DE10065470B4 - Method for producing a cooling element for electrical, in particular electronic, components - Google Patents

Method for producing a cooling element for electrical, in particular electronic, components Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements für elektrische Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, mit einem Basisteil (3) und mit von diesem abstehenden parallel zueinander angeordneten Kühlrippen (4), deren dem Basisteil (3) zugewandten Abschnitte (4a), jeweils Wärme leitend mit dem Basisteil (3) verbunden sind, und deren dem Basisteil (3) abgewandten Abschnitte (4b) jeweils freiliegen, bei dem das Basisteil (3) einstückig mit den Kühlrippen (4) im Gieß- oder Strangpressverfahren hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Halbzeug mit einem Hohlprofil (2), bestehend aus den Kühlrippen (4) und dem Basisteil (3) eines Paares von Kühlelementen (1) derart gegossen oder stranggepresst wird, dass die Kühlrippen (4) beider Kühlelemente (1) ineinander übergehen und in einem weiteren Verfahrensschritt das Halbzeug mit dem Hohlprofil (2) längs der Kühlrippen (4) in zwei getrennte Kühlelemente (1) mit einem bearbeiteten Rand (7) aufgetrennt wird.Method for producing a cooling element for electrical components, in particular electronic components, comprising a base part (3) and with cooling ribs (4) arranged parallel to one another, their portions (4a) facing the base part (3), each heat-conducting with the base part (3) are connected, and the base part (3) facing away from portions (4 b) are exposed, in which the base part (3) integral with the cooling ribs (4) by casting or extrusion process is produced, characterized in that in a first Step a semifinished product with a hollow profile (2) consisting of the cooling fins (4) and the base part (3) of a pair of cooling elements (1) is poured or extruded in such a way that the cooling fins (4) of both cooling elements (1) merge into one another and in a further method step, the semifinished product with the hollow profile (2) along the cooling fins (4) into two separate cooling elements (1) with a machined Ran d (7) is separated.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements für elektrische Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente.The The invention relates to a method for producing a cooling element for electrical Components, in particular electronic components.

Derartige Kühlelemente sind bereits bekannt ( EP 0 696 160 A2 ) und werden dadurch hergestellt, daß zuerst der insbesondere zur Bestückung mit den elektrischen oder elektronischen Bauelementen dienende Basisteil stranggepresst und mit Längsnuten versehen wird, worauf im Querschnitt U-förmige oder mäanderförmige Kühlrippen in die Längsnuten eingelötet oder eingepresst werden, um hierdurch einen guten wärmeleitfähigen Übergang zwischen Basisteil und Kühlrippen zu bilden und im Basisteil entstandene Wärme schnell über die freiliegenden Oberflächen der Kühlrippen abführen zu können.Such cooling elements are already known ( EP 0 696 160 A2 ) and are prepared by first extruding the particular used for mounting with the electrical or electronic components base member and provided with longitudinal grooves, where soldered or pressed in cross-section U-shaped or meandering cooling fins in the longitudinal grooves, thereby providing a good heat conductive transition To form between the base part and cooling fins and dissipate heat generated in the base part quickly on the exposed surfaces of the cooling fins can.

Dabei ist es auch bekannt ( US-PS 5 038 858 und 5 771 966 ), plattenförmige Kühlrippen in Längsnuten von plattenförmigen Basisteilen einzupressen. Um die Kontaktierung an den Fußenden der plattenförmigen Kühlrippen zu erleichtern, sind die Längsnuten im Basisteil im Querschnitt schwalbenschwanzförmig oder hakenförmig ausgebildet.It is also known ( U.S. Patent No. 5,038,858 and 5,771,966 ) to press plate-shaped cooling fins in longitudinal grooves of plate-shaped base parts. In order to facilitate the contact with the foot ends of the plate-shaped cooling fins, the longitudinal grooves in the base part in cross-section dovetail-shaped or hook-shaped.

Darüber hinaus ist es bekannt ( WO 87/02443 ), plattenförmige oder im Querschnitt U-förmige Kühlrippen am Fußende an die Oberfläche eines als Basisteil dienenden Plattenkörpers anzuschweißen.In addition, it is known ( WO 87/02443 ), plate-shaped or cross-sectionally U-shaped cooling ribs at the foot to the surface of a serving as a base plate body.

Schließlich ist es auch bekannt ( US-PS 5 014 776 ), zwei Sätze von Kühlrippen so an deren Fußenden durch eine als Basisteil dienende Verbindungsplatte zu verbinden, daß die Kühlrippenpaare jeweils in entgegengesetzten Richtungen vom Basisteil abstehen. Die Basisteile weisen auch hier Längsnuten mit einem nach innen sich erweiternden Querschnitt. Dabei werden die Fußenden der Kühlrippen nach dem Einsetzen in die Längsnuten durch bleibende Verformung der Außenränder der Längsnuten am Basisteil festgeklemmt.Finally, it is also known ( U.S. Patent No. 5,014,776 ) To connect two sets of cooling fins so at their foot ends by serving as a base part connecting plate, that the cooling rib pairs each protrude in opposite directions from the base part. The base parts also have longitudinal grooves here with an inwardly widening cross-section. The foot ends of the cooling fins are clamped after insertion into the longitudinal grooves by permanent deformation of the outer edges of the longitudinal grooves on the base part.

Es hat sich gezeigt, daß alle diese bekannten Maßnahmen die Herstellung sehr erschweren und daher auch verhältnismäßig hohe Kosten verursachen.It has shown that all these known measures the production very difficult and therefore also relatively high Cause costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Kühlelements der eingangs genannten Gattung zu vereinfachen, ohne daß die Stabilität der Kühlrippen und die Wärmeableiteigenschaften des Kühlelements zu wünschen übrig läßt.Of the Invention is based on the object, the production of a cooling element to simplify the type mentioned, without the stability of the cooling fins and the heat dissipation properties of the cooling element leaves something to be desired.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. In Unteransprüchen sind besonders bevorzugte Ausbildungen der Erfindung beansprucht.The Invention is characterized in claim 1. In subclaims are claimed particularly preferred embodiments of the invention.

Gemäß der Erfindung sind Basisteil und Kühlrippen des Kühlelements einstückig aus ein und demselben Material hergestellt.According to the invention are base part and cooling fins of the cooling element one piece made of one and the same material.

Die Kopfteile der Kühlelemente weisen einen bearbeiteten Rand auf, wodurch die beim Gießen, Strangpressen oder dergleichen Formgeben aus dem flüssigen Material sich beim Abkühlen entstehende „Gußhaut”, d. h. äußere Oberflächenschicht abgetragen wird.The Headboards of the cooling elements have a machined edge, which when casting, extruding or the like, forming from the liquid material "cast skin" resulting upon cooling, d. H. outer surface layer removed becomes.

Dieser bearbeitete Rand resultiert insbesondere aus einem mechanischen Auftrennverfahren eines gegossenen oder stranggepressten Halbzeugs, das jeweils ein Paar Kühlelemente ergibt, von dem die Kopfteile der Kühlrippen beim Halbzeug noch miteinander verbunden sind bzw. als einstückiges Guß- oder Strangpressteil ineinander übergehen. Erst durch Auftrennen wird das Halbzeug in zwei einzelne Kühlelemente aufgetrennt. Aus den beim Halbzeug vorhandenen Hohlräumen werden beim Auftrennen jeweils die Zwischenräume zwischen den Kühlrippen jedes Kühlelements.This machined edge results in particular from a mechanical Separation method of a cast or extruded semi-finished, the each a pair of cooling elements results, of which the head parts of the cooling fins in the semi-finished still interconnected or merge into each other as a one-piece casting or extrusion. Only by separating the semi-finished product into two individual cooling elements separated. From the present at the semi-finished cavities are when separating each of the spaces between the cooling fins of each Cooling element.

Es empfiehlt sich, Aluminium für das Kühlelement zu verwenden, da dieses hervorragende thermisch leitfähige Eigenschaften aufweist und auch die Guß- und Strangpresstechnik einfach zu handhaben ist.It is recommended to use aluminum for the cooling element to use because of this excellent thermally conductive properties and also the castings and extrusion technology is easy to handle.

Das oben genannte paarweise Gießen oder Strangpressen bietet gegenüber dem Gießen oder Strangpressen jeweils eines separaten Kühlelements den wesentlichen Vorteil, daß die Verzugsgefahr beim Abkühlen des Guß- oder Strangpresskörpers wesentlich vermindert wird, da die im Vergleich zum Basisteil wesentlich dünnwandigeren Kühlrippen nicht Randteile des Halbzeugs bilden, sondern in dessen Zentrum angeordnet sind, so daß jeweils die Basisteile die längsverlaufenden Randteile des Halbzeuges bilden. Diese „Kühlkörper-Spiegelungstechnik” ermöglicht auch günstigere Werkzeugkonstruktionen mit einem gleichmäßigeren Materialfluß des Gieß- oder Stangpressmaterials der Kühlelemente und ein großes Verhältnis zwischen dem Abstand A zwischen benachbarten Kühlrippen und der Länge L der Kühlrippen. Es hat sich gezeigt, daß die für angemessene Kühlwirkungen erforderlichen Verhältnisse A:L mit herkömmlichen Strangpresswerkzeugen nicht passabel herstellbar sind. Wird das Verhältnis A:L zu groß, kommt es zum seitlichen Wegdrücken von Werkzeugstegen und sogar häufig zum Werkzeugbruch, ist dagegen das Verhältnis der Kühlrippendicke D zum Querschnitt Q des Bauteils im Bereich der Fußenden der Kühlrippen zu groß, kommt es zu sehr unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten des noch flüssigen Materials, so daß der Materialfluß gelegentlich abreißt und teilweise zu kurze oder gar keine Kühlrippen zustande kommen. Die Erfindung führt zu einer überraschend einfachen Überwindung dieser Nachteile.The above-mentioned pairwise casting or extrusion offers compared to casting or extrusion of a separate cooling element the significant advantage that the risk of distortion during cooling of the cast or extruded body is substantially reduced, since the compared to the base substantially thin-walled cooling fins do not form edge portions of the semifinished product, but are arranged in the center, so that in each case the base parts form the longitudinal edge portions of the semifinished product. This "heat sink mirroring technique" also allows more favorable tool designs with a more even material flow of the casting or Stangpressmaterials the cooling elements and a large ratio between the distance A between adjacent fins and the length L of the cooling fins. It has been found that the ratios A: L required for adequate cooling effects can not be produced passably with conventional extrusion dies. If the ratio A: L becomes too large, lateral pushing away of tool webs and even tool breakage occurs frequently. If, on the other hand, the ratio of the cooling rib thickness D to the cross section Q of the component in the area of the foot ends of the cooling ribs is too great, very different flow velocities occur still liquid material, so that the flow of material occasionally breaks off and partially too short or no cooling fins come about. The invention leads to a surprisingly simple overcoming these disadvantages.

Das Auftrennen des Hohlprofils erfolgt durch Sägen, Trennschleifen oder Anwendung eines hochenergetischen Strahl aus Druckgas, Druckflüssigkeit oder Laserenergie.The Separation of the hollow profile is done by sawing, cutting or application a high energy jet of compressed gas, hydraulic fluid or Laser energy.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:One preferred embodiment The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. there demonstrate:

1 ein fertiges Kühlelement teilweise im Querschnitt, bei dem die beiden oberen bzw. äußeren Kühlrippen teilweise abgebrochen sind; 1 a finished cooling element partially in cross section, in which the two upper and outer cooling fins are partially broken off;

2 ein stranggepreßtes Halbzeug in einem Teilschnitt; 2 an extruded semi-finished product in a partial section;

3 einen Querschnitt eines Halbzeugs 2 in einer Abwandlung des Beispiels von 2 und 3 a cross section of a semi-finished product 2 in a modification of the example of 2 and

4 zwei Kühlelemente, die durch Auftrennen des Halbzeugs von 3 längs der Trennlinie TL aufgetrennt sind. 4 two cooling elements by separating the semifinished product of 3 are separated along the dividing line TL.

In 1 ist im Teilschnitt ein Kühlelement 1 dargestellt, dessen Einzelteile aus einem einzigen Stück aus Aluminium im Strangpressverfahren hergestellt sind. Dabei wird der Basisteil 3 aus einem Stegteil 3a und einem Längsflansch 3b gebildet. Am Längsflansch 3b können die zu kühlenden elektronischen Bauelemente angeordnet sein, was hier nicht dargestellt ist. Vom Stegteil 3a stehen im rechten Winkel Kühlrippen 4 ab, von denen die beiden oberen teilweise abgebrochen sind. Zwischen den im Vergleich zum Stegteil 3a und Längsflansch 3b verhältnismäßig dünnwandigen Kühlrippen 4 befinden sich Zwischenräume 5. Die plättchenförmigen Kühlrippen 4 gehen an ihren dem Basisteil zugewandten Abschnitten 4a bogenförmig in den Stegteil 3a über. An ihren in 1 rechts dargestellten dem Basisteil abgewandten Abschnitte 4b befindet sich ein bearbeiteter Rand 7, an dem die beim Strangpressen gebildete Außenschicht – oftmals „Gusshaut” bzw. „Presshaut” genannt – insbesondere maschinell entfernt worden ist.In 1 is a cooling element in partial section 1 shown, the items are made of a single piece of aluminum in the extrusion process. This is the base part 3 from a web part 3a and a longitudinal flange 3b educated. At the longitudinal flange 3b can be arranged to be cooled electronic components, which is not shown here. From the bridge part 3a are at right angles cooling fins 4 from which the two upper ones are partially broken off. Between the compared to the web part 3a and longitudinal flange 3b relatively thin-walled cooling fins 4 there are gaps 5 , The platelet-shaped cooling fins 4 go to their sections facing the base part 4a arcuate in the web part 3a above. At her in 1 right side facing away from the base part sections 4b there is a processed border 7 in which the outer layer formed during extrusion - often called "cast skin" or "press skin" - has been removed, in particular by machine.

Die Herstellung des in 1 gezeigten Kühlelements 1 erfolgt insbesondere dadurch, daß zuerst gemäß 2 ein einteiliges sich in Längsrichtung LR hinziehenden Strangpressprofil 2 hergestellt wird, bei dem an jedem Längsrand die Basisteile 3 eines Paares von Kühlelementen 1 angeordnet sind, während sich im Zentralbereich des Strangpressprofils 2 in Längsrichtung LR, d. h. in Strangpressrichtung, die im Abstand voneinander angeordneten dünnwandigen und parallelen Kühlrippen 4 verlaufen. Die Abstände 5 zwischen den Kühlrippen 4 bilden bei diesem Strangpressprofil 2 Hohlräume solange, bis das Strangpressprofil 2 durch Auftrennen längs der Trennlinie TL in zwei gleiche Teile, nämlich die Kühlelemente 1 aufgeteilt sind, wodurch sich die Hohlräume zwischen den Kühlrippen 4 öffnen, wie dies in 1 gezeigt ist. An der Trennlinie TL befinden sich dann die Ränder 7 der Kühlrippen 4, wodurch dort die Guss- bzw. Presshaut, die sich beim Strangpressen gebildet hatte, nicht mehr vorhanden ist. Eine zusätzliche Bearbeitung der beiden Ränder 7 erübrigt sich dadurch.The production of in 1 shown cooling element 1 takes place in particular in that first according to 2 a one-piece extending in the longitudinal direction LR extruded profile 2 is produced, in which at each longitudinal edge of the base parts 3 a pair of cooling elements 1 are arranged while in the central area of the extruded profile 2 in the longitudinal direction LR, ie in the extrusion direction, the spaced apart thin-walled and parallel cooling fins 4 run. The distances 5 between the cooling fins 4 form at this extruded profile 2 Cavities until the extruded profile 2 by separating along the dividing line TL into two equal parts, namely the cooling elements 1 are split, thereby reducing the voids between the cooling fins 4 open like this in 1 is shown. At the dividing line TL are then the edges 7 the cooling fins 4 , whereby there the casting or press skin, which had formed during extrusion, no longer exists. An additional processing of the two edges 7 is unnecessary.

Das Herstellungsverfahren und dessen Endergebnis werden auch anhand der 3 und 4 näher erläutert. Dabei stellt 3 einen Schnitt durch das Strangpressprofil 2 und 4 die beiden durch Auftrennen des Strangpressprofils 2 längs der Trennlinie TL und durch Voneinanderwegbewegen beider Strangpressprofilhälften gebildeten Kühlelemente 1 dar. Für dieses Ausführungsbeispiel wurden folgende Abmessungen gewählt:
Rippenabstand A = 4 mm
Fußteilradius R = 2 mm
Dicke D jeder plättchenförmigen Kühlrippe 4 = 1,2 mm
Dicke D1 des Stegteils 3a des Basisteils 3 = 13 mm
Länge L der jeweils äußeren Kühlrippe 7 = 46 mmThe manufacturing process and its end result are also based on the 3 and 4 explained in more detail. It puts 3 a section through the extruded profile 2 and 4 the two by separating the extruded profile 2 along the dividing line TL and by Voneinanderwegbewegen both extruded profile halves formed cooling elements 1 dar. For this embodiment, the following dimensions were selected:
Rib distance A = 4 mm
Foot part radius R = 2 mm
Thickness D of each plate-shaped cooling fin 4 = 1.2 mm
Thickness D1 of the web part 3a of the base part 3 = 13 mm
Length L of each outer fin 7 = 46 mm

Unter dem „Stegverhältnis” versteht man den „Rippenabstand” A im Verhältnis zur „Rippenhöhe” bzw. Länge L der Kühlrippen 4, nämlich

A:L The "web ratio" is understood to mean the "rib distance" A in relation to the "rib height" or length L of the cooling ribs 4 , namely

A: L

Gemäß der Erfindung und der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses Stegverhältnis verhältnismäßig groß gewählt werden. Es beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 1:11,5.According to the invention and the application of the method according to the invention, this ridge ratio can be chosen to be relatively large. It is in the illustrated embodiment 1: 11.5.

Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung auch ein verhältnismäßig großes Wanddickenverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen der Dicke D1 des Stegteils 3a und der Dicke D der Kühlrippen 4 gemäß der Formel

D1:DIn addition, the invention also allows a relatively large wall thickness ratio, ie the ratio between the thickness D1 of the web portion 3a and the thickness D of the cooling fins 4 according to the formula

D1: D

Dieses beträgt z. B. 1:10,8.This is z. B. 1: 10.8.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermeidet das Abreißen des Materialflusses beim Strangpressen auch dann, wenn das Wanddickenverhältnis verhältnismäßig groß, also die Kühlrippendicke D im Bezug zur Stegteildicke D1 verhältnismäßig klein ist.The Application of the method according to the invention avoids tearing off the material flow during extrusion, even if the wall thickness ratio is relatively large, ie the cooling rib thickness D is relatively small with respect to the web thickness D1.

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements für elektrische Bauelemente, insbesondere elektronische Bauelemente, mit einem Basisteil (3) und mit von diesem abstehenden parallel zueinander angeordneten Kühlrippen (4), deren dem Basisteil (3) zugewandten Abschnitte (4a), jeweils Wärme leitend mit dem Basisteil (3) verbunden sind, und deren dem Basisteil (3) abgewandten Abschnitte (4b) jeweils freiliegen, bei dem das Basisteil (3) einstückig mit den Kühlrippen (4) im Gieß- oder Strangpressverfahren hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Halbzeug mit einem Hohlprofil (2), bestehend aus den Kühlrippen (4) und dem Basisteil (3) eines Paares von Kühlelementen (1) derart gegossen oder stranggepresst wird, dass die Kühlrippen (4) beider Kühlelemente (1) ineinander übergehen und in einem weiteren Verfahrensschritt das Halbzeug mit dem Hohlprofil (2) längs der Kühlrippen (4) in zwei getrennte Kühlelemente (1) mit einem bearbeiteten Rand (7) aufgetrennt wird.Method for producing a cooling element for electrical components, in particular electronic components, having a base part ( 3 ) and with from this projecting parallel to each other arranged cooling fins ( 4 ), of which the base part ( 3 ) facing sections ( 4a ), each heat-conducting with the base part ( 3 ) and whose base part ( 3 ) facing away from ( 4b ), in which the base part ( 3 ) integral with the cooling fins ( 4 ) is produced in the casting or extrusion process, characterized in that in a first process step, a semi-finished product with a hollow profile ( 2 ), consisting of the cooling fins ( 4 ) and the base part ( 3 ) of a pair of cooling elements ( 1 ) is poured or extruded in such a way that the cooling fins ( 4 ) of both cooling elements ( 1 ) merge into each other and in a further process step, the semi-finished product with the hollow profile ( 2 ) along the cooling fins ( 4 ) into two separate cooling elements ( 1 ) with a machined edge ( 7 ) is separated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen durch Sägen vorgenommen wird.Method according to claim 1, characterized in that that separating by sawing is made. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen durch Trennschleifen vorgenommen wird.Method according to claim 1, characterized in that that the separation is carried out by means of cut-off grinding. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen durch Strahlen von Druckgas, Druckflüssigkeit und/oder Laserlicht vorgenommen wird.Method according to claim 1, characterized in that the separation by blasting of compressed gas, hydraulic fluid and / or laser light is made. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen längs einer geraden Trennlinie TR vorgenommen wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that the slicing along a straight dividing line TR is made. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Hohlräume (5) zwischen benachbarten Kühlrippen (4) Füllsand oder Füllpulver vor dem Auftrennen eingefüllt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the cavities ( 5 ) between adjacent cooling fins ( 4 ) Filling sand or filling powder is filled before the separation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen innerhalb eines Flüssigkeitsbades vorgenommen wird, in das das Halbzeug (2) eingelegt ist.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the separation is carried out within a liquid bath, in which the semifinished product ( 2 ) is inserted.
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