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DE10249331B4 - cooler - Google Patents

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DE10249331B4 DE2002149331 DE10249331A DE10249331B4 DE 10249331 B4 DE10249331 B4 DE 10249331B4 DE 2002149331 DE2002149331 DE 2002149331 DE 10249331 A DE10249331 A DE 10249331A DE 10249331 B4 DE10249331 B4 DE 10249331B4
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Abstract

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,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kupfer-Kontaktelement (16) und das Metall-Kühlelement (14) trennschichtfrei miteinander verbunden sind, und
dass Gefügestrukturen des Kontaktelementes (16) und Gefügestrukturen des Kühlelementes (14) ineinander greifen und ihre Grenzschichten innig miteinander verbunden sind.Cooling device for cooling electrical components with a one-piece heat sink (10), wherein
the heat sink (10) has a contact element (16) for attachment to the component and a cooling element (14) for heat dissipation,
the contact element (16) consists of copper, and
the cooling element (14) is made of a metal that is not copper,
characterized,
that the copper contact element (16) and the metal cooling element (14) are interconnected without separating layer, and
that microstructures of the contact element (16) and microstructures of the cooling element (14) mesh with each other and their boundary layers are intimately interconnected.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile.The The invention relates to a cooling device 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 Aluminium 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 coolers become for cooling used electrical components that develop much heat during operation and without cooling not working are or even destroyed become. These are mainly components of power electronics and highly integrated digital components. As a rule, heat sinks are out Aluminum used. these can by mechanical joining, Clamping, gluing, riveting or screwing attached to the component can, can but not soldered with this become. Heat sink off Copper on the other hand can although soldered to the component are, but are expensive and difficult to deform.

Aus WO 02/076166 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile bekannt, die aus einem Aluminium-Kühlkörper und einem Kupfer-Kontaktelement besteht. Das Kontaktelement und das Kühlelement werden durch eine geeignete mechanische Verbindung miteinander verbunden, beispielsweise durch punktförmige Zapfen- oder Nietverbindungen.Out WO 02/076166 A1 is a cooling device for cooling electrical components known, consisting of an aluminum heat sink and a copper contact element consists. The contact element and the cooling element are replaced by a suitable mechanical connection connected to each other, for example by punctiform Spigot or rivet connections.

Aus JP 06140539 A ist ein Kühlelement bekannt, bei dem eine Kupferplatte in eine entsprechende Ausnehmung eines Aluminium-Kühlkörpers eingedrückt ist.Out JP 06140539 A a cooling element is known in which a copper plate is pressed into a corresponding recess of an aluminum heat sink.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung mit verbesserten Kühleigenschaften zu schaffen.task The invention therefore is a cooling device with improved Cooling properties too create.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.These Task is solved through 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 has cooling device according to the invention a one-piece Heat sink on, a contact element made of copper for attachment to the electrical Component and a cooling element made of metal, which is not copper, for heat dissipation. The copper contact element can be a thin example Be copper plate mechanically so firm and free of gas inclusions with connected to the metal heat sink is that the heat transfer between the contact element and the cooling element almost without resistance he follows. The heat sink consists of two elements of two different materials, however, in a unity and are homogeneously united with each other, so they form a one-piece heat sink. The copper contact element offers because of its high heat capacity and its good thermal conductivity a fast heat distribution the heat dissipated by the electrical component. As a result, the dissipated heat of often very small electrical component widened to a large area. With this large contact surface is the cooling element practically heat without resistance connected. The cooling element consists of a metal that is well malleable, making it a for the Heat dissipation on surrounding the heat sink and around Cooling fluid, for example cooling air, has 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.By the small amount of copper needed and by the easy deformability of the metal of the cooling element can be made in a relatively inexpensive manner a cooling device who the, the size amounts of heat even of very small electrical components, i. from very small Heat sources can dissipate.

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.There the contact element is made of copper, it can with the electronic If necessary solder component. This will also between the electrical component and the heat sink ideal heat transfer created. Furthermore, the heat sink in automatic soldering machines, for example, mounted in solder baths which reduces assembly costs.

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

Das Kupfer-Kontaktelement und das Metall-Kühlelement sind trennschichtfrei miteinander verbunden. Zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement befinden sich keinerlei die Wärmeübertragung fördernde Stoffe.The Copper contact element and the metal cooling element are separating layer-free connected with each other. Between the contact element and the cooling element There are no heat transfer at all promotional Substances.

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.at the production of the heat sink can already ready prefabricated body made of a copper layer and a non-copper metal layer become. Such basic body can by friction welding, chemical bonding methods, by explosive plating or explosive welding or through other high-pressure joining methods be joined together, where the two boundary layers intimately connect with each other and the connection zone free from Gas or particle inclusions remains.

Der Grundkörper aus Kupfer und Nichtkupfer-Metall 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.Of the body made of copper and non-copper metal is then used to manufacture the required structure of the heat sink again deformed, with the connection between the copper and the non-copper metal is compacted and solidified again.

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 a copper layer of a thickness between 0.005 to about 10 mm be formed. The copper contact element is preferably inseparable from the metal cooling element connected.

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 one preferred embodiment, the cooling element made of aluminum. For this can different aluminum alloys are used, the good ones Have deformation properties. These can be by die casting or by extrusion in the cooling element final shape to be brought.

Vorzugsweise besteht das Kühlelement aus reinem Aluminium mit mehr als 99,0 % Volumenanteil Aluminium.Preferably is the cooling element 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 one preferred embodiment, the heat sink on a base plate, those of the plate-shaped cooling element and the plate-shaped Contact element is formed. The base plate forms the part of the Heatsink that over the Contact element with one 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.Preferably the contact element of the base plate has a raised contact projection on, the area may be formed and with a low height from the flat surface of the Contact element peaks. The contact approach is the part that matters 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 one preferred embodiment, the contact element has a protruding fixation piece formed in the form of a pen, in web form or in another way can be. The fixation piece can protrude perpendicularly from the ground plane of the plate-shaped contact element. The fixing piece is used the placement and / or fixation of the cooling device to be cooled Component, on a circuit board or 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 one preferred embodiment, the cooling element cooling fins and / or cooling needles on. By the provision of cooling fins and / or cooling needles becomes the surface of the cooling element enlarged and so far in terms of heat dissipation Optimized to the ambient air so far that large amounts of heat are 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.Preferably The heat sink forms cup-shaped Casing, which comprises the electrical component of two or more sides. hereby is a large heat transfer area between the Realized component and the heat sink.

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

Es zeigen:It demonstrate:

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 1 in plan 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 different embodiments of the cooling device according to the invention are shown, wherein the respective heat sink 10 . 30 . 40 essentially differ only by their shape from each other.

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 1 and 2 has a base plate 12 on, on the side of the cooling element 14 several cooling fins 18 rise upright. The base plate 12 is made of a copper plate-shaped contact element 16 and a release layer and intimately associated plate-shaped cooling element 14 educated. The cooling element 14 consists of aluminum with more than 99.0% by volume aluminum. The contact element 16 and the cooling element 14 are interconnected so that there is no barrier or separating layer between them. Also gas inclusions or particles between the contact element and the cooling element are not present. In this way, a virtually resistance-free heat transfer is ensured over the entire contact surface 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 contact approach 20 on, the only slightly out of the ground 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, at the bottom of the base plate 12 from the contact element perpendicular projecting fixation 22 provided, which are formed like a pin. The fixation pieces 22 serve the 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 fixings 22 as well as the contact approach 20 are integral with the contact element 16 formed and formed out of this by deformation out.

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 illustrated second off embodiment of a cooling device, the heat sink 30 instead of cooling fins a variety of cooling needles 34 on, perpendicular to the base plate 31 looming. The cooling needles 34 are integral 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 illustrated embodiment of a cooling device is the heat sink 40 formed cup-shaped, wherein 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 a to be cooled electrical component in itself.

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 heat sink described 10 . 30 . 40 are all formed in one piece. The cooling element and the contact element are each inseparably and intimately connected. As a result, a resistance-free heat transfer between the contact element and the cooling element is ensured.

Claims (8)

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, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer-Kontaktelement (16) und das Metall-Kühlelement (14) trennschichtfrei miteinander verbunden sind, und dass Gefügestrukturen des Kontaktelementes (16) und Gefügestrukturen des Kühlelementes (14) ineinander greifen und ihre Grenzschichten innig miteinander verbunden sind.Cooling device for cooling electrical components with a one-piece heat sink ( 10 ), wherein the heat sink ( 10 ) a contact element ( 16 ) for mounting on the component and a cooling element ( 14 ) for heat dissipation, the contact element ( 16 ) consists of copper, and the cooling element ( 14 ) is made of a metal which is not copper, characterized in that the copper contact element ( 16 ) and the metal cooling element ( 14 ) are interconnected without release layer, and that microstructures of the contact element ( 16 ) and microstructures of the cooling element ( 14 ) and their boundary layers are intimately connected. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) Aluminium aufweist.Cooling device according to claim 1, characterized in that the cooling element ( 14 ) Aluminum. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) aus reinem Aluminium mit einem Aluminium-Volumenanteil von mehr als 99,0 % besteht.Cooling device according to claim 2, 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 1–3, 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 1-3, characterized in that the heat sink ( 10 ) a base plate ( 12 ), which of the plate-shaped cooling element ( 14 ) and the plate-shaped contact element ( 16 ) is formed. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) Kühlrippen (18) und/oder Kühlnadeln (34) aufweist.Cooling device according to one of claims 1-4, characterized in that the cooling element ( 14 ) Cooling fins ( 18 ) and / or cooling needles ( 34 ) having. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) ein becherförmiges Gehäuse bildet.Cooling device according to one of claims 1-5, characterized in that the heat sink ( 10 ) forms a cup-shaped housing. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) einen erhabenen Kontaktansatz (20) aufweist.Cooling device according to one of claims 1-6, characterized in that the contact element ( 16 ) a sublime contact approach ( 20 ) having. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) ein abragendes Fixierstück (22) aufweist.Cooling device according to one of claims 1-7, characterized in that the contact element ( 16 ) a projecting fixing piece ( 22 ) having.
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