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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers für ein elektronisches Bauteil.
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Stand der Technik
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Halbleiterbauelemente müssen häufig durch ein effizientes Kühlsystem vor Überhitzung geschützt werden. Dies gilt insbesondere auch für sogenannte Leistungsmodule (IGBT), wie sie für die Ansteuerung elektrischer Maschinen im Kraftfahrzeugbereich im Kontext elektrischer und hybrider Antriebe Einsatz finden. Solche Leistungsmodule, deren konkreter Aufbau im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht von Belang ist, haben üblicherweise an ihrer Unterseite eine Schicht aus löt- oder sinterfähigem Material, beispielsweise Kupfer, über die sie stoffschlüssig mit einem Kühlkörper verbunden werden können. Der Kühlkörper weist üblicherweise stift-, lamellen- oder labyrinthartige Kühlstrukturen auf, die im Montageendzustand in einen von Kühlmittel durchströmten Kühlmittelkanal eintauchen. Im Fachjargon wird hierbei von „Pin Fin“- oder „Power Shower“-Strukturen gesprochen.
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Die
DE 10 2013 207 804 B4 offenbart ein solches Leistungsmodul, einen solchen Kühlkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere wird in besagter Druckschrift vorgeschlagen, das elektronisch fertig montierte Modul, welches ein Substrat mit kupferner Unterseite aufweist, unmittelbar auf dieser Unterseite mit stiftförmigen Kühlstrukturen aus Kupfer zu versehen, wobei die Kupferstifte einzeln aufgeschweißt werden. Bekanntermaßen ist Kupfer jedoch aus Korrosionsgründen nicht für den unmittelbaren Kontakt mit üblichen Kühlmitteln geeignet. Andererseits ist Kupfer wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ein nahezu ideales Material für die Abfuhr von Wärme aus dem elektronischen Bauteil in das Kühlmittel. Zur Lösung dieses Konfliktes schlägt die genannte Druckschrift vor, die Kupferstifte nachträglich mit einer Nickel-Gold-Chrom-Beschichtung zu versehen, um sie vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem Kühlmittel zu schützen. Dieser Ansatz hat sich jedoch insgesamt als arbeits- und kostenaufwendig erwiesen.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern für elektronische Bauteile zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere auf weniger zeit- und kostenaufwendige Weise zu einem Kühlkörper ohne Funktionseinbußen gegenüber dem Stand der Technik führt.
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Darlegung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich aus durch die Schritte:
- - Bereitstellen eines 1 bis 5 mm dicken, ersten Blechabschnitts aus Kupfer oder einer vorwiegend Kupfer enthaltenden Legierung,
- - Bereitstellen eines mindestens ebenso dicken, zweiten Blechabschnitts aus Aluminium oder einer vorwiegend Aluminium enthaltenden Legierung
- - konzentrisches Aufeinanderpacken der beiden Blechabschnitte zu einem Blechstapel und
- - Umformen des Blechstapels mittels eines Kaltfließpressverfahrens zu einem Kühlkörper mit einer flachen Oberseite und einer Kühlstrukturen bildenden, konturierten Unterseite,
wobei die Oberseite aus dem Material des ersten Blechabschnitts mit einer Umrandung aus dem Material des zweiten Blechabschnitts und die Unterseite vollständig aus dem Material des zweiten Blechabschnitts besteht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zunächst sieht die Erfindung vor, den Kühlkörper einstückig im Rahmen eines Fließpressverfahrens, insbesondere eines Kaltfließpressverfahrens herzustellen. Diese Art des Massivumformens ist insbesondere für weiche Materialien sehr gut geeignet. Einen einstückigen Kühlkörper als Ganzes an die Kontaktfläche eines elektronischen Bauteils zu fügen, beispielsweise durch Löten oder Sintern, ist wesentlich einfacher, als die einzelnen Kühlstrukturen separat zu fixieren. Im Hinblick auf die Materialwahl setzt die Erfindung dabei auf das bewährte und für die Wärmeabfuhr besonders geeignete Kupfer, wobei im Rahmen dieser Beschreibung „Kupfer“ verkürzt für reines Kupfer und überwiegend Kupfer enthaltende Legierungen verwendet wird.
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Selbstverständlich besteht die oben erläuterte Korrosionsproblematik von Kupfer im Kontakt zu herkömmlichen Kühlmitteln auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Diese wendet sich jedoch gezielt ab von dem üblichen Ansatz der nachträglichen Beschichtung. Vielmehr wird ein besonderes Ausgangsmaterial für die Massivumformung gewählt. Speziell wird der Kühlkörper aus einem zweischichtigen Material aus Kupfer und Aluminium geformt, wobei „Aluminium“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Kurzform für reines Aluminium sowie vorwiegend aus Aluminium bestehende Legierungen verwendet wird. Aluminium ist nämlich durchaus ähnlich wärmeleitend wie Kupfer, hat aber nicht dessen Korrosionsproblem beim Kontakt mit herkömmlichem Kühlmittel. Andererseits hat sich die vollständige Ersetzung des Kupfers durch Aluminium als schwer umsetzbar erwiesen, da dies zu erheblichen Problemen beim Fügen des Kühlkörpers mit dem elektronischen Bauteil, insbesondere mit dessen kupferner Kontaktfläche, führen würde. Kupfer und Aluminium lassen sich nämlich nicht miteinander verlöten oder versintern.
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Diese schlechte Verbindbarkeit von Kupfer und Aluminium gilt selbstverständlich auch für das Ausgangsmaterial des Umformverfahrens. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass lediglich aufeinandergepresste, d.h. nicht stoffschlüssig miteinander verbundene Blechabschnitte aus Kupfer und Aluminium, die gemeinsam einem Kaltfließpress-Umformen unterworfen werden, eine teils auf Kraft-, teils auf Formschluss und wahrscheinlich teils auch auf Stoffschluss basierende, innige Verbindung miteinander eingehen, die sowohl die mechanische Stabilität des Komposit-Kühlkörpers als auch die für dessen Primärfunktion der Wärmeabfuhr erforderliche thermische Kontaktierung gewährleistet.
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Die bevorzugte Dicke des Blechstapels von ca. 2-10 mm ist bedingt durch die typische Strukturtiefe der Kühlstrukturen. Diesbezüglich unterscheidet sich die Erfindung nicht von Herstellungsverfahren für gleichgeformte Kühlstrukturen durch Umformen eines materialeinheitlichen Ausgangsmaterials. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, im Rahmen der Erfindung beide Blecharten mit ähnlicher Dicke bereitzustellen. Dabei ist es jedoch besonders günstig, wenn das Kupfer höchstens 50%, vorzugsweise 25%-45% der Gesamtstärke des Blechstapels einnimmt. Dadurch wird in jedem Fall sichergestellt, dass die Oberseite eine im wesentlichen kupferne Anlagefläche darstellt, die sich leicht mit der kupfernen Kontaktfläche des elektronischen Bauteils fügen, insbesondere verlöten oder versintern lässt. Andererseits nimmt das leichte und kostengünstige Aluminium den größten Teil des Kühlkörper-Volumens ein, sodass gleichzeitig ein effektiver Korrosionsschutz sowie eine deutliche Kosten- und Gewichtseinsparung realisiert werden. Allerdings darf die Stärke des Kupferblechs nicht zu gering werden, weil es zur Ausbildung der oben genannten, im Detail noch nicht vollständig verstandenen, innigen Verbindung zwischen Kupfer und Aluminium eines möglichst großen Flächenkontaktes zwischen den beiden Materialien bedarf, sodass das Kupfer möglichst tief in die ausgeformten Kühlstrukturen hineingezogen werden sollte. Dies erfolgt automatisch im Rahmen des Umformens, setzt allerdings eine gewisse Mindestdicke der Kupferschicht im Verhältnis zur Strukturtiefe der Kühlstrukturen voraus. Wie oben bereits angedeutet liegt diese Mindestdicke bei etwa 25% der Stärke des Blechstapels.
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Um ein hinreichend tiefes Eintauchen der Kühlstrukturen in den Kühlmittelkanal zu ermöglichen, ist es erforderlich, auch den Rand der Kupferschicht des resultierenden Kühlkörpers vor Kontakt mit dem Kühlmittel zu schützen. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass im Rahmen des Kaltfließpressverfahrens randständiges Material des zweiten Blechabschnitts, d.h. der Aluminiumschicht, über den Rand des ersten Blechabschnitts, d.h. der Kupferschicht, gezogen wird, sodass es die Umrandung der im Übrigen aus dem Material des ersten Blechabschnittes bestehenden Oberseite bildet. Insbesondere bei dicken Kupferschichten ist dies mit einem erheblichen Materialfluss des Aluminiums verbunden, der zu ungewollten Dünnstellen der Aluminiumschicht führen kann. Um dem entgegenzuwirken, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Blechabschnitt den ersten Blechabschnitt (beim konzentrischen Aufeinanderpacken der beiden Blechabschnitte) allseitig lateral überragt. Dies führt dazu, dass der seitlich überstehende Rand des Aluminiumblechs im Rahmen des Umformens das Kupferblech nicht umfließen muss, sondern wenigstens teilweise umgebogen werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass vor dem Schritt des Aufeinanderpackens der Blechabschnitte deren im Blechstapel einander zugewandten Oberflächen aufgeraut werden. Durch eine derartige Mikrostrukturierung verbessert sich die Verzahnung, die die Bleche während des Umformprozesses miteinander eingehen. Ihre Verbindung wird inniger und damit stabiler und dauerhafter. Das Aufrauen kann beispielsweise mittels Laserbestrahlung erfolgen. Entsprechende Techniken sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Das Laseraufrauen ist insbesondere im Hinblick auf den apparativen Aufwand und das Ausbleiben von Verschmutzungen der Bleche besonders vorteilhaft. Alternativ oder zusätzlich können die Oberflächen auch durch chemisches Ätzen und/oder strahltechnische Verfahren, z.B. Sand-, Glas- oder Korundstrahlen, aufgeraut werden.
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Die im Rahmen des Umformverfahrens ausgebildeten Kühlstrukturen können die im Stand der Technik üblichen Formen aufweisen, insbesondere können sie stift-, lamellen- und/oder labyrinthartig ausgebildet sein.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Basismaterials zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische, bereichsweise Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Kühlkörpers sowie
- 3 eine schematisierte Draufsicht auf einen erfindungsgemäß hergestellten Kühlkörper.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung das Ausgangsmaterial für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kühlkörpers 10. Als Ausgangsmaterial dient ein Blechstapel 12 aus einem Aluminiumblech 121 und einem Kupferblech 122. Beide Bleche 121, 122 haben bei der dargestellten Ausführungsform eine ähnliche Materialstärke, wobei jedoch das Aluminiumblech 121 das Kupferblech 122 allseitig lateral überragt. Die Bleche 121, 122 sind aufgrund der Unverträglichkeit von Aluminium und Kupfer nicht miteinander verlötet oder verschweißt. Vielmehr genügt eine mechanische Stabilisierung ihrer Relativlage. Diese kann durch punktuelle Verklebung verbessert werden.
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Das in 1 dargestellte Ausgangsmaterial wird erfindungsgemäß einem Kaltfließpressverfahren unterworfen und in einen Kühlkörper 10 umgeformt, von dem ein randständiger Querschnittsbereich in 2 stark schematisiert dargestellt ist. Im Rahmen der Umformung werden Kühlstrukturen 14 gestaltet, die stift-, lamellen- oder labyrinthartig ausgestaltet sein können. Im Fachjargon werden hierfür Begriffe wie „Pin-Fin“ oder „Shower-Power“ verwendet. Die einzelnen Kühlelemente 14 bestehen aus einem inneren Körper 142, zu dem das Kupferblech 122 umgeformt wurde, sowie aus einer äußeren Schutzschicht 141, zu der das Aluminiumblech 121 umgeformt wurde. Der Fachmann wird verstehen, dass die Umformung der Bleche 121, 122 in die Kühlelement-Strukturen 141, 142 simultan erfolgt.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind die inneren Körper 142 der Kühlelemente 14 hohl. Je nach spezieller Ausgestaltung des Kaltfließpressverfahrens und der gewünschten Form der Kühlelemente 14 können die inneren Körper 142 auch aus Vollmaterial bestehen.
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Bei der dargestellten, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Rand 16 des Kühlkörpers 10 ebenfalls zweischichtig ausgebildet, wobei eine äußere Randschicht 161 aus Aluminium die innere Randschicht 162 aus Kupfer vollständig umkleidet. Dies kann entweder durch „Hochziehen“ des Aluminium-Materials oder, insbesondere bei Verwendung eines Ausgangsmaterials gemäß 1, durch Umbiegen des Aluminiumblechs 121 (oder durch eine Kombination beider Techniken) erfolgen.
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Es resultiert ein Kühlkörper, der in Draufsicht auf seine Oberseite 18 eine Anmutung haben kann wie in 3 stark schematisiert dargestellt. Die Oberseite 18 des Kühlkörpers 10 weist eine innere Fläche 182 aus Kupfer auf, die insbesondere zur Kontaktierung der in der Regel ebenfalls kupfernen oder zumindest mit Kupfer löt- oder sinterbaren Kontaktflächen des nicht dargestellten, zu kühlenden elektronischen Bauteils dient. Diese Fügefläche 182 ist von einer Randfläche 181 aus Aluminium umlaufen, die dem in 2 mit dem Bezugszeichen 161 versehenen, äußeren Rand des Kühlkörpers 10 entspricht.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlkörper
- 12
- Blechstapel
- 121
- Aluminiumblech
- 122
- Kupferblech
- 14
- Kühlelement
- 141
- innerer Körper von 14
- 142
- Schutzschicht von 14
- 16
- Rand
- 161
- äußere Schicht von 16
- 162
- innere Schicht von 16
- 18
- Oberseite von 10
- 181
- Rand von 18
- 182
- innere Fläche von 18 / Fügefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013207804 B4 [0003]
