DE102012213066B3 - Cooling device and method for producing a cooling device and circuit arrangement with a cooling device - Google Patents

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Abstract

Offenbart wird eine Kühlvorrichtung (100) für eine Schaltung (200) mit einem Trägerteil (120) zum Halten der Schaltung (200) und einem Kühlkörper (110) zum Halten des Trägerteils (120) sowie eine in das Trägerteil (120) und/oder in den Kühlkörper (110) infiltrierte, metallhaltige Grenzschicht (130a) zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110), welche das Trägerteil (120) und den Kühlkörper (110) stoffschlüssig flächig verbindet und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) und zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient. Diese Kühlvorrichtung ist effizient und kostengünstig und gewährleistet eine fehlerfreie Funktion der Schaltung trotz starken Temperaturschwankungen.Disclosed is a cooling device (100) for a circuit (200) having a support part (120) for holding the circuit (200) and a heat sink (110) for holding the support part (120) and in the support member (120) and / or in the heat sink (110) infiltrated metal-containing boundary layer (130a) between the support member (120) and the heat sink (110) which connects the support member (120) and the heat sink (110) materially surface and to compensate for the different thermal expansions of the support member ( 120) and the heat sink (110) and for heat transfer from the carrier part (120) to the heat sink (110). This cooling device is efficient and inexpensive and ensures a faultless function of the circuit despite severe temperature fluctuations.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Schaltung sowie Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einer genannten Kühlvorrichtung.The present invention relates to a cooling device for a circuit and to a method for manufacturing a cooling device. Furthermore, the invention relates to a circuit arrangement with a said cooling device.

Gattungsgemäße Kühlvorrichtungen dienen zur Kühlung von Schaltungen und finden ihre Anwendungen in nahezu allen technischen Bereichen. Ein Beispiel von den genannten Schaltungen ist ein Stromrichter für einen Elektromotor eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.Generic cooling devices are used for cooling circuits and find their applications in almost all technical areas. An example of said circuits is a power converter for an electric motor of a hybrid or electric vehicle.

Eine derartige Schaltung umfasst einen Schaltungsträger mit darauf angeordneten elektronischen oder elektrischen Leistungsbauelementen, wie zum Beispiel Leistungstransistoren, welche während des Betriebs der Schaltung aufgrund der hohen internen Verlustleistung sehr viel Wärme erzeugen. Dadurch unterliegt die Schaltung während des Betriebs einer starken Temperaturschwankung von mehreren hundert Grad Celsius. Deshalb wird die Schaltung beziehungsweise die Komponenten der Schaltung aus wärmebeständigen Materialien hergestellt. Insbesondere wird der Schaltungsträger aus wärmebeständiger Keramik hergestellt. Zudem muss die Schaltung während des Betriebs ständig gekühlt werden, damit diese nicht überhitzt wird. Zur Kühlung der Schaltung wird ein Druckgussteil beispielsweise aus Aluminium als Kühlkörper verwendet, der mit der Schaltung wärmeleitend gekoppelt ist. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seinem vergleichsweise sehr niedrigen Kosten ist Aluminium sehr gut geeignet als Werkstoff für einen Kühlkörper.Such a circuit comprises a circuit carrier with electronic or electrical power components arranged thereon, such as power transistors, for example, which generate a great deal of heat during operation of the circuit due to the high internal power dissipation. As a result, the circuit undergoes a strong temperature fluctuation of several hundred degrees Celsius during operation. Therefore, the circuit or the components of the circuit is made of heat-resistant materials. In particular, the circuit carrier is made of heat-resistant ceramic. In addition, the circuit must be constantly cooled during operation, so that it is not overheated. To cool the circuit, a die-cast part, for example of aluminum, is used as the heat sink, which is coupled to the circuit in a thermally conductive manner. Because of its high thermal conductivity and its comparatively very low cost, aluminum is very well suited as a material for a heat sink.

Zur effizienten Kühlung der Schaltung ist man zudem bestrebt, den zugeordneten Schaltungsträger insbesondere in der Form eines Keramiksubstrats direkt auf dem Kühlkörper anzuordnen und über eine möglichst große Kontaktfläche mit dem Kühlkörper thermisch zu kontaktieren, um eine möglichst effiziente Wärmeabführung von der Schaltung zu erzielen. In der Regel wird das Keramiksubstrat flächig beziehungsweise breitflächig mit dem Kühlkörper fest verlötet.For efficient cooling of the circuit, one also endeavors to arrange the associated circuit carrier, in particular in the form of a ceramic substrate, directly on the heat sink and to contact it thermally via the largest possible contact surface with the heat sink, in order to achieve the most efficient heat dissipation from the circuit. In general, the ceramic substrate is soldered flat or over a wide area with the heat sink.

Diese flächige feste Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper führt aber zu einem unerwünschten Effekt, nämlich zu einer hohen mechanischen Spannung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper. Grund für diese mechanische Spannung ist der große Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizient CTE (in Englisch „Coeffizient of Thermal Expansion”) zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper, der sich bei Temperaturschwankungen bemerkbar macht.However, this flat solid solder joint between the ceramic substrate and the heat sink leads to an undesirable effect, namely to a high mechanical stress between the ceramic substrate and the heat sink. The reason for this mechanical stress is the great difference in the coefficient of thermal expansion CTE between the ceramic substrate and the heat sink, which manifests itself in the event of temperature fluctuations.

Die Druckschrift DE 102 45 266 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit einem metallischen Kühlkörper, wobei der metallische Kühlkörper eine Ausnehmung aufweist, in der eine mit Metall infiltrierte Keramik angeordnet ist. Zwischen dem Kühlkörper und der Keramik ist eine elektrisch nicht leitende Schicht zur elektrischen Isolation und zur Wärmeleitung vorgesehen.The publication DE 102 45 266 A1 describes a device for cooling of electronic components with a metallic heat sink, wherein the metallic heat sink has a recess in which a metal infiltrated with ceramic is arranged. Between the heat sink and the ceramic, an electrically non-conductive layer for electrical insulation and heat conduction is provided.

Die Druckschrift DE 197 04 357 A1 beschreibt ein Verbundbauteil umfassend Elemente aus Metall oder Nicht-Metall, wobei die Elemente mittels Verbindungsmaterial miteinander verbunden sind, das durch einen Gussprozess zwischen den Elementen eingebracht ist.The publication DE 197 04 357 A1 describes a composite component comprising elements made of metal or non-metal, wherein the elements are interconnected by means of bonding material, which is introduced by a casting process between the elements.

Durch diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnen sich das Keramiksubstrat und der Kühlkörper bei Veränderung der Eigen- oder Umgebungstemperatur unterschiedlich aus beziehungsweise ziehen sich unterschiedlich zusammen. Als Folge steht das Keramiksubstrat der Schaltung samt den elektrischen oder elektronischen Bauelementen auf dem Keramiksubstrat unter einer sich abhängig von der Temperatur ständig verändernden mechanischen Spannung. Diese mechanische Spannung führt bei den sensiblen Bauelementen der Schaltung zu Fehlfunktionen beziehungsweise Defekten.As a result of these different thermal expansion coefficients, the ceramic substrate and the heat sink expand differently when the intrinsic or ambient temperature changes, or they contract differently. As a consequence, the ceramic substrate of the circuit together with the electrical or electronic components on the ceramic substrate is under a constantly changing depending on the temperature of the mechanical stress. This mechanical stress leads to malfunction or defects in the sensitive components of the circuit.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur effizienten und kostengünstigen Kühlung der Schaltung bereitzustellen, wobei eine fehlerfreie Funktion der Schaltung trotz starken Temperaturschwankungen gewährleistet werden kann.Thus, the object of the present invention is to provide a way for efficient and cost-effective cooling of the circuit, with an error-free operation of the circuit can be guaranteed despite severe temperature fluctuations.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Kühlvorrichtung für eine Schaltung geschaffen, welche ein Trägerteil und einen Kühlkörper sowie eine erste Grenzschicht zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper aufweist.According to a first aspect of the invention, a cooling device for a circuit is provided, which has a carrier part and a heat sink and a first boundary layer between the carrier part and the heat sink.

Das Trägerteil, insbesondere in der Form einer (dünnen) Platte mit zwei gegenüberliegenden Seiten weist eine erste trägerteilseitige Oberfläche und eine zweite trägerteilseitige Oberfläche auf, wobei die erste und die zweite Oberfläche auf die zwei gegenüberliegenden beziehungsweise voneinander entgegengesetzt liegenden Seiten des Trägerteils liegen. Dabei dient die erste trägerteilseitige Oberfläche zum Halten der Schaltung, insbesondere einer Schaltung mit einem Keramiksubstrat als Schaltungsträger. Das Trägerteil dient neben dem Halten der Schaltung noch zum Abführen der Wärme von der Schaltung. Der Kühlkörper umfasst eine erste kühlkörperseitige Oberfläche zum Halten des Trägerteils und dient zum Abführen der Wärme von dem Trägerteil und somit von der Schaltung.The carrier part, in particular in the form of a (thin) plate with two opposite sides, has a first carrier part-side surface and a second carrier-part-side surface, wherein the first and the second surface lie on the two opposite sides of the carrier part. The first carrier part-side surface serves to hold the circuit, in particular a circuit with a ceramic substrate as a circuit carrier. The support member is used in addition to holding the circuit still to dissipate the heat from the circuit. The heat sink comprises a first Heat sink side surface for holding the support member and serves to dissipate the heat from the support member and thus of the circuit.

Die erste Grenzschicht ist zwischen der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche und der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche angeordnet, wobei die zweite Oberfläche des Trägerteils und die erste Oberfläche des Kühlkörpers zueinander zugewandt liegen. Die erste Grenzschicht ist dabei als eine in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper infiltrierte, metallhaltige Schicht ausgebildet. Die erste Grenzschicht stellt in erster Linie eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper her. Ferner dient die erste Grenzschicht zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils und des Kühlkörpers sowie zur Übertragung der Wärme von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.The first boundary layer is arranged between the second carrier part-side surface and the first heat-sink-side surface, wherein the second surface of the carrier part and the first surface of the heat sink face each other. The first boundary layer is designed as a metal-containing layer infiltrated into the carrier part and / or into the heat sink. The first boundary layer primarily produces a cohesive and planar mechanical connection between the carrier part and the heat sink. Furthermore, the first boundary layer serves to compensate for the different thermal expansions of the carrier part and the heat sink and to transfer the heat from the carrier part to the heat sink.

Dabei bedeutet „Infiltrieren” das Eindringen eines Materials in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper unter einer bestimmten Druck- und/oder Temperatureinwirkung. Das infiltrierende Material kann dabei ein Material vom Trägerteil, vom Kühlkörper oder ein von außen zugefügtes Material sein. Ein ähnlicher Vorgang wird in der Halbleitertechnik als „Dotieren” bezeichnet. Durch das Infiltrieren also Eindringen des Materials in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper wird eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper hergestellt.In this case, "infiltration" means the penetration of a material into the carrier part and / or into the heat sink under a certain pressure and / or temperature effect. The infiltrating material may be a material from the carrier part, from the heat sink or an externally added material. A similar process is termed "doping" in semiconductor technology. By infiltrating so the material penetrates into the carrier part and / or into the heat sink, a cohesive and planar mechanical connection between the carrier part and the heat sink is produced.

Eine „flächige mechanische Verbindung” bedeutet eine mechanische Verbindung über eine ausgedehnte Kontaktfläche, und nicht eine quasipunktförmige Verbindung, wie bei Kontaktpins, oder eine quasilinienförmige Verbindung, wie bei Schweißnahtverbindungen.A "planar mechanical connection" means a mechanical connection over an extended contact surface, not a quasi-point connection, as in contact pins, or a quasi-linear connection, as in weld connections.

Dadurch ist eine Kühlvorrichtung geschaffen, welche kostengünstig herstellbar ist und zugleich die Anforderungen von geringen mechanischen Spannungen zwischen der Kühlungsvorrichtung und der Schaltung bei starken Temperaturschwankungen erfüllt und so eine fehlerfreie Funktion der Schaltung sicherstellt. Durch die zweiteilige Ausführung der Kühlvorrichtung mit einem Trägerteil und einem Kühlkörper mit einer dazwischen liegenden Grenzschicht ist es möglich, ein Trägerteil mit einer ähnlichen Wärmeausdehnung wie die Schaltung auszuwählen. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper wird dann von der dazwischen liegenden, ersten Grenzschicht kompensiert. Durch die stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper mittels der ersten Grenzschicht kann eine stabile Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper auch bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gewährleitet werden. Dabei ist das Trägerteil wegen seiner vergleichsweise kleinen Baugröße relativ kostengünstig herstellbar. Der vergleichsweise größere Kühlkörper kann aus einem kostengünstigen Material, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt werden.As a result, a cooling device is provided, which is inexpensive to produce and at the same time meets the requirements of low mechanical stresses between the cooling device and the circuit at high temperature fluctuations, thus ensuring a fault-free operation of the circuit. Due to the two-part design of the cooling device with a support member and a heat sink with an intermediate boundary layer, it is possible to select a support member with a similar thermal expansion as the circuit. The different thermal expansions between the carrier part and the heat sink are then compensated by the first boundary layer located therebetween. Due to the cohesive and planar mechanical connection between the carrier part and the heat sink by means of the first boundary layer, a stable connection between the carrier part and the heat sink can be ensured even with different thermal expansions. In this case, the support member is relatively inexpensive to produce because of its relatively small size. The comparatively larger heat sink may be made of a low cost material, such as aluminum.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kühlvorrichtung weist die erste kühlkörperseitige Oberfläche eine Vertiefung auf, in der das Trägerteil angeordnet ist. Dabei umfasst die Vertiefung eine Bodenfläche und eine um die Bodenfläche herum liegende, an die Bodenfläche angrenzende Seitenwand.According to an advantageous embodiment of the cooling device, the first heat sink side surface has a recess in which the carrier part is arranged. In this case, the depression comprises a bottom surface and a side wall lying around the bottom surface and adjacent to the bottom surface.

Durch eine derartige Anordnung des Trägerteils in einer Vertiefung am bzw. im Kühlkörper lässt sich der Bauraum der Kühlvorrichtung optimal ausnutzen.By such an arrangement of the support member in a recess on or in the heat sink, the space of the cooling device can be optimally utilized.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Trägerteil eine der Seitenwand der Vertiefung zugewandt liegende Seitenfläche auf, welche die erste und die zweite trägerteilseitige Oberfläche miteinander verbindet. Zwischen der Seitenwand der Vertiefung und der Seitenfläche des Trägerteils weist die Kühlvorrichtung eine zweite Grenzschicht auf, welche ebenfalls eine in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper filtrierte, metallhaltige Schicht ist. Dabei stellt die zweite Grenzschicht zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper eine weitere stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung her. Diese zweite Grenzschicht besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die erste Grenzschicht und trägt ebenfalls zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper bei. Ferner dient die zweite Grenzschicht auch zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.According to a further advantageous embodiment, the carrier part has a side surface facing the side wall of the depression, which connects the first and the second carrier part-side surface to one another. Between the side wall of the recess and the side surface of the carrier part, the cooling device has a second boundary layer which is likewise a metal-containing layer which has been filtered into the carrier part and / or into the cooling body. In this case, the second boundary layer between the carrier part and the heat sink produces a further cohesive and flat mechanical connection. This second boundary layer preferably consists of the same material as the first boundary layer and also contributes to the compensation of the different thermal expansions between the carrier part and the heat sink. Furthermore, the second boundary layer also serves to transfer heat from the carrier part to the heat sink.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper einen Vorsprung zum Halten des Trägerteils auf, welcher vorzugsweise das Trägerteil an der ersten trägerteilseitigen Oberfläche hält. Durch diesen einfachen Vorsprung am Kühlkörper ist eine zusätzliche mechanische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerteil hergestellt.According to a further advantageous embodiment, the heat sink has a projection for holding the carrier part, which preferably holds the carrier part on the first carrier part-side surface. This simple projection on the heat sink, an additional mechanical connection between the heat sink and the support member is made.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Trägerteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) und weist so einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, der ähnlich groß ist wie der eines Keramiksubstrats der Schaltung. Insbesondere besteht das Trägerteil aus Aluminium-Silizium-Karbid, kurz AlSiC (ebenfalls unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung), und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 10 ppm auf. According to a further advantageous embodiment, the carrier part consists of a metal matrix composite material (taking into account a material contamination which is customary in the art) and thus has a thermal expansion coefficient which is similar to that of a ceramic substrate of the circuit. In particular, the support member made of aluminum-silicon carbide, short AlSiC (also taking into account a usual in the art material contamination), and has a thermal expansion coefficient of about 10 ppm.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kühlkörper (unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) aus einem kostengünstigen wärmeleitenden Metall, wie zum Beispiel Aluminium, oder einer kostengünstigen Metalllegierung, wie zum Beispiel einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 21 ppm.According to a further advantageous embodiment of the heat sink (taking into account a usual in the art material contamination) of a low-cost thermally conductive metal, such as aluminum, or a low-cost metal alloy, such as an aluminum alloy, in particular an aluminum-silicon alloy AlSi12 with a Thermal expansion coefficient of approx. 21 ppm.

Das Trägerteil aus AlSiC weist somit im Vergleich zu dem Kühlkörper aus AlSi12 einen ähnlich großen Wärmeausdehnungskoeffizient wie das Keramiksubstrat auf, das seinerseits einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 8 ppm hat. Außerdem liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägerteils mit 10 ppm zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats mit 8 ppm und dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers mit 21 ppm.The AlSiC support thus has a similar coefficient of thermal expansion to the AlSi12 heat sink as the ceramic substrate, which in turn has a thermal expansion coefficient of about 8 ppm. In addition, the thermal expansion coefficient of the support member of 10 ppm is between the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate of 8 ppm and the thermal expansion coefficient of the heat sink of 21 ppm.

Durch die ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramiksubstrat und dem Trägerteil entsteht bei der Wärmeausdehnung beziehungsweise Kälteschrumpfung zwischen diesen beiden Komponenten nur eine vernachlässigbar geringe mechanische Spannung, welche unschädlich ist für die Schaltung beziehungsweise für das Keramiksubstrat und die Bauelemente auf dem Keramiksubstrat.Due to the similar coefficients of thermal expansion between the ceramic substrate and the carrier part, only a negligible mechanical stress arises during the thermal expansion or cold shrinkage between these two components, which is harmless for the circuit or for the ceramic substrate and the components on the ceramic substrate.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthalten die erste und die zweite infiltrierte, metallhaltige Grenzschicht ein Metall mit einem Anteil von einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff, insbesondere die Metallpartikel von dem Kühlkörper und die Silizium-Karbid-Partikel von dem Trägerteil und tragen zur formschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper bei. Zudem werden die unterschiedlichen temperaturbedingten Formveränderungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper, wie die Wärmeausdehnungen beziehungsweise Kälteschrumpfungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper, durch diese beiden Grenzschichten kompensiert.According to a further advantageous embodiment, the first and the second infiltrated metal-containing boundary layer contain a metal with a proportion of a metal matrix composite material, in particular the metal particles from the heat sink and the silicon carbide particles from the carrier part and contribute to the positive and planar mechanical connection between the carrier part and the heat sink at. In addition, the different temperature-induced changes in shape between the carrier part and the heat sink, such as the thermal expansions or cold shrinkage between the carrier part and the heat sink, compensated by these two boundary layers.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltung und einer oben beschriebenen Kühlvorrichtung zur Kühlung der Schaltung geschaffen. Die Schaltung weist dabei eine Oberfläche auf, welche der ersten trägerteilseitigen Oberfläche des Trägerteils der Kühlvorrichtung zugewandt angeordnet ist, wobei diese erste trägerteilseitige Oberfläche, wie bereits erwähnt, zum Halten der Schaltung dient. Die Schaltungsanordnung weist zwischen der Oberfläche der Schaltung und der ersten trägerteilseitigen Oberfläche eine dritte Grenzschicht auf. Diese dritte Grenzschicht ist eine in das Trägerteil infiltrierte, metallhaltige Schicht und besteht vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die vorher beschriebenen Grenzschichten. Diese dritte Grenzschicht dient als Haftschicht für eine Lotpaste zu einer flächigen Lötverbindung zwischen der Schaltung und dem Trägerteil und ermöglicht somit eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten. Außerdem dient sie zur Kompensation der unterschiedlichen temperaturbedingten Formveränderungen zwischen der Schaltung und dem Trägerteil, wie die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Schaltung und des Trägerteils sowie zur Wärmeübertragung von der Schaltung zu dem Trägerteil.According to another aspect of the present invention, there is provided a circuit arrangement including a circuit and a cooling device for cooling the circuit as described above. In this case, the circuit has a surface which is arranged facing the first carrier-part-side surface of the carrier part of the cooling device, this first carrier-device-side surface, as already mentioned, serving to hold the circuit. The circuit arrangement has a third boundary layer between the surface of the circuit and the first carrier-part-side surface. This third boundary layer is a metal-containing layer infiltrated into the carrier part and advantageously consists of the same material as the boundary layers described above. This third boundary layer serves as an adhesive layer for a solder paste to a flat solder joint between the circuit and the support member and thus enables a cohesive and planar mechanical connection between these two components. In addition, it serves to compensate for the different temperature-induced changes in shape between the circuit and the support member, such as the different thermal expansions of the circuit and the support member and the heat transfer from the circuit to the support member.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen, welches folgende Verfahrensschritte aufweist.According to a further aspect of the present invention, a first method for producing a cooling device is provided which has the following method steps.

Zunächst wird ein Trägerteil in der Form einer (dünnen) Platte bereitgestellt. Zumindest eine Oberfläche des Trägerteils wird anschließend mit einem metallhaltigen Material, insbesondere mit Aluminium, infiltriert, wodurch eine Grenzschicht ausgebildet wird. Parallel zu den, nach oder vor den oben beschriebenen beiden Verfahrensschritten wird eine erste Gießmasse bereitgestellt. Diese erste Gießmasse wird anschließend um das Trägerteil herum gegossen und zu einem Kühlkörper geformt, wobei eine stoffschlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper durch die oben genannte Grenzschicht hergestellt wird. Diese Grenzschicht dient zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper und zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.First, a support member in the form of a (thin) plate is provided. At least one surface of the carrier part is then infiltrated with a metal-containing material, in particular aluminum, whereby an interface layer is formed. Parallel to, after or before the above-described two process steps, a first molding compound is provided. This first casting compound is subsequently cast around the carrier part and formed into a heat sink, wherein a material-locking mechanical connection between the carrier part and the heat sink is produced by the abovementioned boundary layer. This boundary layer serves to compensate the different thermal expansions between the carrier part and the heat sink and to transfer heat from the carrier part to the heat sink.

Dadurch wird ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen. Insbesondere kann mit diesem Verfahren die Grenzschicht in einer gewünschten Dicke hergestellt werden, da diese bereits vor dem Gießvorgang des Kühlkörpers in einem kontrollierten Infiltrierungsvorgang in das Trägerteil infiltriert wird.As a result, a method for the cost-effective production of a cooling device is provided. In particular, with this method, the boundary layer can be produced in a desired thickness, since it is already infiltrated into the carrier part in a controlled infiltration process before the casting process of the heat sink.

Dabei besteht das Trägerteil vorteilhafterweise aus einem Metallmatrix-Verbundwirkstoff, insbesondere aus einem Aluminium Silizium-Karbid (AlSiC). Die erste Gießmasse besteht vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie zum Beispiel AlSi12.In this case, the support part advantageously consists of a metal matrix composite active substance, in particular of an aluminum silicon carbide (AlSiC). The first casting composition advantageously consists of a metal or a metal alloy, in particular aluminum or an aluminum-silicon alloy, such as AlSi12.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen, das folgende Verfahrensschritte aufweist.According to a further aspect of the present invention, a second method for producing a cooling device is provided which comprises the following method steps.

Anders als bei dem vorher beschriebenen Verfahren wird gemäß diesem Verfahren zunächst ein metallhaltiger Kühlkörper bereitgestellt. An diesem Kühlkörper beziehungsweise an einer Oberfläche des Kühlkörpers wird anschließend eine Vertiefung ausgeformt. Anschließend wird eine zweite Gießmasse bereitgestellt. Diese zweite Gießmasse wird dann in die vorgeformte Vertiefung am Kühlkörper eingegossen und zu einem Trägerteil geformt. Während des Eingießens der zweiten Gießmasse in die Vertiefung und/oder des Formens des Trägerteils aus der zweiten Gießmasse wird durch Infiltrieren des Trägerteils mit dem Metall aus dem Kühlkörper eine Grenzschicht zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerteil unter Einwirkung von einer hohen Temperatur und/oder einem hohen Druck ausgebildet. Diese Grenzschicht stellt eine stoffschlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper her. Zudem dient sie zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils und des Kühlkörpers sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.Unlike the method previously described, according to this method, a metal-containing heat sink is first provided. At This cooling body or on a surface of the heat sink, a recess is then formed. Subsequently, a second casting material is provided. This second casting compound is then poured into the preformed recess on the heat sink and formed into a carrier part. During the pouring of the second casting material into the depression and / or the molding of the carrier part from the second casting compound, a boundary layer between the cooling body and the carrier part is heated by infiltrating the carrier part with the metal from the heat sink under the action of a high temperature and / or a high temperature Pressure formed. This boundary layer produces a cohesive mechanical connection between the carrier part and the heat sink. In addition, it serves to compensate for the different thermal expansions of the carrier part and the heat sink and for heat transfer from the carrier part to the heat sink.

Dadurch wird ein Verfahren geschaffen, mit dem eine Kühlvorrichtung im Vergleich zu dem ersten Verfahren noch kostengünstiger hergestellt werden kann. Da die Grenzschicht während des Gießvorgangs der zweiten Gießmasse in den Kühlkörper unter Temperatur- und/oder Druckeinwirkung automatisch entsteht, entfällt hier der separate Verfahrensschritt vom ersten Verfahren zur Ausbildung der Grenzschicht durch Infiltrieren des Trägerteils.As a result, a method is provided with which a cooling device can be made even more cost-effective compared to the first method. Since the boundary layer is formed automatically during the casting process of the second casting material into the heat sink under the effect of temperature and / or pressure, the separate process step from the first process for forming the boundary layer by infiltration of the carrier part is omitted here.

Dabei besteht der Kühlkörper vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie zum Beispiel AlSi12. Die zweite Gießmasse besteht vorteilhafterweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff, insbesondere aus Aluminium-Silizium-Karbid.In this case, the heat sink advantageously consists of a metal or a metal alloy, in particular aluminum or an aluminum-silicon alloy, such as AlSi12. The second casting composition advantageously consists of a metal matrix composite material, in particular of aluminum-silicon carbide.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Kühlvorrichtungen sind soweit im Übrigen auf die oben genannte Schaltungsanordnung beziehungsweise die oben genannten Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung beziehungsweise der Verfahren anzusehen.Advantageous embodiments of the above-described cooling devices are otherwise applicable to the above-mentioned circuit arrangement or the above-mentioned method, as advantageous embodiments of the circuit arrangement or the method to be considered.

Im Folgenden sollen nun beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen,In the following, exemplary embodiments of the present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it,

1 in einer schematischen Darstellung eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltung und mit einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht; 1 in a schematic representation of a circuit arrangement with a circuit and with a cooling device according to an embodiment of the invention in a plan view;

2 in einer schematischen Darstellung der Schaltungsanordnung gemäß der Ausführungsform der 1 in einer Querschnittdarstellung; 2 in a schematic representation of the circuit arrangement according to the embodiment of 1 in a cross-sectional view;

3 in schematischen Darstellung ein erstes Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm. 3 a schematic representation of a first method for manufacturing a cooling device according to an embodiment of the invention in a flowchart.

4 in schematischen Darstellung ein zweites Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm. 4 a schematic representation of a second method for producing a cooling device according to another embodiment of the invention in a flowchart.

Es sei nun zunächst auf 1 verwiesen, in der eine Schaltungsanordnung 300 mit einer Kühlvorrichtung 100 und einer Schaltung 200 in einer Draufsicht schematisch dargestellt ist. Die Kühlvorrichtung 100 umfasst einen Kühlkörper 110, der aus einer kostengünstigen Aluminiumlegierung AlSi12 besteht. Der Kühlkörper 110 weist auf der dem Betrachter dieser Figur zugewandten Seite eine erste kühlkörperseitige Oberfläche 110a auf. Auf dieser Oberfläche 110a sind drei Vertiefungen 111 vorgesehen. In jeweils einer der drei Vertiefungen 111 weist die Kühlvorrichtung 100 jeweils ein Trägerteil 120 auf, das aus Aluminium-Silizium-Karbid, kurz AlSiC, besteht. Die Trägerteile 120 weisen ihrerseits auf der dem Betrachter dieser Figur zugewandten Seite jeweils eine erste trägerteilseitige Oberfläche 120a auf. Auf dieser Oberfläche 120a ist jeweils eine der drei Schaltungen 200 angeordnet.It is now on first 1 referenced in which a circuit arrangement 300 with a cooling device 100 and a circuit 200 is shown schematically in a plan view. The cooling device 100 includes a heat sink 110 , which consists of a low-cost aluminum alloy AlSi12. The heat sink 110 has on the viewer of this figure facing side a first heat sink side surface 110a on. On this surface 110a are three depressions 111 intended. In each one of the three wells 111 has the cooling device 100 in each case a carrier part 120 on, which consists of aluminum-silicon carbide, short AlSiC. The carrier parts 120 For their part, on the side facing the observer of this figure each have a first carrier part-side surface 120a on. On this surface 120a is each one of the three circuits 200 arranged.

Eine Querschnittdarstellung der Schaltungsanordnung 300 entlang der Schnittlinie AA in der 1 wird in 2 schematisch dargestellt. Die in 1 bereits verwendeten Bezugszeichen haben in 2 gleiche Bedeutungen.A cross-sectional view of the circuit arrangement 300 along the section line AA in the 1 is in 2 shown schematically. In the 1 already used reference numerals have in 2 same meanings.

Gemäß 2 weist der Kühlkörper 110 die erste kühlkörperseitige Oberfläche 110a und auf der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a die Vertiefung 111 als eine quaderförmige Ausnehmung mit einer Bodenfläche 111a und einer an die Bodenfläche 111a angrenzend umlaufende Seitenwand 111b auf, wobei die Bodenfläche 111a ein Teil der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a ist. In der Vertiefung 111 ist das Trägerteil 120 angeordnet, wobei das Trägerteil 120 in die Vertiefung 111 vollständig versenkt ist, um den Bauraum der Kühlvorrichtung 100 zu optimieren beziehungsweise bestmöglich auszunutzen.According to 2 has the heat sink 110 the first heat sink side surface 110a and on the first heat sink side surface 110a the depression 111 as a cuboid recess with a bottom surface 111 and one to the bottom surface 111 adjacent circumferential side wall 111b on, taking the floor area 111 a part of the first heat sink side surface 110a is. In the depression 111 is the carrier part 120 arranged, wherein the carrier part 120 into the depression 111 completely sunk to the installation space of the cooling device 100 to optimize or exploit the best possible.

Der Kühlkörper 110 weist ferner einen Vorsprung 112 an der Seitenwand 111b der Vertiefung 111 auf, welcher das Trägerteil 120 auf der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a festhält.The heat sink 110 also has a projection 112 on the side wall 111b the depression 111 on which the support part 120 on the first carrier part side surface 120a holds.

Auf der der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a gegenüberliegenden Seite weist der Kühlkörper 110 eine zweite kühlkörperseitige Oberfläche 110b auf. Diese zweite kühlkörperseitige Oberfläche 110b ist mit Kühlrippen 113 versehen, welche zur Vergrößerung der Kühloberfläche bei dem Kühlkörper 110 und somit zu einer effizienteren Abführung der Wärme von dem Kühlkörper 110 und somit von der Schaltung 200 an eine in den Figuren nicht näher dargestellte, die Kühlrippen 113 umströmende Kühlflüssigkeit dienen.On the first heat sink side surface 110a opposite side has the heat sink 110 a second heat sink side surface 110b on. This second heat sink side surface 110b is with cooling fins 113 provided, which for enlarging the cooling surface in the heat sink 110 and thus to a more efficient discharge the heat from the heat sink 110 and thus of the circuit 200 to a not shown in the figures, the cooling fins 113 serve around flowing coolant.

Das Trägerteil 120 weist neben der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a eine zweite trägerteilseitige Oberfläche 120b auf der der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a gegenüberliegenden Seite auf. Zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche 120a, 120b weist das Trägerteil 120 eine Seitenfläche 120c auf, welche die erste und die zweite Oberfläche 120a, 120b des Trägerteils 120 miteinander verbindet.The carrier part 120 points next to the first carrier part side surface 120a a second carrier part-side surface 120b on the first carrier part side surface 120a opposite side on. Between the first and the second surface 120a . 120b has the carrier part 120 a side surface 120c on which the first and the second surface 120a . 120b the carrier part 120 connects with each other.

Die Schaltung 200 auf der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a umfasst einen Schaltungsträger in Form von einem Keramiksubstrat 210 und ein elektronisches Bauelement 220 auf dem Keramiksubstrat 210, welches beispielsweise ein Leistungstransistor ist. Dabei ist die Schaltung 200 samt dem Keramiksubstrat 210 und dem elektronischen Bauelement 220 tiefer in der Vertiefung 111 angeordnet als der die Vertiefung 111 umlaufende Vorsprung 112, sodass sich ein Zwischenraum 114 zwischen der Schaltung 200 und dem Vorsprung 112 bildet, in dem ein Gel 400 oder eine Vergußmasse, wie zum Beispiel ein Gießharz, aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material aufgefüllt werden kann, welche/s zugleich auch als mechanischer Schutz für die Schaltung 200 dienen kann.The circuit 200 on the first carrier part side surface 120a comprises a circuit carrier in the form of a ceramic substrate 210 and an electronic component 220 on the ceramic substrate 210 which is, for example, a power transistor. Here is the circuit 200 including the ceramic substrate 210 and the electronic component 220 deeper in the depression 111 arranged as the recess 111 circumferential lead 112 so that there is a gap 114 between the circuit 200 and the lead 112 forms in which a gel 400 or a potting compound, such as a cast resin, can be filled from an electrically insulating and thermally conductive material, which s / s at the same time as a mechanical protection for the circuit 200 can serve.

Zwischen der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a beziehungsweise der Bodenfläche 111a der Vertiefung 111 und der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche 120b ist eine erste Grenzschicht 130a vorgesehen. Zwischen der Seitenfläche 120c des Trägerteils 120 und der Seitenwand 111b der Vertiefung 111 weist die Kühlvorrichtung 100 eine zweite, das Trägerteil 120 umgehende beziehungsweise umlaufende Grenzschicht 130b auf. Zwischen der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a und einer der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a zugewandt liegenden Oberfläche 200a der Schaltung 200 beziehungsweise des Keramiksubstrats 210 der Schaltung 200 ist eine dritte Grenzschicht 130c angeordnet.Between the first heat sink side surface 110a or the floor area 111 the depression 111 and the second carrier part side surface 120b is a first boundary layer 130a intended. Between the side surface 120c the carrier part 120 and the side wall 111b the depression 111 has the cooling device 100 a second, the carrier part 120 immediate or circulating boundary layer 130b on. Between the first carrier part-side surface 120a and one of the first carrier part-side surface 120a facing surface 200a the circuit 200 or of the ceramic substrate 210 the circuit 200 is a third boundary layer 130c arranged.

Die drei Grenzschichten 130a, 130b und 130c werden allesamt von einer in das Trägerteil 120 infiltrierten Schicht aus Aluminium mit einem Anteil von Silizium-Karbid, kurz SiC, gebildet und umschließen das Trägerteil 120 vollständig. Die erste und zweite Grenzschicht 130a, 130b dienen dabei zur stoffschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils 120 und des Kühlkörpers 110 sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil 120 zu dem Kühlkörper 110.The three boundary layers 130a . 130b and 130c are all from one to the carrier part 120 Infiltrated layer of aluminum with a proportion of silicon carbide, short SiC, formed and enclose the support member 120 Completely. The first and second boundary layers 130a . 130b serve for cohesive and planar mechanical connection between the carrier part 120 and the heat sink 110 and to compensate for the different thermal expansions of the support member 120 and the heat sink 110 and for heat transfer from the carrier part 120 to the heat sink 110 ,

Die dritte Grenzschicht 130c dient als Grundfläche für eine flächige Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120 und somit zur stoffschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120, sowie zur Wärmeübertragung von dem Keramiksubstrat 210 zu dem Trägerteil 120. Über diese dritte Grenzschicht 130c, auf der Lotpaste haften kann, ist eine in der 2 nicht näher dargestellte Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120 ermöglicht.The third boundary layer 130c serves as a base for a flat solder joint between the ceramic substrate 210 and the carrier part 120 and thus to the cohesive and planar mechanical connection between the ceramic substrate 210 and the carrier part 120 , as well as for heat transfer from the ceramic substrate 210 to the carrier part 120 , About this third boundary layer 130c on which solder paste can adhere is one in the 2 not shown solder joint between the ceramic substrate 210 and the carrier part 120 allows.

Der Kühlkörper 110 aus Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 21 ppm auf. Das Trägerteil 120 aus Aluminium-Silizium-Karbid AlSiC hat einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 10 ppm. Das Keramiksubstrat 210 verfügt über einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 8 ppm.The heat sink 110 made of aluminum-silicon alloy AlSi12 has a thermal expansion coefficient of approx. 21 ppm. The carrier part 120 made of aluminum-silicon-carbide AlSiC has a thermal expansion coefficient of approx. 10 ppm. The ceramic substrate 210 has a thermal expansion coefficient of approx. 8 ppm.

Durch die vergleichsweise ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Trägerteil 120 dem und Keramiksubstrat 210 entstehen bei Wärmeausdehnung oder Kälteschrumpfung bei den beiden Komponenten 210, 120 geringfügige und vergleichsweise geringfügige mechanische Spannungen, welche die dritte Grenzschicht 130c kompensiert werden.Due to the comparatively similar coefficients of thermal expansion between the carrier part 120 and ceramic substrate 210 occur during thermal expansion or cold shrinkage in the two components 210 . 120 minor and comparatively minor mechanical stresses, which is the third boundary layer 130c be compensated.

Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und Kälteschrumpfungen zwischen dem Kühlkörper 110 und dem Trägerteil 120 bei Veränderung der Eigen- oder Umgebungstemperatur werden von der ersten und der zweiten Grenzschicht 130a, 130b kompensiert.The different thermal expansions and cold shrinkages between the heat sink 110 and the carrier part 120 when changing the intrinsic or ambient temperature are from the first and the second boundary layer 130a . 130b compensated.

Die Wärme, welche in dem elektronischen Bauelement 220 entsteht, wird von dem Trägerteil 120 über die dritte Grenzschicht 130c aufgenommen und über die erste und die zweite Grenzschicht 130a, 130b an den Kühlkörper 110 übertragen. Diese Wärme wird dann von dem Kühlkörper 110 über die Kühlrippen 113 an die zwischen den Kühlrippen 113 strömende Kühlflüssigkeit abgegeben.The heat, which in the electronic component 220 is created by the carrier part 120 over the third boundary layer 130c taken and over the first and the second boundary layer 130a . 130b to the heat sink 110 transfer. This heat is then removed from the heat sink 110 over the cooling fins 113 to the between the cooling fins 113 discharged cooling fluid.

Dadurch wird die Schaltung 200 samt dem elektronischen Bauelement 220 effizient gekühlt und vor einer Beschädigung durch mechanische Spannung infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen oder Kälteschrumpfungen wirksam geschützt.This will make the circuit 200 including the electronic component 220 efficiently cooled and effectively protected from mechanical stress damage due to differential thermal expansion or cold shrinkage.

Nachdem die Kühlvorrichtung 100 anhand der 1 und 2 näher beschrieben wurde, werden nachfolgend mögliche Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung 100 anhand der 3 und 4 näher beschrieben.After the cooling device 100 based on 1 and 2 will be described in more detail below, possible manufacturing methods for the cooling device 100 based on 3 and 4 described in more detail.

Zunächst sei auf 3 hingewiesen, in der das Herstellungsverfahren der Kühlvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm schematisch dargestellt ist.First up 3 pointed out, in which the manufacturing process of the cooling device 100 is shown schematically in a flowchart according to a first embodiment of the invention.

Demnach wird gemäß einem ersten Verfahrensschritt S110 ein Trägerteil 120 (zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte sei auf die Bezugszeichen in den 1 und 2 verwiesen) aus Aluminium-Silizium-Karbid (AlSiC) in Form von einer dünnen Platte bereitgestellt. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S120 werden zwei gegenüber liegenden Oberflächen 120a, 120b des Trägerteils 120 und Seitenflächen 120c zwischen diesen beiden Oberflächen 120a, 120b mit Aluminium unter Einwirken von einer hohen Temperatur und einem hohen Druck infiltriert. Bei diesem Infiltrierungsvorgang bilden sich eine erste, zweite und dritte trägerteilseitige Grenzschicht 130a, 130b und 130c an dem Trägerteil 120, welche das Trägerteil 120 vollständig umschließen.Accordingly, according to a first method step S110, a carrier part 120 (To illustrate the method steps, reference is made to the reference numerals in FIGS 1 and 2 made of aluminum-silicon carbide (AlSiC) in the form of a thin plate. According to a second method step S120, two opposing surfaces are formed 120a . 120b the carrier part 120 and side surfaces 120c between these two surfaces 120a . 120b infiltrated with aluminum under the action of high temperature and pressure. In this infiltration process, a first, second and third carrier part-side boundary layer form 130a . 130b and 130c on the support part 120 which the support part 120 completely enclose.

Anschließend oder parallel zu den Verfahrensschritten S110, S120 wird gemäß einem dritten Verfahrensschritt S130 eine erste Gießmasse aus Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 bereitgestellt.Subsequently or in parallel with the method steps S110, S120, according to a third method step S130, a first casting compound of aluminum-silicon alloy AlSi12 is provided.

Diese erste Gießmasse wird gemäß einem vierten Verfahrensschritt S140 um das bereits mit den Grenzschichten 130a, 130b und 130c versehene Trägerteil 120 herum gegossen und zu einem Kühlkörper 110 geformt. Durch das Gießen und Formen des Kühlkörpers 110 werden stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindungen zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 durch die vorinfiltrierte erste und zweite Grenzschicht 130a, 130b hergestellt.According to a fourth method step S140, this first casting compound becomes the same as the boundary layers 130a . 130b and 130c provided carrier part 120 poured around and become a heat sink 110 shaped. By casting and shaping the heat sink 110 become cohesive and planar mechanical connections between the carrier part 120 and the heat sink 110 through the pre-infiltrated first and second boundary layers 130a . 130b produced.

Beim Formen des Kühlkörpers 110 bildet sich ein Vorsprung 112 aus der überschüssigen Gießmasse an dem Rand der Seitenwand 111b der Vertiefung 111. Nach dem Erhärten der Gießmasse hält der Vorsprung 112 das Trägerteil 120 an dessen erste Oberfläche 120a fest und verleiht so eine zusätzliche mechanische Stabilität zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110.When molding the heat sink 110 a lead is formed 112 from the excess molding compound at the edge of the sidewall 111b the depression 111 , After hardening of the casting material keeps the projection 112 the carrier part 120 at its first surface 120a firm and thus gives an additional mechanical stability between the support part 120 and the heat sink 110 ,

Zum Schluss sei auf 4 verwiesen, in der ein weiteres Herstellungsverfahren der oben beschriebenen Kühlvorrichtung 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm schematisch dargestellt ist.Finally, be on 4 referenced in the another manufacturing method of the above-described cooling device 110 is shown schematically in a flowchart according to a second embodiment of the invention.

Demnach wird gemäß einem ersten Verfahrensschritt S210 ein Kühlkörper 110 aus Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 bereitgestellt.Accordingly, according to a first method step S210, a heat sink 110 made of aluminum-silicon alloy AlSi12.

An diesem Kühlkörper 110 wird gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S220 eine quaderförmige Vertiefung 111 mit einer Bodenfläche 111a und einer diese Bodenfläche 111a angrenzend umlaufende Seitenwand 111b ausgeformt, wobei die Seitenwand 111b an dem von der Bodenfläche 111a entfernt liegenden Rand der Seitenwand 111b einen die Vertiefung 111 umlaufenden Vorsprung 112 in Richtung zur Mitte der Bodenfläche 111a aufweist.On this heat sink 110 In accordance with a second method step S220, a cuboid depression is formed 111 with a floor surface 111 and one this floor area 111 adjacent circumferential side wall 111b formed, with the side wall 111b at the bottom of the floor 111 distant edge of the side wall 111b one the depression 111 circumferential lead 112 towards the middle of the floor area 111 having.

Gemäß einem dritten Verfahrensschritt S230 wird eine zweite Gießmasse aus Aluminium-Silizium-Karbid AlSiC bereitgestellt.According to a third method step S230, a second casting material of aluminum-silicon carbide AlSiC is provided.

Diese zweite Gießmasse wird dann gemäß einem vierten Verfahrensschritt S240a in die Vertiefung 111 des Kühlkörpers 110 in einer passenden Menge eingegossen, sodass diese Gießmasse nach dem Erhärten die Vertiefung 111 bis an die Unterkante des Vorsprungs 112 vollständig füllt und so von dem Vorsprung 112 in der Vertiefung 111 fest gehalten werden kann. Anschließend wird die zweite Gießmasse gemäß einem fünften Verfahrensschritt S240b zu einem Trägerteil 120 unter Einwirkung von einem bestimmten Druck geformt. Während des Formens des Trägerteils 120 werden gemäß einem sechsten Verfahrensschritt S250 zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 durch Infiltrieren des Trägerteils 120 mit Aluminiumpartikel aus dem Kühlkörper 110 unter Einwirkung einer hohen Temperatur und einem hohen Druck eine erste und eine zweite Grenzschicht 130a und 130b ausgebildet.This second casting compound is then introduced into the recess according to a fourth method step S240a 111 of the heat sink 110 cast in a suitable amount, so that this casting compound after hardening the recess 111 to the lower edge of the projection 112 completely fills and so on the tab 112 in the depression 111 can be held firmly. Subsequently, according to a fifth method step S240b, the second casting compound becomes a carrier part 120 formed under the action of a certain pressure. During the molding of the carrier part 120 become between the carrier part according to a sixth method step S250 120 and the heat sink 110 by infiltrating the carrier part 120 with aluminum particles from the heat sink 110 under the influence of a high temperature and a high pressure, a first and a second boundary layer 130a and 130b educated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Kühlvorrichtungcooler
110110
Kühlkörperheatsink
110a110a
Erste kühlkörperseitige OberflächeFirst heat sink side surface
110b110b
Zweite kühlkörperseitige OberflächeSecond heat sink side surface
111111
Vertiefung an der ersten kühlkörperseitigen OberflächeRecess at the first heat sink side surface
111a111
Bodenfläche der VertiefungBottom surface of the recess
111b111b
Seitenwand an der VertiefungSidewall at the recess
112112
Vorsprung am KühlkörperProjection on the heat sink
113113
Kühlrippen am KühlkörperCooling ribs on the heat sink
120120
Trägerteilsupport part
114114
Zwischenraum zwischen der Schaltung und dem VorsprungSpace between the circuit and the projection
120a120a
Erste trägerteilseitige OberflächeFirst carrier part-side surface
120b120b
Zweite trägerteilseitige OberflächeSecond carrier part-side surface
120c120c
Seitenfläche am TrägerteilSide surface on the support part
130a130a
Erste GrenzschichtFirst boundary layer
130b130b
Zweite GrenzschichtSecond boundary layer
130c130c
Dritte GrenzschichtThird boundary layer
200200
Schaltungcircuit
200a200a
Oberfläche der SchaltungSurface of the circuit
210210
Keramiksubstrat der SchaltungCeramic substrate of the circuit
220220
Elektrisches oder elektronisches Bauelement der SchaltungElectrical or electronic component of the circuit
300300
Schaltungsanordnungcircuitry
400400
Gelgel

Claims (13)

Kühlvorrichtung (100) für eine Schaltung (200), welche folgende Merkmale aufweist: – ein Trägerteil (120) mit einer ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) zum Halten der Schaltung (200), und einer der ersten Oberfläche (120a) gegenüberliegenden, zweiten trägerteilseitigen Oberfläche (120b); – einen Kühlkörper (110) mit einer ersten kühlkörperseitigen Oberfläche (110a) zum Halten des Trägerteils (120); – eine erste Grenzschicht (130a) zwischen der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche (120b) und der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche (110a), welche das Trägerteil (120) und den Kühlkörper (110) stoffschlüssig und flächig verbindet und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient; – wobei die erste Grenzschicht (130a) eine in das Trägerteil (120) und/oder in den Kühlkörper (110) infiltrierte, metallhaltige Schicht ist.Cooling device ( 100 ) for a circuit ( 200 ), which has the following features: 120 ) with a first carrier part-side surface ( 120a ) for holding the circuit ( 200 ), and one of the first surface ( 120a ), second carrier part-side surface ( 120b ); A heat sink ( 110 ) with a first heat sink side surface ( 110a ) for holding the support part ( 120 ); A first boundary layer ( 130a ) between the second carrier part-side surface ( 120b ) and the first heat sink side surface ( 110a ), which the support part ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) materially and flat connects and to compensate for the different thermal expansions of the support member ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) and for heat transfer from the carrier part ( 120 ) to the heat sink ( 110 ) serves; - wherein the first boundary layer ( 130a ) one in the carrier part ( 120 ) and / or in the heat sink ( 110 ) infiltrated, metal-containing layer is. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der die erste kühlkörperseitige Oberfläche (110a) eine Vertiefung (111) aufweist, in der das Trägerteil (120) angeordnet ist.Cooling device ( 100 ) according to claim 1, wherein the first heat sink surface ( 110a ) a recess ( 111 ), in which the carrier part ( 120 ) is arranged. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 2, bei der – die Vertiefung (111) eine Seitenwand (111b) aufweist, – das Trägerteil (120) eine der Seitenwand (111b) der Vertiefung (111) zugewandt liegende Seitenfläche (120c) aufweist, welche die erste trägerteilseitige Oberfläche (120a) und die zweite trägerteilseitige Oberfläche (120b) verbindet, – wobei zwischen der Seitenwand (111b) der Vertiefung (111) und der Seitenfläche (120c) des Trägerteils (120) eine zweite Grenzschicht (130b) vorgesehen ist, wobei die zweite Grenzschicht (130b) eine in das Trägerteil (120) und/oder in den Kühlkörper (110) infiltrierte, metallhaltige Schicht ist, welche den Kühlkörper (110) und das Trägerteil (120) stoffschlüssig und flächig verbindet und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient.Cooling device ( 100 ) according to claim 2, wherein - the depression ( 111 ) a side wall ( 111b ), - the carrier part ( 120 ) one of the side wall ( 111b ) of the depression ( 111 ) facing side surface ( 120c ), which the first carrier part-side surface ( 120a ) and the second carrier part-side surface ( 120b ), - wherein between the side wall ( 111b ) of the depression ( 111 ) and the side surface ( 120c ) of the carrier part ( 120 ) a second boundary layer ( 130b ), the second boundary layer ( 130b ) one in the carrier part ( 120 ) and / or in the heat sink ( 110 ) infiltrated, metal-containing layer is, which the heat sink ( 110 ) and the carrier part ( 120 ) materially and flat connects and to compensate for the different thermal expansions of the support member ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) and for heat transfer from the carrier part ( 120 ) to the heat sink ( 110 ) serves. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (110) einen Vorsprung (112) zum Halten des Trägerteils (120) aufweist.Cooling device ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the heat sink ( 110 ) a lead ( 112 ) for holding the support part ( 120 ) having. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der Vorsprung (112) das Trägerteil (120) an der ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) hält.Cooling device ( 100 ) according to claim 4, wherein the projection ( 112 ) the carrier part ( 120 ) on the first carrier part-side surface ( 120a ) holds. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Trägerteil (120) aus Metallmatrix-Verbundwerkstoff besteht.Cooling device ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the carrier part ( 120 ) consists of metal matrix composite material. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 6, der Metallmatrix-Verbundwerkstoff Aluminium-Silizium-Karbid ist.Cooling device ( 100 ) according to claim 6, said metal matrix composite is aluminum-silicon carbide. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Grenzschicht (130a, 130b, 130c) einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff enthält.Cooling device ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the boundary layer ( 130a . 130b . 130c ) contains a metal matrix composite. Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Grenzschicht (130a, 130b, 130c) aus Aluminium mit einem Anteil von Silizium-Karbid besteht.Cooling device ( 100 ) according to claim 8, wherein the boundary layer ( 130a . 130b . 130c ) consists of aluminum with a proportion of silicon carbide. Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (110) aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht.Cooling device ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the heat sink ( 110 ) consists of metal or a metal alloy, in particular of aluminum or an aluminum alloy. Schaltungsanordnung (300), welche folgende Merkmale aufweist: – eine Schaltung (200) mit einer Oberfläche (200a), – eine Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Kühlung der Schaltung (200) mit dem Trägerteil (120) mit der ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) zum Halten der Schaltung (200), wobei – die Oberfläche (200a) der Schaltung (200) und die erste trägerteilseitige Oberfläche (120a) zueinander zugewandt liegen, und – die Schaltungsanordnung (300) zwischen der Oberfläche (200a) der Schaltung (200) und der ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) eine dritte Grenzschicht (130c) aufweist, wobei – die dritte Grenzschicht (130c) eine in das Trägerteil (120) infiltrierte, metallhaltige Schicht ist, welche die Schaltung (200) und das Trägerteil (120) stoffschlüssig und flächig verbindet und zur Wärmeübertragung von der Schaltung (200) zu dem Trägerteil (120) dient.Circuit arrangement ( 300 ), comprising: a circuit ( 200 ) with a surface ( 200a ), - a cooling device ( 100 ) according to one of the preceding claims for cooling the circuit ( 200 ) with the carrier part ( 120 ) with the first carrier part-side surface ( 120a ) for holding the circuit ( 200 ), where - the surface ( 200a ) of the circuit ( 200 ) and the first carrier part-side surface ( 120a ) are facing each other, and - the circuit arrangement ( 300 ) between the surface ( 200a ) of the circuit ( 200 ) and the first carrier part-side surface ( 120a ) a third boundary layer ( 130c ), wherein - the third boundary layer ( 130c ) one in the carrier part ( 120 ) infiltrated metal-containing layer is the circuit ( 200 ) and the carrier part ( 120 ) cohesively and flatly connects and for heat transfer from the circuit ( 200 ) to the carrier part ( 120 ) serves. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (100), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen (S110) eines Trägerteils (120); – Infiltrieren (S120) einer Oberfläche (120a, 120b) des Trägerteils (120) mit einem metallhaltigen Material zum Ausbilden einer Grenzschicht (130a, 130b); – Bereitstellen (S130) einer ersten Gießmasse; – Umgießen und Formen (S140) der ersten Gießmasse um das Trägerteil (120) herum zu einem Kühlkörper (110), sodass eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110) durch die Grenzschicht (130a, 130b) hergestellt wird, welche zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient.Method for producing a cooling device ( 100 ), the method comprising the following steps: - providing (S110) a carrier part ( 120 ); Infiltrating (S120) a surface ( 120a . 120b ) of the carrier part ( 120 ) with a metal-containing material for forming a boundary layer ( 130a . 130b ); - providing (S130) a first molding compound; Casting over and shaping (S140) of the first casting compound around the carrier part (S140) 120 ) around to a heat sink ( 110 ), so that a cohesive and planar mechanical connection between the support part ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) through the boundary layer ( 130a . 130b ) which is used to compensate for the different thermal expansions of the carrier part ( 120 ) and the Heat sink ( 110 ) and for heat transfer from the carrier part ( 120 ) to the heat sink ( 110 ) serves. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (100), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen (S210) eines metallhaltigen Kühlkörpers (110); – Ausformen (S220) einer Vertiefung (111) am Kühlkörper (110); – Bereitstellen (S230) einer zweiten Gießmasse; – Eingießen (S240a) der zweiten Gießmasse in die Vertiefung (111) und Formen (S240b) eines Trägerteils (120) aus der zweiten Gießmasse; – Ausbilden (S250) einer Grenzschicht (130a, 130b) zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110) beim Formen (S240b) des Trägerteils (120) durch Infiltrierten des Trägerteils (120) mit dem Metall von dem Kühlkörper (110), sodass eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110) durch die Grenzschicht (130a, 130b) hergestellt wird, welche zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient.Method for producing a cooling device ( 100 ), the method comprising the following method steps: - providing (S210) a metal-containing heat sink ( 110 ); - forming (S220) a depression ( 111 ) on the heat sink ( 110 ); - providing (S230) a second casting compound; Pouring (S240a) the second casting compound into the depression ( 111 ) and molds (S240b) of a carrier part ( 120 ) from the second casting material; Forming (S250) a boundary layer ( 130a . 130b ) between the carrier part ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) during forming (S240b) of the carrier part ( 120 ) by infiltrating the carrier part ( 120 ) with the metal from the heat sink ( 110 ), so that a cohesive and planar mechanical connection between the support part ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) through the boundary layer ( 130a . 130b ) which is used to compensate for the different thermal expansions of the carrier part ( 120 ) and the heat sink ( 110 ) and for heat transfer from the carrier part ( 120 ) to the heat sink ( 110 ) serves.
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