DE10013844A1 - Electric module cooling device e.g. for integrated circuits - Google Patents

Electric module cooling device e.g. for integrated circuits

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Abstract

A device for cooling an electric module, which comprises at least one electric and/or one electronic component, has a cooling body (1) made of a plastics material. A filler material, specifically containing carbon fibres, is deposited in the plastics material. More specifically, the filler material comprises of metal granulate, and a quantity of the carbon fibres and a quantity of the metal granulate in the cooling body stick together in a given ratio, for example with regard to the mass. The cooling body has cooling fins (4) and at least one electric or at least one electronic component is an opto-electronic component.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Mo duls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein elektronisches Bauelement umfaßt, mit einem aus Kunst stoff gebildeten Kühlkörper. The invention relates to an apparatus for cooling a duls Mo comprising at least one electrical and / or comprises at least an electronic component formed with a material made of the heat sink.

Die Wärmeabfuhr zur Kühlung von elektronischen oder elektri schen Bauteilen und ganzen Baugruppen stellt wegen der stän dig steigenden Integrationsdichte innerhalb der integrierten Schaltungen und der Baugruppen sowie der rasant steigenden Taktfrequenzen bzw. der zunehmenden Datenraten bei gleichzei tiger Forderung nach kleineren Bauteil- bzw. Baugruppenabmes sungen eine immer größere Herausforderung für Konstrukteure und Anwender dar. Mit der Erhöhung der Leistungsdichte pro Flächeneinheit sind effizientere Methoden zur Wärmeabfuhr notwendig. The heat dissipation for cooling electronic or electrical rule components and the whole assembly is due to the RESISTING dig increasing integration density within the integrated circuits and the modules as well as rapidly increasing clock frequencies and the increasing data rates for gleichzei term demand for smaller component or Baugruppenabmes solutions a growing challenge for designers and users. with the increase in the power density per unit area more efficient methods for heat dissipation are required.

Es sind Kühlkörper bekannt, die aus Aluminium, Kupfer oder Kupfer-Wolfram bestehen. There are cooling devices are known which are made of aluminum, copper, or copper-tungsten. Die üblicherweise bei der Herstel lung derartiger metallischer Kühlkörper verwendeten Verfahren umfassen das Fräsen, das Sägen von Kühlrippen und eine an schließende Nachbearbeitung mittels Fräsens, das Stangenpres sen von Aluminium oder das Aluminium-Druckgießen. Usually such wherein herstel lung metallic heatsink methods used include milling, sawing of cooling fins and a post-processing of closing means of milling, the Stangenpres sen of aluminum or the aluminum die-casting. Weiterhin kann ein metallischer Kühlkörper mit Hilfe des pulvermetal lurgischen Spritzgießens (Spritzguß-Sinterverfahren) herge stellt werden. Further, a metallic heat sink by means of powder-metallurgical injection molding can rule (injection molding sintering method) Herge be provides. Bei all diesen Verfahren entstehen relativ hohe Herstellungskosten. In all these processes, relatively high production costs. Darüber hinaus weisen die metalli schen Kühlkörper im Vergleich zu den für die Ausbildung der Bauelemente genutzten Halbleitern, wie Silizium und A 3 B 5 - Halbleitern, und als Schaltungsträger bzw. Substrat genutzten Keramiken einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Moreover, the metalli rule cooling body as compared to the used for the formation of semiconductor devices, such as silicon and A 3 B 5 - semiconductors, and used as a circuit carrier substrate, or ceramics to a relatively high thermal expansion coefficient. Dieses führt bei der während des Betriebs der Bauele mente auftretenden Erwärmung zu Materialspannungen. This leads to the elements during the operation of Bauele occurring warming material stresses.

Eine Verbesserung gegenüber den metallischen Kühlkörpern stellen Kühlkörper aus Kunststoffmaterialien, wie Thermo plaste oder Thermosets dar. Durch den Einsatz derartiger Ma terialien kann der Herstellungsprozeß von Kühlkörpern einfa cher und kostengünstiger gestaltet werden. An improvement over the metallic heat sinks provide cooling body of plastic materials such as thermoplastics or thermosets are. Can terialien The use of such Ma, the manufacturing process of heat sinks are designed simp and more cost-effective. Dieses gilt auch für Kühlkörper, die hinsichtlich des Aufbaus mechanisch kom pliziert gestaltet sind. This also applies to the cooling bodies, which are designed mechanically com plicated in structure. Kühlkörper aus Kunststoff weisen im Vergleich zu metallischen Kühlkörpern weiterhin den Vorteil eines geringeren Gewichts auf. Cooling body made of plastic, in comparison to metallic heat sinks further the advantage of a lower weight.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls der eingangs beschriebe nen Art zu schaffen, die individuell für Anwendungen in Ver bindung mit Modulen, bei denen sich die Module hinsichtlich der Anzahl und der Anordnungen der in die Module integrierten elektrischen/elektronischen Bauelemente unterscheiden, anpassbar ist. The object of the present invention is to provide an apparatus for cooling an electrical module of the above-described NEN kind for applications, in conjunction individually with modules in which the modules with respect to the number and arrangements of the integrated in the modules electrical / electronic components differ, is adaptable.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist. This object is achieved in a device according to the preamble of claim 1 according to the invention in that in the plastic, a filler is incorporated.

Der Erfindung liegt als wesentlicher Gedanke die Erkenntnis zugrunde, daß mit Hilfe des Einlagerns eines Füllstoffs die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers aus Kunststoff derart beeinflußt werden können, daß der Kühlkörper für die jeweilige Anwendung, dh für das jeweilige elekrische Modul mit seinen Bauelementen individuell angepaßt werden kann. The invention has for its essential idea based on the recognition that the physical properties of the heat sink made of plastic can be influenced in such a way by means of incorporating a filler in that the cooling body for the particular application, that can be individually adapted for the respective electrical property module and its components , Mit Hilfe des Einbringens eines Füllstoffs in den Kühlkörper kön nen die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers so ver bessert werden, daß eine optimale Wärmeabfuhr von den elekt rischen/elektronischen Bauelementen des Moduls erreicht wird. Kgs by means of introducing a filler into the heat sink NEN the physical properties of the heatsink are improved so ver that an optimum heat dissipation from the elekt step / electronic components of the module is achieved.

Eine hinsichtlich einer hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern umfaßt. A high thermal conductivity with respect to a preferred embodiment of the invention provides that the filler comprises carbon fibers. Kohlenstoffasern besitzen Wärmeleit fähigkeiten, die größer als 1000 W/mK sein können. Carbon fibers have thermal conductivity skills that can be greater than 1000 W / mK. Im Ver gleich dazu besitzen die Metalle, aus denen metallische Kühl körper gebildet werden, wesentlich geringere Wärmeleitfähig keiten. In comparison to the same have the metals from which metal cooling body are formed speeds much lower Thermal conductivity. Die Wärmeleitfähigkeit für Aluminium beträgt bei spielsweise ca. 200 W/mk. The thermal conductivity of aluminum is in play, approximately 200 W / mk. Für Kupfer und CuW 85 / 15 beträgt die Wärmeleitfähigkeit 380 W/mK bzw. 230 W/mK. For copper and CuW 85/15, the thermal conductivity is 380 W / mK and 230 W / mK.

Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers vorteil haft anzupassen, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Füllstoff ein Metallgranulat umfaßt. In order to adjust the thermal expansion coefficient of the cooling body advantageously may be provided in a further development of the invention that the filler comprises a metal granulate.

Zweckmäßig stehen eine Menge der Kohlenstoffasern und eine Menge des Metallgranulats in dem Kühlkörper in einem vorgege benen Verhältnis zueinander, beispielsweise hinsichtlich der Masse. Expedient to each other a lot of the carbon fibers and an amount of metal granules in the cooling body in a PRE-surrounded ratio, for example in terms of mass. Hierdurch können die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wär meausdehnungskoeffizienten optimiert werden. This allows meausdehnungskoeffizienten the physical properties of the heat sink with respect to the thermal conductivity and the Wär be optimized.

Hinsichtlich einer optimalen Wärmeabfuhr ist bei einer vor teilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Kühlkörper Kühlrippen aufweist. With regard to an optimum heat removal at a front part embodiment of the invention it is provided that comprises the heat sink fins.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das mindestens eine elektrische oder das mindestens eine elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist, wodurch die Vorteile von Kühlkörpern aus Kunststoff mit einem Füllstoff auch für optoelektronische Module nutzbar ist. An expedient development of the invention provides that the electronic component is an optoelectronic component at least one electric or at least, whereby the advantages of heat sinks made of plastic can also be used for optoelectronic modules with a filler.

Hinsichtlich einer optimierten Gewichtseinsparung ist bei einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, daß nach dem Anordnen des Kühlkörpers auf dem elektrischen Modul zwischen mehreren elektrischen und/oder mehreren elektronischen Bau elementen des Moduls und dem Kühlkörper ein Kontakt ausgebil det ist, so daß der Kühlkörper zum Kühlen der mehreren elektrischen und/oder der mehreren elektronischen Bauelemente genutzt wird. With regard to an optimized weight savings of the invention, in one embodiment it is preferred that a contact is ausgebil det after placing of the heat sink to the electrical module between a plurality of electrical and / or more electronic construction elements of the module and the heat sink so that the heat sink of the cooling a plurality of electrical and / or of the plurality of electronic components is used. Hierdurch leitet der Kühlkörper die erzeugte Wärme von den mehreren Bauelementen ab. In this way, the heat sink conducts the heat generated from the plurality of devices. Für die einzelnen Bauelemente des Moduls sind keine getrennten Kühlkörper not wendig. no separate heat sinks are not maneuverable for the individual components of the module.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. The invention is explained below on the basis of an exemplary embodiment in greater detail and with reference to a drawing.

Fig. 1 zeigt einen Kühlkörper 1 , der aus einem Kunststoffma terial gebildet ist. Fig. 1 shows a heat sink 1 which is formed of a Kunststoffma TERIAL. Der Kühlkörper 1 weist in Eckbereichen Einschraubhülsen 2 auf. The heat sink 1 has screw-in corner regions. 2 In die Einschraubhülsen 2 bei der Montage des Kühlkörpers 1 auf einem elektrischen bzw. elektronischen Modul (nicht dargestellt) Schrauben einge schraubt, um den Kühlkörper 1 auf dem Modul zu befestigen. In the screw-2 during assembly of the heat sink 1 on an electrical or electronic module (not shown) screwed screws to attach the heat sink 1 on the module. Bei der Montage des Kühlkörpers 1 auf dem Modul wird ein Kon takt zwischen einer unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 und Bauelementen (nicht dargestellt) ausgebildet, die auf dem Modul angeordnet sind. During assembly of the heat sink 1 to the module Kon is formed cyclically between a lower surface 3 of the heat sink 1 and devices (not shown) which are arranged on the module. Mit Hilfe der Kontaktausbildung zwi schen der unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 und den Bau elementen auf dem Modul kann die in den Bauelementen erzeugte Wärme abgeführt werden. Zvi with the aid of the contact forming the lower surface of rule 3 of the heat sink 1 and the construction elements on the module, the heat generated in the devices can be dissipated.

Es kann auch vorgesehen sein, daß das elektrische bzw. elektronische Modul zur Kontaktherstellung mit dem Kühlkörper 1 an der unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 angeklebt ist (nicht dargestellt). It may also be provided that adhered for making contact with the heat sink 1 to the lower surface 3 of the heat sink 1, the electrical or electronic module (not shown). In diesem Fall können die Einschraubhül sen 2 gesetzt werden, um den Kühlkörper 1 , an den das elektrische bzw. elektronische Modul angeklebt ist, auf einer Basis zu befestigen. In this case, the Einschraubhül can be set to fix the heatsink 1 to which the electrical and electronic module is glued on a base sen. 2

Der Kühlkörper 1 weist zur Vergrößerung seiner äußeren Ge samtoberfläche Kühlrippen 4 auf, so daß die von den Bauele menten auf den Kühlkörper 1 übergegangene Wärme besser an die Umgebung des Kühlkörpers 1 abgegeben werden kann. The heat sink 1 has to increase its outer Ge on velvet surface cooling fins 4, so that the transferred from the Bauele elements on the cooling body 1, heat can be dissipated better to the surroundings of the heat sink. 1 Die Her stellung des Kühlkörpers 1 aus Kunststoffmaterialien, wie Thermoplaste oder Thermosets ermöglicht es, ein relativ hohes Aspektverhältnis eines Rippenabstands 5 zu einer Rippenhöhe 6 auszubilden. The forth position of the cooling body 1 made of plastic materials, such as thermoplastics or thermosets makes it possible to form a relatively high aspect ratio of the fin pitch 5 to a fin height. 6

Die Herstellung des Kühlkörpers 1 aus Kunststoff ermöglicht es weiterhin, daß der Kühlkörper 1 neben den Kühlrippen 4 , Absätze 7 , Bohrungen 8 und krummlinig begrenzte Konturen 9 aufweist. The manufacture of the cooling body 1 made of plastic also makes it possible, that the cooling body 1 adjacent to the cooling fins 4, paragraphs 7, 8 and holes 9 having curvilinear contours. Da die Herstellung des Kühlkörpers 1 aus Kunst stoffmaterial die Möglichkeit schafft, solche mechanischen Strukturen an dem Kühlkörper 1 auszubilden, kann der Kühlkör per 1 auch als Träger für die elektrischen/elektronischen Bauelemente dienen (nicht dargestellt), wobei die elektri schen/elektronischen Bauelemente hierbei beispielsweise in Ausnehmungen im Bereich der unteren Oberfläche 3 des Kühlkör pers 1 angeordnet sind. Since the manufacture of the cooling body 1 of plastics material creates the possibility of forming such mechanical structures to the heat sink 1, the Kühlkör can per 1 also serve as a carrier for the electrical / electronic components (not shown), the electrical rule / electronic components in this case pers 1 are arranged, for example in recesses in the region of the lower surface 3 of the Kühlkör. Bei den elektrischen/elektronischen Bauelementen kann es sich um optoelektronische Bauteile, ins besondere Sende- und Empfangsbauteile handeln. In the electrical / electronic components, it may be optoelectronic components, in particular the transmitting and receiving devices.

In den Kühlkörper 1 sind zur Optimierung der physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers 1 , insbesondere hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und/oder des Wärmeausdehnungskoeffi zienten, Kohlenstoffasern und/oder ein Metallgranulat eingelagert. In the heat sink 1 are to optimize the physical properties of the heat sink 1, particularly with regard to thermal conductivity and / or the coefficients of thermal expansion, carbon fibers and / or incorporated a metal granulate. Mit Hilfe der Abstimmung des Verhältnisses, beispielsweise hinsichtlich Gesamtmasse der eingelagerten Kohlenstofffasern und der Metallgranulate zueinander können die physikalischen Eigenschaften an den Kühlbedarf des jeweiligen Moduls angepaßt werden, für welches der Kühlkörper 1 genutzt wird. By means of the adjustment of the ratio, for example in terms of overall mass of the incorporated carbon fibers and the metal granules to one another, the physical properties can be adapted to the cooling requirements of the particular module for which the heat sink is utilized. 1 Als Material für das Metallgranulat ist beispielsweise Kupfer geeignet. As the material for the metal granules copper is suitable.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein elektronisches Bauelement umfaßt, mit einem aus Kunststoff gebildeten Kühlkörper ( 1 ), dadurch gekenn zeichnet , daß in den Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist. 1. An apparatus for cooling an electrical module which at least one electrical and / or comprises at least one electronic component, with a formed plastic heat sink (1), characterized in that a filler is incorporated into the plastic.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern um faßt. 2. Device according to claim 1, characterized in that the filler to carbon handled.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Füllstoff ein Metallgra nulat umfaßt. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the filler comprises a Metallgra granulate.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Menge der Kohlenstoffa sern und eine Menge des Metallgranulats in dem Kühlkörper ( 1 ) in einem vorgegebenen Verhältnis, beispielsweise hin sichtlich der Masse, zueinander stehen. 4. Apparatus according to claim 2 and 3, characterized in that an amount of Kohlenstoffa fibers and an amount of metal granules in the cooling body (1) in a predetermined ratio, for example, stand out clearly the ground, to each other.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper ( 1 ) Kühlrippen ( 4 ) aufweist. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized by that, that the cooling body (1) has cooling ribs (4).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß das mindestens eine elektrische oder das mindestens eine elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized by that that the at least one electrical or electronic component is at least one optoelectronic component.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß nach dem Anordnen des Kühlkörpers ( 1 ) auf dem elektrischen Modul zwischen mehreren elektrischen und/oder mehreren elektronischen Bauelementen des Moduls und dem Kühlkörper ( 1 ) ein Kontakt ausgebildet ist, so daß der Kühlkörper ( 1 ) zum Kühlen der mehreren elektrischen und/oder der mehreren elektronischen Bauelemente genutzt wird. 7. Device according to one of claims 1 to 6, since by in that after placing of the heat sink (1) is formed on the electrical module between a plurality of electrical and / or more electronic components of the module and the heat sink (1) a contact, so that the heat sink (1) for cooling the plurality of electrical and / or of the plurality of electronic components is used.
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