DE10343020B4

DE10343020B4 - Kühlkörper, insbesondere für elektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE10343020B4
Application number: DE10343020.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Girlich Dieter; Dr. Schädlich-Stubenrauch Jürgen
Original assignee: MAYSER HOLDING & CO KG GmbH
Current assignee: MAYSER HOLDING GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: DE10343020A1

Abstract

Kühlkörper, insbesondere für elektronische Bauteile, bestehend aus einem Grundkörper (1), der sich einerseits in Kontakt mit der Deckfläche des zu kühlenden Bauelementes (2) befindet und andererseits einen Wärmetauscher (3) trägt, der Wärmetauscher (3) aus einer offenporigen Schaumstruktur gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaumstruktur aus mehreren, voneinander getrennten spiral-, sichel- oder schaufelradförmigen Segmenten (31) zusammensetzt, deren Tangenten sich in einer zur Deckfläche des Bauelementes (2) senkrechten, durch das Zentrum der Wärmeentwicklung des Bauelementes (2) verlaufenden Mittelachse (M) schneiden.

Description

Die Erfindung betrifft einen als Wärmetauscher ausgebildeten Kühlkörper, insbesondere für die Ableitung der Abwärme von elektronischen Bauelementen.
Die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer, Verlässlichkeit und die gewünschte kleine Dimensionierung von modernen Bauelementen der Leitungselektronik sowie von Halbleiterelementen hängt vielfach von ihrer Fähigkeit ab, die entstehende Wärmeentwicklung effektiv ableiten zu können.
Für eine effektive Wärmeableitung und Abgabe der Wärme an kühlere Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen die Kühlkörper der Wärmetauscher vielfach ein Rippenprofil auf. In Abhängigkeit von der bezweckten Anwendung sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmetauschern bekannt.
JP S57-153458 A beschreibt ein wärmeableitendes Material aus Metallpulver oder einer Schicht aus einer perforierten Netzstruktur aus Aluminium oder Stahl auf einer nichtporösen Basisplatte zur Ableitung der Wärme. Die Schicht ist in einer Dicke von 0,7 bis 1,5 mm ausgeführt; nicht zuletzt infolge dessen, wird die besondere Leitfähigkeit des offenporigen Metallschaums – ähnlich zu JP S59-052198 A mit geschlossenporigem Metallschaum – im höheren Temperaturbereich nicht ausnutzbar sein.

– DE 100 55 454 A1 beschreibt einen Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum mit einer Schaumstruktur in beliebiger Form. Die DE 101 23 456 A1 offenbart einen aus offenporigem Metallschaum bestehenden Kühlkörper, deren Schaumstruktur sich aus getrennten lamellenartigen Segmenten zusammensetzt. Bekannt ist außerdem ein gesinterter Kühlkörper aus lamellenartig angeordneten Segmenten aus WO 99/09594 A1 . In ähnlicher Weise ist aus EP 0 559 092 A1 ein Wärmeableiter für Halbleiterbauelemente bekannt, der einen Wärmeverteiler umfasst. Dieser Wärmeverteiler ist auf der Oberfläche des Halbleiterbauelementes 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. Weitere Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeflusses werden nicht offenbart. Einen Kühlkörper aus gesinterten, kugelförmigen Partikeln offenbart die WO 01/89745 A1 .

Die JP H07-161884 A beschreibt ein Wärmeableitungselement für elektronische Bauteile aus einem porösen Silikonkunststoff, in welchen ein Hilfsstoff eingebracht ist. Der Hilfsstoff wandelt Wärmeenergie in langwellige Infrarotstrahlen um und erhöht so die Wärmeabstrahlung. In den oben genannten Schriften bedeckt die quaderförmig dargestellte Schaumstruktur das Halbleiterbauelement; weitere Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeflusses werden hierzu nicht offenbart, so dass die Wärmetauscher dieser Schriften somit die vorstehend beschriebenen Nachteile aufweisen.
Auch aus der US 61 96 307 B1 ist ein aus offenporigem Metallschaum bestehender Wärmetauscher bekannt. Dieser ist vorschlagsgemäß auf einem Elektronikmodul aufgebracht, in dem eine (vorzugsweise metallische) Oberfläche des Elektronikmoduls metallisiert wird und die dadurch erhaltene Schicht den Metallschaum trägt. Der Metallschaum ist quaderförmig dargestellt.
Eine Weiterentwicklung von Kühlkörpern für elektronische Bauelemente wie nachfolgend beschrieben, ist aus den oben genannten Schriften und dem sonstig bekannten Stand der Technik nicht angeregt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere sollen Wärmetauscher geschaffen werden, die aufgrund einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit und einem höheren Wärmefluss eine kleinere Dimensionierung erlauben und sich durch eine nachhaltig kürzere Reaktionszeit auf Temperaturschwankungen der Wärmequelle auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.
Der Kühlkörper, insbesondere für elektronische Bauteile, besteht aus einem Grundkörper, der sich einerseits in Kontakt mit der Deckfläche des zu kühlenden Bauelementes befindet und andererseits einen Wärmetauscher aus einer offenporigen Schaumstruktur trägt. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, im Zentrum der Wärmeentwicklung des zu kühlenden Bauelementes einen hohen Wärmefluss durch den Wärmetauscher zu erzeugen und die Abwärme effektiv abzuleiten.
Hierzu ist der Wärmetauscher aus offenporigem Metallschaum aus mehreren Segmenten zusammengesetzt. Erfindungsgemäß weisen die Segmente eine vielfältige, beispielgebend spiral-, sichel- oder schaufelradförmige Formgebung und Anordnung auf, denen der gemeinsame Gedanke zugrunde liegt, dass die Segmente voneinander getrennt sind, und sich deren Tangenten in einer zur Deckfläche des Bauelementes senkrechten, durch das Zentrum der Wärmeentwicklung des Bauelementes verlaufenden Mittelachse schneiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Kühlkörper längs der Mittelachse ein gut wärmeleitender zylindrischer Körper, beispielgebend aus Kupfer, eingebracht, der die Segmente trägt.
Überdies weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmetauscher einen Ventilator auf, dessen Rotationsachse mit der oben genannten Mittelachse zusammenfällt und beispielgebend eine vom zu kühlenden Bauelement abgehende Flussrichtung des durchströmenden Fluids erzeugt. Vorzugsweise liegt der Ventilator an der Deckfläche des Wärmetauschers.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Segmente besteht – gegebenenfalls in mehrfachen Kombination – darin,

– dass die Segmente in der axialen Draufsicht längs der Mittelachse spiralförmig verdreht sind,
– eine Sichelform aufweisen,
– von der Mittelachse einen in radialer Richtung abnehmenden Krümmungsradius aufweisen,
– in radialer Richtung verjüngend verlaufen,
– und/oder von der Mittelachse eine in radialer Richtung abnehmende Porendichte aufweisen.

Der Gedanke der Erfindung wird in einer weiteren Ausführungsform unterstützt, wenn die Segmente einseitig eine nichtporöse Bewandung aufweisen, insbesondere wenn bei spiralförmig oder sichelförmig verdrehten Segmenten die Bewandung an deren Außenflächen vorliegt. Das Material der Bewandung ist vorzugsweise der Werkstoffgruppe der Schaumstruktur angepasst, beispielgebend besteht die Schaumstruktur aus AlSi7 und die Bewandung aus Kupfer, oder die Struktur aus Aluminiumsiliciumcarbid und die Bewandung aus einem keramischen Werkstoff.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Segmente eine radial zur Mittelachse liegende Ummantelung aus einer Schaumstruktur auf. Die Segmente und die gegebenenfalls vorliegende Ummantelung bestehen aus einer offenporigen Schaumstruktur, bei der ein Großteil der Zellen, welche die Schaumstruktur bilden, untereinander vernetzt ist. Die Zellen sind chaotisch geformt und strukturiert. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Struktur aus Metallschaum, namentlich aus einer AlSi7-Legierung. Im höheren Temperaturbereich kommt hierzu ein keramischer Werkstoff, Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, oder vorzugsweise der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff Aluminiumsiliciumcarbid zum Einsatz.
Die Schaumstruktur weist eine Porendichte von 10 bis 45 ppi auf. Vorzugsweise nimmt die Porendichte der Schaumstruktur von der Mittelachse in radialer Richtung ab. Überdies weisen die im Bereich der Grenzfläche zum Grundkörper liegenden Stege der Schaumstruktur eine vergleichsweise zur mittleren Stegdicke hohe Dicke und einen wärmeleitenden Sockel auf, mit dem sie mit dem Grundkörper verbunden sind.
Erfindungsgemäß wird durch diese Anordnung und Formgebung im Bereich des Zentrums der Wärmeentwicklung des zu kühlenden Bauelementes eine hochgradig turbulente Strömung im durchströmenden Fluid, namentlich Kühlluft, erzeugt. Die offenporige, chaotische Struktur des Kühlkörpers unterstützt das Ausbilden einer turbulenten Strömung der Kühlluft, insbesondere bei einer von Turbinenschaufeln abgeleiteten Anordnung und Formgebung der Segmente, in Kombination mit einer außenliegenden Bewandung sowie einem wie oben genannt angeordneten Ventilator.
Der Vorteil des Wärmetauschers gemäß der Erfindung ist die verbesserte Ableitung von Wärme. Auf Temperaturschwankungen der Wärmequelle kann der Wärmetauscher aufgrund des erhöhtes Wärmeflusses mit einer nachhaltig kürzeren Reaktionszeit begegnen und somit vorteilhaft zur Kühlung von temperatursensiblen Bauelementen, insbesondere im Bereich der Elektronik, verwendet werden. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades kann der Wärmetauscher bei vergleichsweise gleichen Anordnungen kleiner und leichter ausgeführt sein.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
1 einen Kühlkörper mit sternförmig angeordneten Segmenten,
2 zeigt eine Detaildarstellung von 1,
3 einen Kühlkörper mit spiralförmig verdrehten, turbinenschaufelförmigen Segmenten,
4 einen Kühlkörper mit spiralförmig verdrehten, sichelförmigen, in radialer Richtung verjüngenden Segmenten,
5 einen Kühlkörper mit einer hohlzylinderförmigen Ummantelung in Richtung der Mittelachse, und
6 die an der Grenzfläche zum Grundkörper liegenden Stege der Schaumstruktur.
1 zeigt einen Kühlkörper mit sternförmig symmetrisch angeordneten Segmenten. Die vier Segmente 31 schneiden sich im Bereich einer zur Deckfläche des Bauelementes 2 senkrechten, durch das Zentrum der Wärmeentwicklung des Bauelementes 2 verlaufenden Mittelachse M und bestehen aus Metallschaum, namentlich aus einer AlSi7-Legierung mit einer hier konstanten Porendichte von 30 ppi. Im Zentrum der Wärmeentwicklung ist entlang der Mittelachse M ein zylindrischer Körper 5 aus Kupfer eingebracht, welcher die Segmente 31 trägt. Ein Ventilator, nicht dargestellt, ist an der Deckfläche des Kühlkörpers angebracht. Seine Rotationsachse fällt mit der Mittelachse M zusammen; er erzeugt eine vom Bauelement 2 abgehende Flussrichtung der durchströmenden Kühlluft. Die Segmente 31 sind hier ohne Bewandung ausgeführt.
2 zeigt in einer Detaildarstellung den zylindrischen Körper 5 aus Kupfer, der die lamellenartigen Segmente 31 (nicht Gegenstand der Erfindung) aus offenporigem Metallschaum trägt und die Wärmeableitung vom gleichfalls aus Kupfer bestehenden Grundkörper 1, unterstützt.
3 zeigt dem obigen Beispiel folgend einen Kühlkörper mit verdrehten, gebogenen, turbinenschaufelförmigen Segmenten. Hierzu sind die vier Segmente 31 in Richtung der Mittelachse M gewindeartig verdreht und an die Form von Turbinenschaufeln angeglichen. Die Segmente 31 liegen überdies im Bereich der Mittelachse M an der Deckfläche des zu kühlenden elektronischen Bauelementes 2 an, und sind in radialer Richtung von der Deckfläche ansteigend beabstandet. Bei einer dem vorangegangenen Beispiel analogen Porendichte besteht die Schaumstruktur aus Aluminiumsiliciumcarbid, so dass diese temperaturbeständige Ausführungsform für einen Einsatz im hohen Temperaturbereich ausgelegt ist.
4 zeigt einen Kühlkörper mit spiralförmig verdrehten Segmenten. Die vier Segmente 31 bestehen aus Kupfer, sind überdies sichelförmig, verlaufen in radialer Richtung verjüngend, und weisen einen in radialer Richtung abnehmenden Krümmungsradius auf. Die Außenflächen der Segmente 31 sind mit einem dünnen Kupferblech als Bewandung 6 verkleidet. Die Porendichte des Metallschaums von 30 ppi ist hier vorerst konstant; die höhere Porendichte im Bereich der Mittelachse M folgt aufgrund des Biegevorgangs der Segmente, um den oben genannten radial abnehmenden Krümmungsradius auszuformen. Ein nicht dargestellter Ventilator ist an der Deckfläche des Kühlkörpers angebracht. Seine Rotationsachse fällt mit der Mittelachse M zusammen.
5 zeigt einen Kühlkörper mit einer hohlzylinderförmigen Ummantelung 7 in Richtung der Mittelachse M. Die vier Segmente 31 sind sternförmig angeordnet und in radialer Richtung von einer hohlzylindrischen Ummantelung 7 aus gleichfalls offenporigem Metallschaum ummantelt. An der Deckfläche des Kühlkörpers ist wiederum ein Ventilator 4 angebracht. Die Segmente und die Ummantelung bestehen aus dem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff Aluminiumsiliciumcarbid. Die Porendichte der Ummantelung 7 liegt an der Deckfläche des elektronischen Bauelementes 2 bei 25 ppi und nimmt entlang der Mittelachse M auf einen Wert von 15 ppi ab. Ein Ventilator 4 ist an der Deckfläche des Kühlkörpers angebracht und saugt Kühlluft aus dem Kühlkörper. Die Ummantelung 7 sorgt für eine turbulente Anströmung der Segmente 31 und die offenporige Schaumstruktur führt diese Verwirbelungen an das Zentrum der Wärmeentwicklung des zu kühlenden Bauelementes 2 bzw. des Grundkörpers 1 heran.
Schließlich zeigt 6 die an der Grenzfläche zum Grundkörper 1 liegenden Stege der Schaumstruktur eines Segmentes 31. Die Stege sind an dieser Grenzfläche im Vergleich zur mittleren Stegdicke der übrigen Schaumstruktur verdickt ausgeführt und sind als wärmeleitender Sockel zum Grundkörper 1 erweitert.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper
2: zukühlendes elektronisches Bauelement mit
3: Wärmetauscher mit
31: Segmenten
4: Ventilator
5: zylindrischer Körper
6: nichtporöse Bewandung der Segmente
7: Ummantelung
M: Mittelachse im Zentrum der Wärmeentwicklung

Claims

Kühlkörper, insbesondere für elektronische Bauteile, bestehend aus einem Grundkörper (1), der sich einerseits in Kontakt mit der Deckfläche des zu kühlenden Bauelementes (2) befindet und andererseits einen Wärmetauscher (3) trägt, der Wärmetauscher (3) aus einer offenporigen Schaumstruktur gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaumstruktur aus mehreren, voneinander getrennten spiral-, sichel- oder schaufelradförmigen Segmenten (31) zusammensetzt, deren Tangenten sich in einer zur Deckfläche des Bauelementes (2) senkrechten, durch das Zentrum der Wärmeentwicklung des Bauelementes (2) verlaufenden Mittelachse (M) schneiden.
Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Mittelachse (M) ein gut wärmeleitender zylindrischer Körper (5) eingebracht ist, der die Segmente (31) trägt.
Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (31) radial zur Mittelachse (M) eine Ummantelung (7) aus einer Schaumstruktur aufweisen.
Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (31) von der Mittelachse (M) eine in radialer Richtung abnehmende Porendichte der Schaumstruktur aufweisen.
Kühlkörper nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (31) einseitig eine nichtporöse Bewandung (6) aufweisen.
Kühlkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtporöse Bewandung(6) bei spiral- und sichelförmigen Segmenten (31) an deren Außenflächen liegt.
Kühlkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur eine Porendichte von 10 bis 45 ppi aufweist.
Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus Metall besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus einer Legierung des Grundstoffes Aluminium besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus einer AlSi7-Legierung besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus Aluminiumoxid besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus Siliciumcarbid besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstruktur aus Aluminiumsiliciumcarbid besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 10 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Grenzfläche zum Grundkörper (1) liegenden Stege der Schaumstruktur vergleichsweise zur mittleren Stegdicke der Schaumstruktur eine hohe Dicke aufweisen und einen Sockel ausbilden, mit dem sie mit dem Grundkörper (1) verbunden sind.
Kühlkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) und/oder die Bewandung (6) aus Kupfer oder einer seiner Legierungen besteht.
Kühlkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) einen Ventilator (4) aufweist, dessen Rotationsachse mit der Mittelachse (M) zusammenfällt.
Kühlkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator (4) eine vom Bauelement (2) abgehende Flussrichtung des durchströmenden Fluids erzeugt.