WO2002025698A2 - Kühlkörper zur kühlung insbesondere elektronischer bauelemente - Google Patents

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WO2002025698A2
WO2002025698A2 PCT/DE2001/003565 DE0103565W WO0225698A2 WO 2002025698 A2 WO2002025698 A2 WO 2002025698A2 DE 0103565 W DE0103565 W DE 0103565W WO 0225698 A2 WO0225698 A2 WO 0225698A2
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Frank Baxmann
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Boston Cooltec Corporation
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Definitions

  • Heatsinks for cooling electronic components are known in different versions.
  • the most well-known version are extruded aluminum profiles. These are simple and inexpensive to manufacture, but they offer a poor cooling surface / construction volume ratio (KBV). Depending on the version, this is between approx. 0.5 to 9 cm 2 / cm 3 .
  • extruded profiles are rigid, and the shape of the element to be cooled can only be adjusted in length.
  • a better cooling surface / construction volume ratio has heat sinks in which a large number of sheets or profiles are fastened in a base plate provided with grooves or pins.
  • the attachment can e.g. done by pressing.
  • Such types of attachment are e.g.
  • Heat sink with clamp and adhesive connections proposed. With these processes, heat sinks with a KBV of approx. Up to 12 cm 2 / cm 3 can be produced. However, on the one hand, they have the disadvantage of the high manual manufacturing work, and above all they have very high contact resistance, since the connections are neither integral, nor are they under high pressure. These heat sinks are particularly unsuitable for high-performance cooling applications. From April 25, 1989 - Arnold - US 4,823,869 // December 05, 1989 - Hinshaw - US 4,884,331 // May 28, 1996 - Kojima - US 5,519,938 and August 17, 1999 - Steiner - US 5,937,518 heat sinks are known, which are milled from a solid block or sawn.
  • solder e.g. solder foil
  • solder usually have a thermal conductivity of only approx. 16.5% of the thermal conductivity of copper.
  • contact resistance There is a corresponding contact resistance.
  • processing effort at the connecting edge of the ribs If this does not lie exactly flat (e.g. due to chips, burrs, etc.), the solder connection is not perfect and the contact resistance would be further increased.
  • the mechanical strength of the solder joint, especially against bending the ribs, is also not very high. '
  • a heat sink is constructed from sheet metal. These are connected to each other in the base by soldering and then fastened as a block by soldering on a base plate.
  • a KBV of approx. 20 cm 2 / cm 3 is possible with this method.
  • this construction has the disadvantage that the cost of materials is correspondingly high due to the used and remaining solder foils and intermediate plates.
  • copper as a material for sheets and base body
  • the KBV will be a maximum of 6 cm 2 / cm 3 due to the necessary side connections of the individual cooling fins, and secondly due to the press connection on the upper edge of the cooling fins these can only be flowed through in one direction.
  • the invention has for its object to provide a finned heat sink, which has a KBV of at least 15 cm 2 / cm 3 , the connection between the base plate and fins has both great mechanical stability and low contact resistance, which in at least two can be flowed through in different directions and can be produced at low cost.
  • the object is achieved in that individual cooling fins are attached to a base plate with solder.
  • the thickness of the solder layer is at least 2.5 times as large as the thickness of the cooling fins, and the cooling fins go through the entire solder layer and lie on the base plate. This is necessary on the one hand to achieve sufficient mechanical stability and on the other hand to reduce the thermal resistance.
  • the ribs are optimally made of copper. This has a thermal conductivity of 372 W / mK. In contrast, the thermal conductivity of conventional copper solder (eg SnCu3) is approx. 62 W / mK. This is 1/6 of the thermal conductivity of copper.
  • the thickness of the solder layer is at least 2.5 times the thickness of the cooling fins, there is a contact area for the cooling fins with the solder which is 6 times (2.5 times on each side, 1 times on the lower edge) like the thickness of the cooling fins. This will make the solder's poorer thermal conductivity sufficiently balanced.
  • a thermally optimal distance between two fins would be 5 times the thickness of the cooling fins.
  • the solder is mixed with a powder of a good heat-conducting material.
  • This is advantageously copper powder. Care must be taken that alloys or oxidation do not occur when mixing solder and powder.
  • the thermal conductivity of the mixture increases in accordance with the powder content in the solder / powder mixture. Lot / powder mixing ratios between 90:10 and 60:40 have proven to be particularly suitable. Due to the increased thermal conductivity, the thickness of the solder layer can now be reduced on the one hand, and the distance between the cooling fins or the grid dimension can be reduced on the other hand. In an exemplary embodiment with cooling fins with a thickness of 0.1 mm, the grid dimension can in practice be reduced to 0.3 mm. This results in a KBV of approx. 65 cm 2 / cm 3 .
  • a flat heat pipe base plate is used instead of a solid base plate.
  • a heat pipe is a well-known system for heat transport, which is based on the principle of the evaporation and recondensation of liquids (mostly water at negative pressure). This has the advantage that the heat from concentrated heat points is distributed very quickly and evenly to all ribs through the heat pipe base.
  • a heat pipe floor is much lighter than a solid floor plate with sufficiently comparable performance.
  • one or more heat pipe pipes or other heat pipe elements are attached to a solid base plate.
  • This has a similar effect to the heat pipe floor.
  • a heat pipe pipe only distributes the heat in the direction and expansion of the pipe over the solid base plate.
  • the heat pipe floor distributes the heat evenly over the entire floor area.
  • the costs for a heat pipe floor are significantly higher, so that it can be replaced by the cheaper heat pipe pipes or heat pipe elements in the case of medium power heat points.
  • the cooling fins are provided with structures that enlarge the cooling surface.
  • Applied, rolled or stamped structures additionally reduce laminar effects when flowing through the heat sink, so that there is an improved heat dissipation and the performance of the heat sink is increased.
  • the cooling surfaces of the heat sink are colored dark or black. This increases the heat radiation and the performance of the heat sink increases accordingly.
  • the increase in performance can be up to 15%.
  • Fig. 1 A heat sink with soldered cooling fins.
  • Fig. 2 Detail enlargement A of the solder layer of the heat sink
  • FIG. 3 detail enlargement B of the solder layer of the heat sink from FIG. 1 with a new type of soldering with standard solder.
  • FIG. 5 Schematic representation of the heat distribution of a heat point on a solid base plate.
  • Fig. 6 Schematic representation of the heat distribution of a
  • FIG. 7 Schematic representation of the heat distribution of a
  • Figure 1 shows a heat sink consisting of a base plate (2) and soldered cooling fins (3).
  • FIG. 2 shows an enlarged detail A of the heat sink with soldering of the previous type.
  • a solder layer (4) is also applied to a base plate (2). This is usually done using appropriate solder foils with a small thickness (d.2).
  • the cooling fins (3) are then applied to the solder layer (4).
  • the cooling fins (3), the solder layer (4) and the base plate (2) are now connected to one another in a thermal process.
  • the cooling fins (3) are only in contact with the solder layer (4) at the lower edge (6).
  • narrow transition areas (5) are formed on the sides (7) of the cooling fins (3) through the appropriate use of flux.
  • the heat flow from the base plate (2) through the solder layer (4) into the cooling fins (3) only takes place via the contact areas (5) and (6).
  • the cooling fins (3) ideally lie directly on the base plate (2). However, it has been shown in practice that e.g. due to a burr or angling of the cooling fins (3) there is always a certain distance from the base plate (2).
  • FIG. 3 shows an enlarged detail B of the heat sink with a new type of soldering.
  • a solder layer (8) is applied to the base plate (2).
  • the thickness (d3) of the solder layer (8) is at least 2.5 times as thick as the thickness (dl) of the cooling fins (3).
  • the cooling fins (3) are applied as far as possible directly to the base plate (2). This considerably increases the contact area between the cooling fins (3) and the solder layer (8) on the sides (7) of the cooling fins (3).
  • the heat can now flow from the base plate (2) through the solder layer (8) on the one hand through the lower edges (6) of the cooling fins (3) and in particular over the side surfaces (7) of the cooling fins (3).
  • the heat flow from the base plate (2) into the side surfaces (7) is through Arrows (9) shown.
  • the distance (d4) between two cooling fins (3) should be at least 4 times the thickness (dl) of the cooling fins (3).
  • FIG. 4 shows an enlarged detail C of the heat sink with a new type of soldering.
  • the solder layer is composed of a good heat-conducting powder (10) and solder (11).
  • the powder (10) in the solder (11) in particular the heat conduction (9) from the base plate (2) into the side surfaces (7) of the cooling fins (3) is increased considerably in part. This depends on the materials used for the powder (10) and the mixing ratio between powder (10) and solder (11). Due to the better heat conduction, the thickness (d5) of the solder layer can be reduced on the one hand, and the distance (d6) between two cooling fins (3) on the other hand. As a result, the KBV and thus the performance can be increased accordingly.
  • FIG 5 shows the schematic representation of the heat distribution of a heat point (20) on a solid base plate.
  • the temperatures given in the illustration are arbitrarily selected values to clarify the diagram.
  • a round heat point (20) is installed in the center of the base plate as an example.
  • the temperature zones (21 to 25) are drawn in a circle around the heat point (20).
  • the heat point (20) should have a temperature of 80 ° C.
  • the further a surrounding heat zone (21 to 25) is from the heat point (20), the colder its temperature, or the temperature delta to the heat point (20) is greater.
  • soldered cooling fins in the outer temperature zones (25) have significantly less heat flow than, for example, cooling fins which are attached directly above the heat point (20).
  • FIG. 6 shows the schematic representation of the heat distribution of a heat point (30) on a base plate, which is designed as a heat pipe. It is assumed that the heat point (30) is generated with the same heat output as the heat point (20) from FIG. 5, and the heat sinks are otherwise identical except for the base plate.
  • the heat pipe floor has the property of distributing the heat very quickly and evenly. This can be recognized from the fact that the temperature difference between the heat point (30) and the outer zone (33) is only approx. 1.5 ° K. As a result, all cooling fins receive approximately the same heat flow. As a result, the heat sink can give off the maximum heat via the cooling fins. This is expressed in that the temperature of the heat point (30) is correspondingly lower than the temperature of the heat point (20) from FIG. 5.
  • FIG. 7 shows the schematic representation of the heat distribution of a heat point (40) on a base plate which is connected to a heat pipe pipe (41). It is assumed that the heat point (40) is generated with the same heat output as the heat point (20) and (30) from FIGS. 5 and 6, and the heat sinks are otherwise identical except for the base plate.
  • the heat pipe pipe (41) absorbs a large part of the heat from the heat point (40) and distributes it evenly over the width of the heat pipe pipe (41).
  • Corresponding temperature zones (42 to 44) form on both sides of the heat pipe (41), which become colder the further away they are from the heat pipe (41).
  • the temperature delta between the heat point (40) and the coldest temperature zone (44) is lower than with a solid base plate alone (FIG. 5). Therefore, the heat sink can take away more power than with a solid base plate alone.
  • the heat point (40) is accordingly colder than the heat point (20) from FIG. 5.
  • the heat distribution is not as good as with a heat pipe. Base plate, which is why the heat point (40) is correspondingly warmer than the heat point (30) from FIG. 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Kühlung insbesondere elektronischer Bauelemente. Der Kühlkörper besteht aus mehreren Elementen, welche durch Zinn, ähnliche Legierungen oder Zinn/Pulvermischungen miteinander verlötet sind.

Description

Beschreibung
Kühlkörper zum Kühlen elektronischer Bauelemente . sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die bekannteste Ausführung sind Aluminium-Strangpreßprofile. Diese sind einfach und günstig herzustellen, aber sie bieten ein schlechtes Kühloberflächen / Bauvolumen Verhältnis (KBV) . Dieses liegt je nach Ausführung zwischen ca. 0,5 bis 9 cm2 /cm3. Außerdem sind solche stranggepreßten Profile starr, und in der Form an das zu kühlende Element nur in der Länge anpaßbar .
Ein besseres Kühloberflächen / Bauvolumen Verhältnis (KBV) haben Kühlkörper, bei denen in einer mit Nuten oder Zapfen versehene Grundplatte eine Vielzahl von Blechen oder Profilen befestigt sind. Die Befestigung kann z.B. durch Pressen geschehen. Solche Befestigungsarten sind z.B. in den Erfindungsbeschreibungen 22.01.1975 - Hangs - DE-OS 25 02 472 // 31.03.1998 - Masatz - DE- OS 198 14 368 // 04.05.1995 - Alusuisse - DE-GM 295 07 286 // 04.05.1993 - Bock - DE-OS 43 14 663 // 22.05.85 - Alu Singen - DE- OS 35 18 310 // 30.06.1998 - Jacoby - US 5,771,966 // 14.12.1999 - Gönner - US 6,000,462 // 04.01.2000 - Gönner - US 6,009,937 // 10.01.97 - Schell - DE-OS 197 00 432 // 31.08.1996 - Deh el - DE- OS 196 35 468 // 06.08.1996 - Serizawa - US 5,542,176 // 14.05.1991 - Hess - US 5,014,776 und 04.10.1991 - Bock - EP 0 483 058 beschrieben. Die hierbei herstellbaren Kühlkörper weisen ein
KBV von bis zu 12 cm2 /cm3 auf. Der Herstellungsaufwand ist bei den verschiedenen Arbeitsschritten entsprechend hoch.
Ein weiterer Vorschlag ist in den Schriften 02.06.1987 - Seidler - US 4,669,535 // 06.11.1992 - Hoogovens - DE-GM 92 15 145 //
12.03.1997 - Puska - DE-OS 197 10 225 // 02.06.1998 - Chrysler - US 5,758,418 und 20.06.2000 - Kuo - US 6,076,594 unterbreitet worden. Hiernach werden einzelne Rippenprofile im Sockel durch z.B. Verschrauben oder Verlöten miteinander verbunden. Dieses führt zu erheblichen Wärmeübergangswiderständen zwischen den einzelnen Rippen. In der Praxis lassen sich nach diesen Verfahren Kühlkörper mit einem KBV bis zu 15 cm2 /cm3 herstellen. Jedoch ist die Größe der Kühlkörper dadurch sehr eingeschränkt, so daß der Wärmetransport zu den einzelnen Rippen in der Grundplatte durch die obigen Widerstände stark eingeschränkt ist. Außerdem ergibt sich in der Regel ein sehr dicker Sockelbereich, was ein entsprechendes Mehr an Gewicht und Baugröße ausmacht . Der Montageaufwand ist entsprechend hoch.
In 08.08.2000 - Lee - US 6,098,279 wird der Vorschlage gemacht, in verschiedene Standard-Kühlkörper (wie vorher beschrieben) zusätzliche Rippen ein zubringen. Hierdurch wird kostengünstig die Kühloberfläche entsprechend vergrößert. Allerdings ist dieses Verfahren durch die Werkzeugparameter für das Stanzen der Montagelöcher beschränkt. Das maximale KBV wird bei ca. 8 bis 10 cm2 /cm3 liegen. Außerdem bestehen bei den eingebrachten Kühlrippen entsprechende Übergangswiderstände .
In 05.08.1997 - Porter - US 5,653,280 wird der Vorschlag gemacht, die Bodenplatte aus einem Elastischen Material herzustellen, welches mit wärmeleitenden Pulvern aufgefüllt ist. Um den Kühlrippen die benötigte Stabilität in der elastischen Grundplatte zu geben, werden sie in T-Form ausgebildet, die in entsprechende T-Nuten der Grundplatte greifen. Hierdurch ergibt sich auf Grund der T-Form ein maximales KBV von ca. 6 bis 8 cm2 /cm3. Außerdem ist der horizontale Wärmefluß von einer Rippe zur nächsten sehr eingeschränkt, da das elastische Material zwischen den Rippen einen nicht unerheblichen Wärmewiderstand darstellt.
In den Schriften 18.07.2000 - Lee - US 6,088,917 // 12.10.1999 - Huang - US 5,964,285 // 05.10.1999 - Chen - US 5,960,871 // 10.02.1996 - Alusuisse - DE-GM 296 02 366 // 13.08.1991 - Jordan - US 5,038,858 und 27.04.1982 - Reed - US 4,326,383 werden
Kühlkörper mit Klemm- und Klebeverbindungen vorgeschlagen. Mit diesen Verfahren können Kühlkörper mit einem KBV von ca. bis zu 12 cm2 /cm3 hergestellt werden. Jedoch haben sie zum einen den Nachteil des hohen manuellen Fertigungsauf andes, und vor allem haben sie sehr hohe Übergangswiderstände, da die Verbindungen weder stoffschlüssig sind, noch unter hohem Pressdruck stehen. Insbesondere für Kühlanwendungen hoher Leistung sind diese Kühlkörper nicht geeignet. Aus den Schriften 25.04.1989 - Arnold - US 4,823,869 // 05.12.1989 - Hinshaw - US 4,884,331 // 28.05.1996 - Kojima - US 5,519,938 und 17.08.1999 - Steiner - US 5,937,518 sind Kühlkörper bekannt, welche aus einem massiven Block gefräst oder gesägt werden. Diese sind thermisch betrachtet sehr gut, jedoch ist aufgrund der Abmessungen der benutzten Werkzeuge und den mechanisch notwendigen Rippenstärken nach diesem Verfahren ein KBV von maximal 8 cm2 /cm3 möglich. Aufgrund der hohen Bearbeitungsleistung ist die Herstellung nach diesem Verfahren auch sehr teuer.
Ebenfalls bekannt ist das Auflöten von einzelnen Rippen auf eine Grundplatte (Fig. 1) . Hiermit ist ein KBV von ca. 20 cm2 /cm3 möglich. Jedoch ist von Nachteil, daß die Verbindung zwischen der Grundplatte und den einzelnen Rippen mit einem entsprechenden
Lötmittel (z.B. Lötfolie) hergestellt wird. Diese Lötmittel haben in der Regel eine Wärmeleitfähigkeit von nur ca. 16,5% der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Es ergibt sich ein entsprechender Übergangswiderstand. Zusätzlich ergibt sich ein hoher Bearbeitungsaufwand an der Verbindungskante der Rippen. Sollte diese nicht exakt plan aufliegen (z.B. durch Späne, Grat ...etc.), ist die Lötverbindung nicht einwandfrei und der Übergangswiderstand würde weiter erhöht. Auch die mechanische Belastbarkeit der LötVerbindung, insbesondere gegen Verbiegen der Rippen, ist nicht sehr hoch. '
In den Schriften 02.06.1997 - Belady - DE-OS 197 23 085 // 19.02.1998 - Damsohn - DE-OS 198 06 978 // 02.06.1981 - Nakamura - US 4,270,604 // 06.01.1998 - Yeh - US 5,706,169 // 24.09.1996 - Ito - US 5,558,155 und 17.12.1996 - Wright - US 5,584,183 werden einige der vorher genannten Probleme beim Löten von Kühlkörpern beseitigt . Es wird das Verlöten von gefalteten Blechen vorgeschlagen. Durch die sich ergebende größere, mit der Grundplatte verlötete Fläche, sind die Probleme der mechanischen Belastbarkeit und des Übergangswiderstandes weitestgehend beseitigt. Jedoch sind diese Kühlkörper nur in einer Richtung (horizontal) mit Luft durchströmbar, da die Faltstruktur bei einer vertikalen Durchlüftung 50% der Rippenoberfläche verschließen würde. In 27.02.1996 - Morosas - US 5,494,098 und 03.04.1997 - Wyler - WO 98/44554 wird vorgeschlagen dieses Problem durch Aussparungen an der Oberseite der gefalteten Rippen zu lösen. Auch für diese Lösung ergibt sich jedoch aufgrund der Werkzeugparameter der Faltwerkzeuge ein maximales KBV von nur ca. 10 cm2 /cm3.
Nach der Schrift 13.01.1988 - Prokopp - EP 0 278 240 wird ein Kühlkörper aus Blechen aufgebaut. Diese werden im Sockel miteinander durch Löten verbunden und anschließend als Block durch Löten auf einer Grundplatte befestigt. Mit diesem Verfahren ist ein KBV von ca. 20 cm2 /cm3 möglich. Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, daß der Materialaufwand durch die verwendeten und verbleibenden Lötfolien und Zwischenbleche entsprechend hoch ist. Bei der Verwendung von z.B. Kupfer als Material für Bleche und Grundkörper ergibt sich ein entsprechendes Mehrgewicht. Da der gesamte Bereich der Zwischenbleche nicht von einem Kühlmedium umströmt wird, muß außerdem die Bauhöhe um eben diesen Sockelbereich erhöht werden.
In der Schrift 14.12.1998 - Baxmann - DE-GM 298 22 241 wird vorgeschlagen, Rippen auf einer Grundplatte unter Verwendung von Pulver als Bindemittel zu verwenden. Alle Bestandteile sollen dabei aus demselben Material, z.B. Kupfer, bestehen. Hierbei ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung ohne Übergangswiderstände. Auf Grund der Parameter der Sinterformen ist mit diesem Verfahren ein maximales KBV von 12 cm2 /cm3 möglich. Außerdem ergibt sich der Nachteil, daß der Sinterprozeß bei sehr hohen Temperaturen knapp unter dem Schmelzpunkt des verwendeten Materials erfolgt. Hierbei verliert das Material sämtliche innere Spannung und die Rippen lassen sich anschließend durch geringste mechanische Einwirkungen zu verbiegen.
In der Schrift 11.07.2000 - Mashiko - US 6,085,830 wird vorgeschlagen, Rippen an der Basis durch das Einpressen eines flüssigen Metalles zu verbinden. Aufgrund der Formenparameter, insbesondere der Entformbarkeit , ist mit diesem Verfahren ein maximales KBV von ca. 10 cm2 /cm3 möglich. Insbesondere kann die Dicke der Rippen nur bis zu einem gewissen Minimum (ca. 0,5 mm) reduziert werden, da sie sich sonst beim Einpressen des flüssigen Metalles verbiegen würden. Außerdem sind die Kosten für ein solches Werkzeug vergleichsweise hoch. Einen ähnlichen Ansatz hat 14.08.1997 - Smalen - WO 99/08821. Jedoch benutzt er stranggepreßte Aluminium-Kühlrippen, die mehrfach miteinander verpreßt werden, um die nötige mechanische Stabilität zu bekommen. Dieses hat die Nachteile, daß erstens das KBV aufgrund der nötigen Seitenverbindungen der einzelnen Kühlrippen bei maximal 6 cm2 /cm3 liegen wird, und zweitens durch die Preßverbindung an der Oberkante der Kühlrippen diese nur in einer Richtung durchströmbar sind.
Zur Beseitigung dieser Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gerippten Kühlkörper zu schaffen, welcher ein KBV von mindestens 15 cm2 /cm3 hat, dessen Verbindung zwischen Bodenplatte und Rippen sowohl große mechanische Stabilität als auch geringe Übergangswiderstände hat, der in mindestens zwei verschiedenen Richtungen durchströmbar ist und der mit geringen Kosten zu fertigen ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einer Bodenplatte einzelne Kühlrippen mit Lot befestigt werden. Dabei ist die Dicke der Lotschicht mindestens 2,5 mal so groß, wie die Dicke der Kühlrippen, und die Kühlrippen gehen durch die gesamte Lotschicht hindurch und liegen auf der Bodenplatte auf. Dieses ist zum einen notwendig, um eine ausreichende mechanische Stabilität zu bekommen, und zum anderen um den thermischen Widerstand zu reduzieren. Die Rippen werden optimaler Weise aus Kupfer gefertigt. Dieses hat eine Wärmeleitfähigkeit von 372 W/mK. Die Wärmeleitfähigkeit von üblichem Kupferlot (z.B. SnCu3 ) liegt dem gegenüber bei ca. 62 W/mK. Dieses ist 1/6 der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Da die Dicke der Lotschicht mindestens 2,5 mal so groß ist wie die Dicke der Kühlrippen, ergibt sich für die Kühlrippen eine Kontaktfläche mit dem Lot, welche 6 mal (2,5 mal je Seite, 1 mal an Unterkante) so groß ist, wie die Dicke der Kühlrippen. Dadurch wird die schlechtere Wärmeleitfähigkeit des Lotes ausreichend ausgeglichen. Thermisch optimal wäre ein Abstand zwischen zwei Rippen, der 5 mal so groß ist wie die Dicke der Kühlrippen. In einer beispielhaften Ausführung mit Kühlrippen der Dicke 0,1 mm würde sich ein Abstand von 0,5 mm zwischen den Rippen ergeben. Dieses würde einem Rastermaß (Abstand von einer
Kühlrippenmitte zur nächsten Kühlrippenmitte) von 0,6 mm und einem KBV von ca. 32 cm2 /cm3 entsprechen.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Lot mit einem Pulver eines gut Wärme leitenden Materials versetzt. Dieses ist vorteilhafter Weise Kupferpulver. Es muß darauf geachtet werden, daß es beim Mischen von Lot und Pulver nicht zu Legierungen oder Oxidation kommt. Entsprechend dem Pulveranteil im Lot / Pulver-Gemisch steigt die Wärmeleitfähigkeit des Gemisches. Es haben sich Lot / Pulver-Mischverhältnisse zwischen 90:10 und 60:40 als besonders geeignet erwiesen. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit kann nun zum einen die Dicke der Lotschicht reduziert werden, und zum zweiten kann der Abstand zwischen den Kühlrippen, bzw. das Rastermaß reduziert werden. Bei einer beispielhaften Ausführung mit Kühlrippen der Dicke 0 , 1 mm kann das Rastermaß in der Praxis bis auf 0,3 mm reduziert werden. Dadurch ergibt sich ein KBV von ca. 65 cm2 /cm3.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird anstelle einer massiven Bodenplatte eine flache Heat-Pipe-Bodenplatte benutzt. Eine Heat-Pipe ist ein bekanntes System zum Wärmetransport, welches auf dem Prinzip der Verdampfung und Rekondensation von Flüssigkeiten (meistens Wasser bei Unterdruck) basiert. Dieses hat den Vorteil, daß durch den Heat-Pipe-Boden die Wärme von konzentrierten Hitzepunkten sehr schnell und gleichmäßig auf alle Rippen verteilt wird. Außerdem ist ein Heat-Pipe-Boden sehr viel leichter, als eine massive Bodenplatte mit hinreichend vergleichbarer Leistung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden an einer massiven Bodenplatte einzelne oder mehrere Heat-Pipe-Rohre oder sonstige Heat-Pipe-Elemente angebracht. Dieses hat einen ähnlichen Effekt wie der Heat-Pipe-Boden. Im Gegensatz zu diesem wird mit einem Heat-Pipe-Rohr die Wärme nur in Richtung und Ausdehnung des Rohres über die massive Bodenplatte verteilt. Dem gegenüber verteilt der Heat-Pipe-Boden die Wärme gleichmäßig auf der ganzen Bodenfläche. Jedoch sind die Kosten für einen Heat-Pipe-Boden deutlich höher, so daß dieser bei Hitzepunkten mittlerer Leistung durch die günstigeren Heat-Pipe-Rohre oder Heat-Pipe-Elemente ersetzt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Kühlrippen mit Strukturen versehen, welche die KühlOberfläche vergrößern. Aufgebrachte, gewalzte oder gestanzte Strukturen reduzieren zusätzlich Laminareffekte bei der Durchströmung des Kühlkörpers, so daß es zu einer verbesserten Wärmeabgabe kommt und die Leistung des Kühlkörpers erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die Kühloberflächen des Kühlkörpers dunkel bzw. schwarz eingefärbt. Dadurch wird die Wärmeabstrahlung erhöht, und die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers steigt entsprechend. Hierbei kann die Leistungssteigerung durchaus bis zu 15% betragen.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: Ein Kühlkörper mit aufgelöteten Kühlrippen.
Fig. 2: Detailvergrößerung A der Lotschicht des Kühlkörpers aus
Fig. 1 mit einer Lötung bisheriger Art. Fig. 3: DetailVergrößerung B der Lotschicht des Kühlkörpers aus Fig. 1 mit einer Lötung neuer Art mit Standard Lot.
Fig. 4: DetailVergrößerung C der Lotschicht des Kühlkörpers aus
Fig . 1 mit einer Lötung neuer Art mit einem Lot / Pulver
Gemisch. Fig. 5: Schematische Darstellung der Wärmeverteilung eines Hitzepunktes auf einer massiven Bodenplatte.
Fig. 6: Schematische Darstellung der Wärmeverteilung eines
Hitzepunktes auf einem Heat-Pipe-Boden. Fig. 7: Schematische Darstellung der Wärmeverteilung eines
Hitzepunktes auf einer massiven Bodenplatte mit einem Heat-Pipe-Rohr .
Figur 1 zeigt einen Kühlkörper bestehend aus einer Bodenplatte (2) und aufgelöteten Kühlrippen (3) .
Figur 2 zeigt eine Detailvergrößerung A des Kühlkörpers mit einer Lötung bisheriger Art. Bei diesem Verfahren wird auf eine Bodenplatte (2) eine Lotschicht (4) mit aufgebracht. Dieses geschieht in der Regel durch entsprechende Lotfolien mit geringer Dicke (d.2) . Auf die Lotschicht (4) werden anschließend die Kühlrippen (3) aufgebracht. In einem thermischen Prozeß werden nun die Kühlrippen (3) , die Lotschicht (4) und die Bodenplatte (2) miteinander verbunden. Dabei haben die Kühlrippen (3) lediglich an der Unterkante (6) Kontakt mit der Lotschicht (4) . In einer optimalen Ausführung bilden sich durch entsprechenden Einsatz von Flußmitteln schmale Übergangsbereiche (5) an den Seiten (7) der Kühlrippen (3) aus. Der Wärmefluß von der Bodenplatte (2) durch die Lotschicht (4) in die Kühlrippen (3) findet so nur über die Kontaktbereiche (5) und (6) statt. Idealer Weise liegen die Kühlrippen (3) direkt auf der Bodenplatte (2) auf. Jedoch hat sich in der Praxis gezeigt, daß z.B. durch einen Grat oder Verwinkelungen der Kühlrippen (3) immer ein gewisser Abstand zur Bodenplatte (2) bleibt.
Figur 3 zeigt eine Detailvergrößerung B des Kühlkörpers mit einer Lötung neuer Art. Bei dieser Art wird auf die Bodenplatte (2) eine Lotschicht (8) aufgebracht. Dabei ist die Dicke (d3) der Lotschicht (8) mindestens 2,5 mal so dick, wie die Dicke (dl) der Kühlrippen (3). Die Kühlrippen (3) sind dabei so weit es geht direkt auf die Bodenplatte (2) aufgebracht. Dieses vergrößert die Kontaktfläche zwischen den Kühlrippen (3) und der Lotschicht (8) an den Seiten (7) der Kühlrippen (3) erheblich. Die Wärme kann nun von der Bodenplatte (2) durch die Lotschicht (8) einerseits durch die Unterkanten (6) der Kühlrippen (3), als auch insbesondere über die Seitenflächen (7) der Kühlrippen (3) fließen. Der Wärmefluß von der Bodenplatte (2) in die Seitenflächen (7) ist durch die Pfeile (9) dargestellt. Dabei sollte der Abstand (d4) zwischen zwei Kühlrippen (3) mindestens 4 mal so groß sein wie die Dicke (dl) der Kühlrippen (3) .
Figur 4 zeigt eine Detailvergrößerung C des Kühlkörpers mit einer Lötung neuer Art. Jedoch ist die Lotschicht aus einem gut Wärme leitenden Pulver (10) und Lot (11) zusammengesetzt. Durch die Beimischung des Pulvers (10) in das Lot (11) wird insbesondere die Wärmeleitung (9) von der Bodenplatte (2) in die Seitenflächen (7) der Kühlrippen (3) zum Teil erheblich vergrößert. Dieses ist abhängig von den für das Pulver (10) verwendeten Materialien und den Mischverhältnissen zwischen Pulver (10) und Lot (11) . Durch die bessere Wärmeleitung kann zum einen die Dicke (d5) der Lotschicht reduziert werden, und zum anderen der Abstand (d6) zwischen zwei Kühlrippen (3) verringert werden. Hierdurch kann das KBV und damit die Leistung entsprechend erhöht werden.
Figur 5 zeigt die schematische Darstellung der Wärmeverteilung eines Hitzepunkte (20) auf einer massiven Bodenplatte. Die in der Darstellung angegebenen Temperaturen sind beliebig ausgewählte Werte, zur Verdeutlichung des Schemas. In der Mitte der Bodenplatte ist beispielhaft ein runder Hitzepunkt (20) installiert. Um den Hitzepunkt (20) herum sind kreisförmig die Temperaturzonen (21 bis 25) eingezeichnet. Der Hitzepunkt (20) soll eine Temperatur von 80°C haben. Je weiter eine umliegende Hitzezone, (21 bis 25), von dem Hitzepunkt (20) entfernt ist, desto kälter ist ihre Temperatur, bzw. das Temperatur-Delta zum Hitzepunkt (20) ist größer. Entsprechend diesem Schema ist ersichtlich, daß aufgelötete Kühlrippen in den äußeren Temperaturzonen (25) deutlich geringeren Wärmezufluß haben, als z.B. Kühlrippen, die direkt über dem Hitzepunkt (20) angebracht sind. Durch den geringeren Wärmezufluß ist ihr ΔT zur Umgebungsluft geringer, und sie können weniger Wärme an die Umgebung abführen. Hierdurch sinkt die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers insgesamt. Es ist noch anzumerken, daß es sich um eine sehr vereinfachte schematisch Darstellung handelt, da eine solche gleichmäßig radiale Hitzeverteilung in der Praxis normalerweise nicht vorkommt, sondern die Konturen der Temperaturzonen unregelmäßig sind.
Figur 6 zeigt die schematische Darstellung der Wärmeverteilung eines Hitzepunkte (30) auf einer Bodenplatte, welche als Heat-Pipe ausgelegt ist. Es wird davon ausgegangen, daß der Hitzepunkt (30) mit der gleichen Wärmeleistung erzeugt wird, wie der Hitzepunkt (20) aus Fig. 5, und die Kühlkörper außer bei der Bodenplatte ansonsten identisch sind. Der Heat-Pipe-Boden hat die Eigenschaft, die Hitze sehr schnell und gleichmäßig zu verteilen. Dieses ist daran erkennbar, daß der Temperaturunterschied zwischen dem Hitzepunkt (30) und der äußeren Zone (33) nur ca. 1,5°K beträgt. Dieses hat zur Folge, daß sämtliche Kühlrippen annähernd den gleichen Wärmezufluß erhalten. Hierdurch kann der Kühlkörper über die Kühlrippen die maximale Wärme abgeben. Dieses drückt sich dadurch aus, daß die Temperatur des Hitzepunktes (30) entsprechend niedriger ist, als die Temperatur des Hitzepunktes (20) aus Fig. 5.
Figur 7 zeigt die schematische Darstellung der Wärmeverteilung eines Hitzepunkte (40) auf einer Bodenplatte, welche mit einem Heat-Pipe-Rohr (41) verbunden ist. Es wird davon ausgegangen, daß der Hitzepunkt (40) mit der gleichen Wärmeleistung erzeugt wird, wie die Hitzepunkt (20) und (30) aus Fig. 5 und 6, und die Kühlkörper außer der Bodenplatte ansonsten identisch sind. Hierbei nimmt das Heat-Pipe-Rohr (41) einen großen Teil der Wärme des Hitzepunktes (40) auf, und verteilt sie gleichmäßig über die Breite des Heat-Pipe-Rohres (41) . Zu beiden Seiten des Heat-Pipe- Rohres (41) bilden sich entsprechende Temperaturzonen (42 bis 44) , die kälter werden, je weiter sie vom Heat-Pipe-Rohr (41) entfernt sind. Insgesamt ist jedoch das Temperatur-Delta zwischen dem Hitzepunkt (40) und der kältesten Temperaturzone (44) geringer, als bei einer massiven Bodenplatte alleine (Fig. 5) . Daher kann der Kühlkörper insgesamt mehr Leistung wegführen, als mit einer massiven Bodenplatte alleine. Der Hitzepunkt (40) ist dementsprechend kälter, als der Hitzepunkt (20) aus Fig. 5. Jedoch ist die Wärmeverteilung nicht so gut, wie bei einer Heat-Pipe- Bodenplatte, weshalb der Hitzepunkt (40) entsprechend wärmer ist, als der Hitzepunkt (30) aus Fig. 6.

Claims

Schutzansprüche
1. Ein Kühlkörper bestehend aus einer Bodenplatte und einzelnen aufgelöteten Kühlrippen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d3) der verbindenden Lotschicht (8) mindestens 2,5 mal so groß ist, wie die Dicke (dl) der Kühlrippen (3) und die Kühlrippen (3) auf der Bodenplatte (2) aufliegen und die Kühlrippen (3) stoffschlüssig mit der Bodenplatte (2) verbunden sind.
2. Ein Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbindende Lotschicht (8) aus einem Gemisch zwischen einem Lot (11) und einem Pulver (10) gut Wärme leitenden Materials besteht, wobei es nicht zu einer Legierung zwischen dem Lot (10) und dem Pulver (11) kommt .
3. Ein Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischverhältnis zwischen dem Lot (11) und dem Pulver (10) zwischen 90:10 und 60:40 liegt.
4. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver (10) jeweils pur oder gemischt aus den Materialien Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder Diamant besteht .
5. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) aus Aluminium oder Kupfer besteht.
6. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) als Heat-Pipe ausgeführt ist.
7. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bodenplatte (2) Heat-Pipe Rohre () oder Heat-Pipe Elemente angebracht sind.
8. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (3) aus Aluminium oder Kupfer bestehen.
9. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (3) Strukturen aufweisen, welche die Kühloberfläche vergrößern, und, bzw. oder Laminareffekte bei der Durchströmung des Kühlkörpers (1) reduzieren.
10. Ein Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kühlkörpers zur Verbesserung der Wärmeableitung dunkel, bzw. schwarz' eingefärbt ist.
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