DE20221237U1

DE20221237U1 - Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeempfindlichen Bauelements

Info

Publication number: DE20221237U1
Application number: DE20221237U
Authority: DE
Original assignee: Verax Ventilatoren GmbH
Current assignee: Verax Ventilatoren GmbH
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2012-08-21

Abstract

Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeempfindlichen Bauelements (16), insbesondere eines Prozessor-Chips, mit einem eine Wärmeaufnahmefläche (22) zur Wärmeeinleitung von dem Bauelement (16) aufweisenden, vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildeten Wärmeabführkörper (12), gekennzeichnet durch eine Wärmeverteilplatte (14), welche eine in Wärmeleitkontakt mit dem Bauelement (16) bringbare freie Kontaktfläche (28) und eine an der Wärmeaufnahmefläche (22) des Wärmeabführkörpers (12) fest angeformte Verbundschicht (26) aufweist, wobei die Wärmeverteilplatte (14) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Wärmeabführkörper (12) besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeempfindlichen Bauelements, insbesondere eines Prozessor-Chips, mit einem eine Wärmeaufnahmefläche zur Einleitung der von dem Bauelement erzeugten Verlustwärme aufweisenden, vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildeten Wärmeabführkörper. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühlvorrichtung.
Kühlkörper für moderne Prozessoren, insbesondere Hochleistungs-CPU's von Personalcomputern, müssen die erzeugte Verlustwärme effektiv abführen, um einen Betrieb bei immer höheren Taktfrequenzen zu ermöglichen. Dabei sind die baulichen Abmessungen der Kühlkörper häufig so angepasst, dass mit möglichst großen Lüftern der Volumenstrom erhöht und der Lärmpegel gering gehalten werden kann. Problematisch ist hierbei die begrenzte Wärmeabgabefläche der Prozessoren.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu vermeiden und eine verbesserten Kühlvorrichtung zu schaffen, womit eine hohe Wärmeabfuhr insbesondere bei geringem Baugewicht erreicht wird. Wei ter soll ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühlvorrichtung angegeben werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Anspruch 1 bzw. 14 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die anfallende Verlustwärme über das Bauelement hinaus möglichst rasch auch in die Außenbereiche eines größeren Wärmeabführkörpers zu verteilen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß eine Wärmeverteilplatte vorgeschlagen, welche eine in Wärmeleitkontakt mit dem Bauelement bringbare freie Kontaktfläche und eine an der Wärmeaufnahmefläche des Wärmeabführkörpers fest angeformte Verbundschicht aufweist, wobei die Wärmeverteilplatte eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Wärmeabführkörper besitzt. Durch das Anformen der Verbundschicht ist es unter Vermeidung zusätzlicher Fügemittel möglich, einen wärmeleitenden Materialübergang mit geringem Wärmeübergangswiderstand zu schaffen. Aufgrund der plattenförmigen Ausgestaltung kann die Wärme rasch auch in periphere Bereich verteilt werden, ohne jedoch ein hohes Gesamtgewicht in Kauf nehmen zu müssen. Durch die somit mögliche Gewichtsoptimierung lässt sich auch eine geringere Empfindlichkeit gegen Tansportbeanspruchungen erreichen und insbesondere die Belastung des Bauelement bei Stößen reduzieren.
Vorteilhafterweise ist die breitseitig an der Wärmeverteilplatte angeordnete Verbundschicht vorzugsweise in metallischer Verbindung frei von Zwischenschichten unmittelbar mit dem Wärmeabführkörper verbunden. Dies lässt sich günstigerweise dadurch erreichen, dass zumindest die Verbundschicht der Wärmeverteilplatte durch Schichtdeposition von Werkstoffpartikeln auf der Wärmeaufnahmefläche gebildet ist. Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest die Verbundschicht der Wärmeverteilplatte durch Kaltgasspritzen von ungeschmolzenen Werkstoffpartikeln auf die Wärmeaufnahmefläche aufgespritzt ist. Durch die vorgenannten Maßnahmen kann eine hochbelastbare Flächenverbindung bzw. ein Materialübergang mit hoher Festigkeit bei geringem Wärmewiderstand erreicht werden, wobei den Wärmeübergang beeinträchtigende oxidierte Grenzschichten vermieden werden. Auf diese Weise ist es auch bei einer punktförmigen Überhitzung des Bauelements möglich, die Wärme schnell genug abzuleiten, um die Funktionsfähigkeit zu erhalten.
Die Wärmeaufnahmefläche kann eine ebene, wellige oder gekrümmte, insbesondere konkav gewölbte Flächenkontur besitzen. Weiter ist es vorgesehen, dass die Wärmeaufnahmefläche des Wärmeabführkörpers um ein Mehrfaches gröber ist als die in Wärmeleitkontakt mit der Wärmeverteilplatte stehende Wärmeabgabefläche des Bauelements.
Weitere Verbesserungen werden dadurch erreicht, dass die Wärmeverteilplatte aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff, vorzugsweise aus Kupfer und/oder Silber besteht, und dass der Wärmeabführkörper aus einem Leichtbauwerkstoff, vorzugsweise aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder Aluminiumlegierung besteht.
Um einen hinreichenden Wärmefluss bei geringem Gewicht zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeverteilplatte eine Dicke von 0,1 mm bis 5 mm aufweist.
Fertigungstechnisch ist es günstig, wenn die Wärmeverteilplatte mehrlagig ausgebildet ist, wobei die Verbundschicht über eine Zwischenschicht, vorzugsweise eine Lötschicht stoffschlüssig mit einer die Kontaktfläche aufweisenden vorgefertigten Kontaktplatte verbunden ist. Eine vorteilhafte Alternative sieht vor, dass die Verbundschicht als Teil der homogen aufgebauten Wärmeverteilplatte ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Kontaktfläche durch spanende Nachbearbeitung der Wärmeverteilplatte plan ausgebildet werden.
Vorteilhafterweise ist die Kontaktfläche der Wärmeverteilplatte in einem Zentralbereich unter Einschluss eines beispielsweise durch Wärmeleitpaste gebildeten Wärmeübertragungsmediums flächig an eine Wärmeabgabefläche des Bauelements anpressbar.
In verfahrensmäßiger Hinsicht wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagen, dass ein Wärmeabführkörper, insbesondere ein Kühlkörper mit einer über eine freie Kontaktfläche in Anlage mit dem Bauelement bringbaren Wärmeverteilplatte starr verbunden wird, wobei zumindest eine Verbundschicht der Wärmeverteilplatte an einer Wärmeaufnahmefläche des Wärmeabführkörpers angeformt wird. Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass zum Anformen der Wärmeverteilplatte oder zumindest der Verbundschicht ungeschmolzene Werkstoffpartikel in einem Gasstrom beschleunigt und auf die Wärmeaufnahmefläche unter Bildung einer fest zusammenhängenden Schichtstruktur aufgespritzt werden.
Um auch bei größerer Plattenstärke in herstellungstechnisch einfacher Weise einen vorteilhaften Wärmeübergang zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass eine die Kontaktfläche aufweisende vorgefertigte Kontaktplatte als Teil der Wärmeverteilplatte mit der zuvor an der Wärmeaufnahmefläche angeformten Verbundschicht stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verlötet wird. Damit ist es auch möglich, ohne weitere Nachbearbeitung eine ebene Kontaktfläche bereitzustellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine Kühlvorrichtung umfassend einen Kühlkörper und eine Wärmeverteilplatte zur Kühlung eines Prozessor-Chips in einem Vertikalschnitt;
2 eine Vorrichtung zum Anformen der Wärmeverteilplatte an den Kühlkörper in schaubildlicher Darstellung;
3 eine alternative Ausführungsform einer Kühlvorrichtung im Vertikalschnitt; und
4 einen vergrößerten Ausschnitt der 3.
Die in der Zeichnung dargestellte Kühlvorrichtung 10 besteht im Wesentlichen aus einem Kühlkörper 12 und einer Wärmeverteilplatte 14 zur effektiveren Kühlung eines Prozessor-Chips bzw. Halbleiterbausteins 16.
Wie in 1 gezeigt, weist der Kühlkörper 12 eine Basispartie 18 und daran abstehende Kühlrippen 20 auf. Die Basispartie 18 besitzt eine untere Wärmeaufnahmefläche 22 zum Einleiten der von der CPU 16 erzeugten Verlustwärme, während die Kühlrippen 20 eine vergrößerte Kühlfläche 24 zur vorzugsweise lüfterunterstützten Wärmeabfuhr bilden. Der Kühlkörper 12 besteht einstückig als abgelängtes Strangpressteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Die Wärmeverteilplatte 14 ermöglicht eine rasche und großflächige Wärmeverteilung. Sie ist zu diesem Zweck aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, gebildet und breitseitig über eine Verbundschicht 26 in metallischer Verbindung unmittelbar an der Wärmeaufnahmefläche 22 angeformt bzw. aufgebracht. Um den Wärmeübergang behindernde Zwischenschichten zu vermeiden, erfolgt das Anformen durch Kaltgasspritzen, wie es nachstehend näher erläutert ist.
Die Verbundschicht 26 bildet in der Ausführungsform nach 1 einen homogenen Teil der Wärmeverteilplatte 14, wobei die Plattendicke insgesamt einige Millimeter beträgt. Während in der gezeigten Ausführungsform die Wärmeübertragungsfläche 22 und entsprechend die angeformte Verbundschicht 26 eben ausgebildet sind, ist auch eine wellige oder gewölbte Flächenkontur denkbar.
An ihrer der Verbundschicht gegenüberliegenden freien Breitseite weist die Wärmeverteilplatte 14 eine ebene Kontaktfläche 28 auf, die in ihrem Zentralbereich unter Einschluss von Wärmeleitpaste flächig an eine durch das so genannte Die 30 des Prozessors 16 gebildete Wärmeabgabefläche 32 anpressbar ist. Um eine zentrale kippfreie Anpressung zu ermöglichen, ist eine Klammer 34 vorgesehen, die in einer Ausnehmung des Kühlkörpers 12 abgestützt und außenseitig an den Prozessorsockel 36 unter Vorspannung angeklipst ist.
Die Wärmeabgabefläche 32 des Prozessors 16 beträgt beispielsweise 1 cm², während die abzuführende Verlustleistung bei etwa 80 Watt liegt. Die Wärmeaufnahmefläche 22 hingegen umfasst ein Vielfaches der Wärmeabgabefläche 32, wobei durch die fast doppelt so große Wärmeleitfähigkeit des Kupfers der Wärmeverteilplatte 14 im Vergleich zum Aluminium des Kühlkörpers 12 eine schnelle Wärmeverteilung auch in die Außenbereiche hinein erreicht wird.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung zum Kaltgasspritzen (oder gasdynamischen Pulverbeschichten) umfasst eine Fördergaszuleitung 38, eine Pulverzufuhr 40 und eine Beschleunigerdüse 42 zum Erzeugen eines Spritzstrahls aus Werkstoffpartikeln 44. Gegebenenfalls kann der Fördergasstrom über nicht gezeigte Heizelemente in der Einlasskammer 46 aufgeheizt werden. Die über die Pulverzufuhr 40 eingebrachten Kupferpartikel 44 werden in dem Gasstrom auf bis zu 1.000 m/s beschleunigt und auf die Wärmeaufnahmefläche 22 des Kühlkörpers 12 bahnförmig aufgespritzt. Durch Mikroverschweißung aufgrund des Aufpralls mit hoher kinetischer Energie wird eine dichte und fest haftende Verbundschicht 26 erzielt. Dabei werden Oberflächenoxide vermieden, im Unterschied zu thermischen Spritzverfahren, bei denen das Werkstoffpulver seine Schmelztemperatur erreicht.
Bei der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform sind funktionell gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie vorstehend erläutert versehen. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die Wärmeverteilplatte 14 mehrlagig ausgebildet ist. Die durch Kaltgasspritzen angeformte Verbundschicht 26 ist hier über eine Lötschicht 48 stoffschlüssig mit einer vorgefertigten Kontaktplatte 50 verbunden. Die Kontaktplatte 50 ist an ihrer Kontaktfläche 28 bereits plan ausgebildet, so dass keine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich ist. Sie besteht ebenso wie die Verbundschicht 26 aus Kupfer, während die in 4 gegenüber der etwa 0,3 mm starken Verbundschicht 26 übertrieben dick dargestellte Lötschicht 48 durch ein Silberlot gebildet ist.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur in Verbindung mit Prozessor-Kühlkörpern, sondern überall da einsetzbar ist, wo die Wärme eines wärmeempfindlichen Bauelements mit kleinen Abmessungen auf einen Körper mit wesentlich größeren Abmessungen übertragen wird, um die Wärme leichter abführen zu können.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen eines wärmeempfindlichen Bauelements (16), insbesondere eines Prozessor-Chips, mit einem eine Wärmeaufnahmefläche (22) zur Wärmeeinleitung von dem Bauelement (16) aufweisenden, vorzugsweise als Kühlkörper ausgebildeten Wärmeabführkörper (12), gekennzeichnet durch eine Wärmeverteilplatte (14), welche eine in Wärmeleitkontakt mit dem Bauelement (16) bringbare freie Kontaktfläche (28) und eine an der Wärmeaufnahmefläche (22) des Wärmeabführkörpers (12) fest angeformte Verbundschicht (26) aufweist, wobei die Wärmeverteilplatte (14) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Wärmeabführkörper (12) besitzt.
Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die breitseitig an der Wärmeverteilplatte (14) angeordnete Verbundschicht (26) vorzugsweise in metallischer Verbindung frei von Zwischenschichten unmittelbar mit dem Wärmeabführkörper (12) verbunden ist.
Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verbundschicht (26) der Wärmeverteilplatte (14) durch Schichtdeposition von Werkstoffpartikeln (44) auf der Wärmeaufnahmefläche (22) gebildet ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verbundschicht (26) der Wärmeverteilplatte (14) durch Kaltgasspritzen von ungeschmolzenen Werkstoffpartikeln (44) auf die Wärmeaufnahmefläche (22) aufgespritzt ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmefläche (22) eine ebene, wellige oder gekrümmte, insbesondere konkav gewölbte Flächenkontur besitzt.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmefläche (22) des Wärmeabführkörpers (12) um ein Mehrfaches größer als die in Wärmeleitkontakt mit der Wärmeverteilplatte (14) stehende Wärmeabgabefläche (32) des Bauelements (16) ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeverteilplatte (14) aus einem hochwärmeleitfähigen Werkstoff, vorzugsweise aus Kupfer und/oder Silber besteht.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführkörper (12) aus einem Leichtbauwerkstoff, vorzugsweise aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder Aluminiumlegierung besteht.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeverteilplatte (14) eine Dicke von 0,1 mm bis 5 mm aufweist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeverteilplatte (14) mehrlagig ausgebildet ist, wobei die Verbundschicht (26) über eine Zwischenschicht (48), vorzugsweise eine Lötschicht stoffschlüssig mit einer die Kontaktfläche (28) aufweisenden vorgefertigten Kontaktplatte (50) verbunden ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (26) als Teil der homogen aufgebauten Wärmeverteilplatte (14) ausgebildet ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (28) durch spanende Nachbearbeitung der Wärmeverteilplatte (14) plan ausgebildet ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (28) der Wärmeverteilplatte (14) in einem Zentralbereich unter Einschluss eines beispielsweise durch Wärmeleitpaste gebildeten Wärmeübertragungsmediums flä chig an eine Wärmeabgabefläche (32) des Bauelements (16) anpressbar ist.