DE3687489T2

DE3687489T2 - DIRECTIONAL HEAT SINKS THAT CAUSE LOW VOLTAGE ONLY, WITH DOME FASTENING.

Info

Publication number: DE3687489T2
Application number: DE8686301484T
Authority: DE
Inventors: Terrence Evan Lewis; Rex Rice; Stephen Alan Smiley
Original assignee: Unisys Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1985-07-15
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2006-03-04
Also published as: JPS6218743A; JPH0337309B2; DE3687489D1

Description

Invention background

Diese Erfindung betrifft die Technik der Montage und Kühlung von integrierten Schaltungen.This invention relates to the technology of assembling and cooling integrated circuits.

Diese Anmeldung enthält Material, das auch in der vorveröffentlichten Europäischen Patentanmeldung EP-A-94 200 enthalten ist und einen sich in alle Richtungen erstreckenden Kühlkörper darstellt und beansprucht.This application contains material which is also contained in the previously published European Patent Application EP-A-94 200 which shows and claims a omnidirectional heat sink.

Ein allgemein üblicher integrierter Schaltungsblock nach dem Stand der Technik ist im Querschnitt in Figur 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Einige der wesentlichen Elemente dieses Schaltungsblockes 10 sind ein Substrat 11, eine Abdeckung 12, eine Mehrzahl von Anschlußfahnen 13 und ein integriertes Schaltungs-Chip 14.A common state-of-the-art integrated circuit block is shown in cross section in Figure 1 and provided with the reference number 10. Some of the essential elements of this circuit block 10 are a substrate 11, a cover 12, a plurality of terminal lugs 13 and an integrated circuit chip 14.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, hat das Substrat 11 einen rechteckigen Querschnitt. Es weist eine obere Hauptoberfläche 11a sowie eine untere Hauptoberfläche 11b auf. In der Oberfläche 11a ist nahe ihrer Mitte eine Vertiefung in einer solchen Form vorgesehen, daß sie ein Chip 14 aufnehmen kann. Oberfläche 11b dagegen ist nur flach.As can be seen from Fig. 1, the substrate 11 has a rectangular cross-section. It has an upper main surface 11a and a lower main surface 11b. In the surface 11a, near its center, a recess is provided in such a shape that it can accommodate a chip 14. Surface 11b, on the other hand, is only flat.

Eine Mehrzahl von elektrischen Anschlußflächen 11d ist im Substrat 11 zwischen dem Umfang der Vertiefung 11c und dem Umfang der Oberfläche 11a vorgesehen. Am Umfang der Vertiefung 11c sind elektrische Verbindungen zwischen den Anschlußflächen 11d und dem Chip 14 über eine Mehrzahl von Verbindungsdrähten 15 hergestellt. Am Umfang der Oberfläche 11a haben die Anschlußflächen 11d mit Anschlußfahnen 13 direkten Kontakt; diese Anschlußfahnen 13 erstrecken sich von der Oberfläche 11a und dienen zum Anschluß an ein (nicht gezeigtes) externes System.A plurality of electrical pads 11d are provided in the substrate 11 between the periphery of the recess 11c and the periphery of the surface 11a. At the periphery of the recess 11c, electrical connections are made between the pads 11d and the chip 14 via a plurality of connecting wires 15. At the periphery of the surface 11a, the pads 11d make direct contact with connection lugs 13; these connection lugs 13 extend from the surface 11a and serve for connection to an external system (not shown).

Eine Abdeckung 12 liegt über der Vertiefung 11c und ist mit der Oberfläche 11a am Umfang der Vertiefung mit Hilfe eines Befestigungsmaterials 16 starr verbunden. Dieses Befestigungsmaterial 16, die Abdeckung 12 und das Substrat 11 bilden so ein hermetisch geschlossenes Gehäuse für das Chip 14.A cover 12 is located over the recess 11c and is rigidly connected to the surface 11a at the periphery of the recess by means of a fastening material 16. This fastening material 16, the cover 12 and the substrate 11 form a hermetically sealed housing for the chip 14.

Für die im oben beschriebenen Schaltungsblock verwendeten Materialien und ihre Abmessungen sei ein detailliertes Beispiel gegeben: Substrat 11 besteht aus Keramik, es ist 2,413 cm (0,950 Zoll) lang, 2,413 cm (0,950 Zoll) breit und 0,152 cm (0,060 Zoll) hoch. Das Chip 14 besteht normalerweise aus Silizium; es ist 0,762 cm (0,300 Zoll) lang, 0,762 cm (0,300 Zoll) breit und hat eine Dicke von 0,051 cm (0,020 Zoll). Die Abdeckung 12 besteht aus Keramik und ist 1,473 cm (0,580 Zoll) lang, 1,473 cm (0,580 Zoll) breit und hat eine Dicke von 0,076 cm (0,030 Zoll). Das Befestigungsmaterial 16 für die Abdeckung ist aus einer Glasschicht mit einer Dicke von 0,005 cm (0,002 Zoll) hergestellt.A detailed example of the materials used in the circuit block described above and their dimensions is given: Substrate 11 is made of ceramic, it is 2.413 cm (0.950 inches) long, 2.413 cm (0.950 inches) wide, and 0.152 cm (0.060 inches) high. Chip 14 is usually made of silicon, it is 0.762 cm (0.300 inches) long, 0.762 cm (0.300 inches) wide, and has a thickness of 0.051 cm (0.020 inches). Cover 12 is made of ceramic, it is 1.473 cm (0.580 inches) long, 1.473 cm (0.580 inches) wide, and has a thickness of 0.076 cm (0.030 inches). The cover fastening material 16 is made of a layer of glass with a thickness of 0.005 cm (0.002 inches).

Handelt es sich bei dem Chip 14 im Schaltungsblock 10 um ein Chip, das verhältnismäßig wenig Strom verbraucht (d. h. weniger als 1 Watt), dann braucht am Schaltungsblock kein Kühlkörper vorgesehen zu sein. Nimmt jedoch der Stromverbrauch des Chips 14 zu, dann wird irgendwann der Punkt erreicht, an dem ein Kühlkörper an den Schaltungsblock angefügt werden muß, damit Chip 14 nicht überhitzt wird.If the chip 14 in the circuit block 10 is a relatively low power chip (i.e., less than 1 watt), then no heat sink needs to be provided on the circuit block. However, if the power consumption of the chip 14 increases, then at some point a heat sink must be added to the circuit block to prevent chip 14 from overheating.

Üblicherweise besteht der Kühlkörper aus Metall, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, und er ist mit Hilfe eines Epoxidmaterials oder eines Lots an der Oberfläche 11b unmittelbar unterhalb des Chips 14 befestigt. Während des Befestigungsvorganges wird das Epoxidmaterial oder Lot erhitzt, bis es flüssig ist, um dann als dünne, glatte Schicht zwischen Oberfläche 11b und Kühlkörper verteilt zu werden. Danach läßt man das Epoxidmaterial oder Lot auskühlen und hart werden.Usually, the heat sink is made of metal, for example copper or aluminum, and it is connected to a Epoxy material or a solder is attached to the surface 11b immediately below the chip 14. During the attachment process, the epoxy material or solder is heated until it is liquid and then distributed as a thin, smooth layer between the surface 11b and the heat sink. The epoxy material or solder is then allowed to cool and harden.

Der Vorgang des Auskühlens und -härtens erzeugt jedoch auch Spannungen im Schaltungsblock und insbesondere im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16. Die Stärke dieser Spannungen hängt von der Gesamtform des speziellen Kühlkörpers ab, der befestigt wird. Und, je nach Form des Kühlkörpers, können die Spannungen so groß werden, daß im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16 Risse entstehen. Tritt dies auf, so ist das Chip 14 nicht mehr luftdicht verschlossen und der Schaltungsblock wird dadurch funktionsunfähig.However, the cooling and hardening process also creates stresses in the circuit block and in particular in the cover mounting material 16. The magnitude of these stresses depends on the overall shape of the particular heat sink being attached. And, depending on the shape of the heat sink, the stresses can become large enough to cause cracks in the cover mounting material 16. When this occurs, the chip 14 is no longer hermetically sealed and the circuit block becomes inoperable.

Anhand der Fig. 2 soll verdeutlicht werden, auf welche Weise der Kühlkörper Spannungen im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16 erzeugt. Diese Figur enthält eine Darstellung, bei der die Temperatur des integrierten Schaltungsblockes auf einer horizontalen Achse und die Spannungen im Befestigungsmaterial 16 auf einer vertikalen Achse eingetragen sind. Die Darstellung zeigt anhand einer Kurve 21, wie sich die Spannung im Befestigungsmaterial 16 als Funktion der Temperatur ändert, wenn am Schaltungsblock 10 kein Kühlkörper befestigt ist; anhand einer Kurve 22 wird gezeigt, wie sich die Spannungen im Befestigungsmaterial 16 verändern, wenn ein Kühlkörper am Schaltungsblock 10 befestigt ist.Fig. 2 is intended to illustrate how the heat sink generates stresses in the cover fastening material 16. This figure contains a representation in which the temperature of the integrated circuit block is plotted on a horizontal axis and the stresses in the fastening material 16 on a vertical axis. The representation uses a curve 21 to show how the stress in the fastening material 16 changes as a function of the temperature changes when no heat sink is attached to the circuit block 10; a curve 22 shows how the stresses in the fastening material 16 change when a heat sink is attached to the circuit block 10.

Die Kurven 21 und 22 beginnen bei einer Temperatur TLID, einer Temperatur, bei der das Abdeckungsbefestigungsmaterial fest wird. So ist die Temperatur TLID etwa 320º, wenn dieses Befestigungsmaterial aus Glas besteht. Um die Abdeckung 12 an der Oberfläche 11a zu befestigen, muß das Befestigungsmaterial auf eine Temperatur erhitzt werden, die oberhalb von TLID liegt; es wird üblicherweise auf 420º erhitzt. Danach wird der Schaltungsblock auf Raumtemperatur TRT abgekühlt.Curves 21 and 22 start at a temperature TLID, a temperature at which the cover fixing material solidifies. Thus, the temperature TLID is about 320º if this fixing material is made of glass. In order to fix the cover 12 to the surface 11a, the fixing material must be heated to a temperature above TLID; it is usually heated to 420º. The circuit block is then cooled to room temperature TRT.

Während des Abkühlens ziehen sich sowohl das Substrat 11 als auch die Abdeckung 12 zusammen. Diese Kontraktion verursacht jedoch nur verhältnismäßig geringe Spannungen im Befestigungsmaterial 16, da Abdeckung 12 und Substrat 11 im wesentlichen aus dem gleichen Material bestehen und sich darum in verhältnismäßig gleichem Maße zusammenziehen.During cooling, both the substrate 11 and the cover 12 contract. However, this contraction causes only relatively small stresses in the fastening material 16, since the cover 12 and the substrate 11 are essentially made of the same material and therefore contract to a relatively equal extent.

In einem folgenden Schritt wird der Schaltungsblock 10 wieder erhitzt, um den Kühlkörper an der Oberfläche 11b zu befestigen. Dabei muß die Temperatur, auf die der Schaltungsblock erhitzt wird, höher sein als die Erstarrungstemperatur THS des Befestigungsmaterials für den Kühlkörper. Die Temperatur für ein Lot liegt beispielsweise bei etwa 183ºC und für ein Epoxidmaterial bei etwa 150ºC.In a subsequent step, the circuit block 10 is heated again to attach the heat sink to the surface 11b. The temperature to which the circuit block is heated must be higher than the solidification temperature THS of the heat sink mounting material. For example, the temperature for a solder is about 183ºC and for an epoxy material it is about 150ºC.

Während das Befestigungsmaterial für den Kühlkörper flüssig ist, bleiben die im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16 verursachten Spannungen verhältnismäßig klein. Wird jedoch das Befestigungsmaterial für den Kühlkörper bei einer Temperatur THS fest, so nehmen die Spannungen im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16 schnell zu. Diese schnelle Zunahme der Spannungen hat ihre Ursache darin, daß der Kühlkörper sich weitaus schneller zusammenzieht als das keramische Substrat. Die Koeffizienten für die Ausdehnung bei Erwärmung für Kupfer und Aluminium sind etwa 2,6 bzw. 3,6 mal so groß wie der Expansionskoeffizient von Keramikmaterial.While the heat sink mounting material is liquid, the stresses induced in the cover mounting material 16 remain relatively small. However, when the heat sink mounting material solidifies at a temperature THS, the stresses in the cover mounting material 16 increase rapidly. This rapid increase in stresses is due to the heat sink contracting much faster than the ceramic substrate. The coefficients of expansion upon heating for copper and aluminum are approximately 2.6 and 3.6 times the coefficient of expansion of ceramic material, respectively.

Während sich der Kühlkörper zusammenzieht, übt er auf den Abschnitt der Oberfläche 11b, an dem der Kühlkörper befestigt ist, eine komprimierende Wirkung aus. Dadurch wird ein bogenförmiges Verbiegen des Substrats 11 verursacht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei ist in dieser Figur die Größe der Verbiegung stark übertrieben dargestellt, um deutlich zu machen, daß ein solchen Verbiegen tatsächlich stattfindet. Dieses Verbiegen verursacht wiederum eine rapide Zunahme der Spannungen im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16.As the heat sink contracts, it exerts a compressive effect on the portion of surface 11b to which the heat sink is attached. This causes an arcuate bending of substrate 11, as shown in Figure 3. In this figure, the magnitude of the bending is greatly exaggerated to show that such bending does occur. This bending, in turn, causes a rapid increase in stresses in cover attachment material 16.

Nachdem der Kühlkörper befestigt ist und der integrierte Schaltungsblock in seinem Einsatzort angeordnet wurde, wird dieser Schaltungsblock einem vorbestimmten Bereich von Arbeitstemperaturen unterworfen. Eine übliche maximale Arbeitstemperatur ist beispielsweise 125ºC und eine übliche minimale Arbeitstemperatur -55ºC. In der Fig. 2 sind solche maximalen und minimalen Arbeitstemperaturen als Tmax bzw. Tmin bezeichnet.After the heat sink is attached and the integrated circuit block is placed in its place, this circuit block is subjected to a predetermined range of operating temperatures. For example, a typical maximum operating temperature is 125ºC and a typical minimum operating temperature is -55ºC. In Fig. 2, such maximum and minimum operating temperatures are designated as Tmax and Tmin, respectively.

Die Kurve 22 stellt dar, daß bei einer Temperatur Tmax die Spannungen im Abdeckungsbefestigungsmaterial 16 bei einem Minimalwert Smin liegen, wohingegen sie bei einer Temperatur Tmin einen oberen Wert von Smax erreichen. Unter Betriebsbedingungen variieren die Spannungen im Abdeckungsbefestigungsmaterial also zwischen Smax und Smin. Die Stärke der maximalen Spannungen Smax sowie jedes Schwanken zwischen Smax und Smin verursachen häufig Risse im Abdeckungsbefestigungsmaterial.Curve 22 shows that at a temperature Tmax the stresses in the cover fastening material 16 are at a minimum value Smin, whereas at a temperature Tmin they reach an upper value of Smax. Under operating conditions, the stresses in the cover fastening material therefore vary between Smax and Smin. The magnitude of the maximum stresses Smax as well as any fluctuation between Smax and Smin often cause cracks in the cover fastening material.

Weiterhin beginnen Spannungen am Übergang zwischen dem Kühlkörper und dem Substrat 11 aufzutreten, wenn das Befestigungsmaterial für den Kühlkörper bei Temperatur THS erstarrt. Auch diese Spannungen rühren wie die im Abdeckungsbefestigungsmaterial von der schnelleren Kontraktion des Kühlkörpers gegenüber der des Substrats 11 her.Furthermore, stresses begin to appear at the interface between the heat sink and the substrate 11 when the heat sink mounting material solidifies at temperature THS. These stresses, like those in the cover mounting material, also arise from the faster contraction of the heat sink compared to that of the substrate 11.

Bei Abfallen der Temperatur von THS nach TRT nehmen die Spannungen am Übergang Substrat/Kühlkörper rasch zu. Wenn danach die Temperatur von integriertem Schaltungsblock und Kühlkörper an ihrem Einsatzgebiet zwischen den Betriebstemperaturen Tmin und Tmax schwankt, dann ändern sich die Spannungen am Substrat/Kühlkörper-Übergang um einen Maximalwert. Sowohl die Größe dieses Maximalwertes als auch die Stärke der Schwankungen um diesen Wert können Risse zwischen Kühlkörper und Substrat 11 verursachen.When the temperature drops from THS to TRT, the stresses at the substrate/heat sink junction increase rapidly. If the temperature of the integrated circuit block and heat sink at their area of use then fluctuates between the operating temperatures Tmin and Tmax, then the stresses at the substrate/heat sink junction change by a maximum value. Both the size of this maximum value and the strength of the fluctuations around this value can cause cracks between the heat sink and the substrate 11.

In US-A-3 212 569 wird ein Kühlkörper zum Kühlen einzelner Transistoren beschrieben. Dieser Kühlkörper weist einen ebenen unteren Abschnitt auf, der drei Öffnungen enthält. Der Transistor liegt so auf diesem unteren Abschnitt, daß die Transistoranschlüsse durch die Öffnungen geführt sind. Eine Mehrzahl von fingerförmigen Abschnitten erstreckt sich vom unteren Abschnitt aus nach oben, in entgegengesetzter Richtung zu den Transistoranschlüssen, so daß der Transistor von den fingerförmigen Abschnitten eingeschlossen ist. Bei dieser Anordnung muß der Bereich des unteren Abschnittes des Kühlkörpers größer sein als der Bereich, der von dem zu kühlenden Transistor eingenommen wird, und bei einer solchen Anordnung treten Risse in der Transistoroberfläche in ähnlicher Weise auf, wie dies oben anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde.US-A-3 212 569 describes a heat sink for cooling individual transistors. This heat sink has a flat lower section which contains three openings. The transistor rests on this lower section so that the transistor terminals are guided through the openings. A plurality of finger-shaped sections extend upwards from the lower section in the opposite direction to the transistor terminals so that the transistor is enclosed by the finger-shaped sections. In this arrangement, the area of the lower section of the heat sink must be larger than the area occupied by the transistor to be cooled and in such an arrangement cracks occur in the transistor surface in a similar manner to that described above with reference to Figs. 1 to 3.

In DD-A-79 783 wird ein Kühlkörper für einen integrierten Schaltungsblock mit einem becherförmigen Gehäuse beschrieben. Der Kühlkörper umfaßt das becherförmige Gehäuse, und eine Mehrzahl von fingerförmigen Abschnitten erstreckt sich radial von dem Gehäuse. Das oben besprochene Problem der Rissebildung ist für diese Art von Gehäuse und Kühlkörper nicht relevant.In DD-A-79 783 a heat sink for an integrated circuit block with a cup-shaped housing is described. The heat sink comprises the cup-shaped housing and a plurality of finger-shaped sections extend radially from the housing. The problem of cracking discussed above is not relevant for this type of housing and heat sink.

In EP-A-0 094 200 wird ein Kühlkörper zum Kühlen eines integrierten Schaltungsblockes beschrieben, der aus einem einzigen dünnen Blech mit zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden Hauptoberflächen besteht. Diese beiden Oberflächen haben einen gemeinsamen Umfang, der eine Mehrzahl von im Abstand voneinander vorgesehene fingerförmige Abschnitte des dünnen Bleches definiert, die sich radial erstrecken. Der mittlere Abschnitt ist flach ausgebildet, um am integrierten Schaltungsblock befestigt zu werden, und die fingerförmigen Abschnitte erstrecken sich aus der Ebene des mittleren Abschnittes als Kühlrippen.EP-A-0 094 200 describes a heat sink for cooling an integrated circuit block, which consists of a single thin sheet with two main surfaces facing in opposite directions. These two surfaces have a common periphery defining a plurality of spaced apart finger-shaped sections of the thin sheet which extend radially. The central section is flat for attachment to the integrated circuit block, and the finger-shaped sections extend from the plane of the central section as cooling fins.

In EP-A-0 071 748 wird ein scheibenförmiges thermisches Brückenelement zur Verwendung in einem Halbleiterblock beschrieben, um Wärme von einer Halbleitervorrichtung an eine kalte Platte zu leiten. Das Brückenelement hat eine gewölbte Form und weist einen ersten Satz sich nach innen erstreckender Schlitze und einen zweiten Satz sich nach außen erstreckender Schlitze auf, die von der Mitte der Scheibe ausgehen. Der mittlere Abschnitt des Brückenelementes ist flach ausgebildet, um mit der flachen Oberfläche der Halbleitervorrichtung Kontakt zu haben.EP-A-0 071 748 describes a disk-shaped thermal bridge element for use in a semiconductor block to conduct heat from a semiconductor device to a cold plate. The bridge element has a curved shape and comprises a first set of inwardly extending slots and a second set of outwardly extending slots extending from the center of the disc. The middle portion of the bridge element is formed flat to make contact with the flat surface of the semiconductor device.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Schaltungsblock mit einer flachen Oberfläche und einen Kühlkörper, der an dem Schaltungsblock nur mit einer zwischen einem zentralen Abschnitt des Kühlkörpers und der genannten flachen Oberfläche angeordneten Klebemittelschicht befestigt ist.The present invention relates to an integrated circuit block having a flat surface and a heat sink which is attached to the circuit block only by means of an adhesive layer arranged between a central portion of the heat sink and said flat surface.

Die beanspruchte Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Abschnitt des Kühlkörpers konvex ausgebildet ist und die Klebemittelschicht von der Mitte des zentralen Abschnittes aus zum Umfang hin zunehmend dicker ist.The claimed invention is characterized in that the central portion of the heat sink is convex and the adhesive layer is increasingly thicker from the center of the central portion toward the periphery.

Die konvexe Form des zentralen Abschnittes des erfindungsgemäßen Kühlkörpers zwingt die Klebemittelschicht, die den mittleren Abschnitt des Kühlkörpers mit dem integrierten Schaltungsblock verbindet, im mittleren Bereich dünn und zum Umfang des zentralen Abschnittes hin zunehmend dicker zu sein. Daraus ergibt sich, daß thermisch induzierte Spannungen am Interface zwischen integriertem Schaltungsblock und Kühlkörper wesentlich verringert werden, die Wärmeübertragung von integriertem Schaltungsblock und Kühlkörper gut bleibt und keine Vorrichtungen erforderlich sind, um die Dicke der Klebemittelschicht festzulegen, da diese durch die konvexe Form bestimmt wird.The convex shape of the central portion of the heat sink according to the invention forces the adhesive layer that connects the central portion of the heat sink to the integrated circuit block to be thin in the central region and increasingly thicker towards the periphery of the central portion. As a result, thermally induced stresses at the interface between the integrated circuit block and the heat sink are significantly reduced, the heat transfer from the integrated circuit block to the heat sink remains good and no devices are required to determine the thickness of the adhesive layer since this is determined by the convex shape.

Short character description

Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines bekannten integrierten Schaltungsblockes, der zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper geeignet ist;Fig. 1 shows an enlarged cross-section of a known integrated circuit block suitable for use with a heat sink according to the invention;

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Art und Weise, wie ein Kühlkörper nach dem Stand der Technik in dem Abdeckungsbefestigungsmaterial des integrierten Schaltungsblockes nach Fig. 1 Spannungen verursacht;Fig. 2 is a graphical representation of the manner in which a prior art heat sink induces stresses in the cover mounting material of the integrated circuit package of Fig. 1;

Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm, das darstellt, wie ein Kühlkörper nach dem Stand der Technik einen integrierten Schaltungsblock nach Fig. 1 verbiegt;Fig. 3 is a schematic diagram showing how a prior art heat sink deforms an integrated circuit block according to Fig. 1;

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines gemäß EP-A-0 094 200 aufgebauten Kühlkörpers;Fig. 4 shows a perspective view of a heat sink constructed according to EP-A-0 094 200;

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Kühlkörper nach Fig. 4 während eines mittleren Herstellungsschrittes;Fig. 5 shows a top view of the heat sink according to Fig. 4 during a middle manufacturing step;

Fig. 6A-6D sind perspektivische Ansichten weiterer Kühlkörper nach EP-A-0 094 200;Fig. 6A-6D are perspective views of further heat sinks according to EP-A-0 094 200;

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch die Kühlrippen 34-6 und 34-1 der Fig. 4, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, undFig. 7 shows a cross section through the cooling fins 34-6 and 34-1 of Fig. 4, which is an embodiment of the present invention, and

Fig. 8 ist ein Satz von Gleichungen, die ein Merkmal des Kühlkörpers nach Fig. 7 erläutern.Fig. 8 is a set of equations explaining a feature of the heat sink of Fig. 7.

Anhand der Fig. 4 und 5 wird nachfolgend ein Kühlkörper nach EP-A-0 094 200 detailliert beschrieben. Diese Ausführungsform ist in den Fig. 4 und 5 mit 30 bezeichnet. In Fig. 4 ist der Kühlkörper 30 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, die zeigt, daß der Kühlkörper an der Oberfläche 11b des integrierten Schaltungsblocks 10 der Fig. 1 befestigt ist. In Fig. 5 ist dagegen eine Draufsicht auf den Kühlkörper 30 während eines mittleren Schrittes im Herstellungsverfahren dargestellt.A heat sink according to EP-A-0 094 200 is described in detail below with reference to Figs. 4 and 5. This embodiment is designated 30 in Figs. 4 and 5. In Fig. 4, the heat sink 30 is shown in a perspective view, which shows that the heat sink is attached to the surface 11b of the integrated circuit block 10 of Fig. 1. In contrast, Fig. 5 shows a top view of the heat sink 30 during a middle step in the manufacturing process.

Der Kühlkörper 30 besteht aus einem einzigen dünnen Blech mit zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden Hauptoberflächen, 31a und 31b. Die Oberflächen 31a und 31b haben einen gemeinsamen Umfang 32. Dieser Umfang 32 definiert eine Mehrzahl von im Abstand voneinander angeordneten, fingerförmigen Abschnitten 34 des Kühlkörpers, die sich von einem mittleren Abschnitt 33 radial erstrecken.The heat sink 30 consists of a single thin sheet having two main surfaces facing in opposite directions, 31a and 31b. The surfaces 31a and 31b have a common perimeter 32. This perimeter 32 defines a plurality of spaced apart finger-shaped sections 34 of the heat sink extending radially from a central section 33.

In der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 sind acht fingerförmige Abschnitte 34-1 bis 34-8 ,vorgesehen, die in gleichem Abstand um den mittleren Abschnitt herum angeordnet sind. Es ist jedoch auch möglich, eine andere Zahl von fingerförmigen Abschnitten vorzusehen; eine solche Zahl liegt vorzugsweise im Bereich zwischen vier und achtzehn.In the embodiment according to Figures 4 and 5, eight finger-shaped sections 34-1 to 34-8 are provided, which are arranged at equal distances around the central section. However, it is also possible to use a different number of finger-shaped sections; such number is preferably in the range between four and eighteen.

Der Kühlkörper 30 ist aus einem einzigen dünnen, flachen Blech hergestellt, das rechteckig geformt ist. Das rechteckförmige Blech wird mit Hilfe eines Stanzwerkzeuges mit dem oben angegebenen Umfang 32 ausgestanzt. In Fig. 5 ist das ebene Blechmaterial nach diesem Stanzvorgang dargestellt.The heat sink 30 is made from a single thin, flat sheet of metal that is rectangular in shape. The rectangular sheet is punched out with the aid of a punching tool with the circumference 32 specified above. Fig. 5 shows the flat sheet material after this punching process.

Danach werden alle fingerförmigen Abschnitte zu einer zylinderartigen Form geformt, so daß der mittlere Abschnitt 33 ein Ende des Zylinders bildet; die äußeren Enden der fingerförmigen Abschnitte werden nach außen in eine fächerartige Form gebracht, so daß sie in einer oder mehreren Ebenen mit dem mittleren Abschnitt 33 parallel sind. Es ist dabei günstig, diese Schritte so auszuführen, daß zwei Biegungen in jedem fingerförmigen Abschnitt vorgenommen werden, und zwar von 60º und 90º. Mit diesen Biegungen bilden die fingerförmigen Abschnitte 34-1 bis 34-8 Kühlrippen für den mittleren Abschnitt 33. Dies ist in Fig. 4 dargestellt.Thereafter, all of the finger-shaped sections are formed into a cylinder-like shape so that the central section 33 forms one end of the cylinder; the outer ends of the finger-shaped sections are fanned outwardly into a fan-like shape so that they are parallel in one or more planes with the central section 33. It is convenient to carry out these steps so that two bends are made in each finger-shaped section, namely of 60º and 90º. With these bends, the finger-shaped sections 34-1 to 34-8 form cooling fins for the central section 33. This is shown in Fig. 4.

Der Abstand zwischen den beiden Biegungen in zwei nebeneinander angeordneten fingerförmigen Abschnitten variiert vorteilhafterweise in zyklischer Weise um den mittleren Abschnitt 33. Mit anderen Worten, die Höhe der freien Enden der Kühlrippen wechselt vorzugsweise zyklisch um den mittleren Abschnitt. Diese unterschiedlichen Höhen erzeugen Turbulenzen in jedem Luftstrom, der durch die Kühlrippen streicht, was die Kühlkapazität des Kühlkörpers vergrößert.The distance between the two bends in two adjacent finger-shaped sections advantageously varies cyclically around the central section 33. In other words, the height of the free ends of the cooling fins preferably alternates cyclically around the central section. These different heights create turbulence in any airflow that passes through the cooling fins, increasing the cooling capacity of the heatsink.

Weiter ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl von Öffnungen 35 im mittleren Abschnitt vorzusehen. Durch diese Öffnungen wird die Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Schaltungsblock, an dem der Kühlkörper sitzt, fester. Insbesondere stellen diese Öffnungen ein Mittel dar, um Gase entweichen zu lassen, die zwischen Kühlkörperbefestigungsmaterial und der Befestigungsfläche des integrierten Schaltungsblocks vorhanden sind; auf die Weise wird die Möglichkeit von Gasblasen oder Hohlräumen im Kühlkörperbefestigungsmaterial verringert. Außerdem ist es aufgrund dieser Öffnungen möglich, daß das Kühlkörperbefestigungsmaterial durch den mittleren Abschnitt hindurchfließt und um den Umfang der Öffnungen herum an der Oberfläche 31a haftet.It is also advantageous to provide a plurality of openings 35 in the central portion. These openings strengthen the connection between the heat sink and the circuit block to which the heat sink is attached. In particular, these openings provide a means for venting gases present between the heat sink attachment material and the attachment surface of the integrated circuit block; in this way, the possibility of gas bubbles or voids in the heat sink attachment material is reduced. In addition, these openings allow the heat sink attachment material to flow through the central portion and adhere to the surface 31a around the periphery of the openings.

Ein detailliertes Beispiel für die Materialien und Abmessungen der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird hier angegeben. Der Kühlkörper 30 besteht aus einem Metallblech, z. B. Kupfer oder Aluminium, das 0,038 cm (0,015 Zoll) bis 0,114 cm (0,045 Zoll) dick ist. Aus einem solchen Blech wird ein Kühlkörper mit einem Umfang nach Fig. 5 ausgestanzt. Ein geeigneter Radius für den mittleren oder Zentralabschnitt ist 0,508 cm (0,200 Zoll); die Entfernung zwischen den Biegungen der Rippen 34-1, 34-3, 34-5 und 34-7 mißt 0,152 cm (0,060 Zoll), während die übrige Länge dieser Rippen 0,559 cm (0,220 Zoll) beträgt. Der Abstand zwischen den Biegungen der Rippen 34-2, 34-4, 34-6 und 34-8 beträgt 0,381 cm (0,150 Zoll), während die übrige Länge dieser Rippen 0,330 cm (0,130 Zoll) ist. Die Öffnungen 35 sind im gleichen Abstand voneinander vorgesehen und haben einen Radius von 0,051 cm (0,020 Zoll).A detailed example of the materials and dimensions of the above-described embodiment of the invention is given here. The heat sink 30 is made of a sheet of metal, such as copper or aluminum, which is 0.038 cm (0.015 inches) to 0.114 cm (0.045 inches) thick. From such a A heat sink is stamped out of sheet metal with a circumference as shown in Fig. 5. A suitable radius for the middle or central portion is 0.508 cm (0.200 inches); the distance between the bends of the fins 34-1, 34-3, 34-5 and 34-7 is 0.152 cm (0.060 inches), while the remaining length of these fins is 0.559 cm (0.220 inches). The distance between the bends of the fins 34-2, 34-4, 34-6 and 34-8 is 0.381 cm (0.150 inches), while the remaining length of these fins is 0.330 cm (0.130 inches). The openings 35 are provided at equal distances from one another and have a radius of 0.051 cm (0.020 inches).

Im Zusammenhang mit den Fig. 6A-6D werden verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele von EP-A-0 094 200 beschrieben. Das in Fig. 6A dargestellte Ausführungsbeispiel ist dem bereits anhand der Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich insofern, als es auch aus einem einzigen dünnen Blech besteht mit einem gemeinsamen Umfang, der eine Mehrzahl von fingerförmigen Abschnitten um einen zentralen Abschnitt definiert. Das in Fig. 6A dargestellte Ausführungsbeispiel hat jedoch insgesamt 12 fingerförmige Abschnitte (im Gegensatz zu den acht fingerförmigen Abschnitten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4). Außerdem sind alle fingerförmigen Abschnitte des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6A so gebogen, daß ihre äußeren Enden in gleicher Höhe oberhalb des zentralen Abschnittes angeordnet sind.In connection with Figs. 6A-6D, various preferred embodiments of EP-A-0 094 200 are described. The embodiment shown in Fig. 6A is similar to the embodiment already described with reference to Fig. 4 in that it also consists of a single thin sheet with a common periphery defining a plurality of finger-shaped sections around a central section. However, the embodiment shown in Fig. 6A has a total of 12 finger-shaped sections (as opposed to the eight finger-shaped sections of the embodiment of Fig. 4). In addition, all of the finger-shaped sections of the embodiment of Fig. 6A are bent so that their outer ends are arranged at the same height above the central section.

Als nächstes wird das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6B beschrieben. Auch dieses Beispiel ist der bereits beschriebenen Ausführungsform nach Fig. 4 ähnlich. Jedoch sind im Gegensatz dazu die äußeren Enden der fingerförmigen Abschnitte alle in einem vorbestimmten Winkel um ihre Achse verdreht. Dieser Winkel liegt vorzugsweise im Bereich von 0º bis 45º. Diese verdrehten äußeren Enden der fingerförmigen Abschnitte verursachen in der durch sie hindurchströmenden Luft Turbulenzen, was wiederum die Kühlwirkung des Kühlkörpers vergrößert.Next, the embodiment of Fig. 6B will be described. This example is also similar to the previously described embodiment of Fig. 4. However, in contrast, the outer ends of the finger-shaped sections are all twisted at a predetermined angle about their axis. This angle is preferably in the range of 0º to 45º. These twisted outer ends of the finger-shaped sections cause turbulence in the air flowing through them, which in turn increases the cooling effect of the heat sink.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6C unterscheidet sich insofern von dem Beispiel nach Fig. 4, als es um den mittleren Abschnitt herum insgesamt 12 fingerförmige Abschnitte aufweist und diese Abschnitte zusätzlich bogenförmig aus der Ebene des mittleren Abschnittes herausgebogen sind.The embodiment according to Fig. 6C differs from the example according to Fig. 4 in that it has a total of 12 finger-shaped sections around the middle section and these sections are additionally bent out of the plane of the middle section in an arc shape.

Die Ausführungsform nach Fig. 6D unterscheidet sich endlich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 insofern, als der gemeinsame Umfang des Kühlkörpers weder einen zentralen Abschnitt noch fingerförmige Abschnitte definiert. Statt dessen weist die Ausführungsform nach Fig. 6D eine Mehrzahl von radial ausgerichteten länglichen Schlitzen auf, von denen jeder zwei sich im vorbestimmten Abstand von einem sich im zentralen Bereich des gemeinsamen Umfangs befindlichen Punkt angeordnete Endwände hat. Die Endwände, die dem Mittelpunkt am nächsten sind, definieren den zentralen Abschnitt des Kühlkörpers, während die vom Mittelpunkt weiter entfernten Endwände mit dem gemeinsamen Umfang einen ringförmigen Abschnitt um den zentralen Abschnitt herum bilden. Die Seitenwände der Schlitze, die an die Endwände angrenzen, bilden eine Mehrzahl von fingerförmigen Abschnitten, die den zentralen Abschnitt mit dem ringförmigen Abschnitt verbinden. Der zentrale Abschnitt ist flach ausgebildet und wird am integrierten Schaltungsblock befestigt, während die fingerförmigen Abschnitte aus der Ebene des zentralen Abschnittes herausgehoben sind; sie bilden zusammen mit dem ringförmigen Abschnitt Kühlungsmittel zum Kühlen des zentralen Abschnittes.The embodiment of Fig. 6D finally differs from the embodiment of Fig. 4 in that the common periphery of the heat sink defines neither a central portion nor finger-shaped portions. Instead, the embodiment of Fig. 6D has a plurality of radially aligned elongated slots, each of which has two end walls arranged at a predetermined distance from a point located in the central region of the common periphery. The end walls closest to the center define the central Section of the heat sink, while the end walls further away from the center form with the common circumference an annular section around the central section. The side walls of the slots adjacent to the end walls form a plurality of finger-shaped sections connecting the central section to the annular section. The central section is flat and is attached to the integrated circuit block, while the finger-shaped sections are raised out of the plane of the central section; they form together with the annular section cooling means for cooling the central section.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen nach den Fig. 6A bis 6D werden aus einem dünnen rechteckförmigen Blech gefertigt; der Kühlkörper wird mit Hilfe eines Stanzwerkzeuges, dessen Umfang dem des gewünschten Kühlkörpers entspricht, aus dem Blech ausgestanzt und in der in den Fig. 6A bis 6D dargestellten Weise gebogen.The embodiments described above according to Figs. 6A to 6D are made from a thin rectangular sheet of metal; the heat sink is punched out of the sheet of metal using a punching tool whose circumference corresponds to that of the desired heat sink and is bent in the manner shown in Figs. 6A to 6D.

Anhand der Fig. 7 wird ein Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel, das in der Fig. 7 im Querschnitt dargestellt ist, wird mit 80 bezeichnet. Der Kühlkörper 80 weist Kühlrippen auf, die ähnlich geformt sind wie die Kühlrippen des Kühlkörpers 30 der Fig. 4 und 5. Das vorteilhafte Merkmal des Kühlkörpers 80 ist jedoch, daß der zentrale Abschnitt konvex geformt ist, wie dies bei 81 gezeigt ist. Eine geeignete Weise, diese konvexe Form zu erreichen besteht darin, das ausgestanzte Teil nach Fig. 5 in eine Presse zwischen ein konvexes und ein konkaves Pressenglied zu legen.An embodiment according to the present invention is described with reference to Fig. 7. This embodiment, which is shown in cross section in Fig. 7, is designated 80. The heat sink 80 has cooling fins which are shaped similarly to the cooling fins of the heat sink 30 of Figs. 4 and 5. The advantageous feature of the heat sink 80, however, is that the central section convexly shaped, as shown at 81. A suitable way of achieving this convex shape is to place the punched part according to Fig. 5 in a press between a convex and a concave press member.

Wegen der konvexen Form 81 ist die Klebemittelschicht 82, die den Kühlkörper 80 am Substrat 11 befestigt, in der Achse 83 des Kühlkörpers dünn und wird mit zunehmender Entfernung von dieser Achse 83 zunehmend dicker. Die Klebemittelschicht 82 ist vorzugsweise an der Achse 83 12,7 um bis 50,8 um (0,5 bis 2,0 mil) dick; die konvexe Oberfläche 81 ist so geformt, daß sie sich an der Achse 83 um mindestens ein Zwanzigstel der halben Länge des Querschnittes nach außen wölbt. Ist zum Beispiel der Rand der Klebemittelschicht 82 3,175 mm (125 mil) von der Achse 83 entfernt, so sollte die Dicke mindestens 0,152 mm (6,0 mil) betragen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Querschnitt der Oberfläche 81 als Teil eines Kreises, einer Ellipse oder einer Parabel ausgebildet ist.Because of the convex shape 81, the adhesive layer 82 that secures the heat sink 80 to the substrate 11 is thin along the axis 83 of the heat sink and becomes progressively thicker as it is moved away from the axis 83. The adhesive layer 82 is preferably 12.7 µm to 50.8 µm (0.5 to 2.0 mils) thick along the axis 83; the convex surface 81 is shaped to curve outward along the axis 83 by at least one-twentieth of half the length of the cross-section. For example, if the edge of the adhesive layer 82 is 3.175 mm (125 mils) from the axis 83, the thickness should be at least 0.152 mm (6.0 mils). This can be achieved by forming the cross-section of the surface 81 as part of a circle, an ellipse or a parabola.

Ein Merkmal der konvexen Form 81 ist es, daß Wärmespannungen zwischen dem Substrat 11 und dem Kühlkörper 80 reduziert werden, während gleichzeitig zwischen diesen beiden Bauelementen eine gute Wärmeübertragung erhalten bleibt. Dies geht aus den in Fig. 8 angegebenen Gleichungen hervor.A feature of the convex shape 81 is that thermal stresses are reduced between the substrate 11 and the heat sink 80, while at the same time good heat transfer is maintained between these two components. This is evident from the equations given in Fig. 8.

Gleichung 1 gibt die Entfernung an, die ein Punkt A auf der Oberfläche 81 zurücklegt, wenn die Oberfläche einer Temperaturdifferenz ausgesetzt wird. In dieser Gleichung ist ΔLHS die Entfernung, die Punkt A zurücklegt, KHS ist der Wärmeexpansionskoeffizient des Kühlkörpers 80, LO ist der Abstand des Punktes A von der Achse 83 vor dem Temperaturwechsel und ΔT ist die Temperaturveränderung.Equation 1 gives the distance that a point A travels on the surface 81 when the surface is subjected to a temperature difference. In this equation, ΔLHS is the distance that point A travels, KHS is the thermal expansion coefficient of the heat sink 80, LO is the distance of point A from the axis 83 before the temperature change, and ΔT is the temperature change.

In ähnlicher Weise gibt Gleichung 2 die Entfernung an, die ein Punkt B auf dem Substrat 11 zurücklegt, wenn es einer Temperaturänderung unterworfen wird. In dieser Gleichung ist LSUB die Entfernung, die Punkt B zurücklegt, KSUB ist der Wärmeexpansionskoeffizient des Substrates und LO und ΔT sind das gleiche wie in Gleichung 1.Similarly, equation 2 gives the distance that a point B travels on the substrate 11 when it is subjected to a temperature change. In this equation, LSUB is the distance that point B travels, KSUB is the thermal expansion coefficient of the substrate, and LO and ΔT are the same as in equation 1.

Wird Gleichung 2 von Gleichung 1 subtrahiert, so ergibt sich Gleichung 3, die eine Entfernung D ergibt, um die sich Punkt A gegenüber Punkt B bewegt. Diese Relativbewegung verursacht eine Verformung der Elemente 80, 82 und 11, was zu Scherspannungen führt. Gleichung 4 gibt das Hookesche Gesetz wieder, das besagt, daß die Scherspannung (SS) gleich dem Scherspannungsmodul (G) mal einem Winkel (R) ist, um den das Material verformt wird.Subtracting equation 2 from equation 1 yields equation 3, which gives a distance D that point A moves relative to point B. This relative motion causes elements 80, 82 and 11 to deform, resulting in shear stresses. Equation 4 states Hooke's law, which states that the shear stress (SS) is equal to the shear stress modulus (G) times an angle (R) through which the material is deformed.

Der Winkel R wird mit Hilfe der Gleichung 5 ausgedrückt, und zwar anhand der Entfernung D und der Dicke t der Klebemittelschicht 82 zwischen den Punkten A und B. Werden die Gleichungen 3 und 5 zur Bildung der Gleichung 4 zugrundegelegt, so ergibt sich Gleichung 6. Bei Betrachtung der Gleichung 6 ergibt sich, daß sie zwei Variable enthält, LO und t. Alle anderen Ausdrücke in der Gleichung 6 sind Konstante; sie kann also in vereinfachter Weise wie in Gleichung 7 dargestellt werden.The angle R is expressed using equation 5, based on the distance D and the thickness t of the adhesive layer 82 between the points A and B. If the Using equations 3 and 5 to form equation 4, we get equation 6. Looking at equation 6, we see that it contains two variables, LO and t. All other terms in equation 6 are constants; it can therefore be written in a simplified manner as in equation 7.

Aus der Gleichung 7 geht hervor, daß die Scherspannungen zwischen dem Kühlkörper 80 und dem Substrat 11 proportional zur Entfernung LO sind und umgekehrt proportional zu der Dicke t der Klebemittelschicht bei dieser Entfernung. Dadurch, daß die Klebemittelschicht 82 zum Umfang des zentralen Abschnittes hin zunehmend dicker wird, sind die Spannungen im gesamten zentralen Abschnitt geringer als sie sein würden, wenn der zentrale Abschnitt flach ausgebildet und die Klebemittelschicht zwischen dem zentralen Abschnitt und dem Substrat gleichmäßig dünn wäre.From equation 7, it can be seen that the shear stresses between the heat sink 80 and the substrate 11 are proportional to the distance LO and inversely proportional to the thickness t of the adhesive layer at that distance. Because the adhesive layer 82 becomes progressively thicker toward the periphery of the central portion, the stresses throughout the central portion are lower than they would be if the central portion were flat and the adhesive layer between the central portion and the substrate were uniformly thin.

Wäre der zentrale Abschnitt des Kühlkörpers flach ausgebildet und die Klebemittelschicht 82 anderswo im mittleren Bereich sehr dick, um die Wärmespannungen zu verringern, dann nähme die Kühlfähigkeit des Kühlkörpers wesentlichen Schaden. Dies wird durch die Tatsache verdeutlicht, daß die Wärmeübertragungsrate von einer Fläche auf eine andere umgekehrt proportional zu der Materialdicke zwischen diesen Flächen ist. In Fig. 8 ist die Klebmittelschicht 82 unter dem mittleren Bereich des Kühlkörpers sehr dünn, und die im Zusammenhang mit Fig. 6C beschriebenen guten Kühleigenschaften bleiben dadurch erhalten, daß die Achse 83 unmittelbar über der zu kühlenden integrierten Schaltung angeordnet ist.If the central portion of the heat sink were flat and the adhesive layer 82 were very thick elsewhere in the central region to reduce thermal stresses, the cooling ability of the heat sink would be significantly compromised. This is illustrated by the fact that the rate of heat transfer from one surface to another is inversely proportional to the thickness of the material between those surfaces. In Fig. 8, the adhesive layer 82 under the central region of the heat sink is very thin and the The good cooling properties described in connection with Fig. 6C are maintained by arranging the axis 83 directly above the integrated circuit to be cooled.

Ein weiteres Merkmal der konvexen Oberfläche 81 besteht darin, daß sich während des Befestigungsvorganges im Klebemittel 82 keine Hohlräume oder Gasblasen bilden. Bei diesem Vorgang wird das Befestigungslot oder Epoxidmaterial über die Verflüssigungstemperatur THS hinaus erhitzt. Dadurch bilden sich im Befestigungsmaterial Gasblasen, die sich nach oben bewegen, bis sie die Oberfläche 81 erreichen. Wegen der konvexen Form 81 bewegen sich die Gasblasen auf den Umfang des zentralen Abschnittes zu, wo sie in die Umgebungsluft eintreten.Another feature of the convex surface 81 is that no voids or gas bubbles form in the adhesive 82 during the fastening process. During this process, the fastening solder or epoxy material is heated above the liquefaction temperature THS. This causes gas bubbles to form in the fastening material, which move upward until they reach the surface 81. Because of the convex shape 81, the gas bubbles move towards the periphery of the central section where they enter the ambient air.

Ist dagegen der zentrale Abschnitt des Kühlkörpers flach ausgebildet, bewegen sich die Gasblasen nicht seitlich, sondern bleiben unter dem Kühlkörper. Dies erzeugt zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper Hohlräume, wenn die Temperatur unter THS abgesenkt wird. Ein solcher Hohlraum bildet einen Bereich schlechter Wärmeleitfähigkeit und führt während Temperaturschwankungen zu feinen Rissen in der Klebemittelschicht.On the other hand, if the central section of the heat sink is flat, the gas bubbles do not move sideways but remain under the heat sink. This creates voids between the substrate and the heat sink when the temperature is lowered below THS. Such a void forms an area of poor thermal conductivity and leads to fine cracks in the adhesive layer during temperature fluctuations.

Als ein weiteres Merkmal der konvexen Oberfläche 81 ist zu nennen, daß sie eine hochgradige Genauigkeit der Dicke der Klebemittelschicht bei einer Massenherstellung ermöglicht. Und zwar kann das Klebemittel an der zentralen Achse ohne weiteres sehr dünn ausgeführt werden (d. h. im Bereich von 0,5 bis 2,0 mil, also 12,7 bis 50,8 um), indem einfach das Gewicht des Kühlkörpers oder ein externes Gewicht das Klebemittel auseinanderdrückt, solange es flüssig ist. Dann wird die Dicke der Klebemittelschicht von der Achse 83 aus bis an den Umfang einzig von der konvexen Form 81 bestimmt. Diese Dicke wird um die Achse 83 symmetrisch, weil Öffnungen 84 in mehrere der Kühlrippen gestanzt sind und senkrechte Stangen in die Löcher gesteckt werden, um den Kühlkörper während des Befestigungsvorganges aufrecht zu halten.Another feature of the convex surface 81 is that it allows a high degree of accuracy of the thickness of the adhesive layer in mass production. Namely, the adhesive can be made very thin along the central axis (ie, in the range of 0.5 to 2.0 mils) simply by the weight of the heat sink or an external weight spreading the adhesive while it is liquid. Then the thickness of the adhesive layer from the axis 83 to the periphery is determined solely by the convex shape 81. This thickness is made symmetrical about the axis 83 because openings 84 are punched in several of the cooling fins and vertical rods are inserted into the holes to hold the heat sink upright during the attachment process.

Ist dagegen der zentrale Abschnitt des Kühlkörpers flach ausgebildet, kann die Dicke der Klebemittelschicht zwischen dem Kühlkörper und dem Substrat nur dann genau ausgeführt werden, wenn eine sehr genau justierte Halterungsmöglichkeit vorgesehen ist, die den Kühlkörper an seinen Kühlrippen in der gewünschten Höhe über dem Substrat hält. Außerdem müssen die Kühlrippen, die von der Halterungsvorrichtung gehalten werden, sehr genau gebogen sein, denn wenn sie zu hoch oder zu niedrig sind, nützt die Genauigkeit der Halterungsvorrichtung nichts.On the other hand, if the central section of the heat sink is flat, the thickness of the adhesive layer between the heat sink and the substrate can only be made accurate if a very precisely adjusted mounting device is provided that holds the heat sink by its cooling fins at the desired height above the substrate. In addition, the cooling fins held by the mounting device must be very precisely bent, because if they are too high or too low, the accuracy of the mounting device is of no use.

So wie der Querschnitt der Fig. 7 als Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 5 dargestellt ist, können ähnliche Veränderungen an den Ausführungsformen nach den Fig. 6A, 6B, 6C und 6D vorgenommen werden, indem der zentrale Abschnitt dieser Ausführungsbeispiele eine konvexe Form erhält. In einigen ihrer Kühlrippen können außerdem Öffnungen 84 angeordnet sein, so daß der Kühlkörper während des Befestigungsvorganges ohne Schwierigkeiten senkrecht gestellt werden kann. Es können auch andere Kühlkörper nach dem Stand der Technik (z. B. der Kühlkörper nach Fig. 3) entsprechend dieser Erfindung so abgeändert werden, daß der Abschnitt, der an dem integrierten Schaltungsblock befestigt wird, eine konvexe Form erhält, wie sie bei 81 in Fig. 7 dargestellt ist.Just as the cross section of Fig. 7 is shown as a modification of the embodiment of Fig. 5, similar changes can be made to the embodiments of Figs. 6A, 6B, 6C and 6D by giving the central portion of these embodiments a convex shape. In addition, openings 84 may be arranged in some of their fins so that the heat sink can be placed vertically without difficulty during the mounting process. Other prior art heat sinks (e.g. the heat sink of Fig. 3) may also be modified in accordance with this invention so that the portion which is attached to the integrated circuit block is given a convex shape as shown at 81 in Fig. 7.

Die Erfindung ist nicht auf die oben detailliert beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern wird durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.The invention is not limited to the embodiments described in detail above, but is defined by the following claims.

Claims

1. Integrated circuit block (11) with a flat surface and a heat sink (80) which is attached to the circuit block only by an adhesive layer (82) which is located between a central portion of the heat sink and the flat surface, characterized in that

the central portion of the heat sink is convex, without a flat area lying parallel to the surface; and

that the adhesive layer has a minimum thickness other than zero in the region of a central axis of the central section and becomes progressively thicker at a distance from this central axis in order to reduce thermal stresses between the integrated circuit block and the heat sink.

2. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the convex region of the central section extends outwards by at least 1/20 of half the length of its cross section.

3. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the convex region of the central section has a cross section in the curved shape of a circle and an ellipse or a parabola.

4. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the heat sink has cooling fins with a set of holes for receiving posts which prevent the heat sink from tipping over when it rests on its convex central portion.

5. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the heat sink has finger-shaped portions which are bent away from the central portion at an angle of 60º to 90º and then bent back in the opposite direction to extend parallel to the central portion.

6. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the heat sink has finger-shaped portions which are bent gradually and arcuately away from the central portion.

7. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the heat sink has finger-shaped sections, which all end at the same distance from the central section.

8. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the heat sink has finger-shaped sections which end in a cyclic manner at relatively large and relatively small distances from the central section.

9. Integrated circuit block according to claim 1, characterized in that the heat sink has finger-shaped portions which wind around respective axes at a predetermined angle.