DE19730865C2 - Anordnung mit einem Kühlkörper aus einem Aluminiumwerkstoff und zu kühlende Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Kühlkörper aus einem Aluminiumwerkstoff und zu kühlende Elemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Unter einem elektronischen Bauelement sollen im folgenden solche elektronischen und/oder elektrischen Bauteile verstanden werden, die einer Kühlung durch Wärmeableitung aus den temperaturempfindlichen Bereichen bedürfen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kühlkörper für elektronische Leiterplatten aus Keramikwerkstoffen. Im folgenden wird überwiegend von einem elektronischen Bauelement gesprochen, ohne daß damit eine Beschränkung verbunden sein soll.

Kühlkörper der eingangs beschriebenen Art dienen in elektronischen Geräten zur Abführung von Verlustwärme, die während des Betriebes insbesondere von Leistungselektronik entsteht. In der Regel ist die Anordnung so getroffen, daß das zu kühlende Element in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlkörpers steht, so daß eine Wärmeübertragung von dem Element in den Kühlkörper erfolgt. Häufig weist der Kühlkörper eine große Oberfläche in Form von Rippen oder dergleichen auf, um seinerseits eine gute Wärmeabgabe an die Umgebung zu bewirken. Da der Kühlkörper zudem eine relativ hohe Stabilität aufweist, wird er in vielen Fällen gleichzeitig als Träger- und Montageeinheit benutzt. Die DE 40 30 532 A1 beschreibt beispielsweise ein solches elektronisches Bauteil, dessen Grund- und Kühlkörper aus einer Aluminiumlegierung besteht. Auf diesem Grundkörper sind Glaskeramikschichten mit den elektronischen Schaltstrukturen unmittelbar aufgebracht worden. Aus der DE 43 05 793 A1 ist ein besondere Aufbau eines Leistungsmoduls bekannt, bei welchem die elektronischen Elemente des Steuerteils und die des Leistungsteils auf jeweils getrennten Tragkörpern zur Wärmeabfuhr montiert sind.

Der Kühlkörper besteht meistens aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder einem Werkstoff auf Kupferbasis. Aluminiumwerkstoffe haben den Vorteil, daß sie leicht sind und sich nahezu beliebig bearbeiten und urfomen, beispielsweise gießen oder strangpressen, lassen. Dadurch wird die Anwendungsvielfalt erhöht. Kupferwerkstoffe weisen hingegen grundsätzlich die bessere Wärmeleitfähigkeit auf.

Das zu kühlende Element wird auf den Kühlkörper gelötet oder geklebt. Zum Löten wird ein besonderes spaltfüllendes Lot verwendet. Als Kleber findet hier ein spezieller Wärmeleitkleber Anwendung. Beide Maßnahmen führen dazu, daß das elektronische Element, die Leiterplatte oder dergleichen im wesentlichen vollflächig fest mit dem Kühlkörper verbunden ist, so daß eine Wärmeübertragung erfolgen kann.

Bei einer solchen Anordnung besteht ein Nachteil darin, daß das elektronische Bauelement einerseits und der Kühlkörper andererseits unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und somit unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen. Der metallische Kühlkörper, der aus einem Nichteisenwerkstoff wie einer Aluminiumwerkstoff besteht, besitzt nämlich in der Regel einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das zu kühlende Element.

Dies hat zur Folge, daß sich die Bauteile aufgrund von Temperaturschwankungen unterschiedlich ausdehnen werden. Es ist offensichtlich, das hierbei wegen der gewünschten und thermisch erforderlichen festen vollflächigen Verbindung Schubspannungen entstehen, die schadlos aufgenommen werden müssen. Dieses Problem besteht insbesondere bei großflächigen Leiterplatten, da bei größer werdenden absoluten Abmessungen der Bauelemente auch die Ausdehnungen aufgrund von Temperaturschwankungen zunehmen.

Die Schubspannungen können zu einem Bruch der Leiterplatte, des Lotes oder zu einem Riß in der Kleberschicht führen. Diese Vorfälle verursachen meistens ein Versagen der gesamten Anordnung. Insbesondere Leiterplatten aus Keramik sind dabei gegenüber solchen Schubspannungen besonders empfindlich.

Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, eine dickere, elastische Kleberschicht aufzutragen. Die Kleberschicht weist jedoch häufig nicht die erforderlichen Wärmeleitfähigkeiten auf, so daß nicht genügend Wärme abgeführt werden kann. Dies führt zu einer Begrenzung der aufnehmbaren Verlustwärme und somit zur Einschränkung in bezug auf die Packungsdichte der Leiterplatte. Alles in allem ist durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der mögliche Temperaturbereich, in dem das elektronische Bauteil eingesetzt werden kann, und/oder die Größe eines einzelnen zu kühlenden Elementes beschränkt.

Weiterhin ist es bekannt, spezielle Kupferwerkstoffe, beispielsweise CuFe2, einzusetzen. Diese Werkstoffe können zwar das gewünschte Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen, sind jedoch wesentlich schwerer und teurer als beispielsweise Aluminiumwerkstoffe. Auch lassen sich solche Kupferlegierungen nicht beliebig bearbeiten und nicht wie ein gestaltungsvariabler Aluminiumwerkstoff urformen, so daß den Anwendungsmöglichkeiten Grenzen gesetzt sind.

Durch die DE 35 46 148 C2 wird eine Vorrichtung zum Tränken von Keramikfasern mit flüssigem Aluminium beschrieben. Die Keramikfasern bestehen aus Siliziumnitrid mit einer Fülldichte von 20-30%. Die dadurch hergestellten Werkstoffe sollen eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. Die DE 195 05 724 A1 beschreibt eine Bremsscheibe aus einer Aluminiumdruckgußlegierung, in der Hartstoffpartikel aus Siliziumcarbid eingelagert sind. Durch die Verwendung eines solchen Materials lassen sich insbesondere das Gewicht und der Herstellungsaufwand einer Bremsscheibe verringern. Durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumwerkstoffes kann die thermische Belastbarkeit der Bremsen erhöht werden. Aus der US-PS 3,399,332 ist es bekannt, das Wärmeausdehnungsverhalten eines Kühlkörpers aus Kupfer an das Wärmeausdehnungsverhalten eines Silizium- Wafers bzw. einer Molybdän-Zwischenschicht anzupassen. Es ist vorgesehen, entweder eine Netzstruktur aus einer Eisen- Nickel-Cobalt-Legierung einzulagern, oder entsprechende Partikel ungeordnet in dem Kühlkörper vorzusehen. Durch die DE 41 00 145 A1 wird ein Substrat für die Aufnahme eines integrierten Schaltkreises beschrieben. Das Substrat weist einen Keramikgrundkörper auf, der mit einer Vielzahl von mit Metall gefüllten Löchern versehen ist. Dadurch soll das Wärmeausdehnungsverhalten des Substrates an das des integrierten Schaltkreises angepaßt werden. Als Metall wird in dieser Druckschrift Kupfer oder eine Kupfer-Zinn- Legierung genannt. Damit sollen die Nachteile eines üblicherweise eingesetzten Al₂O₃-Substates oder einer Wolfram-Kupfer-Legierung vermieden werden. In der DE 32 04 231 A1 ist ein Laminataufbau aus Matrix- Verbundschichten beschrieben, mit dem eine Angleichung von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten möglich sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper der eingangs geschilderten Art aus einem Aluminiumwerkstoff so zu verbessern, daß eine Kühlung auch von großflächigen elektronischen Bauelementen, insbesondere von Keramikleiterplatten, auch über einen großen Temperaturbereich möglich ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Verbundwerkstoff des Kühlkörpers 5,0-50,0 Gew.-%, insbesondere 10,0-30,0 Gew.-%, partikelförmiges oder faserförmiges Siliziumcarbid aufweist, um das Wärmeausdehnungsverhalten des Kühlkörpers an das Wärmeausdehnungsverhalten des zu kühlenden Elementes anzupassen. Insbesondere ist es möglich, die Wärmeausdehnungskoeffizienten einander anzupassen. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß durch die Zugabe solcher Verbundstoffe in Aluminium oder in eine Aluminiumlegierung nicht nur die mechanischen sondern auch die wärmetechnischen Eigenschaften verändert werden können. Insbesondere ist es möglich, durch gezielte Zugabe von Verbundstoffen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Werkstoffes zu verringern, ohne daß die Wärme­ übertragungs- und Wärmeleiteigenschaften wesentlich verändert, insbesondere für Kühlzwecke nicht oder nur unwesentlich verschlechtert werden.

Die Bereitstellung eines derartigen Verbundwerkstoffes ist ohne weiteres Möglich, so daß der Herstellungsaufwand gering gehalten werden kann.

Es kann beispielsweise vorgesehen werden, daß die Aluminiumlegierung eine Aluminiumdruckgußlegierung oder eine Aluminiumknetlegierung für das Strangpressverfahren ist. Auch kann es zweckmäßig sein, wenn der Verbundstoff Kunststoffpartikel oder, Kunststoffasern enthält. Ferner ist es möglich, daß der Verbundstoff Carbonpartikel oder Carbonfasern enthält. Selbstverständlich können auch Mischungen dieser Stoffe als Verbundstoffe eingesetzt werden.

Es ist grundsätzlich möglich, den Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Kühlkörpers für einen bestimmten Temperaturbereich nahezu exakt an den Wärmeausdehnungs­ koeffizienten der Elektronik anzupassen. Es hat jedoch sich gezeigt, daß eine exakte Übereinstimmung der jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten meistens nicht erforderlich ist, da stets eine geringe Elastizität vorhanden ist, die ausreicht, kleinere Differenzen in der Wärmedehnung schadlos auszugleichen.

Eine exakte Anpassung wird zudem in der Regel auch nicht möglich sein, da für unterschiedliche Materialien der Wärmeausdehnungskoeffizient in unterschiedlicher Weise von der tatsächlich herrschenden Temperatur abhängig ist. Vielmehr reicht es aus, den Wärmeausdehnungskoeffizient beziehungsweise das Wärmeausdehnungsverhalten für den gewünschten Temperaturbereich so aneinander anzupassen, daß die auftretenden Schubspannungen nicht mehr zu einem mechanischen Versagen des Bauelementes oder der Verbindungsschicht, also dem Lot oder dem Kleber, führen.

Durch die Erfindung kann erreicht werden, daß die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von -50°C bis +150°C nicht mehr bis weit über 10 × 10^-6 1/K beträgt, wie es ohne die Zugabe des Verbundstoffes der Fall ist. Es ist möglich, daß die Differenz teilweise deutlich darunter liegt und beispielsweise nur noch 2,0-8,0 × 10^-6 1/K beträgt. Es hat sich gezeigt, daß diese Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten ausreichend klein ist, so daß auch relativ empfindliche keramische Leiterplatten großflächig auf einem Kühlkörper aufgebracht werden können. Der Temperaturbereich entspricht den Temperaturen, die beispielsweise in einem Motorenraum eines Kraftfahrzeugs auftreten können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Schnitt durch einen elektronisches Bauteil.

Das dargestellte elektronische Bauteil weist eine Leiterplatte 11, beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff auf. Die Leiterplatte 11 ist mittels einer Wärmeleitkleberschicht 12 auf einem Kühlkörper 13 vollflächig fest aufgebracht. Der Kühlkörper 13 besteht beispielsweise aus einer Aluminiumdruckgußlegierung. Die Wärmeleitkleberschicht 12 ist in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber überdimensional dargestellt.

Die durch die Kleberschicht 12 verbundenen Elemente weisen in der Regel einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies führt dazu, daß sich die Keramikleiterplatte 11 einerseits und der Kühlkörper 13 andererseits aufgrund von Temperaturschwankungen unterschiedlich ausdehnen und auch zusammenziehen. Dadurch werden in der gesamten Fläche Schubspannungen erzeugt. Solche Schubspannungen können zu Rissen 14 in der Kleberschicht 12 oder zu einem Bruch 15 der Leiterplatte 11 führen. In der Zeichnung sind diese Erscheinungen der Übersichtlichkeit halber gemeinsam dargestellt, wobei in der Regel lediglich eine dieser Erscheinungen auftreten wird. Ein solcher Bruch oder ein solcher Riß führen je nach Ort des Auftretens meistens zu einem völligen Versagen des gesamten Bauteils durch Bruch einer Leiterbahn auf der Leiterplatte oder durch Überhitzung infolge einer unterbrochener Wärmeleitkleberschicht 12.

Es soll für ein solches Bauteil in einem Temperaturbereich von -40°C bis +120°C eine Schaltung auf einer Leiterplatte aus einem Keramiksubstrat durch einen Kühlkörper gekühlt werden. Das Keramiksubstrat des Beispiels einschließlich der Passivierung, Bestückung und dergleichen weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa α_th = 10 × 10^-6 1/K auf. Für andere Keramiksubstrate und andere Bestückungen sind auch andere Wärmeausdehnungskoeffizienten möglich.

Als Werkstoff für den Kühlkörper wird eine herkömmliche Aluminiumdruckgußlegierung (GD-AlSi12) verwendet, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa α_th = 20 × 10^-6 1/K aufweist. Etwa 1000 Temperaturzyklen führen zum Bruch der Keramik und zu einem Versagen des gesamten Bauteils.

Durch die homogene Zugabe von 20 Gew.-% Siliziumcarbid (SiC) wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient und das Wärmeausdehnungsverhalten des Werkstoffes GD-AlSi12 verändert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt etwa α_th = 17 × 10^-6 1/K. Es hat sich gezeigt, daß das Bauteil die erforderlichen Belastungen standhält.

Es ist offensichtlich, daß durch einen solchen Kühlkörper der Einsatzbereich von elektronischen Bauelementen weiter vergrößert werden kann. Insbesondere ist es nunmehr möglich, größere Schaltungen, die eine entsprechend große Verlustwärme erzeugen, einstückig auf einer Leiterplatte auszubilden und durch einen metallischen Kühlkörper zu kühlen.

Es ist nunmehr möglich, beispielsweise bestehende System durch solche Anordnungen zuverlässiger zu gestalten, da die Belastungsgrenzen nicht mehr ausgeschöpft zu werden brauchen. Auch ist es möglich, die Packungsdichte der elektronischen Bauelemente auf einer Leiterplatte zu vergrößern. Schließlich kann eine besonders gute Wärmeabführung erreicht werden, da der Verbundwerkstoff des Kühlkörpers relativ starr ist, so daß eine unelastischere Lötverbindung anstelle einer schlechter wärmeleitenden elastischeren Klebverbindung durchgeführt werden kann.

Claims (7)

1. Anordnung mit einem Kühlkörper aus einem Aluminiumwerkstoff und zu kühlende Elemente, wie elektronische Bauelemente oder Leiterplatten aus Keramikwerkstoffen, der mittelbar oder unmittelbar in Kontakt mit dem zu kühlenden Element steht und aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff 5,0-50,0 Gew.-% partikelförmiges oder faserförmiges Siliziumcarbid aufweist, um das Wärmeausdehnungsverhalten des Kühlkörpers an das Wärmeausdehnungsverhalten des zu kühlenden Elementes anzupassen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff 10,0-30,0 Gew.-% Siliziumcarbid aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung eine Aluminiumdruckgußlegierung oder eine Aluminiumknetlegierung für das Strangpressverfahren ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff Kunststoffpartikel oder Kunststoffasern enthält.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff Carbonpartikel oder Carbonfasern enthält.

6. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte auf den Kühlkörper geklebt oder gelötet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte eine Keramikleiterplatte ist.