DE102013109246A1

DE102013109246A1 - Kühlanordnung

Info

Publication number: DE102013109246A1
Application number: DE102013109246.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meyer; Rainer Herrmann
Original assignee: Rogers Germany GmbH
Current assignee: Rogers Germany GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: DE102013109246B4; WO2015027995A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlanordnung (1) zur flächigen Kühlung eines elektrischen Schaltkreises oder Bauelementes entlang einer Kühlebene (KE) umfassend N übereinander angeordnete und flächig miteinander zu einem Stapel verbundene dünne plattenartige Schichten (S1–SN) aus Metall und/oder Keramik, und zwar zumindest eine sich entlang der Kühlebene (KE) erstreckende und eine Kühlfläche (KF) bildende erste Deckschicht (S1) und zumindest eine der ersten Deckschicht (S1) gegenüberliegende zweite Deckschicht (S11) und mindestens drei zwischen der ersten und zweiten Deckschicht (S1, S11) aufgenommene Zwischenschichten (S2–S10), wobei die Zwischenschichten (S2–S10) derart mit Öffnungen (2a) und/oder länglichen Durchbrüchen (2b, 2c, 2d) versehen sind, dass eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, schleifenartigen Strömungskanälen (3) zur Führung eines vorzugsweise flüssigen Kühlmediums im Inneren des Stapels sich ausbilden. Besonders vorteilhaft sind die schleifenartigen Strömungskanäle (3) zur gleichzeitigen Zu- und Abfuhr des Kühlmediums entlang eines im Wesentlichen senkrecht zur Kühlebene (KE) verlaufenden Strömungsweges (SW) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Kühlanordnungen bzw. Kühlsysteme zum Kühlen von elektrischen Schaltungsanordnungen oder Bauteilen, auch zur Kühlung von Hochleistungslaserdioden mit einem mehrschichtigen Aufbau sind hinreichend bekannt, beispielsweise aus der US 51 05 430 oder der DE 195 06 091 B4 . Ferner ist aus der EP 1 555 079 B1 ein Verfahren zum Herstellen von aus Plattenstapeln bestehenden Kühlern oder Kühlelementen mit Fügemitteln auf Innenflächen der Platten bekannt.
Derartige auch als Mikrokühler bezeichnete Kühlanordnungen bestehen aus einer Vielzahl miteinander zu einem Stapel verbundenen dünnen plattenförmigen Schichten aus Metall und/oder Keramik, wobei die im Stapel innen liegenden Schichten bzw. Zwischenschichten derart mit Öffnungen und/oder länglichen Durchbrüchen versehen sind, dass sich mehrere kanalartige Strömungswege im Inneren des die Kühlanordnung bildenden Stapels ausbilden. Diese sind zur Aufnahme und Führung eines Kühlmediums, vorzugsweise eines flüssigen Kühlmediums beispielsweise Wasser ausgebildet.
Zum flächigen Verbinden der plattenartigen Schichten sind diese an ihren Oberflächenseiten mit einem Fügemittel versehen. Für das Fügen bzw. Verbinden werden die plattenartigen Schichten dann zu dem Plattenstapel übereinander gestapelt und anschließend auf eine entsprechende Prozesstemperatur erhitzt, bei der unter Verwendung des Fügemittels an den Fügeflächen ein schmelzflüssiger Übergangsbereich („Verbindungs- oder Schmelzschicht“) erzeugt wird, so dass nach dem Abkühlen die plattenartigen Schichten zu dem Plattenstapel verbunden sind. Hierzu kann beispielsweise zur Verbindung von zumindest zweier Metallschichten oder einer Metall- und Keramikschicht das an sich bekannte „Direct-Copper-Bonding“-Verfahren zum Einsatz kommen. Zur Verbindung zweier Keramikschichten ist der Einsatz eines geeigneten Klebe- oder Lötverfahrens möglich.
Die kanalartigen Strömungswege zur Aufnahme und Führung des Kühlmediums erstrecken sich vorzugsweise im Bereich der die Kühlebene bildenden Oberflächenseite der vorzugsweise quaderförmigen oder würfelförmigen Kühlanordnung, um eine möglichst große Oberfläche in Kontakt mit dem Kühlmedium zu bringen und dadurch eine optimale Kühlwirkung zu erhalten. Die Strömungswege verlaufen hierbei vorzugsweise parallel zur Kühlebene, d.h. horizontal zum Stapel der plattenartigen Schichten, und zwar entlang der die Unter- oder Oberseite der Kühlanordnung bildenden äußeren plattenförmigen Schicht. Nachteilig verteilt sich die Kühltemperatur derartiger Kühlanordnungen nicht homogen bzw. gleichmäßig über die die Kühlebene bildende Oberflächenseite, sondern die Temperatur des Kühlmediums nimmt entlang der Kühlebene in Strömungsrichtung aufgrund der Wärmeaufnahme durch die Kühlanordnung zu.
Ausgehend von dem voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung aufzuzeigen, welche die Nachteile des Standes der Technik beseitig und eine homogen über die Kühlfläche zumindest abschnittsweise verteilte, konstante Kühltemperatur zum Kühlen von elektrischen Schaltungsanordnungen oder Bauteilen bereitstellt. Die Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist darin zu sehen, dass die schleifenartigen Strömungskanäle zur gleichzeitigen Zu- und Abfuhr des Kühlmediums entlang eines im Wesentlichen senkrecht zur Kühlebene verlaufenden Strömungsweges ausgebildet sind. Durch die Bereitstellung eines direkten, vertikal zur Kühlebene verlaufenden Strömungsweges und dem Vorsehen einer Vielzahl in der Kühlanordnung ausgebildeter schleifenartiger Strömungskanäle ergibt sich besonders vorteilhaft eine äußerst gleichmäßige bzw. homogene Kühlwirkung, d.h. die vollständige Kühlfläche weist eine nahezu konstante Kühltemperatur auf. Das Kühlmedium weist somit im Bereich der gesamten Kühlfläche nahezu dieselbe Kühltemperatur auf, mit der diese der Kühlanordnung zugeführt wird. Die Anzahl N der Schichten der erfindungsgemäßen Kühlanordnung beträgt beispielsweise zwischen 6 und 30, vorzugsweise zwischen 8 und 15.
Weiterhin vorteilhaft verläuft der im Wesentlichen senkrecht zur Kühlebene orientierte Strömungsweg durch mehrere Zwischenschichten. Die Zuführung des Kühlmediums erfolgt auf dem kürzesten Weg zwischen erster und zweiter Deckschicht der Kühlanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die schleifenartigen Strömungskanäle jeweils zumindest einen Zuführungsabschnitt, einen Umlenkabschnitt und einen Abführungsabschnitt auf, wobei der Umlenkabschnitt entlang der Kühlebene und der Zuführungsabschnitt und der Abführungsabschnitt entlang des senkrecht zur Kühlebene verlaufenden Strömungsweges orientiert sind. Hierdurch ergibt sich der schleifenartige Verlauf der Strömungskanäle, welche unmittelbar nebeneinander und vorzugsweise matrixartig über die gesamte Kühlanordnung verteilt sind. Die Anzahl der schleifenartigen Strömungskanäle ist hierbei abhängig von der Größe der Kühlfläche und/oder vom Kanalquerschnitt und/oder von der erforderlichen Durchflussmenge an Kühlmedium um eine vorgegebene Kühltemperatur zu erreichen. Beispielweise weist die erfindungsgemäße Kühlanordnung weist mindestens 10 schleifenartige Strömungskanäle auf. Hierbei ist die Strömungsweglänge des Umlenkabschnittes kleiner als die Strömungsweglängen des Zuführungs- und Abführungsabschnittes oder gleich den Strömungsweglängen des Zuführungs- und Abführungsabschnittes, um eine nahezu punktuelle bzw. abschnittsweise Zuführung des Kühlmediums im Bereich der Kühlfläche durch jeweils einen Strömungskanal zu gewährleisten. Alternativ kann die Strömungsweglänge des Umlenkabschnittes größer als die Strömungsweglängen des Zuführungs- und Abführungsabschnittes sein. Hierdurch ergibt sich zumindest im Übergangsbereich zwischen dem Zuführungs- und Umlenkabschnitt ebenfalls eine punktuelle bzw. abschnittsweise Kühlung.
Besonders vorteilhaft sind die schleifenartigen Strömungskanäle derart ausgebildet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums näherungsweise in allen Strömungskanälen konstant ist. Auch sind der Zuführungsabschnitt und/oder der Abführungsabschnitt einer kanalartigen Strömungsschleife in einer vorteilhaften Ausführungsvariante zur Oberflächenvergrößerung stufenartig und/oder spiralförmig entlang des senkrecht zur Kühlebene verlaufenden Strömungsweges ausgebildet.
Die Zuführungsabschnitte sind weiterhin vorteilhaft an zumindest eine gemeinsame Kühlmediumzufuhr und die Abführungsabschnitte an zumindest eine gemeinsame Kühlmediumabfuhr angeschlossen sind, wobei die gemeinsame Kühlmediumzufuhr durch einen sich über eine oder mehrere, an die zweite Deckschicht anschließenden Zwischenschichten erstreckenden Zuführraum und die gemeinsame Kühlmediumabfuhr durch einen sich über eine oder mehrere, an die zweite Deckschicht anschließenden Zwischenschichten erstreckenden Abführraum gebildet sind. Die zweite Deckschicht weist vorzugsweise mindestens eine Zuführöffnung in den Zuführraum und mindestens eine Abführöffnung in den Abführraum auf.
Weiterhin vorteilhaft weisen die Schichten eine unterschiedliche Dicke auf, vorzugsweise zwischen 100 Mikrometer und 1000 Mikrometer oder 500 Mikrometer und 2000 Mikrometer. Die Dicke der ersten Deckschicht kann in einer Ausführungsvariante kleiner als die Dicken der Zwischenschichten sein. Hierdurch wird eine möglichst geringe thermische Verluste aufweisende Kühlung in der Kühlebene erreicht. Bei einer Kupferschicht beträgt die Dicke beispielsweise zwischen 200 und 600 Mikrometer. In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Dicke der ersten Deckschicht größer als die Dicken der Zwischenschichten sein. Vorteilhaft ergibt sich hierdurch eine höhere Stabilität der Kühlanordnung, zumal die auf der Oberseite der Kühlanordnung auftretenden Zugspannungen effektiv entgegengewirkt werden kann. Schließlich ist es auch denkbar, die Dicke der erste Deckschicht und der Zwischenschichten anzugleichen. In allen vorgenannten Ausführungsvarianten beträgt die Dicke der ersten Deckschicht bzw. der Zwischenschicht jedoch mindestens 100 Mikrometer.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind der Zuführungsabschnitt und/oder Abführungsabschnitt einer kanalartigen Strömungsschleife durch mehrere, zumindest abschnittsweise deckungsgleiche Öffnungen und/oder längliche Durchbrüche in den aufeinanderfolgenden Zwischenschichten gebildet. Die Schichten können beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein und mittels eines „Direct-Copper-Bonding“-Verfahrens oder mittels eines Sinterverfahrens verbunden sein.
Zur Erzeugung der kanalartigen Strömungsschleifen sind die Öffnungen und/oder länglichen Durchbrüche näherungsweise gleichmäßig, vorzugsweise matrixartig über die jeweiligen Zwischenschichten verteilt angeordnet. Alternativ kann zur Erzielung einer punktuell oder bereichsweise höheren Kühlleistung die Verteilung der Öffnungen und/oder länglichen Durchbrüche auch auf eine Bereiche der Kühlfläche gebündelt oder versetzt erfolgen. Damit wird besonders vorteilhaft in ausgewählten Bereichen oder Abschnitten der Kühlfläche des Kühlers eine homogene Kühlwirkung erzeugt.
Weiterhin vorteilhaft sind der Zuführungsabschnitt und/oder Abführungsabschnitt einer kanalartigen Strömungsschleife in Richtung der Kühlebene sich verjüngend ausgebildet. Ferner beträgt der Anteil der Kühlfläche, der direkt von dem mit dem Kühlmedium beaufschlagten Eingangsbereiches des Umlenkabschnitten der kanalartigen Strömungsschleifen erfasst wird, bezogen auf die gesamte Kühlfläche der ersten Deckfläche zwischen 5% und 50%, vorzugsweise zwischen 10% und 25%. Der direkt mit dem Kühlmedium beaufschlagte Eingangsbereiches des Umlenkabschnittes entspricht näherungsweise der Querschnittsfläche des Zuführungsabschnittes im Übergangsbereich zwischen Zuführungsabschnitt und Umlenkabschnitt.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind bei einer ausschließlich aus mehreren Keramikschichten hergestellten Kühlanordnung zumindest eine obere und/oder untere Metallisierung aus Metall vorgesehen, wobei die zumindest eine Metallisierung eine Strukturierung aufweisen kann. Alternativ kann bei einer ausschließlich aus mehreren Metallschichten hergestellten Kühlanordnung zumindest eine obere und/oder untere Schicht aus Keramik ggf. gefolgt von einer weiteren Metallisierung vorgesehen sind, wobei beispielsweise die zumindest eine Schicht aus Keramik oder die Metallisierung eine Strukturierung aufweisen können.
Die Ausdrucke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht auf die Oberseite einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung,
2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht auf die Unterseite und Kühlfläche der erfindungsgemäßen Kühlanordnung gemäß 1,
3 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung gemäß 1,
4 ein schematischer Schnitt durch einen schleifenartigen Strömungskanal,
5 eine vereinfachte perspektivische Draufsicht auf die zweite Schicht des die erfindungsgemäßen Kühlanordnung bildenden Stapels,
6 eine vereinfachte perspektivische Draufsicht auf die dritte Schicht des die erfindungsgemäßen Kühlanordnung bildenden Stapels,
7 eine vereinfachte perspektivische Draufsicht auf die sechste Schicht des die erfindungsgemäßen Kühlanordnung bildenden Stapels,
8 eine vereinfachte perspektivische Draufsicht auf die siebte Schicht des die erfindungsgemäßen Kühlanordnung bildenden Stapels und
9 eine vereinfachte perspektivische Draufsicht auf die zehnte Schicht des die erfindungsgemäßen Kühlanordnung bildenden Stapels.
1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1, insbesondere eines Mikrokühlers zur flächigen Kühlung eines elektrischen Schaltkreises oder Bauelementes.
Die Kühlanordnung 1 umfassend N übereinander angeordnete und flächig miteinander zu einem Stapel verbundene dünne plattenartige Schichten S1–SN aus Metall und/oder Keramik. Vorzugsweise sind dünne plattenartige Metallschichten S1–SN vorgesehen, welche beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sind. Die plattenartigen Schichten S1–SN können unterschiedliche Dicken aufweisen. Beispielsweise bildet der Stapel aus den plattenartigen Schichten S1–SN eine quaderförmige oder würfelförmige Kühlanordnung 1, beispielsweise auch in Form eines Mikrokühlers aus.
Die Kühlanordnung 1 ist vorzugsweise zur flächigen Kühlung in einer Kühlebene KE ausgebildet, welche beispielsweise durch die Oberseite 1.1 oder die Unterseite 1.2 oder ein der Stirnseiten 1.3, 1.4 der Kühlanordnung 1 gebildet ist. In 2 ist in einer perspektiven Darstellung eine Ansicht der die Kühlfläche KF der Kühlanordnung 1 bildenden Oberseite 1.1 dargestellt.
Zur Verdeutlichung der Lage der unterschiedlichen Schichten S1 bis SN zueinander und bezogen auf die Kühlebene KE ist in den Figuren jeweils ein kartesisches Koordinatensystem mit einer x-Achse, y-Achse und z-Achse eingezeichnet, wobei die unterschiedlichen Schichten S1 bis SN beispielsweise in jeweils zur x-y-Ebene parallelen Ebenen angeordnet sind und entlang der z-Achse übereinander gestapelt werden. Die Kühlebene KE verläuft somit parallel zur x-y-Ebene.
Die Anzahl N der Schichten S1 bis SN kann erfindungsgemäß zwischen 6 und 30, vorzugsweise zwischen 8 und 15 variieren, und zwar abhängig vom Anwendungsfall. Zur Erläuterung der Erfindung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kühlanordnung 1 umfassend N = 11 Schichten beschrieben, d.h. zwischen den äußeren, die Ober- und Unterseite 1.1, 1.2 bildenden Schichten S1, S11 sind neun Zwischenschichten S2 bis S10 aufgenommen. Nachfolgend werden diese Schichten mit den Kurzzeichen S1 bis S11 versehen.
Erfindungsgemäß sind zumindest eine sich entlang der Kühlebene KE erstreckende und die Kühlfläche KF bildende erste Deckschicht S1 und zumindest eine der ersten Deckschicht S1 gegenüberliegende zweite Deckschicht S11 und mehrere, vorzugsweise mindestens drei zwischen der ersten und zweiten Deckschicht S1, S11 aufgenommene Zwischenschichten S2 bis S10 vorgesehen. Die erste und zweite Deckschicht S1, S11 bilden somit die Oberseite 1.1 bzw. Unterseite 1.1 der Kühlanordnung 1.
3 zeigt beispielhaft in einer perspektiven Darstellung einen Schnitt durch die Kühlanordnung 1 gemäß der 1 und 2. Hierbei sind die Zwischenschichten S2 bis S10 derart mit Öffnungen 2a und/oder länglichen Durchbrüchen 2b, 2c, 2d versehen, dass eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, schleifenartigen Strömungskanälen 3 zur Führung eines vorzugsweise flüssigen Kühlmediums im Inneren des Stapels bzw. der Kühlanordnung 1 sich ausbilden. Alternativ kann auch ein gasförmiges Kühlmedium oder ein während des Kühlprozesses vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehendes Kühlmedium vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße direkte Zu- und Abführung des Kühlmediums an die die Kühlfläche KF bildende erste Deckschicht S1 kann die erste Deckschicht S1 direkt und schnellmöglich mit dem flüssigen Kühlmedium beaufschlagt werden und bei einem Übergang des flüssigen Kühlmediums in den gasförmigen Zustand innerhalb des Strömungskanals 3 auf dem kürzesten Weg und somit unverzüglich wieder abgeleitet werden.
In 3 sind beispielhaft die schleifenartigen Strömungskanälen 3 mittels entsprechender schleifenartiger Pfeile angedeutet. Die Anzahl der schleifenartigen Strömungskanäle 3 ist hierbei abhängig von der Größe der Kühlfläche KF und/oder vom Querschnitt der Strömungskanäle 3 und/oder von der erforderlichen Durchflussmenge an Kühlmedium um eine vorgegebene Kühltemperatur zu erreichen.
Gemäß der schematischen Darstellung in 4 weisen die schleifenartigen Strömungskanäle 3 jeweils zumindest einen Zuführungsabschnitt 3.1, einen Umlenkabschnitt 3.2 und einen Abführungsabschnitt 3.3 auf, die zur gleichzeitigen Zu- und Abfuhr des Kühlmediums entlang eines senkrecht zur Kühlebene KE verlaufenden Strömungsweges SW, vorzugsweise durch mehrere Zwischenschichten S2 bis S7 ausgebildet sind. Die Zuführungsabschnitte 3.1 sind an zumindest eine gemeinsame Kühlmediumzufuhr 4 und die Abführungsabschnitte 3.3 an zumindest eine gemeinsame Kühlmediumabfuhr 5 angeschlossen. Die Zu- und Abführung des Kühlmediums an die gemeinsame Kühlmediumzufuhr 4 bzw. von der gemeinsamen Kühlmediumabfuhr 5 und über diese an die Vielzahl an angeschlossenen schleifenartigen Strömungskanäle 3 erfolgt mittels einer in zweiten Deckschicht S11 vorgesehenen Zuführöffnung 4‘ bzw. Abführöffnung 5‘. Vorzugsweise sind die schleifenartigen Strömungskanäle 3 derart ausgebildet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des durchgeführten Kühlmediums näherungsweise in den Strömungskanälen 3 konstant ist.
Die Umlenkabschnitte 3.2 der schleifenartigen Strömungskanäle 3 erstrecken sich entlang der Kühlebene KE und dienen zur punktuellen und/oder abschnittsweisen Kühlung der Kühlfläche KF. Hierbei erfolgt die Kühlung des jeweils vom Umlenkabschnitt 3.2 erfassten Abschnittes der Kühlfläche KF durch den Eingangsbereich 3.2‘ des Umlenkabschnittes 3.2, d.h. derjenige Bereich der vom Kühlmedium unmittelbar nach dessen Zuführung über den Zuführungsabschnitt 3.1 direkt mit dem Kühlmedium beaufschlagt wird. Die Breite des Eingangsbereiches 3.2‘ entspricht näherungsweise der Breite des Zuführungsabschnittes 3.1 des Strömungskanals 3. Der durch die Eingangsbereiche 3.2‘ der Umlenkabschnitte 3.2 der schleifenartigen Strömungskanäle 3 erfasste Flächenanteil bezogen auf die gesamte Kühlfläche KF beträgt beispielsweise zwischen 5% und 50%, vorzugsweise zwischen 10% und 25%.
Die Zuführung des Kühlmediums an die erste Deckschicht S1 erfolgt mittels der erfindungsgemäßen schleifenartigen Strömungskanäle 3 vertikal zur Kühlebene KE und somit auf dem kürzesten Weg von der zweiten Deckschicht S11 in Richtung der z-Achse zur ersten Deckschicht S1. Die erfindungsgemäßen schleifenartigen Strömungskanäle 3 können über die gemeinsame Kühlmediumzufuhr 4 näherungsweise gleichzeitig geflutet werden, und zwar vorzugsweise unter Beaufschlagung mit Druck, so dass sich bezogen auf die gesamte Kühlfläche KF eine zumindest abschnittsweise homogene Verteilung der Kühlwirkung im Bereich der Umlenkabschnitte 3.2 ergibt. Die sich einstellende Kühltemperatur der Kühlanordnung 1 ist damit näherungsweise konstant über die gesamte Kühlfläche KF.
Die schleifenartigen Strömungskanäle 3 sind beispielsweise derart innerhalb der Kühlanordnung 1 angeordnet, dass sich eine näherungsweise matrixartige Verteilung der Umlenkabschnitte 3.2 in zumindest der sich an die erste Deckschicht S1 anschließenden ersten Zwischenschicht S2 ergibt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Umlenkabschnitte 3.2 beispielsweise durch längliche, schlitzartige erste Durchbrüche 2b gebildet, welche in der ersten Zwischenschicht S2 vorgesehen und in mehreren Spalten und Reihen, d.h. matrixartig angeordnet sind. Die die Umlenkabschnitte 3.2 bildenden länglichen, schlitzartigen erste Durchbrüche 2b sind somit annähernd gleichmäßig über die gesamte Fläche der ersten Zwischenschicht S2 verteilt und im vorliegenden Ausführungsbeispiel entlang x-Achse orientiert. Alternativ können jedoch diese auch an den Stellen der Kühlfläche KF vorgesehen sein, an welche eine Kühlwirkung erforderlich ist, d.h. abschnittsweise gleichmäßig verteilt vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist die Strömungsweglänge L2 des Umlenkabschnittes 3.2 kleiner als die Strömungsweglängen L1, L3 des Zuführungs- und Abführungsabschnittes 3.1, 3.3 oder gleich der Strömungsweglängen L1, L3 des Zuführungs- und Abführungsabschnittes 3.1, 3.3. Die Strömungsweglängen L1 und L3 des Zuführungs- und Abführungsabschnittes 3.1, 3.3 weisen mindestens das Dreifache der Dicke der Zwischenschichten S2 bis S10, vorzugsweise das Vierfache bis Sechsfache der Dicke der Zwischenschichten S2 bis S10. 5 zeigt beispielhaft eine schematische Draufsicht auf die zweite Zwischenschicht S2 mit den matrixartig verteilten länglichen, schlitzartigen Durchbrüchen 2b. Alternativ kann die Strömungsweglänge L2 des Umlenkabschnittes 3.2 auch größer als die Strömungsweglängen L1, L3 des Zuführungs- und Abführungsabschnittes 3.1, 3.3 sein.
Zur Ausbildung der Zuführungs- und Abführungsabschnitte 3.1, 3.2 der schleifenartigen Strömungskanäle 3 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite bis vierte Zwischenschicht S3 bis S5 mehrere, vorzugsweise quadratische Öffnungen 2a auf, die im gestapelten Zustand zumindest abschnittsweise deckungsgleich zueinander angeordnet sind, so dass ein zur Aufnahme und Führung des Kühlmediums geeigneter Kanal entsteht. 6 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf die zweite Zwischenschicht S3 und die Vielzahl der matrixartig verteilten quadratischen Öffnungen 2a, welche vor der Bildung des Stapels in die zweite Zwischenschicht S3 eingebracht werden. Zwei benachbarte quadratischen Öffnungen 2a sind entweder zur Bildung des Zuführungs- oder des Abführungsabschnittes 3.1, 3.3 vorgesehen.
Wie auch 3 und 4 zu entnehmen ist sind die vorzugsweise quadratischen Öffnungen 2a in der zweiten bis vierten Zwischenschicht S3 bis S5 beispielsweise entlang der x- oder y-Achse leicht versetzt zueinander angeordnet, so dass sich eine gestufte Ausbildung der Zuführungs- und Abführungsabschnitte 3.1, 3.2 zur Vergrößerung der Oberfläche des schleifenartigen Strömungskanals 2 im Bereich der Zuführungs- und/oder Abführungsabschnitte 3.1, 3.2 ergibt. Hierdurch können effektiv Strömungswirbel im Kühlmedium erzeugt werden und damit laminare Strömungen verhindert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Oberflächenvergrößerung neben einer stufenartigen Ausbildung der Zuführungs- und Abführungsabschnitte 3.1, 3.2 auch eine spiralförmige Ausbildung um eine entlang des senkrecht zur Kühlebene KE verlaufenden Strömungsweges SW verlaufende Achse vorgesehen sein. Hierzu sind die quadratischen Öffnungen 2a in den sich an die erste Deckschicht S1 anschließenden Zwischenschichten S2 bis S5 entsprechend versetzt zueinander ausgebildet, und zwar vorzugsweise entlang der x- und y-Achse.
Die gemeinsame Kühlmediumzufuhr 4 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen sich über mehrere, an die zweite Deckschicht S11 anschließende Zwischenschichten S8 bis S10 erstreckenden Zuführraum gebildet, der sich vorzugsweise entlang der x-Achse über nahezu die gesamte Länge der Kühlanordnung 1 erstreckt.
Analog hierzu ist die gemeinsame Kühlmediumabfuhr 5 durch einen sich über mehrere, an die zweite Deckschicht S11 anschließende Zwischenschichten S8 bis S10 erstreckenden Abführraum gebildet. Dieser verläuft im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zum Zuführraum, wobei diese in den gegenüberliegenden Hälften der Kühlanordnung 1 angeordnet sind. In 9 ist beispielhaft eine schematische Draufsicht auf eine Kühlanordnung 1 ohne zweite Deckschicht S11 gezeigt, so dass diese die Sicht auf den gemeinsamen Zuführ- und Abführraum freigibt.
In 7 ist beispielhaft eine perspektivische Draufsicht auf die fünfte Zwischenschicht S6 dargestellt, welche eine Vielzahl von länglichen, schlitzartigen zweiten Durchbrüchen 2c zur Verbindung der schleifenartigen Strömungskanäle 3 mit der gemeinsamen Kühlmediumzufuhr 4 bzw. gemeinsamen Kühlmediumabfuhr 5 aufweist. Die länglichen, schlitzartigen zweiten Durchbrüche 2c sind entlang der y-Achse orientiert und verlaufen somit senkrecht zu den länglichen, schlitzartigen ersten Durchbrüchen 2b in der ersten Zwischenschicht S2. Zum Anschluss der Zuführungs- und Abführungsabschnitte 3.1, 3.2 der schleifenartigen Strömungskanäle 3 an den Zuführ- bzw. Abführraum erstrecken sich die länglichen, schlitzartigen zweiten Durchbrüchen 2c beispielsweise über die vollständige Breite der Kühlanordnung 1 um eine Zu- bzw. Abführung des Kühlmediums in bzw. aus den durch die erste bis vierten Zwischenschichten S2 bis S5 gebildeten Abschnitten des Strömungskanals 3 zu ermöglichen.
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf die sechste Zwischenschicht S7, welche sich an die fünfte Zwischenschicht S6 unmittelbar anschließt. Hier sind längliche, schlitzartige dritte Durchbrüche 2d vorgesehen, die ebenfalls entlang der y-Achse orientiert und versetzt zueinander in zwei parallel zueinander verlaufenden Reihen R1, R2 angeordnet sind, die sich entlang der x-Achse erstrecken. Die jeweils in den Reihen R1, R2 angeordneten länglichen, schlitzartigen dritten Durchbrüche 3d sind versetzt und parallel zueinander angeordnet sowie in einer Reihe R1, R2 jeweils entlang der x-Achse derart zueinander beabstandet, dass die im Stapel darüber liegenden länglichen, schlitzartigen zweiten Durchbrüche 2c entlang der y-Achse abschnittsweise überlappen. Die länglichen, schlitzartigen dritten Durchbrüche 2d erstrecken sich vorzugsweise über die halbe Länge der länglichen, schlitzartigen zweiten Durchbrüchen 2c. Die Zu- oder Abführung des Kühlmediums erfolgt somit über die Kühlmediumzufuhr 4 bzw. die Kühlmediumabfuhr 5 zunächst über die länglichen, schlitzartigen dritten Durchbrüche 2d in die länglichen, schlitzartigen zweiten Durchbrüche 2c und in die anschließenden vorzugsweise quadratischen Öffnungen 2a zu den schlitzartigen, länglichen ersten Durchbrüchen 2b. Hierbei stehen beispielsweise die in der einen Reihe R1 angeordneten länglichen, schlitzartigen dritten Durchbrüche 2d mit der Kühlmediumzufuhr 4 und die in der weiteren Reihe R2 angeordneten länglichen, schlitzartigen dritten Durchbrüche 2d mit der Kühlmediumabfuhr 5 in Verbindung.
Auch können der Zuführungsabschnitt 3.1 und/oder der Abführungsabschnitt 3.3 einer kanalartigen Strömungsschleife sich in Richtung der Kühlebene KE bzw. entlang des Strömungsweges SW verjüngen.
Die Dicke der aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellten Schichten S1 bis SN beträgt wenigstens 100 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 100 und 1000 Mikrometer. Es versteht sich, dass auch andere geeignete Metalle zur Herstellung der Schichten S1 bis SN Anwendung finden können.
Bei Realisierung in Form einer Keramik können beispielsweise eine Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al2O3 + ZrO2) zur Anwendung kommen, deren Dicke beispielsweise zwischen 100 Mikrometer und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 150 Mikrometer und 600 Mikrometer beträgt.
Zur flächigen Verbindung der Schichten S1 bis SN aus Metall und/oder Keramik kann nach einem geeigneten sintern der Schichten S1 bis SN ein an sich bekanntes Direct-Copper-Bonding-Verfahren oder ein Aktivlot- bzw. Hartlotverfahren oder ein Sinterverfahren oder ein Klebeverfahren Verwendung finden, und zwar bei Verbindung zweier Metallschichten oder einer Metall- und einer Keramikschicht. Die Verbindung zweier Keramikschichten kann über geeignetes Klebeverfahren oder Sinterverfahren oder Lötverfahren erfolgen.
Die Schichten S1–SN weisen in einer Ausführungsvariante eine unterschiedliche Dicke auf, vorzugsweise zwischen 100 Mikrometer und 1000 Mikrometer oder 500 Mikrometer und 2000 Mikrometer.
Insbesondere kann die Dicke der ersten Deckschicht S1 kleiner als die Dicken der Zwischenschichten S2–S10 oder die Dicke der ersten Deckschicht S1 größer als die Dicken der Zwischenschichten S2–S10 ausgebildet sein. Auch ist eine Ausführungsform denkbar, gemäß der die Dicke der erste Deckschicht S1 und der Zwischenschichten gleich ist. In allen Ausführungsvarianten beträgt jedoch die Dicke der ersten Deckschicht S1 bzw. einer Zwischenschicht S2–S10 mindestens 100 Mikrometer.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Kühlanordnung
1.1: Oberseite
1.2: Unterseite
2a–2d: Öffnungen bzw. längliche, schlitzartige Durchbrüche
3: Strömungsschleifen
3.1: Zuführungsabschnitt
3.2: Umlenkabschnitt
3.2‘: Eingangsbereich
3.3: Abführungsabschnitt
4: Kühlmediumzufuhr
4‘: Zuführöffnung
5: Kühlmediumabfuhr
5‘: Abführöffnung
S1–SN: Schichten
S1: erste Deckschicht
S11: zweite Deckschicht
S2–S10: erste bis neunte Zwischenschicht
KE: Kühlebene
KF: Kühlfläche
N: Anzahl der Schichten
R1, R2: Reihen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5105430 [0002]
DE 19506091 B4 [0002]
EP 1555079 B1 [0002]

Claims

Kühlanordnung zur flächigen Kühlung eines elektrischen Schaltkreises oder Bauelementes entlang einer Kühlebene (KE) umfassend N übereinander angeordnete und flächig miteinander zu einem Stapel verbundene dünne plattenartige Schichten (S1–SN) aus Metall und/oder Keramik, und zwar zumindest eine sich entlang der Kühlebene (KE) erstreckende und eine Kühlfläche (KF) bildende erste Deckschicht (S1) und zumindest eine der ersten Deckschicht (S1) gegenüberliegende zweite Deckschicht (S11) und mindestens drei zwischen der ersten und zweiten Deckschicht (S1, S11) aufgenommene Zwischenschichten (S2–S10), wobei die Zwischenschichten (S2–S10) derart mit Öffnungen (2a) und/oder länglichen Durchbrüchen (2b, 2c, 2d) versehen sind, dass eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, schleifenartigen Strömungskanälen (3) zur Führung eines vorzugsweise flüssigen Kühlmediums im Inneren des Stapels sich ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenartigen Strömungskanäle (3) zur gleichzeitigen Zu- und Abfuhr des Kühlmediums entlang eines im Wesentlichen senkrecht zur Kühlebene (KE) verlaufenden Strömungsweges (SW) ausgebildet sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlich senkrecht zur Kühlebene (KE) verlaufende Strömungsweg (SW) durch mehrere Zwischenschichten (S2–S6) verläuft.
Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenartigen Strömungskanäle (3) jeweils zumindest einen Zuführungsabschnitt (3.1), einen Umlenkabschnitt (3.2) und einen Abführungsabschnitt (3.3) aufweisen, wobei der Umlenkabschnitt (3.2) entlang der Kühlebene (KE) und der Zuführungsabschnitt (3.1) und der Abführungsabschnitt (3.3) entlang des senkrecht zur Kühlebene (KE) verlaufenden Strömungsweges (SW) orientiert sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsweglänge (L2) des Umlenkabschnittes (3.2) kleiner als die Strömungsweglängen (L1, L3) des Zuführungs- und Abführungsabschnittes (3.1, 3.3) oder gleich den Strömungsweglängen (L1, L3) des Zuführungs- und Abführungsabschnittes (3.1, 3.3) ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsweglänge (L2) des Umlenkabschnittes (3.2) größer als die Strömungsweglängen (L1, L3) des Zuführungs- und Abführungsabschnittes (3.1, 3.3) ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenartigen Strömungskanäle (3) derart ausgebildet sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums näherungsweise in den Strömungskanälen (3) konstant ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungsabschnitt (3.1) und/oder der Abführungsabschnitt (3.3) einer kanalartigen Strömungsschleife (3) zur Oberflächenvergrößerung stufenartig und/oder spiralförmig entlang des senkrecht zur Kühlebene (KE) verlaufenden Strömungsweges (SW) ausgebildet ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsabschnitte (3.1) an zumindest eine gemeinsame Kühlmediumzufuhr (4) und die Abführungsabschnitte (3.3) an zumindest eine gemeinsame Kühlmediumabfuhr (5) angeschlossen sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Kühlmediumzufuhr (4) durch einen sich über eine oder mehrere, an die zweite Deckschicht (S11) anschließende Zwischenschichten (S8–S10) erstreckenden Zuführraum gebildet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Kühlmediumabfuhr (5) durch einen sich über eine oder mehrere, an die zweite Deckschicht (S11) anschließenden Zwischenschichten (S8–S10) erstreckenden Abführraum gebildet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Deckschicht (S11) mindestens eine Zuführöffnung (4‘) in den Zuführraum und mindestens eine Abführöffnung (5‘) in den Abführraum aufweist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (S1–SN) eine unterschiedliche Dicke aufweisen, vorzugsweise zwischen 100 Mikrometer und 1000 Mikrometer oder 500 Mikrometer und 2000 Mikrometer.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Deckschicht (S1) kleiner als die Dicken der Zwischenschichten (S2–S10) ist oder dass die Dicke der ersten Deckschicht (S1) größer als die Dicken der Zwischenschichten (S2–S10) ist oder dass die Dicke der erste Deckschicht (S1) und der Zwischenschichten gleich ist, wobei die Dicke der ersten Deckschicht (S1) bzw. einer Zwischenschicht (S2–S10) jedoch mindestens 100 Mikrometer beträgt.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Schichten (S1–SN) zwischen 8 und 15 beträgt.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der schleifenartigen Strömungskanäle (3) abhängig von der Größe der Kühlfläche (KF) und/oder vom Kanalquerschnitt und/oder von der erforderlichen Durchflussmenge an Kühlmedium zum Erreichen einer vorgegebenen Kühltemperatur gewählt ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungsabschnitt (3.1) und/oder Abführungsabschnitt (3.3) einer kanalartigen Strömungsschleife (3) durch mehrere, zumindest abschnittsweise deckungsgleiche Öffnungen (2a) und/oder längliche Durchbrüche (2b, 2c, 2d) in den aufeinanderfolgenden Zwischenschichten (S2–S7) gebildet ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung jeweils zweier Schichten (S1–SN) aus Metall oder Metall und Keramik ein „Direct-Copper-Bonding“-Verfahren oder ein Aktivlot- bzw. Harlot-Verfahren oder einer Sinterverfahren oder ein Klebeverfahren Verwendung findet.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung jeweils zweier Schichten (S1–SN) aus Keramik ein Klebeverfahren oder ein Lötverfahren oder ein Sinterverfahren Verwendung findet.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungsabschnitt (3.1) und/oder Abführungsabschnitt (3.3) einer kanalartigen Strömungsschleife (3) in Richtung der Kühlebene (KE) sich verjüngend ausgebildet sind.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Kühlfläche, der direkt von dem mit dem Kühlmedium beaufschlagten Eingangsbereich (3.2‘) des Umlenkabschnitten (3.2) der kanalartigen Strömungsschleifen (3) erfasst wird, bezogen auf die gesamte Kühlfläche (KF) der ersten Deckfläche (S1) zwischen 5% und 50%, vorzugsweise zwischen 10% und 25% beträgt.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der kanalartigen Strömungsschleifen (3) die Öffnungen (2a) und/oder länglichen Durchbrüche (2b, 2c, 2d) näherungsweise gleichmäßig, vorzugsweise matrixartig über die jeweiligen Zwischenschichten (S2 bis S7) verteilt sind.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ausschließlich aus mehreren Keramikschichten hergestellten Kühlanordnung (1) zumindest eine obere und/oder untere Metallisierung aus Metall vorgesehen ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Metallisierung eine Strukturierung aufweist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ausschließlich aus mehreren Metallschichten hergestellten Kühlanordnung (1) zumindest eine obere und/oder untere Schicht aus Keramik ggf. gefolgt von einer weiteren Metallisierung vorgesehen ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schicht aus Keramik oder die Metallisierung eine Strukturierung aufweisen.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (1) einen Mikrokühler bildet.