DE10331208A1 - Verfahren und Anordnung zur Isolierung eines Kühlkörpers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Befestigung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen (5) an einem Kühlkörper (2) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung. Es ist vorgesehen, dass der Kühlkörper (2) zumindest im Bereich der Befestigung der Bauteile (5) emailliert wird, danach für jedes Bauteil (5) auf die Emaillierung (3) eine lötfähige Schicht (4) aufgetragen wird und nachfolgend das Bauteil (5) mit der lötfähigen Schicht (4) verlötet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Anordnung (1) zur Befestigung von mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (5) innerhalb eines Stromkreises an einem Kühlkörper (2) und einen Kühlkörper (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen an einem Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung.
  • Es ist bekannt, dass elektrische oder elektronische Bauteile während ihres Betriebs Wärme entwickeln. Diese Wärmeentwicklung ist häufig unerwünscht und kann zu erheblichen Ausfällen dieser Bauteile führen, weswegen die produzierte Wärme möglichst schnell und sicher abgeführt werden soll. Für den Wärmetransport weg von dem entsprechenden Bauteil sind deshalb Kühlkörpern bekannt, wobei sich der Einsatz von Kühlkörpern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als zweckmäßig erwiesen hat, da diese eine gute Wärmeleitung aufweisen, ein relativ geringes Gewicht haben und in der Herstellung preiswert sind.
  • Die Erfindung ist insbesondere vor dem Hintergrund zu sehen, dass in vielen Bereichen, beispielsweise der Automobilindustrie, zunehmend leistungsstarke Elektronik eingesetzt wird, deren Bauteile eine hohe Wärmeabgabe haben, so dass eine Überhitzung der Bauteile durch eine die Wärme gut ableitenden Kühl körper vermieden werden soll.
    •
  • Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches mehrere elektrische oder elektronische Bauteile an einem gemeinsamen, elektrisch leitenden Kühlkörper aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung befestig werden können, ohne gegenseitig kurzgeschlossen zu sein.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kühlkörper zumindest im Bereich der Befestigung der Bauteile emailliert wird, danach für jedes Bauteil auf die Emaillierung eine lötfähige Schicht aufgetragen wird und nachfolgend das Bauteil mit der lötfähigen Schicht verlötet wird.
  • Auf diese Weise ergibt sich an dem Kühlkörper eine sehr gute elektrische Isolierung, so dass mehrere Bauteile an dem selben Kühlkörper über lötfähige Beschichtungen, die selbstverständlich nicht kurzgeschlossen sind, befestigt sein können und trotz ihrer Befestigung an einem gemeinsamen Kühlkörper gegeneinander elektrisch isoliert sind. Versuche haben dabei gezeigt, dass das sehr preiswerte Emaille eine hohe elektrische Isolierfähigkeit und gute Durchschlagsfestigkeit bei gleichzeitig guter Hafteigenschaft sowohl an Aluminium, als auch an einem lötfähigen Werkstoff aufweist.
  • Um die Herstellung des zu emaillierenden Kühlkörpers einfacher und preiswerter zu gestalten ist es zweckmäßig, nicht den dem zu befestigenden Bauteil entsprechenden Bereich des Kühlkörpers gezielt zu emaillieren, sondern den Kühlkörper wenigstens an seiner dem Bauteil zugewandten Seite vollflächig zu emaillieren.
  • Das auf die Emaillierung des Kühlkörpers folgende Aufbringen lötfähiger Schichtbereiche auf die Emailleschicht geschieht zweckmäßigerweise durch ein Spritzverfahren. Das Aufspritzen metallischer lötfähiger Schichten kann gut gesteuert werden und gewährleistet einen gleichmäßigen Auftrag der Schicht in der gewünschten Dicke. Gleichzeitig kann bei entsprechend geringer Schichtdicke eine erhebliche Materialersparnis erzielt werden.
  • Bei einer bevorzugten Verfahrensweise wird das Spritzverfahren in Kaltgasspritztechik ausgeführt. Hierdurch werden dichte metallische Schichten hoher Haftfestigkeit erzeugt, die eine gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit aufweisen und oxidarm sind. Außerdem lassen sich bei sehr geringen Spritzverlusten auch komplizierte Geometrien beschichten. Allerdings ist auch ein Auftrag der Schichten in anderen Verfahren der thermischen Spritztechnik vorstellbar.
  • Eine besonders bevorzugte Verfahrensweise kann vorsehen, das die lötfähige Schicht in Form mindestens einer Leiterbahn auf die Emaillierung aufgebracht wird. Dadurch kann im Prinzip eine "gedruckte" Schaltung unmittelbar an einem Kühlkörper, gegenüber diesem isoliert, angebracht werden, mit der notwendige elektrische oder elektronische Bauteile lediglich noch verlötet werden müssen.
  • Zum Betrieb eines an einem solchen Kühlkörper angebrachten elektrischen oder elektronischen Bauteils oder auch einer darauf angeordneten Schaltung in einem Stromkreis kann dem erfindungsgemäßen Verfahren an der lötfähigen Schicht zumindest ein elektrisches Kontaktelement, beispielsweise ein Anschlussdraht vorgesehen werden.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Befestigung von mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil innerhalb eines Stromkreises an einem Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. An dem Kühlkörper ist dabei eine elektrisch isolierende Schicht aus Emaille vorgesehen, die wenigstens eine lötfähige Schicht trägt, an der das Bauteil angelötet ist, so dass ein mehrschichtiger Aufbau der Anordnung mit einem Kühlkörper als Träger entsteht.
  • Damit nicht mehrere an dem Kühlkörper anzuordnende Bauteile durch diesen kurzgeschlossen werden, sind an der isolierenden Schicht mehrere, von einander getrennte lötfähige Schichtbereiche vorgesehen, durch deren Trennung oder Abstand die Bauteile elektrisch gegeneinander isoliert sind. Dabei ist grundsätzlich eine beliebige Anordnung von Bauteilen an dem Kühlkörper denkbar.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung kann die lötfähige Schicht als wenigstens eine elektrische Leiterbahn ausgebildet sein. Bei Anbringung der Leiterbahn auf dem Kühlkörper durch ein entsprechend präzises Verfahren können auch mehrere Leiterbahnen bis hin kompletten Schaltungen vollständig an dem Kühlkörper angeordnet werden.
  • Die auf der auf dem Kühlkörper befindlichen Emaille angebrachte lötfähige Schicht ist zweckmäßigerweise aus einem gut verlötbaren und außerdem gut wärmeleitfähigen Material vorzusehen. Daher kann sie erfindungsgemäß insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet sein, wobei auch andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden können, wobei für den Auftrag der lötfähigen Schicht vorzugsweise Spritzverfahren zum Einsatz kommen können.
  • Zum Anschluss eines an der lötfähigen Schicht befindlichen Bau teils oder einer Schaltung in einem Stromkreis kann an der lötfähigen Schicht ein elektrisches Kontaktelement, beispielsweise ein Anschlussdraht angeordnet sein.
  • Unter den für eine direkte Kühlung mittels eine Kühlkörpers in Frage kommenden Bauteilen kommen bei einer erfindungsgemäßen Anordnung insbesondere integrierte Schaltkreise oder Elemente der Leistungselektronik, beispielsweise Leistungsdioden, bei denen einer starken Wärmeentwicklung entgegengewirkt werden soll, weil sie den Betrieb des Bauteils beeinträchtigt oder ganz unterbindet, in Frage.
  • Die Kühlleistung des Kühlkörpers kann erheblich gesteigert werden, wenn dessen Oberfläche durch Ausbildung einer Struktur vergrößert werden kann. Daher kann es bei einer Ausführungsform vorgesehen sein, das an wenigstens einer von Emaille freien Fläche oder Stelle, insbesondere an der der Emailleschicht abgewandten Seite des Kühlkörpers eine Oberflächenstruktur ausgebildet ist. Diese Struktur des Kühlkörpers stellt sich besonders bevorzugt als eine Rippen- oder Noppenstruktur dar.
  • Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der sich insbesondere für eine vorstehend beschriebene Anordnung eignet. Dieser Kühlkörper zeichnet sich durch eine wenigstens bereichsweise emaillierte und dadurch elektrisch isolierte Oberfläche aus.
  • Für den Einsatz als Träger von Wärme entwickelnden elektrischen oder elektronischen Bauteilen innerhalb eines Stromkreises, die an diesem Kühlkörper angeordnet werden sollen, trägt dieser eine lötfähige Schicht, insbesondere eine durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Kupferschicht.
    •
  • Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in zum Teil schematisierter Darstellung
  • 1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Kühlkörper, einer Isolierschicht und einer lötfähigen Schicht, an der zwei elektronische Bauteile befestigt sind,
  • 2 eine Schnittdarstellung des Kühlkörpers gemäß der Linie II-II in 1 sowie
  • 3 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei an der Isolierschicht eine Leiterbahn und auf dieser ein Bauteil und ein Kontaktelement angebracht sind.
  • Zunächst bezugnehmend auf die 1 und 2 zeigen diese eine im allgemeinen mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Anordnung, wobei in der Schnittdarstellung der 2 lediglich ein Ausschnitt dargestellt ist. Dabei ist auf einem viereckigen Kühlkörper 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vollflächig eine Emailleschicht 3 aufgetragen. Diese isoliert den Kühlkörper 2 gegen zwei kreisförmige, beabstandet angeordnete lötfähige Schichtbereiche 4, auf denen wiederum jeweils ein elektronisches Bauteil 5 in Form einer Leistungsdiode aufgelötet sind. Die beiden Bauteile 5 sind somit an dem gleichen Kühlkörper 2 befestigt und aufgrund des nicht vorhandenen Kontaktes zwischen den beiden lötfähigen Schichtbereichen 4 durch die Emailleschicht 3 elektrisch gegeneinander isoliert. Bei Betrieb der Bauteile 5 innerhalb eines Stromkreises kann die ent stehende Wärme über die unter dem jeweiligen lötfähigen Schichtbereich 4 angeordnete Emailleschicht 3 und den Kühlkörper 2 abgeleitet werden.
  • In der 3 ist ein im Prinzip gleicher Aufbau der Anordnung 1 aus den vorhergehenden Figuren bei einer anderen Ausführungsform dargestellt. Wiederum ist an einem viereckigen Kühlkörper 2 eine Emailleschicht 3 vollflächig aufgetragen. Auf dieser befindet sich jetzt jedoch anstatt mehrerer getrennter Bereiche von lötfähigen Schichten eine solche lötfähige Schicht 4 in Form einer Leiterbahn. An dieser Leiterbahn ist beispielhaft ein Elektronik-Bauteil 5 aufgelötet und es befindet sich überdies ein Kontaktelement 6 in Form eines Kontaktdrahtes an der lötfähigen Schicht, der zur Verbindung innerhalb eines Stromkreises dient und nicht zwangsläufig mittels einer Lötverbindung angebracht sein muss. Anhand dieser Figur lässt sich erkennen, dass grundsätzlich bei entsprechend feinem und präzisem Auftrag durch ein Spritzverfahren ganze Schaltstrukturen in Form von Leiterbahnen auf dem Kühlkörper 2 untergebracht werden können und derart vielfältig verschaltete Bauteile der Kühlung zugänglich sind.
  • Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur Befestigung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen 5 an einem Kühlkörper 2 aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung. Es ist vorgesehen, dass der Kühlkörper 2 zumindest im Bereich der Befestigung der Bauteile emailliert wird, danach für jedes Bauteil 5 auf die Emaillierung 3 eine lötfähige Schicht 4 aufgetragen wird und nachfolgend das Bauteil 5 mit der lötfähigen Schicht 4 verlötet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Anordnung zur Befestigung von mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil 5 innerhalb eines Strom kreises an einem Kühlkörper 2 und schließlich einen solchen Kühlkörper 2.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Befestigung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen an einem Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) zumindest im Bereich der Befestigung der Bauteile (5) emailliert wird, danach für jedes Bauteil (5) auf die Emaillierung (3) eine lötfähige Schicht (4) aufgetragen wird und nachfolgend das Bauteil (5) mit der lötfähigen Schicht (4) verlötet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) wenigstens an seiner dem Bauteil (5) zugewandten Seite vollflächig emailliert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche lötfähiger Schichten (4) mittels eines Spritzverfahrens auf die Emaillierung (3) aufgetragen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzverfahren in Kaltgasspritztechnik ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähige Schicht (4) in Form mindestens einer Leiterbahn auf die Emaillierung (3) aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der lötfähigen Schicht (4) zumindest ein elektrisches Kontaktelement (6), z.B. ein Anschlussdraht, angeordnet wird.
  7. Anordnung (1) zur Befestigung von mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (5) innerhalb eines Stromkreises an einem Kühlkörper (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kühlkörper (2) eine elektrisch isolierende Schicht (3) aus Emaille vorgesehen ist, die wenigstens eine lötfähige Schicht (4) trägt, an der das Bauteil (5) angelötet ist.
  8. Anordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, an der isolierenden Schicht (4) mehrere, von einander getrennte lötfähige Schichtbereiche vorgesehen sind, so dass elektrisch gegeneinander isolierte Bauteile (5) an demselben Kühlkörper (2) anordenbar oder angeordnet sind.
  9. Anordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähige Schicht (4) als wenigstens eine elektrische Leiterbahn ausgebildet ist.
  10. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähige Schicht (4) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist.
  11. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der lötfähigen Schicht (4) ein elektrisches Kontaktelement (6), beispielsweise ein Anschlussdraht, angeordnet ist.
  12. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (5) ein integrierter Schaltkreis oder ein Element der Leistungselektronik, beispielsweise eine Leistungsdiode, ist.
  13. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer von Emaille freien Fläche oder Stelle, insbesondere an der der Emailleschicht (3) abgewandten Seite des Kühlkörpers (2) eine Oberflächenstruktur ausgebildet ist.
  14. Anordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Kühlkörpers (2) eine Rippen- oder Noppenstruktur ist.
  15. Kühlkörper (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere für eine Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Oberfläche wenigstens bereichsweise emailliert und dadurch elektrisch isoliert ist.
  16. Kühlkörper (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Emaillierung eine lötfähige Schicht (4), insbesondere eine durch Kaltgasschweißen aufgebrachte Kupferschicht trägt.
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