DE102007019885B4 - Kühlkörper mit matrixförmig strukturierter Oberfläche - Google Patents

Kühlkörper mit matrixförmig strukturierter Oberfläche Download PDF

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Abstract

Kühlkörper (1) für Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente mit einer ebenen metallischen Wärmeableitplatte (11), wobei die Wärmeableitplatte (11) auf der nach einer Montage dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine matrixförmig strukturierte Oberfläche (12) mit hervortretenden Erhebungen (13) aufweist, und wobei die Wärmeableitplatte (11) und die matrixförmig strukturierte Oberfläche (12) aus einem Stück gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass im mittleren Bereich der Erhebungen (13) sich die Struktur verschlankt, wodurch dort elastisch verformbare Bereiche ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Transistoren und Mikroprozessoren erzeugen im Betrieb ein beträchtliches Maß an Abwärme. Um eine Überhitzung zu verhindern, die zu Fehlfunktionen oder zur Zerstörung der Bauelemente führen kann, reicht die natürliche Wärmeabstrahlung bei modernen Prozessoren für Personal Computer, IGBTs, MOSFETs u. a. ohne weitere Hilfsmittel nicht aus: Um eine optimale Kühlung sowie wenig Verlustleistung zu gewährleisten, muss die Abwärme möglichst schnell vom Bauteil abgeführt und die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert werden. Zur Kühlung wird oft an der Wärmeableitplatte zusätzlich noch mittels Wärmeleitpaste ein Kühlkörper angeordnet. Die Kühlung kann mit Luft oder Flüssigkeit unterstützt erfolgen. Im ersten Fall ist der Kühlkörper ein berippter Metallblock, oft aus Aluminium oder Kupfer, oft mit zusätzlich auf dem Kühlkörper angebrachten Lüftern. Im zweiten Fall besteht der Kühlkörper aus einem mit Fluid durchströmten Wärmeübertrager.
  • Leistungselektronikmodule wie beispielsweise IGBTs, DCB-Elemente, MOSFETs u. a. werden heute mehrteilig aufgebaut. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung und im späteren Betrieb ist der große Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramikträger und von Cu-Wärmeableitplatten, welche als mechanischer Stabilisator und zur Wärmeableitung dienen. Beim Löt/Bondprozess (DCB) wird beispielsweise Lot aus einer SnAgCu-Legierung über den Schmelzpunkt bei 221°C hinaus bis zu einer Löttemperatur von 250–260°C und die Wärmeableitplatte auf bis zu 260°C erhitzt. Beim anschließenden Abkühlen verformt sich das komplette Bauteil, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik mit 4–6 × 10–6 1/K sich sehr stark von dem Wert der Cu-Wärmeableitplatte mit 17 × 10–6 1/K unterscheiden. Unter ungünstigen Bedingungen können die auftretenden Spannungen so groß werden, dass die Keramik reißt. Abhilfe könnte eine Wärmeableitplatte aus einem Werkstoff mit niedrigerem Ausdehnungskoeffizienten und ausreichend guter thermischer Leitfähigkeit schaffen. Diese Werkstoffe sind durch ihre Zusammensetzung und ihre Herstellungsprozesse jedoch sehr teuer.
  • Mit der Einführung der SMD-Technik entstand alternativ auch die Möglichkeit, Chip-Carrier mit ihren Anschlüssen durch Anschlussdrähte direkt auf herkömmliche Epoxid-Glas-Laminate zu bestücken. Bei Leadless Ceramic Chip-Carrier (LCCC) kommt es jedoch durch den linearen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 6–8 × 10-6 1/K gegenüber dem höheren Wert von ca. 12–15 × 10–6 1/K des verwendeten Werkstoffes der Leiterplatte ebenfalls zu starken Scherspannungen zwischen Chip-Carrier und Lötstelle. Diese Spannungen können zu Abrissen der Chip-Carrier von der Lötstelle bzw. sogar zu Rissen im Chip-Carrier führen.
  • Abhilfe kann durch den Einbau von Kernsubstraten in Multilager-Schaltungen geschaffen werden, wobei dann hauptsächlich Cu-Invar-Cu eingesetzt wird. Die Cu-Invar-Cu-Lagen sind symmetrisch im Multilager angeordnet und können als Masse- und Versorgungsebene verwendet werden. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass nahe der Oberfläche der Schaltung ein thermischer Ausdehnungskoeffizient im Bereich 1,7–2 × 10–6 1/K vorliegt, der dem Wert der keramischen Chip-Carrier angepasst ist. Je größer das SMD-Bauteil, desto mehr besteht die Notwendigkeit, den Ausdehnungskoeffizienten der Multilager-Oberfläche dem von Keramik anzupassen.
  • In alternativen Lösungen kann im Multilager Cu-Invar-Cu das Invar auch als dicker Metallkern von 0,5 mm bis 1,5 mm in die Mitte des Multilagers angeordnet werden. Der Vorteil liegt neben der Begrenzung des Ausdehnungskoeffizienten an der Schaltungsoberfläche, vor allem in der zusätzlichen guten Wärmeableitung. Hierdurch ist auch eine beidseitige Bestückung mit SMD-Bauteilen möglich. Die Cu-Invar-Cu-Leiterplatten können neben der Ausdehnungskontrolle der Oberfläche auch noch die Funktion einer Wärmesenke einnehmen.
  • Als weitere spezielle Lösung ist aus der Druckschrift WO 2006/109 660 A1 ein Kühlkörper für Leistungshalbleiterbauelemente bekannt. An der gemeinsamen Berührungsfläche ist zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement eine Zwischenschicht zum Abbau von thermischen Spannungen angeordnet. Diese Zwischenschicht besteht aus einer Aluminiumplatte, die eine Vielzahl von Löchern zum Spannungsabbau aufweist. Die Zwischenschicht ist bauteilseitig mit einer auf einem Isolatorsubstrat vollflächig aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht und dem Kühlkörper verlötet.
  • Des Weiteren ist aus der Druckschrift DE 101 34 187 B4 eine Kühleinrichtung für Leistungshalbleitermodule, bestehend aus einem Gehäuse, Anschlusselementen, einem keramischen Substrat und Halbleiterbauelementen bekannt. Die Wärmeableitung von einem Leistungshalbleitermodul erfolgt über einzelne Kühlelemente, die ihrerseits aus einem ebenen Grundkörper und einer fingerartigen Fortsetzung bestehen. Diese einzelnen Kühlelemente sind matrixartig in Reihen und Spalten an der zu kühlenden Oberfläche angeordnet. Die nicht dem zu kühlenden Bauelement oder Modul zugewandten Oberflächen der einzelnen Kühlelemente können glatte oder zur besseren Wärmeableitung beliebig strukturierte Oberflächen aufweisen.
  • Aus der Druckschrift EP 1 450 402 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit verbesserter Wärmeableitung bekannt. Hierzu ist ein Halbleiterchip flächig über ein gut wärmeleitendes Verbindungselement mit einem Wärmeableitelement, beispielsweise bestehend aus Aluminium oder Kupfer, verbunden. Das Verbindungselement umfasst eine Vielzahl von säulenartigen Erhebungen, die aus der Oberfläche des Wärmeableitelements herausragen. Das Verbindungselement wird auf dem Wärmeableitelement mittels lithographischer Strukturierungs verfahren in Verbindung mit Elektroplattieren hergestellt. Der Zwischenraum der Säulen ist mit Kunstharzmaterial ausgefüllt.
  • Auch in der Druckschrift US 6,942,025 B2 ist eine Wärmesenke mit einer flächig ausgebildeten Basisplatte beschrieben. Aus der Oberfläche der Basisplatte ragen Pyramidenstümpfe, die zur Verbesserung der Wärmeableitung auf der dem Halbleiterbauteil abgewandten Rückseite dienen. In einer Ausgestaltung verlaufen in den Pyramidenstümpfen Kühlkanälen, welche die freiliegende Oberfläche vergrößern und bei einer Luftkühlung ihre Wirkung durch eine verbesserte Konvektion der auf der Rückseite zeigen. Die dem Elektronikbauteil zugewandte gemeinsame Kontaktfläche der Wärmesenke ist eben ausgebildet und weist keine weiteren Strukturierungsmerkmale auf.
  • Aus der Druckschrift WO 2007/045 520 A2 ist eine gattungsgemäße Kühlanordnung für IC-Bauelemente bekannt, welche beispielsweise die Form von Kühlrippen, Kühldorne oder Kühlnoppen aufweist. An der Position des IC-Bausteins wird die Leiterplatte innerhalb der IC-Beinchen-Anschlüsse rund oder rechteckig ausgespart. Durch diese Öffnung wird das IC-Gehäuse direkt mit dem Elektronikgehäuse mittels Wärmeleitpaste verbunden und die Wärme an die Umgebung abgeführt. Die Kühlanordnung weist so eine ebene metallische Wärmeableitplatte auf, welche auf der nach einer Montage dem IC zugewandten Seite eine matrixförmig strukturierte Oberfläche mit hervortretenden Erhebungen besitzt. Die Wärmeableitplatte und die matrixförmig strukturierte Oberfläche sind dabei aus einem Stück gefertigt. Das IC-Bauelement ist hierdurch direkt an den Kühlkörper im Elektronikgehäuse angeordnet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper für Leistungselektronikmodule weiterzuentwickeln, deren Verbund den thermisch bedingten Spannungen standhält.
  • Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiter bildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung schließt einen Kühlkörper für Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente mit einer ebenen metallischen Wärmeableitplatte ein, bei dem die Wärmeableitplatte auf der nach einer Montage dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine matrixförmig strukturierte Oberfläche mit hervortretenden Erhebungen aufweist, wobei die Wärmeableitplatte und matrixförmig strukturierte Oberfläche aus einem Stück gefertigt sind. Im mittleren Bereich der Erhebungen verschlankt sich die Struktur, wodurch sich dort elastisch verformbare Bereiche ausbilden, die sich besonders vorteilhaft zum Abbau von Spannungen im Material eignen.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die matrixförmig strukturierte Oberfläche des Kühlkörpers geeignet ist, die auftretenden thermisch bedingten Spannungen durch elastische Verformung aufzunehmen. Die metallische Wärmeableitplatte mit der strukturierten Oberfläche kann aus hochleitfähigem Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise E-Cu, SE-Cu, ETP-Cu, OFE-Cu, CuFe0,1, CuSn0,15 in weichem Zustand. Dabei kann die strukturierte Oberfläche mit Hilfe eines ein- oder mehrstufigen Walz- oder Prägeprozesses aus einem Bandmaterial einstückig hergestellt werden. Durch den Umformprozess findet üblicherweise eine Verfestigung des Werkstoffs in den strukturierten Konturen statt. Insbesondere im Bereich der zwischen den einzelnen Erhebungen gebildeten Stege findet eine Materialverfestigung statt. Die erzielte Struktur kann anschließend zudem mit Hilfe eines Lasers oder durch Wärmebehandlung im Ofen erweicht werden, um die Stege der Kontur in einen möglichst weichen Zustand zu bringen, welche die Längenänderungen durch thermische Ausdehnung abfedern können. Als alternative Verfahren zur Strukturierung können auch Fräsen, Fließpressen oder Ätzen geeignet sein.
  • Der Kühlkörper wird mit seiner strukturierten Oberfläche beispielsweise unter das Keramiksubstrat gelötet. So können die Stege bzw. Konturen die auftretenden Spannungen aufnehmen, ohne dass es zu Verformungen eines Moduls kommt.
  • Der besondere Vorteil besteht darin, dass der durch den Kühlkörper und dem Leistungselektronikmodul oder dem Halbleiterbauelement geschaffene Verbund den thermisch bedingten Spannungen im Rahmen elastischer Verformungen der einzelnen Materialien standhält. Dabei können auch Materialien verwendet werden, die ganz unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, ohne dass die thermisch bedingten Spannungen zum Abriss des Materialverbundes führen. Auch den aus höheren Löttemperaturen resultierenden Spannungszuständen kann der Materialverbund standhalten.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die strukturierte Oberfläche pilzförmige Erhebungen aufweisen. Die Wärmeableitplatte wird dabei in x- und y-Richtung strukturiert, so dass T-förmige Pilzstrukturen oder auch pyramidenförmige Strukturen mit Stegen als Verbindung zur metallischen Wärmeableitplatte hin die Ausdehnung entsprechend abfedern. Die Konturoberflächen werden hierzu abschließend durch Walzen oder Prägen angestaucht.
  • Insbesondere im mittleren Bereich der Erhebungen verschlankt sich die Struktur, wodurch sich dort das sich verformbare Bereiche ausbilden, die sich besonders vortelihaft zum Abbau von Spannungen im Material eignen.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Strukturgröße der strukturierten Oberfläche prinzipiell unter einem Millimeter liegen, bevorzugt jedoch zwischen 0,5 bis 20 mm. Die Breite B, Länge L bzw. der Durchmesser D und Höhe H derartiger Mikrostrukturen können Abmessungen von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern aufweisen. Die Höhe H der Struktur kann variabel sein. Vorteilhafterweise kann das Verhältnis der Höhe H einer Erhebung zur lateralen Ausdehnung B, L, D einer Erhebung zumindest 1:1 betragen. Mit geometrischen Verhältnissen unter diesem Quotienten besteht die Gefahr, dass Spannungen im Material nicht mehr elastisch ausgeglichen werden können und dadurch der Verbund reißen kann.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Zwischenraum zwischen den Erhebungen mit einer ausdehnungsniedrigen Eisen-Nickel-Legierung der Zusammensetzung auf der Basis von Fe: 64% und Ni: 36% ausgefüllt sein. Die metallische Wärmeableitplatte kann dabei aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Die Kombination aus Kupfer und der Eisen-Nickel-Legierung bietet den Vorteil, dass zwei Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung an der mikrostrukturierten Oberfläche vorhanden sind. Die Eisen-Nickel-Legierung hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von 1,7 bis 2,0 × 10–6 1/K, der ungefähr dem Wert der keramischen Chip-Carrier-Materialien entspricht. Durch das Ausfüllen des durch die Erhebungen gebildeten Zwischenraums kann eine einfache flächige Lötverbindung von Kühlkörper und beispielsweise einem Leistungselektronikmodul geschaffen werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Wärmeableitplatte auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite matrixartig zusätzlich eine Vielzahl von strukturierten Erhebungen, beispielsweise in Form von Rippen oder Zapfen in der Größenordnung von 0,5 bis 20 mm, zur Wärmeableitung aufweisen. Hierzu kann die Wärmeableitplatte beidseitig strukturiert sein, so dass zusätzlich der sonst notwendige berippte Kühlkörper und die Wärmeleitpaste für Luftkühlung entfallen können, wodurch der durch bisherige Lösungen mit Wärmeleitpaste verursachte thermische Widerstand eliminiert wird. Die strukturierten Erhebungen und die Wärmeableitplatte können demnach einstückig ausgebildet sein. Als Herstellungsverfahren kommen dieselben Prozesstechnologien wie Walzen, Fräsen, Fließpressen, Prägen oder weitere andere Verfahren zum Einsatz. Einteilige Strukturen bieten darüber hinaus einen Kostenvorteil gegenüber mehrteiligen Lösungen.
  • Da diese Struktur vorzugsweise der Entwärmung mit Luft dient, ist es wichtig, dass eine hohe Flächenvergrößerung damit erfolgt. Übliche Geometrien sind Lamellen oder so genannte Pins, die eine Höhe von mehreren Zentimetern und einem Abstand größer als ein Millimeter haben können. Diese Lamellen oder Pins können auch mechanisch an der Wärmeableitplatte befestigt sein.
  • Alternativ kann auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite der Wärmeableitplatte eine Kühleinheit mit geschlossenem Fluidkreislauf angeordnet sein. Dabei kann die Strukturierung der Wärmeableitplatte beidseitig sein, so dass die strukturierte Rückseite direkt als offene Strömungskanäle/-strukturen für den Flüssigkeitskühlkörper fungiert. Ein zusätzlicher Deckel aus Metall oder Kunststoff schließt dann den Wärmeüberträger ab.
  • Da diese Struktur vorzugsweise der Entwärmung mit Hilfe eines separaten Kühlmediums dient, meistens einem Glycol-Wasser Gemisch oder einem anderen in der Elektronikindustrie gebräuchlichen Kältemittel, sollten als Strukturen Kanäle, Kanalabschnitte oder auch Pins ausgebildet sein. Die Kühlung kann durch einen einphasigen Prozess, beispielsweise Flüssigkeitskühlung, oder einen zweiphasigen Prozess, beispielsweise Verdampfung, gewährleistet werden. Übliche Strukturhöhen liegen bei 0,5 mm bis 10 mm, wobei die geformten Kanälen Breiten von 20 μm bis 3 mm aufweisen können.
  • Beispiele und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
  • Darin zeigen:
  • 1 eine Ansicht der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit ebener Unterseite,
  • 2 eine weitere Ansicht einer Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit ebener Unterseite,
  • 3 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit ebener Unterseite,
  • 4 eine Ansicht der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit auf der Unterseite angeordneten Kühlelementen, und
  • 5 eine Ansicht der strukturierten Oberfläche eines Kühlkörpers mit auf der Unterseite angeordneten Kühleinheit mit geschlossenem Fluidkreislauf.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 für in der Figur nicht dargestellte Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente.
  • Der Kühlkörper 1 besteht in seiner Grundform aus einer ebenen metallischen Wärmeableitplatte 11, deren Oberseite, also die einem Leistungselektronikmodul oder einem Halbleiterbauelement zugewandte Seite, eine matrixförmig strukturierte Oberfläche 12 in Form von hervortretenden Erhebungen 13 aufweist. Die Wärmeableitplatte 11 und die Erhebungen 13 der matrixförmig strukturierten Oberfläche 12 sind dabei aus einem Stück gefertigt. Die Unterseite der Wärmeableitplatte 11, also die einem Leistungselektronikmodul oder einem Halbleiterbauelement abgewandten Seite, ist in diesem Fall eben. Die Erhebungen 13 sind als Pyramidenstümpfe ausgebildet. Der Zwischenraum 14 zwischen den Erhebungen 13 ist nicht ausgefüllt.
  • Die Breite B, Länge L und Höhe H derartiger Strukturen können Abmessungen von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern aufweisen. Das Verhältnis der Höhe H einer Erhebung 13 zur lateralen Ausdehnung B bzw. L einer Erhebung 13 ist in diesem Falle ungefähr 3:1. Tendenziell ist die Höhe H einer Erhebung 13 in der Regel größer als deren laterale Ausdehnung B bzw. L.
  • 2 zeigt eine weitere Ansicht einer Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit ebener Unterseite. Die matrixförmig strukturierte Oberfläche 12 ist in Form von hervortretenden pyramidenstumpfartigen Erhebungen 13 ausgebildet. Die Wärmeableitplatte 11 und die Erhebungen 13 der matrixförmig strukturierten Oberfläche 12 sind dabei wiederum aus einem Stück gefertigt.
  • Die Erhebungen 13 sind als Pyramidenstümpfe ausgebildet, deren Fuß sich im Übergangsbereich zur Wärmeableitplatte 11 hin durch Stege 15 verdickt. Diese Fußform dient zur weiteren Verbesserung der Kontaktfläche zwischen Substrat und Wärmeableitplatte 11. Wiederum ist der Zwischenraum 14 zwischen den Erhebungen 13 nicht mit Material ausgefüllt.
  • 3 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit ebener Unterseite. Die Wärmeableitplatte 11 ist dabei in x- und y-Richtung so strukturiert, dass die Erhebungen 13 in Form von T-förmigen Pilzstrukturen in Verbindung mit pyramidenförmigen Strukturen mit Stegen 15 als Verbindung zur metallischen Wärmeableitplatte 11 hin der unterschiedlichen Ausdehnung entsprechend abpuffert. Insbesondere im Halsbereich, also im mittleren Bereich der Erhebungen verschlankt sich die Struktur, wodurch sich dort elastisch verformbare Bereiche ausbilden, die sich besonders vorteilhaft zur Aufnahme von Spannungen durch Temperaturbeanspruchung des Leistungselektronikmoduls eignen.
  • 4 zeigt eine Ansicht der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit auf der Unterseite angeordneten Kühlelementen 16. Dabei ist an der Unterseite der Wärmeableitplatte 11 eine Vielzahl von zusätzlichen rippenartigen Kühlelementen 16 zur Wärmeableitung angeordnet. Die Kühlelemente 16 sind an die Wärmeableitplatte 11 beispielsweise angelötet, mechanisch oder mit Wärmeleitpaste angebunden und daher in diesem Falle zweistückig.
  • Die Kühlelemente 16 und die Wärmeableitplatte 11 können jedoch auch einstückig ausgebildet sein. Hierzu ist dann die Wärmeableitplatte beidseitig strukturiert, so dass eine zusätzliche, mit Wärmeleitpaste befestigte Kühleinheit für Luftkühlung entfallen kann, wodurch der durch bisherige Lösungen mit Wärmeleitpaste verursachte thermische Widerstand eliminiert wird. Als Herstellungsverfahren kommen Prozesstechnologien wie Walzen, Fräsen, Fließpressen, Prägen oder weitere andere Verfahren zum Einsatz.
  • 5 zeigt eine Ansicht der strukturierten Oberfläche 12 eines Kühlkörpers 1 mit einer auf der Unterseite angeordneten Kühleinheit 17 mit geschlossenem Fluidkreislauf. Da diese Struktur vorzugsweise der Entwärmung mit Hilfe eines separaten Kühlmediums dient, sind als Strukturen Kanäle ausgebildet, mit Strukturhöhen bei 0,5 mm bis 10 mm, wobei die geformten Kanälen Breiten von 20 μm bis 3 mm aufweisen.
  • Hierzu ist an der Unterseite der Wärmeableitplatte 11 matrixartig eine Vielzahl von zusätzlichen Kühlrippen 18 zur Wärmeableitung angeordnet, die in einem Stück mit Wärmeableitplatte 11 in Verbindung stehen. Ein zusätzlicher Deckel 18 aus Metall oder Kunststoff schließt dann den Wärmeübertrager ab.
  • In diesem Falle ist die Strukturierung der Wärmeableitplatte 11 beidseitig und die gesamte Struktur, bis auf den Deckel 19 der Kühleinheit 17 einstückig, so dass die strukturierte Rückseite direkt als offene Strömungskanäle/-strukturen für den Flüssigkeitskühlkörper fungiert. So ist der durch den Kühlkörper 1 und dem Leistungselektronikmodul oder dem Halbleiterbauelement gebildete Verbund so geschaffen, dass er den thermisch bedingten Spannungen im Rahmen elastischer Verformungen der einzelnen Materialien standhält.
    • 1
    Kühlkörper
    11
    Wärmeableitplatte
    12
    strukturierte Oberfläche
    13
    Erhebungen
    14
    Zwischenraum
    15
    Stege
    16
    strukturierte Erhebungen, Kühlelemente
    17
    Kühleinheit
    18
    Kühlrippen
    19
    Deckel
    H
    Höhe einer Erhebung
    B
    Breite einer rechteckigen Erhebung
    L
    Länge einer rechteckigen Erhebung
    D
    Durchmesser einer runden Erhebung

Claims (9)

  1. Kühlkörper (1) für Leistungselektronikmodule oder für Halbleiterbauelemente mit einer ebenen metallischen Wärmeableitplatte (11), wobei die Wärmeableitplatte (11) auf der nach einer Montage dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine matrixförmig strukturierte Oberfläche (12) mit hervortretenden Erhebungen (13) aufweist, und wobei die Wärmeableitplatte (11) und die matrixförmig strukturierte Oberfläche (12) aus einem Stück gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass im mittleren Bereich der Erhebungen (13) sich die Struktur verschlankt, wodurch dort elastisch verformbare Bereiche ausgebildet sind.
  2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche (12) pilzförmige Erhebungen (13) aufweist.
  3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturgröße der strukturierten Oberfläche (12) zwischen 0,5 bis 20 mm liegt.
  4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe (H) einer Erhebung (13) zur lateralen Ausdehnung (B, L, D) einer Erhebung (13) zumindest 1:1 beträgt.
  5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (14) zwischen den Erhebungen (13) mit einer gegenüber der Wärmeableitplatte (11) ausdehnungsniedrigeren Eisen-Nickel-Legierung ausgefüllt ist.
  6. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Wärmeableitplatte (11) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
  7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitplatte (11) auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement nach einer Montage abgewandten Seite matrixartig zusätzlich eine Vielzahl von strukturierten Erhebungen (16) zur Wärmeableitung aufweist.
  8. Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Erhebungen (16) und die Wärmeableitplatte (11) mit der matrixförmig strukturierten Oberfläche (12) einstückig ausgebildet sind.
  9. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Leistungselektronikmodul oder der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite der Wärmeableitplatte (11) eine Kühleinheit (17) für einen geschlossenen Fluidkreislauf angeordnet ist.
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Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8860210B2 (en) * 2009-06-10 2014-10-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Semiconductor device
US20110079376A1 (en) * 2009-10-03 2011-04-07 Wolverine Tube, Inc. Cold plate with pins
US8587116B2 (en) 2010-09-30 2013-11-19 Infineon Technologies Ag Semiconductor module comprising an insert
US20120211214A1 (en) * 2010-12-09 2012-08-23 Panasonic Avionics Corporation Heatsink Device and Method
JP5698542B2 (ja) * 2011-01-14 2015-04-08 アロン化成株式会社 放熱構造体及びその製造方法
US20120186798A1 (en) * 2011-01-26 2012-07-26 Celsia Technologies Taiwan, I Cooling module for led lamp
DE102011078460A1 (de) 2011-06-30 2013-01-03 Robert Bosch Gmbh Elektronische Schaltungsanordnung zur Entwärmung von Verlustwärme abgebenden Komponenten
US9459056B2 (en) * 2011-09-02 2016-10-04 Gabe Cherian SPRDR—heat spreader—tailorable, flexible, passive
US9417017B2 (en) 2012-03-20 2016-08-16 Thermal Corp. Heat transfer apparatus and method
US9470720B2 (en) 2013-03-08 2016-10-18 Sandisk Technologies Llc Test system with localized heating and method of manufacture thereof
US9230878B2 (en) 2013-04-12 2016-01-05 Lenovo Enterprise Solutions (Singapore) Pte. Ltd. Integrated circuit package for heat dissipation
EP2989659B1 (de) * 2013-04-23 2019-06-12 Alexiou & Tryde Holding ApS Kühlkörper mit kühlstruktur mit abnehmender strukturdichte
US9898056B2 (en) 2013-06-19 2018-02-20 Sandisk Technologies Llc Electronic assembly with thermal channel and method of manufacture thereof
US10013033B2 (en) 2013-06-19 2018-07-03 Sandisk Technologies Llc Electronic assembly with thermal channel and method of manufacture thereof
US9313874B2 (en) * 2013-06-19 2016-04-12 SMART Storage Systems, Inc. Electronic system with heat extraction and method of manufacture thereof
US9158349B2 (en) 2013-10-04 2015-10-13 Sandisk Enterprise Ip Llc System and method for heat dissipation
DE102013223461A1 (de) 2013-11-18 2015-05-21 Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg Kühlkörper zum Abtransport von Wärme
KR102199212B1 (ko) * 2013-12-02 2021-01-07 삼성디스플레이 주식회사 표시장치용 백플레인, 및 이를 포함하는 표시장치
JP6308780B2 (ja) * 2013-12-27 2018-04-11 三菱電機株式会社 パワーモジュール
US9549457B2 (en) 2014-02-12 2017-01-17 Sandisk Technologies Llc System and method for redirecting airflow across an electronic assembly
DE102014101898B3 (de) * 2014-02-14 2015-06-25 Fujitsu Technology Solutions Intellectual Property Gmbh Kühlanordnung für ein Computersystem
US9497889B2 (en) 2014-02-27 2016-11-15 Sandisk Technologies Llc Heat dissipation for substrate assemblies
US9485851B2 (en) 2014-03-14 2016-11-01 Sandisk Technologies Llc Thermal tube assembly structures
US9519319B2 (en) 2014-03-14 2016-12-13 Sandisk Technologies Llc Self-supporting thermal tube structure for electronic assemblies
US9348377B2 (en) 2014-03-14 2016-05-24 Sandisk Enterprise Ip Llc Thermal isolation techniques
JP6423604B2 (ja) * 2014-03-28 2018-11-14 昭和電工株式会社 ヒートシンク及び電子部品
JP2015214738A (ja) * 2014-05-13 2015-12-03 株式会社東芝 耐食性金属部材、パワーデバイス用ヒートシンク、発電機用回転翼及び耐食性金属部材の製造方法
DE102015204915B4 (de) * 2015-03-18 2017-11-16 Continental Automotive Gmbh Wärmeleitkörper mit einer Koppeloberfläche mit Vertiefung und Wärmetransfervorrichtung
CN106558561A (zh) * 2015-09-29 2017-04-05 比亚迪股份有限公司 功率模块和具有其的车辆
DE102017110354A1 (de) * 2017-05-12 2018-11-15 Connaught Electronics Ltd. Gehäuse für eine Steuereinheit für eine Kamera eines Kraftfahrzeugs und mit einem Wärmeabfuhrelement, Kamera, Kraftfahrzeug sowie Verfahren
TW202024553A (zh) * 2018-12-27 2020-07-01 圓剛科技股份有限公司 散熱裝置
TWI758095B (zh) * 2021-02-09 2022-03-11 潘宇翔 適用於一電子元件的散熱結構及散熱模組
DE102022123868A1 (de) * 2022-08-22 2024-02-22 Elringklinger Ag Entwärmungsvorrichtung

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4899210A (en) * 1988-01-20 1990-02-06 Wakefield Engineering, Inc. Heat sink
EP0370769A2 (de) * 1988-11-22 1990-05-30 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Materials mit Mehrfachkern
US4996115A (en) * 1988-12-23 1991-02-26 Inco Limited Composite structure
EP1450402A1 (de) * 2003-02-21 2004-08-25 Fujitsu Limited Halbleiterbauelement mit verbesserter Wärmeableitung und Verfahren zu seiner Herstellung
US6896045B2 (en) * 2001-10-24 2005-05-24 Cool Shield, Inc. Structure and method of attaching a heat transfer part having a compressible interface
US6942025B2 (en) * 2000-09-20 2005-09-13 Degree Controls, Inc. Uniform heat dissipating and cooling heat sink
WO2007045520A2 (de) * 2005-10-18 2007-04-26 Vdo Automotive Ag Ic-bauelement mit kühlanordnung

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1213484A (fr) * 1958-08-04 1960-04-01 Thomson Houston Comp Francaise Milieu conducteur non isotrope pour flux thermique intense
DE2107549A1 (de) * 1970-02-19 1971-09-02 Texas Instruments Inc Trager einer elektronischen Schaltung mit einem Sammelsystem mit Warmeleitungs eigenschaften fur alle Richtungen
DE2802439A1 (de) 1977-01-28 1978-08-03 Motorola Inc Halbleiter-sockel
GB8527372D0 (en) * 1985-11-06 1985-12-11 M O Valve Co Ltd Heat sinks for hybrid microcircuits
JP2655426B2 (ja) * 1988-10-11 1997-09-17 日本電気株式会社 半導体装置
US5213868A (en) * 1991-08-13 1993-05-25 Chomerics, Inc. Thermally conductive interface materials and methods of using the same
JPH0555417A (ja) * 1991-08-22 1993-03-05 Nec Corp ヒートシンク付半導体装置
JPH09275170A (ja) * 1996-04-03 1997-10-21 Fuji Electric Co Ltd 半導体装置
US5808874A (en) * 1996-05-02 1998-09-15 Tessera, Inc. Microelectronic connections with liquid conductive elements
US6075288A (en) * 1998-06-08 2000-06-13 Micron Technology, Inc. Semiconductor package having interlocking heat sinks and method of fabrication
CN1242474C (zh) * 2001-07-09 2006-02-15 大金工业株式会社 电源模块及空调机
US6836409B1 (en) * 2001-07-10 2004-12-28 Nortel Networks Limited Component cooling in electronic devices
DE10134187B4 (de) 2001-07-13 2006-09-14 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Kühleinrichtung für Halbleitermodule
CN1508866A (zh) * 2002-12-13 2004-06-30 庄福良 一种散热器
US6774482B2 (en) 2002-12-27 2004-08-10 International Business Machines Corporation Chip cooling
US20040227230A1 (en) * 2003-05-13 2004-11-18 Ming-Ching Chou Heat spreaders
US6992382B2 (en) * 2003-12-29 2006-01-31 Intel Corporation Integrated micro channels and manifold/plenum using separate silicon or low-cost polycrystalline silicon
US7085135B2 (en) 2004-06-21 2006-08-01 International Business Machines Corporation Thermal dissipation structure and method employing segmented heat sink surface coupling to an electronic component
US7182124B2 (en) * 2004-08-31 2007-02-27 Egbon Electronics Ltd. Heat sink structure
JP4621531B2 (ja) * 2005-04-06 2011-01-26 株式会社豊田自動織機 放熱装置
US7593230B2 (en) * 2005-05-05 2009-09-22 Sensys Medical, Inc. Apparatus for absorbing and dissipating excess heat generated by a system
CN2833889Y (zh) * 2005-05-16 2006-11-01 杨开艳 一种高效能cpu散热器
EP1734577A1 (de) * 2005-06-16 2006-12-20 ABB Research Ltd Kühlvorrichtung sowie Halbleitermodul mit einer solchen Kühlvorrichtung
US7646608B2 (en) * 2005-09-01 2010-01-12 Gm Global Technology Operations, Inc. Heat transfer plate

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4899210A (en) * 1988-01-20 1990-02-06 Wakefield Engineering, Inc. Heat sink
EP0370769A2 (de) * 1988-11-22 1990-05-30 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Materials mit Mehrfachkern
US4996115A (en) * 1988-12-23 1991-02-26 Inco Limited Composite structure
US6942025B2 (en) * 2000-09-20 2005-09-13 Degree Controls, Inc. Uniform heat dissipating and cooling heat sink
US6896045B2 (en) * 2001-10-24 2005-05-24 Cool Shield, Inc. Structure and method of attaching a heat transfer part having a compressible interface
EP1450402A1 (de) * 2003-02-21 2004-08-25 Fujitsu Limited Halbleiterbauelement mit verbesserter Wärmeableitung und Verfahren zu seiner Herstellung
WO2007045520A2 (de) * 2005-10-18 2007-04-26 Vdo Automotive Ag Ic-bauelement mit kühlanordnung

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