

3. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin an den unteren Mäanderbögen (9) dargestellte Lappen (12) und Schultern (10) mit Außenkanten des Wärmeableitkörpers (3) korrespondieren.

4. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin sich die unteren Nasen (15) am äußeren Ende von Verlängerungen (19) befinden, die an den unteren Enden der äußeren Wände (7) ansetzen.

5. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zumindest an den äußeren oberen Mäanderbögen (8) Zentrierhilfen (11) für den Lüfter (4) vorgesehen sind.

6. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die an den äußeren oberen Mäanderbögen (8) befindlichen Verlängerungen (18) durch Sicken (16) stabilisiert sind.

7. Verfahren zur Montage eines Kühlkörpers entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Lüfter (4) auf einem elektronischen Bauelement mit folgenden Schritten:

• 1. der Kühlkörper (1) wird horizontal auseinander gezogen, so daß der Lüfter (4) zwischen den oberen Nasen (14) eingeführt werden kann,
• 2. der Kühlkörper (1) wird horizontal derart zusammengedrückt, daß die Schnapper (13) in den Durchbrüchen (6) des Lüfters (4) einschnappen,
• 3. der Kühlkörper (1) wird an den unteren Nasen (15) horizontal auseinandergezogen, so daß der Kühlkörper (1) auf das elektronische Bauelement aufsetzbar ist und die unteren Nasen (15) bei gleichzeitig vertikal nach unten wirkendem Druck auf den Kühlkörper (1) an den äußeren Kanten des elektronischen Bauelementes (2) oder in Vertiefungen (21) eines Sockels (20) für das elektronische Bauelement (2) einschnappen, sobald sie in horizontaler Richtung freigegeben werden.

8. Verfahren zur Montage eines Kühlkörpers entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Lüfter (4) auf einem elektronischen Bauelement (2) mit folgenden Schritten:

• 1. der Kühlkörper (1) wird horizontal auseinandergezogen, so daß der Lüfter (4) zwischen den oberen Nasen (14) und das elektronische Bauelement (2) zwischen den unteren Nasen (15) eingeführt werden können,
• 2. der Lüfter (4) und das elektronische Bauelement (2) werden in vertikaler Richtung an den Kühlkörper (1) entsprechend angedrückt und der Kühlkörper (1) wird in horizontaler Richtung gleichzeitig zusammengedrückt, so daß die unteren Nasen (15) am elektronischen Bauelement (2) oder in Vertiefungen (21) eines Sockels (20) für das elektronische Bauelement (2) und die Schnapper (13) am Lüfter (4) einschnappen und die oberen Nasen (14) über den Lüfter (4) greifen.

9. Verfahren zur Montage eines Kühlkörpers entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Lüfter (4) auf einem elektronischen Bauelement (2) mit folgenden Schritten:

• 1. der Kühlkörper (1) wird horizontal auseinandergezogen, so daß das elektronische Bauelement (2) bzw. der Sockel (21) eines elektronischen Bauelementes (2) zwischen den unteren Nasen (15) des Kühlkörpers (1) eingeführt werden kann,
• 2. der Kühlkörper (1) wird auf das elektronische Bauelement (2) angedrückt und bei horizontaler Freigabe des Kühlkörpers (1) schnappen die unteren Nasen (15) am elektronischen Bauelement (2) oder in Vertiefungen (21) eines Sockels (20) für das elektronische Bauelement (2) ein,
• 3. der Kühlkörper (1) wird an den oberen Nasen (14) horizontal derart auseinandergezogen, daß der Lüfter (4) einführbar ist,
• 4. der Lüfter (4) wird vertikal an den Kühlkörper (1) angedrückt und der Kühlkörper (1) wird gleichzeitig im oberen Bereich derart horizontal zusammengedrückt, daß die Schnapper (13) in die Durchbrüche (6) des Lüfters (4) einschnappen und die oberen Nasen (14) über die Kanten des Lüfters greifen.