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Die Erfindung betrifft einen Mehrmetallkühler und ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrmetallkühlers.
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Elektrische Bauteile wie Leistungsmodule müssen gekühlt werden. Ein Kühler, der wärmeleitend an dem elektrischen Bauteil angebracht ist, führt die Wärme von dem elektrischen Bauteil ab. Der Kühler kann ein Kühlkörper oder eine Struktur sein, durch die Kühlmittel fließt. Solche Kühler werden häufig aus Aluminium hergestellt, da Aluminium eine gute Wärmeleitfähigkeit hat und sich leicht in nützliche Formen bringen lässt. Aluminium bildet jedoch leicht eine Aluminiumoxidschicht auf seiner Oberfläche, so dass es schwierig ist, durch Löten, Sintern, Hartlöten oder andere übliche Verbindungstechniken eine zuverlässige Verbindung mit Aluminium herzustellen.
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Es ist bekannt, dass an der Kontaktstelle des elektrischen Bauteils eine Kupferschicht auf das Aluminium gelegt wird, um einen Mehrmetallkühler zu bilden. Kupfer ist viel einfacher anzuschließen. Kupfer ist auch sehr gut für die Wärmeverteilung geeignet, da es eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium besitzt. Das elektrische Bauteil kann dann an der Kupferschicht des Mehrmetallkühlers befestigt werden.
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Daher kann die technische Aufgabe darin bestehen, ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrmetallkühlers und eines Mehrmetallkühlers bereitzustellen, das eine verbesserte Zuverlässigkeit der Mehrmetallverbindung und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit durch die Mehrmetallverbindung bereitstellt.
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In den Ansprüchen 1 und 8 sind die wesentlichen Merkmale der Erfindung angegeben. Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 11.
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In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrmetallkühlers bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: stoffschlüssiges Verbinden mindestens eines ersten Metallteils mit mindestens einem zweiten Metallteil; Einpressen des mindestens einen ersten Metalls in das mindestens eine zweite Metallteil nach dem Schritt des stoffschlüssigen Verbindens des mindestens einen ersten Metallteils mit dem mindestens einen zweiten Metallteil; und Umformen des mindestens einen zweiten Metallteils in eine vorbestimmte Form des Mehrmetallkühlers.
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Erfindungsgemäß sieht das Verfahren eine Kombination aus dem Einpressen des ersten Metallteils in das zweite Metallteil nach dem stoffschlüssigen Verbinden des ersten und zweiten Metallteils vor. Die stoffschlüssige Verbindung kann auch als Stoff-zu-Stoff-Verbindung bezeichnet werden. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil stellt eine zuverlässige Befestigung des ersten Metallteils am zweiten Metallteil bereit. Darüber hinaus stellt die stoffschlüssige Verbindung eine effiziente Wärmeleitfähigkeit zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil bereit. Durch das Einpressen des ersten Metallteils in das zweite Metallteil wird die Befestigung des ersten Metallteils am zweiten Metallteil weiter erhöht. Darüber hinaus können Teile des ersten Metallteils, die aus dem zweiten Metallteil herausragen, in das zweite Metallteil gepresst werden, um eine im Wesentlichen ebene Oberfläche des Mehrmetallkühlers zu schaffen. Das zweite Metallteil kann in eine vorbestimmte Form gebracht werden. Die vorbestimmte Form kann zum Beispiel Kühlrippen auf einer dem ersten Metallteil gegenüberliegenden Seite umfassen. Das erste Metallteil kann z.B. eine Kontaktfläche für ein zu kühlendes Element aufweisen. Außerdem kann das erste Metallteil zum Beispiel kleiner als das zweite Metallteil sein. Dann kann das erste Metallteil nur den Bereich abdecken, der für die Kontaktierung eines zu kühlenden elektrischen Bauteils erforderlich ist. Das Verfahren stellt somit einen Mehrmetallkühler bereit, der eine verbesserte Zuverlässigkeit der Mehrmetallverbindung zwischen dem mindestens einen ersten Metallteil und dem mindestens einen zweiten Metallteil und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit durch die Mehrmetallverbindung aufweist.
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In einem Beispiel können die Schritte des Einpressens des mindestens einen ersten Metalls in das mindestens eine zweite Metallteil und des Umformens des mindestens einen zweiten Metallteils in eine vorbestimmte Form gleichzeitig durchgeführt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines Formwerkzeugs, insbesondere einer Schmiedepresse.
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Dies erhöht die Zeiteffizienz bei der Herstellung des Mehrmetallkühlers. Wird beispielsweise eine Schmiedepresse verwendet, kann das mindestens eine zweite Metallteil in einer strukturierten Form mit einer dem mindestens einen Metallteil gegenüberliegenden Seite angeordnet werden. Somit ist die Seite, an der das mindestens eine erste Metallteil angeordnet ist, der Form abgewandt. Die strukturierte Form kann Strukturen zur Bildung von Kühlrippen aufweisen. Die Schmiedepresse kann eine zweite Form zum Schließen der strukturierten Form aufweisen. Beim Schließen der strukturierten Form mit der zweiten Form kann das zweite Metallteil in die strukturierte Form gepresst werden, so dass das zweite Metallteil in die vorgegebene Form gebracht wird. Gleichzeitig kann das erste Metallteil, das in stoffschlüssiger Verbindung mit dem zweiten Metallteil steht, in das zweite Metallteil gepresst werden. Das Pressen und das Umformen können somit in einem Schritt gleichzeitig erfolgen, was sehr schnell und kostengünstig ist.
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In einem Beispiel kann der Schritt des stoffschlüssigen Verbindens von mindestens einem ersten Metallteil mit mindestens einem zweiten Metallteil durch Walzen des mindestens ersten Metallteils auf das mindestens eine zweite Metallteil und/oder eine anschließende thermische Konditionierung des aneinander befestigten ersten und zweiten Metallteils durchgeführt werden
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Das mindestens eine erste Metallteil kann zum Beispiel die Form eines Bandes haben, das auf das zweite Metallteil in Form eines Bandes gewalzt wird. Es können auch mehrere bandförmige erste Metallteile auf das zweite Metallteil oder auf eine Vielzahl von zweiten Metallteilen gewalzt werden. Das Walzen des ersten Metallteils auf das zweite Metallteil kann den Schritt des Verbindens vereinfachen. Weiter kann die Verbindung zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil fester sein als beim einfachen Einpressen des ersten Metallteils in das zweite Metallteil. Aus den verbundenen ersten und zweiten Metallteilen kann mindestens ein Butzen ausgestanzt werden. Der Butzen kann im Schritt Umformen des mindestens einen zweiten Metallteils in eine vorbestimmte Form des Mehrmetallkühlers zu einem Mehrmetallkühler geformt werden.
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In einem Beispiel wird bei dem Schritt des stoffschlüssigen Verbindens mindestens eines ersten Metallteils mit mindestens einem zweiten Metallteil eine intermetallische Phase zwischen dem mindestens einen ersten Metallteil und dem mindestens einen zweiten Metallteil gebildet.
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In der intermetallischen Phase zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil kann sich das Material der beiden Metallteile vermischen, wobei die intermetallische Phase eine chemische Bindung zwischen den beiden Metallen ist, die eine Gitterstruktur aufweisen kann. Die intermetallische Phase kann durch Behandlung der Kontaktflächen des ersten und zweiten Metallteils vor dem Verbinden und durch thermische Konditionierung des ersten und zweiten Metallteils nach dem Verbinden erreicht werden.
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In einem Beispiel umfasst die intermetallische Phase eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 40 µm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 20 µm.
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In einem Beispiel ist das mindestens eine erste Metallteil aus Kupfer und/oder das mindestens eine zweite Metallteil aus Aluminium hergestellt.
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In einem Beispiel wird bei dem Schritt des Einpressens des mindestens einen ersten Metalls in das mindestens eine zweite Metallteil das mindestens eine erste Metallteil derart in das mindestens eine zweite Metallteil gepresst, dass eine Außenfläche des mindestens einen ersten Metallteils und eine Außenfläche des mindestens einen zweiten Metallteils im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
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Das erste Metallteil kann nach dem Verbinden aus dem zweiten Metallteil herausragen. Anschließend kann das erste Metallteil in das zweite Metallteil eingedrückt werden, bis die dem zweiten Metallteil abgewandte Oberfläche des ersten Metallteils mit der angrenzenden Oberfläche des zweiten Metallteils bündig ist. Dies vereinfacht die Bearbeitung dieser Oberflächen, z.B. zum Drucken von Sinterpaste zur Verbindung eines elektronischen Bauteils mit dem ersten Metallteil.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Mehrmetallkühler bereitgestellt, der mindestens ein erstes Metallteil und mindestens ein zweites Metallteil umfasst, wobei das mindestens eine erste Metallteil mit dem mindestens einen zweiten Metallteil stoffschlüssig verbunden ist und wobei das mindestens eine zweite Metallteil die Form des Mehrmetallkühlers definiert.
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In einem Beispiel umfasst die Verbindung zwischen dem mindestens einen ersten Metallteil und dem mindestens einen zweiten Metallteil eine intermetallische Phase, die vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 40 µm, weiter vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 20 µm aufweist.
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In einem Beispiel ist das mindestens eine erste Metallteil aus Kupfer und/oder das mindestens eine zweite Metallteil aus Aluminium hergestellt.
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In einem Beispiel sind eine erste Außenfläche des mindestens einen ersten Metallteils und eine zweite Außenfläche des mindestens einen zweiten Metallteils im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
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Die Wirkungen und weiteren Ausführungsformen des Mehrmetallkühlers gemäß der vorliegenden Erfindung sind analog zu den Wirkungen und Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der oben genannten Beschreibung. Es wird daher auf die obige Beschreibung des Verfahrens verwiesen.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Figuren zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines Mehrmetallkühlers;
- 2a-c eine schematische Darstellung von drei ersten Metallteilen, die mit einem zweiten Metallteil verbunden sind;
- 3a eine schematische Darstellung eines Butzens; und
- 4a, b eine schematische Darstellung einer Gussform, die einen Butzen zu einem Mehrmetallkühler formt.
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1 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 100 zur Herstellung eines Mehrmetallkühlers.
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In Schritt 102 kann mindestens ein erstes Metallteil mit einem zweiten Metallteil stoffschlüssig verbunden werden. Das erste Metallteil kann aus Kupfer und das zweite Metallteil kann aus Aluminium hergestellt sein. Zur Vorbereitung von Schritt 102 können die Kontaktflächen des ersten und zweiten Metallteils in Schritt 114 beispielsweise gebürstet werden.
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Das Bürsten kann beispielsweise mit einer Drahtbürste erfolgen, um die Rauheit der Kontaktflächen zu erhöhen und eine Metalloxidschicht auf der Oberfläche zu reduzieren und/oder zu entfernen, um eine bessere Verbindung der beiden Metalle zu erreichen. Die Bürste kann zum Beispiel Drähte aus verkupfertem Stahl haben. Die Bürste kann zum Beispiel eine T-förmige Drahtbürste oder eine topfförmige Drahtbürste sein. Die Drähte können einen Durchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, vorzugsweise von 0,3 mm haben.
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Die Rotation der Drahtbürsten kann zum Beispiel im Bereich von 1000 Umdrehungen pro Minute bis 100000 Umdrehungen pro Minute liegen, weiter bevorzugt im Bereich von 2000 Umdrehungen pro Minute bis 50000 Umdrehungen pro Minute, am meisten bevorzugt 10000 Umdrehungen pro Minute.
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Schritt 102 kann zum Beispiel den Unter-Schritt 110 umfassen, bei dem das erste Metallteil auf das zweite Metallteil gewalzt wird. Das erste Metallteil kann ein Band sein, das auf das zweite Metallteil, das ein Band ist, gewalzt wird. Mehrere erste Metallteile können auf ein oder mehrere Bänder aus zweiten Metallteilen gewalzt werden.
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Der Schritt des Rollens des ersten Metallteils auf dem zweiten Metallteil kann mit vordefinierten Geschwindigkeiten und vordefinierten Zugkräften durchgeführt werden. Die Geschwindigkeit kann zum Beispiel im Bereich von 0,015 Meter pro Sekunde bis 1,5 Meter pro Sekunde liegen, weiter bevorzugt im Bereich von 0,1 Meter pro Sekunde bis 0,3 Meter pro Sekunde, am meisten bevorzugt 0,15 Meter pro Sekunde.
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Darüber hinaus können bei Verwendung des Teilschritts 110 die Bürstenstriche in Schritt 114 zum Beispiel parallel zur Walzrichtung des ersten Metallteils ausgeführt werden. Dies kann die Verbindung zwischen den Metallteilen erhöhen.
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Nach Unter-Schritt 110 können das erste und das zweite Metallteil in einem weiteren Unter-Schritt 112 von Schritt 102 thermisch konditioniert, beispielsweise erwärmt werden. Die thermische Konditionierung kann die Bildung einer intermetallischen Phase an den Kontaktflächen des ersten und des zweiten Metallteils bewirken. Die intermetallische Phase kann daher zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil angeordnet sein. Die intermetallische Phase zwischen dem ersten und dem zweiten Metallteil kann jedoch auch auf eine andere Weise gebildet werden.
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Die intermetallische Phase zwischen dem ersten und zweiten Metallteil kann eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 40 µm, vorzugsweise im Bereich von 10 µm bis 20 µm, aufweisen. Wenn die intermetallische Phase zu dick wird, kann die intermetallische Phase eine Verringerung der Kühlleistung des Mehrmetallkühlers verursachen.
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Wie in 2a dargestellt, können drei erste Metallteile 12, die streifenförmig sind, auf ein bandförmiges zweites Metallteil 14 gewalzt werden. Die Materialverbindung in Form der intermetallischen Phase 16 verbindet jedes erste Metallteil 12 mit dem zweiten Metallteil 14.
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Wie in 2b dargestellt, ragen die ersten Metallteile 12 aus dem zweiten Metallteil 14 hervor. Eine erste Außenfläche 28 des ersten Metallteils 12 ist von dem zweiten Metallteil 14 abgewandt. Das zweite Metallteil 14 umfasst außerdem eine zweite Außenfläche 30, die an die ersten Metallteile 12 angrenzt.
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Optional können aus dem kombinierten ersten und zweiten Metallteil, wie in 2c dargestellt, Butzen 18 gestanzt, mit Wasserstrahlen oder Drahtschneide-/Drahterodierverfahren geschnitten werden. Jeder Butzen kann dann in den weiteren Schritten zu einem Mehrmetallkühler geformt werden. Durch das Stanzen einer Vielzahl von Butzen 18 aus einem kombinierten ersten und zweiten Metallband kann eine große Anzahl von Butzen 18 in kurzer Zeit hergestellt werden.
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3 zeigt einen Butzen 18. Bei dem Butzen 18 handelt es sich um einen vorgeformten Mehrmetallkühler, so dass die meisten Abmessungen des Butzens 18 den Abmessungen des zukünftigen Mehrmetallkühlers nahe kommen. Der Butzen 18 besteht aus drei Materialinseln, die von den ersten Metallteilen 12 im Material des zweiten Metallteils 14 gebildet werden.
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In einem in 1 dargestellten Schritt 104 wird das mindestens eine erste Metallteil, das mit dem mindestens einen zweiten Metallteil verbunden ist, in das mindestens eine zweite Metallteil gepresst. Wenn das erste Metallteil aus Kupfer und das zweite Metallteil aus Aluminium hergestellt ist, ist das erste Metallteil härter als das zweite Metallteil. Durch das Einpressen des ersten Metallteils in das zweite Metallteil kann daher im Wesentlichen nur das zweite Metallteil verformen.
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Nach dem Einpressen des ersten Metallteils in das zweite Metallteil können die erste Außenfläche des ersten Metallteils, die dem zweiten Metallteil abgewandt ist, und die zweite Außenfläche des zweiten Metallteils, die an die erste Außenfläche angrenzt, bündig zueinander sein. Das bedeutet, dass die erste Außenfläche und die zweite Außenfläche im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein können.
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Die erste Außenfläche und die zweite Außenfläche können nahtlos miteinander verbunden sein oder eine dünne Naht im Bereich von 10 µm bis 100 µm aufweisen.
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In einem Schritt 106 wird das zweite Metallteil in eine vorgegebene Form eines Mehrmetallkühlers gebracht. Die vorgegebene Form kann zum Beispiel Kühlrippen an einer Seite umfassen, die der mit dem ersten Metallteil verbundenen Seite gegenüberliegt.
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Die Schritte 104 und 106 können gemäß Schritt 108 gleichzeitig durchgeführt werden. Während das erste Metallteil in das zweite Metallteil gepresst wird, findet eine Formgebung des zweiten Metallteils statt. Das gleichzeitige Einpressen und Umformen kann beispielsweise mit einem Formwerkzeug, insbesondere einer Schmiedepresse, erfolgen.
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Dies ist in den 4a und 4b näher dargestellt. Der Butzen 18 ist in einer strukturierten Form 20 einer Schmiedepresse angeordnet. Die ersten Metallteile 12 weisen aus der strukturierten Form heraus. Die strukturierte Form 20 ist nur zum Umformen des zweiten Metallteils 14 ausgebildet. Die strukturierte Form 20 weist Strukturen 24 zur Bildung von Kühlrippen auf.
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Eine zweite Form 22 der Schmiedepresse kann auf den ersten Metallteilen 12 angeordnet werden, wie in 4a dargestellt. Der Butzen 18 ist somit zwischen der strukturierten Form 20 und der zweiten Form 22 eingebettet.
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Beim Verringern des Abstandes zwischen der zweiten Form und der strukturierten Form, z. B. durch Bewegen der zweiten Form 22 in Richtung der strukturierten Form 20, drückt die zweite Form 22 die ersten Metallteile 12 in das zweite Metallteil 14. Das Material des zweiten Metallteils 14 kann um die ersten Metallteile 12 herumfließen, bis die erste Außenfläche 28 mit der zweiten Außenfläche 30 bündig ist, wie in 4b dargestellt. Die Materialverbindung zwischen dem ersten und zweiten Metallteil 12, 14 wird mit dem ersten Metallteil in das zweite Metallteil gepresst.
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Gleichzeitig wird das zweite Metallteil 14 in die strukturierte Form 20 gepresst, um einen Mehrmetallkühler 10 zu bilden. Durch das Kaltschmieden kann das zweite Metallteil 14 geformt werden. Durch die Presskraft der Schmiedepresse fließt das Material des zweiten Metallteils 14 in die Strukturen 24 der strukturierten Form 20. Die Strukturen 24 der strukturierten Form 20 können am zweiten Metallteil 14 Kühlrippen 26 für den Mehrmetallkühler 10 bilden.
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Optional kann der geschmiedete Mehrmetallkühler 10 gefräst werden, um eine endgültige Form des Mehrmetallkühlers 10 zu erhalten.
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Die ersten Außenflächen 28 können die Kontaktflächen für die zu kühlenden elektrischen Bauteile sein. Die Wärme der elektrischen Bauteile kann von dem ersten Metallteil über die intermetallische Phase 16 an das zweite Metallteil 14 geleitet werden. Dann können die Kühlrippen 26 des Mehrmetallkühlers 10 die Wärme ableiten.
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Zusätzlich oder alternativ kann die strukturierte Form 20 Strukturen zur Bildung von Kühlkanälen (nicht dargestellt) für eine Kühlflüssigkeit im zweiten Metallteil aufweisen.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der vorgenannten Ausführungsformen beschränkt. Sie kann in vielerlei Hinsicht modifiziert werden.
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Alle Merkmale und Vorteile, die sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung ergeben, einschließlich konstruktiver Details, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.
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Liste der Referenzen
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- 10
- Mehrmetallkühler
- 12
- erstes Metallteil
- 14
- zweites Metallteil
- 16
- intermetallische Phase
- 18
- Butzen
- 20
- strukturierte Form
- 22
- zweite Form
- 24
- Struktur
- 26
- Kühlrippe
- 28
- erste Außenfläche
- 30
- zweite Außenfläche