DE29620019U1

DE29620019U1 - Wärmeableitungsvorrichtung für Halbleiter-Bausteine

Info

Publication number: DE29620019U1
Application number: DE29620019U
Authority: DE
Original assignee: Mitac International Corp
Current assignee: Mitac International Corp
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2006-11-19
Also published as: US5778970A; TW313277U

Description

WARMEABLEITUNGSVORRICHTUNG FUR HALBLEITER-BAUSTEINE

Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitungseinrichtung für Halbleiterbausteine und ähnliche Wärmequellen und insbesondere eine Einrichtung zum Ableiten von Abwärme in einen kühleren Bereich.

Halbleiterbausteine wie die zentrale Prozessoreinheit (CPU) eines Computers nehmen wegen der immer kleiner werdenden Abmessungen immer mehr Leistung auf. Damit steigt auch die Abwärme pro Flächeneinheit. Da die Wärme die Funktionen des Halbleiterbausteins beeinträchtigen kann, ist die Ableitung der Wärme ein immer wichtiger werdender Aspekt beim Entwurf der Bausteine bzw. des Computersystems mit den Bausteinen.

Die vom Halbleiterbaustein erzeugte Abwärme kann mit einer Wärmesinke abgeführt werden. Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Wärmesinke aus einem Basisteil 10 und einer Anzahl Kühlrippen 20 . Die Wärmesinke wird in Kontakt mit dem Halbleiterbaustein 1 gebracht. Die Grundplatte 10 besteht aus einem wärmeleitendem Material wie Aluminium. Das Basisteil 10 ist über die Kontaktfläche 12 und ein Kissen 2 aus Silikongummi am Halbleiterbaustein befestigt. Es leitet die Wärme ab. Die über dem Basisteil 10 angeordneten Kühlrippen 20 sind gleichfalls aus wärmeleitendem Material. Sie geben aus dem Basisteil 10 kommende Wärme an die umgebende Luft ab.

Die oben beschriebene Wärmeableitungsanordnung wird weithin 0 in Personalcomputern eingesetzt. Die in Fig. 1 aufgezeigte Wärmesinke findet man ähnlich auf dem Prozessor eines jeden Computers. Die Bausteine im Inneren des Computers sind aber von einem Gehäuse umgeben, was die Luftzirkulation zwischen Außen und Innen stark beeinträchtigt, so daß die von der Wärmesinke abgeleitete Wärme nur langsam aus dem Computer herauskommt. Deshalb steigt die Temperatur im Inneren des Computers immer weiter und das Wärmeableitvermögen der Wärmesinke wird

immer kleiner. Dies kann die Leistung des Prozessors und der anderen Halbleiterbausteine beeinträchtigen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeableitungseinrichtung für Halbleiterbausteine zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausf ührungs formen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und den Beispielen.

Die Erfindung stellt eine Wärmeableitungseinrichtung zur Verfügung, welche die von einer Wärmequelle erzeugte Abwärme effizient in eine kühlere Umgebung ableiten kann. Die Aufgabe wird so gelöst, daß die Wärmeableitungseinrichtung die Abwärme des Computer-Halbleiterbaustein in die äußere Umgebungsluft ableitet. Es kann dadurch mehr und schneller die Abwärme weggeleitet werden.

Die erfindungsgemäße Wärmeableitungseinrichtung umfaßt ein Basisteil, eine Anzahl Kühlrippen und eine Wärmerohrleitung. Das Basisteil hat eine Kontaktfläche, die zum Ableiten der Wärme an der Wärmequelle befestigt wird. Die über dem Basisteil angeordneten Kühlrippen geben dann die Wärme aus dem Basisteil an die Luft ab. Die Wärmerohrleitung besitzt eine erste und eine zweite Öffnung. Die erste Öffnung liegt in Nachbarschaft zu den Kühlrippen. Die zweite Öffnung befindet sich in der kühleren äußeren Umgebung, so daß die warme heiße Luft aus dem Bereich der Kühlrippen in die kühlere Umgebung weggeleitet wird.

Die erfindungsgemäße Wärmerohrleitung kann auch an das Basisteil angeschlossen sein. Die Erfindung umfaßt ferner die Bereitstellung einer Anzahl Wärmerohrleitungen, um das Wärmeableitvermögen weiter zu erhöhen. Die Wärmerohrleitungen,

die zu einer Baugruppe zusammengefaßt sein können, sind vorzugsweise aus einem leitenden Material wie Aluminium.

In einer bevorzugten Aus führungs form ist die Wärmequelle ein Halbleiterbaustein, beispielsweise die CPU eines Computersystems, und die kühlere Umgebung ist die Luft außen um das Computersystem. Mit dem Wärmer-werden der Kühlrippen, wegen der aus dem Basisteil abgeleiteten Wärme, und dem Wärmer-werden der Luft im Bereich der Kühlrippen steigt auch die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Öffnung. Es kommt in der Wärmerohrleitung zu einem Durchzug, wobei die heiße Luft in der Nähe der ersten Öffnung hinaus und die kühlere Luft außerhalb des Computer hereinströmt, wodurch die Abwärme aus dem Inneren des Computersystems hinaustransportiert wird. Die Wärmerohrleitung kann zudem aus leitendem Material hergestellt sein. Ist die Wärmerohrleitung mit dem Basisteil verbunden, wird die Abwärme der CPU zudem durch einfache Wärmeleitung nach außen abgeführt, was die Effizienz der Wärmeableitung weiter erhöht.

Die Erfindung wird nun eingehender an den Beispielen und mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

eine herkömmliche Wärmeableitungseinrichtung;

Fig. 2 die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Wärmeableitungseinrichtung nebst Halbleiterbaustein; eine schematische Darstellung des Wärmetransports in der erfindungsgemäßen Ableitungsvorrichtung; ein Diagramm der Wärmeableitung an einer CPU, die keine Wärmeableitungseinrichtungen besitzt;

ein Diagramm der Wärmeableitung an einer CPU, die nicht in Kontakt ist mit dem Wärmetransportrohr; ein Diagramm der Wärmeableitung an einer CPU, die mit der Wärmerohrleitung in Kontakt steht;

5 Fig. 7 ein Diagramm der Wärmeableitung an einer CPU mit

einer Wärmeableitungseinrichtung, wobei die Wärmerohrleitung das Basisteil nicht berührt;

Fig.	1
Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5
Fig.	6
Fig.	7

mm

Fig. 8 ein Diagramm der Ableitwirkung an einer CPU mit einer Wärmeableitungseinrichtung, wobei die Wärmerohrleitung mit dem Basisteil verbunden ist; und Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
5

Figur 2 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Wärmeableitungseinrichtung. Sie umfaßt ein Basisteil 30, eine Anzahl Kühlrippen 40 und mindestens ein Wärmetransportrohr 50. Die Wärmeableitungseinrichtung dient dazu, die Abwärme einer Wärmequelle, beispielsweise eines Halbleiterbausteins 1, in eine kühlere Umgebung abzuführen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Halbleiterbaustein 1 die CPU eines Computers, und die kühlere Umgebung ust die Außenluft um das Computersystem.

Das Basisteil 3 0 der Wärmeableitungseinrichtung ist aus einem leitenden Material hergestellt, beispielsweise aus Aluminium. Das Basisteil 30 besitzt eine Kontaktfläche 32, über die die Wärmeableitungseinrichtung mit der CPU I verbunden ist. Weiterhin kann zur Verbesserung des Kontakts ein Kissen aus SiIikongummi zwischen der Kontaktfläche 32 und der CPU I bereitgestellt sein.

Die Kühlrippen 40 sind gleichfalls aus einem wärmeleitenden Material wie Aluminium. Sie sind über dem Basisteil 3 0 angeordnet und führen die Wärme der Basis ab. Die Kühlrippen 40 und das Basisteil 30 können eine Baugruppe bilden. Bei Betrieb der CPU wird die Abwärme von dem Basisteil 3 0 und den Kühlrippen 40 abgeführt, wobei sich die Luft in der Nähe der Kühlrippen 40 erwärmt.

Die Erfindung stellt nun eine Wärmetransportleitung 50 zwischen den Kühlrippen 40 und der kühleren Außenluft bereit. Die Wärmetransportleitung 50 besitzt eine erste Öffnung 52 und eine zweite Öffnung 54. Die erste Öffnung 52 liegt in der Nähe der Kühlrippen. Die zweite Öffnung 54 befindet sich in der kühleren Umluft, d. h. außerhalb des Computersystems. Da die Temperatur der Luft in der Nähe der ersten Öffnung

52 größer ist als an der zweiten Öffnung 54, kommt es in der Wärmerohrleitung 50 zu einer Strömung und zu einem Austausch zwischen der heißen Luft in der Umgebung der Kühlrippen und der kalten Luft außerhalb des Computersystems. Die von der CPU erzeugte Wärme wird so wirkungsvoll abgeführt.

Erfindungsgemäß kann man zum Abführen der Wärme aus dem Computerinneren auch mehr als ein Wärmetransportrohr 50 verwenden. Die Wärmetransportrohre können parallel oder in einer Baugruppe angeordnet sein. Hierbei sind z. B. vier Rohrleitungen parallel angeordnet. Werden die Rohre zudem aus leitendem Material hergestellt, wird die Wärme auch direkt durch Wärmeleitung über die Rohre abgeführt, sofern diese das Basisteil 3 0 berühren. Die Wirkung läßt sich noch steigern, wenn die Wärmerohrleitungen 50 und die Basis 3 0 aus dem gleichen Material sind.

Figur 3 zeigt schematisch den Austausch zwischen der heißen Luft in der Nähe der Wärmequelle und der kühleren Umgebungsluft. Es gilt die Wärmeströmungsgleichung:

q = Ar T,

wobei q die abgeleitete Wärmemenge pro Zeiteinheit, A die Konvektionsflache, r der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient und T die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Öffnungen 52 und 54 ist. Es stellt sich eine Wärmekonvektion von selbst ein, wenn zwischen den beiden Öffnungen 52 und 54 eine Temperaturdifferenz besteht. Bei der gezeigten Ausführungsform wird dann die Wärme viel besser abgeleitet.

Es wurde untersucht, wie sich die Wärmeableitungseinrichtung auf die Temperatur der CPU eines Computer auswirkt. Die Ergebnisse sind in den Fig. 4 bis 8 dargestellt:
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Versuch 1

Es wurde die Temperatur einer in Betrieb befindlichen CPU, die ohne eine Wärmeableitungseinrichtung war, laufend bestimmt und die Wärmeabgabe gemessen. Fig. 4 zeigt, daß sich bei ungefahr 97°C ein Temperaturgleichgewicht einstellte.

Versuch 2

Bei einer in Arbeit befindlichen CPU mit einer Wärmerohrleitung in Nachbarschaft dazu, die aber die CPU nicht berührte, lag das Temperaturgleichgewicht bei etwa 90⁰C, siehe Fig. 5.

Versuch 3

Fig. 6 zeigt die Wärmeabgabe einer in Arbeit befindlichen CPU, die in Kontakt stand mit einer Wärmerohrleitung. Das Temperaturgleichgewicht betrug ungefähr 83⁰C.

Versuch 4

Bei dem in Figur 7 beschriebenen Versuch war die erfindungsgemäße Wärmeableitungseinrichtung zwar an der CPU befestigt, die Wärmerohrleitung stand aber nicht in Kontakt mit dem Basisteil. Aufgrund der Wärmeableitung betrug die Temperatur, bei der sich ein Temperaturgleichgewicht einstellte, nur ungefähr 82⁰C.

Versuch 5

Figur 8 zeigt den Temperaturverlauf, wenn an der in Arbeit befindlichen CPU die ganze Wärmeableitungseinrichtung zum Abführen der Abwärme anliegt; die Wärmerohrleitung war mit der Basis verbunden. Wie die Kurve zeigt, lag das Temperaturgleichgewicht hier nur bei ungefähr 77°C.

Die Versuche zeigen, daß mit der erfindungsgemäßen Wärmeableitungseinrichtung sich auf der CPU das tiefste Temperaturgleichgwicht einstellte, was beweist, daß durch die Wärmerohrleitung eine verbesserte Wärmeableitung erreicht wird.

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Über der Basis der Wärmeableitungseinrichtung kann zur Lenkung der Warmluftströmung eine Haube bereitgestellt sein, siehe Fig. 9. Die Haube 58 ist hier über der Basis 3 0 ausgebildet. Sie umfaßt ein Plattenpaar an den einander gegenüberliegenden Seiten der Basis 3 0 und eine Platte über den Kühlrippen. Dadurch gelangt die Abwärme der Kühlrippen 40 mit der Luftströmung über die Öffnung 60 durch die Wärmerohrleitungen in die kühlere Umgebung. Obgleich die in Fig. 9 dargestellte Haube 58 von den Wärmerohrleitungen 50 getrennt ist, stellt sie eine Erweiterung der Wärmerohrleitungen 50 dar, so daß der größte Teil der Abwärme in der Nähe der Kühlrippen 4 0 eingefangen und in die kühlere Umgebung abgeleitet wird.

Claims

Mitac Internationa! Corp. 8 HL-621/UMB 18.11.1996 ANSPRÜCHE

1. Wärmeableitungseinrichtung zum Ableiten der Wärme einer Wärmequelle in eine kühlere Umgebung, umfassend

ein Basisteil (30), das über eine Kontaktfläche (32) an der Wärmequelle befestigbar ist;

eine Anzahl Kühlrippen (40) oberhalb der Basis (3 0) ; und

eine Wärmerohrleitung (50) mit einer ersten Öffnung

(52) und einer zweiten Öffnung (54), wobei die erste Öffnung (52) in der Nähe der Kühlrippen (40) und die zweite Öffnung (54) in einer kühleren Umgebung angeordnet ist.
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2. Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmerohrleitung (50) mit dem Basisteil (30) verbunden ist.

3. Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmerohrleitung (50) aus wärmeleitendem Material ist.

. Wärmeableitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine Anzahl Wärmerohrleitungen (50) zwischen den Kühlrippen (40) und einer kühleren Umgebung besitzt.

5. Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Wärmerohrleitungen (50) mit der Basisteil (30) verbunden 0 sind.

S. Wärmeableitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das wärmeleitende Material Aluminium ist.

7. Wärmeableitumgseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmequelle ein Halbleiterbaustein (1) ist.

8. Wärmeableitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wärmequelle eine Prozessoreinheit (CPU) ist.

9. Wärmeableitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die kühlere Umgebung Luft ist.

10. Wärmeableitungseinrichtung zum Ableiten der Abwärme einer Wärmequelle in eine kühlere Umgebung, umfassend ein Basisteil (30), das über eine Kontaktfläche

(32) an der Wärmequelle befestigbar ist;

eine Anzahl Kühlrippen (4 0) oberhalb der Basis (30);

eine Wärmerohrleitung (50) mit einer ersten Öffnung (52) und einer zweiten Öffnung (54) , wobei sich die erste Öffnung (52) in Nachbarschaft der Kühlrippen (40) und die zweite Öffnung (54) in einer kühleren Umgebung befindet; und

eine Haube (58) über der Basis (30).
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11. Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Wärmequelle ein Halbleiterbaustein (1) ist.

12. Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Haube (58) eine Platte auf einer Seite der Basis (30) besitzt.

13. Wärmeableitungseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Haube (58) eine Platte über den Kühlrippen (40) besitzt.