DE9320574U1 - Arrangement for improving the heat transfer between an electrical component and a heat sink - Google Patents
Arrangement for improving the heat transfer between an electrical component and a heat sinkInfo
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Description
Siemens Nixdorf Informationssysteme AGSiemens Nixdorf Information Systems AG
Anordnung zum Verbessern des Wärmeüberganges zwischen einem elektrischen Bauelement und einer WärmesenkeArrangement for improving the heat transfer between an electrical component and a heat sink
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verbessern des Wärmeüberganges zwischen einem elektrischen Bauelement und einer Wärmesenke.The invention relates to an arrangement for improving the heat transfer between an electrical component and a heat sink.
In der Leistungselektronik für Transistoren, Thyristoren, Gleichrichter usw. beispielsweise ist es oft notwendig, die elektrischen Bauelemente zu kühlen. Zu diesem Zweck werden die elektrischen Bauelemente mit einer Kühlplatte in Berührung gebracht, über die die Betriebswärme abgeführt werden kann. Hierbei ist ein guter Wärmeübergang von den einzelnen elektrischen Bauelementen auf die Kühlplatte erforderlich. Eine Verbesserung des Wärmeüberganges erhöht die Leistungsfähigkeit der elektrischen Bauelemente.In power electronics for transistors, thyristors, rectifiers, etc., for example, it is often necessary to cool the electrical components. For this purpose, the electrical components are brought into contact with a cooling plate, through which the operating heat can be dissipated. This requires good heat transfer from the individual electrical components to the cooling plate. Improving the heat transfer increases the performance of the electrical components.
Zur Verbesserung des Wärmeüberganges werden heute beispielsweise Wärmeleitpasten verwendet. Diese haben den Nachteil, daß eine Demontage problematisch ist. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges werden auch Kontaktöle verwendet, die den Nachteil haben, daß eine hermetische Abdichtung zumindest der Übergangsstelle zwischen dem elektrischen Bauelement und der Kühlplatte erforderlich ist. Gleiches gilt, wenn Helium an Stelle eines Kontaktöls verwendet wird. Werden Lot-, Sinter- oder Klebeverbindungen verwendet, ist eine Demontage nichtThermally conductive pastes are used today to improve heat transfer. These have the disadvantage that dismantling is problematic. Contact oils are also used to improve heat transfer, but these have the disadvantage that a hermetic seal is required at least at the transition point between the electrical component and the cooling plate. The same applies if helium is used instead of a contact oil. If solder, sinter or adhesive connections are used, dismantling is not possible.
25 mehr möglich.25 more possible.
Ein anderes Problem sind die elektrischen Isolationen zwischen den elektrischen Bauelementen und der Kühlplatte. Zum Bewerkstelligen einer elektrischen Isolation zwischen einem elektrischen Bauelement und der Kühlplatte kann eine Elaxalschicht vorgesehen werden. Dies ist aber nur bei einer Kühlplatte aus Aluminium möglich. Glimmer- oder Keramikscheiben an Stelle einer Elaxalschicht erfüllen die Forderung nach ei-Another problem is the electrical insulation between the electrical components and the cooling plate. To achieve electrical insulation between an electrical component and the cooling plate, an Elaxal layer can be used. However, this is only possible with a cooling plate made of aluminum. Mica or ceramic discs instead of an Elaxal layer meet the requirement for a
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ner elektrischen Isolation. Bei der Verwendung von Kunststoffschichten als Zwischenschicht wird die Wärmeleitfähigkeit um ungefähr den Faktor 1000 schlechter als bei der Verwendung von geeigneten Keramikmaterialien.electrical insulation. When plastic layers are used as an intermediate layer, the thermal conductivity is approximately 1000 times worse than when suitable ceramic materials are used.
Eine Lösung auf die Forderung, daß wahlweise eine elektrische Isolation oder eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Bauelementen und der Kühlplatte hergestellt werden kann, ist derzeit nicht möglich.A solution to the requirement that either electrical insulation or an electrically conductive connection can be established between the electrical components and the cooling plate is currently not possible.
Oft werden Wärmeübergänge gewünscht, die eine zerstörungsfreie Demontage und Neumontage von elektrischen Bauelementen und Kühlplatte für Reparatur- und Servicezwecke zulassen. Das ist bisher nur bei echten Berührkontakten möglich.Heat transfers are often required that allow non-destructive disassembly and reassembly of electrical components and cooling plates for repair and service purposes. This has so far only been possible with real touch contacts.
Ein weiteres Problem ist das Berührverhalten eines elektrischen Bauelements mit der Kühlplatte. Hier kommt es oft zu Druckspitzen und lokalen Erhöhungen des WärmewiderStandes innerhalb der Berührungsfläche. Gewünscht wird deshalb ein tolerantes Verhalten gegenüber Rauhigkeitsspitzen der Kontaktpartner und Fremdpartikeln. Bisher ist zum Vermeiden von Druckspitzen eine hochgenaue Oberflächenbearbeitung notwendig und es muß die Reinraumtechnik angewendet werden.Another problem is the contact behavior of an electrical component with the cooling plate. This often results in pressure peaks and local increases in thermal resistance within the contact surface. A tolerant behavior towards roughness peaks of the contact partners and foreign particles is therefore desired. Up to now, high-precision surface processing has been necessary to avoid pressure peaks and clean room technology has to be used.
Ein anderer wichtiger Punkt ist die Forderung an den Wärmeübergang, daß ein Potentialausgleich auf den elektrischen Bauelementen stattfinden kann.Another important point is the requirement for heat transfer, that potential equalization can take place on the electrical components.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen einem elektrischen Bauelement und einer Kühlplatte anzugeben, die die oben beschriebenen Probleme löst.The object of the invention is therefore to provide an arrangement for improving the heat transfer between an electrical component and a cooling plate, which solves the problems described above.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.This object is achieved by an arrangement having the characterizing features of claim 1.
Von besonderem Vorteil dabei ist, daß eine automatische Montage möglich ist und daß die Kosten niedrig sind.A particular advantage is that automatic assembly is possible and that costs are low.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the invention are the subject of subclaims.
Insgesamt ergeben sich folgende Vorteile. Es wird der Berührflächenanteil, sogenannte Festkörperbrücken, erhöht und gleichzeitig die Spaltdicke durch plastische Verformung der Rauhigkeitsspitzen der Beschichtung erniedrigt. Das Keramikmaterial stellt Hochspannungsfestigkeit sicher. Es ist eine strukturierte Beschichtung, zum Beispiel durch Foto- und/oder Ätztechnik, oder ein partielles Aufbringen von einzelnen Folienstücken möglich. Es liegen reine Berührkontakte vor. Rauhigkeitsspitzen und Partikel werden vollständig in die Beschichtung eingedrückt.Overall, the following advantages arise. The proportion of contact surfaces, so-called solid bridges, is increased and at the same time the gap thickness is reduced by plastic deformation of the roughness peaks of the coating. The ceramic material ensures high voltage resistance. A structured coating, for example using photo and/or etching technology, or a partial application of individual pieces of film is possible. There are pure contact contacts. Roughness peaks and particles are completely pressed into the coating.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to a drawing.
Figur 1 eine Prinzipskizze einer Anordnung gemäß der Erfin dung undFigure 1 is a schematic diagram of an arrangement according to the invention and
Figur 2 eine Anordnung nach Figur 1 in einem Anwendungs fall.Figure 2 shows an arrangement according to Figure 1 in an application case.
In der Figur 1 sind zwei elektrische Bauelemente EB zu sehen. Ferner sind eine Wärmesenke WS zu sehen, bei der es sich um eine Kühlplatte KP (Figur 2) mit einem Rohrsystem für ein Kühlmittel handelt. Zwischen den elektrischen Bauelementen EB und der Wärmesenke WS ist eine Keramikplatte K mit einer beidseitigen Beschichtung B angeordnet.Two electrical components EB can be seen in Figure 1. A heat sink WS can also be seen, which is a cooling plate KP (Figure 2) with a pipe system for a coolant. A ceramic plate K with a coating B on both sides is arranged between the electrical components EB and the heat sink WS.
Die Keramikplatte K besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminiumnitrid (AlN). Die Keramikplatte K kann aber auch aus einer chemischen Verbindung bestehen, die durch die chemischen Kurzbezeichnungen SiC, BN, BeO, AI2O3 definiert sind. Der Werkstoff kann aber auch Diamant sein. Ferner sind Werkstoffe denkbar, die den vorgenannten ähneln.In the example, the ceramic plate K consists of aluminum nitride (AlN). However, the ceramic plate K can also consist of a chemical compound defined by the chemical abbreviations SiC, BN, BeO, AI2O3. The material can also be diamond. Materials similar to those mentioned above are also conceivable.
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Die Beschichtungen bestehen im Ausführungsbeispiel aus dem Werkstoff Indium. Sie können aber beispielsweise auch aus einer Zinn-Blei-Legierung bestehen.In the example shown, the coatings are made of the material indium. However, they can also be made of a tin-lead alloy, for example.
Die Beschichtungen sind nach einer vorherigen Metallisierung galvanisch auf die Keramikplatte K aufgebracht.The coatings are galvanically applied to the ceramic plate K after prior metallization.
Die Beschichtungen können auch aus einer weichen metallischen Folie bestehen, die die Legierungsbestandteile mit den chemischen Kurzzeichen In, Sn, Bb, Ag, Bi, Cd, Sb bestehen. Folien mit ähnlichen Eigenschaften können ebenfalls verwendet werden. The coatings can also consist of a soft metallic foil, which consists of the alloy components with the chemical symbols In, Sn, Bb, Ag, Bi, Cd, Sb. Foils with similar properties can also be used.
Die Folien können beispielsweise aufgeklebt oder aufgewalzt sein.The films can, for example, be glued or rolled on.
In der Figur 2 ist eine aktuelle Anwendung der Anordnung nach Figur 1 gezeigt. Zu sehen ist insbesondere eine Kühlplatte KP, auf der eine Keramikplatte K mit den Beschichtungen B angeordnet ist. Auf der obersten Schicht B ist eine umgestürzte Leiterplatte LP mit mehreren elektrischen Bauelementen angeordnet. Die Leiterplatte LP wird dabei über Kontaktfedern KF in Richtung Kühlplatte KP gedrückt. Dabei werden die Oberflächen der elektrischen Bauelemente auf die oberste Beschichtung B der Keramikplatte K gedrückt, die ihrerseits mit der unteren Beschichtung B auf die Kühlplatte KP gedrückt wird. Es ergibt sich auf diese Weise ein sehr guter Wärmeübergang von den elektrischen Bauelementen auf die Kühlplatte KP. Eine Demontage ist trotzdem sehr leicht möglich, weil es sich um' reine Berührkontakte handelt.Figure 2 shows a current application of the arrangement according to Figure 1. In particular, it shows a cooling plate KP on which a ceramic plate K with the coatings B is arranged. On the top layer B is arranged an overturned circuit board LP with several electrical components. The circuit board LP is pressed towards the cooling plate KP via contact springs KF. The surfaces of the electrical components are pressed onto the top coating B of the ceramic plate K, which in turn is pressed onto the cooling plate KP with the lower coating B. This results in very good heat transfer from the electrical components to the cooling plate KP. Disassembly is nevertheless very easy because it is purely a matter of touch contacts.
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