WO1997008750A1 - Kühlkörper für elektronische bauelemente - Google Patents

Kühlkörper für elektronische bauelemente Download PDF

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WO1997008750A1
WO1997008750A1 PCT/DE1996/001469 DE9601469W WO9708750A1 WO 1997008750 A1 WO1997008750 A1 WO 1997008750A1 DE 9601469 W DE9601469 W DE 9601469W WO 9708750 A1 WO9708750 A1 WO 9708750A1
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heat
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distributor
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Gerd Kohler
Tobias Kirmse
Klaus-Werner KÖHLER
Hans-Uwe Luckner
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
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Definitions

  • the invention relates to a heat sink for electronic components, in particular a heat sink which can be mounted and coupled on the top of a component and which absorbs the heat loss of the component and emits it via cooling surfaces.
  • a heat sink is usually in contact with a heat distributor (heat slug) of the component.
  • the invention is based on the object of providing a cost-effective, self-centering, well-fixed, yet flexible cooling body with high heat dissipation capacity. This object is achieved by the features of claim 1.
  • the invention is based on the knowledge that the optimal position of contact surfaces of the heat sink on the heat distributor of an electronic component can be obtained after the action of forces by means of a resilient structure of a heat sink bent from a sheet metal strip
  • the heat sink is under tension.
  • shoulders and rags in the area of the contact surfaces of the heat sink ensure effective centering or positioning relative to the component.
  • the heat sink is elastic and can avoid certain mechanical stresses, but returns to its original position, so that the reliable heat dissipation time is saved.
  • the area requirement of a heat sink in plan view is only slightly larger than the area of the component to be cooled.
  • the heat sink can be of any height to adapt the heat dissipation output.
  • the heat sink is produced from a sheet metal strip by means of a stamped and bent part and is bent in a meandering manner, offers the possibility of placing corresponding contact surfaces on the component in a precise position, generating a prestress acting through corresponding bends, so that a snap connection Heatsink with its cooling surfaces on the component and that the shoulders and tabs used for centering are integrally formed on the strip, ie punched and bent in a corresponding manner.
  • FIG. 1 shows the principle of heat sink assembly.
  • the heat sink according to FIG. 1 is in the idle state
  • the one according to FIG. 2 is in the mounted but not fully assembled state
  • FIG. 4 shows a detailed illustration of the snap-in connection provided between the cooling body and the component on both sides of the component.
  • FIG. 5 shows the view of the heat sink from below, with concealed parts, such as contact surfaces or noses, also being taken into account.
  • the electronic component 9 has a so-called heat slug. This can be present on the top of the component 9 over the entire surface or partially or also in edge regions, ie on the side surfaces of the component 9 or be contacted to the outside.
  • the heat sink 1 is made in one piece with all the elements visible in FIGS. 1 to 3. For this purpose, the contours of shoulders 6, tabs 7 and lugs 10 are punched out in a sheet metal strip made of brass. When bending, the heat sink 1 receives the meandering shape shown.
  • the shoulders 6 and tabs 7 are bent in accordance with the upper outline of the heat distributor 8 in such a way that they serve for centering or positioning relative to the heat distributor 8.
  • the shoulders 6 are bent outwards at their ends in a funnel shape.
  • the tabs 7 delimit the lateral position of the heat sink 1 on the component 9.
  • the distance between the tabs 7 is greater than the corresponding width of the component 9.
  • the heat sink 1 is not yet placed on the component 9.
  • the lower meandering arches 11 contain the contact surfaces 2 which are to be seated on the heat distributor 8.
  • the meander shape is represented by bends that are in the range of 90 °.
  • the outer of the upper meandering arches are - as shown in Figure 1 - designed to ensure the introduction of the joining forces F in a simple manner during assembly.
  • the tension remaining in the heat sink 1 after the snap connection between the heat sink 1 and the component 9 has been brought about causes a secure hold and a pressing of the contact surfaces 2 onto the heat distributor 8.
  • the heat sink 1 can be placed on the component or on the heat distributor 8 by means of the joining forces F which act vertically from above.
  • the contact surfaces 2 are partially or completely placed on the top of the component.
  • the heat sink 1 is centered or positioned relative to the component 9 by the shoulders 6.
  • the two outer legs of the heat sink 1 are pressed outwards by the lugs 10 which are guided inwards and upwards. In the same condition
  • FIG. 3 shows a system with a heat sink 1 completely mounted on a component 9.
  • the contact surfaces 2 sit completely on the top of the component 9.
  • the shoulders 6 lie against the edge of the upper part of the component 9.
  • the heat sink 1 is locked. However, he remains under tension. The contact surfaces are thus reliably pressed onto the heat distributor 8.
  • FIG. 4 shows how a nose 10 engages, for example, in a cutout in the electronic component 9.
  • Figure 5 shows a bottom view of the heat sink.
  • the outwardly curved ends of the shoulders 6 are visible just like the tabs 7.
  • the contours of the contact areas 2 appear as rectangles.
  • the longitudinal direction 5 of the heat sink 1 is indicated by a double arrow.
  • the width of the brass sheet strip results approximately from the width of the component 9, the distance between the component and the tab 7, and twice the width of the tab 7.
  • the heat sink 1 Due to the constructive design in a meandering shape, the heat sink 1 has the necessary longitudinal elasticity. This is necessary in order to mount it on the component 9. The Shoulders 6 of the heat sink center it on the component 9 at all times. In addition, this centering positions the contact surfaces relative to the contact surfaces of the heat distributor 8. This applies both to the assembly and to re-centering after the action of external forces on the heat sink in the assembled state.
  • the inner edges 3 of the contact surfaces 2 initially sit alone. In this state, the outer edges 4 of the contact surfaces 2 are slightly spaced from the heat distributor 8.
  • the outer edges 4 of the contact surfaces 2 of the heat sink 1 are also drawn onto the heat distributor 8. This creates a reliable contact for heat dissipation.
  • heat sink can be offered for assembly in various ways, for example. This can be done, for example, in rod magazines or in coils, with the heat sink having to be punched out immediately before assembly.
  • Another advantage is that the date code of the power SMD IC can still be viewed or read when the heat sink 1 is on the component 9. This is possible due to the meandering design of the heat sink 1.
  • the labeling of the component and the design of the heat sink are matched to one another in such a way that the labeling comes to rest between two lower meandering arches 11.
  • heat sink according to the invention can be automatically assembled and disassembled.
  • the heat sink can also be assembled and disassembled by hand, ie without tools, because the joining forces are relatively low.
  • the elasticity of the heat sink 1 is also retained if it undergoes heat treatment processes in the assembled state. Neither component 9 nor its electrical connection elements 13 are damaged by the relatively low joining forces F.
  • the heat sink can also absorb or intercept mechanical effects in directions which run transversely to the longitudinal direction 5 due to the laterally formed tabs 7.

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Abstract

Es wird ein Kühlkörper für elektronische Bauelemente dargestellt, der einstückig aus einem Streifen aus Messingblech besteht. Dieser Streifen wird mäanderförmig gebogen, wobei im Bereich von unteren Mäanderbögen (11) Kontaktflächen (2) auf einem Wärmeverteiler (8) eines Bauelementes (9) aufsitzen. Der Kühlkörper wird durch eine intern erzeugte Vorspannung in Verbindung mit einer Schnappverbindung fest auf dem Bauelement (9) gehalten. Obwohl der Kühlkörper (1) auch im montierten Zustand eine Längselastizität aufweist, kann seine wärmeabführende Funktion ständig aufrechterhalten werden.

Description

Beschreibung
KÜHLKÖRPER FÜR ELEKTRONISCHE BAUELEMENTE
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für elektronische Bauelemente, insbesondere einen auf der Oberseite eines Bauelementes montier- und ankoppelbaren Kühlkörper, der die Verlustwärme des Bauelementes aufnimmt und über Kühlflächen abgibt. Ein derartiger Kühlkörper steht in der Regel in Kontakt mit einem Wärmeverteiler (heat slug) des Bauelemen¬ tes.
Für den zuverlässigen Einsatz von Halbleiterbauelementen ist eine gute Wärmeabfuhr unerläßlich. Mit zunehmender Leistungs- dichte einhergehend mit immer kleiner werdenden Bauelementen und daraus resultierender steigender Verlustleistung, ergibt sich die Forderung nach immer leistungsfähigeren Kühlkörpern. Diese sollten zur internen Wärmeleitung eine gute Wärmeleit¬ fähigkeit aufweisen und zur Abführung der Wärme nach außen eine große Oberfläche. Dabei erfolgt die Übertragung der
Verlustleistung zunächst vom Halbleitergehäuse über Kontakt- flächen auf den Kühlkörper. Innerhalb des Kühlkörpers ge¬ schieht die Wärmeverteilung über Wärmeleitung. Die Abgabe der Wärme nach außen hin geschieht mittels Strahlung bzw. Konvek- tion.
Bei kleiner werdenden zu kühlenden Oberflächen bei gleichzei¬ tig hoher abzuführender Verlustleistung, wirken sich Uneben¬ heiten der zu kühlenden Oberflächen zunehmend ungünstig auf die Wärmeübertragung vom Bauelement auf den Kühlkörper aus. Durch den Einsatz von Wärmeleitfolien können diese Unebenhei¬ ten ausgeglichen werden. Dies bedeutet jedoch einen erhöhten Aufwand von Material und Handhabundkosten.
Im Stand der Technik sind verschiedenartigste Ausbildungen von Kühlkörpern bekannt. So wird in der deutschen Offenle¬ gungsschrift DE 43 35 299 ein Kühlkörper zur Verbindung mit einem Halbleitergehäuse vorgeschlagen, bei dem zwei gegen¬ überliegende Seiten klammerartig mit einem Gehäuse verbindbar sind. Der Kühlkörper weist Kühlrippen und eine Kontaktfläche auf, die zur Wärmeübertragung mit dem elektronischen Bauele¬ ment insbesondere mit dessen Oberseite in Kontakt steht.
Weitere Formen von Kühlkörpern sind beispielsweise bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 24 25 723 oder aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 64-23 11 04.
Die im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen weisen die Nachteile auf, daß sie zu raumintensiv, zu kompliziert und damit zu teuer oder zu unzuverlässig sind, so daß die Kühl- wirkung beispielsweise bei einer Erschütterung nachläßt oder ausfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünsti¬ gen selbstzentrierenden gut fixierten und trotzdem nachgiebi¬ gen Kühlkörper mit hohem Wärmeableitungsvermögen bereitzu- stellen. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merk¬ male des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch ein fe¬ derndes, aus einem Blechstreifen mäanderförmig gebogenen Gebilde eines Kühlkörpers die optimale Lage von Kontaktflä¬ chen des Kühlkörpers auf dem Wärmeverteiler eines elektroni- sehen Bauelementes nach dem Einwirken von Kräften erhalten werden kann, da der Kühlkörper unter Vorspannung steht. Darüber hinaus sorgen Schultern und Lappen im Bereich der Kontaktflächen des Kühlkörpers für eine wirksame Zentrierung bzw. Positionierung relativ zum Bauelement. Somit ist der Kühlkörper zwar elastisch und kann bestimmten mechanischen Beanspruchungen ausweichen, nimmt jedoch seine ursprüngliche Lage wieder ein, so daß die zuverlässige Wärmeabfuhr jeder- zeit gesichert ist. Der Flächenbedarf eines Kühlkörpers in der Draufsicht ist nur geringfügig größer als die Fläche des zu kühlenden Bauelementes. Zur Anpassung der Leistung der Wärmeabfuhr kann der Kühlkörper beliebig hoch bauen. Die erfindungsgemäße Lösung, daß der Kühlkörper durch ein Stanz- Biegeteil aus einem Blechstreifen hergestellt wird und mäan¬ derförmig gebogen wird, bietet die Möglichkeit, entsprechende Kontaktflächen positionsgenau auf das Bauelement aufzusetzen, eine durch entsprechende Biegungen wirkende Vorspannung zu erzeugen, so daß eine Schnappverbindung den Kühlkörper mit seinen Kühlflächen auf das Bauelement zieht und daß die zur Zentrierung eingesetzten Schultern und Lappen einstückig an dem Streifen ausgebildet sind, d.h. in entsprechender Weise gestanzt und gebogen sind.
Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren 1 bis 5 ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen das Prinzip der Kühlkörpermontage. Dabei ist der Kühlkörper nach Figur 1 im Ruhezustand, derje¬ nige nach Figur 2 im aufgesetzten, aber nicht fertig montier¬ ten Zustand und der entsprechend Figur 3 im fertig montierten Zustand.
Figur 4 zeigt eine detaillierte Darstellung der beidseitig am Bauelement vorgesehenen Einschnappverbindung zwischen Kühl¬ körper und Bauelement.
Figur 5 zeigt die Ansicht des Kühlkörpers von unten, wobei verdeckte Teile, wie Kontaktflächen oder Nasen, mitberück¬ sichtigt sind.
In den Figuren 1 bis 3 ist jeweils in der Seitenansicht ein elektronisches Bauelement 9 mit entsprechenden elektrischen Anschlüssen 13 zusammen mit einem darüber befindlichen Kühl¬ körper l dargestellt. Das elektronische Bauelement 9 weist einen sogenannten Wärmeverteiler (heat slug) auf. Dieser kann auf der Oberseite des Bauelementes 9 ganzflächig oder par¬ tiell oder auch in Randbereichen, d.h. an den Seitenflächen des Bauelementes 9 vorhanden sein bzw. nach außen kontaktiert werden. Der Kühlkörper 1 ist einstückig gefertigt mit sämtli- chen in den Figuren 1 bis 3 sichtbaren Elementen. Dazu werden in einen Blechstreifen aus Messing die Konturen von Schultern 6, Lappen 7 und Nasen 10 freigestanzt. Beim Biegen erhält der Kühlkörper 1 die dargestellte Mäanderform. Die Schultern 6 und Lappen 7 werden entsprechend dem oberen Umriß des Wärme- Verteilers 8 derart gebogen, daß sie zur Zentrierung bzw. Positionierung relativ zu dem Wärmeverteiler 8 dienen. Zur Selbstzentrierung beim Aufsetzen des Kühlkörpers 1 auf ein Bauelement sind die Schultern 6 an ihren Enden entsprechend trichterförmig nach außen gebogen. Die Lappen 7 begrenzen den seitlichen Lagebereich des Kühlkörpers 1 auf dem Bauelement 9. Zur Vereinfachung der Montage ist der Abstand der Lappen 7 größer als die korrespondierende Breite des Bauelementes 9.
In Figur 1 ist der Kühlkörper 1 noch nicht auf dem Bauelement 9 aufgesetzt. Die unteren Mäanderbögen 11 enthalten in dieser Ausführungsform die Kontaktflächen 2, die auf dem Wärmever¬ teiler 8 aufsitzen sollen. Die Mäanderform wird in diesem Fall durch Biegungen dargestellt, die im Bereich von 90° liegen. Die äußeren der oberen Mäanderbögen sind - wie in Figur 1 dargestellt - ausgebildet, um bei der Montage die Einleitung der Fügekräfte F auf einfache Art und Weise si- cherzustelllen.
Die nach der Herstellung der Schnappverbindung zwischen Kühlkörper 1 und Bauelement 9 im Kühlkörper 1 verbleibende Spannung bewirkt einen sicheren Halt und ein Andrücken der Kontaktflächen 2 auf den Wärmeverteiler 8. Mit den oben beschriebenen, durch entsprechende Biegungen bewirkten Verhältnissen läßt sich der Kühlkörper 1 mittels der Fügekräfte F, die senkrecht von oben angreifen, auf das Bauelement bzw. auf den Wärmeverteiler 8 aufsetzen. Dabei setzen zunächst die Kontaktflächen 2 teilweise oder vollstän¬ dig auf der Oberseite des Bauelementes auf. Durch die Schul¬ tern 6 wird der Kühlkörper 1 relativ zum Bauelement 9 zen¬ triert bzw. positioniert. Die beiden äußeren Schenkel des Kühlkörpers 1 werden durch die nach innen und oben geführten Nasen 10 nach außen gedrückt. In dem Zustand entsprechend
Figur 2 ist der Kühlkörper 1 noch nicht vollständig montiert.
Die Figur 3 zeigt ein System mit einem vollständig auf einem Bauelement 9 montierten Kühlkörper 1. Die Kontaktflächen 2 sitzen vollständig auf der Oberseite des Bauelementes 9 auf. Die Schultern 6 legen sich an den Rand des oberen Teiles des Bauelementes 9 an. Durch das Einrasten der Nasen 10 bei¬ spielsweise in eine Aussparung des Bauelementes 9 oder des Wärmeverteilers 8, wird der Kühlkörper 1 arretiert. Er bleibt dabei jedoch unter Vorspannung. Somit werden die Kontaktflä¬ chen zuverlässig auf den Wärmeverteiler 8 angedrückt.
Figur 4 zeigt, wie eine Nase 10 beispielsweise in einer Aussparung des elektronischen Bauelementes 9 eingreift.
Figur 5 zeigt eine Unteransicht des Kühlkörpers. Die nach außen gebogenen Enden der Schultern 6 sind genauso wie die Lappen 7 sichtbar. Die Kontaktflächen 2 erscheinen in ihren Umrissen als Rechtecke. Die Längsrichtung 5 des Kühlkörpers 1 ist durch einen Doppelpfeil angezeigt. Die Breite des Mes¬ singblechstreifens ergibt sich ungefähr aus der Breite des Bauelementes 9, dem Abstand je zwischen Bauelement und Lappen 7 und der zweifachen Breite der Lappen 7.
Durch die konstruktive Gestaltung in Mäanderform hat der Kühlkörper 1 die notwendige Längselastizität. Diese ist notwendig, um ihn auf dem Bauelement 9 zu montieren. Die Schultern 6 des Kühlkörpers zentrieren diesen jederzeit auf dem Bauelement 9. Darüber hinaus werden die Kontaktflächen durch diese Zentrierung relativ zu den Kontaktflächen des Wärmeverteilers 8 positioniert. Dies gilt sowohl für die Montage, als auch für ein Wiederzentrieren nach dem Einwirken von äußeren Kräften auf den Kühlkörper im montierten Zustand.
Ist der Kühlkörper 1 aufgesetzt, aber noch nicht über die Schnappverbindung montiert, so sitzen die Innenkanten 3 der Kontaktflächen 2 zunächst alleine auf. Die Außenkanten 4 der Kontaktflächen 2 sind in diesem Zustand geringfügig von dem Wärmeverteiler 8 beabstandet. Durch Herstellung der Schnapp¬ verbindung mittels der Nasen 10 des Kühlkörpers werden auch die Außenkanten 4 der Kontaktflächen 2 des Kühlkörpers 1 auf den Wärmeverteiler 8 gezogen. Somit wird ein zuverlässiger Kontakt zur Wärmeabfuhr hergestellt.
Weitere Vorteile des Kühlkörpers bestehen darin, daß er beispielsweise auf verschiedene Art und Weisen zur Montage angeboten werden kann. Dies kann beispielsweise in Stangenma¬ gazinen geschehen, oder in Coils, wobei der Kühlkörper hier¬ bei unmittelbar vor der Montage freigestanzt werden muß.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, den Date-Code des Power- SMD-ICs noch einsehen bzw. lesen zu können, wenn sich der Kühlkörper 1 auf dem Bauelement 9 befindet. Dies ist auf Grund der mäanderförmigen Ausbildung des Kühlkörpers 1 mög¬ lich. Dabei werden Beschriftung des Bauelementes und Ausbil¬ dung des Kühlkörpers derart aufeinander abgestimmt, daß die Beschriftung zwischen zwei unteren Mäanderbögen 11 zum Liegen kommt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlkörpers be¬ steht in der automatischen Montier- und Demontierbarkeit. Der Kühlkörper kann auch von Hand, d.h. ohne Werkzeug, montiert und demontiert werden, weil die Fügekräfte relativ gering sind. Die Elastizität des Kühlkörpers 1 bleibt auch erhalten, wenn er im montierten Zustand Wärmebehandlungsprozesse durchläuft. Durch die relativ geringen Fügekräfte F werden weder Bauele- ment 9, noch dessen elektrische Anschlußelemente 13 beschä¬ digt.
Kollisionen mit dem Kühlkörper 1 führen nicht sofort zu einer Beschädigung des Systemes, da der Kühlkörper auf Grund seiner Längselastizität ausweichen kann. Somit werden die Lötstel¬ len, mit denen das Bauelement 9 beispielsweise auf einer Leiterplatte befestigt ist, weniger beansprucht, als wenn der Kühlkörper 1 aufgeklebt oder aufgelötet wäre.
Neben der Längselastizität in Richtung der Längsrichtung 5 des Kühlkörpers 1 kann auf Grund der seitlich ausgebildeten Lappen 7 der Kühlkörper ebenso mechanische Einwirkungen in Richtungen, die quer zur Längsrichtung 5 verlaufen, aufnehmen bzw. abfangen.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlkörper für elektronische Bauelemente mit mindestens einer Kontaktfläche (2) zur zumindest teilweisen Kontaktie- rung mit einem Wärmeverteiler (8) eines Bauelementes (9) zur Wärmeabfuhr über Kühlflächen des Kühlkörpers (1) nach außen, bestehend aus einem mäanderförmig gebogenen metallischen Streifen mit unteren an den Wärmeverteiler (8) angrenzenden Mäanderbögen (11), die Kontaktflächen (2) aufweisen und mit im Kühlkörper (1) gegenüberliegenden oberen Mäanderbögen (12), die von dem Wärmeverteiler (8) weggerichtet sind,
wobei am Kühlkörper (1) im Bereich der unteren Mäanderbögen (11) Schultern (6) und Lappen (7) zur Positionierung des Kühlkörpers (1) relativ zum Bauelement (8) ausgebildet sind, die an den oberen Umriß des Bauelementes (9) angepaßt sind,
die beiden Enden des gebogenen Kühlkörpers (1) mit für eine Schnappverbindung am Bauelement (9) vorgesehenen nach innen und aufwärts gebogenen Nasen (10) versehenen sind und die Enden sich seitlich vom Bauelement (9) nach unten bis zu einer Unterkante oder Aussparung im Bauelement (9) erstrecken,
der Kühlkörper (1) bei gleichzeitiger Positionierung relativ zum Bauelement (9) bei hergestellter Schnappverbindung mit den Kontaktflächen (2) teilweise oder vollständig auf dem Wärmeverteiler (8) aufsitzt,
eine Vorspannkraft jeweils zwischen den äußeren oberen Mäanderbögen (12) und den korrespondierenden Nasen (10) vorhanden ist,
die Nasen (10) an der Unterseite des Bauelementes (9) oder des Kühlkörpers (8) bzw. an der Unterseite einer Aussparung darin angreifen, so daß die Vorspannkraft am Angriffspunkt der Nasen (10) eine wesentliche vertikale Komponente aufweist, und der Kühlkörper (1) selbst zentrierend und mittels der Schnappverbindung εtabil gegen Ablösung und Verschiebungen ist.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, worin der Kühlkörper (1) aus einem Streifen aus Messingblech besteht.
3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, worin der zur Herstel¬ lung des Kühlkörpers (1) verwendete mäanderförmig gebogene Streifen Biegungen mit ungefähr 90° aufweist.
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