WO2009050130A2

WO2009050130A2 - Chipkühlvorrichtung mit keilelement

Info

Publication number: WO2009050130A2
Application number: PCT/EP2008/063683
Authority: WO
Inventors: Phillip Hortmann; Klaus Weinmann
Original assignee: GE Fanuc Embedded Systems Inc; GE Fanuc Intelligent Platforms Inc
Current assignee: Abaco Systems Inc; Intelligent Platforms LLC
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2010-04-11
Also published as: DE102007049035B4; WO2009050130A3; US20120000636A1; US8662155B2; DE102007049035A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung die den Wärmeübergang zwischen einem Chip (2) mit einem HaIbleitsubstrat (3) und einem Kühlkörper (7) verbessert. Der Zwischenraum zwischen einer zu kühlenden Oberfläche (11) des Chips (2) und einer Oberfläche (12) des Kühlkörpers (7), dessen Breite von Fertigungstoleranzen der Elemente und Lötverbindungen abhängt, wird durch eine schräge untere Oberfläche (12) des Kühlkörpers keilförmig ausgestaltet, um einen keilförmigen Zwischenraum zu schaffen. Ein Keilelement (17) mit dem gleichen Keilwinkel wie der keilförmige Zwischenraum wird genau so weit in diesen hinein geschoben, dass es sowohl an der zu kühlenden Chipoberfläche (11) als auch an der Kühlkörperoberfläche (12) flächig anliegt. Dadurch können Maßabweichungen ausgeglichen, der Einbau von Gap Fillern vermieden und die Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf den Kühlkörper verbessert werden.

Description

Chipkühlvorrichtung mit Keilelement

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kuhlvorrichtungen und insbesondere auf Vorrichtungen zur Kühlung von integrierten Halbleiterbauelementen, wie etwa Prozessoren, auf gedruckten Schaltungen. Die vorliegende Erfin- düng schafft mit Hälfe eines Keilelementes eine wirksame thermische Kopplung zwischen einer Wärmequelle und einem Kühlkörper . des Standes der Technik

Die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren und anderen integrierten Schaltungen hat auch zu einem An- stieg der Abwarmeerzeugung dieser Bauelemente und dadurch gestiegenen Anforderungen an ihre Kühlung gefuhrt. Die Wärmeentwicklung erreicht Leistungsdichten bis in die Größenordnung von 100 W/cm² und übertrifft damit z.B. übliche Herdplatten um ein Vielfaches. Gleichzeitig liegen die zulassigen Höchsttemperaturen der integrierten Schaltungen, bei deren Überschreitung mit Funktionsstörungen oder dauerhafter Zerstörung zu rechnen ist, typischerweise in einem Bereich von etwa 60° bis 90⁰C. Die gegenüber der Raumtemperatur zur Verfugung stehende Temperaturdifferenz reicht z.B. bei den Pro- zessoren von PCs bei weitem nicht aus, um die erzeugte Warme durch naturliche Abstrahlung und Konvektion passiv abzuführen .

Zur Warraeabfuhr werden daher Kühlkörper verwendet, die meist aus Aluminium oder Kupfer bestehen und zur Flachenver- großerung Kuhlrippen aufweisen. Mit Hilfe eines Geblases wird die Warme durch erzwungene Konvektion abgeführt. Andere Losungen, wie etwa flussigkeitsgekuhlte Systeme, erweisen sich als aufwendig. Obwohl die bekannten Kuhlsysteme z.B. in han- delsublichen PCs ihre Aufgaben erfüllen, weisen sie verschiedene Nachteile auf. Eine weitere Steigerung der Rechenleis- tungen erhöht auch die Kosten und den Energieverbrauch des Kuhlsystems. Daruberhmaus erzeugen die verwendeten Lufter einen erheblichen Lärm, dem die am Computer arbeitenden Men- sehen dauerhaft ausgesetzt sind. Daher sind verschiedene Maßnahmen ergriffen worden, um die Wirksamkeit von Kuhlvorrichtungen zu steigern. Da die Warme auf exner sehr kleinen Flache entsteht, ist ein guter Wärmeübergang auf den in der Regel wesentlich größeren Kühlkörper von entscheidender Bedeutung. Eine direkte Befestigung des Kühlkörpers an einem Chipgehause ist jedoch in vielen Fallen unerwünscht, weil dadurch die Gefahr von Beschädigungen des empfindlichen Chips bei der Montage und im spateren Betrieb besteht. Daher ist es bei robusten Ausfuhrungen von Kuhlvorrichtungen häufig erforderlich, den Kuhl- korper direkt mit der Leiterplatte einer gedruckten Schaltung zu verbinden.

DE 602 09 423 T2 offenbart eine Kuhlvorrichtung für Mik- rochips, die auf einer Leiterplatte montiert sind. Ein Kuhl- korper wird mit der Leiterplatte verbunden, so dass er flachig an dieser anliegt. Zur Aufnahme jedes Chips ist im Kühlkörper eine Aussparung vorhanden. Zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper bleibt ein Spalt frei, der die Fertigungstoleranzen der Elemente ausgleicht, damit der Chip nicht di- rekt zwischen Leiterplatte und Kühlkörper eingeklemmt werden kann. In dem Spalt ist ein knetbares, Warme leitendes Material angeordnet, das beim Zusammensetzen bis auf die jeweilige Spaltbreite plastisch zusammengedruckt wird und eine thermische Verbindung zwischen dem Chip und dem Kühlkörper her- stellt.

Die Maßtoleranzen können sich typischerweise in einer Größenordnung von etwa 1 mm addieren. Da die Wärmeleitfähigkeit derartiger Warmeleitmaterialien jedoch in der Regel nur einen Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit des zumeist aus Metall bestehenden Kühlkörpers betragt, stellt bereits ein relativ schmaler Spalt einen erheblichen thermischen Widerstand dar. Ein in dem Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Kühlkörper auftretender Temperaturabfall steht nicht mehr zur Wärmeabgabe an die Luft zur Verfügung und kann dazu führen, dass der Kuhler für Chips mit hohen Verlustleistungen und/oder bei ho- hen Umgebungstemperaturen nicht einsetzbar ist. Alternativ muss durch andere Maßnahmen, wie etwa einen größeren Kühlkörper oder eine höhere Gebläseleistung, Abhilfe geschaffen werden. Daher besteht das Bestreben, den Wärmeübergang zwischen Chip und Kühlkörper zu verbessern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine robuste Kuhlvorrichtung mit einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen Wärmequelle und -senke zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Kuhlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentan- spruchs 1 gelöst.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung, die ein Tragerelement, eine mit dem Tragerelement verbundene Wärmequelle mit einer ersten Oberfläche und eine mit dem Trägerelement verbundene Wärmesenke mit einer zweiten Oberfläche aufweist. Die erste und die zweite Oberflache liegen einander gegenüber und bilden einen keilförmigen Zwischenraum, der zur Aufnahme eines Keilelementes eingerichtet ist. Das Keilelement weist eine dritte und eine vierte Oberflache auf, die dafür vorgesehen sind, an der ersten Oberflache der Wärmequelle bzw. der zweiten Oberfläche der Wärmesenke anzuliegen und zwischen diesen eine Verbindung mit hoher Wärmeleitfahig- keit herzustellen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, sowohl die Wärmequelle als auch die Warmesenke fest mit dem Tragerelement zu verbinden und dennoch eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Verbindung zwischen Wärmequelle und -senke herzustel- len. Dies wird durch das erfindungsgemaße Keilelement ermöglicht, das in den keilförmigen Zwischenraum zwischen Wärmequelle und -senke eingesetzt wird. Fertigungstoleranzen, die zu Höhenunterschieden der den keilförmigen Zwischenraum begrenzenden ersten und zweiten Oberflache der Wärmequelle bzw. der Warmesenke fuhren, können bewirken, dass die Breite des Zwischenraums deutlich von dem gewünschten Wert abweicht. Wahrend nach dem Stand der Technik zum Ausgleich eine ausreichend dicke Schicht eines plastisch verformbaren Warmeleitma- terials zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper vorgesehen ist, ermöglicht das erfindungsgemaße Keilelement allein durch eine seitliche Verschiebung eine Anpassung an die tatsachliche Breite des Zwischenraums . Je nach Breite wird es unterschiedlich weit in den keilförmigen Zwischenraum eingeschoben, bis es mit seiner dritten und vierten Oberfla- che an der ersten Oberflache der Wärmequelle bzw. der zweiten Oberflache der Warmesenke flachig vorzugsweise unter Vorspannung anliegt.

Die erste Oberflache der Wärmequelle und die zweite O- berflache der Warmesenke können jeweils einen ebenen Bereich aufweisen, die einander gegenüber liegen und in einem spitzen Winkel zueinander geneigt sind. Die dritte und die vierte O- berflache des Keilelementes weisen vorzugsweise jeweils einen ebenen Bereich auf, wobei die ebenen Bereiche der dritten und vierten Oberflache des Keilelementes in einem Winkel zueinander geneigt sind, der gleich dem Winkel zwischen den ebenen Bereichen der ersten Oberflache der Wärmequelle und der zwei- ten Oberflache der Warmesenke ist. Das KeiIelernent ist vorzugsweise so gestaltet, dass es in den keilförmigen Zwischenraum zwischen der Wärmequelle und der Warmesenke einsetzbar ist, wobei der ebene Bereich der ersten Oberflache der Warme- quelle an dem ebenen Bereich der dritten Oberflache des Keilelementes und der ebene Bereich der zweiten Oberflache der Warmesenke an dem ebenen Bereich der vierten Oberflache des Keilelementes flachig anliegt. Das Keilelement weist vorzugsweise eine plattenahnliche Gestalt auf, wobei es aufgrund der Neigung der Unter- und Oberseite bzw. dritten und vierten O- berflache gegeneinander ein breites und ein schmales Ende aufweist .

Abgesehen von den ebenen Bereichen können die Warmequel- Ie, die Warmesenke und das Keilelement weitere Oberflachenbe- reiche aufweisen, die jedoch vorzugsweise so gestaltet sind, dass sie das Einsetzen des Keilelementes in den keilförmigen Zwischenraum und das flachige Anliegen der ebenen Bereiche nicht beeinträchtigen. Der Winkel zwischen den ebenen Berei- chen liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5° bis 10°. Ein derart spitzer Winkel ermöglicht es, dass der keilförmige Zwischenraum bei relativ großen Seitenflachen auch an seinem breiten Ende nur eine relativ geringe Breite aufweist.

Zwischen den ebenen Bereichen der ersten Oberflache der Wärmequelle und der dritten Oberflache des Keilelementes ist vorzugsweise ein warmeleitfahiges Material angeordnet, um die Oberflachenrauhigkeit auszugleichen und Lufteinschlusse zu verhindern, die die Wärmeübertragung behindern. Zwischen der zweiten Oberflache der Warmesenke und der vierten Oberflache des Keilelementes ist vorzugsweise ebenfalls ein warmeleitfa- higes Material angeordnet. Das warmeleitfahige Material kann eine Warmeleitpaste oder ein Gap Filier sein und z.B. ein si- likonhaltiges Material enthalten. Auf diese Weise können die nach dem Einsetzen des Keilelementes in den keilförmigen Zwischenraum noch verbleibenden Restspalten mit einem geringst möglichen thermischen Widerstand überbrückt werden. Je geringer die Oberflachenunebenheiten der ersten bis vierten Oberflachen sind und je genauer die Winkel zwischen der ersten und zweiten sowie zwischen der dritten und vierten Oberflache übereinstimmen, desto kleiner sind die verbleibenden Volumi- na, die durch ein wärmeleitfähiges Material aufgefüllt werden und desto besser ist die Wärmeübertragung.

Das Tragerelement kann die Leiterplatte einer gedruckten Schaltung sein. Die Wärmequelle kann ein auf der gedruckten Schaltung montierter Chip, wie etwa ein Prozessor sein. Die Wärmequelle konnte aber auch ein anderer integrierter Schaltkreis, ein beliebiges elektronisches Bauelement oder ein anderes Warme erzeugendes Element sein, das eine Kühlung erfordert. Die Warmesenke ist vorzugsweise ein an der gedruckten Schaltung angebrachter Kühlkörper, der aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie etwa einem Metall, z.B. Aluminium oder Kupfer, bestehen kann. Der Kühlkörper weist vorzugsweise eine Rippenstruktur oder eine andere, die Oberflache vergrößernde Form auf, die die Wärmeabgabe an die Um- gebungsluft fördert.

Der Kühlkörper weist vorzugsweise eine Auflagefläche auf der gedruckten Schaltung auf, die die Wärmequelle umgibt. Dabei können ein einziger oder mehrere nicht zusammenhängende Auflageflachenbereiche des Kühlkörpers auf der gedruckten

Schaltung vorhanden sein, die sicherstellen, dass Kräfte ohne Beschädigung der Wärmequelle bzw. des Chips auf die Leiter- platte übertragen werden. Die Auflageflachenbereiche des Kühlkörpers können vorstehende Stutzen sein, die mit der O- berflache der Leiterplatte z.B. verklebt oder mit dieser verschraubt werden. Das Keilelement besteht vorzugsweise aus ei- nem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. A- luminium oder einem anderen Metall.

Um das Keilelement in einer Stellung zu halten, in der es sowohl an der Wärmequelle als auch an dem Kühlkörper an- liegt, kann eine Vorspanneinrichtung vorgesehen sein, die das Keilelement in den keilförmigen Zwischenraum zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper hinein in der Richtung vorspannt, in der sich der Zwischenraum verengt. Auf diese Weise kann eine im Voraus festgelegte Kraft auf das Keilelement ausgeübt werden, die die unter Berücksichtigung der Reibung die Anpresskraft bestimmt, die das Keilelement auf die Wärmequelle und dem Kühlkörper ausübt.

Die Kraft wird vorzugsweise so gewählt, dass sie einer- seits groß genug ist, um ein sicheres Anliegen des Keilelementes an der Wärmequelle und dem Kühlkörper zu gewahrleisten, das nicht durch die Schwerkraft oder Beschleumgungs- krafte in Folge von Erschütterungen etc. beeinträchtigt wird, wie sie z.B. bei mobilen Geraten auftreten können. Gleichzei- tig kann die Kraft auf Werte begrenzt werden, die nicht zu Beschädigungen des Kühlkörpers, des Tragerelements oder der Wärmequelle, wie etwa eines Chips fuhren. Die Vorspanneinrichtung ist vorzugsweise eine Blattfeder, kann aber auch eine andere Art von Feder oder ein anderes, eine in etwa vorge- gebene Kraft ausübendes Element sein. Zur Halterung des Keilelementes im Zwischenraum kann in Sonderfallen auch allein die Schwerkraft ausreichen und genutzt werden, wenn die Kühl- Vorrichtung so ausgerichtet ist, dass das Keilelement in Richtung der Schwerkraft von oben in einen sich nach unten verengenden Zwischenraum eingesetzt wird.

Die Blattfeder kann mit dem Kühlkörper verschraubt sein. Vorzugsweise ist sie in einer Aussparung innerhalb des Kühlkörpers angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Montage des Keilelementes . Eine Aussparung, die sich an die breite Seite des keilförmigen Zwischenraums anschließt, ermöglicht es, das Keilelement ein Stuck aus dem keilförmigen Zwischenraum heraus zu verschieben. In dieser Lage des Keilelements kann der Kühlkörper bei der Montage auf der gedruckten Schaltung befestigt werden, ohne bereits mit dem Keilelement in Berührung zu kommen. Als nächstes kann das Keilele- ment in den keilförmigen Spalt hinein in seine endgültige Position geschoben werden, wodurch die Aussparung wieder frei gegeben wird. Nun kann die Feder in die Aussparung eingesetzt werden, um das Keilelement vorzuspannen, und mit dem Kühlkörper verbunden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine teilweise im Schnitt dargestellte, perspektivische Ansicht einer Chipkuhlvorrichtung nach einem bevorzugten Ausfuhrungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsform

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung genauer beschrieben. Fig. 1 stellt in einer schematischen Darstellung eine perspektivische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Chipkύhlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 1 einer gedruckten Schaltung, auf der ein Chip 2 montiert ist. Bei dem Chip kann es sich um ein belie- biges Halbleiterbauelement wie etwa einen Mikroprozessor handeln, das im Betrieb so viel Wärme erzeugt, dass Maßnahmen zur seiner Kühlung erforderlich werden, um Betriebsstörungen oder Schäden zu verhindern. Auf dem im Wesentlichen quaderförmigen Chipgehäuse befindet sich das ebenfalls quaderförmi- ge Halbleitersubstrat 3 oder Die, das mit dem Chipgehäuse verbunden ist. Verglichen mit dem gesamten Chip weist das Halbleitersubstrat nur ein geringes Volumen auf, in dem jedoch nahezu die gesamte Wärme freigesetzt wird, zu deren Abfuhr die Kuhlvorrichtung dient. Das Halbleitersubstrat 3 konnte alternativ auch in den Chip 2 integriert sein. Der Chip 2 weist typischerweise (nicht dargestellte) Pins auf, die durch Lötverbindungen mechanisch mit der Leiterplatte 1 und elektrisch mit (nicht dargestellten) auf der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen verbunden sind. Typischerweise ist der Chip in einen (nicht dargestellten) Chipsockel eingesteckt, der seinerseits mit der Leiterplatte 1 verlötet ist.

Die Wärmeabfuhr von dem Halbleitersubstrat 3 erfolgt ü- ber ein Keilelement 17 auf einen Kühlkörper 7. Der Kühlkörper 7 weist eine über dem Chip angeordnete und seitlich über diesen hinaus reichende Aluminiumplatte 10 auf. Die Aluminiumplatte weist seitlich um den Chip angebrachte Stützen 9 auf, die an der Leiterplatte 1 befestigt sind. Der Kühlkörper 7 konnte aber auch aus einem anderen Metall oder einem sonsti- ges Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen. Der Kühlkörper weist zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf die Luft an seiner der Platine abgewandten Oberseite (nicht dargestellte) Kuhlrippen auf. Ein (nicht dargestelltes) Geblase verstärkt die Warmeabfuhr durch eine erzwungene Konvek- tion.

Die Abmessungen des Kühlkörpers 7 überschreiten diejenigen des Halbleitersubstrats 3 deutlich, damit er die in dem Halbleitersubstrat 3 entstehende Warme abfuhrt, ohne die verfugbare Temperaturspanne zwischen der zulassigen Maximaltemperatur des Halbleitersubstrats und der Temperatur der Umge- bungsluft zu überschreiten. Aus Gründen der mechanischen Stabilität hat er außerdem gewisse Dicke und dadurch eine erhebliche Masse. Der Kühlkörper 7 ist nicht an dem Chip 2 bzw. dem Halbleitersubstrat 3, sondern über die Stutzen 9 direkt an der Leiterplatte 1 befestigt, um Beschädigungen des Chips bei der Montage des Kühlkörpers oder durch spatere Erschütterungen, insbesondere bei mobilen Geraten, zu vermeiden.

Die dem Chip 2 zugewandte Unterseite des Kühlkörpers 7 weist eine ebene Oberflache 12 auf, die zu der oberen Ober- flache 11 des Halbleitersubstrat 3 nicht parallel ist, sondern in einem Winkel von 7° zu dieser geneigt ist. Nach der Montage des Chips und des Kühlkörpers ist dadurch zwischen der oberen Oberflache 11 des Halbleitersubstrats 3 und der unteren Oberflache 12 des Kühlkörpers 7 ein keilförmiger Zwi- schenraum entstanden.

Der keilförmige Zwischenraum wird durch das Keilelement 17 aus Aluminium geschlossen, das eine rechteckige untere O- berflache 13, die an der oberen Oberflache 11 des Halbleiter- Substrat anliegt, und eine rechteckige obere Oberflache 14, die an der unteren Oberflache 12 des Kühlkörpers 7 anliegt, aufweist. Das Keilelement konnte auch eine andere Form haben oder aus einem anderen Metall oder einem anderen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Die Oberflachen 13 und 14 des Keilelementes 17 sind jedoch eben und weisen zueinander den gleichen Winkel auf, wie ihn die untere Oberflache 12 des Kühlkörpers 7 und die obere Oberflache 11 des Halbleitersubstrats 3 einschließen.

Der Winkel konnte auch anders gewählt werden, liegt aber vorzugsweise in einem Bereich von etwa 5° bis 10°. Ein derart spitzer Winkel bewirkt, dass sich die Breite des keilförmigen Zwischenraums von seinem breiten Ende 15 zu seinem schmalen Ende 16 im Vergleich zu der dazwischen liegenden Strecke nur geringfügig ändert. Wesentlich größere Winkel sind unerwünscht, weil die Breite des Keilelements bei gegebener Chip- große zu groß und der Warmeleitpfad zu lang wird. Wesentlich kleinere Keilwinkel sind ebenfalls ungeeignet, wenn die möglichen seitlichen Verschiebungen des Keilelements nicht mehr ausreichen, um die zu erwartenden Maßabweichungen des keilförmigen Zwischenraums auszugleichen.

Die Lange und die Breite des Keilelements 17 sind wesentlich großer als die des Halbleitersubstrats, so dass das Keilelement bei zentraler Anordnung auf dem Halbleitersubstrat nach allen Seiten erheblich über dieses übersteht. Be- reits dies verteilt den Warmestrom innerhalb des Keilelements und beim Übergang auf den Kühlkörper 7 auf eine größere Querschnittsflache und begrenzt die Warmestromdichte und den Temperaturabfall. Die Dicke des Keilelementes ist so bemessen, dass es bei einer in etwa zentralen Anordnung auf dem HaIb- leitersubstrat den keilförmigen Zwischenraum zwischen dem Kühlkörper 7 und dem Halbleitersubstrat 3 gerade schließt, d.h. mit seinen beiden Oberflachen 13 und 14 an den jeweili- gen Oberflachen des Halbleitersubstrats und des Kühlkörpers 7 flachig anliegt.

Zwischen den Oberflachen des Keilelementes und den an- grenzenden Oberflachen des Kühlkörpers 7 bzw. des Halbleitersubstrats 3 kann eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) dünne Schicht eines Warme leitenden Materials wie etwa einer Warme- leitpaste oder eines Gap Fillers angeordnet sein, um Unebenheiten der Oberflachen auszugleichen und die Wärmeübertragung zu verbessern.

An das breite Ende 15 des keilförmigen Zwischenraums angrenzend weist der Kühlkörper 7 eine Aussparung auf, in der sich eine Blattfeder 18 befindet. Die Blattfeder ist auf Druck belastet und an ihrem einen, dem Keilelement 17 abgewandten Ende 19 mit einer Schraube 20 an dem Kühlkörper befestigt, wahrend sie mit ihrem anderen freien Ende 21 an dem breiten Ende 22 des Keilelementes 17 anliegt und dieses in den sich verjungenden keilförmigen Zwischenraum zwischen dem Kühlkörper 7 und dem Halbleitersubstrat 3 hinein vorspannt.

Fertigungstoleranzen der einzelnen Elemente oder der Lotverbindung zwischen dem Chip 2 und der Leiterplatte 1 können dazu fuhren, dass der Zwischenraum zwischen dem Halblei- tersubstrat 3 und dem Kühlkörper 7 erhebliche Abweichungen in der Breite aufweisen kann. Wahrend nach dem Stand der Technik ein knetbares Material mit einer verringerten Wärmeleitfähigkeit zum Überbrücken des frei bleibenden Spaltes erforderlich ist, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, lediglich das Keilelement 17 im erforderlichen Maße seitlich zu verschieben, bis der Spalt vollständig geschlossen ist und das Keilelement 17 sowohl am Halbleitersubstrat 3 als auch am Kuhl- korper 7 flachig anliegt. Da es seitlich weit über das HaIb- leα tersubstrat hinaus ragt, fuhrt eine geringfügige Verschiebung aus der zentralen Position heraus nicht zu einer wesentlichen Verschlechterung des Wärmeübergangs vom Halbleitersub- strat auf das Keilelement. Das Keilelement 17 stellt dadurch in der gewünschten Position einen Flachenkontakt mit der Unterseite 12 des Kühlkörpers 7 und der Oberseite 11 des HaIb- leitersubstrats 3 her. Ein Gap Filier ist dadurch gar nicht mehr erforderlich oder braucht anstelle der Fertigungstole- ranzen nur die viel kleineren Oberflachenrauhigkeiten auszugleichen. Da die Wärmeleitfähigkeit von Metall oder anderen, für den Kühlkörper 7 und das Keilelement 17 verwendeten Materialien um ein Vielfaches hoher ist als die eines Gap Fillers, der z.B. aus einem silikonhaltigen Material besteht, wird trotz der wegen der geneigten Oberflachen 11, 12, 13, 14 evtl. insgesamt größeren Materialdicke und einer geringfügigen Verlängerung des Warmeleitpfades eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht.

Die Montage der erfindungsgemaßen Vorrichtung geschieht z.B. auf eine einfache Art in der folgenden Reihenfolge. Nach der Montage des Chips 2 auf der Leiterplatte 1 wird das Keilelement 17 auf das Halbleitersubstrat 3 aufgelegt. Dabei wird es jedoch nicht zentral, sondern seitlich zu seinem breiten Ende 22 hin (m Figur 1 nach rechts) verschoben angeordnet. Nun wird der Kühlkörper 7 noch ohne die Blattfeder 18 an der Leiterplatte 1 angebracht. Dabei befindet sich das breite Ende 15 des Keilelementes teilweise in der Aussparung des Kuhl- kopers, und die obere Oberflache 14 des Keilelementes 17 liegt noch nicht an der unteren Oberflache 12 des Kühlkörpers 7 an. Nun wird das Keilelement waagerecht in den keilförmigen Zwischenraum hinein (d.h. in Figur 1 nach links) verschoben, bis seine beiden Oberflächen an den entsprechenden Oberflächen des Kuhlkörpers 7 und des Halbleitersubstrats 3 flächig anliegen. Nun wird die auf Druck belastete Blattfeder 18 in die Aussparung des Kühlkörpers 7 eingesetzt und mit der Schraube 20 mit dem Kühlkörper verschraubt. Das freie Ende 21 der Feder liegt nun an dem breiten Ende 22 des Keilelements 17 an und spannt dieses in den keilförmigen Zwischenraum hinein vor. Die Feder ist so gewählt, dass sie eine ausreichende Druckkraft auf das Keilelement ausübt, um eine Lockerung des- selben, z.B. infolge von Erschütterungen zu verhindern, aber keine Beschädigung des Halbleitersubstrats durch übermäßige Druck- oder Schubkräfte bewirkt.

Bezugszeichenliste

1 Leiterplatte

2 Chip

3 HalbleiterSubstrat

7 Kühlkörper

9 Stütze

11 Obere Oberfläche

12 Untere Oberfläche

13 Untere Oberfläche

14 Obere Oberfläche

15 Breites Ende

16 Schmales Ende

17 Keilelement

18 Blattfeder

19 Ende

20 Schraube

21 Freies Ende

22 Breites Ende

Claims

Patentansprüche :

1. Kühlvorrichtung, die aufweist:

ein Tragerelement (1);

eine Wärmequelle (3) , die mit dem Tragerelement verbunden ist und eine erste Oberflache (11) aufweist;

eine Warmesenke (7), die mit dem Tragerelement verbunden ist und eine zweite Oberflache (12) aufweist, wobei die erste und die zweite Oberflache einander gegenüber liegen und einen keilförmigen Zwischenraum einschließen;

ein Keilelement (17), das in dem keilförmigen Zwischenraum angeordnet ist und eine dritte Oberflache (13), die an der ersten Oberflache (11) der Wärmequelle anliegt, und eine vierte Oberflache (14), die an der zweiten Oberflache (12) der Warmesenke anliegt, aufweist.

2. Kuhlvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste (11) und die zweite Oberflache (12) jeweils einen ebenen Bereich aufweisen und die ebenen Bereiche einander gegenüber liegen und in einem Winkel zueinander geneigt sind.

3. Kuhlvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die dritte (13) und die vierte (14) Oberflache des Keilelementes (17) jeweils einen ebenen Bereich aufweisen und die ebenen Bereiche der dritten und der vierten Oberflache des Keil- elementes in einem Winkel zueinander geneigt sind, der gleich dem Winkel zwischen den ebenen Bereichen der ersten (11) und der zweiten Oberflache (12) ist.

4. Kuhlvorrichtung nach Anspruch 3, bex der das Keilelement (17) in der Weise in den keilförmigen Zwischenraum zwischen der Wärmequelle (3) und der Warmesenke (7) einsetz- bar ist, dass der ebene Bereich der ersten Oberflache (11) an dem ebenen Bereich der dritten Oberflache (13) und der ebene Bereich der zweiten Oberflache (12) an dem ebenen Bereich der vierten Oberflache (14) flachig anliegt .

5. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der zwischen den ebenen Bereichen der ersten (11) und der dritten Oberflache (13) ein warmeleitfahiges Material angeordnet ist.

6. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der zwischen den ebenen Bereichen der zweiten (12) und vierten Oberflache (14) ein warmeleitfahiges Material angeordnet ist.

7. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der das warmeleitfahige Material eine Warmeleitpaste ist.

8. Kuhlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Tragerelement (1) eine gedruckte Schaltung ist.

9. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, bei der die Warmesenke (7) ein an der gedruckten Schaltung (1) ange- brachter Kühlkörper ist.

10. Kuhlvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wärmequelle (3) ein Halbleitersubstrat eines Chips ist, der auf der gedruckten Schaltung (1) montiert ist.

5 11. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der die Auflageflache des Kühlkörpers (7) auf der gedruckten Schaltung (1) die Wärmequelle (3) umgibt.

12. Kuhlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,0 bei der das Keilelement (17) aus Metall besteht.

13. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der eine Vorspanneinrichtung (18) dazu eingerichtet ist, das Keilelement (17) m den Zwischenraum zwischen der5 Wärmequelle (3) und dem Kühlkörper (7) hinein vorzuspannen .

14. Kuhlvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Vorspanneinrichtung (18) eine Blattfeder aufweist. 0

15. Kuhlvorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Blattfeder (18) mit dem Kühlkörper (7) verschraubt ist.

16. Kuhlvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei5 der die Vorspanneinrichtung (18) in einer Aussparung innerhalb des Kühlkörpers (7) angeordnet ist.