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 a device for cooling a Mo. duls, which has at least one electrical and / or at least comprises an electronic component, with one made of art fabric-formed 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.Heat dissipation for cooling electronic or electri components and entire assemblies because of the constant dig increasing integration density within the integrated Circuits and the assemblies as well as the rapidly increasing Clock frequencies or the increasing data rates at the same time term for smaller component or assembly dimensions solutions are becoming an ever greater challenge for designers and users. With the increase in the power density per Area units are more efficient methods of heat dissipation necessary.

Es sind Kühlkörper bekannt, die aus Aluminium, Kupfer oder Kupfer-Wolfram bestehen. 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. Weiterhin kann ein metallischer Kühlkörper mit Hilfe des pulvermetal­ lurgischen Spritzgießens (Spritzguß-Sinterverfahren) herge­ stellt werden. Bei all diesen Verfahren entstehen relativ hohe Herstellungskosten. Darüber hinaus weisen die metalli­ schen Kühlkörper im Vergleich zu den für die Ausbildung der Bauelemente genutzten Halbleitern, wie Silizium und A3B5- Halbleitern, und als Schaltungsträger bzw. Substrat genutzten Keramiken einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dieses führt bei der während des Betriebs der Bauele­ mente auftretenden Erwärmung zu Materialspannungen.Heat sinks are known which consist of aluminum, copper or copper-tungsten. The methods usually used in the manufacture of such metallic heat sinks include milling, sawing cooling fins and subsequent finishing by milling, rod pressing of aluminum or die-casting aluminum. Furthermore, a metallic heat sink can be manufactured with the help of powder metallurgy injection molding (injection molding sintering process). All of these processes involve relatively high manufacturing costs. In addition, the metallic heat sinks have a relatively high coefficient of thermal expansion compared to the semiconductors used for the formation of the components, such as silicon and A 3 B 5 semiconductors, and ceramics used as circuit carriers or substrates. This leads to material stresses during heating of the components.

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. Dieses gilt auch für Kühlkörper, die hinsichtlich des Aufbaus mechanisch kom­ pliziert gestaltet sind. Kühlkörper aus Kunststoff weisen im Vergleich zu metallischen Kühlkörpern weiterhin den Vorteil eines geringeren Gewichts auf.An improvement over the metallic heat sinks make heat sinks from plastic materials, such as thermo plastic or thermosets. By using such Ma The manufacturing process of heat sinks can be simple be made safer and cheaper. This also applies for heat sinks that are mechanically com are designed complicated. Plastic heat sinks feature in Compared to metallic heat sinks, it still has 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 a device for cooling an electrical module described above to create a type that is customized for applications in Ver binding with modules in which the modules are in terms of the number and arrangements of the modules integrated distinguish between electrical and electronic components, is customizable.

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 with a device according to the preamble of claim 1 according to the invention solved in that in the Plastic is a filler stored.

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, d. h. für das jeweilige elekrische Modul mit seinen Bauelementen individuell angepaßt werden kann. 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. The key to the invention is knowledge based on the fact that the storage of a filler physical properties of the plastic heat sink can be influenced so that the heat sink for the respective application, d. H. for the respective electrical module can be customized with its components. With With the help of a filler in the heat sink the physical properties of the heat sink be improved that optimal heat dissipation from the elect Rischen / electronic components of the module is achieved.  

Eine hinsichtlich einer hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern umfaßt. Kohlenstoffasern besitzen Wärmeleit­ fähigkeiten, die größer als 1000 W/mK sein können. Im Ver­ gleich dazu besitzen die Metalle, aus denen metallische Kühl­ körper gebildet werden, wesentlich geringere Wärmeleitfähig­ keiten. Die Wärmeleitfähigkeit für Aluminium beträgt bei­ spielsweise ca. 200 W/mk. Für Kupfer und CuW 85/15 beträgt die Wärmeleitfähigkeit 380 W/mK bzw. 230 W/mK.A preferred embodiment of the invention in terms of high thermal conductivity provides that the filler comprises carbon fibers. Carbon fibers have thermal conductivity that can be greater than 1000 W / mK. In comparison, the metals from which metallic heat sinks are formed have significantly lower thermal conductivity. The thermal conductivity for aluminum is, for example, approx. 200 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.To the coefficient of thermal expansion of the heat sink advantageous adapts in a further development of the invention be provided 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. Hierdurch können die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wär­ meausdehnungskoeffizienten optimiert werden.Expediently there are a lot of carbon fibers and one Amount of the metal granules in the heat sink in a given ben relationship to each other, for example in terms of Dimensions. This allows the physical properties of the Heatsink in terms of thermal conductivity and heat expansion coefficients can be optimized.

Hinsichtlich einer optimalen Wärmeabfuhr ist bei einer vor­ teilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Kühlkörper Kühlrippen aufweist.With regard to an optimal heat dissipation, a partial embodiment of the invention provided that the Has heat sink cooling 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 at least one electrical or the at least one electronic component is an optoelectronic component is what the benefits of plastic heatsinks with a filler can also be used for optoelectronic modules is.

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. Hierdurch leitet der Kühlkörper die erzeugte Wärme von den mehreren Bauelementen ab. Für die einzelnen Bauelemente des Moduls sind keine getrennten Kühlkörper not­ wendig.With regard to an optimized weight saving is at an embodiment of the invention preferred that after Arranging the heat sink on the electrical module between  several electrical and / or several electronic construction elements of the module and the heat sink a contact det is, so that the heat sink for cooling the multiple electrical and / or the plurality of electronic components is being used. As a result, the heat sink conducts the generated one Heat from the multiple components. For the individual Components of the module are not separate heat sinks agile.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained with reference to a drawing.

Fig. 1 zeigt einen Kühlkörper 1, der aus einem Kunststoffma­ terial gebildet ist. Der Kühlkörper 1 weist in Eckbereichen Einschraubhülsen 2 auf. 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. 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. 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. Fig. 1 shows a heat sink 1 , which is formed from a plastic material. The heat sink 1 has screw-in sleeves 2 in corner areas. Screwed into the screw-in sleeves 2 when mounting the heat sink 1 on an electrical or electronic module (not shown) in order to fasten the heat sink 1 on the module. When mounting the heat sink 1 on the module, a contact is formed between a lower surface 3 of the heat sink 1 and components (not shown) which are arranged on the module. With the help of the contact formation between the lower surface 3's of the heat sink 1 and the construction elements on the module, the heat generated in the components 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). 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. It may also be provided that the electric or electronic module is glued for making contact with the heat sink 1 to the lower surface 3 of the cooling body 1 (not shown). In this case, the screw-in sleeves 2 can be placed in order to fix the heat sink 1 , to which the electrical or electronic module is glued, on a base.

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. 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 heat sink 1 has to increase its outer surface Ge Ge cooling surface 4 , so that the elements transferred from the components to the heat sink 1 heat can be better released to the surroundings of the heat sink 1 . The position of the heat sink 1 made of plastic materials, such as thermoplastics or thermosets, makes it possible to form a relatively high aspect ratio of a fin spacing 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. 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. Bei den elektrischen/elektronischen Bauelementen kann es sich um optoelektronische Bauteile, ins­ besondere Sende- und Empfangsbauteile handeln.The production of the heat sink 1 from plastic further enables the heat sink 1 to have, in addition to the cooling fins 4 , shoulders 7 , bores 8 and curvilinearly limited contours 9 . Since the production of the heat sink 1 from plastic material creates the possibility of forming such mechanical structures on the heat sink 1 , the heat sink can also be used by 1 as a carrier for the electrical / electronic components (not shown), the electrical / electronic components here for example, are arranged in recesses in the region of the lower surface 3 of the cooling body 1 . The electrical / electronic components can be optoelectronic components, in particular transmitting and receiving components.

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. 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. Als Material für das Metallgranulat ist beispielsweise Kupfer geeignet.Carbon fibers and / or metal granules are embedded in the heat sink 1 in order to optimize the physical properties of the heat sink 1 , in particular with regard to the thermal conductivity and / or the coefficient of thermal expansion. With the help of the coordination of the ratio, for example with respect to the total mass of the embedded carbon fibers and the metal granules, the physical properties can be adapted to the cooling requirements of the respective module for which the heat sink 1 is used. Copper, for example, is suitable as the material for the metal granules.

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. Device for cooling an electrical module, which comprises at least one electrical and / or at least one electronic component, with a plastic heat sink ( 1 ), characterized in that a filler is embedded in the plastic. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern um­ faßt.2. Device according to claim 1, characterized indicates that the filler is carbon fibers sums up. 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 ge indicates that the filler is a Metallgra nulate includes. 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 the carbon sern and an amount of the metal granules in the heat sink ( 1 ) in a predetermined ratio, for example visually towards the mass, are 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 in that the heat sink ( 1 ) has cooling fins ( 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, there characterized in that the at least an electrical or the at least one electronic Component is an 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, characterized in that after arranging the heat sink ( 1 ) on the electrical module between a plurality of electrical and / or more electronic components of the module and the heat sink ( 1 ) is formed a contact, so that the heat sink ( 1 ) is used to cool the plurality of electrical and / or the plurality of electronic components.
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