WO2001033629A2 - Vorrichtung zum thermischen verbinden eines elektronischen bauelementes mit einem kühlkörper - Google Patents

Vorrichtung zum thermischen verbinden eines elektronischen bauelementes mit einem kühlkörper Download PDF

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Nikolic Zdravko
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Definitions

  • the invention relates to a device for the thermal connection of an electronic component lying and / or fastened on a carrier surface to a heat sink.
  • a device of the type mentioned above is known from DE 81 08 938 U.
  • One problem with cooling electronic components is that heat sinks with the required cooling capacity are usually too large to be connected directly to the component to be cooled, which is usually located on a circuit board together with many other components. To solve this problem, it is therefore proposed to hold a heat conducting rod on a component to be cooled by means of a spring clip, the end face of which is screwed to a wall of a housing.
  • the heat-conducting element is formed in two parts.
  • a first part lies with its first contact surface directly on the heat dissipation surface of the component and has grooves and ribs on its side opposite the first contact surface, which engage with complementary ribs and grooves of the ceramic housing surrounding the component, the ceramic housing having a layer an elastic, heat-conducting grease rests on the heat sink.
  • the very fine spaces between the interlocking ribs of the element resting on the component and the ceramic housing are filled with helium gas, which causes heat transfer.
  • the invention has for its object to provide a device of the type mentioned, which is simple in construction and assembly and can be manufactured at low cost.
  • the heat-conducting element according to the invention can be produced in one piece, for example as a section of an extruded profile, at low cost from a highly heat-conducting material such as aluminum or the like. Because the two contact surfaces are directed perpendicular to each other, the heat-conducting element can be perpendicular to the Expand or contract the respective contact surface unhindered, even if the heat-conducting element with its two contact surfaces is in each case firmly clamped against the heat emission surface or heat absorption surface. It only has to be ensured that the heat-conducting element can move parallel to the respective contact surface relative to the component or the heat sink. In this way, tolerances in the spatial association between the heat emission surface and the heat absorption surface can also be compensated for.
  • the heat-conducting element according to the invention can be assembled in a simple manner by the tensioning means comprising a leaf spring with a first leg that spans the heat-conducting element against the component and a second leg that spans the heat-conducting element against the heat sink, the leaf spring either on the heat sink or on the support surface for the Component is attached.
  • the heat-conducting element is preferably plate-shaped with a first section having the first contact surface, the dimension of which corresponds at least approximately to the dimensions of the heat dissipation surface, and with a second section bridging the distance between the component and the heat sink, on which the second contact surface is formed.
  • the cross-sectional area of the second section increases continuously from the first section to the second contact area. This can be the case in one dimension but also in two directions perpendicular to each other.
  • the second contact area can also be enlarged by forming elevations and depressions in it are intended for engagement with complementary recesses or elevations on the heat receiving surface of the heat sink.
  • a large-area second contact area can also be created in that the second section has a leg which is at least approximately at right angles to the first section and on which the second contact area is formed.
  • the device housing itself can also serve as a heat sink, in which the heat-conducting element is connected to a wall of the device housing.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of a heat-conducting element which connects an electronic component to be cooled to a housing wall
  • FIG. 2 shows a top view of the arrangement according to FIG. 1
  • FIGS. 3 to 5 each show a view corresponding to FIG. 1 of further embodiments of the invention.
  • 10 denotes an electronic component, for example a CPU, which is fastened on a base 12. Newer units of this type may develop a power loss of approx. 70 watts that must be dissipated.
  • Heat-dissipating surface 14 on the top side of the component 10 serves as a plate-shaped heat-conducting element 16, which thermally connects the component 10 to an only indicated housing wall 18 of an appliance housing (not shown).
  • the heat-conducting element has a first section 20, the size of which corresponds approximately to the base area of the component 10 and on which the first contact surface 22 of the heat-conducting element 16 is located.
  • a second section 24 extends from this first section 20 to the housing wall 18, which section widens continuously from the first section 20 to the housing wall 18 and on which the second contact surface 26 of the heat-conducting element 16 directed perpendicular to the first contact surface 22 is formed. By widening the second section 24, this area is increased in order to be able to transfer a sufficient amount of heat to the heat receiving surface 28 of the housing wall 18.
  • the heat-conducting element 16 is tensioned by a leaf spring, generally designated 30, against the component 10 on the one hand and the housing wall 18 on the other hand.
  • Leaf spring is attached at one end 32 to the base 12 and has a first leg 34, which is the heat-conducting element
  • Housing wall 18 spans. In this way there is on the one hand good heat transfer between the heat emission surface 14 and the first contact surface 22 and the second contact surface
  • Heat absorption area 28 balanced. Since the contact surfaces 14 and 26 are perpendicular to each other, this can Heat-conducting element 16 move unhindered in a direction perpendicular to the respective contact surface 14, 26. Good heat transfer with good lubricity is achieved in any case by a layer 15 of thermal paste introduced between the heat emission surface 14 and the contact surface 22. A second layer of heat-conducting paste can also be introduced between the heat-conducting element 16 and the housing wall 18.
  • FIG. 3 differs from that of FIGS. 1 and 2 by a different design of the second section 24 of the heat-conducting element 16.
  • the cross-sectional area of the section 24 of the heat-conducting element 16 increases in two directions towards the housing wall 18.
  • the second contact surface 26 and the heat receiving surface 28 are provided with complementary interlocking ribs and grooves so as to enlarge the heat transfer surface.
  • the second section 24 of the plate-shaped heat-conducting element 16 has a leg 38 bent at a right angle, on which the second contact surface 26 is formed.
  • the leaf spring 30 is fastened to the housing wall 18, the first leg 34 of the leaf spring 30 in turn pressing the first section 20 of the heat-conducting element 16 onto the component 10, while the second leaf spring leg 36 presses the bent leg 38 of the heat-conducting element 16 against the housing wall 18 suppressed.
  • the heat-conducting element 16 is again formed by a flat plate, the second section 24 of the heat-conducting element 16 with its free rounded edge carrying the second contact surface 26 into a complementary one Groove 40 engages in the housing wall 18.
  • the heat transfer cross section is increased by the semi-cylindrical shape of the second contact surface 26 and the heat absorption surface 28 of the housing wall 18.
  • a secure hold of the heat-conducting element 16 on the housing wall 18 is ensured.
  • angular tolerances between the heat emission surface 14 and the heat absorption surface 28 on the housing wall 18 are compensated for.
  • the leaf spring leg 36 engages with its free end in a recess 42 in the top of the heat-conducting element 16.

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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

Vorrichtung zum thermischen Verbinden eines
elektronischen Bauelementes mit einem Kühlkörper
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Verbinden eines auf einer Trägerfläche aufliegenden und/oder befestigten elektronischen Baulementes mit einem Kühlkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der DE 81 08 938 U 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 Problems wird deshalb vorgeschlagen, auf einem zu kühlenden Bauelement einen Wärmeleitstab mittels eines Feder-Clips zu halten, dessen Stirnfläche mit einer Wand eines Gehäuses verschraubt ist.
Bei der Übertragung der Wärme mittels starrer Wärmeleit- elemente aus einem Wärme gut leitenden Material tritt das Problem auf, daß einerseits das Wärmeleitelement in guten großflächigen Kontakt mit dem Bauelement bzw. dem Kühlkörper gebracht werden muß und daß andererseits ein ausreichendes Spiel vorhanden sein soll, um die Wärmeausdehnung der beteiligten Elemente und unvermeidliche Maßtoleranzen zwischen dem Bauelement und dem Gehäuse zu berücksichtigen. Bei einer starren mechanischen Verbindung ist dies nicht gegeben.
Aus der DE 39 32 079 C 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 aus der DE 39 32 079 bekannten Vorrichtung wird das Problem des Wärmedehnungs- und Toleranzausgleichs 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 durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .
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 an der jeweiligen Kontaktfläche 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.
Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement läßt sich auf einfache Weise montieren, indem 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.
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 Kühlköper 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 Querschnittsflache 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 .
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:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Wärmeleitelementes, das ein zu kühlendes elektronisches Bauelement mit einer Gehäusewand verbindet,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Figur 1
Figuren 3 bis 5 jeweils eine der Figur 1 entsprechende Ansicht weiterer Ausführungsformen der Erfindung.
In Figur 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 Figur 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 Wärmeleitpaste erzielt. Eine zweite Schicht aus Wärmeleitpaste kann auch zwischen das Wärmeleitelement 16 und die Gehäusewand 18 eingebracht werden.
Bei den folgenden Ausführungsformen sind gleiche Teile wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Ausführungsform gemäß Figur 3 unterscheidet sich von jener der Figuren 1 und 2 durch eine andere Gestaltung des zweiten Abschnittes 24 des Wärmeleitelementes 16. Die Querschnittsflache des Abschnittes 24 des Wärmeleit- elementes 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 Figur 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 Aus ührungsform gemäß Figur 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 Blattfeder- schenkel 36 greift bei dieser Ausführungsform mit seinem freien Ende in eine Aussparung 42 in der Oberseite des Wärmeleitelementes 16 ein.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
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 Kontakt läche (22) durch Spannmittel (30) gegen eine Wärmeabgabefläche (14) des Bauelementes (10) spannbar ist und das eine zur ersten Kontaktfläche (22) im wesentlichen senkrechte, mit einer Wärmeaufnahmefläche (28) des Kühlkörpers (18) thermisch verbundene zweite Kontaktfläche (26) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel eine Blattfeder (30) mit einem das Wärmeleitelement (16) gegen das Baulelement (10) spannenden ersten Schenkel (34) und einem das Wärmeleitelemnt (16) gegen den Kühlkörper (18) spannenden zweiten Schenkel (36) umfassen.
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, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel eine Blattfeder (30) mit einem das Wärmeleitelement (16) gegen das Baulelement (10) spannenden ersten Schenkel (34) und einem das Wärmeleitelemnt (16) gegen den Kühlkörper (18) spannenden zweiten Schenkel (36) umfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflache 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 Kontakfläche (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 Blattfeder (30) an dem Kühlkörper (18) befestigt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (30) an der Trägerfläche (12, 50) befestigt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper eine Wand (18) eines das Bauelement (10) aufnehmenden Gerätegehäuses ist.
. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Warmeabgabefl che (14) des Bauelementes (10) und der ihr zugeordneten Kontaktfläche (22) des Wärmeleitelementes (16) eine Schicht (15) aus einer Wärmeleitpaste angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlkörper (18) und der ihm zugeordneten Kontaktfläche (26) des Wärmeleit- elementes (16) eine Schicht aus einer Wärmeleitpaste angeordnet ist.
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