DE19602943C2 - Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern zum Anbau an Halbleiterbauelemente sowie Schalenprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern zum Anbau an Halbleiterbauelemente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Schalenprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper.

Als handelsüblich bekannt sind zum Anbau an Halbleiterbauelemente Kühl­ körper in der Form von in Längsrichtung durchströmbaren Hohlkammern mit eingesetzten Kühlrippen, die aus zwei stranggepreßten, etwa U-förmigen Aluminiumprofilen bestehen, deren Außenwandungen stirnseitig auf ihrer gesamten Länge in der Art von Nut und Feder ineinandergreifen. An einer Seite der Wandung eines solchen Schalenprofiles ist jeweils eine Nut und an der anderen eine Stegleiste angeformt. Die eigentliche Verbindung der beiden vorzugsweise identischen Schalenprofile erfolgt jedoch über stegartige, Hohlkammern aufweisende Kühlrippen, die mit ihren entsprechend ausgebildeten, etwa U-förmigen Enden in entsprechende Nuten an den Innenseiten der Schalenprofile eingesteckt und durch entsprechenden Preßdruck in Einsteckrichtung auf beide Schalenprofile in diesen Nuten klemmend eingepreßt gehalten sind. Wegen des notwendigen hohen Preßdruckes ist es in der Praxis jedoch nicht möglich, solche Kühlkörper in ausreichend großen Längen nach dem bekannten Verfahren herzustellen. Es können daher nur relativ kurze Kühlkörpereinheiten als Profilabschnitte hergestellt werden, wodurch nach diesem Verfahren hergestellte Kühlkörper relativ kostenaufwendig sind.

Aus DE 93 15 056 U1 ist es bekannt, Kühlrippen bildende, halboffene Schalenprofile und Hohlkammerprofile durch Steckverbindungen herzustel­ len. Dazu sind an den einzelnen Schalenprofilen jeweils an einer Seite in Einsteckrichtung vorstehende Stegleisten mit Auflaufschrägen angeformt, die nach dem Zusammenpressen zweier Profile in Einsteckrichtung in entsprechend hinterschnittenen Nuten auf der anderen Seite dieser Profile eingreifen. Es entsteht dabei lediglich eine Rastverbindung, die gemäß den Aussagen dieser Druckschrift ggf. durch Kleber verstärkt werden. Ein solches Herstellungsverfahren für Kühlkörper erfordert hohe Maßgenauigkeit bezüglich der ineinandergreifenden Verbindungselemente, um einen ausreichend festen Verbindungssitz jeweils zu erreichen. Dennoch ist es schwierig, im Bereich der Verbindungsstellen einen ausreichenden metallischen Verbund zu erhalten, den die Wärmeleitung in solchen Kühlkörpern erfordert. Die Klebeverbindungen behindern den Wärmeübergang in diesen Bereichen.

Bekannt ist aus der DE 35 18 310 C2 ein Herstellungsverfahren für halbof­ fene Kühlkörper, bei dem die Kühlrippen auf einer Grundplatte oder Wan­ dung in entsprechenden Aufnahmenuten eingepreßt gehalten sind. Rol­ lenartige Druckwerkzeuge wirken dabei zwischen den einzelnen Kühlrippen auf die Zwischenstege an der Grundplatte und drücken damit Material seitlich an die Kühlrippen an. Auf diese Weise lassen sich jedoch nur halboffene Kühlkörper herstellen. Die Kühlrippenabstände können wegen der Montageart nicht beliebig eng gesetzt werden.

Ebenfalls bekannt ist aus der DE 34 15 554 A1 ein Kühlkörper, der aus einzelnen Profilleisten hergestellt ist, die untereinander einen identischen Querschnitt und eine identische Länge aufweisen. Jede Profilleiste besteht aus einem Kopfstück und einer Rippe. Die Kopfstücke weisen eine ebene Platte auf, die senkrecht zu der Rippe ausgebildet ist. Ferner weist jedes Kopfstück parallel zu der Rippe bzw. senkrecht zu der Platte zwei Flanken auf, in der jeweils eine Feder bzw. eine Nut liegt. Die einzelnen Profilleisten werden mit ihrer Nut-Federverbindung im Bereich der Flanken miteinander verbunden. Dadurch bilden die Oberseiten der Kopfstücke eine Tragplatte. Auf diese Tragplatte wird mittels einer Montageplatte ein Bauelement für die Leistungselektronik montiert. Die Profilleisten bestehen aus einer Aluminiumlegierung. Sie werden zunächst mit ihren Nuten und Federn zusammengefügt und sodann durch Ausübung großer Kräfte senkrecht auf die Flanken im Bereich dieser Flanken miteinander kaltpreßverschweißt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern in Hohlprofilbauweise vorzuschlagen, mit dem Kühlkörper guter Wärmeleitfähigkeit, ausreichender Festigkeit und mit geringen Kosten herstellbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es ebenfalls, dafür geeignete Schalenprofile vorzuschlagen.

Gelöst wird die Erfindungsaufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1. Mit den Ansprüchen 2 und 3 werden geeignete Verpressungsverfahren vor­ geschlagen, die eine plastische Verformung der in den Nuten eingesetzten Stegleisten ermöglichen. Mit mehreren Schalenprofilen lassen sich unterschiedliche Bauhöhen herstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Kühlkörper bzw. Kühl­ körperstränge sehr großer Länge mit relativ geringem fertigungs­ technischem Aufwand herstellen, die bei Bedarf in kürzere Abschnitte aufgeteilt werden können. Bereits bei der Montage sind die beiden dafür notwendigen Schalenprofile gegeneinander vorläufig fixiert, so daß die bei bekannten Verfahren, bei denen die Kühlrippen zwischen den Schalenprofilen zu montieren sind, notwendigen Haltevorrichtungen entfal­ len können. Nach der Montage der Schalenprofile gegeneinander erfolgt erfindungsgemäß an den Längsseiten der Kühlkörper bzw. der Kühlkörper­ stränge eine Verpressung quer zur Einsteckrichtung, die zu einer sehr inni­ gen, mechanisch festen und den Wärmedurchgang begünstigenden Ver­ bindung der Schalenprofile führt. Diese Verbindungstechnik beeinflußt nicht die Art und die Anordnung der inneren Kühlrippen, deren Gestaltung damit aus dieser Sicht frei wählbar ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in besonders günsti­ ger Weise Schalenprofile mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 ein­ setzen. Bei solchen Profilausbildungen erfolgt im Bereich ihrer Verbin­ dungsstellen nach dem Montieren und Verpressen eine besonders innige formschlüssige Verklammerung von jeweils zwei Stegleisten an einer Ver­ bindungsstelle. Solche Schalenprofile lassen sich in einfacher Weise als Strangpreßteile aus Aluminiumlegierungen herstellen.

Anhand abgebildeter Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgen­ den näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Querschnitt durch einen aus zwei gleichen Schalen­ profilen hergestellten Kühlkörper, wobei die linke Seite die Montagestellung vor dem Verpressen und die rechte Seite die Verbindung der Profile nach der Verpressung zeigt,

Fig. 2: einen Querschnitt mit gleichen Montagesituationen eines hohlen Kühlkörpers aus zwei Schalenprofilen mit zu einer Seite an einem Schalenprofil nach außen zusätzlich angeordneten Kühlrippen,

Fig. 3: einen Querschnitt in entsprechenden Montageanordnungen durch einen Kühlkörper aus drei Schalenprofilen unter Bil­ dung von zwei Hohlkammern,

Fig. 4: eine Querschnittsdarstellung durch einen Kühlkörper mit drei Hohlkammern,

Fig. 5 u. 6: vergrößerte Darstellungen der beiden in den vorherigen Ausführungen verwendeten Schalenprofile,

Fig. 7: in einer Schnittdarstellung den vergrößerten Bereich einer Verbindungsstelle zweier Schalenprofile nach der Verpres­ sung und

Fig. 8: einen Schnitt durch einen aus drei Hohlkammern bestehen­ den Kühlkörper mit einer zusätzlichen Spannverbindung.

Mit Schalenprofilen 1 und 2 gemäß den Fig. 5 und 6 lassen sich Kühl­ körper bzw. Kühlkörperstränge mit einer oder mehreren Hohlkammern her­ stellen, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 bis 4 dargestellt worden sind. Schalenprofile 1 gemäß Fig. 6 besitzen einen etwa L-förmigen Quer­ schnitt. Eine die jeweilige Kontaktfläche für ein zu kühlendes nicht darge­ stelltes Halbleiterelement bildet die mit der Ziffer 11 bezeichnete erste Wandung, an der senkrecht dazu die zweite Wandung 12 angeformt ist. An der Innenseite der ersten Wandung 11 sind in Abstand zueinander Kühlrip­ pen 13 angeformt, die etwa parallel zur zweiten Außenwandung 12 ange­ ordnet sind. Sowohl an der freien Stirnseite der ersten Außenwandung 11 als auch an der Stirnseite der zweiten Wandung 12 sind vorstehend Stegleisten 111 bzw. 121 angeformt, die gleichzeitig die Wandfläche für eine benachbart angeordnete entsprechend ausgebildete Nut 112 bzw. 122 bilden.

Mit Schalenprofilen 1, die gegeneinander um 180° versetzt montiert wer­ den, läßt sich ein Kühlkörper gemäß Fig. 1 herstellen. In dieser Anordnung werden dazu, wie auf der linken Seite der Fig. 1 angedeutet, die beiden Schalenprofile 1 gegeneinander eingerichtet, wobei die Stegleisten 111 und 121 des einen Schalenprofiles in die Nuten 112 und 122 des anderen Schalenprofiles 1 teilweise eingreifen, wodurch eine Fixierung dieser beiden Schalenprofile 1 gegeneinander erfolgt. Zusätzlich greifen noch die Steglei­ sten 123 in die entsprechenden Nuten 111 ein. In dieser vorläufig fixierten Montageanordnung erfolgt quer zur Längsrichtung der Schalenprofilanord­ nung eine Verpressung der Stegleisten 112 und 121 in den zugehörigen Nuten 122 und 112. Dadurch erfolgt eine sehr innige und sich verklam­ mernde Verbindung unter Materialverformung. In vorteilhafter Weise können die Nuten 112 und 122 geringfügig hinterschnitten sein, so daß die ebenfalls in ihrem Kopfbereich abgerundet verbreiterten Stegleisten 111 und 121 mit geringer Kraftaufwendung in diesen Nuten fixierbar sind.

Kühlkörper mit mehreren Hohlkammern und einer eventuellen endseitigen halboffenen Kammer gemäß den Fig. 2 bis 4 lassen sich beim zusätzli­ chen Einsatz von im Querschnitt etwa Z-förmigen Schalenprofilen 2 gemäß Fig. 5 herstellen. Solche Profile weisen, wie aus Fig. 5 ersichtlich, eine Wandung 21 auf, an der vorzugsweise zu beiden Seiten beabstandet die Kühlrippen 24 und 25 angeformt sind. An den Enden der Wandung 21 sind jeweils zu verschiedenen Seiten senkrecht die Wandungen 22 und 23 an­ geformt. Sowohl die Wandung 21 als auch die Wandungen 22 und 23 wei­ sen wiederum abstehend die zur Verbindung notwendigen Stegleisten 211, 221, 231 und 233 auf, denen benachbart jeweils wiederum die entspre­ chend ausgebildeten Nuten 212, 222, 232 und 234 zugeordnet sind. Auch an diesem Schalenprofil 2 sind wiederum weitere Stegleisten 223 und Nu­ ten 213 vorgesehen. Solche Schalenprofile 2 lassen sich sowohl unterein­ ander als auch mit Schalenprofilen 1 montieren und durch Verpressen mit­ einander verbinden.

In Fig. 8 ist ein Kühlkörper gemäß dem Aufbau in Fig. 4 angedeutet, dessen außenliegende Schalenprofile 1 im Bereich ihrer Wandungen 11 durch einen oder mehrere Nietbolzen 3 verbunden sind, deren Köpfe 31 und 32 in Senkbohrungen 14 in diesen Wandungen 11 aufgenommen sind. Mit diesen Nietbolzen 3 wird die Verbindung verstärkt und sichergestellt, daß keine Durchbiegung dieser Wandungen 11, die Kontaktflächen bilden können, erfolgt.

Insbesondere bei Kühlkörpern gemäß Fig. 8 ist es möglich, planparallele Kontaktflächen dadurch zu schaffen, daß Schalenprofile 1 und 2 eingesetzt werden, bei denen zumindest mittig jeweils eine oder mehrere Kühlrippen 13' bzw. 25' geringfügig länger sind als die benachbarten Kühlrippen 13 und 25, so daß sichergestellt ist, daß aufgrund der Spannverbindung über die Bolzen jeweils die benachbarten Wandungen 11 bzw. 21 der Schalenprofile 1 und 2 an diesen vorstehenden Rippen anliegen. Die Schalenprofile kön­ nen bei einer solchen Konstruktion außen an den Kontaktflächen feinst überfräst werden, so daß planparallele Flächen entstehen, die zumindest mittig gesichert abgestützt sind.

Im Prinzip ist eine solche innere Abstützung der Kühlkörper auch ohne die zusätzlichen Spannverbindungen möglich, da die äußeren Preßverbindun­ gen in Zugrichtung so belastbar sind, daß sie aufgrund der inneren Abstüt­ zung im Randbereich auftretende Zugkräfte aufnehmen können.

Bezugszeichenliste

1

Schalenprofil

11

Wandung

111

Stegleiste

112

Nut

113

Nut

12

Wandung

121

Stegleiste

121

'verformte Stegleiste

122

Nut

123

Stegleiste

13

,

13

'Kühlrippen

14

Senkbohrung

2

Schalenprofil

21

Wandung

211

Stegleiste

212

Nut

213

Nut

22

Wandung

221

Stegleiste

222

Nut

223

Stegleiste

23

Wandung

231

Stegleiste

232

Nut

233

Stegleiste

234

Nut

235

Nut

24

Kühlrippe

25

,

25

'Kühlrippe

3

Nietbolzen

31

Kopf

32

Kopf

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern zum Anbau an Halbleiterbauelemente, bei dem stranggepreßte Schalenprofile (1, 2) mit etwa zueinander parallelen stegartigen Kühlrippen (13, 24, 25) an einer Wandung (11, 21) zu einem Hohlkammerprofil verbunden werden, wobei an den Endbereichen von mindestens zwei Wandungen (11, 12 bzw. 22, 23) wechselseitig in Längsrichtung der Wandungen verlaufende Nuten (212, 222, 232, 234) und Stegleisten (111, 121, 211, 221, 231, 233) ausgebildet sind, die nach der Montage zweier Schalenprofile ineinandergreifende Verbindungen bilden, wobei die Schalenprofile (1, 2) mit ihren Nuten (112, 113, 122, 212, 213, 222, 232, 234, 235) und Stegleisten (111, 121, 123, 211, 223, 231, 233) ineinandergesteckt und durch diese Steckverbindungen fixiert und danach jeweils die nach außen abstehenden Stegleisten (121, 221, 233) in ihren zugehörigen Nuten (232, 112) in Querrichtung zumindest bereichsweise mit plastischer Verformung verpreßt werden zur formschlüssigen Umklammerung der jeweils dann in die zugehörige Nut (232, 112) eingreifenden Stegleisten (121, 221, 233).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verpressung durch Rollen erfolgt, die parallel zur Längsrichtung der Stegleisten bzw. der Nuten geführt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verpressung absatzweise in Abständen, vorzugsweise durch Prägung erfolgt.

4. Schalenprofil zur Herstellung von Kühlkörpern, gekennzeichnet durch einen etwa L-förmigen Querschnitt, wobei an der Innenseite einer ersten Wandung (11) senkrecht zur ersten Wandung zueinander etwa parallele Kühlrippen (13) angeformt sind und an der freien Stirnseite der ersten Wandung (12) eine parallel zur zweiten Wandung (12) gerichtete Stegleiste (111) abstehend angeformt ist, die gleichzeitig eine Wand einer sich in Längsrichtung der ersten Wandung (11) öffnenden Nut (112) bildet und an der freien Stirnseite der zur ersten Wandung senkrechten zweiten Wandung (12) neben einer sich in Längsrichtung öffnenden Nut (122) eine ebenfalls eine Nutwand bildende Stegleiste (121) parallel angeformt ist, derart, daß wenn zwei dieser Schalenprofile (1) jeweils um 180° gegeneinander versetzt ineinander gelegt werden, die Stegleisten des einen Schalenprofiles in die Nuten des anderen Schalenprofiles eingreifen.

5. Schalenprofil zur Herstellung von Kühlkörpern, gekennzeichnet durch einen etwa Z-förmigen Querschnitt, wobei an einer ersten Wandung (21) an einer oder beiden Seiten parallel zu den beiden zweiten Wandungen (22, 23) Kühlrippen (24, 25) angeformt und sowohl an den Enden der zweiten Wandungen (22, 23) in ihrer Längsrichtung abstehend Stegleisten (221, 233) und benachbarte Nuten (222, 234) als auch an den Enden der ersten Wandung (21) ebenfalls in Längsrichtung der zweiten Wandung (22 bzw. 23) vorstehend Stegleisten (211, 231) ausgebildet sind, neben denen sich nach außen in Längsrichtung der ersten Wandung (21) öffnende Nuten (212, 232) ausgebildet sind zur Verbindung mit Schalenprofilen nach Anspruch 4.