DE10249436A1 - Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungsbauelements auf einer Platine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper sowie zugehörige Herstellungs- und Kühlverfahren zur Kühlung eines Leistungsbauelements auf einer Platine. Der Kühlkörper ist aus wärmeleitendem Material gebildet und soll Verlustwärme des Leistungsbauelements aufnehmen und an ein den Kühlkörper umgebendes Medium, wie etwa Luft, abführen. Der Kühlkörper weist einen Hohlraum sowie wenigstens eine planare Fläche auf, die so angeordnet sind, dass der Kühlkörper auf die mit dem Leistungsbauelement bestückte Platine aufgesetzt werden kann und dann das Leistungsbauelement in dem Hohlraum aufnimmt sowie einen thermischen Kontakt zwischen der planaren Fläche und der Platine ausbildet. Durch die Verteilung der Verlustleistung über die Platine und die Aufnahmne dieser verteilten Verlustleistung durch den Kühlkörper wird erfindungsgemäß eine zusätzliche Kühlwirkung erzielt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungsbauelements auf einer Platine sowie zugehörige Verfahren, und insbesondere Kühlkörper aus wärmeleitendem Material zum Aufnehmen von Verlustwärme des Leistungsbauelements und Abführen der Verlustwärme an ein den Kühlkörper umgebendes Medium wie etwa Luft.
• Der Betrieb elektronischer Bauelemente ist in aller Regel mit der Entstehung von Verlustwärme verbunden, die das Bauelement aufheizt. Die Erwärmung elektronischer Bauelemente ändert jedoch zum einen die elektronischen Charakteristika des Bauelements und kann zum anderen sogar zur Zerstörung des Bauelements oder anderer in der Nähe des Bauelements befindlicher Teile führen. Es ist daher bereits im Stand der Technik üblich, Kühlkörper vorzusehen, die die Verlustwärme des Bauelements aufnehmen und an ein den Kühlkörper umgebendes Medium abführen.
• Üblicherweise wird mit Kühlkörpern die entstehende Verlustwärme an die umgebende Luft abgeführt. Zu diesem Zwecke verfügen Kühlkörper üblicherweise über eine Anzahl von Rippen oder anderer geometrischer Anordnungen, die die Oberfläche des Kühlkörpers vergrößern, um den Wärmetransfer an die Luft zu erleichtern. Die Form der Kühlrippen ist zum einen danach ausgerichtet, eine möglichst große Oberfläche zu erzielen und berücksichtigt andererseits die Strömungseigenschaften der Luft, die beispielsweise abhängig von der Anordnung von Lüftern sein kann.
• Alternativ zu Kühlkörpern, die die Verlustwärme an die umgebende Luft abführen, sind im Stand der Technik auch Kühlkörper bekannt, die die abzuführende Wärme an ein mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbundenes Fluidsystem abgeben. Die Wärme wird dann von der Kühlflüssigkeit aufgenommen und weggeführt.
• Ein Beispiel für die Anwendung von Kühlkörpern stellen insbesondere die Leistungs- Feldeffekttransistoren dar, die Spitzenströme von bis zu 100 A schalten können. Die hierbei in der Größenordnung von einigen Watt entstehende Verlustwärme muss zum Schutz der Bauelemente möglichst effektiv abgeführt werden.
• Eine strukturierte Wärmesenke für Leistungshalbleiter ist aus der US 5,587,608 bekannt. Das Kühlelement ist U-förmig ausgebildet und weist zwei Befestigungsplatten auf, die schräg nach unten verlaufen. Das Leistungshalbleiterbauelement wird in das Kühlelement eingeschoben und durch einen Clipverschluss befestigt.
• Eine andere Anordnung zum Kühlen elektronischer Bauelemente ist aus der US 5,893,409 bekannt. Nach diesem Stand der Technik besteht die Wärmesenke aus einem meanderförmig gebogenen Blechstreifen, der elastisch ist und zur Kühlung des Bauelements auf dasselbe aufgedrückt wird. Durch die spezifische Ausformung des Bleches ergibt sich eine Schnappverbindung.
• In der Herstellung von Halbleiterbauelementen, und auch von Leistungsbauelementen, hat sich in der Vergangenheit ein anhaltender Trend zur Miniaturisierung gezeigt. Dieser Trend wirkt sich auch auf die Montage der Bauelemente aus und hat beispielsweise zur SMD- Technik (Surface Mounted Device) geführt. SMD bezeichnet oberflächenmontierte oder - montierbare Bauelemente, die mit ihrem Körper und den Lötanschlüssen auf ein und dieselbe Substratseite montiert werden. Hierzu wird ein SMD auf die für seine Anschlusskonfiguration spezifischen Lötflächen auf dem Substrat abgesetzt und anschließend gelötet.
• Eine weitere Technik, die im Zuge der Miniaturisierung entwickelt wurde, verwendete ungehäuste Bauteile. Ein Beispiel hierzu stellt die Flipchip-Technik dar.
• Die US 6,191,478 B1 beschreibt ein demontierbares Wäremeverteilerelement und eine Flipchip-Anordnung. Auf das Verteilerelement kann ein sekundärer Wärmeaustauscher aufgesetzt werden, der mechanisch wie thermisch angepasst ist.
• Die US 6,093,961 beschreibt eine Kühlelementeanordnung, die aus wärmeleitendem Polimermaterial gefertigt ist. Die beschriebene Kühltechnik wird vorwiegend im Zusammenhang mit BGA-SMD-Bauelementen (Ball Grid Array) angewendet.
• Eine weitere Kühlandordnung ist aus der US 5,898,571 bekannt, bei der das die Kühlrippen aufweisende Element mit einem Clipverschluss auf dem Deckel-Element befestigt wird, das das Bauelement überdeckt. Es wird ferner eine sich verfestigende oder trocknende Paste verwendet.
• Aus der US 5.373,418 ist ein Kühlelement bekannt, das mehrere Hohlräume aufweist, in die die zu wärmenden Bauelemente eingesetzt werden. Zwischen den Bauelementen und dem Kühlelement ist abhängig von den Leistungseigenschaften des jeweiligen Bauelements eine wärmeleitende oder wärmeisolierende Paste eingefügt.
• Die vorgenannten Kühlanordnungen weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen bestehen diese Anordnungen zumeist aus mehreren Elementen, die zur Montage in geeigneter Weise zusammengefügt werden müssen. Die Montage lässt sich somit oftmals nur umständlich bewerkstelligen, wodurch zum einen hohe Montagekosten verursacht werden und zum anderen eine automatische Montage des Kühlkörpers erschwert wird. Die zum Teil aufwendige Konstruktion der Kühlkörper führt zudem auch bei deren Herstellung zu erhöhten Kosten.
• Des Weiteren eignen sich die beschriebenen Anordnungen nur zum Abführen von Verlustwärme bis zu einem gewissen Grade. Der Trend zu immer höheren Leistungen und gleichzeitig zur Miniaturisierung der Schaltbauelemente lässt die Leistungsdichte zunehmend überproportional ansteigen, so dass die vorgenannten Anordnungen oftmals bereits jetzt die erforderliche Kühlwirkung nicht aufbringen können.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper wie zugehörige Verfahren bereitzustellen, die eine verbesserte Kühlwirkung erzielen.
• Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung gelöst.
• Erfindungsgemäß weist der Kühlkörper einen Hohlraum sowie wenigstens eine planare Fläche auf, die so angeordnet sind, dass der Kühlkörper auf die mit dem Leistungsbauelement bestückte Platine aufgesetzt werden kann und dann das Leistungsbauelement in dem Hohlraum aufnimmt. Hierdurch wird ein thermischer Kontakt zwischen der planaren Fläche und der Platine ausgebildet. Somit wird erfindungsgemäß eine zusätzliche Kühlwirkung dadurch erzielt, dass die Verlustwärme des Leistungsbauelements nicht nur direkt vom Leistungsbauelement auf den Kühlkörper übergeht, sondern ein Teil der Verlustleistung zusätzlich von der Platine verteilt und dann vom Kühlkörper aufgenommen wird. Somit wird die effektive Fläche des Wärmeübergangs vom Leistungsbauelement auf den Kühlkörper um den Flächeninhalt der planaren Fläche erhöht.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass der Hohlraum das Leistungselement aufnimmt und somit gleichzeitig als Gehäuseaußenteil dient. Die Erfindung ist daher besonders vorteilhaft anzuwenden auf die Kühlung ungehäuster Leistungsbauelemente.
• Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Wird der Hohlraum in Form einer Nut ausgebildet, so lässt sich der Kühlkörper in besonders einfacher und damit kostengünstiger Weise herstellen. Eine besonders vorteilhafte Herstellungsart ist hier das Stranggussverfahren.
• Verfügt der Kühlkörper über unverlierbar mit ihm verbundene Befestigungsmittel, die den Kühlkörper an die Platine mechanisch ankoppeln, um den thermischen Kontakt zwischen der planaren Fläche und der Platine auszubilden, so führt dies zu dem weiteren Vorteil einer wiederum vereinfachten Montage. Werden diese Befestigungsmittel als einstückig mit dem Kühlkörper verbundene Schnappelemente ausgebildet, so braucht der Kühlkörper auf die Platine lediglich aufgedrückt zu werden, um zum einen seine mechanische Stabilität zu erzielen und zum anderen die erfindungsgemäß zu erzielende weitere Kühlwirkung hervorzurufen.
• Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden nachfolgend bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert. In den Figuren zeigen:
• Fig. 1(a) einen Querschnitt eines Kühlkörpers gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung einer Erfindung;
• Fig. 1(b) den Querschnitt einer Platine, die ein Leistungsbauelement trägt;
• Fig. 2 einen Querschnitt eines auf die Platine von Fig. 1(b) montierten Kühlkörpers nach Fig. 1(a);
• Fig. 3 einen Kühlkörper gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Unteransicht; und
• Fig. 4 einen Kühlkörper gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in Unteransicht.
• Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist in Fig. 1(a) in Schnittansicht gezeigt. Der Kühlkörper besteht aus einem Hauptkörper 10 aus wärmeleitendem Material, vorzugsweise Metall, wie etwa Aluminium. Auf der Oberseite des Hauptkörpers 10 befinden sich Kühlrippen 50, die die Oberfläche des Kühlkörpers vergrößern, um den Wärmeübergang vom Kühlkörper an die umgebende Luft zu befördern. An der Unterseite des Hauptkörpers 10 ist ein Hohlraum 20 eingelassen, der nach Montage des Kühlkörpers das Leistungsbauelement in sich aufnehmen soll. Ferner weist der Kühlkörper an seiner Unterseite planare Flächen 30, 40 auf, die nach Montage den thermischen Kontakt zur Platine etablieren. Schließlich verfügt der Kühlkörper über seitliche schnappbare, mit dem Kühlkörper einstückig verbundene Klemmvorsprünge mit Nasen 70 zur Fixierung der Platine.
• Fig. 1(b) zeigt im Querschnitt eine Platine 80, auf der sich das Leistungsbauelement 90 befindet. Das Bauelement 90 ist vorzugsweise ein ungehäustes Bauteil, wie etwa ein von International Rectifier Corp. vertriebender HEXFET®-Leistungs-MOSFET in FlipFET- Packung. Solche Bauteile können ihre Verlustwärme nur über das Substrat abführen, also über die Platine 80. Im beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Platine 80 eine IMS-Platine (insulated metal substrate). Ein IMS weist eine Struktur auf, bei der eine isolierende Schicht auf einer Metallbasis gebildet wird, die beispielsweise aus Aluminium besteht, wonach eine gewünschte Leitungsstruktur auf der isolierenden Schicht aufgebracht wird. Ein IMS stellt somit eine Keramik-Kupfer-Platine dar, die durch die aufgebrachte Kupferschicht 100 eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
• Fig. 2 zeigt den Kühlkörper gemäß der bevorzugten Ausgestaltung von Fig. 1(a), montiert auf die in Fig. 1(b) gezeigte Platine. Wie der Figur entnommen werden kann, passt das Leistungsbauelement 90 in seinen Abmessungen in den Hohlraum 20, so dass der Kühlkörper gleichzeitig als Gehäuseaußenteil des Leistungsbauelements 90 dient. Der Kühlkörper sitzt mit seinen planaren Flächen 30, 40 der Platine auf, so dass die Verlustleistung zunächst über die Kupferauflage 100 der PCB-Kühlfläche (printed circut board) verteilt und dann vom Kühlkörper aufgenommen werden kann. Hierdurch wird erfindungsgemäß die zusätzliche Kühlwirkung erzielt.
• Zwischen der Platine 80, 100 bzw. dem Leistungsbauelement 90 und dem Kühlkörper kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Wärmeleitpaste, beispielsweise Via- Thermal-Isolierpaste, verwendet werden, um eine zusätzliche Kühlwirkung zu erzielen.
• Wie der Fig. 2 ferner zu entnehmen ist, rasten die Nasen 70 der Klemmvorsprünge 60 an der Unterseite der Platine 80 ein und arretieren somit den Kühlkörper. Ferner wird ein mechanischer Andruck der planaren Flächen 30, 40 auf die Kupferschicht 100 erzielt, um die Zuverlässigkeit des thermischen Übergangs zwischen Platine und Kühlkörper sicherzustellen.
• Vorzugsweise wird der Hohlraum 20 des Kühlkörpers 20 im Stranggussverfahren als Nut ausgeführt. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, in der ein Kühlkörper gemäß einer solchen bevorzugten Ausführungsform in Unteransicht zu sehen ist.
• In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die ebenfalls in Unteransicht Fig. 4 dargestellt ist, ist der Hohlraum 120 quaderförmig mit nur einer offenen Seite ausgestaltet. Die planaren Flächen 30, 40 sind in einer solchen Anordnung als zusammenhängende Fläche 110 ausgestaltet.

Claims (15)

1. Kühlkörper zur Kühlung eines Leistungsbauelements (90) auf einer Platine (80, 100),
wobei der Kühlkörper aus wärmeleitendem Material gebildet ist zum Aufnehmen von Verlustwärme des Leistungsbauelements und Abführen der Verlustwärme an ein den Kühlkörper umgebendes Medium, und
wobei der Kühlkörper einen Hohlraum (20, 120) sowie wenigstens eine planare Fläche (30, 40, 110) aufweist, die so angeordnet sind, dass der Kühlkörper auf die mit dem Leistungsbauelement bestückte Platine aufgesetzt werden kann und dann das Leistungsbauelement in dem Hohlraum aufnimmt sowie einen thermischen Kontakt zwischen der planaren Fläche und der Platine ausbildet.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum durch eine im Kühlkörper befindliche Nut gebildet wird.

3. Kühlkörper nach Anspruch 2, wobei der Kühlkörper im Stranggussverfahren hergestellt worden ist.

4. Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum allseits von dem wärmeleitenden Material umschlossen und nur zur Platine hin gerichtet geöffnet ist.

5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hohlraum Abmessungen aufweist, die im Wesentlichen denen des Leistungsbauelements entsprechen.

6. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner Befestigungsmittel (60) aufweisend, die mit dem Kühlkörper unverlierbar miteinander verbunden sind, zum Befestigen des Kühlkörpers an der Platine.

7. Kühlkörper nach Anspruch 6, wobei die Befestigungsmittel einstückig mit dem Kühlkörper verbundene Schnappelemente (70) aufweisen.

8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgelegt zum Abführen einer Verlustleistung von mehr als einem Watt.

9. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, eingerichtet zur Kühlung eines SMD (surface mounted device)-Leistungsbauelements.

10. Kühlköper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eingerichtet zur Kühlung eines ungehäusten Leistungsbauelements.

11. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, eingerichtet zur Kühlung eines auf einer IMS-Platine (insulatetd metal substrate) befindlichen Bauelements.

12. Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers zur Kühlung eines Leistungsbauelements auf einer Platine, umfassend die folgenden Schritte:
Ausbilden eines Hohlraums in einem wärmeleitenden Material sowie wenigstens einer planaren Fläche, wobei der Hohlraum und die wenigstens eine planare Fläche so angeordnet sind, dass der hergestellte Kühlkörper auf die mit dem Leistungsbauelement bestückte Platine aufgesetzt werden kann und dann das Leistungsbauelement in dem Hohlraum aufnimmt sowie einen thermischen Kontakt zwischen der planaren Fläche und der Platine ausbildet.

13. Verfahren nach Anspruch 14, eingerichtet zur Herstellung eines Kühlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

14. Verfahren zum Kühlen eines Leistungsbauelements auf einer Platine, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Kühlkörpers aus wärmeleitendem Material, der einen Hohlraum sowie wenigstens eine planare Fläche aufweist, die so angeordnet sind, dass der Kühlkörper auf die mit dem Leistungsbauelement bestückten Platine aufgesetzt werden kann und dann das Leistungsbauelement in dem Hohlraum aufnimmt sowie einen thermischen Kontakt der planaren Fläche und der Platine ausbildet; und
Aufsetzen des Kühlkörpers auf die mit dem Leistungsbauelement bestückte Platine.

15. Verfahren nach Anspruch 14, eingerichtet zum Kühlen des Leistungsbauelements unter Verwendung eines Kühlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 11.