DE10340681B4

DE10340681B4 - Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, wärmeleitenden Verbindung zwischen einer offenporigen Schaumstruktur und einem nichtporösen Grundkörper für Wärmeübertrager, insbesonderer Kühlkörper

Info

Publication number: DE10340681B4
Application number: DE10340681A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Girlich; Jürgen Dr. Schädlich-Stubenrauch; Carsten Kühn
Original assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Current assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: DE10340681A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, wärmeleitenden Verbindung zwischen einer offenporigen Schaumstruktur (1) und einem nichtporösen Grundkörper (2) für Wärmeübertrager, insbesondere Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige, wärmeleitende Verbindung (4) galvanisch erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine stoffschlüssige, wärmeleitende Verbindung für einen Wärmeübertrager zwischen einem wärmeleitenden Kühlkörper aus einer offenporigen Schaumstruktur und einem nichtporösen Grundkörper, der mit der Schaumstruktur stoffschlüssig verbunden ist und sich andererseits in Kontakt zu einem zu kühlenden Bauelement befindet.

Wärmeübertrager sind Vorrichtungen, die Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur ableiten. In Abhängigkeit von der bezweckten Anwendung sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmeübertragern bekannt.

Für eine effektive Wärmeableitung und Abgabe der Wärme an kühlere Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen die Kühlkörper der Wärmeübertrager vielfach ein Rippenprofil auf. Der Kühlkörper ist auf dem zu kühlenden Bauteil bzw. einem dazwischen liegenden Grundkörper mechanisch verbunden.

Derartige Verbindungen, die durch Pressen, Kleben oder Fügen hergestellt wurden, haben den Nachteil, dass vielfach Luftspalte den Wärmefluss bzw. Wärmeübergang vermindern. Überdies ist die Berührungsfläche für den Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und dem zu kühlenden Bauteil im Allgemeinen gering. Deshalb ist die Verbindungstechnik zwischen dem Kühlkörper aus einer offenporigen Schaumstruktur und dem Grundkörper von hoher Wichtigkeit und hat zu zahlreichen Ausprägungen geführt.

So beschreibt JP 200 30 806 29 A einen Wärmetauscher für elektronische Bauteile mit einem Kühlkörper aus Metallschaum. Eine weiche Harzschicht ist hier an den Metallschaum aufgebracht. In diese verbindende Harzschicht sind im Weiteren wärmeleitenden Füllstoffe eingelagert, die zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit dienen sollen, wobei aber die Wärmeleitfähigkeit von Metall nicht erreicht werden kann.

US 61 96 307 B1 beschreibt einen aus einem offenporigem Metallschaum bestehenden Wärmetauscher. Dieser ist vorschlagsgemäß auf einem Elektronikmodul aufgebracht, in dem eine (vorzugsweise metallische) Oberfläche des Elektronikmoduls metallisiert wird und auf die dadurch erhaltene Schicht der Metallschaum durch Kleben aufgebracht wird, sodass auch hier eine verminderte Wärmeleitfähigkeit vorliegt.

In verwandter Weise ist aus EP 0 559 092 A1 ein Wärmeableiter für Halbleiterbauelemente bekannt, der einen Wärmeverteiler umfasst. Dieser Wärmeverteiler ist auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements befestigt. Auf dem Wärmeverteiler ist ein Metallschaum angeordnet. Der Metallschaum ist auf dem Wärmeverteiler mit einem wärmeleitenden Haftmittel befestigt. Alternativ wird der Metallschaum auf den Wärmeverteiler aufgelötet. Auch dieser Wärmetauscher weist somit die vorstehend beschriebenen Nachteile auf.

Im Bereich der Schweißverbindungen von Metallschäumen ist das Rührreibschweißen (Friction-Stir-Welding) bekannt. Ein rotierender Stift (Pin) wird an den zu verbindenden Werkstücken entlang geführt und durch die dabei auftretende Wärme und das "Verrühren" werden die Fügeteile verschweißt. Das Laserstrahlschweißen ist ein weiteres vielfach verwendetes Verfahren zum lokalen, örtlich begrenzten Aufbringen der notwendigen Schweißtemperatur an die Fügeteile. Durch beide Schweißverfahren kann die Schaumstruktur in der Schweißzone verloren gehen, oftmals kollabiert die Struktur, und die gewünschte Wärmeleitfähigkeit ist in der Verbindungsregion nicht gewährleistet.

Zudem wird der Stand der Technik durch die Schriften DE 40 10 370 C2 , DE 197 35 531 A1 , DE 199 39 155 A1 , DE 100 15 962 C2 und DE 101 23 456 A1 reflektiert.

Die genannten Verbindungen der Schaumstruktur mit einem Grundkörper bzw. dem zu kühlenden Bauelement, die durch Pressen, Kleben, Löten oder Schweißen hergestellt sind, haben den Nachteil, den Wärmefluss bzw. die Wärmeübergang zu vermindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere sollen Wärmeübertrager geschaffen werden, die sich auf Grund einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit und einem höheren Wärmefluss nachhaltig durch eine kürzere Reaktionszeit auf Temperaturschwankungen des zu kühlenden Bauelements auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, wärmeleitenden Verbindung zwischen einer offenporigen Schaumstruktur und einem nichtporösen Grundkörper für Wärmeübertrager, insbesondere Kühlkörper, vorgesehen, bei dem die stoffschlüssige, wärmeleitende Verbindung galvanisch erzeugt wird. Vorteilhafterweise wird im gleichen Arbeitsschritt auch auf dem Grundkörper und der Schaumstruktur eine metallische Oberflächenschicht aufgebracht.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager, der eine offenporige Schaumstruktur, die als Wärmetauscher fungiert, und einen nichtporösen Grundkörper, der mit der Schaumstruktur stoffschlüssig verbunden ist, aufweist, zeichnet sich demgemäß dadurch aus, dass die stoffschlüssige Verbindung eine galvanische ist.

Durch die Kapillarwirkung des aufgebrachten Metalls zwischen den am Grundkörper anliegenden dünnen Stegen der Schaumstruktur werden die Brücken bzw. Lücken, also jene Bereiche der Stege, die nicht völlig formschlüssig auf dem Grundkörper liegen, mit dem Schichtmetall ausgefüllt. Eine belastbare stoffschlüssige Verbindung der Schaumstruktur mit dem Grundkörper ist damit erfindungsgemäß gewährleistet.

Im Gegensatz zu bekannten und bisher verwendeten Löt- oder Schweißverfahren ist beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Schaumstruktur in der Verbindungszone nicht beeinträchtigt oder zerstört. Die Struktur bleibt in der Fügezone erhalten und ergibt einen nachhaltig effektiveren Wärmeübergang vom Grundkörper bzw. Bauelement in die Schaumstruktur des Kühlkörpers.

Der Wärmetauscher ist als offenporige Schaumstruktur ausgebildet, d. h. die in der Struktur enthaltenden Hohlräume, die Zellen, stehen miteinander in Verbindung. Die Porendichte der Struktur liegt im Bereich von 10 bis 45 ppi. In einer ersten Ausführungsform besteht die Schaumstruktur aus einem Metallschaum, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl. Ein bevorzugter Wärmeübertrager weist einen Kühlkörper aus einer AlSi7-Legierung und einen Grundkörper aus Kupfer auf. Hier bestehen die galvanisierte Oberflächenschicht und die Verbindung ebenfalls aus Kupfer.

Die Schaumstruktur und/oder der Grundkörper können aus einem keramischen Werkstoff oder aus Kunststoff bestehen. Zur Aufbringung der metallischen Oberflächenschicht und der stoffschlüssigen Verbindung sind die Körper mit einer katalytischen Oberflächenschicht ausgestattet, welche das Metall daran haftend macht und die metallische Oberflächenschicht aufnimmt. Bei keramischen Werkstoffen wird vorzugsweise ein in dieser Werkstoffgruppe herausragender Wärmeleiter, namentlich Siliciumcarbid, verwendet. Die Oberflächenschicht und die stoffschlüssige Verbindung bestehen aus Nickel. Eine Schaumstruktur aus Kunststoff besteht aus Polyurethan.

Die galvanisierte Oberflächenschicht und die stoffschlüssige Verbindung bestehen aus einem Metall mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer, Nickel, Chrom oder Zink; in einer weiteren Ausführungsform aus Silber, Gold oder Rhodium und schließlich aus Wolfram oder Titan für den Einsatz in hohen Temperaturbereichen.

Die geometrische Form des Wärmetauschers ist sehr variabel; die Schaumstruktur weist eine quader-, würfel-, rohrförmige oder kammartige Gestalt auf. Im Weiteren ist die Schaumstruktur des Kühlkörpers von einem Kühlmedium, z.B. Luft, durchströmt.

Der Vorteil des Wärmeübertragers gemäß der Erfindung ist die verbesserte Ableitung von Wärme; die von einem elektronischen Bauelement erzeugte Wärme wird effektiv und rasch aufgenommen und vom Grundkörper über die stoffschlüssige Verbindung in die Schaumstruktur des Kühlkörpers geleitet. Auf Temperaturschwankungen des zu kühlenden Bauelements kann der Wärmeübertrager auf Grund des erhöhtes Wärmeflusses mit einer nachhaltig kürzeren Reaktionszeit begegnen und somit vorteil haft zur Kühlung von temperatursensiblen Bauelementen, beispielsweise im Bereich der Elektronik, verwendet werden. Mit seinem hohen Wirkungsgrad kann der Wärmeübertrager kleiner und leichter ausgeführt sein. Die metallische Oberflächenschicht bietet überdies einen umfassenderen Korrosionsschutz und schließlich auch ein verbessertes Aussehen.

Nachfolgend werden Wärmeübertrager, die erfindungsgemäß hergestellt sind, anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Nach 1 besteht der Wärmeübertrager aus einem wärmeleitenden Kühlkörper aus einer offenporigen Schaumstruktur 1 und einem Grundkörper 2, welcher die Unterseite der Schaumstruktur 1 bedeckt. Der Wärmeübertrager ist auf einem zu kühlenden elektronischen Bauelement 5 aufgebracht. Die Schaumstruktur 1 weist eine Porendichte von 30 ppi auf und besteht aus einer aus einer AlSi7-Legierung. Der Grundkörper 2 ist als dünne nicht poröse solide Platte ausgebildet und besteht aus Kupfer. Die Schaumstruktur 1 und der Grundkörper 2 weisen eine metallische Oberflächenschicht 3 auf. Zwischen der Schaumstruktur 1 und dem Grundkörper 2 besteht eine stoffschlüssige Verbindung 4. Die Oberflächenschicht 3 und die Verbindung 4 bestehen aus Kupfer und sind galvanisch aufgebracht bzw. erzeugt.
In einem weiteren der 1 folgenden Ausführungsbeispiel bestehen die Schaumstruktur 1 und der plattenförmige Grundkörper 2 aus der Nicht-Oxid-Keramik Siliciumcarbid; die metallische Oberflächenschicht 3 und die stoffschlüssige Verbindung 4 bestehen aus Nickel. Die Schaumstruktur 1 weist eine Porendichte von 40 ppi auf.
Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:

1: Kühlkörper aus Schaumstruktur
2: Grundkörper
3: metallische Oberflächenschicht
4: stoffschlüssige Verbindung
5: zu kühlendes Bauelement

Claims

Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen, wärmeleitenden Verbindung zwischen einer offenporigen Schaumstruktur (1) und einem nichtporösen Grundkörper (2) für Wärmeübertrager, insbesondere Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige, wärmeleitende Verbindung (4) galvanisch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Grundkörper (2) und auf der Schaumstruktur (1) eine metallische Oberflächenschicht (3) galvanisch aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (4) zwischen der offenporigen Schaumstruktur (1) und dem nichtporösen Grundkörper (2) und die metallische Oberflächenschicht (3) der Schaumstruktur (1) in einem Verfahrensschritt erzeugt werden.
Wärmeübertrager mit einer offenporigen Schaumstruktur (1), die als Wärmetauscher fungiert, und einem nicht porösem Grundkörper (2), der mit der Schaumstruktur (1) stoffschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (4) eine galvanische ist.