CN101925999A - 散热器以及用于制造散热器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明推荐了由一种复合材料构成的散热器，该复合材料具有一种第一材料和一种第二材料，其中该第一材料包含有一种电绝缘体，该第二材料包含有一种电导体，其中该散热器具有平行于该散热器的主延伸平面的一个第一侧，并且其中该散热器具有垂直于该主延伸平面与该第一侧相对的、基本与该第一侧平行的一个第二侧，并且其中另外在该第一侧的区域中该第一材料的材料成分大于在该第二侧区域中该第一材料的材料成分。

Description

散热器以及用于制造散热器的方法
现有技术
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的散热器。
这种散热器通常是公开的。比如在文件JP 2005 044 841A、WO2004/005 566 A2、EP 1 168 438 A2、US 5 886 407A和EP 0 859 410 A2中公开了由均质金属碳复合材料以及尤其金属陶瓷复合材料(MMC)制成的散热器。该复合材料包含一种基体和碳微粒，该基体由诸如铜或铝的金属制成，碳微粒分散于该基体中。该均质复合材料设置用于导出尤其半导体组件的功率废热，其中该半导体组件设置于该散热器的第一侧上。另外为了降低热应力在该半导体组件与该散热器之间需要与该半导体组件衬底的热膨胀系数相当的散热器。在与MMC基板结构相组合时，半导体组件通过在绝缘层上的铜被电气接触，其中该绝缘层设置于、并尤其粘贴于该MMC散热器上，从而力求把该散热器的热膨胀系数与绝缘层的热膨胀系数相匹配。
本发明的公开
根据并列的权利要求所述的本发明的散热器以及用于制造散热器的本发明方法相对于现有技术所具有的优点是，在该散热器本身中集成有由第一材料构成的绝缘层，从而该绝缘层的热膨胀系数明显较好地与其余散热器的热膨胀系数相匹配，同时实现了该绝缘层与其余散热器好得多的热耦合，以及另外该绝缘层与其余散热器更稳定的机械连接，其中尤其有利的是完全节省了用于把绝缘层与其余散热器通过材料配合地连接的粘贴层。因此一方面在该绝缘层上的热量明显更快地通过该散热器导出，从而尤其避免了在半导体结构上的过热损坏，另一方面明显降低了或者完全阻止了在该绝缘层上或者在该绝缘层与其余散热器之间由于在该绝缘层与其余散热器之间明显不同的热膨胀系数而产生的机械应力。该散热器是复合体，其中在第一侧上该第一绝缘材料的材料份额大于在该第二侧上的，使得该散热器的第一侧优选地体现为由该第一材料制成的绝缘层，并且该第二侧主要包含有该第二材料。从而尤其有利地如此实现了该第二材料相对好的导热性与该第一材料相对小的电导率的组合，使得在该复合体内实现了热膨胀系数的相对良好的匹配，并从而与现有技术相比明显降低了在该复合体内的热力应力。
本发明的有利扩展方案和改进方案可参见从属权利要求、以及参照附图的说明。
根据一个优选的改进方案，规定在该第二侧区域中在复合材料中的第二材料的材料成分大于在该第一侧区域中第二材料的材料成分，其中优选该第一侧基本仅具有该第一材料，和/或该第二侧基本仅具有该第二材料，从而尤其有利地该第一侧作为绝缘层具有最小的电导率，并且该第二侧具有最大的导热性，并且其中同时实现了在第一侧与第二侧之间的最大热耦合以及该第一侧的热膨胀系数与该第二侧的热膨胀系数的最大匹配。
根据另一优选的改进方案，规定在复合材料中该第一材料的材料成分垂直于主延伸方向从第一侧到第二侧尤其连续地、单调地和/或逐级地下降，而在复合材料中该第二材料的材料成分垂直于主延伸方向从第一侧到第二侧尤其连续地、单调地和/或逐级地增加。从而尤其有利地使复合材料中的热应力最小化，因为通过在垂直于主延伸方向的方向上从该第一材料的高材料成分到第二材料的高材料成分的优选连续的过渡而不会在该方向上出现相对大突出的热膨胀系数跃变点，其中同时使在该第一材料与该第二材料之间的热耦合最大化。
根据另一优选的改进方案，规定该第一材料具有孔隙率，其中该孔隙率垂直于该主延伸方向从该第一侧到第二侧增加，并且其中优选地该第一材料的孔大小和/或孔密度平均地从该第一侧到第二侧垂直于主延伸方向增加，其中尤其优选地这些孔填充有该第二材料。从而能够以尤其简单而价格合理地制造的方式通过在第一材料中孔大小和/或孔密度的变化在该第一侧与该第二侧之间实现第一材料的不同材料成分。可替换地，也可以考虑尤其垂直于主延伸方向地在孔大小和/或孔密度方面来对第二材料的孔隙率进行变化。
根据另一优选的扩展方案，规定该复合材料垂直于主延伸方向具有多个复合材料层，其中尤其该第一材料与该第二材料的比例在这些复合材料层之间分别是不同的，从而能够以尤其简单和价格合理的方式来制造在该第一侧与该第二侧之间具有该第一材料的不同材料成分的一个复合体。尤其可以考虑具有多个复合材料层的一个复合体，其中该第一材料与该第二材料的比例从该第一侧附近的复合材料层到该第二侧附近的复合材料层以相对小的等级和/或单调上升或下降地变化。
根据另一优选的扩展方案，规定该第一材料与该第二材料通过形状配合(formschluessig)和/或通过力传递配合(kraftschluessig)地被连接，和/或该第一材料与该第二材料构成互穿网络。在该第一材料与该第二材料之间的形状锁合和/或构成传力链的连接优选地通过给第一材料的孔填充第二材料来形成。尤其有利地通过在该第一材料与该第二材料之间的通过形状配合和/或通过力传递配合的连接与现有技术相比大大提高了在该散热器中的机械承载能力。
根据另一优选的扩展方案，规定该第一材料垂直于主延伸平面具有优选从0vol％至95vol％并尤其优选从0vol％至65vol％的孔隙度变化曲线，其中更尤其优选地该第一侧具有基本完全由垂直于主延伸平面厚度至少为50μm的第一材料构成的复合材料层，从而相对良好地实现了绝缘层的小电导率、散热器的良好导热性、以及热膨胀系数的良好匹配的特性。
根据另一优选的扩展方案，规定该第一材料包含有陶瓷材料、优选地为氧化物、氮化物和/或碳化物，尤其优选地为Al2O3、AlN、Si3N4和/或SiC，更尤其优选地是Al2O3，该第二材料包含有金属材料，优选地为铜、铜合金、铝和/或铝合金。尤其优选地该陶瓷材料具有相对小的电导率，由此满足了对绝缘层高绝缘性的要求，其中金属材料具有相对好的导热性，由此同时能够满足对散热器良好冷却能力的要求。
本发明的另一对象是一种具有散热器的装置，其中在该散热器的第一侧上设置有至少一个电气、电子和/或微机械元件和/或印制导线和/或复合层，其中优选地该第一侧至少部分地被金属层、尤其优选地是至少部分地被铝层和/或铜层覆盖。由于该散热器的电气绝缘的绝缘层，能够尤其有利地直接在该绝缘层上施加印制导线用于电气、电子和/或微机械元件的接触，由此通过所述的装置而取消了DBC堆的实施。
本发明的另一对象是一种用于制造散热器的方法，其中在一个第一方法步骤中垂直于由第一材料构成的主延伸平面来制造具有孔隙率梯度的一个预制体(
Figure BPA00001185144000031
)，其中在一个第二方法步骤中该预制体的孔被填充有该第二材料。从而能够实现用仅两个相对简单和可良好控制的工序来制造根据本发明的散热器，使得这种制造是相对价格合理的，并能够使用相对价格合理的材料。
根据一个优选的改进方案，规定在第一方法步骤中通过负铸模(Negativabformung)、尤其通过借助陶瓷浆料而相互压紧的泡沫的负铸模来制造该预制体，其中优选地使用了聚氨酯泡沫，或者在第一方法步骤中通过浆料压滤以及随后的烧结来制造该预制体，其中优选地首先利用不同组成的两种浆料来填充一个浆料模，其中这两种浆料之间的比例被连续地改变，并且其中接着通过压滤和烧结法来制造该预制体，或者在第一步骤中通过粉压(Pulververpressung)来制造该预制体，其中优选地不同组成的粉末在一个模具中被相叠地刮刀涂布(einrakeln)并接着被挤压，或者在第一方法步骤中通过把多个坯板进行层叠和烧结来制造该预制体，其中优选地这些坯板被相互层叠，它们在烧结时形成不同的孔隙率，或者在第一方法步骤中通过把不同孔隙率的板进行层叠和复合来制造该预制体，其中优选地把陶瓷板相互层叠并再烧结以相互连接，或者在第一方法步骤中通过铸造法来制造该预制体，尤其薄膜铸造法，其中优选地在薄膜铸造技术中把不同组成的浆料相叠地浇注并接着烧结，或者该第二方法步骤包含有一种熔化渗透法，其中优选地利用该第二材料来借助压力渗透该预制体，并且其中尤其优选地在该第二方法步骤之前以液态的物态来掺入该第二材料。从而尤其有利地能够实现通过多种制造方法来制造该散热器，由此能够实现相对灵活且价格优化的制造。这些制造方法全部能够可相对良好控制并价格合理地被实施。
本发明的实施例在附图中示出，并在下文说明中来详细解释。
附图的简述
其中
图1示出了根据本发明一个第一示例实施形式的一种散热器装置的示意性侧视图，以及
图2a示出了用于制造根据本发明第二示例实施形式的一种散热器的示意性预制体侧视图，以及
图2b示出了根据本发明第二示例实施形式的散热器的示意性侧视图。
本发明的实施形式
本发明的实施形式
在图1中示出了根据本发明第一示例实施形式的散热器1的一种装置20的示意性侧视图，其中该散热器1具有复合材料2，该复合材料2具有第一材料3和第二材料4，其中该第一材料3包含有电绝缘体、优选为陶瓷材料，该第二材料4包含有电导体、优选地为金属，其中该散热器1具有平行于该散热器1的主延伸平面100的第一侧5，并且其中该散热器1具有垂直于该主延伸平面100与该第一侧5相对、并基本与该第一侧5平行的第二侧6，并且其中在该第一侧5区域中该第一材料3的材料成分(Materialanteil)大于在该第二侧6区域中该第一材料3的材料成分，而在该第二侧6区域中复合材料2中的第二材料4的材料成分大于在第一侧5区域中第二材料4的材料成分，从而尤其该第一侧5基本仅具有该第一材料3，该第二侧6基本仅具有该第二材料4。在复合材料2中该第一材料3的材料成分垂直于该主延伸方向100从该第一侧5到第二侧6尤其逐级地下降，而在复合材料2中该第二材料4的材料成分垂直于主延伸方向100地从该第一侧5向第二侧6尤其逐级地上升，使得该复合材料2垂直于主延伸方向具有多个复合材料层7，在这些复合材料层7之间第一材料3与第二材料4的比例分别是不同的。优选地该第一材料3具有一个孔隙率，其中该孔隙率垂直于该主延伸方向100从该第一侧5到该第二侧6增加，并且其中尤其该第一材料3的孔隙大小和孔隙密度平均从该第一侧5到第二侧6垂直于主延伸方向100增加，并且其中该孔10填充有该第二材料4。通过把该第一材料3的孔10用该第二材料4填充，该第一材料3与该第二材料4至少部分地通过形状配合和通过力传递配合地被连接。在基本仅具有该第一材料3的该第一侧5区域中该复合材料层7具有垂直于主延伸平面100的至少50μm的厚度。在该散热器1的第一侧5上设置有半导体元件11，其中在该第一侧5与该半导体元件11之间尤其设置有由铜制成的印制导线11’。
在图2a中示出了一种用于制造根据本发明第二示例实施形式的散热器1的预制体1’的示意性侧视图，其中该散热器1’仅包含有第一材料3，其中该预制体1’具有多个孔10，并且其中孔密度垂直于主延伸平面100从第一侧5到第二侧6连续地或逐级地增加，如此使得该第一材料1的材料密度从该第一侧5到第二侧6连续地或逐级地下降。通过借助陶瓷浆料或通过分梯度的浆料压滤而相互压紧的聚氨酯泡沫的负铸模针对适孔剂或粒度来填充浆料模，其中在这两种浆料之间的比例尤其是连续地被改变，并且其中接着借助压滤来制造坯，该坯比如在适孔剂份额上具有梯度，使得在接下来的烧结过程之后形成具有孔隙率梯度的预制体1’。可替换地，该预制体1’通过有梯度的/分级的粉压来制造，其中优选不同组成的粉末在一个模具中被相叠地刮刀涂布并接着被挤压，其中可以针对粒度或适孔剂来进行粉末变化，或者该预制体1’通过坯板的相互层叠并接着借助通过坯板的烧结来制造，其中这些坯板在相同烧结条件下由于粒度或适孔剂分量的变化而得到不同的孔隙率。可替换地，为了制造该预制体，也规定把不同孔隙率的陶瓷板进行相互层叠，其中这些陶瓷板被再烧结以相互连接，或者规定一种薄膜铸造法，其中在薄膜铸造技术中把不同组成的陶瓷浆料比如针对粒度或适孔剂份额来相叠浇注，并接着烧结。
在图2b中示出了根据本发明第二示例实施形式的一种散热器1的示意性侧视图，其中该散热器1由在图2a中所示的并在第一方法步骤中所制造的预制体1’制成，该预制体在第二方法步骤中优选地借助挤压铸造技术或借助气体压力渗透而借助压力被渗透了金属熔体，从而这些孔10填充有该第二材料4，并且该散热器优选地在该第二侧6上具有一个复合材料层7，该复合材料层基本仅包含有该第二材料4。

Claims (17)

1.一种由复合材料(2)制成的散热器(1)，该复合材料具有第一材料(3)和第二材料(4)，其中该第一材料(3)包含有电绝缘体，该第二材料(4)包含有电导体，其中该散热器(1)具有平行于该散热器(1)的主延伸平面(100)的一个第一侧(5)，并且其中该散热器(1)具有垂直于该主延伸平面(100)地与该第一侧(5)相对的、基本与该第一侧(5)平行的一个第二侧(6)，其特征在于，在该第一侧(5)的区域中该第一材料(3)的材料成分大于在该第二侧(6)区域中该第一材料(3)的材料成分。
2.根据权利要求1所述的散热器(1)，其特征在于，在第二侧(6)区域中在复合材料(2)中第二材料(4)的材料成分大于在该第一侧(5)区域中该第二材料(4)的材料成分，其中优选地该第一侧(5)基本仅具有该第一材料(3)，和/或该第二侧(6)基本仅具有该第二材料(4)。
3.根据前述权利要求之一所述的散热器(1)，其特征在于，在该复合材料(2)中的该第一材料(3)的材料成分垂直于该主延伸方向(100)从该第一侧(5)到该第二侧(6)尤其连续地、单调地和/或逐级地下降，而在该复合材料(2)中的该第二材料(4)的材料成分垂直于主延伸方向(100)从该第一侧(5)到该第二侧(6)尤其连续地、单调地和/或逐级地增加。
4.根据前述权利要求之一所述的散热器(1)，其特征在于，该第一材料(3)具有尤其开口孔隙率，其中该孔隙率垂直于该主延伸方向(100)从该第一侧(5)到该第二侧(6)增加，并且其中优选地该第一材料(3)的孔密度和/或孔大小平均从该第一侧(5)到该第二侧(6)垂直于该主延伸方向(100)增加，其中尤其优选地这些孔(10)被该第二材料(4)填充。
5.根据前述权利要求之一所述的散热器(1)，其特征在于，该复合材料(2)垂直于该主延伸方向具有多个复合材料层(7)，其中尤其在这些复合材料层(7)之间第一材料(3)与第二材料(4)的比例分别是不同的。
6.根据前述权利要求之一所述的散热器(1)，其特征在于，该第一材料(3)与该第二材料(4)通过形状配合和/或通过力传递配合地被连接，和/或该第一材料(3)与该第二材料(4)形成互穿网络。
7.根据前述权利要求之一所述的散热器(1)，其特征在于，该第一材料(3)垂直于该主延伸平面(100)具有优选从0vol％至95vol％并尤其优选从0vol％至65vol％的孔隙度变化曲线，其中更尤其优选地该第一侧(5)具有基本完全由该第一材料(3)构成的、垂直于主延伸平面(100)厚度至少为50μm的复合材料层(7)。
8.根据前述权利要求之一所述的散热器(1)，其特征在于，该第一材料(3)包含有陶瓷材料，所述陶瓷材料优选地是氧化物、氮化物和/或碳化物，尤其优选地为Al2O3、AlN、Si3N4和/或SiC，更尤其优选地为Al2O3，该第二材料(4)包含有金属材料，所述金属材料优选地是铜、铜合金、铝和/或铝合金。
9.一种具有根据前述权利要求之一所述的散热器(1)的装置(20)，其特征在于，在该散热器(1)的第一侧(5)上设置有至少一个电气、电子和/或微机械元件(11)和/或印制导线(11’)和/或复合层，其中优选地该第一侧(5)至少部分地覆盖有金属层，并尤其优选地至少部分地覆盖有铝层和/或铜层。
10.一种用于制造根据前述权利要求之一所述的散热器(1)的方法，其特征在于，在第一方法步骤中以垂直于该主延伸平面(100)的一个孔隙率梯度由该第一材料(3)来制造一个预制体(1’)，其中在一个第二方法步骤中给该预制体的孔(10)填充该第二材料(4)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在第一方法步骤中该预制体(1’)通过负铸模、尤其通过借助浆料而相互压紧的泡沫的负铸模来制造，其中优选地使用了聚氨酯泡沫。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在第一方法步骤中通过浆料压滤以及随后的烧结来制造该预制体(1’)，其中优选首先利用不同组成的两种浆料来填充一个浆料模，其中这两种浆料之间的比例被连续地改变，并且其中接着通过压滤和烧结法来制造该预制体。
13.根据权利要求10或12之一所述的方法，其特征在于，在该第一方法步骤中通过粉压来制造该预制体(1’)，其中优选将不同组成的粉末在一个模具中相叠地进行刮刀涂布并接着进行挤压。
14.根据权利要求10或13之一所述的方法，其特征在于，在该第一方法步骤中该预制体(1’)通过把多个坯板进行层叠和烧结来制造，其中优选将这些坯板相互层叠，这些坯板在烧结时形成不同的孔隙率。
15.根据权利要求10或14之一所述的方法，其特征在于，在该第一方法步骤中通过把不同孔隙率的板进行层叠和连接来制造该预制体(1’)，其中优选地把陶瓷板相互层叠并再烧结以相互连接。
16.根据权利要求10或15之一所述的方法，其特征在于，在该第一方法步骤中该预制体(1’)通过铸造法、尤其是薄膜铸造法来制造，其中优选地在薄膜铸造技术中把不同组成的浆料依次浇注，并接着烧结。
17.根据权利要求10或16之一所述的方法，其特征在于，该第二方法步骤包括一种熔化渗透法，其中优选地用该第二材料(4)来借助压力地渗透该预制体(1’)，并且其中尤其优选在该第二方法步骤之前以液态的物态来掺入该第二材料(4)。
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