DE102021129707A1

DE102021129707A1 - Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme

Info

Publication number: DE102021129707A1
Application number: DE102021129707.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Best
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Eine Wärmebrücke (100) zum wärmeleitenden Transport von Wärme umfasst einen Wärmeabgabeabschnitt (102), der eine Fügefläche (105) und eine von der Fügefläche (105) beabstandete Wärmeabgabefläche (101) aufweist, und der von der Fügefläche (105) bis zur Wärmeabgabefläche (101) eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst. Der Wärmeabgabeabschnitt (102) transportiert die Wärme wärmeleitend von der Fügefläche (105) zur Wärmeabgabefläche (101) und gibt sie an der Wärmeabgabefläche (101) ab. Ein an der Fügefläche (105) mit dem Wärmeabgabeabschnitt (102) stoffschlüssig verbundener Wärmeaufnahmeabschnitt (106) der Wärmebrücke (100) weist eine durch Anpressdruck anformbare, beispielsweise plastische oder elastische, Wärmekontaktfläche (107) auf und umfasst von der Fügefläche (105) bis zur Wärmekontaktfläche (107) eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente. Der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) nimmt die Wärme an der Wärmekontaktfläche (107) auf und transportiert sie wärmeleitend über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt (106) zum Wärmeabgabeabschnitt (102).

Description

Die Erfindung betrifft das Wärmemanagement, beispielsweise von Abwärme einer elektrischen Wärmequelle. Insbesondere sind eine Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme und ein Verfahren zur Fertigung einer solchen Wärmebrücke offenbart.
Die Effizienz des Wärmemanagements wird durch die Wärmeleitfähigkeit λ_th oder den dazu reziproken thermischen Widerstand R_th der Wärmebrücke beschrieben. Im Wärmepfad der Wärmebrücke wird Wärme von einem elektrischen Bauteil als Wärmequelle (auch: Hotspot) zu einem Kühlkörper übertragen, der als Wärmesenke die Wärme beispielsweise an die Umgebung abgibt. Mehrkomponentige Wärmebrücken sind einfacher herzustellen und mit verschiedenen elektrischen Wärmequellen und verschiedenen Einbaupositionen der Wärmequellen flexibel kombinierbar.
Jedoch vergrößert jede Grenzfläche im Wärmepfad den thermischen Widerstand der Wärmebrücke. Grundsätzlich basiert der Transport der Wärme auf mindestens einem der drei physikalischen Effekte der Wärmeleitung, der Wärmekonvektion und der Wärmestrahlung. Insbesondere für eine effiziente Wärmeleitung ist der thermische Kontakt zwischen zwei Festkörperflächen wesentlich.
Eine Verbesserung der Wärmeleitung an solchen Grenzflächen im Vergleich zu einem direkten Kontakt zwischen Festkörperoberflächen bieten Wärmeleitmaterialien, die fachsprachlich auch als Thermal Interface Material (TIM) bezeichnet werden. Während das TIM die Anzahl der Grenzflächen weiter erhöht, beruht die Verbesserung der Wärmeleitung in der Verdrängung von Luftschichten zwischen Kontaktpunkten mikroskopisch rauer Festkörperoberflächen.
Jedoch können beim herkömmlichen Fügen von Kühlkörper und TIM die Fügeflächen nach separater Fertigung, Lagerung und Transport mikroskopisch verunreinigt sein, beispielsweise durch eine Oxidschicht, Staub oder Kondenswasser. Ferner können die Fügeflächen durch die Handhabung beim Fügen verunreinigt werden. Dadurch bleibt die thermische Leitfähigkeit einer herkömmlichen Wärmebrücke hinter der aufgrund des an der Fügefläche eingesetzten TIM möglichen Leitfähigkeit zurück.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Effizienz mehrkomponentiger Wärmebrücken zu verbessern. Eine alternative oder spezifischere Aufgabe ist, die Effizienz der mehrkomponentigen Wärmebrücke über mehrere thermische Lastzyklen aufrechtzuerhalten.
Die Aufgabe wird bzw. die Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Aspekt betrifft eine Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme. Die Wärmebrücke umfasst einen Wärmeabgabeabschnitt und einen Wärmeaufnahmeabschnitt. Der Wärmeabgabeabschnitt weist eine Fügefläche und eine von der Fügefläche beabstandete Wärmeabgabefläche auf. Der Wärmeabgabeabschnitt umfasst von der Fügefläche bis zur Wärmeabgabefläche eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke. Der Wärmeabgabeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme von der Fügefläche zur Wärmeabgabefläche wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche abzugeben. Ferner umfasst die Wärmebrücke einen an der Fügefläche mit dem Wärmeabgabeabschnitt stoffschlüssig verbundenen Wärmeaufnahmeabschnitt. Der Wärmeaufnahmeabschnitt weist eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) Wärmekontaktfläche auf. Der Wärmeaufnahmeabschnitt umfasst von der Fügefläche bis zur Wärmekontaktfläche eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke. Die zweite Materialkomponente ist von der ersten Materialkomponente verschieden. Der Wärmeaufnahmeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme an der Wärmekontaktfläche aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt zum Wärmeabgabeabschnitt wärmeleitend zu transportieren.
Ausführungsbeispiele der Wärmebrücke können aufgrund der (beispielsweise im Vergleich zu einer herkömmlichen Fügung bei Raumtemperatur nach separater Herstellung der Komponenten größeren) Temperatur der additiven Schmelzschichtung (und/oder aufgrund der Verästelung an der Fügungsfläche) einen thermischen Widerstand an der Fügefläche aufweisen, der im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmebrücke reduziert ist. Beispielsweise wird durch den Stoffschluss der zwei Materialkomponenten bei der additiven Fertigung die Luft an der Fügefläche besser (beispielsweise vollständiger oder vollständig) verdrängt, da im Zeitpunkt der Verarbeitung (beispielsweise bei der ersten Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente auf der ersten Materialkomponente) ein Stoffschluss zwischen Wärmeabgabeabschnitt und Wärmeaufnahme entsteht.
Dieselben oder weitere Ausführungsbeispiele der Wärmebrücke können aufgrund der (beispielsweise im Vergleich zu einer herkömmlichen Fügung bei Raumtemperatur der separat hergestellten Komponenten größeren) Temperatur der additiven Schmelzschichtung (und/oder aufgrund der Verästelung an der Fügungsfläche) den Stoffschluss auch bei unterschiedlichen thermischen Expansions- und Kontraktionsraten der verschiedenen ersten und zweiten Materialkomponenten an der Fügefläche (beispielsweise der Verbindung zwischen TIM und Kühlkörper) erhalten und/oder ein Lösen (fachsprachlich auch als „pump-out“ bezeichnet) des thermischen Kontakts aufgrund von mechanischer Spannungen verhindern.
Die anformbare Wärmekontaktfläche kann dazu ausgebildet sein, eine (beispielsweise elektrische) Wärmequelle der transportierten Wärme mechanisch und thermisch zu kontaktieren. Beispielsweise kann die Wärmekontaktfläche durch den Anpressdruck eine Oberfläche der Wärmequelle vollflächig benetzen zur Minimierung eines Wärmewiderstands.
Die anformbare Wärmekontaktfläche kann elastisch oder plastisch sein. Beispielsweise kann die plastische Wärmekontaktfläche durch einmaliges Anpressen an einer Oberfläche der Wärmequelle anformbar oder angeformt sein und/oder an der Oberfläche haften. Alternativ oder ergänzend kann die elastische Wärmekontaktfläche an eine Oberfläche anformbar oder angeformt sein durch Pressfügen der Wärmebrücke oder einen dauerelastischen Kraftschluss der Wärmebrücke, beispielsweise zwischen einer Gehäusewand eines Gehäuses und einer Oberfläche der Wärmequelle.
Plastizität und Elastizität können bei der zweiten Materialkomponente auch kombiniert vorliegen, beispielsweise indem bei Überschreiten einer Elastizitätsgrenze die anformende Plastizität eintritt. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Materialkomponente viskoelastisch sein. Beispielsweise kann eine anfänglich elastische Anformung an eine Oberfläche der Wärmequelle nach einer vorbestimmten Zeit in eine plastische Anformung übergehen. Dadurch kann ein probeweises Anformen und/oder eine Korrektur der Position des Wärmeaufnahmeabschnitts auf der Wärmequelle ermöglicht sein.
Die Wärmequelle kann ein elektrisches Bauteil oder ein Abschnitt einer Leiterplatte sein. Die Wärmekontaktfläche kann z.B. die Leiterplatte direkt kontaktieren und dadurch indirekt die Wärme eines Bauteils durch die Leiterplatte transportieren, beispielsweise unter Mitwirkung von metallischen Leiterbahnen als Wärmeleiter. Das Bauteil kann auf einer dem Wärmeaufnahmeabschnitt abgewandten Seite des von der Wärmekontaktfläche kontaktierten Abschnitts der Leiterplatte oder auf einer dem Wärmeaufnahmeabschnitt zugewandten Seite neben dem kontaktierten Abschnitt der Leiterplatte angeordnet sein.
Alternativ oder ergänzend kann die Wärmekontaktfläche eine Seitenfläche des Bauteils thermisch kontaktieren, die sich (beispielsweise im Wesentlichen) senkrecht zur Leiterplatte erstreckt. Das heißt ein durch die Wärmebrücke bestimmter Wärmepfad kann parallel zur Leiterplatte verlaufen und/oder das Bauteil kann seitlich kontaktiert sein.
Die Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente kann eine plastische, viskose, elastische oder viskoelastische Konsistenz aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann eine Partikelgröße der zweiten Materialkomponente bei der Schmelzschichtung kleiner sein als bei Raumtemperatur und/oder eine Viskosität der zweiten Materialkomponente bei der Schmelzschichtung kann kleiner sein als bei Raumtemperatur. Alternativ oder ergänzend kann die Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente in die Unebenheiten oder mikroskopische Rauigkeit der Fügefläche kriechen und diese ausfüllen, beispielsweise anstelle von Luft. Alternativ oder ergänzend kann bei der Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente (beispielsweise bei einer Verarbeitung unter einer Temperatur, die größer als die Raumtemperatur ist) eine größere molekulare Mobilität und/oder eine verbesserte Vernetzung möglich sein als bei der herkömmlichen Fügung zwischen TIM und Kühlkörper bzw. TIM und Wärmeverteiler bei Raumtemperatur (beispielsweise bei einer herkömmlichen Montage des Kühlkörpers bzw. des Wärmeverteilers).
Da die Wärmebrücke den Wärmeabgabeabschnitt und den Wärmeaufnahmeabschnitt mit der ersten bzw. zweiten Materialkomponente umfasst kann die Wärmebrücke auch als mehrkomponentige Wärmebrücke bezeichnet werden.
Der Wärmeabgabeabschnitt kann einen Kühlkörper (fachsprachlich auch: Heatsink) und/oder einen Wärmeverteiler (fachsprachlich auch: Heatspreader) umfassen.
Der Wärmeaufnahmeabschnitt und/oder ein Zwischenabschnitt kann mit Thermal Interface Material (TIM) als der zweiten Materialkomponente durch additive Fertigung (AM) hergestellt sein. Dadurch kann eine bedarfsgesteuerte Fertigbarkeit (On-Demand-Fertigbarkeit) erreicht sein. Beispielsweise kann eine Stückzahl gleich 1 sein und/oder es kann kundenspezifisch gefertigt werden. Alternativ oder ergänzend muss die zweite Materialkomponente nicht vorkonfektioniert werden. Dadurch kann der Aufwand einer zusätzlichen technische Entwicklung (beispielsweise bei der Produktentwicklung und/oder der Fertigungsentwicklung) entfallen.
Alternativ oder ergänzend kann die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitt und/oder des Zwischenabschnitts mittels TIM während des Fertigungsprozesses oder als Teil des Fertigungsprozesses prüfbar sein.
Alternativ oder ergänzend kann die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitt und/oder des Zwischenabschnitts mittels TIM die Prozesssicherheit und die Prozessstabilität verbessern. Beispielsweise kann das TIM reproduzierbar aufgebracht werden. Die Qualifikation von Prototypen in der Entwicklungsphase kann der Qualifikation von Serienteilen entsprechen.
Ein elektrisches Bauteil kann als Wärmequelle die aufgenommene und transportierte Wärme erzeugen. Das elektrische Bauteil kann in die zweite Materialkomponente des Wärmeaufnahmeabschnitts eingebettet sein, beispielsweise als Einlegebauteil während der additiven Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts.
Die Wärme (auch: Wärmeenergie) kann thermische Energie umfassen, beispielsweise die Energie einer ungeordneten mikroskopischen Bewegung.
Der wärmeleitende Transport, d.h. die Wärmeleitung (auch: Wärmediffusion oder Konduktion), umfasst den Transport von thermischer Energie. In Abgrenzung zur Wärmekonvektion kann die Wärmeleitung die Wärme ohne einen (beispielsweise makroskopischen) Materiefluss transportieren. In Abgrenzung zur Wärmestrahlung kann die Wärmeleitung die Wärme (beispielsweise nur) in Materie und/oder ohne (beispielsweise makroskopische) elektromagnetische Strahlung transportieren. Die Wärmeleitung kann die Wärme gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, d.h. unter Erzeugung von Entropie, in Richtung geringerer Temperatur transportieren. Dabei geht keine Wärmeenergie verloren, d.h. es gilt die Energieerhaltung.
Alternativ oder ergänzend kann die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke einen dielektrischen Festkörper (beispielsweise einen elektrischen Isolator) umfassen. Im dielektrischen Festkörper kann die Wärmeleitung (beispielsweise nur) durch Gitterschwingungen (auch: Phononen) transportiert werden. Die Energie der ungeordneten Bewegung der Atome kann dabei zwischen benachbarten Atomen ausgetauscht werden. Alle Elektronen können an die Atome gebunden sein und deshalb keinen Beitrag zur Wärmeleitung liefern.
Alternativ oder ergänzend kann die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke einen elektrisch leitfähigen Festkörper (beispielsweise ein Metall) umfassen. Im elektrisch leitfähigen Festkörper können auch Elektronen Wärme transportieren und somit zur Wärmeleitung beitragen.
Fluide, d.h. Flüssigkeiten und Gase, können grundsätzlich Wärme leiten. In Abgrenzung zur Konvektion bildet sich bei reiner Wärmeleitung kein makroskopischer Materiefluss, beispielsweise keine Wirbel, im Fluid. Leichte Atome bzw. Moleküle leiten die Wärme besser als schwere, da sie sich bei gleichem Energiegehalt schneller bewegen.
Vorzugsweise umfasst die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke kein Fluid (beispielsweise keine Flüssigkeit), damit die Fügefläche, die Wärmeabgabefläche, und/oder die Wärmekontaktfläche eine definierte oder vorbestimmte (beispielsweise plastische oder elastische) Form aufweisen. Alternativ oder ergänzend umfasst die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke keine Fluide (beispielsweise keine Gase), da deren Wärmeleitung gering ist, beispielsweise aufgrund geringer Scherkräfte und/oder bei Gasen aufgrund der geringen Dichte.
Die Wärmebrücke kann ausschließlich die erste Materialkomponente und die zweite Materialkomponente umfassen.
Der Wärmeabgabeabschnitt und/oder der Wärmeaufnahmeabschnitt können jeweils integral-einstückig sein.
Die stoffschlüssige Verbindung kann in einem Übergangsbereich zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt und dem Wärmeabgabeabschnitt die erste Materialkomponente und die zweite Materialkomponente umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Fügefläche größer (beispielsweise mehrfach größer) als die Wärmekontaktfläche sein.
Die Fügefläche kann eine in die zweite Materialkomponente eingebettete Verästelung oder Wabenstruktur der ersten Materialkomponente aufweisen.
Die Wärmebrücke, beispielsweise der Wärmabgabeabschnitt, kann einen Kühlkörper und/oder einen Wärmeverteiler umfassen.
Der Wärmeverteiler kann fachsprachlich auch als Heatspreader bezeichnet werden. Der Heatspreader kann Kupfer als die erste Materialkomponente umfassen. Der Kühlkörper kann Aluminium als die erste Materialkomponente umfassen. Alternativ oder ergänzend können der Heatspreader und der Kühlkörper integral-einstückig sein.
Die Wärmeabgabefläche kann größer (beispielsweise mehrfach größer) als die Wärmekontaktfläche und/oder als die Fügefläche sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt der Wärmebrücke kann dazu ausgebildet sein, die Wärme an der Wärmeabgabefläche diffusiv, radiativ oder konvektiv abzugeben.
Der Wärmeabgabeabschnitt, beispielsweise der Wärmeverteiler, kann dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmeleitung an einen Kühlkörper abzugeben. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeabgabeabschnitt oder der Kühlkörper dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmestrahlung und/oder Wärmekonvektion an eine Umgebung der Wärmeabgabefläche abzugeben.
Der Abgabeabschnitt (beispielsweise als Heatspreader) kann dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmeleitung (d.h. diffusiv) an einen Kühlkörper abzugeben. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeabgabeabschnitt (beispielsweise als Kühlkörper) dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmestrahlung (d.h. radiativ) und/oder Wärmekonvektion (d.h. konvektiv) an eine Umgebung der Wärmeabgabefläche abzugeben.
Die erste Materialkomponente kann ein Metall (beispielsweise eine Legierung) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Materialkomponente ein unter Standardbedingungen oder Normalbedingungen plastisches, elastisches, viskoses oder viskoelastisches Wärmeleitmaterial umfassen.
Die erste Materialkomponente kann metallisch (beispielsweise eine metallische Legierung) sein. Die erste Materialkomponente kann Kupfer oder Aluminium umfassen.
Alternativ oder ergänzend kann die zweite Materialkomponente elektrisch isolierend sein.
Die Standardbedingungen können 273,15 K ≙ 0 °C und 100,000 kPa = 1,000 bar umfassen. Die Normalbedingungen können 273,15 K ≙ 0 °C und 101,325 kPa = 1,01325 bar = 1 atm umfassen. Das Wärmeleitmaterial kann fachsprachlich auch als thermisches Interface-Material (TIM) bezeichnet werden.
Der Wärmeabgabeabschnitt, der Kühlkörper und/oder der Wärmeverteiler können extrudiert (beispielsweise durch Strangpressen hergestellt), gegossen und/oder gesintert sein und/oder durch Zerspanen hergestellt oder nachbearbeitet sein und/oder aus der ersten Materialkomponente mittels additiver Schmelzschichtung gefertigt sein.
Der Guss kann ein Druckguss oder ein Metallpulverspritzguss (beispielsweise mit den Schritten Entbindern und Sintern) sein. Das Sintern kann eine sinterbasierte additive Fertigung umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeabgabeabschnitt, der Kühlkörper und/oder der Wärmeverteiler Ergebnis einer spanabhebenden Bearbeitung oder Nachbearbeitung (z.B. Fräsen) sein, beispielsweise aus einem Halbzeug und/oder nach der Extrusion oder nach dem Guss.
Alternativ oder ergänzend können der Wärmeabgabeabschnitt, der Kühlkörper und/oder der Wärmeverteiler additiv gefertigt sein. Dadurch kann eine bedarfsgesteuerte Fertigbarkeit (On-Demand-Fertigbarkeit) erreicht sein. Beispielsweise kann eine Stückzahl gleich 1 sein und/oder es kann kundenspezifisch gefertigt werden. Alternativ oder ergänzend muss die erste Materialkomponente nicht vorkonfektioniert werden. Dadurch kann der Aufwand einer zusätzlichen technische Entwicklung (beispielsweise bei der Produktentwicklung und/oder der Fertigungsentwicklung) entfallen.
Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeaufnahmeabschnitt stoffschlüssig auf die Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts mittels additiver Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente oder durch Auftragen der zweiten Materialkomponente gefertigt sein. Die zweite Materialkomponente kann mittels einer Spritze, Kartusche oder Tube aufgetragen sein.
Die Wärmeabgabefläche des Wärmeabgabeabschnitts kann eine zweite Fügefläche sein. Die Wärmebrücke kann ferner einen an der zweiten Fügefläche mit dem Wärmeabgabeabschnitt stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt umfassen. Der Zwischenabschnitt kann eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) zweite Wärmekontaktfläche aufweisen. Von der zweiten Fügefläche bis zur zweiten Wärmekontaktfläche kann der Zwischenabschnitt die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfassen. Der Zwischenabschnitt kann dazu ausgebildet sein, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts zur zweiten Wärmekontaktfläche wärmeleitend zu transportieren.
Eine zweite Breite des Zwischenabschnitts zwischen der zweiten Fügefläche und der zweiten Wärmekontaktfläche kann kleiner sein als eine erste Breite des Wärmeaufnahmeabschnitts zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der Fügefläche.
Die zweite Wärmekontaktfläche kann dazu ausgebildet sein, die Wärme an einen mit der zweiten Wärmekontaktfläche verbundenen oder verbindbaren Kühlkörper abzugeben.
Der Wärmeabgabeabschnitt kann aus der ersten Materialkomponente additiv gefertigt sein.
Beispielsweise kann der Heatspreader (beispielsweise mittels additiver Schmelzschichtung) auf den (beispielsweise extrudierten oder additiv gefertigten) Kühlkörper additiv gefertigt sein.
Der Zwischenabschnitt kann auf einen Kühlkörper additiv gefertigt sein. Der Wärmeabgabeabschnitt kann ein aus der ersten Materialkomponente auf dem Zwischenabschnitt additiv gefertigter Wärmeverteiler sein.
Die Wärmeabgabefläche des Wärmeabgabeabschnitts kann eine zweite Fügefläche sein. Die Wärmebrücke kann ferner Verbindungsmittel umfassen, die dazu ausgebildet sind, die zweite Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts unter plastischer Verformung der zweiten Fügefläche mit einem Kühlkörper zur Herstellung einer die Wärme leitenden Verbindung zu verpressen.
Die plastische Verformung der zweiten Fügefläche kann eine Rauheit (beispielsweise mikroskopische Oberflächenspitzen) plastisch abbauen und/oder den Wärmeabgabeabschnitt mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbinden. Dadurch kann ein Wärmeleitungswiderstand an der unter plastischer Verformung hergestellten Verbindung reduziert sein. Die Verbindungsmittel können mindestens eine Schraubverbindung umfassen.
Die (erste) Fügefläche und die zweite Fügefläche können gegenüberliegende Seiten des Wärmeabgabeabschnitts sein. Alternativ oder ergänzend können die (erste) Fügefläche und die zweite Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts aneinandergrenzen, beispielsweise an einer Kante des Wärmeabgabeabschnitts. Alternativ oder ergänzend können die (erste) Fügefläche und die zweite Fügefläche zueinander senkrecht stehen. Dadurch kann der Wärmepfad (d.h. der Weg des Transports der Wärme) seine Richtung ändern, beispielsweise um 90°.
Ein Wärmepfad mit einer einheitlichen Richtung wird auch als einachsig bezeichnet. Ein Wärmepfad mit mehreren (beispielsweise sequentiellen) Richtungsänderungen wird auch als mehrachsiger Wärmepfad bezeichnet. Ausführungsbeispiele des mehrachsigen Wärmepfads können ermöglichen, dass die Wärmekontaktfläche die Wärmequelle an einer beliebig vorgegebenen Seite, oder an mehreren Seiten, thermisch (und mechanisch) kontaktiert.
Mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt kann ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors eingebracht sein. Alternativ oder ergänzend kann mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt ein Wärmerohr zum konvektiven Transport der Wärme oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmerohrs eingebracht sein.
Der Temperatursensor kann ein Metallstück (beispielsweise einen Draht mit einer temperaturabhängigen Leitfähigkeit) umfassen, das bzw. der mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt eine Ausnehmung (beispielsweise ein Kanal) für den Temperatursensor vorgesehen sein. Der Temperatursensor kann eine direkte Temperaturmessung im Wärmepfad des Transports der Wärme ermöglichen.
Der Temperatursensor oder die Ausnehmung kann im Wärmeaufnahmeabschnitt angeordnet sein zur Erfassung der Temperatur in der zweiten Materialkomponente und/oder an der Wärmekontaktfläche und/oder an einer Oberfläche der Wärmquelle. Alternativ oder ergänzend kann der Temperatursensor oder die Ausnehmung parallel zur Oberfläche der Wärmequelle oder parallel zur Wärmekontaktfläche oder senkrecht zum Transport der Wärme angeordnet sein.
Das Wärmerohr kann auch als Heatpipe bezeichnet werden. Das Wärmerohr oder die Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmerohrs kann im Wärmeaufnahmeabschnitt zum konvektiven Transport der Wärme in der zweiten Materialkomponente (welche die Wärme zudem diffusiv leitet) angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann das Wärmerohr oder die Ausnehmung senkrecht zur Oberfläche der Wärmequelle oder senkrecht zur Wärmekontaktfläche oder parallel zum Transport der Wärme angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur additiven Fertigung einer Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Wärmeabgabeabschnitts der Wärmebrücke, der eine Fügefläche und eine von der Fügefläche beabstandete Wärmeabgabefläche aufweist, und der von der Fügefläche bis zur Wärmeabgabefläche eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke umfasst. Der Wärmeabgabeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme von der Fügefläche zur Wärmeabgabefläche wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche abzugeben. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt der additiven Fertigung eines Wärmeaufnahmeabschnitts auf der Fügefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit dem Wärmeabgabeabschnitt, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) Wärmekontaktfläche aufweist und von der Fügefläche bis zur Wärmekontaktfläche eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke umfasst. Die zweite Materialkomponente ist von der ersten Materialkomponente verschieden. Der Wärmeaufnahmeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme an der Wärmekontaktfläche aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt zum Wärmeabgabeabschnitt wärmeleitend zu transportieren.
Der Schritt des Bereitstellens des Wärmeabgabeabschnitts der Wärmebrücke kann eine additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts umfassen. die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts kann die additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts mittels Schmelzschichtung an der Fügefläche fortsetzen.
Eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung kann größer als eine Schmelztemperatur der zweiten Materialkomponente sein. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Materialkomponente amorph sein und eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung größer als eine Glasübergangstemperatur der zweiten Materialkomponente sein.
Dadurch kann eine additive Schmelzschichtung bei der additiven Fertigung erreicht werden. Alternativ oder ergänzend kann eine unvermeidbare Oberflächenrauheit der Fügefläche beim Weichwerden der zweiten Materialkomponente die erste Materialkomponente benetzen und/oder die additive Schmelzschichtung kann Lufteinschlüsse aus Mikroporen der Fügefläche treiben. Beispielsweise lassen sich dadurch konvexe und konkave Unebenheiten der Fügefläche oder Toleranzen ausgleichen.
Optional weist die zweite Materialkomponente im flüssigen oder viskosen Zustand eine thixotropische Fließeigenschaft auf, welche das Auslaufen der zweiten Materialkomponente bei der additiven Fertigung verhindert. So kann eine prozesssicher gleichmäßige Materialdicke erreicht sein und/oder eine präzise additive Fertigung ermöglicht sein.
Die zweite Materialkomponente kann die erste Materialkomponente an der Fügefläche benetzen. Die zweite Materialkomponente kann die erste Materialkomponente (beispielsweise bei der additiven Schmelzschichtung) an der Fügefläche benetzen. Die zweite Materialkomponente kann auf der Fügefläche benetzend sein, wenn ein Kontaktwinkel der zweiten Materialkomponente (beispielsweise bei der additiven Schmelzschichtung) auf der Fügefläche größer als 90° ist. Die Benetzung kann anhand des Kontaktwinkels auf der Fügefläche auch nach Abschluss der additiven Schmelzschichtung erkennbar sein. Insofern kann die Benetzung ein strukturelles Merkmal auch der Wärmebrücke sein.
Die zweite Materialkomponente kann die erste Materialkomponente an der Fügefläche entsprechend einer Oberflächentopologie (beispielsweise der Rauheit oder Welligkeit) der Fügefläche benetzen.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Strukturierens (beispielsweise Feinstrukturierens) der Fügefläche umfassen. Beispielsweise kann die Verästelung oder Wabenstruktur auf der Fügefläche angeformt werden. Ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der strukturierten oder feinstrukturierten Fügefläche zur Größe der projizierten Fügefläche kann größer als zwei sein. Alternativ oder ergänzend kann ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche zur Größe der Querschnittsfläche senkrecht zum Transport der Wärme größer als zwei sein.
Die Fügefläche der ersten Materialkomponente kann als benetzbar durch die zweite Materialkomponente (beispielsweise im viskosen oder flüssigen Zustand) gelten, wenn sich ein Kontaktwinkel unter 90° ausbildet. Aufgrund des Feinstrukturierens (beispielsweise einer rauen Oberfläche als Fügefläche) kann bei gegebenen ersten und zweiten Materialkomponenten der (beispielsweise gemessene oder scheinbare) Kontaktwinkel verkleinert werden, die Fügefläche also noch besser benetzbar werden.
Das Feinstrukturieren kann ein Anschleifen oder Sandstrahlen umfassen.
Das Verhältnis zwischen dem Kosinus des gemessenen oder scheinbaren Kontaktwinkels und dem Kosinus des Kontaktwinkels der zweiten Materialkomponente auf einer glatten Oberfläche der ersten Materialkomponente kann nach R. N. Wenzel (1936) der Rauheit der Fügefläche entsprechen, beispielsweise dem Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche zur Größe der projizierten Fügefläche.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter und wahlweise kombinierbarer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1A eine schematische Querschnittsansicht separat hergestellter Teile einer zweiteiligen Wärmebrücke gemäß dem Stand der Technik;
1 B eine schematische Querschnittsansicht separat hergestellter Teile einer dreiteiligen Wärmebrücke gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer zweikomponentigen Wärmebrücke gemäß einem ersten oder fünften Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer zwei- oder mehrkomponentigen Wärmebrücke gemäß einem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Variante zum Transport der Wärme durch oder entlang einer Leiterplatte, die in jedem Ausführungsbeispiel anwendbar ist;
5 eine schematische Querschnittsansicht einer zwei- oder mehrkomponentigen Wärmebrücke gemäß einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels;
6 eine schematische Querschnittsansicht einer zweikomponentigen Wärmebrücke gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Querschnittsansicht einer zweikomponentigen Wärmebrücke gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Querschnittsansicht einer Variante eines beliebigen Ausführungsbeispiels, das einen Temperatursensor umfasst;
9 eine schematische Querschnittsansicht einer Variante eines beliebigen Ausführungsbeispiels, das mindestens ein Wärmerohr umfasst; und
10 eine Vergrößerung einer Wirkfläche relativ zu einer Querschnittsfläche des Transports der Wärme.

Eine herkömmliche thermische Kontaktfläche innerhalb des Wärmepfads einer mehrteiligen Wärmebrücke, deren separat hergestellten Teile bei der Montage zur Wärmebrücke zusammengesetzt werden, hat an den Fügeflächen Lufteinschlüssen. Die Fügeflächen sind deshalb thermische Schwachstellen im wärmeleitenden Transport.
1A zeigt die separat hergestellten Teile 10 und 12 einer zweiteiligen Wärmebrücke. Das TIM 10 kann vorgeformt als Einzelschicht oder formfrei als Paste in einer Tube bereitgestellt sein.
1B zeigt die separat hergestellten (d.h. einzelnen) Teile 10, 11 und 12 einer dreiteiligen Wärmebrücke.
Im Unterschied zur konventionellen Handhabung einzelner Teile (beispielsweise einzelner Schichten bei Raumtemperatur) kann die additive Schmelzschichtung Lufteinschlüsse an der Fügefläche reduzieren oder verhindern. Alternativ oder ergänzend kann die additive Schmelzschichtung den Stoffschluss durch Benetzung der Fügefläche herstellen. Dadurch können Ausführungsbeispiele eine thermische und/oder mechanische Verbindung an den Fügestellen der Wärmebrücke verbessern.
Im Unterschied zur konventionellen Fügung kann das Fügen mittels additiver Schmelzschichtung den Stoffschluss ohne Kontaktkraft zwischen der ersten und zweiten Materialkomponente an der Fügefläche herstellen. Alternative oder ergänzend ist keine Kontaktkraft notwendig, um eingeschlossene Luft zu reduzieren oder zu entfernen. Dadurch können Ausführungsbeispiele eine Verformung der Wärmebrücken verhindern.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport der Wärme mindestens einer elektrischen Wärmequelle 110, beispielsweise auf einer Leiterplatte 112.
Die Wärmebrücke 100 umfasst einen Wärmeabgabeabschnitt 102, der eine Fügefläche 105 und eine von der Fügefläche 105 beabstandete Wärmeabgabefläche 101 aufweist. Von der Fügefläche 105 bis zur Wärmeabgabefläche 101 umfasst der Wärmeabgabeabschnitt 102 eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke 100. Der Wärmeabgabeabschnitt 102 ist dazu ausgebildet, die Wärme von der Fügefläche 105 zur Wärmeabgabefläche 101 wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche 101 abzugeben.
Ferner umfasst die Wärmebrücke 100 einen an der Fügefläche 105 mit dem Wärmeabgabeabschnitt 102 stoffschlüssig verbundenen Wärmeaufnahmeabschnitt 106. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 weist eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) Wärmekontaktfläche 107 auf und umfasst von der Fügefläche 105 bis zur Wärmekontaktfläche 107 eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke 100, die von der ersten Materialkomponente verschieden ist. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 ist dazu ausgebildet, die Wärme an der Wärmekontaktfläche 107 aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt 106 zum Wärmeabgabeabschnitt 102 wärmeleitend zu transportieren.
Das erste Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 102 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
So kann der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 der Wärmebrücke 100 im Zuge einer additiven Fertigung durch die additive Schmelzschichtung stoffschlüssig in die Wärmebrücke 100 integriert werden. Dazu wird das TIM als die zweite Materialkomponente des Wärmeaufnahmeabschnitts 106 auf der Fügefläche 105 des durch Strangpressen hergestellten Wärmeabgabeabschnitts 102 durch die additive Schmelzschichtung aufgebaut (was auch als 3D-Drucken bezeichnet werden kann). Die Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts 102 kann also als Basis der additiven Schmelzschichtung dienen.
Die erste Materialkomponente des Wärmeabgabeabschnitts 102 kann Aluminium umfassen. Der Wärmeabgabeabschnitts 102 kann ein Kühlkörper (fachsprachlich auch als Heatsink bezeichnet) sein. Der Kühlkörper kann integral-einstückig einen Wärmeverteiler (fachsprachlich auch als Heatspreader bezeichnet) umfassen.
Während in diesem und weiteren Ausführungsbeispielen das Strangpressen (d.h. Extrusion oder Extrudieren) als konkretes Beispiel für die Herstellung eines Teils (beispielsweise des Kühlkörpers 102 und/oder des Wärmeverteilers 104) genannt ist, können diese Teile in einer Variante jedes Ausführungsbeispiels auch durch Metallguss (beispielsweise Sandguss oder Kokillenguss), Sintern oder Metallpulverspritzgießen (fachsprachlich auch als MIM-Verfahren von englisch „Metal Injection Moulding“ bezeichnet) hergestellt sein.
Optional kann die Fügefläche 105 eine in die zweite Materialkomponente eingebettete Verästelung oder Wabenstruktur der ersten Materialkomponente aufweisen. Dadurch kann der Stoffschluss an der Fügefläche 105 durch einen Formschluss ergänzt sein.
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in 2 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Das zweite Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt kann ein Wärmeverteiler 104 sein. Die Wärmeabgabefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 kann eine zweite Fügefläche sein. Die Wärmebrücke 100 kann ferner einen an der zweiten Fügefläche 101 mit dem Wärmeabgabeabschnitt 104 stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt 108 umfassen. Der Zwischenabschnitt 108 kann eine plastische oder elastische zweite Wärmekontaktfläche 109 aufweisen und von der zweiten Fügefläche 101 bis zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfassen. Der Zwischenabschnitt 108 kann dazu ausgebildet sein, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 wärmeleitend zu transportieren.
Der Wärmeverteiler 104 kann an der (ersten) Fügefläche 105 und der zweiten Fügefläche 101 als Basis für die additive Fertigung durch additives Schmelzschichten dienen. Hierzu kann der Wärmeverteiler 104 durch Strangpressen hergestellt sein.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels realisierbar ist, dient die Wärmeabgabefläche 101 als zweite Fügefläche. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in 2 oder 3 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Das dritte Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) und/oder durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
Der Wärmeverteiler 104 kann (beispielsweise anstatt durch Strangpressen) ebenfalls durch additive Fertigung hergestellt sein. Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 104 auf einer Hilfsfläche als Basis der additiven Fertigung hergestellt werden. Nach Abschluss der additiven Fertigung des Wärmeverteilers 104 wird dieser von der Hilfsfläche entnommen, so dass (beispielsweise nacheinander oder gleichzeitig) auf der (ersten) Fügefläche 105 und der zweiten Fügefläche 101 als Basis der additiven Schmelzschichtung das TIM für den Wärmeaufnahmeabschnitt 106 bzw. den Zwischenabschnitt 108 aufgebaut werden kann.
4 zeigt eine Variante jedes Ausführungsbeispiels, bei dem die Wärmekontaktfläche 107 die Leiterplatte 112 thermisch kontaktiert.
Die 5 zeigt eine Variante des dritten Ausführungsbeispiels der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in den 2 bis 4 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Die Variante des dritten Ausführungsbeispiels kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
In einem Fertigungsschritt wird der Zwischenabschnitt 108 auf einen (beispielsweise durch Strangpressen oder additive Fertigung hergestellten) Kühlkörper 120 additiv gefertigt, indem das TIM als die zweite Materialkomponente durch additive Schmelzschichtung auf einer Fläche des Kühlkörper 120 (die somit der Wärmekontaktfläche 109 des Zwischenabschnitts 108 entspricht) aufgebaut wird. In einem weiteren Fertigungsschritt ist der Wärmeabgabeabschnitt 104 ein aus der ersten Materialkomponente auf einer Fläche des Zwischenabschnitts 108 (die somit der Wärmeabgabefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitt 104 entspricht) additiv gefertigter Wärmeverteiler. In einem weiteren Fertigungsschritt wird der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 auf der Fügefläche 105 durch additive Schmelzschichtung aufgebaut.
Diese Folge aufeinander aufbauender additiver Schmelzschichtungen aus abwechselnder erster und zweiter Materialkomponente kann auch als additive Sandwich-Fertigung bezeichnet werden.
Die 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten, zweiten und/oder dritten Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in den 2 bis 5 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Das vierte Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt umfasst einen Kühlkörper 102 (der beispielsweise durch Strangpressen und/oder additive Schmelzschichtung der ersten Materialkomponente gefertigt ist) und einen Wärmeverteiler 104, der auf einer Fügefläche 103 zwischen Kühlkörper 102 und Wärmeverteiler 104 additive gefertigt ist, beispielsweise durch additive Schmelzschichtung der ersten Materialkomponente.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, beispielsweise gemäß der 2, sind Kühlkörper und/oder Wärmeverteiler durch additive Fertigung hergestellt. Das fünften Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100 kann für sich oder in Weiterbildung des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Ausführungsbeispiels realisierbar sein.
Das fünfte Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 102 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung, beispielsweise ausgehend von der Fügefläche 105, aus einem TIM hergestellt sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt umfasst einen Kühlkörper 102. Vorzugsweise umfasst der Wärmeabgabeabschnitt (zum Wärmeaufnahmeabschnitt 106 hin) einen integral-einstückigen Wärmeverteiler. In einer additiven Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts 102 kann aus der ersten Materialkomponente der Kühlkörper und der Wärmeverteiler integral-einstückigen aufgebaut werden.
Die 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten bis fünften Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in den 2 bis 6 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Die (erste) Fügefläche 105 zwischen dem Wärmeverteiler 104 als Wärmeabgabeabschnitt und dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 ist an einer ersten Seite des Wärmeverteilers 104 angeordnet.
Die Wärmeabgabefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 ist eine zweite Fügefläche an einer zweiten Seite des Wärmeverteilers 104. Die Wärmebrücke 100 umfasst einen an der zweiten Fügefläche 101 mit dem Wärmeabgabeabschnitt 104 stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt 108.
Der Zwischenabschnitt 108 kann eine plastische oder elastische zweite Wärmekontaktfläche 109 aufweisen und/oder von der zweiten Fügefläche 101 bis zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfassen. Der Zwischenabschnitt 108 kann dazu ausgebildet sein, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 wärmeleitend zu transportieren.
Die erste Seite und die zweite Seite, d.h. die erste Fügefläche 105 und die zweite Fügefläche 101, können aneinandergrenzen, beispielsweise im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Fügefläche 105 und die zweite Fügefläche 101 gegenüberliegende Seiten des Wärmeabgabeabschnitts 104 sind. Dadurch kann eine Richtung eines Wärmepfads 118 entlang des Wärmepfads 118, beispielsweise um 90°, geändert (d.h. gelenkt) werden. Dies ist beispielsweise für einen in 7 gezeigten seitlichen Wärmeabgriff vorteilhaft, d.h. wenn die Wärmekontaktfläche 107 die Wärmequelle 110 seitlich (d.h. parallel zur Leiterplatte 112) kontaktiert und senkrecht zur Leiterplatte 112 abgeführt werden soll.
Das sechste Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) und/oder durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) und/oder durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
8 zeigt schematisch einen Temperatursensor 114 (d.h. einen Temperaturfühler) bzw. eine Ausnehmung (beispielsweise einen Kanal) zur Aufnahme des Temperatursensors 114, der in einer Variante jedes Ausführungsbeispiels der Wärmebrücke 100 realisierbar ist. Eine Auswertelektronik des Temperatursensors 114 kann außerhalb der Wärmebrücke 100 mit dem Temperatursensor 114 elektrisch leitend verbunden sein, beispielsweise über Messleitungen durch den Kanal.
Der Temperatursensor 114 kann im Zuge der additiven Schmelzschichtung zusammen mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 hergestellt werden, beispielsweise als ein elektrisch leitender (beispielsweise metallischer) Draht, der durch eine Linearbewegung eines Druckkopfs in den Kanal eingebracht wird.
Alternativ oder ergänzend kann der Temperatursensor 114 in eine Aussparung im Kühlkörper 102 oder direkt auf der Wärmequelle 110 angeordnet sein.
9 zeigt schematisch ein oder mehrere Wärmerohre 116 (fachsprachlich auch: Heatpipe) bzw. eine oder mehrere Ausnehmungen (beispielsweise Kanäle) jeweils zur Aufnahme des Wärmerohrs 116, das in einer Variante jedes Ausführungsbeispiels der Wärmebrücke 100 realisierbar ist.
Der Wärmerohr 116 oder der entsprechende Kanal kann im Zuge der additiven Schmelzschichtung zusammen mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 hergestellt werden, beispielsweise als ein metallisches Rohr, in dem ein Kältemittel eingeschlossen ist.
Das oder die Wärmerohre 116 erstrecken sich vorzugsweise parallel zum Transport der Wärme. Alternativ oder ergänzend schließen das oder die Wärmerohre 116 mit der Fügefläche 105 bündig ab.
10 zeigt schematisch den Unterschied des Grenzflächeninhalts (beispielsweise einer Wirkfläche) einer feinstrukturierten Fügefläche 105 und einer senkrecht zum Transport der Wärme projizierten Fläche, d.h. einer ebenen Querschnittsfläche senkrecht zum Transport (d.h. zur Richtung des Transports) der Wärme.
Die in 10 gezeigte Dreieck-Struktur ist ein schematisches Beispiel der Feinstrukturierung. Beispielsweise kann die feinstrukturierte Fügefläche 105 Erhebungen und/oder Vertiefungen, welche ihre Wirkfläche je Querschnittsfläche vergrö-ßert. Beispielsweise kann ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche 105 zur Größe der Querschnittsfläche senkrecht zum Transport der Wärme größer als zwei sein.
Die Feinstrukturierung kann eine Wirkfläche zwischen der ersten und zweiten Materialkomponente vergrößern. Die Feinstrukturierung kann im Zuge der additiven Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts 106 und/oder des Wärmeabgabeabschnitts 102 oder 104 hergestellt werden.
Während mit Bezug auf 10 und die Grenzschicht der (ersten) Fügefläche 105 zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 und Wärmeabgabeabschnitt 102 oder 104 eine Feinstrukturierung offenbart ist, kann gegebenenfalls die zweite Fügefläche 101 zwischen Wärmeverteiler 104 und Zwischenabschnitt 108 ebenso feinstrukturiert sein.
In jedem Ausführungsbeispiel kann die genannte additiven Fertigung eine additive Schmelzschichtung umfassen.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte erste und/oder zweite Materialkomponente an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

100: Wärmebrücke
101: Wärmeabgabefläche des Wärmeabgabeabschnitts
102: Wärmeabgabeabschnitt als Kühlkörper, fachsprachlich auch: Heatsink
103: Optionale Fügefläche zwischen Kühlkörper und Wärmeverteiler
104: Wärmeabgabeabschnitt als Wärmeverteiler, fachsprachlich auch: Heatspreader
105: Fügefläche zwischen Wärmeaufnahmeabschnitt und Wärmeabgabeabschnitt
106: Wärmeaufnahmeabschnitt aus Wärmeleitmaterial, fachsprachlich auch: Thermal Interface Material (TIM)
107: Anformbare Wärmekontaktfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts
108: Zwischenabschnitt
109: Anformbare Wärmekontaktfläche des Zwischenabschnitts
110: Elektrische Wärmequelle, beispielsweise Bauelement
112: Leiterplatte
114: Temperatursensor
116: Wärmerohr, fachsprachlich auch: Heatpipe
118: Wärmepfad
120: Separater Kühlkörper
121: Wärmeabgabefläche des separaten Kühlkörpers

Claims

Wärmebrücke (100) zum wärmeleitenden Transport von Wärme, umfassend: - einen Wärmeabgabeabschnitt (102; 104), der eine Fügefläche (103; 105) und eine von der Fügefläche (103; 105) beabstandete Wärmeabgabefläche (101) aufweist, und der von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmeabgabefläche (101) eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) dazu ausgebildet ist, die Wärme von der Fügefläche (103; 105) zur Wärmeabgabefläche (101) wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche (101) abzugeben; und - einen an der Fügefläche (103; 105) mit dem Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) stoffschlüssig verbundenen Wärmeaufnahmeabschnitt (106), der eine durch Anpressdruck anformbare Wärmekontaktfläche (107) aufweist und von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmekontaktfläche (107) eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, die von der ersten Materialkomponente verschieden ist, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) dazu ausgebildet ist, die Wärme an der Wärmekontaktfläche (107) aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt (106) zum Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) wärmeleitend zu transportieren.
Wärmebrücke (100) nach Anspruch 1, wobei die Fügefläche (103; 105) eine in die zweite Materialkomponente eingebettete Verästelung oder Wabenstruktur der ersten Materialkomponente aufweist.
Wärmebrücke (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmebrücke (100), optional der Wärmabgabeabschnitt (102; 104), einen Kühlkörper (102) und/oder einen Wärmeverteiler (104) umfasst.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (104) dazu ausgebildet ist, die Wärme durch Wärmeleitung an einen Kühlkörper (102) abzugeben, oder wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102) oder der Kühlkörper (102) dazu ausgebildet ist, die Wärme durch Wärmestrahlung und/oder Wärmekonvektion an eine Umgebung der Wärmeabgabefläche (101) abzugeben.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Materialkomponente ein Metall umfasst, und/oder wobei die zweite Materialkomponente ein unter Standardbedingungen oder Normalbedingungen plastisches, elastisches, viskoses oder viskoelastisches Wärmeleitmaterial umfasst.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) extrudiert, gegossen und/oder gesintert ist und/oder durch Zerspanen hergestellt oder nachbearbeitet ist, und/oder wobei der Wärmeabgabeabschnitt (104) aus der ersten Materialkomponente mittels additiver Schmelzschichtung gefertigt ist.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) stoffschlüssig auf der Fügefläche (103; 105) des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) mittels additiver Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente oder durch Auftragen der zweiten Materialkomponente gefertigt ist.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein die aufgenommene und transportierte Wärme erzeugendes elektrisches Bauteil als Wärmequelle (110) in die zweite Materialkomponente des Wärmeaufnahmeabschnitts (106) eingebettet ist.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wärmeabgabefläche (101) des Wärmeabgabeabschnitts (104) eine zweite Fügefläche (101) ist und die Wärmebrücke (100) ferner umfasst: - einen an der zweiten Fügefläche (101) mit dem Wärmeabgabeabschnitt (104) stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt (108), der eine durch Anpressdruck anformbare zweite Wärmekontaktfläche (109) aufweist und von der zweiten Fügefläche (101) bis zur zweiten Wärmekontaktfläche (109) die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfasst, wobei der Zwischenabschnitt (108) dazu ausgebildet ist, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche (101) des Wärmeabgabeabschnitts (104) zur zweiten Wärmekontaktfläche (109) wärmeleitend zu transportieren, optional wobei der Zwischenabschnitt (108) auf einem Kühlkörper (120) mittels additiver Schmelzschichtung gefertigt ist, und der Wärmeabgabeabschnitt (104) ein aus der ersten Materialkomponente auf dem Zwischenabschnitt (108) additiv gefertigter Wärmeverteiler ist.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wärmeabgabefläche (101) des Wärmeabgabeabschnitts (104) eine zweite Fügefläche (103) ist und die Wärmebrücke (100) ferner umfasst: - Verbindungsmittel, die dazu ausgebildet sind, die zweite Fügefläche (103) des Wärmeabgabeabschnitts (104) unter plastischer Verformung der zweiten Fügefläche (103) mit einem Kühlkörper (120) zur Herstellung einer die Wärme leitenden Verbindung zu verpressen.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Fügefläche (105) und die zweite Fügefläche (101; 103) gegenüberliegende oder benachbarte Seiten des Wärmeabgabeabschnitts (104) sind.
Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt (104) ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors eingebracht ist, und/oder wobei mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt (104) ein Wärmerohr zum konvektiven Transport der Wärme oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmerohrs eingebracht ist.
Verfahren zur additiven Fertigung einer Wärmebrücke (100) zum wärmeleitenden Transport von Wärme, umfassend: - Bereitstellen eines Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) der Wärmebrücke (100), der eine Fügefläche (103; 105) und eine von der Fügefläche (103; 105) beabstandet Wärmeabgabefläche (101) aufweist, und der von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmeabgabefläche (101) eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) dazu ausgebildet ist, die Wärme von der Fügefläche (103; 105) zur Wärmeabgabefläche (101) wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche (101) abzugeben; und - additive Fertigung eines Wärmeaufnahmeabschnitts (106) auf der Fügefläche (103; 105) zur stoffschlüssigen Verbindung mit dem Wärmeabgabeabschnitt (102; 104), wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) eine durch Anpressdruck anformbare Wärmekontaktfläche (107) aufweist und von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmekontaktfläche (107) eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, die von der ersten Materialkomponente verschieden ist, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) dazu ausgebildet ist, die Wärme an der Wärmekontaktfläche (107) aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt (106) zum Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) wärmeleitend zu transportieren.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bereitstellen des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) der Wärmebrücke (100) eine additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) umfasst, und wobei die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts (106) die additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) mittels Schmelzschichtung an der Fügefläche (103; 105) fortsetzt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung größer als eine Schmelztemperatur der zweiten Materialkomponente ist, und/oder wobei die zweite Materialkomponente amorph ist und eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung größer als eine Glasübergangstemperatur der zweiten Materialkomponente ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die zweite Materialkomponente die erste Materialkomponente an der Fügefläche (103; 105) benetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner umfassend: Feinstrukturieren der Fügefläche (105) oder der zweiten Fügefläche (101), wobei ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche (105; 101) zur Größe der Querschnittsfläche senkrecht zum Transport der Wärme größer als zwei ist.