DE102015212836A1

DE102015212836A1 - A method of producing a coolable electronic component and assembly comprising an electronic component and a cooling element and cooling element

Info

Publication number: DE102015212836A1
Application number: DE102015212836.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Franke; Peter Frühauf; Rüdiger Knofe; Bernd Müller; Stefan Nerreter; Michael Niedermayer; Ulrich Wittreich; Manfred Zäske
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer kühlbaren elektronischen Komponente, bestehend aus einem Kühlelement (16) und einer elektronischen Komponente (11). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der eine Fügepartner zum Beispiel eine weiche Schicht (14) aufweist, in die Strukturelemente (18) des härteren anderen Fügepartners durch eine Montagekraft eingedrückt werden können. Hierbei entsteht eine Verbindungsfläche (22) als inniger Kontakt zwischen den beiden Fügepartnern, so dass ein verbesserter Wärmetransport aus der elektronischen Komponente (11) in das Kühlelement (16) gewährleistet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine entsprechend gefügte Baugruppe sowie einen zum Zwecke der Montage in der beschriebenen Weise modifizierten Kühler.The invention relates to a method for producing a coolable electronic component, comprising a cooling element (16) and an electronic component (11). According to the invention, one joining partner has, for example, a soft layer (14) into which structural elements (18) of the harder other joining partner can be pressed by an assembly force. This results in a connecting surface (22) as intimate contact between the two joining partners, so that an improved heat transfer from the electronic component (11) is ensured in the cooling element (16). The invention also relates to a correspondingly joined assembly and a modified for the purpose of mounting in the manner described cooler.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer kühlbaren elektronischen Komponente, wobei die elektronische Komponente eine Grenzfläche zur Verfügung stellt, auf der ein Kühlelement mit einer Montageseite montiert werden kann. Außerdem betrifft die Erfindung eine Baugruppe mit einer elektronischen Komponente und einem Kühlelement, welches mit der elektronischen Komponente in Kontakt steht und zuletzt betrifft die Erfindung ein solches Kühlelement.The invention relates to a method for producing a coolable electronic component, wherein the electronic component provides an interface on which a cooling element can be mounted with a mounting side. In addition, the invention relates to an assembly with an electronic component and a cooling element, which is in contact with the electronic component and last, the invention relates to such a cooling element.

Es ist hinlänglich bekannt, dass elektronische Komponenten mit vorzugsweise passiven Kühlelementen versehen werden, um die Verlustwärme, die während des Betriebs der elektronischen Komponente entsteht, abzuführen. Die fortschreitende Erhöhung der durch elektronische Komponenten umgesetzten Leistungen bei gleichzeitiger Miniaturisierung der zum Einsatz kommenden Bauelemente führt dazu, dass pro zur Verfügung stehender Flächeneinheit der elektronischen Komponente immer größere Wärmemengen transportiert werden müssen. Dabei sind es die immer kleiner werdenden Kontaktflächen zwischen den elektronischen Komponenten als Wärmequelle und den zum Einsatz kommenden Kühlkörpern oder Medien, die eine effektive Entwärmung der elektronischen Komponenten erschweren. Andererseits ist eine zuverlässige Entwärmung Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion der mit den elektronischen Komponenten realisierten Schaltungen.It is well known that electronic components are preferably provided with passive cooling elements to dissipate the heat lost during operation of the electronic component. The progressive increase in the services implemented by electronic components with simultaneous miniaturization of the components used leads to ever greater amounts of heat having to be transported per available unit area of the electronic component. It is the ever-decreasing contact surfaces between the electronic components as a heat source and the heat sinks or media used that make effective cooling of the electronic components difficult. On the other hand, a reliable cooling is a prerequisite for proper functioning of the realized with the electronic components circuits.

Bei konventionellen Kühlkörpertechnologien kommen Kühlkörper beispielsweise aus Aluminium zum Einsatz, die eine Montageseite zur Verfügung stellen, mit der sie auf eine Grenzfläche der elektronischen Komponente aufgesetzt werden können. Die zum Einsatz kommenden Kühlkörper haben häufig Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche zur Wärmeabgabe und lassen sich beispielsweise in Aluminium kostengünstig als Strangpressprofil herstellen. Die mögliche Wärmeabgabe solcher passiven Kühler ist jedoch an physikalische Grenzen gebunden, so dass konventionelle Kühlelemente bei der Entwärmung an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Statt Aluminium kann auch ein besser wärmeleitfähiges Metall wie Kupfer ausgewählt werden. Allerdings sind derartige Kühlkörper aufgrund von höheren Material- und Fertigungskosten weniger wirtschaftlich.Conventional heat sink technologies use heat sinks made of aluminum, for example, which provide a mounting side with which they can be placed on an interface of the electronic component. The heat sinks used often have ribs to increase the surface area for heat dissipation and can be produced, for example, in aluminum cost-effectively as an extruded profile. However, the potential heat release of such passive coolers is bound to physical limits, so that conventional cooling elements reach their performance limits during cooling. Instead of aluminum, a more thermally conductive metal such as copper can be selected. However, such heat sinks are less economical due to higher material and manufacturing costs.

Eine andere Möglichkeit besteht in einer aktiven Kühlung durch eine erzwungene Konvektion eines Kühlmittels, beispielsweise von Luft, die mittels eines Lüfters bewegt wird, oder einer Flüssigkeit, die beispielsweise in sogenannten Heat-Pipes zum Einsatz kommen kann. Derartige Entwärmungslösungen sind aber teurer als eine passive Kühlung und zudem auch weniger zuverlässig, so dass ein Bestreben besteht, auf eine aktive Kühlungslösung zu verzichten.Another possibility is an active cooling by a forced convection of a coolant, for example, air, which is moved by means of a fan, or a liquid that can be used for example in so-called heat pipes. However, such Entwärmungslösungen are more expensive than a passive cooling and also less reliable, so that there is a desire to dispense with an active cooling solution.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer kühlbaren elektronischen Komponente bzw. eine Baugruppe mit einer elektronischen Komponente und einem mit diesem in Kontakt stehenden Kühlelement anzugeben, mit dem eine vergleichsweise hohe Entwärmungsleistung mit vergleichsweise einfachen und zuverlässigen Mitteln umgesetzt werden kann.The object of the invention is therefore to specify a method for producing a coolable electronic component or an assembly having an electronic component and a cooling element in contact therewith, with which a comparatively high heat dissipation performance can be implemented with comparatively simple and reliable means.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die beiden Fügeflächen durch Werkstoffe gebildet werden, die sich in ihrer Härte unterscheiden. Die eine Fügefläche ist dabei eben ausgeführt und die andere Fügefläche mit einer Erhebungen und Vertiefungen aufweisenden Oberflächenstruktur ausgestattet. Bei der Montage durch Fügen der beiden Fügepartner wird ein Anpressdruck zwischen den beiden Fügeflächen erzeugt, durch den die Fügefläche aus dem weicheren Werkstoff unter Vergrößerung einer Verbindungsfläche zwischen den Fügepartnern plastisch verformt wird. Dabei kann sich in Abhängigkeit von der Stärke des Anpressdrucks auch der härtere Fügepartner elastisch und/oder plastisch verformen, wobei dies zur Lösung der Aufgabe nicht unbedingt erforderlich ist.This object is achieved according to the invention with the method specified above, that the two joining surfaces are formed by materials that differ in their hardness. The one joining surface is flat and the other joining surface is provided with a surface structure having elevations and depressions. During assembly by joining the two joining partners, a contact pressure between the two joining surfaces is produced, by means of which the joining surface of the softer material is plastically deformed by enlarging a connecting surface between the joining partners. In this case, depending on the strength of the contact pressure and the harder mating partner elastically and / or plastically deform, and this is not absolutely necessary to solve the problem.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch die Entstehung einer Verbindungsfläche durch plastische Verformung des weicheren Fügepartners eine innige Verbindung durch direkten metallischen Kontakt entsteht. Daher kann die Applikation eines Interfacematerials (Thermal Interface Material, kurz TIM) unterbleiben, welches gewöhnlich als Paste oder Folie, die dauerelastisch oder formstabil sein kann, zwischen dem Kühlkörper und der elektronischen Komponente vorgesehen wird. Hierdurch kann einerseits der mit der Applikation verbundene zusätzliche Aufwand beim Fügen eingespart werden. Außerdem ist eine direktere Übertragung von Wärme bei einem geringeren thermischen Widerstand über die Verbindungsfläche möglich. Die Verbindungsfläche, die entsteht, ist groß genug, um einen guten Wärmeübergang realisieren zu können. Die Kontaktkraft, die nach dem Fügen notwendig ist, um das Kühlelement auf der elektronischen Komponente zu halten, kann durch eine geeignete Haltevorrichtung, beispielsweise in Form von Federn, Schrauben oder Klemmen, aufrechterhalten werden.The advantage of the method according to the invention is that the formation of a connecting surface by plastic deformation of the softer joining partner creates an intimate connection by direct metallic contact. Therefore, the application of an interface material (thermal interface material, short TIM) can be omitted, which is usually provided as a paste or film, which may be permanently elastic or dimensionally stable, between the heat sink and the electronic component. As a result, on the one hand, the additional effort associated with the application during joining can be saved. In addition, a more direct transfer of heat at a lower thermal resistance across the interface is possible. The bonding surface that arises is large enough to allow good heat transfer. The contact force necessary after joining to hold the cooling element on the electronic component can be maintained by a suitable holding device, for example in the form of springs, screws or clamps.

Bei geeigneter Strukturierung der Oberflächenstruktur ergibt sich insgesamt eine größere Verbindungsfläche aufgrund des Vorhandenseins der Vertiefungen und Erhebungen und der damit verbundenen Oberflächenvergrößerung, als bei einer planen Verbindungsfläche. Dies ist auch der Fall, wenn zwischen dem Kühlelement und der elektronischen Komponente Hohlräume verbleiben, so dass die Verbindungsfläche etwas kleiner ausfällt, als die Gesamtfläche der strukturierten Fügefläche. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die strukturierte Fügefläche hart genug ist, dass sich die weichere Fügefläche genügend verformen kann. With suitable structuring of the surface structure, the overall result is a larger joint surface due to the presence of the depressions and elevations and the associated increase in surface area, than in the case of a planar joint surface. This is also the case if cavities remain between the cooling element and the electronic component, so that the connection surface is slightly smaller than the total area of the structured joining surface. The prerequisite for this, however, is that the structured joining surface is hard enough that the softer joining surface can deform sufficiently.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur in der Fügefläche aus dem härteren Werkstoff vorgesehen ist. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Oberflächenstruktur in dem weicheren Werkstoff, dessen Oberfläche eben ausgeführt ist, abgebildet wird. Hierbei wird das weichere Material verdrängt, so dass sich dieses unter Ausbildung der Verbindungsfläche an die Oberflächenstruktur des härteren Materials anschmiegt. Durch die Profilhöhe der Oberflächenstruktur, also den Abstand von dem tiefsten Punkt der Vertiefungen bis zu dem höchsten Punkt der Erhebungen, fällt die Gesamtfläche der Oberflächenstruktur größer aus, als im Vergleich hierzu die ebene Fügefläche. Dies führt dazu, dass nach Verformung der weicheren planen Fügefläche eine größere Verbindungsfläche für eine Wärmeübertragung zur Verfügung steht, als wenn zwei flache Fügeflächen gefügt worden wären, auch wenn an den jeweils tiefsten Stellen der Vertiefungen ein Restvolumen verbleibt, in dem sich keine Verbindungsfläche ausbildet.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the surface structure is provided in the joining surface of the harder material. In this way, it can be advantageously achieved that the surface structure is imaged in the softer material whose surface is flat. In this case, the softer material is displaced, so that this conforms to form the bonding surface of the surface structure of the harder material. Due to the profile height of the surface structure, ie the distance from the lowest point of the depressions to the highest point of the elevations, the total surface area of the surface structure is larger than in comparison to the flat joining surface. The result of this is that, after deformation of the softer planar joining surface, a larger connecting surface is available for heat transfer than if two flat joining surfaces had been joined, even if a residual volume remained at the respective deepest points of the depressions, in which no connecting surface forms.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erhebungen aus Spitzen oder Graten bestehen. Diese sind scharfkantig, so dass durch die Fügekraft vorteilhaft eine hohe Flächenpressung auf der ebenen Fügefläche des weicheren Fügepartners entsteht. Hierdurch wird der Verdrängungsprozess des Werkstoffs eingeleitet, der zu einem Fließen und sich Anschmiegen der weicheren Fügefläche an die härtere Fügefläche führt. Als Strukturelemente mit Spitzen können beispielsweise pyramidenförmige oder kegelförmige Strukturelemente verwendet werden. Bei den pyramidenförmigen Strukturelementen kommen vorzugsweise Pyramiden mit dreieckiger, viereckiger (vorzugsweise quadratischer) oder sechseckiger Grundfläche zum Einsatz. Diese können vorteilhaft dicht an dicht an der Fügefläche angeordnet werden, so dass sie als Strukturelemente in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind. Zwischen diesen Strukturelementen befinden sich dann die Vertiefungen, die ein netzartiges, von dem gewählten Raster abhängiges Kanalsystem ausbilden. Dabei ergeben sich je nach Grundfläche der Oberflächenstruktur quadratische, rechteckige, sechseckige oder runde Rasterzellen.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the elevations consist of peaks or ridges. These are sharp-edged, so that advantageously creates a high surface pressure on the flat joining surface of the softer joining partner by the joining force. As a result, the displacement process of the material is initiated, which leads to a flow and nestling of the softer joining surface to the harder joining surface. As structural elements with tips, for example pyramidal or conical structural elements can be used. In the pyramidal structural elements are preferably pyramids with triangular, square (preferably square) or hexagonal base used. These can be advantageously arranged close to the joining surface, so that they are arranged as structural elements in a regular grid. Between these structural elements are then the recesses, which form a network-like, dependent on the selected grid channel system. Depending on the surface area of the surface structure, square, rectangular, hexagonal or round grid cells result.

Ein regelmäßiges Raster kann auch vorgesehen werden, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung die Oberflächenstruktur in der Fügefläche aus dem weicheren Werkstoff vorgesehen wird. Hier können die Strukturelemente der Oberflächenstruktur mit konkaven Strukturelementen versehen sein, was bedeutet, dass die Strukturelemente zum härten Fügepartner hin beispielsweise kalottenartig strukturiert sind. Die Strukturelemente selbst können dabei beispielsweise säulenartig dicht an dicht nebeneinander die weichere Fügefläche ausbilden, wobei die konkave Struktur jeweils auf den Deckelflächen der Säulen vorgesehen ist. Wird der weichere Fügepartner nun auf den härteren Fügepartner gepresst, so flachen sich die konkaven Areale der Fügefläche unter Ausbildung der Verbindungsfläche ab. Zwischen den so entstehenden Anteilen der Fügefläche verbleiben zwar Restvolumen, in denen die Verbindungsfläche unterbrochen ist, jedoch ist der Kontakt in der entstehenden Verbindungsfläche durch die Verformung des weicheren Fügepartners qualitativ hochwertiger, als wenn zwei ebene Fügeflächen gefügt werden würden, so dass auch bei dieser Variante der Erfindung die effektiv zur Verfügung stehende Verbindungsfläche im Vergleich zu einer gemäß dem Stand der Technik gefügten Verbindung erhöht ist.A regular grid can also be provided if according to another embodiment of the invention, the surface structure is provided in the joining surface of the softer material. Here, the structural elements of the surface structure can be provided with concave structural elements, which means that the structural elements are, for example, dome-shaped in the direction of the hardening joining partner. The structural elements themselves can, for example, form the softer joining surface close to one another like a column, the concave structure being provided in each case on the cover surfaces of the columns. If the softer joining partner is now pressed onto the harder mating partner, then the concave areas of the joining surface flatten to form the connecting surface. Although residual volumes in which the connection surface is interrupted remain between the parts of the joining surface which are formed in this way, the contact in the resulting connecting surface is of higher quality due to the deformation of the softer joining partner than if two flat joining surfaces were joined, so that also in this variant of the invention, the effective available joint area is increased compared to a compound joined according to the prior art.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass das zwischen den Fügeflächen verbleibende Restvolumen mit einem Füllstoff ausgefüllt werden. Hierbei können die Kapillarkräfte ausgenutzt werden, die aufgrund der engen Querschnitte der das Restvolumen bildenden Zwischenräume entstehen. Der Füllstoff füllt diese Zwischenräume dann zumindest teilweise aus und ermöglicht vorteilhaft einen zusätzlichen Wärmeübergang zwischen den beiden Fügepartnern, was die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung vorteilhaft erhöht. Dabei besteht keine Gefahr, dass der Füllstoff in die Verbindungsfläche eindringt, weil diese aufgrund der Verformung des weicheren Fügepartners durch ein festes Anliegen beider Fügepartner aneinander ausgebildet ist. Hier wird daher der Wärmeübergang bei vorteilhaft geringen thermischem Widerstand realisiert.According to a particular embodiment of the invention can be provided that the remaining between the joining surfaces residual volume are filled with a filler. Here, the capillary forces can be exploited, which arise due to the narrow cross sections of the residual volume forming spaces. The filler then fills these intermediate spaces at least partially and advantageously allows additional heat transfer between the two joining partners, which advantageously increases the thermal conductivity of the connection. There is no risk that the filler penetrates into the connecting surface, because this is formed due to the deformation of the softer joining partner by a firm concern of both joining partners together. Here, therefore, the heat transfer is realized at advantageously low thermal resistance.

Der Füllstoff, der vorteilhaft aus einem thermischen Leitkleber oder einem Lotwerkstoff gebildet sein kann, führt vorteilhaft auch zu einer zuverlässigen Fixierung der Fügepartner aneinander. Wird ein Füllstoff verwendet, der beim Erstarren (Lotwerkstoff) oder Aushärten (Kleber) schrumpft, so wird durch den Füllstoff auch eine Zugkraft auf die Fügepartner ausgeübt, die einen Andruck der beiden Fügepartner gewährleistet. Daher kann auf eine zusätzliche Einrichtung zur Erzeugung einer Druckkraft zwischen den beiden Fügepatnern vorteilhaft verzichtet werden.The filler, which may advantageously be formed from a thermal conductive adhesive or a brazing material, advantageously leads to a reliable fixation of the joining partners together. If a filler is used which shrinks during solidification (brazing material) or curing (adhesive), the filler also exerts a tensile force on the joining partners, which ensures a pressure of the two joining partners. Therefore, can be advantageously dispensed with an additional means for generating a compressive force between the two joining patern.

Eine solche Druckkraft kann alternativ gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung auch durch eine Haltevorrichtung aufrechterhalten werden. Diese kann beispielsweise durch einen Halterahmen erzeugt werden, in dem Federn auf die beiden Fügepartner wirken. Andere Möglichkeiten bestehen in der Verwendung von Schrauben, Klemmen oder Rastverbindern.Such a compressive force can alternatively be maintained by a holding device according to an advantageous embodiment. This can be produced, for example, by a holding frame in which springs act on the two joining partners. Other options include the use of screws, clamps or snap connectors.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die weichere der beiden Fügeflächen durch eine Schicht zur Verfügung gestellt wird. Hierbei ist man vorteilhaft in der Wahl des Werkstoffs frei, da der restliche Fügepartner dann aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden kann. Bildet die Schicht den ebenen Fügepartner, so ist zu beachten, dass die Dicke der Schicht mindestens der Eindringtiefe der Strukturelemente der Oberflächenstruktur des härteren Fügepartners entsprechen muss. Vorteilhaft ist es, die Schicht sogar dicker auszuführen als die Eindringtiefe, so dass Material auch in tieferen Regionen der Schicht dem Druck der Oberflächenstrukturierung ausweichen kann. Die Schicht kann beispielsweise eineinhalb bis zwei Mal so dick wie die Eindringtiefe der Oberflächenstruktur ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the method, it is provided that the softer of the two joining surfaces is provided by a layer. In this case, it is advantageous in the choice of the material freely, since the remaining joining partners can then be made of a different material. If the layer forms the planar joining partner, it should be noted that the thickness of the layer must correspond at least to the penetration depth of the structural elements of the surface structure of the harder joining partner. It is advantageous to make the layer even thicker than the penetration depth, so that material can escape the pressure of surface structuring even in deeper regions of the layer. The layer may be formed, for example, one and a half to two times as thick as the penetration depth of the surface structure.

Die Verformung des weicheren Fügepartners kann vorteilhaft weiter unterstützt werden, indem der weichere Werkstoff vor dem Fügen erwärmt wird. Diese Erwärmung soll allerdings nicht zu einem Aufschmelzen des weicheren Werkstoffs führen. Wird als weicherer Werkstoff ein Metall verwendet, kann die Erwärmung soweit erfolgen, dass dieser metallische Werkstoff beim Fügen nicht kaltverformt, sondern warmverformt wird. Hier kann der typischen Verfestigung des Gefüges bei einer Kaltverformung entgegengewirkt werden, die dazu führt, dass die Fügekraft bei fortschreitender Verformung des weicheren Fügepartners sich zu stark vergrößern würde.The deformation of the softer joining partner can be advantageously further supported by the softer material is heated prior to joining. However, this heating should not lead to a melting of the softer material. If a metal is used as the softer material, the heating can take place to such an extent that this metallic material is not cold-worked during joining, but is thermoformed. Here, the typical hardening of the microstructure can be counteracted in the case of cold deformation, which leads to the joining force becoming too great as the softer joining partner continues to deform.

Weiterhin wird die genannte Aufgabe durch die eingangs angegebene Baugruppe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kontakt der Fügepartner durch eine unmittelbare Verbindung an einer Verbindungsfläche zustande kommt. Unmittelbar ist die Verbindung, wie bereits erläutert, deswegen, weil diese durch Verformung des weicheren Fügepartners zustande kommt und hierdurch eine optimale Anbindung erzeugt wird. Zu diesem Zweck weist einer der beiden Fügepartner eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen auf. Die beiden Fügeflächen der Fügepartner sind auch aus Werkstoffen unterschiedlicher Härte gebildet, so dass sich die Fügefläche mit der geringeren Härte unter Ausbildung der Verbindungsfläche an die Fügefläche mit der größeren Härte anschmiegt. Neben einem plastischen Verformungsanteil ist hierbei auch ein elastischer Verformungsanteil sowohl in dem härteren, als in dem weicheren Fügepartner für ein Anschmiegen verantwortlich. Dieser elastische Verformungsanteil wird in dem Maße aufrechterhalten, wie nach dem Fügen eine Haltekraft durch eine Haltevorrichtung auf die Fügepartner ausgeübt wird (beispielsweise durch eine Schraubverbindung). Wie bereits erläutert, stellt die Verbindungsfläche eine Übergangsfläche für eine Entwärmung der elektronischen Komponente zur Verfügung, die einen vorteilhaft geringen thermischen Widerstand aufweist.Furthermore, the above object is achieved by the above-mentioned assembly according to the invention that the contact of the joining partners comes about by a direct connection to a connection surface. Immediately, the connection, as already explained, therefore, because this comes about by deformation of the softer joining partner and thus an optimal connection is created. For this purpose, one of the two joining partners has a surface structure with elevations and depressions. The two joining surfaces of the joining partners are also formed of materials of different hardness, so that the joining surface with the lower hardness while forming the connecting surface conforms to the joining surface with the greater hardness. In addition to a plastic deformation component, an elastic deformation component is responsible for nestling both in the harder and in the softer joining partner. This elastic deformation component is maintained to the extent that after the joining a holding force is exerted by a holding device on the joining partners (for example, by a screw). As already explained, the connecting surface provides a transition surface for cooling the electronic component, which has advantageously low thermal resistance.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Baugruppe ist vorgesehen, dass der Werkstoff des härteren Fügepartners mindestens eineinhalb mal (d. h. 1,5 mal) so hart ist, wie der Werkstoff des weicheren Fügepartners. Die Härte der Fügepartner kann bei der Auswahl des härteren sowie weicheren Werkstoffs durch Vergleich der Härtewerte, gemessen z. B. als Mohs-Härte oder Vickers-Härte, bestimmt werden. Die Mohs-Härte verschiedener Werkstoffe können beispielsweise der folgenden Tabelle entnommen werden. Werkstoff Mohs-Härte Sn, Pb 1,5 Zn, Mg 2,5 Al 2,75 Au, Ag 2,5 ... 3,0 Cu 3,0 Pt 3,5 Fe, Ni 4,0 Pd 4,75 Ti 6,0 According to an advantageous embodiment of the assembly, it is provided that the material of the harder joining partner is at least one and a half times (ie 1.5 times) as hard as the material of the softer joining partner. The hardness of the joining partners can be selected in the selection of the harder and softer material by comparing the hardness values, for. B. as Mohs hardness or Vickers hardness determined. The Mohs hardness of various materials can be found in the following table, for example. material Mohs hardness Sn, Pb 1.5 Zn, Mg 2.5 al 2.75 Au, Ag 2.5 ... 3.0 Cu 3.0 Pt 3.5 Fe, Ni 4.0 Pd 4.75 Ti 6.0

Der weichere Fügepartner kann vorteilhaft beispielsweise aus Zinn bestehen. Dieses Material ist vorteilhaft besonders weich. Es lässt sich überdies leicht als Schicht auf einem der Fügepartner abscheiden, und haftet sehr gut. Für den härteren Fügepartner kommen als Werkstoff beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Nickel in Frage. Aluminium und Kupfer sind neben der ausreichenden Härte auch gute Wärmeleiter und eignen sich daher gut als Material für das Kühlelement. Dieses kann vorteilhaft einstückig hergestellt werden, wenn dieses Material verwendet wird. Wird Nickel als Werkstoff verwendet, so kann dieses zweckmäßig als Schicht auf den Fügepartner aufgebracht werden, um dessen Oberflächenhärte zu erhöhen. The softer joining partner may advantageously consist for example of tin. This material is advantageous particularly soft. It can also easily be deposited as a layer on one of the joining partners, and adheres very well. For the harder joining partner come as a material such as aluminum, copper or nickel in question. Aluminum and copper are not only sufficient hardness and good heat conductors and are therefore well suited as a material for the cooling element. This can be advantageously made in one piece when this material is used. If nickel is used as the material, it can be suitably applied as a layer to the joining partner in order to increase its surface hardness.

Der Niveauunterschied zwischen den Erhebungen und Vertiefungen kann vorteilhaft zwischen 1 und 100 μm bevorzugt 10 μm betragen. Als Niveauunterschied ist hierbei der topografische Höhenunterschied zwischen dem jeweils tiefsten Punkt der Vertiefungen und dem höchsten Punkt der Erhebungen zu verstehen, wobei der höchste Punkt beispielsweise durch die Spitzen oder Grate von Strukturelementen gebildet sein kann. Der Niveauunterschied bestimmt die erforderliche Eindringtiefe der Oberflächenstruktur in den ebenen Fügepartner (bei einer Oberflächenstrukturierung des harten Fügepartners). Ansonsten bestimmt der Niveauunterschied den Verformungsanteil des Profils, wenn die Oberflächenstruktur an dem weicheren Fügepartner vorgesehen wird.The level difference between the elevations and depressions can advantageously be between 1 and 100 μm, preferably 10 μm. The difference in level here is to be understood as the topographic height difference between the respectively deepest point of the depressions and the highest point of the elevations, wherein the highest point may be formed for example by the peaks or ridges of structural elements. The difference in level determines the required penetration depth of the surface structure in the planar joining partner (in the case of surface structuring of the hard joining partner). Otherwise, the level difference determines the deformation rate of the profile when the surface structure is provided at the softer joining partner.

Zuletzt wird die genannte Aufgabe auch durch ein Kühlelement gelöst, bei der die Montagefläche mit einer Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen ausgestattet ist. Durch ein solches Kühlelement werden bei einer Montage auf einer elektronischen Komponente unter Anlegen einer Fügekraft die bereits erläuterten Vorteile erreicht. Die erfindungsgemäßen Kühlelemente können vorteilhaft in großer Stückzahl hergestellt werden, um eine wirtschaftliche Lösung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere, wenn mit den Kühlelement der weichere Fügepartner mit einer Oberflächenstruktur zur Verfügung gestellt wird, lässt sich das erfindungsgemäße Kühlelement ohne Modifikation der Produktionsabläufe gemäß dem Stand der Technik anstelle herkömmlicher Kühlelemente einfügen, was die Wirtschaftlichkeit der technischen Lösung verbessert.Finally, the stated object is also achieved by a cooling element in which the mounting surface is provided with a surface structure with elevations and depressions. By such a cooling element, the already explained advantages are achieved when mounted on an electronic component by applying a joining force. The cooling elements according to the invention can advantageously be produced in large numbers in order to provide an economical solution. In particular, if provided with the cooling element of the softer joining partner with a surface structure, the cooling element according to the invention can be inserted without modification of the production processes according to the prior art instead of conventional cooling elements, which improves the efficiency of the technical solution.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and will only be explained several times as far as there are differences between the individual figures. Show it:

1 und 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, 1 and 2 an embodiment of the method according to the invention as a side view, partially cut open,

3 und 4 Ausführungsbeispiele für einen harten Fügepartner mit Strukturierung dreidimensional, 3 and 4 Exemplary embodiments of a hard joining partner with structuring three-dimensional,

5 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Kühlelement als weicher Fügepartner mit einer Oberflächenstruktur als Seitenansicht, 5 an embodiment of the cooling element according to the invention as a soft joining partner with a surface structure as a side view,

6 einen Ausschnitt des montierten Kühlelements gemäß 5 als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe und 6 a section of the mounted cooling element according to 5 as an embodiment of the assembly according to the invention and

7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe als Seitenansicht. 7 a further embodiment of the assembly according to the invention as a side view.

Gemäß 1 ist eine elektronische Komponente 11 auf einem Substrat 12 montiert worden. Die elektronische Komponente 11 stellt eine Grenzfläche 13 zur Verfügung, die durch eine Schicht 14 aus Zinn gebildet ist. Außerdem sind auf der elektronischen Komponente 11 Rastverbinder 15 befestigt.According to 1 is an electronic component 11 on a substrate 12 been mounted. The electronic component 11 represents an interface 13 available through a layer 14 made of tin. Besides, on the electronic component 11 Rest connector 15 attached.

Außerdem wird gemäß 1 ein Kühlelement 16 zur Verfügung gestellt, welches eine Montagefläche 17 aufweist. An der Montagefläche 17 ist eine Oberflächenstruktur vorgesehen, die aus einzelnen einander benachbarten Strukturelementen 18 besteht. Diese sind durch Viereckspyramiden mit quadratischem Grundriss ausgebildet, die in 4 dreidimensional dargestellt sind.In addition, according to 1 a cooling element 16 provided, which is a mounting surface 17 having. At the mounting surface 17 a surface structure is provided, consisting of individual adjacent structural elements 18 consists. These are formed by quadrangular pyramids with a square plan, which in 4 are shown in three dimensions.

Das Kühlelement 16 und die elektronische Komponente 11 bilden zwei Fügepartner, wobei die Grenzfläche 13 und die Montagefläche 17 die beiden korrespondierenden Fügeflächen für das Fügen der Fügepartner zur Verfügung stellen. Beim Fügen wird die sich ausbildende Verbindung mit einer Fügekraft F beaufschlagt, die dazu führt, dass sich Erhebungen 19 der Oberflächenstruktur in Form von Spitzen in die ebene Grenzfläche 13 eindrücken, wie 2 zu entnehmen ist. Dabei wird der weichere Werkstoff der Schicht 14 durch den härteren Werkstoff (Aluminium, beschichtet mit einer Nickelschicht 20) verdrängt und wandert in Vertiefungen 21 (vergleichen 1) in der Oberflächenstruktur. Hierbei entsteht ein inniger Kontakt zwischen der verformten Schicht 14 und der Oberflächenstruktur des Kühlelements 16, indem sich das Material der Schicht an die Strukturelemente anschmiegt und dabei eine Verbindungsfläche 22 entsteht. Zu erkennen ist in 2 außerdem, dass die Verbindungsfläche 22 nicht bis zu den jeweils tiefsten Punkten in den Vertiefungen 21 vordringt, sondern dort ein freies Restvolumen 23 verbleibt. Dieses kann in nicht dargestellter Weise mit einem Lotwerkstoff 24 oder einem Leitkleber ausgefüllt werden, wie dies an einer Stelle lediglich exemplarisch angedeutet ist.The cooling element 16 and the electronic component 11 form two joining partners, with the interface 13 and the mounting surface 17 provide the two corresponding joining surfaces for the joining of the joining partners. When joining the forming compound with a joining force F is applied, which leads to elevations 19 the surface structure in the form of peaks in the plane interface 13 push in, like 2 can be seen. This is the softer material of the layer 14 by the harder material (aluminum, coated with a nickel layer 20 ) displaces and migrates into depressions 21 (to compare 1 ) in the surface structure. This creates an intimate contact between the deformed layer 14 and the surface structure of the cooling element 16 in that the material of the layer conforms to the structural elements and thereby has a connection surface 22 arises. It can be seen in 2 in addition, that the interface 22 not up to the lowest points in the wells 21 penetrates, but there a free residual volume 23 remains. This can in a manner not shown with a solder material 24 or a Leitkleber be filled, as indicated at one point only by way of example.

Nachdem der in 2 dargestellte gefügte Zustand durch die Anpresskraft F erreicht wurde, rasten die Rastverbinder 15 in Vertiefungen 25 des Kühlelements 16 ein und erzeugen im Anschluss an die Montage die notwendige Anpresskraft in der Verbindungsfläche 22. Die Fügekraft F kann daher aufgehoben werden.After the in 2 shown joined state was achieved by the contact force F, the detent connector snap 15 in depressions 25 of the cooling element 16 and produce the necessary contact force in the connection surface after assembly 22 , The joining force F can therefore be canceled.

Für die Profiltiefe kann folgende vorteilhafte geometrische Bedingung aufgestellt werden. Die Profiltiefe t ergibt sich durch den Abstand des tiefsten Punkts der Vertiefung zum höchsten Punkt der Erhebung und kann auch als Niveauunterschied zwischen den Erhebungen und den Vertiefungen verstanden werden. Je größer die Profiltiefe t, desto größer ist auch die Verbindungsfläche 22, die durch einen von der Eindringtiefe des Oberflächenprofils abhängigen Anteil b der Höhe h einer Seitenfläche eines Strukturelements bestimmt ist. Im Falle einer Pyramide als Strukturelement, wie in 2 dargestellt, besteht die Seitenfläche beispielsweise aus einem gleichschenkligen Dreieck, wobei die Höhe h von der Grundseite dieses Dreiecks gemessen wird. b ist deswegen nur ein Teil von h, da im tiefsten Punkt der Vertiefungen 21 kein Material des weicheren Fügepartners vorhanden ist. Eine Vergrößerung der effektiven Wärmeübergangsfläche, also der Verbindungsfläche 22, im Vergleich zu der ebenen Grenzfläche 13, kann erreicht werden, wenn die geometrische Bedingung gilt: 2b > w, wobei w die Weite der Strukturelemente beschreibt, also im Falle von pyramidenförmigen Strukturelementen den Abstand der gegenüberliegenden Kanten der Grundfläche.For the tread depth, the following advantageous geometric condition can be established. The tread depth t is given by the distance of the deepest point of the depression to the highest point of the survey and can also be understood as a difference in level between the surveys and the wells. The larger the tread depth t, the larger the connection area 22 which is determined by a dependent on the penetration depth of the surface profile portion b of the height h of a side surface of a structural element. In the case of a pyramid as a structural element, as in 2 For example, the side surface is an isosceles triangle, the height h being measured from the base of this triangle. b is therefore only a part of h, since in the lowest point of the recesses 21 no material of the softer joining partner is present. An enlargement of the effective heat transfer surface, ie the bonding surface 22 , compared to the plane interface 13 , can be achieved if the geometric condition holds: 2b> w, where w describes the width of the structural elements, ie in the case of pyramidal structural elements, the distance of the opposite edges of the base.

In 3 werden die Strukturelemente durch messerartige Grate 26 ausgebildet. Diese verlaufen jeweils parallel und können das Material bei einer Montage gemäß 2 in die Vertiefungen in Form von Gräben 27 verdrängen. Mit der Oberflächenstruktur gemäß 3 kann ein harter Fügepartner versehen werden.In 3 The structural elements are formed by knife-like ridges 26 educated. These run in parallel and can the material in a montage according to 2 into the depressions in the form of trenches 27 displace. With the surface structure according to 3 can be provided a hard mating partner.

In 4 ist eine Oberflächenstruktur räumlich dargestellt, wie diese in 1 und 2 verwendet wird. Man kann erkennen, dass die pyramidenförmigen Strukturelemente Rasterzellen 28 eines quadratischen Rasters bilden, wobei die Strukturelement dicht an dicht angeordnet sind. Außerdem sind die Größen w, t, h und b zur Verdeutlichung noch einmal eingezeichnet.In 4 is a surface structure spatially represented as this in 1 and 2 is used. It can be seen that the pyramidal structural elements grid cells 28 form a square grid, wherein the structural elements are arranged close together. In addition, the variables w, t, h and b are shown again for clarity.

In 5 ist ein Kühlelement 16 mit Kühlrippen 29 dargestellt. Dieses ist aus Aluminium hergestellt und mit der Schicht 14 versehen, die aus Zinn besteht und den weichen Fügepartner bildet. Die Schicht ist hier als beispielsweise gegossenes Formelement integriert und weist eine Oberflächenstruktur mit Kalotten 30 als Strukturelementen auf. Diese haben jeweils konkav gekrümmte Flächenanteile, die sich bei der Montage, wie eine Baugruppe 31 darstellenden 6 zu entnehmen ist, abflachen und so die Verbindungsfläche 22 mit dem dazwischen liegenden Restvolumen 23 erzeugen.In 5 is a cooling element 16 with cooling fins 29 shown. This is made of aluminum and with the layer 14 provided, which consists of tin and forms the soft joining partner. The layer is integrated here as a molded element, for example, and has a surface structure with domes 30 as structural elements. These each have concave curved surface portions, which during assembly, such as an assembly 31 performing 6 can be seen, flattening and so the interface 22 with the residual volume in between 23 produce.

In 7 ist schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel für die montierte Baugruppe 31, bestehend aus dem Kühlelement 16 und mehreren elektronischen Komponenten 11 dargestellt. Die Komponenten 11 sind auf den Substrat 12 befestigt. Die Komponenten 11 weisen eine Oberflächenstruktur auf, die in 7 nur angedeutet ist, und sich in die Schicht 14 aus Zinn einprägen. Das Kühlelement 16 wird mittels Schrauben 32 auf dem Substrat 12 gehalten.In 7 Finally, another embodiment of the assembled assembly 31 consisting of the cooling element 16 and several electronic components 11 shown. The components 11 are on the substrate 12 attached. The components 11 have a surface structure that in 7 only hinted, and in the layer 14 made of tin. The cooling element 16 is done by means of screws 32 on the substrate 12 held.

Claims

Method for producing a coolable electronic component ( 11 ), the electronic component ( 11 ) forms a joining partner which has an interface ( 13 ) as joining surface on which a cooling element ( 16 ) as a joining partner with a mounting surface ( 17 ) is mounted as a joining surface, characterized in that • the two joining surfaces ( 13 . 17 ) are formed by materials that differ in their hardness, • the one joint surface is made flat and the other joint surface with a surveys ( 19 ) and depressions ( 21 ) is equipped and having • during assembly by joining the two joining partners ( 11 . 16 ) a contact pressure between the two joining surfaces ( 13 . 17 ) is generated, by which the joining surface of the softer material is deformed by enlarging a connecting surface between the joining partners.

A method according to claim 1, characterized in that the surface structure is provided in the joining surface of the harder material.

Method according to claim 2, characterized in that the elevations ( 19 ) consist of peaks or ridges.

A method according to claim 3, characterized in that the surface structure pyramidal or conical structural elements ( 18 ) having.

A method according to claim 1, characterized in that the surface structure is provided in the joining surface of the softer material.

Method according to Claim 5, characterized in that the surface structure has concave structural elements ( 18 ) having.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structural elements ( 18 ) in a regular grid with grid cells ( 28 ) are arranged, wherein the grid cells ( 28 ) directly abut.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a between the joining surfaces ( 13 . 17 ) remaining volume ( 23 ) is at least partially filled with a filler.

A method according to claim 8, characterized in that as filler a solder material ( 24 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a contact force after the joining of the joining partners ( 11 . 16 ) is maintained by a holding device.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the softer of the two joining surfaces by a layer ( 14 ) is made available.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the joining surface is heated from the softer material before joining.

Assembly comprising an electronic component ( 11 ) as a joining partner with an interface serving as a joining surface ( 13 ) and a cooling element ( 16 ) as a joining partner with a mounting surface serving as a joining surface ( 17 ), wherein the two joining partners are in contact with each other, characterized in that the contact of the joining partners ( 11 . 16 ) is achieved by a direct connection to a connection surface, wherein • one of the two joining partners has a surface structure with elevations ( 19 ) and depressions ( 21 ) and • the two joining surfaces of materials of different hardness are formed, wherein the joining surface with the lower hardness while forming the connecting surface conforms to the joining surface with the greater hardness.

An assembly according to claim 13, characterized in that the material of the harder joining partner is at least one and a half times as hard as the material of the softer joining partner.

Assembly according to one of claims 13 or 14, characterized in that the material of the softer joining partner is tin.

Assembly according to one of claims 13 to 15, characterized in that the material of the harder joining partner is aluminum, nickel or copper.

Assembly according to one of claims 13 to 16, characterized in that the level difference between the elevations and depressions between 1 and 100 microns, preferably 10 microns.

Cooling element with a mounting surface ( 17 ), suitable for mounting on an electronic component, characterized in that the mounting surface with a surface structure with elevations ( 19 ) and depressions ( 21 ) Is provided.

Cooling element according to claim 18, characterized in that it is made in one piece.