DE4142406C2 - Verfahren zur Herstellung von Wärmeübertragungsvorrichtungen, und Werkzeuge zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Beschreibung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, die insbesondere zur Kühlung elektronischer Bauelemente bestimmt ist und die eine Metallplatte umfasst, an der eine Anzahl zylindrischer Metallstifte montiert sind, die sich senkrecht zur Platte erstrecken und die in einer engen gegenseitigen Anordnung vorliegen. Die Erfindung betrifft ferner ein Werkzeug in Gestalt einer Haltevorrichtung, die verwendet wird, wenn das Verfahren zur Herstellung der Wärmeübertragungsvorrichtung ausgeführt wird.

In US-A-3,399,444 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragungsvorrichtung beschrieben. Das Herstellungsverfahren enthält die Schritte zum Einbringen von stapelartigen Drahtelementen in eine Zwischenhalterung, zum Aufbringen eines Bondmittels auf die Elementgrundflächen, zum Positionieren eines Metallbogens gegenüber den Elementengrundflächen, zum Zuführen von Wärme für ein metallurgisches Bonden sowie zum Entfernen der Zwischenhalterung.

In US-A-3,699,641 ist ein Einlagekörper beschrieben. Dieser enthält eine Abdeckplatte, die an einem Ende Kühlelemente in korrekter Positionierung aufweist, die vollständig aus Schweißmaterial hergestellt sind.

In US-A-5,113,315 ist ein Trägersystem aus einem wärmeleitenden Metall-/Keramik-Verbundmaterial für eine verbesserte Wärmeabstrahlung beschrieben.

Viele elektronische Bauelemente erhitzen sich aufgrund von Leistungsverlusten, die während der elektrischen Funktion der Bauelemente auftreten. Dies trifft beispielsweise auf Endstufentransistoren für Radiosender zu. Die Lebensdauer der Bauelemente verringert sich rasch bei erhöhten Temperaturen. Daher ist es wesentlich, die Wärme in wirksamer Weise von den Bauelementen abzuführen, besonders im Falle elektronischer Bauelemente in Anlagen, bei denen eine lange Lebensdauer gewünscht ist, wie beispielsweise bei Fernmeldeanlagen. Eine normale Weise zur Durchführung eines derartigen Wärmetransportes besteht darin, die Wärme vom aktiven Element, beispielsweise einem Transistorchip, über ein Übertragungselement abzuleiten, das mit einer Vorrichtung verbunden ist, von der Wärme auf eine durch sie hindurchtretende Luft übertragen wird. Sowohl die Effizienz der Wärmeleitung vom aktiven Element zum Wärmeübertragungselement als auch der Wärmeübergang zur Kühlluft hängt direkt von der Temperaturdifferenz zwischen dem aktiven Element und der Kühlluft ab.

Die folgenden Parameter sind bei der Optimierung von luftgekühlten Wärmeübertragungsvorrichtungen bedeutsam: eine ausgeprägte oder große Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeübergangsflächen der Vorrichtung und der Kühlluft; die Kühlluft soll sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen; die Wärmeübergangsflächen sollen groß sein; und die Grenzschicht soll eine geringe Dicke haben. Unter Grenzschicht wird hier die Luftschicht verstanden, die der Wärmeübergangsfläche am nächsten liegt, bei der ein Temperaturgradient und Luftgeschwindigkeitsgradient vorliegen.

Die Wärmeübergangsvorrichtungen, die normalerweise zum Kühlen elektronischer Bauteile verwendet werden, sind häufig vom gerippten Bautyp, der durch Gießen, Spritzgussverfahren, Walz- oder Fräsverfahren hergestellt wird. Andere bekannte Wärmeübertragungsvorrichtungen haben die Form eines gewellten Metallbleches. Eine besondere Wärmeübertragungsvorrichtung hat die Gestalt eines Guss- oder Formteils, der zylindrische Stifte umfasst, die sich senkrecht zu einer Hauptfläche einer Stiftträgerplatte erstrecken.

Zylindrische Stifte, die von Kühlluft umströmt werden, haben sich als hochwirksame Wärmeübertragungsvorrichtungen erwiesen, bedingt durch eine Kombination günstiger Werkstoffflächen senkrecht zur Wärmeströmung in Axialrichtung der Stifte und dünnen Grenzschichten, die mit Turbulenz abwechseln. Eine Schwierigkeit liegt darin, dass dieses Entwurfsprinzip häufig nicht optimiert werden kann, wenn die vorausgehend erwähnten Herstellungsverfahren durchgeführt werden. Die Kombination von Stiften mit einem Durchmesser und einem Abstand, der aus thermischen Gründen optimal ist, kann unmöglich durch Gieß- oder Formverfahren gefertigt werden. Zusätzlich zu den rein physikalischen Erfordernissen ist oft eine Forderung nach geringen Fertigungskosten vorhanden. In dieser Hinsicht ist Fräsen problematisch, da die Fertigung der Vorrichtung bis zu ihrer Fertigstellung eine verhältnismäßig lange Zeit erfordert.

Die optimale Gestaltung hängt von der Größe des aktiven Elementes und dem Druck und der Strömungsrate der verwendeten Luftquelle ab. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Transistoren insgesamt 125 W Wärme entwickeln, wurde ein Gebläse verwendet, das 0,8 m³/min und 2000 Pa erzeugt. Hiermit wird ein wirksamer Wärmeübergang mit Stiften erzielt, die einen Durchmesser von 3 mm, eine Länge von 24 mm und einen Abstand oder eine Mittelpunktsentfernung von 5 mm aufweisen. Die Stifte sind senkrecht zu einer Hauptfläche einer Platte montiert, die eine Dicke von 4 mm aufweist, und die Hauptfläche hat Abmessungen von 83 × 33 mm und nimmt 119 Zylinder auf. Die Ausbildung kann nicht gegossen, spritzgegossen, gewalzt, gefräst oder geschmiedet werden.

Der Werkstoff, aus dem die Wärmeübertragungsvorrichtung hergestellt ist, soll die höchstmögliche Wärmeleitfähigkeit haben. Hierdurch kann die Vorrichtung kleinere Abmessungen haben, als es sonst möglich wäre, was wiederum zu kürzeren Leitungswegen und geringeren Temperaturdifferenzen führt. Die gewöhnlich verwendeten gegossenen Aluminiumlegierungen haben etwa 150 W/m°C, reines Aluminium etwa 200 W/m°C und Kupfer und Silber etwa 400 W/m°C. Daher kann reines Kupfer vorteilhafterweise für die Fertigung kompakter Wärmeübertragungsvorrichtungen verwendet werden. Es bestehen jedoch Nachteile im Hinblick auf die Wahl der Fertigungsmethoden.

Beim Löten zylindrischer Kupferstifte auf eine Kupferplatte stellt unter anderem die Verteilung des Lötwerkstoffes ein Problem dar. Infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer kann ein Stift nicht auf die Kupferplatte aufgelötet werden, ohne benachbarte Stifte zu schmelzen. Dies bedeutet, dass die Lötverbindung allein nicht als Befestigungsmittel verwendet werden kann, wenn jeweils ein Stift aufgelötet wird. Sollen mehrere Stifte gleichzeitig in ihre Position aufgelötet werden und werden diese Stifte auf der Kupferplatte mittels einer Aufspannvorrichtung oder einer ähnlichen Befestigungsvorrichtung gehalten, so schmilzt zuerst der Lötwerkstoff und benetzt einen gegebenen Teil der Oberfläche. Dieser Bereich der Platte und die ersten durch den Lötwerkstoff benetzten Stifte saugen dann Lötwerkstoff aus der Umgebung an, und der Lötwerkstoff steigt als Folge einer Kapillarwirkung zwischen den verhältnismäßig dicht verpackten Stiften hoch. Dies bedeutet, dass die Lötwerkstoffschichten eine stark schwankende Dicke aufweisen, was ein Problem darstellt.

Das technische Problem der Erfindung besteht in der Schaffung eines einfachen und zuverlässigen Herstellungsverfahrens für Wärmeübertragungsvorrichtungen.

Dieses technische Problem der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zudem besteht ein weiteres technisches Problem der Erfindung in der Schaffung eines zweckmäßigen und praktischen Werkzeugs für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Dieses technische Problem wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, zylindrische Stifte auf einer flachen Platte mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs zu verlöten. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass sich die Wärmeübertragungsvorrichtungen bei optimaler thermischer Gestaltung rasch und kostengünstig mit dicht gepackten zylindrischen Stiften zum Erzielen optimaler Wärmeübertragungseigenschaften fertigen lassen.

Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Werkzeug ein rasches und zuverlässiges Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wärmeübertragungsvorrichtung;

Fig. 2 und 3 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der in Fig. 1 dargestellten Wärmeübertragungsvorrichtung in Draufsicht;

Fig. 4 verschiedene Abschnitte einer Fertigungsstufe, und ferner einen Teil eines Werkzeugs, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;

Fig. 5 das komplette Werkzeug; und

Fig. 6 eine weitere Stufe im Fertigungsverfahren.

Fig. 1 zeigt eine typische Wärmeübertragungsvorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt werden kann. Die Vorrichtung enthält eine Metallplatte 1, auf der eine Anzahl zylindrischer Stifte 2 aufgelötet sind. Die Platte und die Stifte bestehen vorzugsweise auf Kupfer. Die Stifte 2 sind dicht gepackt, und infolgedessen kann die Vorrichtung nicht durch übliche Verfahren gefertigt werden. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Vorrichtungen von oben und stellen zwei jeweilige Ausführungsbeispiele der Positionierung der Stifte auf der Platte dar. Die Figuren sollen lediglich einen allgemeinen Entwurf der Vorrichtung erläutern. In der Realität können die Stifte viel enger plaziert werden, als dargestellt ist, vorzugsweise im Einklang mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die zylindrischen Stifte 2 werden vorzugsweise automatisch gefertigt, indem ein gezogener Kupferstab durch eine Einpassvorrichtung und eine hochtourige Schleifvorrichtung geführt wird. Die an den Stiften verbleibenden Kanten werden in einer Putztrommel abgerundet. Die in dieser Weise gefertigten zylindrischen Stifte 2 werden auf einem Rüttler zu einem Kunststoffschlauch 3 bewegt, dessen Innendurchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Stifte ist. Die Stifte werden aufeinanderfolgend in Axialrichtung des Schlauches positioniert, wie in Fig. 4a dargestellt ist. Die Stifte 2 in dem Schlauch können sich durch Schwerkraft längs desselben bewegen, wenn sich der Schlauch im wesentlichen vertikal erstreckt. Das untere Ende des Schlauches wird über einer beweglichen perforierten Platte 4 positioniert, die erfindungsgemäß einen Teil der Haltevorrichtung oder eines Werkzeugs bildet. Die Platte 4 ist mit Durchtrittsöffnungen 5 perforiert, die gemäß einem Muster gebildet sind, das den gewünschten Positionen der Stifte 2 in der fertigen Wärmeübertragungsvorrichtung entspricht.

Der obere Rand der jeweiligen Durchtrittsöffnungen 5 ist mit einem Eintrittskegel 6 versehen. In diesem Fertigungsabschnitt wird die perforierte Platte 4 auf einem Tisch angeordnet, der in zwei Dimensionen der Tischebene bewegt werden kann. Die Platte wird mit Hilfe von linearen Einrichtungen bewegt, die mit Schrittschaltmotoren angetrieben und durch ein computerisiertes Steuersystem gesteuert werden. Wird die Platte 4 in eine Position gebracht, in der sich eine Durchtrittsöffnung 5 unmittelbar unter dem Schlauch 3 befindet, so fällt ein Stift 2 aus dem Schlauch und in die Durchtrittsöffnung hinein. Die Reihe der Stifte 2 im Schlauch 3 folgt anschließend nach. Wird der Tisch und damit die Platte 4 seitlich bewegt, so wird der Stift 2, der als nächster folgt, seinerseits von dem Stift, der neu in die Durchtrittsöffnung gefallen ist, getrennt. Er bewegt sich anschließend auf der Oberfläche der Platte, die vor der nächsten Durchtrittsöffnung 5 liegt, wie in Fig. 4b dargestellt ist. Die fortgesetzte Bewegung des Tisches bringt den Schlauch 3 in eine Position, in der er sich unmittelbar oberhalb der nächsten Durchtrittsöffnung 5 befindet, wobei der Stift 2 in diese nächste Durchtrittsöffnung nach unten fällt, wie aus Fig. 4c hervorgeht. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis alle Durchtrittsöffnungen 5 der perforierten Platte 4 mit Stiften 2 gefüllt sind. Der Vorgang kann automatisch mit einem Vielfachen der Geschwindigkeit durchgeführt werden, die beim Einsetzen der Stifte von Hand erreicht werden kann.

Der nächste Abschnitt, der in Fig. 5 dargestellt ist, umfasst das Anheben der perforierten Platte 4 und der darin eingesetzten Stifte 2 mittels einer Vakuumsaugvorrichtung 7, die einen weiteren Teil der Halteeinrichtung oder des Werkzeugs bildet. Die Saugvorrichtung 7 ist mit einem Anschluss 8 zur Verbindung mit einer (nicht dargestellten Vakuumquelle versehen sowie einer Verteilerkammer 9 und einer Gitterplatte 10, die verhindert, dass die Stifte 2 in die Verteilerplatte gesaugt werden und die die Stifte axial festlegt. Die Saugvorrichtung 7 hat eine Planfläche 11, die gegen die Platte 4 dichtend anliegt. Die Vakuumquelle soll eine Kapazität haben, die ausreichend groß ist, um zu gewährleisten, dass ein Vakuum aufrechterhalten wird, ungeachtet eines Luftverlustes zwischen den Stiften 2 und den Durchtrittsöffnungen 5. Hierdurch ist es möglich, dass die Platte 4 und alle Stifte 2 gleichzeitig angehoben werden.

Fig. 6 zeigt den nächsten Fertigungsabschnitt. Eine Metallplatte 1, auf der die zylindrischen Stifte 2 aufgelötet werden sollen, wird auf einen thermostatgesteuerten Heiztisch oder eine elektrische Heizplatte 12 aufgebracht und befestigt. Die Stifte 2 sind anfangs in einer oberen Position in der perforierten Platte 4 und werden in dieser Position durch die in der Saugvorrichtung 7 erzeugte Saugkraft gehalten. Die durch die Einheiten 4, 7 gebildete Halteeinrichtung oder das Werkzeug ist gegenüber der Platte 1 derart befestigt, dass die Stifte 2 geringfügig beabstandet zu der Platte vorliegen. Eine entsprechende Menge einer Lötlegierung 13 wird auf die Platte 1 aufgebracht und geschmolzen, indem die Heizplatte 12 auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die Lötlegierung 13 schmilzt und sich auf der Platte 1 verteilt. Selbstverständlich sind die Stifte 2 und die Platte 1 vorab gereinigt und mit einem Lötmittel behandelt worden. Ist die Lötlegierung 13 geschmolzen und auf der Platte ausgeflossen, wie gestrichelt in Fig. 6 gezeigt, und hat die Platte 1 die richtige Temperatur erreicht, die von dem verwendeten Lötwerkstoff abhängt, so wird das Vakuum in der Saugvorrichtung 7 beendet, wodurch alle Stifte 2 gleichzeitig in den geschmolzenen Lötwerkstoff 13 hineinfallen.

Wird ein Lötwerkstoff mit hohem Schmelzpunkt verwendet, kann es von Vorteil sein, auch das Aufheizen der Platte 4 mittels eines Thermostates zu steuern. Hierzu kann die Halteeinrichtung mit einer schematisch dargestellten Heizvorrichtung 14 versehen sein. Hat der Lötwerkstoff 13 die Stifte 2 benetzt, so wird die Wärmeübertragungsvorrichtung abgekühlt, indem kalte Luft von einer Seite über die Lötposition geblasen wird, unter Verwendung eines schematisch dargestellten Kühlgebläses 15. Die perforierte Platte 4 kann dann von den fest angelöteten Stiften getrennt werden. Das Werkzeug kann entfernt und für die Fertigung der nächsten Vorrichtung verwendet werden.

Es ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt ist und dass Änderungen im Rahmen der anliegenden Ansprüche erfolgen können.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer
Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere einer Vorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauelemente, die eine Metallplatte und eine Anzahl zylindrischer Metallstifte umfasst, die fest auf der Platte senkrecht zu dieser in verhältnismäßig enger gegenseitiger Anordnung befestigt sind,
gekennzeichnet durch die Schritte:
Reinigen der Platte (1) und der Stifte (2) und Behandeln derselben mit einem Flussmittel;
Laden der Stifte (2) in eine Stifthalteeinrichtung (4, 7) und Befestigen der Stifte mittels der Vorrichtung in zueinander radialen Positionen und Halten der Stifte in einem axialen Abstand über der Platte (1);
Aufbringen eines Lötwerkstoffes (13) auf die Platte (1) und Schmelzen des Lötwerkstoffes;
Veranlassen eines gleichzeitigen Absenkens der Stifte (2) in den geschmolzenen Lötwerkstoff (13);
Bewirken eines Erstarrens des Lötwerkstoffes, während die Stifte (2) in den festgelegten radialen Positionen gehalten werden; und
Entfernen der Halteeinrichtung (4, 7).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kaltluft über die Lötstelle geblasen wird, um den Lötwerkstoff (13) zum Erstarren zu bringen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötwerkstoff (13) geschmolzen wird, indem die Platte (1) auf einer thermostatgesteuerten Heizplatte (12) erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (2) mittels einer thermostatgesteuerten Vorrichtung (14) erhitzt werden, bevor sie in dem geschmolzenen Lötwerkstoff (13) abgesenkt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Metallplatte (1) als auch die Metallstifte (2) aus Kupfer bestehen.

6. Werkzeug in Form einer Halteeinrichtung zum Fertigen von Wärmeübertragungsvorrichtungen und zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Halteeinrichtung (4, 7) eine perforierte Platte (4) enthält, die mit einer Anzahl Durchtrittsöffnungen (5) versehen ist, die in einem Muster vorliegen, das den Positionen der jeweiligen Stifte (2) in der fertigen Wärmeübertragungsvorrichtung entspricht,
der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen (5) geringfügig größer als der Durchmesser der Stifte (2) ist, und
eine Saugvorrichtung vorgesehen ist, die an die perforierte Platte (4) angeschlossen ist und eine Verteilerkammer (9) enthält, die mit einer Vakuumquelle verbunden werden kann, so dass beim Erzeugen eines Unterdrucks in der Verteilerkammer (9) die perforierte Platte (4) und die in die Durchtrittsöffnungen (5) geladenen Stifte (2) anhebbar sind.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gitterplatte (10) in der Verteilerkammer (9) befestigt ist, um die Stifte (2) axial gegenüber der perforierten Platte (4) zu positionieren.

8. Werkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (4, 7) eine thermostatgesteuerte Heizvorrichtung (14) enthält.

9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (5) in der Platte (4) jeweils mit einem Einlasskegel (6) versehen sind.