DE10244791B4

DE10244791B4 - Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen

Info

Publication number: DE10244791B4
Application number: DE10244791A
Authority: DE
Inventors: Guenter Schelling; Guenter Vetter; Wolfgang Jacob; Joachim Walz; Christoph Ruf; Albert-Andreas Hoebel; Martin Frey; Sven Kittelberger; Andreas Haugeneder; Rolf Becker; Andreas Fischer; Immanuel Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: DE10244791A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31),
– wobei mindestens ein erster und ein zweiter metallischer Kühlkörper (10, 20) vorgesehen ist,
– wobei der erste und zweite metallische Kühlkörper (10, 20) mindestens einen Hohlraum zur Aufnahme mindestens eines zu kühlenden elektronischen Bauelementes (30, 31) bildet,
– wobei mindestens einer der Kühlkörper (10, 20) mit Metall gefüllte Kanäle (41–45) aufweist, die sich von elektrischen Kontaktflächen (51–56) des Bauelements (30, 31) bis zu einer Außenseite (60) des Kühlkörpers erstrecken, und so elektrische Signale des Bauelements (30, 31) nach außen führen,
– wobei mindestens die dem Bauelement (30, 31) und den Kanälen (41–45) zugewandten Oberflächen des ersten und zweiten metallischen Kühlkörpers (10, 20) elektrisch nicht leitend ausgeführt sind,
– wobei die Kanäle (41–45) mit einem niedrig schmelzenden Lot füllt sind,
– und wobei die durch die elektronischen Bauelemente (30, 31) abgegebene Wärme durch die...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Entwärmung von Leistungsbauelementen mit Hilfe von Kühlkörpern ist allgemein geläufig.
Aus der GB 2 354 116 A ist ein Kühlkörper bekannt, bei dem Aussparungen in Form von Schlitzen vorgesehen sind, in denen die zu entwärmenden Bauelemente eingeschoben werden können. Die Bauelemente stehen über drei Seiten mit dem Kühlkörper in thermischem Kontakt. Die Wärme der elektronischen Bauelemente wird an die Kühlrippen des Kühlkörpers weitergeleitet und dort an das umgebende Medium abgegeben.
Aus der US 6 350 952 B1 ist eine Anordnung bekannt, bei welchem ein Halbleiterbauelement einseitig über eine Silberleitpaste mit einem Kühlkörper kontaktiert ist und wobei alle anderen Seiten des Halbleiterbauelementes von einer Beschichtung in Form von Gießharz umgeben ist.
Aus der JP 64-059 842 A ist eine Anordnung bekannt, bei welcher sich ein Halbleiterelement in einem Hohlraum befindet, welcher von zwei Kuhlkörperelementen gebildet wird, wobei die elektrischen Anschlusskontakte des Halbleiterbauelementes über einen Filmstreifen aus dem Hohlraum der Kuhlkörperelemente nach außen hin geführt werden.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nicht nur eine oder ggf. drei Seiten des elektronischen Bauelements mit dem umgebenden Kühlkörper im thermischen Kontakt stehen, sondern alle sechs Seiten des elektronischen Bauelementes einen innigen und guten thermischen Kontakt zum Kühlkörper aufweisen. Durch die somit deutlich vergrößerte thermisch wirksame Kontaktfläche zum Kühlkörper wird die Entwärmung der elektronischen Bauelemente weiter verbessert. Weiterhin werden die elektronischen Bauelemente zusätzlich auch über die Kontaktflächen, die über ihre gesamte Fläche mit den Metall gefüllten Kanälen in Verbindung stehen entwärmt. Darüber hinaus reduziert die erfindungsgemäße Vorrichtung thermisch induzierte Spannungen der Bauelemente. Bei einer herkömmlichen Kühlung wird nur eine Seite des Bauelementes gekühlt, hierdurch bildet sich eine heiße und kalte Seite am Bauelement aus, bei der sich die heiße Seite stärker ausdehnt als die kalte Seite und so eine Druckspannung im Gehäuse erzeugt. Häufig sich ändernde Strombelastungen des Bauelements und die hiermit verbundenen Temperaturwechsel ermüden das Material und führen ggf. zu einer Zerstörung des Bauelements. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden alle Seiten des Bauelementes entwärmt und zeigen daher im Wesentlichen auch die gleiche Temperatur; eine Beanspruchung durch unterschiedlich erwärmte Bereiche des Bauelements wird somit wird vermieden. In weiterer vorteilhafter Weise schützt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bauelemente auch vor mechanischer Beschädigung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen möglich.
In vorteilhafter Weise wird der metallische Kühlkörper aus Aluminium gefertigt. Dies ermöglicht eine gewichtssparende Bauweise der Vorrichtung bei gleichzeitiger guter Wärmeleitfähigkeit. Des Weiteren lässt sich Aluminium mit einer großen Vielzahl von Verfahren herstellen und bearbeiten; beispielsweise können über Druckguss oder Strangpressen nahezu beliebige Körper geformt werden und so vielfältige Anwendungsbereiche erschlossen werden. Darüber hinaus können auf Aluminium in einfacher und kostengünstiger Weise durch Eloxieren elektrisch nicht leitfähige Oberflächen erzeugt werden. Des Weiteren können für den Kühlkörper auch weitere gut Wärme leitende Metalle, wie z. B. Kupfer oder Stahl vorgesehen sein.
Die Kanäle des metallischen Kühlkörpers werden mit einem niedrig schmelzenden Lot gefüllt. Dies hat den Vorteil, die Kanäle bei geringen Temperaturen in einem Arbeitsgang zu füllen und mit den elektrischen Kontaktflächen des Bauelementes verlöten zu können, ohne die elektronischen Bauelemente thermisch stark zu belasten. Durch diese geringe und kurzzeitige thermische Belastung ist eine Beeinträchtigung der Funktion oder Verkürzung der Lebensdauer der elektronischen Bauelement zu vernachlässigen.
Des Weiteren können in vorteilhafter Weise mehrere elektronische Bauelemente elektrisch durch Lot gefüllte Kanäle miteinander verbunden sein. Hierdurch ist es möglich, bereits im Kühlkörper elektronische Schaltungen zu realisieren, ohne dass eine aufwändige Außenverdrahtung erfolgen muss.
Es wird der Schmelzpunkt des Lotes so ausgelegt, dass die kurzzeitigen Wärmespitzen, die durch den Betrieb der elektronischen Bauelemente entstehen, in den Bereich der Schmelztemperatur des Lotes fallen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die vom Bauelement abgegebene Wärme so lange nicht zur Temperaturerhöhung beiträgt, bis das Lot komplett aufgeschmolzen ist. Hierdurch können Wärmespitzen durch kurzzeitiges Aufschmelzen des Lotes ohne Temperaturerhöhung aufgefangen werden.
Zur Ableitung der konstanten Wärmelast kann der Kühlkörper zur Vergrößerung der Wärme abgebenden Oberfläche mit Kühlrippen versehen sein. Alternativ kann die Wärme auch über ein flüssiges Kühlmedium über Kühlkanäle abgeführt werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit mit Lot gefüllten Kanälen in einem ersten und zweiten metallischen Kühlkörper, 2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit mit Lot gefüllten Kanälen nur im ersten metallischen Kühlkörper.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Im Inneren eines Kühlkörpers bestehend aus einem ersten oberen und einem zweiten unteren metallischen Kühlkörper 10, 20, sind in einem linken und rechten Hohlraum elektronische Bauelemente 30, 31 angeordnet. Das linke elektronische Bauelement 30 hat an der Oberseite zwei Kontaktflächen 52 und 53 und an der Unterseite eine Kontaktfläche 51. Das rechte elektronische Bauelement 31 hat an der Oberseite zwei Kontaktflächen 54 und 55 und an der Unterseite eine Kontaktfläche 56. Der elektrische Anschluss der Kontaktflächen erfolgt über mit Metall gefüllte Kanäle 41 bis 45. Die untere Kontaktfläche 51 des Bauelements 30 wird über den mit Metall gefüllten Kanal 41 erreicht. Hierbei erstreckt sich der mit Metall gefüllte Kanal 41 von der oberen Außenseite 60 des ersten Kühlkörpers 10 bis in den zweiten Kühlkörper hinein und endet in der Ebene parallel zur Unterseite des Bauelements 30, von dort erstreckt sich der mit Metall gefüllte Kanal 41 parallel zur Unterseite des Bauelements 30 und kontaktiert die Kontaktfläche 51 in der gesamten Fläche. Die linke obere Kontaktfläche 52 des Bauelements 30 wird über den mit Metall gefüllten Kanal 42 erreicht, der sich von der oberen Außenseite 60 des ersten Kühlkörpers 10 geradlinig bis zur Kontaktfläche 52 erstreckt. Die rechte obere Kontaktfläche 53 des linken Bauelements 30 ist über den mit Metall gefüllten Kanal 43 mit der linken oberen Kontaktfläche 54 des rechten Bauelements 31 verbunden. Der mit Metall gefüllte Kanal 43 erstreckt sich hierbei parallel zu der Oberseite der Bauelemente 30, 31. Die rechte obere und die untere Kontaktfläche 55 und 56 des rechten Bauelements 31 werden über die mit Metall gefüllten Kanäle 44 und 45 erreicht, wobei sich die Kanäle in einer zum Bauelement 30 vergleichbaren Weise von der oberen Außenseite 60 des Kühlkörpers 10 bis zu den Kontaktflächen 55, 56 erstrecken.
Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, müssen die den Bauelementen und den mit Metall gefüllten Kanälen zugewandten Oberflächen des ersten und zweiten metallischen Kühlkörpers 10, 20 elektrisch nicht leitend ausgeführt sein. Wird für den Kühlkörper Aluminium vorgesehen, können die Oberflächen beispielsweise durch Eloxieren elektrisch nicht leitend ausgeführt werden. Es sind auch andere Verfahren denkbar, wie z. B. Plasma-CVD, Plasma-Spritzen, Plasmapolymerisation, Lackierungen oder ähnliches, bei denen organische oder anorganische, elektrisch nicht leitende Oberflächenbeschichtungen aufgebracht werden. Um elektrische Kurzschlüsse durch ein Kriechen des Metalls bzw. Lotes zu vermeiden, ist es vorteilhaft die elektrisch nicht leitenden Oberflächen des Kühlkörpers für das verwendete Metall bzw. Lot nicht benetzend auszuführen. Die Kontaktflächen der elektronischen Bauelemente hingegen sind gut benetzend gegenüber dem verwendeten Metall bzw. Lot auszuführen.
Die Ausnehmungen der beiden Kühlkörper sind derart ausgeführt, dass beim Zusammenfügen der beiden Kühlkörper der sich bildende Hohlraum die elektronischen Bauelemente 30, 31 formschlüssig aufnimmt. Hierdurch wird zum einen ein festes Verankern der Bauelemente erreicht und zum anderen der thermische Widerstand vom Bauelement zum Kühlkörper gering gehalten. Um den thermischen Widerstand zwischen Bauelement und Kühlkörper weiter zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, an den nicht elektrisch zu kontaktierenden Flächen zwischen Bauelement und Kühlkörper eine Wärmeleitpaste vorzusehen. Durch den thermischen Kontakt des Bauelementes über alle sechs Seiten mit dem umgebenden Kühlkörper ist eine schnelle Entwärmung des Bauelementes gegeben. Darüber hinaus erfolgt die Entwärmung auch über die Kontaktflächen, die nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch gut leitend mit den mit Metall gefüllten Kanälen in Kontakt stehen. Des Weiteren kann die Entwärmung der Bauelemente begünstigt werden, indem am oder im Kühlkörper die für Kühlvorrichtungen üblichen Maßnahmen vorgesehen sind, wie z. B. die Anordnung von Kühlrippen zur Vergrößerung der Wärme abstrahlenden Oberfläche des Kühlkörpers, des Weiteren können auch Kühlkanäle vorgesehen sein, über die durch ein kühlendes Medium Wärme abtransportiert wird.
Um beim Füllen der Kanäle 41 bis 45 die Temperaturbelastung der Bauelemente 30 und 31 gering zu halten, wird ein niedrig schmelzendes Metall oder eine Metalllegierung verwendet, bei welchem es sich um ein Lot handelt. Darüber hinaus kann die Schmelztemperatur des Lotes so eingestellt werden, dass sie gerade der zu erwartenden Temperatur-Spitzenbelastung der Bauelemente entspricht. Wird diese Temperatur beim Betrieb des Bauelementes erreicht, beginnt das Lot zu schmelzen. Die vom Bauelement abgegebene Wärme führt hierbei nicht zu einer Temperaturerhöhung, sondern wird vollständig für den Phasenwechsel von fest nach flüssig als Schmelzwärme verbraucht. Erst nach einem kompletten Aufschmelzen des Lotes ist ein weiterer Temperaturanstieg möglich. Bei kurzzeitigen Wärmespitzen wird nur ein Teil des Lotes aufgeschmolzen und das Bauelement erfährt keine weitere Temperaturerhöhung als bis zur Schmelztemperatur des Lotes. Nach Abklingen der Wärmespitze wird das Lot und auch das Bauelement durch den umschließenden Kühlkörper wieder abgekühlt und das Lot in die feste Phase überführt.
In 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, bei der sich die Ausnehmungen für die Bauelemente 30, 31 ausschließlich im ersten Kühlkörper 10 befinden. Der zweite untere Kühlkörper 20 weist keine Ausnehmungen auf und wird unterhalb des ersten oberen Kühlkörpers 10 montiert und schließt somit die Ausnehmungen des ersten Kühlkörpers 10 nach unten hin, quasi als Bodenplatte, ab. In den so gebildeten Hohlräumen befinden sich die elektronischen Bauelemente 30 und 31. Die Bauelemente sind mit jeweils zwei an der Oberseite befindlichen Kontaktflächen 51, 52 und 53, 54 versehen. Die mit Lot gefüllten Kanäle 41 bis 44 erstrecken sich jeweils von der oberen Außenseite 60 des ersten Kühlelements 10 bis zu den Kontaktflächen 51 bis 54. Diese Form der Anordnung ist immer dann vorteilhaft, wenn die elektronischen Bauelemente nur auf einer Seite Kontaktflächen aufweisen.
Die räumliche Anordnung der Ausnehmungen, aus denen sich nach dem Zusammenbau des ersten und zweiten Kühlkörpers die innen liegenden Hohlräume bilden, kann den jeweiligen Fertigungsgegebenheiten angepasst werden. Beispielsweise können Ausnehmungen für einseitig zu kontaktierende elektronische Bauelemente ausschließlich im zweiten Kühlköper angeordnet sein, während die mit Lot gefüllten Kanäle nur im ersten oberen Kühlkörper vorgesehen sind.
Die Verbindung der ersten und zweiten Kühlkörper zu einem gemeinsamen Kühlkörper kann über alle möglichen lösbaren und unlösbaren Verbindungstechniken erfolgen. Vorzugsweise werden beide Kühlkörper miteinander verschraubt, aber auch Nieten, Kleben, Löten oder Schweißen sind denkbar.

Claims

Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31), – wobei mindestens ein erster und ein zweiter metallischer Kühlkörper (10, 20) vorgesehen ist, – wobei der erste und zweite metallische Kühlkörper (10, 20) mindestens einen Hohlraum zur Aufnahme mindestens eines zu kühlenden elektronischen Bauelementes (30, 31) bildet, – wobei mindestens einer der Kühlkörper (10, 20) mit Metall gefüllte Kanäle (41–45) aufweist, die sich von elektrischen Kontaktflächen (51–56) des Bauelements (30, 31) bis zu einer Außenseite (60) des Kühlkörpers erstrecken, und so elektrische Signale des Bauelements (30, 31) nach außen führen, – wobei mindestens die dem Bauelement (30, 31) und den Kanälen (41–45) zugewandten Oberflächen des ersten und zweiten metallischen Kühlkörpers (10, 20) elektrisch nicht leitend ausgeführt sind, – wobei die Kanäle (41–45) mit einem niedrig schmelzenden Lot füllt sind, – und wobei die durch die elektronischen Bauelemente (30, 31) abgegebene Wärme durch die Schmelzwärme des Lotes aufgenommen wird.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Kühlkörper (10, 20) aus Aluminium gefertigt ist.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die dem Bauelement und den Kanälen zugewandten Oberflächen der Kühlkörper eloxiert sind.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die dem Bauelement (30, 31) und den Kanälen (40–45) zugewandten Oberflächen des ersten und zweiten metallischen Kühlkörpers (10, 20) eine geringe Benetzbarkeit gegenüber dem in den Kanälen befindlichen Metall aufweisen.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in separaten Hohlräumen des ersten und zweiten Kühlkörpers (10, 20) befindliche elektronische Bauelemente (30, 31) elektrisch durch mit Metall gefüllte Kanäle (43) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (10, 20) Kühlrippen aufweisen.
Vorrichtung (1) zur Kühlung von elektronischen Bauelementen (30, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (10, 20) durch eine Flüssigkeit gekühlt werden.