FI112585B

FI112585B - Heat sink

Info

Publication number: FI112585B
Application number: FI961181A
Authority: FI
Inventors: Markku Puska
Original assignee: Nokia Alumiini Oy
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 2003-12-15
Also published as: SE520269C2; FI961181A; FI961181A0; FR2746251B1; SE9700880L; SE9700880D0; DE19710225A1; FR2746251A1

Description

1 112585 Jäähdytyselementti1 112585 Heat sink

Keksinnön kohteena on jäähdytyselementti erityisesti tehoelektroniikan komponenttien tai/ja komponenttiyhdistelmien jäähdyttämistä varten, jossa 5 jäähdytyselementissä ainakin jäähdytysrivat on muodostettu olennaisesti litteistä tasomaisista alumiiniprofiileista, jotka on kiinnitetty toisiinsa.The invention relates to a cooling element, in particular for cooling electronic components or combinations of components, in which at least the cooling fins are formed of substantially flat planar aluminum profiles fixed to each other.

Tällaiset jäähdytyselementit ovat nykyään varsin tunnettuja etenkin tehoelektroniikkalaitteiden yhteydessä. Elektroniikan jäähdytystehovaatimukset ovat kasvaneet, joten eri sovellutuksissa tarvitaan erittäin suorituskykyisiä ja telo hokkaita jäähdytyselementtejä, jotka saadaan mahtumaan entistä pienempään tilaan. Tehokkaan jäähdytyksen aikaansaamiseksi käytetään tiheäripaisia jäähdytyselementtejä, joista puolijohteiden kehittämä lämpö poistetaan mahdollisimman tehokkaasti esimerkiksi tuulettimilla tehostetun jäähdytysilmavirran avulla. Jäähdytyselementit valmistetaan useimmiten alumiinista.Such cooling elements are nowadays quite well known, especially in the case of power electronics. The cooling power requirements of electronics have increased, so high performance and roll-on heat sinks are needed in various applications to fit in even less space. In order to achieve efficient cooling, high-density cooling elements are used, from which the heat generated by the semiconductors is removed as efficiently as possible, for example by means of a fan-intensified cooling air flow. The heat sinks are usually made of aluminum.

15 Tiheäripaisen jäähdytyselementin muodostaminen on kuitenkin verra ten työläs toimenpide. Esimerkkinä tunnetuista ratkaisuista voidaan mainita ratkaisu, jossa jäähdytyselementti muodostetaan latomalla kahta kokoa olevia le-vyelementtejä vuorotellen päällekkäin, tukemalla rakenne tukitappien ja hitsausten avulla yhtenäiseksi kokonaisuudeksi.15 However, forming a dense radiator element is a somewhat laborious operation. As an example of known solutions, there is mentioned a solution in which the cooling element is formed by stacking two sizes of sheet elements alternately on top of each other, supporting the structure by means of supporting pins and welding to form an integral whole.

20 Edellä esitetyn tunnetun ratkaisun epäkohtana on erilaisten osien lu- ..,.: kumäärä ja kokoonpanon hankaluus, jotka nostavat valmistuskustannuksia.The disadvantage of the known solution described above is the number of different parts, ...: the number and the complexity of the assembly, which increase the manufacturing cost.

Edellä esitettyjen epäkohtien lisäksi on havaittu, että tiheästi sovitettujen ripojen ja tuuletuksen käytöstä huolimatta jäähdytyselementtien teho ei aina tahdo riittää, edellä esitetty seikka korostuu siinä, että tehoelektroniikka-25 laitteilta vaaditaan todennäköisesti tulevaisuudessa yhä suurempia ja suurempia tehoja ja lisäksi usein yhä pienempää kokoa, jolloin jäähdytysongelmat korostu-v : vat entisestään.In addition to the above drawbacks, it has been found that, despite the use of densely fitted ribs and ventilation, the performance of the cooling elements is not always sufficient, highlighted by the fact that power electronics devices are likely to require more and more power in the future; accent-v: s even more.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan jäähdytyselementti, jonka avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat pystytään eliminoimaan. Tähän on ; 30 päästy keksinnön mukaisen jäähdytyselementin avulla, joka on tunnettu siitä, et tä ainakin osa jäähdytyselementin massiivisesta pohjaosasta on muodostettu pitkänomaisista kupariprofiileista, joiden pitkänomaisiin reunoihin on muodostettu viereisen profiilin kanssa yhteensopivan koiras- ja naaraspuolisen liitososan muodostavat kiilapinnat, joiden avulla profiilit tarrautuvat toisiinsa ja että taso-35 maiset alumiiniprofiilit on varustettu kupariprofiilien kiilapintojen kanssa yhteen- 2 112585 sopivilla kiilapinnoilla tasomaisten alumiiniprofiilien kiinnittämiseksi kupariprofii-leihin.The object of the invention is to provide a cooling element by means of which the drawbacks of the prior art can be eliminated. Here it is; 30 obtained by at least a portion of the massive base portion of the cooling element being formed of elongated copper profiles having elongated edges formed with male and female joining portions compatible with the adjacent profile for engaging the profiles and 35-inch aluminum profiles are provided with wedge surfaces compatible with the copper profile wedges for attaching planar aluminum profiles to the copper profiles.

Keksinnön etuna on ennen kaikkea sen yksinkertaisuus, sillä kupari-profiilit voidaan muodostaa valmistusteknisesti helpoiksi lattamaisiksi ja mittatar-5 koiksi profiileiksi, jolloin jäähdytyselementin valmistuskustannukset saadaan edulliselle tasolle. Kustannuksia saadaan alemmaksi myös sillä, että alumiinia kalliimpaa kuparia voidaan käyttää ainoastaan siellä missä tarve on suurin.The advantage of the invention is, above all, its simplicity, since copper profiles can be formed into easy-to-form flat and dimensional profiles, whereby the cost of manufacturing the cooling element is at an advantageous level. Costs can also be lowered because more expensive copper than aluminum can only be used where the need is greatest.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkemmin oheisessa piirustuksessa kuvatun erään edullisen sovellutusesimerkin avulla, jolloin 10 kuvio 1 esittää periaatteellisena perspektiivikuvantona keksinnön mu kaista jäähdytyselementtiä ja kuvio 2 esittää periaatteellisena, suuremmassa mittakaavassa esitettynä kuvantona kuvion 1 mukaisen esimerkin yksityiskohtaa.The invention will now be elucidated by means of a preferred embodiment illustrated in more detail in the following drawing, wherein Figure 1 is a perspective perspective view of a cooling element according to the invention and Figure 2 is a schematic larger detail of the example of Figure 1.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen jäähdytyselementti. Viite-15 numeroiden 1 ja 2 avulla on merkitty litteitä tasomaisia profiileita, jotka on sovitettu muodostamaan jäähdytyselementin jäähdytysrivat. Profiilit 1 ja 2 on valmistettu alumiinista. Alumiiniprofiilin valmistaminen on alan ammattimiehelle täysin tavanomaista tekniikkaa, joten ko. seikkoja ei esitetä tarkemmin tässä yhteydessä.Fig. 1 shows a cooling element according to the invention. Reference numerals 1 and 2 designate flat planar profiles adapted to form the cooling fins of a heat sink. Profiles 1 and 2 are made of aluminum. The production of an aluminum profile is a standard technique for a person skilled in the art, so the details will not be described here.

20 Keksinnön mukainen jäähdytyselementti muodostetaan pääosin edellä esitetyistä profiileista latomalla profiileja päällekkäin, jolloin saadaan ai-, V, kaan kuviossa 2 esitetty rakenne, jonka massiivinen pohjaosa 3 voidaan sovittaa 't‘. lämpöä kehittävän komponentin päälle, jolloin lämpö siirtyy ympäröivään ilmaan . ripojen 4 avulla.The cooling element according to the invention is formed mainly of the above profiles by laying the profiles on top of each other to obtain the structure shown in Fig. 2, in which the massive base part 3 can be fitted 't'. on the heat generating component, whereby heat is transferred to the surrounding air. with ribs 4.

25 Keksinnön olennaisen ajatuksen mukaisesti ainakin osa jäähdy- tyselementin massiivisesta pohjaosasta 3 on muodostettu pitkänomaisista kupa-' : riprofiileista 5. Kunkin kupariprofiilin 5 pitkänomaisiin reunoihin on muodostettu viereisen profiilin kanssa koiras- ja naaraspuolisen liitososan muodostavat kiila-pinnat 6, 7, joiden avulla profiilit tarrautuvat toisiinsa. Tasomaiset alumiiniprofiilit 30 1, 2 on varustettu kupariprofiilien 5 kiilapintojen 6, 7 kanssa yhteensopivilla kiila- pinnoilla 8, 9, 10 tasomaisten profiilien 1,2 kiinnittämiseksi kupariprofiileihin 5.According to an essential idea of the invention, at least part of the massive base member 3 of the cooling element is formed by elongated copper profiles: 5. The elongated edges of each copper profile 5 are formed with wedge surfaces 6, 7 which form male and female connecting members. to each other. The planar aluminum profiles 30, 2 are provided with wedge surfaces 8, 9, 10 compatible with the wedge surfaces 6, 7 of the copper profiles 5 for attaching the planar profiles 1,2 to the copper profiles 5.

Kuten edellä on esitetty, keksinnön mukaisesti saadaan aikaan jäähdytyselementti, jonka massiivinen pohjaosa 3 on ainakin osaksi hyvin lämpöä johtavaa kuparia ja jäähdyttävät, lämmön ilmaan siirtävät rivat 4 ovat alumiini-35 profiilia. Tällä tekniikalla voidaan tehdä erittäin tiheäripaisia jäähdytyselementte-jä, joita tarvitaan erityisesti elektroniikan puolijohteiden jäähdyttämiseen.As stated above, according to the invention, there is provided a cooling element having a massive base portion 3, at least in part made of highly heat conducting copper, and cooling cooling heat transfer ribs 4 made of aluminum-35 profile. This technique makes it possible to produce highly dense heat sinks, which are particularly needed for cooling semiconductors in electronics.

3 1125853, 112585

Massiivisessa pohjaosassa 3 oleva kupariosa tehdään latomalla päällekkäin pieniä kupariprofiileja 5 ja kupariprofiilien reunaväleihin sovitetaan alumiiniprofiilirivat. Kupariprofiilit 5 ovat valmistusteknisesti helppoja, lattamaisia profiileja. Kuhunkin lattamaiseen profiiliin 5 on muodostettu sopivat kiilapinnat 6, 5 7 joiden avulla profiilit tarrautuvat toisiinsa. Kunkin profiilin litteän suunnan suh teen kummallakin puolella olevat tartuntapinnat on muotoiltu niin, että kiilamaiset tartuntapinnat 6, 7 muodostavat samanaikaisesti sekä tartuntaelimen naaras-että koiraspuolisen osan. Kupariprofiilin kannalta on eduksi, jos kahta puolen olevat tartuntapinnat ovat vaihesiirrossa keskenään. Kiilapintojen käyttö liitoksis-10 sa on sinänsä tunnettua tekniikkaa, joten ko. liitostavan teoriaa ei esitetä tarkemmin tässä yhteydessä. Tässä yhteydessä viitataan esimerkkeinä DE-julkaisuihin 2344703, 2344638 ja 2331155.The copper part in the massive base part 3 is made by stacking small copper profiles 5 on top of each other and aluminum profile ribs are fitted to the edges of the copper profiles. Copper profiles 5 are easy-to-fabricate flat-plate profiles. Suitable wedge surfaces 6, 5 7 are formed on each flat profile 5 by means of which the profiles adhere to each other. The gripping surfaces on either side of the flat direction of each profile are shaped such that the wedge-shaped gripping surfaces 6, 7 simultaneously form a female and a male portion of the gripping member. The copper profile, it is advantageous if the two sides of the gripping surfaces are out of phase with each other. The use of wedge surfaces in joints 10 is a known technique in itself, so the art. the theory of the joining method is not further elaborated in this context. In this context, reference is made to DE 2344703, 2344638 and 2331155 as examples.

Alumiiniprofiileissa 1, 2 on vastaavat kiilapinnat 8, 9, 10, jotta ne voidaan kiinnittää kupariprofiileihin 5. Alumiiniprofiilit voivat olla muodoltaan myös 15 sellaisia, että niitä voidaan käyttää rakennetta täydentävinä profiileina, jolloin kalliimpia kupariprofiileita 5 käytetään vain kaikkein kuumimmissa paikoissa, joista lämpö on saatava levitettyä tehokkaasti koko jäähdytyselementtiin.The aluminum profiles 1, 2 have corresponding wedge surfaces 8, 9, 10 for attachment to the copper profiles 5. The aluminum profiles can also be shaped in such a way that they can be used as complementary profiles, whereby the more expensive copper profiles 5 are used only in the hottest locations effectively applied to the entire heat sink.

Lämmönsiirron kannalta kannattaisi käyttää jäähdytyselementtien tekoon kuparia, sillä parhaiden kuparilaatujen lämmönjohtavuus on 390 W/mK, 20 kun taas yleisesti jäähdytysprofiilien valmistukseen käytettävässä alumiiniprofiili-laadussa lämmönjohtavuus on 210 W/mK. Kuparin korkean hinnan vuoksi kupa-ria ei kuitenkaan kannata käytännössä käyttää kuin kaikkein kuumimmissa paikoissa. Vaikeutena kuparin käytössä on myös sen huono valmistettavuus profii-,* leiksi, jollaisia elektroniikkateollisuus käyttää. Kuparista voidaan tehdä muodol- 25 taan ainoastaan melko yksinkertaisia profiileja, jolloin voidaan myös käyttää ve-' totekniikkaa valmistusmenetelmänä. Kupari saadaan vetämällä hyvin tarkkamit- : täiseksi, joten liitettävyys pursottamalla tehtyihin profiileihin paranee, koska alu- miiniprofiilin 1, 2 parina on tarkkamittainen kupariprofiili 5. Alumiiniprofiilista 1, 2 : voidaan tehdä melkein miten monimutkainen tahansa pursotustekniikkaa hy- : 30 väksi käyttäen ja alumiini on lisäksi hinnaltaan edullista. Kahta valmistustekniik kaa ja kahta eri metallia käyttäen saadaan pieneen tilaan pakattua edullinen ja tehokas elektroniikan jäähdytyselementti.From the point of view of heat transfer, copper should be used to make the cooling elements, since the best copper grades have a thermal conductivity of 390 W / mK, while the aluminum profile grade generally used for the production of cooling profiles has a thermal conductivity of 210 W / mK. However, due to the high price of copper, it is not practical to use copper except in the hottest locations. Another difficulty with using copper is its poor manufacturing profile, which is used by the electronics industry. Copper can only be made in relatively simple shapes, and drawing technology can also be used as a manufacturing method. Copper is obtained by pulling to a very high precision, so the connectivity to extruded profiles is improved because the aluminum profile 1, 2 is paired with a precision copper profile 5. From an aluminum profile 1, 2: can be made almost as complicated as extrusion technology can additionally inexpensive. By using two manufacturing techniques and two different metals, a low-cost and efficient electronic cooling element can be packaged in a small space.

Edellä esitettyä sovellutusesimerkkiä ei ole tarkoitettu mitenkään ra-·, : joittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaatimusten ; ; 35 puitteissa täysin vapaasti. Näin ollen on selvää, että keksinnön mukaisen jääh- dytyselementin tai sen yksityiskohtien ei välttämättä tarvitse olla juuri sellaisia 4 112585 kuin kuvioissa on esitetty, vaan muunlaisetkin ratkaisut ovat mahdollisia. Keksintöä ei esimerkiksi ole mitenkään rajoitettu sovellutukseen, jossa jäähdytysripojen toiset reunat ovat vapaat kuten kuvioiden esimerkissä. Keksintöä voidaan soveltaa myös ratkaisuissa, joissa jäähdytysrivat on tuettu toisiinsa myös ripojen niis-5 tä päistä, jotka ovat poispäin pohjaosasta. Ripojen tukeminen toisiinsa voidaan toteuttaa esimerkiksi kiilapintojen avulla.The above embodiment is not intended to limit the invention in any way, but the invention may be modified by the claims; ; 35 completely free. Thus, it is clear that the heatsink element according to the invention or its details need not necessarily be exactly as shown in the figures, but other solutions are possible. For example, the invention is by no means limited to an embodiment where the other edges of the cooling fins are free as in the example of the figures. The invention can also be applied to solutions in which the cooling fins are also supported on each other at the ends of the ribs which are away from the base. Supporting the ribs to each other can be accomplished, for example, by wedge surfaces.

Claims

1. Cooling elements especially for cooling power electronics components or / and component combinations, in which cooling elements at least cooling ribs (4) are formed of substantially flat flat aluminum profiles (1, 2), which are fixed to each other, characterized by at least part of the massive bottom part (3) of the cooling element is formed of elongated copper profiles (5), whose elongated edges are provided with wedge surfaces (6, 7), which form a convex and concave joint part which adjoins a contiguous profile and which later profile the sheets (5) adhere to each other, and that the flat aluminum profiles (1, 2) are provided with wedge surfaces (8, 9, 10) which fit together with the wedge surfaces (6, 7) of the copper profiles (5), the flat aluminum profiles (1, 2) must be capable of being fixed in the cup-pair profiles (5).

2. Cooling elements according to claim 1, characterized in that the copper profiles (5) are arranged only at the location of the solid bottom part (3) which becomes hottest.

Cooling element according to claim 1, characterized in that the copper pair profiles (5) are arranged to form the entire solid bottom part (3) of the cooling element. 20