WO2014016085A2 - Kühlvorrichtung und verfahren zum herstellen einer kühlvorrichtung sowie schaltungsanordnung mit einer kühlvorrichtung - Google Patents

Kühlvorrichtung und verfahren zum herstellen einer kühlvorrichtung sowie schaltungsanordnung mit einer kühlvorrichtung Download PDF

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cooling device
circuit
carrier part
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Johannes Fetzer
Günther Jesinger
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling device for a circuit and to a method for manufacturing a cooling device. Furthermore, the invention relates to a circuit arrangement with a said cooling device.
  • An example of said circuits is a power converter for an electric motor of a hybrid or electric vehicle.
  • Such a circuit comprises a circuit carrier with electronic or electrical power components arranged thereon, such as power transistors, for example, which generate a great deal of heat during operation of the circuit due to the high internal power dissipation. As a result, the circuit undergoes a strong temperature fluctuation of several hundred degrees Celsius during operation. Therefore, the circuit or the components of the circuit is made of heat-resistant materials.
  • the circuit carrier is made of heat-resistant ceramic.
  • the circuit must be constantly cooled during operation, so that it is not overheated. To cool the circuit, a die-cast part, for example of aluminum, is used as the heat sink, which is coupled to the circuit in a thermally conductive manner.
  • the associated circuit substrate in particular in the form of a ceramic substrate directly on the heat sink and thermally over as large a contact surface with the heat sink to contact in order to achieve the most efficient heat dissipation from the circuit.
  • the ceramic substrate is soldered flat or over a wide area with the heat sink.
  • the object of the present invention is to provide a way for efficient and cost-effective cooling of the circuit, with an error-free operation of the circuit can be guaranteed despite severe temperature fluctuations.
  • a cooling device for a circuit which comprises a support part and a Has a heat sink and a first boundary layer between the support member and the heat sink.
  • the carrier part in particular in the form of a (thin) plate with two opposite sides, has a first carrier-part-side surface and a second carrier-part-side surface, wherein the first and the second surface lie on the two opposite sides of the carrier part.
  • the first carrier part-side surface serves to hold the circuit, in particular a circuit with a ceramic substrate as a circuit carrier.
  • the support member is used in addition to holding the circuit still to dissipate the heat from the circuit.
  • the heat sink comprises a first heat sink side surface for holding the support member and serves to dissipate the heat from the support member and thus from the circuit.
  • the first boundary layer is arranged between the second carrier-part-side surface and the first heat-sink-side surface, wherein the second surface of the carrier part and the first surface of the heat sink face each other.
  • the first boundary layer is designed as a metal-containing layer infiltrated into the carrier part and / or into the heat sink.
  • the first boundary layer primarily produces a cohesive and planar mechanical connection between the carrier part and the heat sink. Furthermore, the first boundary layer serves to compensate for the different thermal expansions of the carrier part and the heat sink and to transfer the heat from the carrier part to the heat sink.
  • infiltrating means the penetration of a material into the support part and / or into the heat sink under a certain pressure and / or temperature effect.
  • the infiltrating material may be a material from the support part, from the heat sink or from an externally added material
  • this process is referred to as "doping."
  • the infiltration of the material into the carrier part and / or into the heat sink results in a material bond and surface mechanical connection between the support member and the heat sink made.
  • a "planar mechanical connection” means a mechanical connection over an extended contact surface, not a quasi-point connection, as in contact pins, or a quasi-linear connection, as in weld connections.
  • a cooling device which is cost-effective to manufacture and at the same time meets the requirements of low mechanical stresses between the cooling device and the circuit under severe temperature fluctuations, and so an error-free operation of the circuit si ⁇ cherterrorism. Due to the two-part design of the cooling device with a support member and a heat sink with an intermediate boundary layer, it is possible to select a support member with a similar thermal expansion as the circuit. The different thermal expansions between the carrier part and the heat sink are then compensated by the first boundary layer located therebetween. Due to the cohesive and planar mechanical connection between the carrier part and the heat sink by means of the first boundary layer, a stable connection between the carrier part and the heat sink can be ensured even with different thermal expansions.
  • the support member is relatively inexpensive to produce because of its relatively small size.
  • the comparatively larger heat sink may be made of a low cost material, such as aluminum.
  • the first heat sink side surface has a recess in which the carrier part is arranged.
  • the depression comprises a bottom surface and a side wall lying around the bottom surface and adjacent to the bottom surface.
  • the space of the cooling device can be optimally utilized.
  • the support part on one of the side wall of the recess facing side surface, which connects the first and the second carrier part-side surface with each other.
  • the cooling device has a second boundary layer which is likewise a metal-containing layer which has been filtered into the carrier part and / or into the cooling body.
  • the second boundary layer between the carrier part and the heat sink produces a further cohesive and planar mechanical connection.
  • This second boundary layer preferably consists of the same material as the first boundary layer and also contributes to the compensation of the different thermal expansions between the carrier part and the heat sink. Furthermore, the second boundary layer also serves to transfer heat from the carrier part to the heat sink.
  • the heat sink has a projection for holding the carrier part, which preferably holds the carrier part on the first carrier part-side surface. This simple projection on the heat sink, an additional mechanical connection between the heat sink and the support member is made.
  • the carrier part consists of a metal matrix composite material (taking into account a customary in the art material contamination) and thus has a thermal expansion coefficient which is similar to that of a ceramic substrate of the
  • the carrier part of Alumini ⁇ to silicon carbide short AlSiC (also taking into ⁇ actuating a customary in the art material impurity), and has a thermal expansion coefficient of about lOppm on.
  • the heat sink taking into account a usual in the art material contamination from a cost-effective thermally conductive metal, such as aluminum, or a inexpensive metal alloy, such as an aluminum alloy, in particular an aluminum-silicon alloy A1SÜ2 with a thermal expansion coefficient of about 21ppm.
  • the carrier part of AlSiC thus has, in comparison to the heat sink of A1SÜ2, a coefficient of thermal expansion similar to that of the ceramic substrate, which in turn has a thermal expansion coefficient of about 8 ppm.
  • the thermal expansion coefficient of the support member of 10ppm is between the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate of 8ppm and the thermal expansion coefficient of the heat sink of 21ppm.
  • the first and the second infiltrated metal-containing boundary layer contain a metal with a proportion of a Metallmat ⁇ composite composite material, in particular the metal particles of the heat sink and the silicon carbide particles of the support member and contribute to the positive and planar mechanical connection between the support member and the heat sink at.
  • a metal with a proportion of a Metallmat ⁇ composite composite material in particular the metal particles of the heat sink and the silicon carbide particles of the support member and contribute to the positive and planar mechanical connection between the support member and the heat sink at.
  • the different temperature-induced changes in shape between the carrier part and the heat sink such as the thermal expansions or cold shrinkage between the carrier part and the heat sink, compensated by these two boundary layers.
  • a circuit arrangement including a circuit and a cooling device for cooling the circuit as described above.
  • the circuit has a surface, which the first carrier part-side surface of the support part of the cooling device is arranged facing, said first carrier part-side surface, as already mentioned, serves to hold the circuit.
  • the circuit arrangement has a third boundary layer between the surface of the circuit and the first carrier-part-side surface.
  • This third boundary ⁇ layer is infiltrated into the carrier part, and metal-containing layer is advantageously made of the same material as the boundary layers described above.
  • This third boundary layer serves as an adhesive layer for a solder paste to a flat solder joint between the circuit and the support member and thus enables a cohesive and planar mechanical connection between these two components.
  • a first method for producing a cooling device which has the following method steps.
  • a support member in the form of a (thin) plate is provided. At least one surface of the carrier part is subsequently infiltrated with a metal-containing material, in particular with aluminum, whereby an interface layer is formed.
  • a first molding compound is provided. This first casting material is then molded around the carrier part round and formed into a cooling body, wherein a material ⁇ positive mechanical connection between the carrier part and the cooling body is produced by the above-mentioned boundary layer.
  • This boundary layer serves to compensate for the different thermal expansions between the carrier part and the heat sink and to transfer heat from the carrier part to the heat sink.
  • a method for the cost-effective production of a cooling device is provided. In particular, with this method, the boundary layer can be produced in a desired thickness, since this already before the casting of the
  • Heat sink is infiltrated in a controlled infiltration process in the carrier part.
  • the support part advantageously consists of a metal matrix composite active substance, in particular of an aluminum silicon carbide (AlSiC).
  • AlSiC aluminum silicon carbide
  • the first molding compound is before ⁇ geous enough, of a metal or a metal alloy, in particular aluminum or an aluminum-silicon alloy, such as A1SÜ2.
  • a second method for producing a cooling device comprises the following method steps.
  • a metal-containing heat sink is first provided. Subsequently, a depression is formed on this heat sink or on a surface of the heat sink. Subsequently, a second casting material is provided ⁇ . This second casting compound is then poured into the preformed recess on the heat sink and formed into a carrier part. During the pouring of the second casting material into the depression and / or the molding of the carrier part from the second casting compound, a boundary layer between the cooling body and the carrier part is heated by infiltrating the carrier part with the metal from the heat sink under the action of a high temperature and / or a high temperature Pressure formed. This boundary layer produces a cohesive mechanical connection between the carrier part and the heat sink.
  • the heat sink advantageously consists of a metal or a metal alloy, in particular aluminum or an aluminum-silicon alloy, such as A1SÜ2.
  • the second casting material is advantageously made of a Me ⁇ tallmatrix composite material, in particular of aluminum to silicon carbide.
  • Circuit arrangement or the above-mentioned methods transferable also to be regarded as advantageous embodiments of the circuit arrangement or the method.
  • Figure 1 is a schematic representation of a circuit arrangement with a circuit and with a cooling device according to an embodiment of the invention in a plan view;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the circuit arrangement according to the embodiment of FIG. 1 in a cross-sectional representation
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first method for producing a cooling device according to a Embodiment of the invention in a flowchart.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a second method for producing a cooling device according to a further embodiment of the invention in a flowchart.
  • the cooling device 100 comprises a heat sink 110, which consists of a low-cost aluminum alloy A1SÜ2.
  • the heat sink 110 On the side facing the observer of this figure, the heat sink 110 has a first heat sink side surface 110a.
  • the cooling device 100 On this surface 110a, three recesses 111 are provided.
  • the cooling device 100 in each case a carrier part 120, which consists of aluminum-silicon carbide, short AlSiC.
  • the support members 120 have in turn on the viewer this figure facing side each have a first support member side upper ⁇ surface 120a. On each of these surfaces 120a, one of the three circuits 200 is arranged.
  • FIG. 1 A cross-sectional view of the circuit arrangement 300 along the section line AA in FIG. 1 is shown schematically in FIG.
  • the reference numbers already used in FIG. 1 have the same meanings in FIG.
  • the heat sink, the recess 111 as a rectangular recess with a bottom surface purple and an adjacent circumferential to the Bo ⁇ denfiguration purple side wall 111b to the first cooling body facing surface and 110a of the first heat sink side surface 110a, wherein the bottom surface purple part the first heat sink side
  • the support member 120 is arranged, wherein the support member 120 in the recess 111 is completely sunk to optimize the space of the cooling device 100 or to make the best possible use.
  • the heat sink 110 further has a protrusion 112 on the side wall 111b of the recess 111, which holds the support part 120 on the first support part side surface 120a.
  • the heat sink 110 On the side opposite the first heat sink side surface 110a, the heat sink 110 has a second heat sink side surface 110b.
  • This second heat sink-side surface 110b is provided with cooling fins 113 which are used to increase the cooling surface in the heat sink 110 and thus to dissipate the heat more efficiently from the heat sink 110 and thus from the circuit 200 to one not shown in the figures Cooling fins 113 serve around flowing coolant.
  • the support part 120 has, in addition to the first support part-side surface 120a, a second support part-side surface 120b on the side opposite the first support part-side surface 120a. Between the first and second surfaces 120a, 120b, the support member 120 has a side surface 120c which connects the first and second surfaces 120a, 120b of the support member 120 with each other.
  • the circuit 200 on the first carrier part-side surface 120a comprises a circuit carrier in the form of a
  • the circuit 200 together with the
  • a first boundary layer 130a is provided between the first heat sink side surface 110a and the bottom surface purple of the recess 111 and the second carrier part side surface 120b.
  • the cooling device 100 has a second boundary layer 130b which surrounds or surrounds the carrier part 120. Between the first carrier part-side surface 120a and one of the first carrier part-side surface 120a facing surface 200a of the circuit 200 and the
  • Ceramic substrate 210 of the circuit 200 is a third
  • Boundary layer 130c arranged.
  • the three boundary layers 130a, 130b and 130c are all formed by a layer of aluminum infiltrated into the carrier part 120 with a content of silicon carbide, in short SiC, and completely surround the carrier part 120.
  • the first and second boundary layers 130a, 130b serve for the cohesive and planar mechanical connection between the carrier part 120 and the heat sink 110 and for compensating for the different thermal expansions of the carrier part 120 and the heat sink 110 and for heat transfer from the carrier part 120 to the heat sink 110
  • third boundary layer 130c serves as a base for a flat solder joint between the ceramic substrate 210 and the support member 120 and thus the cohesive and planar mechanical connection between the ceramic substrate 210 and the support member 120, and for heat transfer from the
  • Ceramic substrate 210 to the support member 120 can adhere to the solder paste, a not shown in Figure 2 solder joint between the ceramic substrate 210 and the support member 120 is made possible.
  • the heat sink 110 of aluminum-silicon alloy A1SÜ2 has a thermal expansion coefficient of about 21 ppm.
  • the support member 120 of aluminum-silicon carbide AlSiC has a Thermal expansion coefficient of approx.
  • the ceramic substrate 210 has a thermal expansion coefficient of about 8 ppm.
  • thermal expansion or cold shrinkage in the two components 210, 120 produces slight and comparatively slight mechanical stresses, which are the third
  • Boundary layer 130c are compensated.
  • the different thermal expansions and cold shrinkages between the heat sink 110 and the carrier part 120 when the intrinsic or ambient temperature changes are compensated by the first and second boundary layers 130a, 130b.
  • the heat which arises in the electronic component 220 is absorbed by the carrier part 120 via the third boundary layer 130c and transmitted to the heat sink 110 via the first and the second boundary layer 130a, 130b. This heat is then released from the heat sink 110 via the cooling fins 113 to the cooling liquid flowing between the cooling fins 113.
  • the circuit 200 together with the electronic component 220 is efficiently cooled and effectively protected against damage due to mechanical stress as a result of different thermal expansions or cold shrinkage.
  • cooling device 100 After the cooling device 100 has been described in greater detail with reference to FIGS. 1 and 2, possible manufacturing methods for the cooling device 100 will be described in more detail below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • a carrier part 120 (for the purpose of illustrating the method steps, reference is made to the reference symbols in FIGS. 1 and 2) made of aluminum-silicon carbide (AlSiC) in the form of a thin plate.
  • AlSiC aluminum-silicon carbide
  • two opposing surfaces 120a, 120b of the support member 120 and side surfaces 120c between these two surfaces 120a, 120b are infiltrated with aluminum under the influence of a high temperature and a high pressure.
  • a first, second and third support member side boundary layer 130a form, 130b and 130c to the support member 120, which completely close the support member 120 to ⁇ .
  • a first casting compound of aluminum-silicon alloy A1SÜ2 is provided.
  • This first casting compound is poured around the carrier part 120 already provided with the boundary layers 130a, 130b and 130c according to a fourth method step S140 and formed into a heat sink 110.
  • the casting and shaping of the heat sink 110 produces cohesive and planar mechanical connections between the carrier part 120 and the heat sink 110 through the pre-infiltrated first and second boundary layers 130a, 130b.
  • a projection 112 of the excess molding compound forms on the edge of the sidewall 111b of the recess 111. After the molding compound has hardened, the projection 112 retains the support member 120 at its first surface 120a, thereby providing additional mechanical stability the support part 120 and the heat sink 110.
  • FIG. 4 in which a further production method of the cooling device described above 110 according to a second embodiment of the invention is shown schematically in a flow chart.
  • a heat sink 110 made of aluminum-silicon alloy A1SÜ2 is provided.
  • a cuboid depression 111 having a bottom surface lilac and a side wall 111b surrounding this bottom surface lilac is formed on this heat sink 110, wherein the side wall 111b surrounds the recess 111 on the edge of the side wall 111b remote from the bottom surface lil Projection 112 toward the center of the bottom surface purple has.
  • a second casting material of aluminum-silicon carbide AlSiC is provided.
  • This second casting compound is then poured into the recess 111 of the heat sink 110 in a suitable amount according to a fourth process step S240a, so that this curing compound completely fills the depression 111 to the lower edge of the projection 112 after hardening and thus from the projection 112 in FIG the recess 111 can be held firmly.
  • the second casting compound is shaped into a carrier part 120 under the action of a specific pressure.
  • first and second boundary layers 130a and 130b are exposed by infiltrating the support part 120 with aluminum particles from the heat sink 110 under high temperature and high pressure ⁇ forms.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Offenbart wird eine Kühlvorrichtung (100) für eine Schaltung (200) mit einem Trägerteil (120) zum Halten der Schaltung (200) und einem Kühlkörper (110) zum Halten des Trägerteils (120) sowie eine in das Trägerteil (120) und/oder in den Kühlkörper (110) infiltrierte, metallhaltige Grenzschicht (130a) zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110), welche das Trägerteil (120) und den Kühlkörper (110) Stoffschlüssig flächig verbindet und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) und zur Wärme-Übertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient. Diese Kühlvorrichtung ist effizient und kostengünstig und gewährleistet eine fehlerfreie Funktion der Schaltung trotz starken Temperaturschwankungen.

Description

Beschreibung
Kühlvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung sowie Schaltungsanordnung mit einer Kühlvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Schaltung sowie Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einer genannten Kühlvorrichtung.
Gattungsgemäße Kühlvorrichtungen dienen zur Kühlung von
Schaltungen und finden ihre Anwendungen in nahezu allen technischen Bereichen. Ein Beispiel von den genannten Schaltungen ist ein Stromrichter für einen Elektromotor eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs .
Eine derartige Schaltung umfasst einen Schaltungsträger mit darauf angeordneten elektronischen oder elektrischen Leistungsbauelementen, wie zum Beispiel Leistungstransistoren, welche während des Betriebs der Schaltung aufgrund der hohen internen Verlustleistung sehr viel Wärme erzeugen. Dadurch unterliegt die Schaltung während des Betriebs einer starken Temperaturschwankung von mehreren hundert Grad Celsius. Deshalb wird die Schaltung beziehungsweise die Komponenten der Schaltung aus wärmebeständigen Materialien hergestellt . Insbesondere wird der Schaltungsträger aus wärmebeständiger Keramik hergestellt. Zudem muss die Schaltung während des Betriebs ständig gekühlt werden, damit diese nicht überhitzt wird. Zur Kühlung der Schaltung wird ein Druckgussteil beispielsweise aus Aluminium als Kühlkörper verwendet, der mit der Schaltung wärmeleitend gekoppelt ist. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seinem vergleichsweise sehr niedrigen Kosten ist Aluminium sehr gut geeignet als Werkstoff für einen Kühlkörper. Zur effizienten Kühlung der Schaltung ist man zudem bestrebt , den zugeordneten Schaltungsträger insbesondere in der Form eines Keramiksubstrats direkt auf dem Kühlkörper anzuordnen und über eine möglichst große Kontaktfläche mit dem Kühlkörper thermisch zu kontaktieren, um eine möglichst effiziente Wärmeabführung von der Schaltung zu erzielen. In der Regel wird das Keramiksubstrat flächig beziehungsweise breitflächig mit dem Kühlkörper fest verlötet .
Diese flächige feste Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper führt aber zu einem unerwünschten Effekt, nämlich zu einer hohen mechanischen Spannung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper. Grund für diese mechanische Spannung ist der große Unterschied in dem Wärmeausdehnungs¬ koeffizient CTE (in Englisch„Coeffizient of Thermal Expansion") zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper, der sich bei Temperaturschwankungen bemerkbar macht. Durch diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnen sich das Keramiksubstrat und der Kühlkörper bei Veränderung der Eigen- oder Umgebungstemperatur unterschiedlich aus beziehungsweise ziehen sich unterschiedlich zusammen. Als Folge steht das Keramiksubstrat der Schaltung samt den elektrischen oder elektronischen Bauelementen auf dem Keramiksubstrat unter einer sich abhängig von der Temperatur ständig verändernden mechanischen Spannung. Diese mechanische Spannung führt bei den sensiblen Bauelementen der Schaltung zu Fehlfunktionen beziehungsweise Defekten.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur effizienten und kostengünstigen Kühlung der Schaltung bereitzustellen, wobei eine fehlerfreie Funktion der Schaltung trotz starken Temperaturschwankungen gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran¬ sprüche .
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Kühlvorrichtung für eine Schaltung geschaffen, welche ein Trägerteil und einen Kühlkörper sowie eine erste Grenzschicht zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper aufweist.
Das Trägerteil, insbesondere in der Form einer (dünnen) Platte mit zwei gegenüberliegenden Seiten weist eine erste träger- teilseitige Oberfläche und eine zweite trägerteilseitige Oberfläche auf, wobei die erste und die zweite Oberfläche auf die zwei gegenüberliegenden beziehungsweise voneinander entgegengesetzt liegenden Seiten des Trägerteils liegen. Dabei dient die erste trägerteilseitige Oberfläche zum Halten der Schaltung, insbesondere einer Schaltung mit einem Keramiksubstrat als Schaltungsträger. Das Trägerteil dient neben dem Halten der Schaltung noch zum Abführen der Wärme von der Schaltung. Der Kühlkörper umfasst eine erste kühlkörperseitige Oberfläche zum Halten des Trägerteils und dient zum Abführen der Wärme von dem Trägerteil und somit von der Schaltung.
Die erste Grenzschicht ist zwischen der zweiten trägerteil- seitigen Oberfläche und der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche angeordnet, wobei die zweite Oberfläche des Trägerteils und die erste Oberfläche des Kühlkörpers zueinander zugewandt liegen. Die erste Grenzschicht ist dabei als eine in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper infiltrierte, metallhaltige Schicht ausgebildet. Die erste Grenzschicht stellt in erster Linie eine Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper her. Ferner dient die erste Grenzschicht zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils und des Kühlkörpers sowie zur Übertragung der Wärme von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.
Dabei bedeutet „Infiltrieren" das Eindringen eines Materials in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper unter einer bestimmten Druck- und/oder Temperatureinwirkung. Das infiltrierende Material kann dabei ein Material vom Trägerteil, vom Kühlkörper oder ein von außen zugefügtes Material sein. Ein ähnlicher
Vorgang wird in der Halbleitertechnik als „Dotieren" bezeichnet. Durch das Infiltrieren also Eindringen des Materials in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper wird eine Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper hergestellt.
Eine„flächige mechanische Verbindung" bedeutet eine mechanische Verbindung über eine ausgedehnte Kontaktfläche, und nicht eine quasipunktförmige Verbindung, wie bei Kontaktpins, oder eine quasilinienförmige Verbindung, wie bei Schweißnahtverbindungen.
Dadurch ist eine Kühlvorrichtung geschaffen, welche kosten- günstig herstellbar ist und zugleich die Anforderungen von geringen mechanischen Spannungen zwischen der Kühlungsvorrichtung und der Schaltung bei starken Temperaturschwankungen erfüllt und so eine fehlerfreie Funktion der Schaltung si¬ cherstellt. Durch die zweiteilige Ausführung der Kühlvorrichtung mit einem Trägerteil und einem Kühlkörper mit einer dazwischen liegenden Grenzschicht ist es möglich, ein Trägerteil mit einer ähnlichen Wärmeausdehnung wie die Schaltung auszuwählen. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper wird dann von der dazwischen liegenden, ersten Grenzschicht kompensiert . Durch die Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper mittels der ersten Grenzschicht kann eine stabile Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper auch bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gewährleitet werden. Dabei ist das Trägerteil wegen seiner vergleichsweise kleinen Baugröße relativ kostengünstig herstellbar. Der vergleichsweise größere Kühlkörper kann aus einem kostengünstigen Material, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kühlvorrichtung weist die erste kühlkörperseitige Oberfläche eine Vertiefung auf, in der das Trägerteil angeordnet ist. Dabei umfasst die Vertiefung eine Bodenfläche und eine um die Bodenfläche herum liegende, an die Bodenfläche angrenzende Seitenwand.
Durch eine derartige Anordnung des Trägerteils in einer Ver¬ tiefung am bzw. im Kühlkörper lässt sich der Bauraum der Kühlvorrichtung optimal ausnutzen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Trägerteil eine der Seitenwand der Vertiefung zugewandt liegende Seitenfläche auf, welche die erste und die zweite träger- teilseitige Oberfläche miteinander verbindet. Zwischen der Seitenwand der Vertiefung und der Seitenfläche des Trägerteils weist die Kühlvorrichtung eine zweite Grenzschicht auf, welche ebenfalls eine in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper filtrierte, metallhaltige Schicht ist. Dabei stellt die zweite Grenzschicht zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper eine weitere Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung her. Diese zweite Grenzschicht besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die erste Grenzschicht und trägt ebenfalls zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper bei. Ferner dient die zweite Grenzschicht auch zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper einen Vorsprung zum Halten des Trägerteils auf, welcher vorzugsweise das Trägerteil an der ersten träger- teilseitigen Oberfläche hält. Durch diesen einfachen Vorsprung am Kühlkörper ist eine zusätzliche mechanische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerteil hergestellt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Trägerteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) und weist so einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, der ähnlich groß ist wie der eines Keramiksubstrats der
Schaltung. Insbesondere besteht das Trägerteil aus Alumini¬ um-Silizium-Karbid, kurz AlSiC (ebenfalls unter Berücksich¬ tigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) , und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. lOppm auf. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kühlkörper (unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) aus einem kostengünstigen wärmeleitenden Metall, wie zum Beispiel Aluminium, oder einer kostengünstigen Metalllegierung, wie zum Beispiel einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung A1SÜ2 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 21ppm.
Das Trägerteil aus AlSiC weist somit im Vergleich zu dem Kühlkörper aus A1SÜ2 einen ähnlich großen Wärmeausdehnungskoeffizient wie das Keramiksubstrat auf, das seinerseits einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 8ppm hat . Außerdem liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägerteils mit lOppm zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats mit 8ppm und dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers mit 21ppm.
Durch die ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramiksubstrat und dem Trägerteil entsteht bei der Wärme¬ ausdehnung beziehungsweise Kälteschrumpfung zwischen diesen beiden Komponenten nur eine vernachlässigbar geringe mechanische Spannung, welche unschädlich ist für die Schaltung beziehungsweise für das Keramiksubstrat und die Bauelemente auf dem Keramiksubstrat .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthalten die erste und die zweite infiltrierte, metallhaltige Grenzschicht ein Metall mit einem Anteil von einem Metallmat¬ rix-Verbundwerkstoff, insbesondere die Metallpartikel von dem Kühlkörper und die Silizium-Karbid-Partikel von dem Trägerteil und tragen zur formschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper bei. Zudem werden die unterschiedlichen temperaturbedingten Formveränderungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper, wie die Wärmeausdehnungen beziehungsweise Kälteschrumpfungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper, durch diese beiden Grenzschichten kompensiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltung und einer oben beschriebenen Kühlvorrichtung zur Kühlung der Schaltung geschaffen. Die Schaltung weist dabei eine Oberfläche auf, welche der ersten trägerteilseitigen Oberfläche des Trägerteils der Kühlvorrichtung zugewandt angeordnet ist, wobei diese erste trägerteilseitige Oberfläche, wie bereits erwähnt, zum Halten der Schaltung dient. Die Schaltungsanordnung weist zwischen der Oberfläche der Schaltung und der ersten trägerteilseitigen Oberfläche eine dritte Grenzschicht auf. Diese dritte Grenz¬ schicht ist eine in das Trägerteil infiltrierte, metallhaltige Schicht und besteht vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die vorher beschriebenen Grenzschichten. Diese dritte Grenzschicht dient als Haftschicht für eine Lotpaste zu einer flächigen Lötverbindung zwischen der Schaltung und dem Trägerteil und ermöglicht somit eine Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten. Außerdem dient sie zur Kompensation der unterschiedlichen temperaturbedingten Formveränderungen zwischen der Schaltung und dem Trägerteil, wie die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Schaltung und des Trägerteils sowie zur Wärmeübertragung von der Schaltung zu dem Trägerteil. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen, welches folgende Verfahrensschritte aufweist.
Zunächst wird ein Trägerteil in der Form einer (dünnen) Platte bereitgestellt. Zumindest eine Oberfläche des Trägerteils werden anschließend mit einem metallhaltigen Material, insbesondere mit Aluminium, infiltriert, wodurch eine Grenzschicht ausgebildet wird. Parallel zu den, nach oder vor den oben beschriebenen beiden Verfahrensschritten wird eine erste Gießmasse bereitgestellt. Diese erste Gießmasse wird anschließend um das Trägerteil herum gegossen und zu einem Kühlkörper geformt, wobei eine stoff¬ schlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper durch die oben genannte Grenzschicht hergestellt wird. Diese Grenzschicht dient zur Kompensation der unter- schiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper und zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper . Dadurch wird ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen. Insbesondere kann mit diesem Verfahren die Grenzschicht in einer gewünschten Dicke hergestellt werden, da diese bereits vor dem Gießvorgang des
Kühlkörpers in einem kontrollierten Infiltrierungsvorgang in das Trägerteil infiltriert wird.
Dabei besteht das Trägerteil vorteilhafterweise aus einem Metallmatrix-Verbundwirkstoff, insbesondere aus einem Aluminium Silizium-Karbid (AlSiC) . Die erste Gießmasse besteht vor¬ teilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie zum Beispiel A1SÜ2. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen, das folgende Verfahrensschritte aufweist.
Anders als bei dem vorher beschriebenen Verfahren wird gemäß diesem Verfahren zunächst ein metallhaltiger Kühlkörper bereitgestellt. An diesem Kühlkörper beziehungsweise an einer Oberfläche des Kühlkörpers wird anschließend eine Vertiefung ausgeformt. Anschließend wird eine zweite Gießmasse bereit¬ gestellt. Diese zweite Gießmasse wird dann in die vorgeformte Vertiefung am Kühlkörper eingegossen und zu einem Trägerteil geformt. Während des Eingießens der zweiten Gießmasse in die Vertiefung und/oder des Formens des Trägerteils aus der zweiten Gießmasse wird durch Infiltrieren des Trägerteils mit dem Metall aus dem Kühlkörper eine Grenzschicht zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerteil unter Einwirkung von einer hohen Temperatur und/oder einem hohen Druck ausgebildet. Diese Grenzschicht stellt eine Stoffschlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper her. Zudem dient sie zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trä- gerteils und des Kühlkörpers sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper. Dadurch wird ein Verfahren geschaffen, mit dem eine Kühlvorrichtung im Vergleich zu dem ersten Verfahren noch kostengünstiger hergestellt werden kann. Da die Grenzschicht während des Gießvorgangs der zweiten Gießmasse in den Kühlkörper unter Temperatur- und/oder Druckeinwirkung automatisch entsteht, entfällt hier der separate Verfahrensschritt vom ersten Ver¬ fahren zur Ausbildung der Grenzschicht durch Infiltrieren des Trägerteils . Dabei besteht der Kühlkörper vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie zum Beispiel A1SÜ2. Die zweite Gießmasse besteht vorteilhafterweise aus einem Me¬ tallmatrix-Verbundwerkstoff, insbesondere aus Alumini- um-Silizium-Karbid.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Kühlvorrichtungen sind soweit im Übrigen auf die oben genannte
Schaltungsanordnung beziehungsweise die oben genannten Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung beziehungsweise der Verfahren anzusehen.
Im Folgenden sollen nun beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen,
Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltung und mit einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht;
Figur 2 in einer schematischen Darstellung der Schaltungsanordnung gemäß der Ausführungsform der Figur 1 in einer Querschnittdarstellung;
Figuren 3 in schematischen Darstellung ein erstes Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm.
Figuren 4 in schematischen Darstellung ein zweites Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm.
Es sei nun zunächst auf Figur 1 verwiesen, in der eine
Schaltungsanordnung 300 mit einer Kühlvorrichtung 100 und einer Schaltung 200 in einer Draufsicht schematisch dargestellt ist. Die Kühlvorrichtung 100 umfasst einen Kühlkörper 110, der aus einer kostengünstigen Aluminiumlegierung A1SÜ2 besteht. Der Kühlkörper 110 weist auf der dem Betrachter dieser Figur zu- gewandten Seite eine erste kühlkörperseitige Oberfläche 110a auf. Auf dieser Oberfläche 110a sind drei Vertiefungen 111 vorgesehen. In jeweils einer der drei Vertiefungen 111 weist die Kühlvorrichtung 100 jeweils ein Trägerteil 120 auf, das aus Aluminium-Silizium-Karbid, kurz AlSiC, besteht. Die Trägerteile 120 weisen ihrerseits auf der dem Betrachter dieser Figur zugewandten Seite jeweils eine erste trägerteilseitige Ober¬ fläche 120a auf. Auf dieser Oberfläche 120a ist jeweils eine der drei Schaltungen 200 angeordnet. Eine Querschnittdarstellung der Schaltungsanordnung 300 entlang der Schnittlinie AA in der Figur 1 wird in Figur 2 schematisch dargestellt. Die in Figur 1 bereits verwendeten Bezugszeichen haben in Figur 2 gleiche Bedeutungen. Gemäß Figur 2 weist der Kühlkörper 110 die erste kühlkörperseitige Oberfläche 110a und auf der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a die Vertiefung 111 als eine quaderförmige Ausnehmung mit einer Bodenfläche lila und einer an die Bo¬ denfläche lila angrenzend umlaufende Seitenwand 111b auf, wobei die Bodenfläche lila ein Teil der ersten kühlkörperseitigen
Oberfläche 110a ist. In der Vertiefung 111 ist das Trägerteil 120 angeordnet, wobei das Trägerteil 120 in die Vertiefung 111 vollständig versenkt ist, um den Bauraum der Kühlvorrichtung 100 zu optimieren beziehungsweise bestmöglich auszunutzen.
Der Kühlkörper 110 weist ferner einen Vorsprung 112 an der Seitenwand 111b der Vertiefung 111 auf, welcher das Trägerteil 120 auf der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a festhält.
Auf der der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a gegenüberliegenden Seite weist der Kühlkörper 110 eine zweite kühlkörperseitige Oberfläche 110b auf. Diese zweite kühlkör- perseitige Oberfläche 110b ist mit Kühlrippen 113 versehen, welche zur Vergrößerung der Kühloberfläche bei dem Kühlkörper 110 und somit zu einer effizienteren Abführung der Wärme von dem Kühlkörper 110 und somit von der Schaltung 200 an eine in den Figuren nicht näher dargestellte, die Kühlrippen 113 umströmende Kühlflüssigkeit dienen.
Das Trägerteil 120 weist neben der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a eine zweite trägerteilseitige Oberfläche 120b auf der der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a gegenüberliegenden Seite auf. Zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche 120a, 120b weist das Trägerteil 120 eine Seitenfläche 120c auf, welche die erste und die zweite Oberfläche 120a, 120b des Trägerteils 120 miteinander verbindet.
Die Schaltung 200 auf der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a umfasst einen Schaltungsträger in Form von einem
Keramiksubstrat 210 und ein elektronisches Bauelement 220 auf dem Keramiksubstrat 210, welches beispielsweise ein Leistungs- transistor ist. Dabei ist die Schaltung 200 samt dem
Keramiksubstrat 210 und dem elektronischen Bauelement 220 tiefer in der Vertiefung 111 angeordnet als der die Vertiefung 111 umlaufende Vorsprung 112, sodass sich ein Zwischenraum 114 zwischen der Schaltung 200 und dem Vorsprung 112 bildet, in dem ein Gel 400 oder eine Vergußmasse, wie zum Beispiel ein Gießharz, aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material aufgefüllt werden kann, welche/s zugleich auch als mechanischer Schutz für die Schaltung 200 dienen kann. Zwischen der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a beziehungsweise der Bodenfläche lila der Vertiefung 111 und der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche 120b ist eine erste Grenzschicht 130a vorgesehen. Zwischen der Seitenfläche 120c des Trägerteils 120 und der Seitenwand 111b der Vertiefung 111 weist die Kühlvorrichtung 100 eine zweite, das Trägerteil 120 umgehende beziehungsweise umlaufende Grenzschicht 130b auf. Zwischen der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a und einer der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a zugewandt liegenden Ober- fläche 200a der Schaltung 200 beziehungsweise des
Keramiksubstrats 210 der Schaltung 200 ist eine dritte
Grenzschicht 130c angeordnet.
Die drei Grenzschichten 130a, 130b und 130c werden allesamt von einer in das Trägerteil 120 infiltrierten Schicht aus Aluminium mit einem Anteil von Silizium-Karbid, kurz SiC, gebildet und umschließen das Trägerteil 120 vollständig. Die erste und zweite Grenzschicht 130a, 130b dienen dabei zur stoffschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils 120 und des Kühlkörpers 110 sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil 120 zu dem Kühlkörper 110. Die dritte Grenzschicht 130c dient als Grundfläche für eine flächige Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120 und somit zur stoffschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120, sowie zur Wärmeübertragung von dem
Keramiksubstrat 210 zu dem Trägerteil 120. Über diese dritte Grenzschicht 130c, auf der Lotpaste haften kann, ist eine in der Figur 2 nicht näher dargestellte Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120 ermöglicht. Der Kühlkörper 110 aus Aluminium-Silizium-Legierung A1SÜ2 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 21ppm auf. Das Trägerteil 120 aus Aluminium-Silizium-Karbid AlSiC hat einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. lOppm. Das Keramiksubstrat 210 verfügt über einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 8ppm.
Durch die vergleichsweise ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffi- zienten zwischen dem Trägerteil 120 dem und Keramiksubstrat 210 entstehen bei Wärmeausdehnung oder Kälteschrumpfung bei den beiden Komponenten 210, 120 geringfügige und vergleichsweise geringfügige mechanische Spannungen, welche die dritte
Grenzschicht 130c kompensiert werden.
Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und Kälteschrumpfungen zwischen dem Kühlkörper 110 und dem Trägerteil 120 bei Veränderung der Eigen- oder Umgebungstemperatur werden von der ersten und der zweiten Grenzschicht 130a, 130b kompensiert.
Die Wärme, welche in dem elektronischen Bauelement 220 entsteht, wird von dem Trägerteil 120 über die dritte Grenzschicht 130c aufgenommen und über die erste und die zweite Grenzschicht 130a, 130b an den Kühlkörper 110 übertragen. Diese Wärme wird dann von dem Kühlkörper 110 über die Kühlrippen 113 an die zwischen den Kühlrippen 113 strömende Kühlflüssigkeit abgegeben.
Dadurch wird die Schaltung 200 samt dem elektronischen Bauelement 220 effizient gekühlt und vor einer Beschädigung durch me- chanische Spannung infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen oder Kälteschrumpfungen wirksam geschützt.
Nachdem die Kühlvorrichtung 100 anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben wurde, werden nachfolgend mögliche Herstellungs- verfahren für die Kühlvorrichtung 100 anhand der Figuren 3 und 4 näher beschrieben.
Zunächst sei auf Figur 3 hingewiesen, in der das Herstel¬ lungsverfahren der Kühlvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm schematisch dargestellt ist. Demnach wird gemäß einem ersten Verfahrensschritt S110 ein Trägerteil 120 ( zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte sei auf die Bezugszeichen in den Figuren 1 und 2 verwiesen) aus Aluminium-Silizium-Karbid (AlSiC) in Form von einer dünnen Platte bereitgestellt. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S120 werden zwei gegenüber liegenden Oberflächen 120a, 120b des Trägerteils 120 und Seitenflächen 120c zwischen diesen beiden Oberflächen 120a, 120b mit Aluminium unter Einwirken von einer hohen Temperatur und einem hohen Druck infiltriert. Bei diesem Infiltrierungsvorgang bilden sich eine erste, zweite und dritte trägerteilseitige Grenzschicht 130a, 130b und 130c an dem Trägerteil 120, welche das Trägerteil 120 vollständig um¬ schließen . Anschließend oder parallel zu den Verfahrensschritten S110, S120 wird gemäß einem dritten Verfahrensschritt S130 eine erste Gießmasse aus Aluminium-Silizium-Legierung A1SÜ2 bereitgestellt. Diese erste Gießmasse wird gemäß einem vierten Verfahrensschritt S140 um das bereits mit den Grenzschichten 130a, 130b und 130c versehene Trägerteil 120 herum gegossen und zu einem Kühlkörper 110 geformt. Durch das Gießen und Formen des Kühlkörpers 110 werden stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindungen zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 durch die vorinfiltrierte erste und zweite Grenzschicht 130a, 130b hergestellt .
Beim Formen des Kühlkörpers 110 bildet sich ein Vorsprung 112 aus der überschüssigen Gießmasse an dem Rand der Seitenwand 111b der Vertiefung 111. Nach dem Erhärten der Gießmasse hält der Vorsprung 112 das Trägerteil 120 an dessen erste Oberfläche 120a fest und verleiht so eine zusätzliche mechanische Stabilität zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110.
Zum Schluss sei auf Figur 4 verwiesen, in der ein weiteres Herstellungsverfahren der oben beschriebenen Kühlvorrichtung 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm schematisch dargestellt ist.
Demnach wird gemäß einem ersten Verfahrensschritt S210 ein Kühlkörper 110 aus Aluminium-Silizium-Legierung A1SÜ2 bereitgestellt .
An diesem Kühlkörper 110 wird gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S220 eine quaderförmige Vertiefung 111 mit einer Bodenfläche lila und einer diese Bodenfläche lila angrenzend umlaufende Seitenwand 111b ausgeformt, wobei die Seitenwand 111b an dem von der Bodenfläche lila entfernt liegenden Rand der Seitenwand 111b einen die Vertiefung 111 umlaufenden Vorsprung 112 in Richtung zur Mitte der Bodenfläche lila aufweist.
Gemäß einem dritten Verfahrensschritt S230 wird eine zweite Gießmasse aus Aluminium-Silizium-Karbid AlSiC bereitgestellt.
Diese zweite Gießmasse wird dann gemäß einem vierten Verfah- rensschritt S240a in die Vertiefung 111 des Kühlkörpers 110 in einer passenden Menge eingegossen, sodass diese Gießmasse nach dem Erhärten die Vertiefung 111 bis an die Unterkante des Vorsprungs 112 vollständig füllt und so von dem Vorsprung 112 in der Vertiefung 111 fest gehalten werden kann. Anschließend wird die zweite Gießmasse gemäß einem fünften Verfahrensschritt S240b zu einem Trägerteil 120 unter Einwirkung von einem bestimmten Druck geformt. Während des Formens des Trägerteils 120 werden gemäß einem sechsten Verfahrensschritt S250 zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 durch Infiltrieren des Trägerteils 120 mit Aluminiumpartikel aus dem Kühlkörper 110 unter Einwirkung einer hohen Temperatur und einem hohen Druck eine erste und eine zweite Grenzschicht 130a und 130b ausge¬ bildet . Bezugs zeichenliste
100 Kühlvorrichtung
110 Kühlkörper
110a Erste kühlkörperseitige Oberfläche
110b Zweite kühlkörperseitige Oberfläche
111 Vertiefung an der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche lila Bodenfläche der Vertiefung
111b Seitenwand an der Vertiefung
112 Vorsprung am Kühlkörper
113 Kühlrippen am Kühlkörper
120 Trägerteil
114 Zwischenraum zwischen der Schaltung und dem Vorsprung 120a Erste trägerteilseitige Oberfläche
120b Zweite trägerteilseitige Oberfläche
120c Seitenfläche am Trägerteil
130a Erste Grenzschicht
130b Zweite Grenzschicht
130c Dritte Grenzschicht
200 Schaltung
200a Oberfläche der Schaltung
210 Keramiksubstrat der Schaltung
220 Elektrisches oder elektronisches Bauelement der
Schaltung
300 Schaltungsanordnung
400 Gel

Claims

Kühlvorrichtung (100) für eine Schaltung (200), welche folgende Merkmale aufweist:
ein Trägerteil (120) mit einer ersten trägerteil- seitigen Oberfläche (120a) zum Halten der Schaltung (200), und einer der ersten Oberfläche (120a) ge¬ genüberliegenden, zweiten trägerteilseitigen Oberfläche (120b);
einen Kühlkörper (110) mit einer ersten kühlkör- perseitigen Oberfläche (110a) zum Halten des Trä¬ gerteils (120) ;
eine erste Grenzschicht (130a) zwischen der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche (120b) und der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche (110a), welche das Trägerteil (120) und den Kühlkörper (110) stoff¬ schlüssig und flächig verbindet und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient;
wobei die erste Grenzschicht (130a) eine in das Trägerteil (120) und/oder in den Kühlkörper (110) infiltrierte, metallhaltige Schicht ist.
Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der die erste kühlkörperseitige Oberfläche (110a) eine Vertiefung (111) aufweist, in der das Trägerteil (120) angeordnet ist.
Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 2, bei der
die Vertiefung (111) eine Seitenwand (111b) aufweist, das Trägerteil (120) eine der Seitenwand (111b) der Vertiefung (111) zugewandt liegende Seitenfläche (120c) aufweist, welche die erste trägerteilseitige Oberfläche (120a) und die zweite trägerteilseitige Oberfläche (120b) verbindet,
wobei zwischen der Seitenwand (111b) der Vertiefung (111) und der Seitenfläche (120c) des Trägerteils (120) eine zweite Grenzschicht (130b) vorgesehen ist, wobei die zweite Grenzschicht (130b) eine in das Trägerteil (120) und/oder in den Kühlkörper (110) infiltrierte, metallhaltige Schicht ist, welche den Kühlkörper (110) und das Trägerteil (120) stoff¬ schlüssig und flächig verbindet und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient.
Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (110) einen Vorsprung (112) zum Halten des Trägerteils (120) aufweist.
Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der Vorsprung (112) das Trägerteil (120) an der ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) hält.
Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Trägerteil (120) aus Metallmat¬ rix-Verbundwerkstoff besteht.
Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 6, der Metallmatrix-Verbundwerkstoff Aluminium-Silizium-Karbid ist.
Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Grenzschicht (130a, 130b, 130c) einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff enthält .
Kühlvorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei die Grenzschicht (130a, 130b, 130c) aus Aluminium mit einem Anteil von Silizium-Karbid besteht.
Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (110) aus Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht. Schaltungsanordnung (300), welche folgende Merkmale aufweist :
eine Schaltung (200) mit einer Oberfläche (200a), eine Kühlvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Kühlung der Schaltung (200) mit dem Trägerteil (120) mit der ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) zum Halten der Schaltung (200), wobei
die Oberfläche (200a) der Schaltung (200) und die erste trägerteilseitige Oberfläche (120a) zueinander zu¬ gewandt liegen, und
die Schaltungsanordnung (300) zwischen der Oberfläche (200a) der Schaltung (200) und der ersten trägerteilseitigen Oberfläche (120a) eine dritte Grenz¬ schicht (130c) aufweist, wobei
die dritte Grenzschicht (130c) eine in das Trägerteil (120) infiltrierte, metallhaltige Schicht ist, welche die Schaltung (200) und das Trägerteil (120)
Stoffschlüssig und flächig verbindet und zur Wär¬ meübertragung von der Schaltung (200) zu dem Trägerteil (120) dient.
Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (100), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
Bereitstellen (S110) eines Trägerteils (120);
Infiltrieren (S120) einer Oberfläche (120a, 120b) des Trägerteils (120) mit einem metallhaltigen Material zum Ausbilden einer Grenzschicht (130a, 130b);
Bereitstellen (S130) einer ersten Gießmasse;
Umgießen und Formen (S140) der ersten Gießmasse um das Trägerteil (120) herum zu einem Kühlkörper (110), sodass eine Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110) durch die Grenzschicht (130a, 130b) hergestellt wird, welche zur Kompensation der un¬ terschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärme- Übertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient.
Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (100), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
Bereitstellen (S210) eines metallhaltigen Kühlkörpers (HO) ;
Ausformen (S220) einer Vertiefung (111) am Kühlkörper (HO) ;
Bereitstellen (S230) einer zweiten Gießmasse;
Eingießen (S240a) der zweiten Gießmasse in die Vertiefung (111) und Formen (S240b) eines Trägerteils (120) aus der zweiten Gießmasse;
Ausbilden (S250) einer Grenzschicht (130a, 130b) zwischen dem Trägerteil (120) und dem Kühlkörper (110) beim Formen (S240b) des Trägerteils (120) durch Infiltrierten des Trägerteils (120) mit dem Metall von dem Kühlkörper (110), sodass eine Stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trä¬ gerteil (120) und dem Kühlkörper (110) durch die Grenzschicht (130a, 130b) hergestellt wird, welche zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils (120) und des Kühlkörpers (110) sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil (120) zu dem Kühlkörper (110) dient.
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