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DE10249331A1 - Heat sink device for electrical component, has one-piece heat sink body with Cu contact element and metal cooling element - Google Patents

Heat sink device for electrical component, has one-piece heat sink body with Cu contact element and metal cooling element Download PDF

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DE10249331A1 DE2002149331 DE10249331A DE10249331A1 DE 10249331 A1 DE10249331 A1 DE 10249331A1 DE 2002149331 DE2002149331 DE 2002149331 DE 10249331 A DE10249331 A DE 10249331A DE 10249331 A1 DE10249331 A1 DE 10249331A1
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Abstract

The heat sink device has a one-piece heat sink body (10) provided with a Cu contact element (16), for attaching to the electrical component and a cooling element (14), for dissipation of the waste heat generated by the electrical component, which is made of a different metal. An interlocking joint structure can be provided between the Cu contact element and the metal cooling element.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile.The invention relates to a cooler for cooling electrical components.

Passive Kühlvorrichtungen werden zum Kühlen elektrischer Bauteile eingesetzt, die im Betrieb viel Wärme entwickeln und ohne Kühlung nicht funktionsfähig sind oder sogar zerstört werden. Hierbei handelt es sich vor allem um Bauteile der Leistungselektronik und um hochintegrierte digitale Bauteile. In der Regel werden Kühlkörper aus Alumnium verwendet. Diese können durch mechanisches Fügen, Klemmen, Kleben, Nieten oder Verschrauben an dem Bauteil befestigt werden, können mit diesem jedoch nicht verlötet werden. Kühlkörper aus Kupfer dagegen können zwar mit dem Bauteil verlötet werden, sind jedoch teuer und nur schwer verformbar.Passive cooling devices are used to cool electrical Components used that generate a lot of heat during operation and cannot function without cooling or even destroyed become. These are primarily components of power electronics and highly integrated digital components. Usually heatsinks are made Alumnium used. these can by mechanical joining, Clamping, gluing, riveting or screwing attached to the component can be but not soldered to it become. Heatsink off But copper can soldered to the component are, however, expensive and difficult to deform.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.The object of the invention is therefore a cooling device with improved properties.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This task is solved by a cooling device with the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist einen einstückigen Kühlkörper auf, der ein Kontaktelement aus Kupfer zur Befestigung auf dem elektrischen Bauteil und ein Kühlelement aus Metall, das nicht Kupfer ist, zur Wärmeabgabe aufweist. Das Kupfer-Kontaktelement kann beispielsweise eine dünne Kupferplatte sein, die mechanisch so fest und frei von Gaseinschlüssen mit dem Metall-Kühlkörper verbunden ist, dass der Wärmeübergang zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement annähernd widerstandslos erfolgt. Der Kühlkörper besteht aus zwei Elementen aus zwei verschiedenen Materialien, die jedoch in einer Einheit und homogen miteinander vereint sind, so dass sie einen einstückigen Kühlkörper bilden. Das Kupfer-Kontaktelement bietet wegen seiner hohen Wärmekapazität und seiner guten Wärmeleiteigenschaften eine schnelle Wärmeverteilung der von dem elektrischen Bauteil abgeführten Wärme. Hierdurch wird die abzuführende Wärme von dem häufig sehr kleinen elektrischen Bauteil auf eine große Fläche verbreitert. Mit dieser großen Kontaktelement-Fläche ist das Kühlelement praktisch wärmewiderstandsfrei verbunden. Das Kühlelement besteht aus einem Metall, das gut verformbar ist, so dass es eine für die Wärmeabführung an das den Kühlkörper umgebende und umströmende Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, optimierte Form aufweist.The cooling device according to the invention has a one-piece heat sink, of a copper contact element for mounting on the electrical Component and a cooling element made of metal, which is not copper, for heat emission. The copper contact element can, for example, a thin Be copper plate that is mechanically so firm and free of gas inclusions connected to the metal heat sink is that the heat transfer almost without resistance between the contact element and the cooling element he follows. The heat sink consists of two elements made of two different materials, but in one unit and homogeneously united with each other, so that they form an integral heat sink. The copper contact element offers because of its high thermal capacity and its good thermal conductivity a quick heat distribution the heat dissipated by the electrical component. As a result, the heat to be dissipated by that often very small electrical component widened to a large area. With this large contact element area is the cooling element practical heat without resistance connected. The cooling element consists of a metal that is easily deformable, making it a for the Heat dissipation the one surrounding the heat sink and flowing around Cooling fluid, for example cooling air, has an optimized shape.

Durch die geringe Menge an benötigtem Kupfer und durch die leichte Verformbarkeit des Metalles des Kühlelementes kann auf relativ preiswerte Weise eine Kühlvorrichtung hergestellt wer den, die große Wärmemengen auch von sehr kleinen elektrischen Bauteilen, d.h. von sehr kleinen Wärmequellen abführen kann.Due to the small amount of copper required and by the easy deformability of the metal of the cooling element a cooling device can be manufactured in a relatively inexpensive manner, the size amounts of heat even of very small electrical components, i.e. from very small Can dissipate heat sources.

Da das Kontaktelement aus Kupfer besteht, kann es mit dem elektronischen Bauteil ggf. verlötet werden. Hierdurch wird auch zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper ein idealer Wärmeübergang geschaffen. Ferner kann der Kühlkörper in automatischen Lötanlagen, beispielsweise in Lötbädern montiert werden, wodurch die Montagekosten reduziert werden können.Because the contact element made of copper exists, it can be soldered to the electronic component if necessary. As a result, a is also between the electrical component and the heat sink ideal heat transfer created. Furthermore, the heat sink in automatic soldering systems, for example, mounted in solder baths be reduced, whereby the assembly costs can be reduced.

Das Kupfer-Kontaktelement kann als Kupferschicht von einer Stärke zwischen 0,005 bis über 10 mm ausgebildet sein. Das Kupfer-Kontaktelement ist vorzugsweise untrennbar mit dem Metall-Kühlelement verbunden.The copper contact element can be used as Copper layer of a thickness between 0.005 to over 10 mm. The copper contact element is preferred inseparable from the metal cooling element connected.

Wegen der hohen Wärmekapazität von Kupfer, können kurzzeitig auftretende Temperaturspitzen des elektrischen Bauteiles besser geglättet werden.Because of the high heat capacity of copper, short-term occurring temperature peaks of the electrical component better smoothed become.

Bei der Herstellung des Kühlkörpers können bereits fertig vorkonfektionierte Grundkörper aus einer Kupferschicht und einer Nichtkupfer-Metallschicht verwendet werden. Derartige Grundkörper können durch Reibschweißen, chemische Verbindungsverfahren, durch Sprengplattieren oder Sprengschweißen oder durch andere Hochdruck-Fügeverfahren miteinander verbunden werden, bei denen die beiden Grenzschichten sich innig miteinander verbinden und die Verbindungszone frei von Gas oder Partikeleinschlüssen bleibt.In the manufacture of the heat sink can already ready-made basic body made of a copper layer and a non-copper metal layer become. Such basic bodies can by friction welding, chemical joining processes, by explosive plating or explosive welding or through other high-pressure joining processes are interconnected, where the two boundary layers connect intimately with one another and the connecting zone free of Gas or particle inclusions remains.

Der Grundkörper aus Kupfer und Nicht-Kupfermetall wird dann zur Herstellung der erforderlichen Struktur des Kühlkörpers nochmals verformt, wobei die Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Nichtkupfer-Metall nochmals verdichtet und verfestigt wird.The basic body made of copper and non-copper metal is then used again to manufacture the required structure of the heat sink deformed, the connection between the copper and the non-copper metal is compressed again and solidified.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Kupfer-Kontaktelement und das Metall-Kühlelement trennschichtfrei miteinander verbunden. Zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement befinden sich vorzugsweise keinerlei die Wärmeübertragung fördernde Stoffe.According to a preferred embodiment the copper contact element and the metal cooling element without a separation layer connected with each other. Between the contact element and the cooling element there are preferably no heat transfer promoting Substances.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das Kühlelement aus Aluminium. Hierzu können unterschiedliche Aluminiumlegierungen verwendet werden, die gute Verformungseigenschaften aufweisen. Diese können durch Druckguss oder durch Strangpressen in die Kühlelement-Endform gebracht werden.According to a preferred embodiment, there is the cooling element made of aluminium. You can do this Different aluminum alloys are used, the good ones Have deformation properties. These can be by die casting or by extrusion into the final cooling element shape to be brought.

Vorzugsweise besteht das Kühlelement aus reinem Aluminium mit mehr als 99,0 % Volumenanteil Aluminium.The cooling element is preferably present Made of pure aluminum with more than 99.0% volume aluminum.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kühlkörper eine Grundplatte auf, die von dem plattenförmigen Kühlelement und dem plattenförmigen Kontaktelement gebildet ist. Die Grundplatte bildet den Teil des Kühlkörpers, der über das Kontaktelement mit einem zu kühlenden Bauteil in Kontakt steht.According to a preferred embodiment the heat sink one Base plate on that of the plate-shaped cooling element and the plate-shaped contact element is formed. The base plate forms the part of the heat sink that over the Contact element with a to be cooled Component is in contact.

Vorzugsweise weist das Kontaktelement der Grundplatte einen erhabenen Kontaktansatz auf, der flächig ausgebildet sein kann und mit einer geringen Höhe aus der ebenen Oberfläche des Kontaktelementes emporragt. Der Kontaktansatz ist der Teil, der dazu dient, mit dem zu kühlenden Bauteil unmittelbar in Kontakt zu stehen.The contact element preferably has the base plate on a raised contact approach, which is flat can be and with a small height from the flat surface of the Contact element protrudes. The contact approach is the part that goes with it serves with the one to be cooled Component to be in direct contact.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kontaktelement ein abragendes Fixierungsstück auf, das in Stiftform, in Stegform oder auf andere Weise ausgebildet sein kann. Das Fixierstück kann senkrecht von der Grundebene des plattenförmigen Kontaktelementes abragen. Das Fixierstück dient der Platzierung und/oder Fixierung der Kühlvorrichtung an dem zu kühlenden Bauelement, an einer Platine oder an anderen Teilen.According to a preferred embodiment the contact element on a protruding fixation piece in the form of a pin Web shape or can be formed in some other way. The fixing piece can project perpendicularly from the base plane of the plate-shaped contact element. The fixing piece serves the placement and / or fixation of the cooling device to the one to be cooled Component, on a circuit board or on other parts.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kühlelement Kühlrippen und/oder Kühlnadeln auf. Durch das Vorsehen von Kühlrippen und/oder Kühlnadeln wird die Oberfläche des Kühlelementes so weit vergrößert und in Bezug auf die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft so weit optimiert, dass große Wärmemengen schnell abgeführt werden können.According to a preferred embodiment the cooling element cooling fins and / or cooling needles on. By providing cooling fins and / or cooling needles becomes the surface of the cooling element magnified so far and in terms of heat emission optimized to the ambient air so that large amounts of heat can be dissipated quickly can.

Vorzugsweise bildet der Kühlkörper ein becherförmiges Gehäuse, das das elektrische Bauteil von zwei oder mehr Seiten umfasst. Hierdurch wird eine großflächige Wärmeübergabefläche zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper realisiert.The heat sink preferably forms cup-shaped Casing, that comprises the electrical component from two or more sides. hereby becomes a large heat transfer surface between the Component and the heat sink realized.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.The following are with reference on the drawings several embodiments explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Längsschnitt, 1 a first embodiment of a cooling device according to the invention in longitudinal section,

2 die Kühlvorrichtung der 1 in Draufsicht, 2 the cooling device of the 1 in top view,

3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit Kühlnadeln in Draufsicht, und 3 a second embodiment of a cooling device according to the invention with cooling needles in plan view, and

4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Längsschnitt. 4 a third embodiment of a cooling device according to the invention in longitudinal section.

In den 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung dargestellt, wobei sich die jeweiligen Kühlkörper 10,30,40 im Wesentlichen nur durch ihre Form voneinander unterscheiden.In the 1 to 4 Various exemplary embodiments of the cooling device according to the invention are shown, the respective cooling bodies 10, 30, 40 essentially differing from one another only in their shape.

Der Kühlkörper 10 der Kühlvorrichtung der 1 und 2 weist eine Grundplatte 12 auf, von der auf der Seite des Kühlelementes 14 mehrere Kühlrippen 18 senkrecht aufragen. Die Grundplatte 12 wird von einem aus Kupfer bestehenden plattenförmigen Kontaktelement 16 und einem trennschichtfrei und innig damit verbundenen plattenförmigen Kühlelement 14 gebildet. Das Kühlelement 14 besteht aus Aluminium mit mehr als 99,0 % Volumenanteil Aluminium. Das Kontaktelement 16 und das Kühlelement 14 sind derart miteinander verbunden, dass keine Sperr- oder Trennschicht zwischen ihnen vorhanden ist. Auch Gaseinschlüsse oder Partikel zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement sind nicht vorhanden. Auf diese Weise ist über die gesamte Berührungsfläche zwischen dem Kühlelement und dem Kontaktelement ein praktisch widerstandsfreier Wärmeübergang gewährleistet.The heat sink 10 the cooling device of the 1 and 2 has a base plate 12 on, on the side of the cooling element 14 several cooling fins 18 upright. The base plate 12 is made of a plate-shaped contact element made of copper 16 and a plate-shaped cooling element that is free of separation layers and intimately connected to it 14 educated. The cooling element 14 consists of aluminum with more than 99.0% volume aluminum. The contact element 16 and the cooling element 14 are connected to each other in such a way that there is no barrier or separation layer between them. Gas inclusions or particles between the contact element and the cooling element are also not present. In this way, a practically resistance-free heat transfer is ensured over the entire contact area between the cooling element and the contact element.

An der Unterseite der Grundplatte 12 weist das plattenförmige Kontaktelement 16 einen erhabenen Kontaktansatz 20 auf, der nur geringfügig aus der Grundebene des Kontaktelementes 16 herausragt. Der Kontaktansatz 20 ist an seiner Oberfläche vollkommen eben ausgebildet und bildet die eigentliche Kontaktfläche, mit der der Kühlkörper 10 mit einem zu kühlenden Bauteil kontaktiert wird.At the bottom of the base plate 12 has the plate-shaped contact element 16 a sublime approach to contact 20 on that only slightly from the base plane of the contact element 16 protrudes. The contact approach 20 is completely flat on its surface and forms the actual contact surface with which the heat sink 10 is contacted with a component to be cooled.

Ferner sind an der Unterseite der Grundplatte 12 von dem Kontaktelement senkrecht abragende Fixierstücke 22 vorgesehen, die stiftartig ausgebildet sind. Die Fixierstücke 22 dienen der genauen Platzierung und der Fixierung des Kühlkörpers 10 an dem zu kühlenden Bauteil bzw. einer Platine oder einem Gehäuse.Furthermore, are on the underside of the base plate 12 Fixing pieces projecting vertically from the contact element 22 provided that are designed like a pin. The fixation pieces 22 are used for exact placement and fixation of the heat sink 10 on the component to be cooled or a circuit board or a housing.

Sowohl die Fixierstücke 22 als auch der Kontaktansatz 20 sind einstückig mit dem Kontaktelement 16 ausgebildet und aus diesem durch Verformung heraus gebildet.Both the fixation pieces 22 as well as the contact approach 20 are integral with the contact element 16 trained and formed from this by deformation.

In dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung weist der Kühlkörper 30 statt Kühlrippen eine Vielzahl von Kühlnadeln 34 auf, die senkrecht von der Grundplatte 31 aufragen. Die Kühlnadeln 34 sind einstückig mit dem Aluminium-Kühlelement 32 ausgebildet.In the in 3 The illustrated second exemplary embodiment of a cooling device has the heat sink 30 instead of cooling fins, a large number of cooling needles 34 on that perpendicular from the base plate 31 looming. The cooling needles 34 are in one piece with the aluminum cooling element 32 educated.

Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung ist der Kühlkörper 40 becherartig ausgebildet, wobei sowohl das Kontaktelement 46 als auch das Kühlelement 44 diese becherartige Form einnehmen. Durch den becherförmigen Kühlkörper 40 wird ein rechteckiger Hohlraum 48 umschlossen, der ein zu kühlendes elektrisches Bauelement in sich aufnehmen kann.At the in 4 The illustrated embodiment of a cooling device is the heat sink 40 cup-shaped, both the contact element 46 as well as the cooling element 44 take this cup-like shape. Through the cup-shaped heat sink 40 becomes a rectangular cavity 48 enclosed, which can accommodate an electrical component to be cooled.

Die beschriebenen Kühlkörper 10,30,40 sind alle jeweils einstückig ausgebildet. Das Kühlelement und das Kontaktelement sind jeweils untrennbar und innig miteinander verbunden. Hierdurch wird ein widerstandsfreier Wärmeübergang zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement sichergestellt.The described heat sink 10 . 30 . 40 are all made in one piece. The cooling element and the contact element are inseparably and intimately connected to one another. This ensures resistance-free heat transfer between the contact element and the cooling element.

Claims (10)

Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile mit einem einstückigen Kühlkörper (10), wobei der Kühlkörper (10) ein Kontaktelement (16) zur Befestigung auf dem Bauteil und ein Kühlelement (14) zur Wärmeabgabe aufweist, das Kontaktelement (16) aus Kupfer besteht, und das Kühlelement (14) aus einem Metall besteht, das nicht Kupfer ist.Cooling device for cooling electrical components with a one-piece heat sink ( 10 ), the heat sink ( 10 ) a contact element ( 16 ) for mounting on the component and a cooling element ( 14 ) for heat emission, the contact element ( 16 ) is made of copper, and the cooling element ( 14 ) consists of a metal that is not copper. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer-Kontaktelement (16) und das Metall-Kühlelement (14) trennschichtfrei miteinander verbunden sind.Cooling device according to claim 1, characterized in that the copper contact element ( 16 ) and the metal cooling element ( 14 ) are connected to each other without a separation layer. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gefügestrukturen des Kontaktelementes (16) und Gefügestrukturen des Kühlelementes (14) ineinander greifen und innig miteinander verbunden sind.Cooling device according to claim 2, characterized in that structural structures of the contact element ( 16 ) and structure of the cooling element ( 14 ) interlock and are intimately connected. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) Aluminium aufweist.Cooling device according to one of claims 1-3, characterized in that the cooling element ( 14 ) Has aluminum. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) aus reinem Aluminium mit einem Aluminium-Volumenanteil von mehr als 99,0 % besteht.Cooling device according to claim 4, characterized in that the cooling element ( 14 ) consists of pure aluminum with an aluminum volume fraction of more than 99.0%. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) eine Grundplatte (12) aufweist, die von dem plattenförmigen Kühlelement (14) und dem plattenförmigen Kontaktelement (16) gebildet ist.Cooling device according to one of claims 1-5, characterized in that the cooling body ( 10 ) a base plate ( 12 ) which is formed by the plate-shaped cooling element ( 14 ) and the plate-shaped contact element ( 16 ) is formed. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) Kühlrippen (18) und/oder Kühlnadeln (34) aufweist.Cooling device according to one of claims 1-6, characterized in that the cooling element ( 14 ) Cooling fins ( 18 ) and / or cooling needles ( 34 ) having. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) ein becherförmiges Gehäuse bildet.Cooling device according to one of claims 1-7, characterized in that the cooling body ( 10 ) forms a cup-shaped housing. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) einen erhabenen Kontaktansatz (20) aufweist.Cooling device according to one of claims 1-8, characterized in that the contact element ( 16 ) a raised contact approach ( 20 ) having. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) ein abragendes Fixierstück (22) aufweist.Cooling device according to one of claims 1-9, characterized in that the contact element ( 16 ) a protruding fixing piece ( 22 ) having.
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