DE102008001228A1

DE102008001228A1 - Verfahren zum Herstellen eines Verbundes mit zumindest einem nicht plattenförmigen Bauteil

Info

Publication number: DE102008001228A1
Application number: DE102008001228A
Authority: DE
Inventors: Claus Peter Dr. Kluge
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2008-10-30
Also published as: US20100206536A1; WO2008128949A2; EP2142331A2; CN101687264B; JP2010524698A; KR20100017260A; CN101687264A; WO2008128949A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundes aus wenigstens zwei mit Durchbrüchen oder Öffnungen versehenen Bauteilen aus Metall, insbesondere zum Herstellen von aus mindestens einem Verbund bestehenden Kühlers oder Kühlerelementen oder Wärmesenken, wobei die Bauteile unter Verwendung eines Fügemittels auf von Oberflächenseiten dieser Bauteile gebildeten Fügeflächen durch Erhitzen auf eine Prozesstemperatur zu dem Verbund miteinander verbunden werden. Um auch Verbünde mit komplizierten geometrischen Formen einfach herstellen zu können, wodurch deren Kühlleistung verstärkt ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest ein erstes Bauteil nicht plattenförmig ausgebildet wird und dieses erste Bauteil mit mindestens einem weiteren plattenförmigen oder nicht plattenförmigen zweiten Bauteil zu einem Verbund miteinander verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Verbund, welcher nach diesem Verfahren hergestellt ist.
Speziell zum Kühlen von elektrischen Bauteilen oder Modulen, insbesondere auch solchen mit hoher Leistung, sind bereits Kühler, auch Mikrokühler bekannt, die aus miteinander zu einem Stapel verbundenen dünnen Platten aus Metall (Metallfolie) bestehen und von denen die im Stapel innen liegenden Platten derart strukturiert, d. h. mit Öffnungen oder Durchbrüchen versehen sind, dass sich im Inneren des Plattenstapels bzw. Kühlers Kühlkanäle oder Strömungswege für ein Kühlmedium bilden. Zum flächigen Verbinden der Platten sind diese an ihren Fügeflächen, d. h. an ihren Oberflächenseiten mit einem Fügemittel versehen. Für das Fügen bzw. Verbinden werden die Platten dann zu dem Plattenstapel übereinander gestapelt und anschließend auf eine entsprechende Prozesstemperatur erhitzt, bei der unter Verwendung des Fügemittels an den Fügeflächen ein schmelzflüssiger Metallbereich (Verbindungs- oder Schmelzschicht) erzeugt wird, so dass nach dem Abkühlen die Platten zu dem Plattenstapel miteinander verbunden sind.
Aus der DE 10 2004 002 841 B3 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen dieser Kühler bekannt, bei dem vor dem Fügen das Fügemittel auch auf Innenflächen der Durchbrüche oder Öffnungen aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass auch Verbünde mit komplizierten geometrischen Formen einfach hergestellt werden können, wodurch deren Kühlleistung verstärkt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest ein erstes Bauteil nicht plattenförmig ausgebildet wird und dieses erste Bauteil mit mindestens einem weiteren plattenförmigen oder nicht plattenförmigen zweiten Bauteil zu einem Verbund miteinander verbunden wird. Mit nicht plattenförmigen Bauteilen lassen sich Verbünde beliebiger Geometrie einfach herstellen, so dass deren Kühlleistung oder Kühlfläche im Vergleich zu ausschließlich plattenförmigen Bauteilen dementsprechend verstärkt ist.
Vorteilhaft werden mehrere gleiche oder unterschiedliche Fügemittel auf von Oberflächenseiten der Bauteile gebildeten Fügeflächen aufgetragen. Hierdurch lässt sich durch geeignete Auswahl von Fügemitteln die Art der Verbindung gezielt für den jeweiligen Anwendungszweck einstellen.
Bevorzugt werden mindestens zwei zu fügende Bauteile geometrisch und/oder stofflich gleich oder unterschiedlich aufgebaut. Die geometrisch und/oder stofflich gleiche Ausbildung hat den Vorteil, dass beispielsweise während rasch wechselnder Temperaturen, welche auf das Bauteil einwirken können, Verspannungen im Aufbau insofern vermieden werden, als die Ausdehnungskoeffizienten der beiden Bauteile identisch sind. Die geometrisch und/oder stofflich unterschiedliche Ausbildung hat den Vorteil, dass beispielsweise für bestimmte Applikationen, durch den Aufbau bedingt, Teilbereiche mit sehr hoher und Teilbereiche mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und/oder Festigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit notwendig sind.
Mit mindestens einer Fläche eines Bauteils wird bevorzugt mindestens ein weiteres Bauteil vollflächig oder teilflächig verbunden. Hierdurch lassen sich beliebige Verbünde bzw. Strukturen verwirklichen.
Vorteilhaft werden mindestens drei Bauteile zu einem Verbund verbunden.
In einer Ausführungsform werden vor dem Fügeprozess mindestens ein oder mehrere gleiche oder ungleiche Fügemittel auf die Innenflächen der Durchbrüche oder Öffnungen aufgebracht. Gleiche Fügemittel haben den Vorteil, dass der Fügeprozess einfach zu bewerkstelligen ist. Mit ungleichen Fügemitteln kann die Verbindungsqualität individuell eingestellt werden. Durch Anpassen des Fügemittels an die zu verbindenen Bauteile können Verbünde mit unterschiedlichen Materialien hergestellt werde.
Bevorzugt werden mindestens zwei Bauteile gleichzeitig in einem Verfahrensschritt oder in mehreren Verfahrensschritten miteinander verbunden. Das Verbinden in einem Verfahrensschritt hat den Vorteil, dass beispielsweise komplexe Aufbauten kostengünstig hergestellt werden können. Das Verbinden in mehreren Verfahrensschritten hat den Vorteil, dass auch unterschiedliche Fügemittel mit unterschiedlichsten Anwendungsbedingungen nacheinander verwendet werden können.
In bevorzugter Ausgestaltung werden die Bauteile bei gleichen oder unterschiedlichen Verfahrenstemperaturen miteinander verbunden. Die Verfahrenstemperaturen richten sich bevorzugt nach dem Material der Bauteile an den zu verbindenden Stellen.
Bei Bauteilen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung wird bevorzugt als Fügemittel CuO und/oder Cu₂O verwendet und das Fügen erfolgt bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 1.065°C und 1.082°C.
Vorteilhaft wird als Fügemittel eine Legierung aus Ni-P (Nickel und Phosphor), beispielsweise mit einem Phosphorgehalt im Bereich zwischen 1 bis 20 Gewichtsprozent verwendet und das Fügen erfolgt bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 850°C und 1.082°C.
In einer anderen Ausgestaltung wird als Fügemittel Silber oder eine Silberlegierung verwendet und das Fügen erfolgt bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 780°C und 1.080°C.
In einer anderen Ausgestaltung wird als Fügemittel Zinn oder eine Zinnlegierung verwendet und das Fügen erfolgt bei einer Prozesstemperatur zwischen 170°C und 280°C erfolgt.
In einer anderen Ausgestaltung wird als Fügemittel Glas oder eine Mischung aus Glas und Metallen verwendet und das Fügen erfolgt bei einer Prozesstemperatur zwischen 120°C und 1.100°C. Gläser haben die Funktion des Haftvermittlers zwischen dem Bauteil und der aufzubringenden Metallisierung. Der Glasanteil ist so zu wählen, dass die gewünschte Stromtragfähigkeit nicht unterschritten wird.
Damit sich nach dem Verbinden nicht im Bereich der Öffnungen und am Übergang zwischen zwei Bauteilen unter anderem durch eine Rückbildung der Verbindungs- oder Schmelzschicht beim Abkühlen und/oder durch nicht ausreichende Benetzung mit dem schmelzflüssigen Metall während des Fügens in der Verbindungsschicht Toträume bilden, werden bevorzugt vor dem Fügen sämtliche Bauteile, zumindest an ihren Fügeflächen sowie auch an sämtlichen vorhandenen Durchbrüchen oder Öffnungen, mit dem Fügemittel versehen.
In einer Ausgestaltung werden vor dem Fügen nur ein Teil der Bauteile zumindest an ihren Fügeflächen sowie an ihren Durchbrüchen oder Öffnungen mit dem Fügemittel versehen. Auf dem nicht mit Fügemittel beaufschlagten Bauteil bleibt somit die Oberfläche des Eigenmaterials in jedem Fall erhalten.
In einer Ausgestaltung werden von benachbarten Bauteilen jeweils nur eines mit dem Fügemittel versehen und zwar auch im Bereich von etwaigen in diesem Bauteil vorhandenen Öffnungen oder Durchbrüchen.
Bevorzugt entstehen durch das Fügen von mindestens zwei Bauteilen isolierte oder verbundene oder offene oder teilweise geschlossene oder geschlossene Kanalstrukturen. Dies erleichtert die Kühlung der Bauteile oder Verbünde.
Bevorzugt werden die Kanalstrukturen so gefertigt, dass durch sie Heiz- oder Kühlmedien führbar sind und diese z. B. Luft, Stickstoff, Wasser oder Öle sind.
In einer Ausführungsform wird durch das Fügen von mindestens zwei Bauteilen eine Montageoberfläche geschaffen, mit deren Hilfe der Verbund mit einem Übersystem verbunden werden kann. Verbindungen können beispielsweise Klemmen, Nieten, Verschrauben oder Löten sein. Übersysteme können beispielsweise Gehäuse sein.
Vorteilhaft werden einzelne Bauteile und/oder der Verbund mit elektrisch und/oder thermisch leitenden Bahnen vollflächig oder teilflächig verbunden.
Vorteilhaft werden einzelne Bauteile und/oder der Verbund mit aktiven oder passiven elektrischen oder elektronischen Bauteilen verbunden.
Bevorzugt werden die Bauteile aus Metall vor dem Fügeprozess mit einem Trägerkörper verbunden, wobei der Trägerkörper elektrisch nicht oder nahezu nicht leitend ist und einstückig mit Wärme ab- oder zuführenden Kühlelementen versehen ist und der Trägerkörper und/oder das Kühlelement aus mindestens einer keramischen Komponente oder einem Verbund von unterschiedlichen Keramiken bestehen.
Einstückige Trägerkörper mit Kühlelementen sind zum Beispiel in der DE 10 2007 014 433 A1 beschrieben.
Ein Verbund hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt ein keramischer Heatsink.
Unter einem Heatsink wird ein Trägerkörper für elektrische oder elektronische Bauelemente oder Schaltungen verstanden, wobei der Trägerkörper elektrisch nicht oder nahezu nicht leitend ist und der Trägerkörper einstückig mit Wärme ab- oder zuführenden Kühlelementen versehen ist. Bevorzugt ist der Trägerkörper eine Platine und sind die Kühlelemente Bohrungen, Kanäle, Rippen und/oder Ausnehmungen, die von einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagbar sind. Der Trägerkörper und/oder das Kühlelement bestehen z. B. aus mindestens einer keramischen Komponente oder einem Verbund von unterschiedlichen Keramiken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004002841 B3 [0003]
- DE 102007014433 A1 [0027]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundes aus wenigstens zwei mit Durchbrüchen oder Öffnungen versehenen Bauteilen aus Metall, insbesondere zum Herstellen von aus mindestens einem Verbund bestehenden Kühlers oder Kühlerelementen oder Wärmesenken, wobei die Bauteile unter Verwendung eines Fügemittels auf von Oberflächenseiten dieser Bauteile gebildeten Fügeflächen durch Erhitzen auf eine Prozesstemperatur zu dem Verbund miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes Bauteil nicht plattenförmig ausgebildet wird und dieses erste Bauteil mit mindestens einem weiteren plattenförmigen oder nicht plattenförmigen zweiten Bauteil zu einem Verbund miteinander verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleiche oder unterschiedliche Fügemittel auf von Oberflächenseiten der Bauteile gebildeten Fügeflächen aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zu fügende Bauteile geometrisch und/oder stofflich gleich oder unterschiedlich aufgebaut werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer Fläche eines Bauteils mindestens ein weiteres Bauteil vollflächig oder teilflächig verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Bauteile zu einem Verbund verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügeprozess mindestens ein oder mehrere gleiche oder ungleiche Fügemittel auf die Innenflächen der Durchbrüche oder Öffnungen aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bauteile gleichzeitig in einem Verfahrensschritt oder in mehreren Verfahrensschritten miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile bei gleichen oder unterschiedlichen Verfahrenstemperaturen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bauteilen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung als Fügemittel CuO und/oder Cu₂O verwendet wird und das Fügen bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 1.065°C und 1.082°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügemittel eine Legierung aus Ni-P, beispielsweise mit einem Phosphorgehalt im Bereich zwischen 1 bis 20 Gewichtsprozent verwendet wird und das Fügen bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 850°C und 1.082°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügemittel Silber oder eine Silberlegierung verwendet wird und das Fügen bei einer Prozesstemperatur im Bereich zwischen 780°C und 1.080°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügemittel Zinn oder eine Zinnlegierung verwendet wird und das Fügen bei einer Prozesstemperatur zwischen 170°C und 280°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügemittel Glas oder eine Mischung aus Glas und Metallen verwendet wird und das Fügen bei einer Prozesstemperatur zwischen 120°C und 1.100°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen sämtliche Bauteile, zumindest an ihren Fügeflächen sowie auch an sämtlichen vorhandenen Durchbrüchen oder Öffnungen, mit dem Fügemittel versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen nur ein Teil der Bauteile zumindest an ihren Fügeflächen sowie an ihren Durchbrüchen oder Öffnungen mit dem Fügemittel versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass von benachbarten Bauteilen jeweils nur eines mit dem Fügemittel versehen wird und zwar auch im Bereich von etwaigen in diesem Element vorhandenen Öffnungen oder Durchbrüchen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Fügen von mindestens zwei Bauteilen isolierte oder verbundene oder offene oder teilweise geschlossene oder geschlossene Kanalstrukturen entstehen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kanalstrukturen Heiz- oder Kühlmedien führbar sind und diese Luft, Stickstoff, Wasser oder Öle sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Fügen von mindestens zwei Bauteilen eine Montageoberfläche geschaffen wird, mit deren Hilfe der Verbund mit einem Übersystem verbunden werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Bauteile und/oder der Verbund mit elektrisch und/oder thermisch leitenden Bahnen vollflächig oder teilflächig verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Bauteile und/oder der Verbund mit aktiven oder passiven elektrischen oder elektronischen Bauteilen verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus Metall vor dem Fügeprozess mit einem Trägerkörper verbunden werden, wobei der Trägerkörper elektrisch nicht oder nahezu nicht leitend ist und einstückig mit Wärme ab- oder zuführenden Kühlelementen versehen ist und der Trägerkörper und/oder das Kühlelement aus mindestens einer keramischen Komponente oder einem Verbund von unterschiedlichen Keramiken bestehen.
Verbund hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund ein keramischer Heatsink ist.