DE19952768A1 - Vorrichtung zum thermischen Verbinden eines elektronischen Bauelementes mit einem Kühlkörper - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum thermischen Verbinden eines auf einer Trägerfläche (12, 50) aufliegenden elektronischen Bauelementes (10) mit einem Kühlkörper (18), umfasst ein Wärmeleitelement (16), das mit einer ersten Kontaktfläche (22) durch Spannmittel (30; 48) gegen eine Wärmeabgabefläche (14) des Bauelementes (10) spannbar ist und das eine zur ersten Kontaktfläche (22) im wesentlichen senkrechte, gegen eine Wärmeaufnahmefläche (28) des Kühlkörpers (18) spannbare zweite Kontaktfläche (26) hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Verbinden eines auf einer Trägerfläche aufliegenden und/oder befestigten elektronischen Baulementes mit einem Kühlkörper, umfassend eine Wärmeleitelement, das mit einer ersten Kontaktfläche durch Spannmittel elastisch gegen eine Wärmeabgabefläche des Bauelementes spannbar ist.

Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist beispielsweise aus der DE 39 32 079 C bekannt. Ein Problem bei dem Kühlen elektronischer Bauelementen besteht darin, daß Kühlkörper mit der erforderlichen Kühlkapazität in der Regel zu groß sind, um direkt mit dem zu kühlenden Bauelement verbunden zu werden, das sich in der Regel zusammen mit vielen anderen Bauelementen auf einer Schaltungsplatine befindet. Zur Lösung dieses Problemes ist es bereits bekannt, die Wärme von einem Bauelement zu dem Kühlkörper mittels sogenannter Heat- Pipes zu übertragen. Diese sind jedoch sehr teuer.

Bei der Übertragung der Wärme mittels starrer Wärmeleitelemente aus einem Wärme gut leitenden Material tritt das Problem auf, daß einerseits das Wärmeleitelement in guten großflächigen Kontakt mit dem Bauelemment bzw. dem Kühlkörper gebracht werden muß und daß andererseits ein ausreichendes Spiel vorhanden sein soll, um die Wärmeausdehnung der beteiligten Elemente zu berücksichtigen.

Bei der aus der DE 39 32 079 bekannten Vorrichtung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß das Wärmeleitelement zweiteilig ausgebildet ist. Ein erstes Teil liegt mit seiner ersten Kontaktfläche unmittelbar auf der Wärmeabgabefläche des Bauelementes auf und hat auf seiner der ersten Kontaktfläche entgegengesetzten Seite Nuten und Rippen, die mit komplementären Rippen und Nuten des das Bauelement umgebenden Keramikgehäuses in Eingriff stehen, wobei das Keramikgehäuse über eine Schicht aus einem elastischen wärmeleitenden Fett an dem Kühlkörper anliegt. Zwischen dem Keramikgehäuse und dem Wärmeleitelement befindet sich eine Feder, welche das Wärmeleitelement gegen das Bauteil spannt. Die sehr feinen Zwischenräume zwischen den ineinandergreifenden Rippen des auf dem Bauelement aufliegenden Elementes und des Keramikgehäuses sind mit Heliumgas gefüllt, das eine Wärmeübertragung bewirkt.

Diese Anordnung erlaubt zwar einen Ausgleich der Wärmeausdehnung, ist jedoch außerordentlich aufwendig und teuer in der Herstellung. Eine ähnliche Anordnung ist auch aus der DE 195 20 938 C bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach im Aufbau und in der Montage ist und zu geringen Kosten hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmeleitelement eine zur ersten Kontaktfläche im wesentlichen senkrechte, gegen eine Wärmeaufnahmefläche des Kühlkörpers spannbare Kontaktfläche hat.

Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement kann einstückig beispielsweise als Abschnitt eines Strangpreßprofils zu geringen Kosten aus einem gut wärmeleitenden Material wie Aluminium oder dergleichen hergestellt werden. Dadurch daß die beiden Kontaktflächen senkrecht zueinander gerichtet sind, kann sich das Wärmeleitelement senkrecht zu der jeweiligen Kontaktfläche ungehindert ausdehnen oder zusammenziehen, auch wenn das Wärmeleitelement mit seinen beiden Kontaktflächen jeweils fest gegen die Wärmeabgabefläche bzw. Wärmeaufnahmefläche gespannt wird. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß sich das Wärmeleitelement zumindest an einer der Kontaktflächen parallel zu dieser gegenüber dem Bauelement bzw. dem Kühlkörper verschieben kann. Auf diese Weise lassen sich auch Toleranzen in der räumlichen Zuordnung zwischen der Wärmeabgabefläche und der Wärmeaufnahmefläche auffangen.

Vorzugsweise ist das Wärmeleitelement plattenförmig ausgebildet mit einem die erste Kontaktfläche aufweisenden ersten Abschnitt, der in seiner Abmessung zumindest annähernd den Abmessungen der Wärmeabgabefläche entspricht, und mit einer den Abstand zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper überbrückenden zweiten Abschnitt, an dem die zweite Kontaktfläche ausgebildet ist. Um bei einer solchen Lösung die zweite Kontaktfläche hinreichend groß machen zu können, so daß auch eine großflächige Wärmeabgabe möglich ist, ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsfläche des zweiten Abschnittes von dem ersten Abschnitt zur zweiten Kontaktfläche hin kontinuierlich zunimmt. Dies kann in einer Dimension aber auch in zwei zueinander senkrechten Richtungen der Fall sein.

Die zweite Kontaktfläche kann auch dadurch vergrößert werden, daß in ihr Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet sind, die zum Eingriff mit komplementär ausgebildeten Vertiefungen bzw. Erhebungen an der Wärmeaufnahmefläche des Kühlkörpers bestimmt sind.

Bei einem plattenförmigen Wärmeleitelement kann eine großflächige zweite Kontaktfläche auch dadurch geschaffen werden, daß der zweite Abschnitt einen gegenüber dem ersten Abschnitt mindestens annähernd rechtwinklig gerichteten Schenkel hat, an dem die zweite Kontaktfläche ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement läßt sich auf einfache Weise montieren, in dem die Spannmittel eine Blattfeder mit einem das Wärmeleitelement gegen das Bauelement spannenden ersten Schenkel und einem das Wärmeleitlement gegen den Kühlkörper spannenden zweiten Schenkel umfassen, wobei die Blattfeder entweder an dem Kühlkörper oder an der Trägerfläche für das Bauelement befestigt ist. Bei einer anderen Ausführungsform umfassen die Spannmittel eine das Wärmeleitelement gegen die Trägerfläche spannende federelastische Spannklammer und eine Spannschraube, die das Wärmeleitelement mit der zweiten Kontaktfläche gegen die Wärmeaufnahmefläche des Kühlkörpers spannt. Bei dieser Lösung ist im Gegensatz zu der obenstehenden Lösung die Beweglichkeit des Wärmeleitelementes nur im Bereich der ersten Kontaktfläche gegenüber dem Bauelement gegeben. Im Bereich der zweiten Kontaktfläche ist das Wärmeleitelement dagegen fest mit dem Kühlkörper verbunden.

Bei geeigneter Materialwahl und Dimensionierung kann anstelle eines eigenen Kühlkörpers auch beispielsweise das Gerätgehäuse selbst als Kühlkörper dienen, in dem das Wärmeleitelement mit einer Wand des Gerätegehäuses verbunden wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutet. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Wärmeleitelementes, das ein zu kühlendes elektronisches Bauelement mit einer Gehäusewand verbindet,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1

Fig. 3 bis 6 jeweils eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 10 ein elektronisches Bauelement, beispielsweise eine CPU bezeichnet, die auf einem Sockel 12 befestigt ist. Neuere Einheiten dieser Art entwickeln unter Umständen eine Verlustleistung von ca. 70 Watt, die abgeführt werden muß. Hierzu liegt auf der als Wärmeabgabefläche 14 dienenden Oberseite des Baulementes 10 ein plattenförmiges Wärmeleitelement 16 auf, welches das Bauelement 10 thermisch mit einer nur angedeuteten Gehäusewand 18 eines im übrigen nicht dargestellten Gerätegehäuses verbindet. Wie man aus Fig. 2 erkennt, hat das Wärmeleitelement einen ersten Abschnitt 20, der in seiner Größe annähernd der Grundfläche des Bauelementes 10 entspricht und an dem sich die erste Kontaktfläche 22 des Wärmeleitelementes 16 befindet. Von diesem ersten Abschnitt 20 erstreckt sich zu der Gehäusewand 18 hin ein zweiter Abschnitt 24, der sich von dem ersten Abschnitt 20 zur Gehäusewand 18 hin kontinuierlich verbreitert und an dem die senkrecht zur ersten Kontaktfläche 22 gerichtete zweite Kontaktfläche 26 des Wärmeleitelementes 16 ausgebildet ist. Durch die Verbreiterung des zweiten Abschnittes 24 wird diese Fläche vergrößert, um so eine ausreichende Wärmemenge an die Wärmeaufnahmefläche 28 der Gehäusewand 18 übertragen zu können.

Das Wärmeleitelement 16 wird durch eine allgemein mit 30 bezeichnete Blattfeder gegen das Bauelement 10 einerseits und die Gehäusewand 18 andererseits gespannt. Die Blattfeder ist mit einem Ende 32 an dem Sockel 12 befestigt und hat einen ersten Schenkel 34, der das Wärmeleitelement 16 gegen das Bauelement 10 drückt und einen zweiten Schenkel 36, der das Wärmeleitelement 16 gegen die Gehäusewand 18 spannt. Auf diese Weise ist einerseits ein guter Wärmeübergang zwischen der Wärmeabgabefläche 14 und der ersten Kontaktfläche 22 sowie der zweiten Kontaktfläche 26 und der Wärmeaufnahmefläche 28 gewährleistet wobei gleichzeitig eine Relativbewegung des Wärmeleitelementes gegenüber dem Bauelement 10 und der Gehäusewand 18 aufgrund einer Wärmeausdehnung möglich bleibt. Zugleich werden Maßtoleranzen zwischen der Wärmeabgabefläche 14 und der Wärmeaufnahmefläche 28 ausgeglichen. Da die Kontaktflächen 14 und 26 senkrecht zueinander gerichtet sind, kann das Wärmeleitelement 16 sich in einer Richtung senkrecht zu der jeweiligen Kontaktfläche 14, 26 ungehindert bewegen. Ein guter Wärmeübergang bei gleichzeitig guter Gleitfähigkeit wird in jedem Fall durch eine zwischen die Wärmeabgabefläche 14 und die Kontaktfläche 22 eingebrachte Schicht 15 aus Wärmeleitpasta erzielt.

Bei den folgenden Ausführungsformen sind gleiche Teile wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von jener der Fig. 1 und 2 durch eine andere Gestaltung des zweiten Abschnittes 24 des Wärmeleitelementes 16. Die Querschnittsfläche des Abschnittes 24 des Wärmeleitelementes 16 nimmt zur Gehäusewand 18 hin in zwei Richtungen zu. Zusätzlich sind die zweite Kontaktfläche 26 und die Wärmeaufnahmefläche 28 mit komplementären ineinandergreifenden Rippen und Nuten versehen, um so die Wärmeübergangsfläche zu vergrößern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat der zweite Abschnitt 24 des plattenförmigen Wärmeleitelementes 16 einen rechtwinklig umgebogenen Schenkel 38, an dem die zweite Kontaktfläche 26 ausgebildet ist. Die Blattfeder 30 ist bei dieser Ausführungsform an der Gehäusewand 18 befestigt wobei der erste Schenkel 34 der Blattfeder 30 wiederum den ersten Abschnitt 20 des Wärmeleitelementes 16 auf das Bauelement 10 drückt, während der zweite Blattfederschenkel 36 den umgebogenen Schenkel 38 des Wärmeleitelementes 16 gegen die Gehäusewand 18 drückt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist das Wärmeleitelement 16 wieder von einer ebenen Platte gebildet, wobei der zweite Abschnitt 24 des Wärmeleitelementes 16 mit seinem die zweite Kontaktfläche 26 tragenden freien abgerundeten Rand in eine komplementäre Nut 40 in der Gehäusewand 18 eingreift. Durch die halbzylindrische Gestalt der zweiten Kontaktfläche 26 und der Wärmeaufnahmefläche 28 der Gehäusewand 18 wird der Wärmeübergangsquerschnitt vergrößert. Gleichzeitig wird ein sicherer Halt des Wärmeleitelementes 16 an der Gehäusewand 18 gewährleistet. Schließlich werden Winkeltoleranzen zwischen der Wärmeabgabefläche 14 und der Wärmeaufnahmefläche 28 an der Gehäusewand 18 ausgeglichen. Der Blattfederschenkel 36 greift bei dieser Ausführungsform mit seinem freien Ende in eine Aussparung 42 in der Oberseite des Wärmeleitelementes 16 ein.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist das Wärmeleitelement 16 starr mit der Gehäusewand 18 durch eine Schraube 44 verbunden, welche die Gehäusewand 18 durchsetzt und in eine senkrecht zur zweiten Kontaktfläche 26 gerichtete Gewindebohrung 46 in dem Wärmeleitelement 16 eingreift. Dieses wird mittels einer Spannklammer 48 gegen das Bauelement 10 gespannt, wobei die Spannklammer 48 an einer Platine 50 angreift, welche das Bauelement 10 trägt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum thermischen Verbinden eines auf einer Trägerfläche (12, 50) aufliegenden und/oder befestigten elektronischen Bauelementes (10) mit einem Kühlkörper (18), umfassend ein Wärmeleitelement (16), das mit einer ersten Kontaktfläche (22) durch Spannmittel (30; 48) gegen eine Wärmeabgabefläche (14) des Bauelementes (10) spannbar ist und das eine zur ersten Kontaktfläche (22) im wesentlichen senkrechte, gegen eine Wärmeaufnahmefläche (28) des Kühlkörpers (18) spannbare zweite Kontaktfläche (26) hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (16) plattenförmig ausgebildet ist mit einem die erste Kontaktfläche (22) aufweisenden ersten Abschnitt (20), der in seinen Abmessungen mindestens annähernd den Abmessungen der Wärmeabgabefläche (14) entspricht, und mit einem den Abstand zwischen dem ersten Bauelement (10) und dem Kühlkörper (18) überbrückenden zweiten Abschnitt (24), an dem die zweite Kontaktfläche (26) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des zweiten Abschnittes (24) von dem ersten Abschnitt (20) zur zweiten Kontaktfläche (28) hin kontinuierlich zunimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Kontaktfläche (26) Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet sind, die zum Eingriff mit komplementär ausgebildeten Vertiefungen bzw. Erhebungen an der Wärmeaufnahmefläche (28) des Kühlkörpers (18) bestimmt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (24) einen gegenüber dem ersten Abschnitt (20) mindestens annähernd rechtwinklig gerichteten Schenkel (38) hat, an dem die zweite Kontaktfläche (26) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel eine Blattfeder (30) mit einem das Wärmeleitelement (16) gegen das Baulelement (10) spannenden ersten Schenkel (34) und einem das Wärmeleitelement (16) gegen den Kühlkörper (18) spannenden zweiten Schenkel (36) umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (30) an dem Kühlkörper (18) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (30) an der Trägerfläche (12, 50) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel eine das Wärmeleitelement (16) gegen das Bauelement (10) spannende federelastische Spannklammer (48) und eine Spannschraube (44) umfassen, die das Wärmeleitelement (16) mit der zweiten Kontaktfläche (26) gegen die Wärmeaufnahmefläche (28) des Kühlkörpers (18) spannt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper eine Wand (18) eines das Bauelement (10) aufnehmenden Gerätegehäuses ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmeabgabefläche (14) des Bauelementes (10) und der ihr zugeordneten Kontaktfläche (22) des Wärmeleitelementes (16) eine Schicht (15) aus einer Wärmeleitpasta angeordnet ist.