WO2023084043A1 - Wärmebrücke zum wärmeleitenden transport von wärme - Google Patents

Wärmebrücke zum wärmeleitenden transport von wärme Download PDF

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WO2023084043A1
WO2023084043A1 PCT/EP2022/081653 EP2022081653W WO2023084043A1 WO 2023084043 A1 WO2023084043 A1 WO 2023084043A1 EP 2022081653 W EP2022081653 W EP 2022081653W WO 2023084043 A1 WO2023084043 A1 WO 2023084043A1
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heat
section
material component
joining surface
thermal bridge
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PCT/EP2022/081653
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Frank Best
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • H05K7/20963—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the invention relates to heat management, for example waste heat from an electrical heat source.
  • a thermal bridge for the thermally conductive transport of heat and a method for manufacturing such a thermal bridge are disclosed.
  • the efficiency of the thermal management is described by the thermal conductivity Ath or the reciprocal thermal resistance Rth of the thermal bridge.
  • heat is transferred from an electrical component as a heat source (also: hotspot) to a heat sink, which, as a heat sink, gives off the heat to the environment, for example.
  • Multi-component thermal bridges are easier to produce and can be flexibly combined with different electrical heat sources and different installation positions of the heat sources.
  • each interface in the thermal path increases the thermal resistance of the thermal bridge.
  • the transport of heat is based on at least one of the three physical effects of heat conduction, heat convection and heat radiation.
  • the thermal contact between two solid surfaces is particularly important for efficient heat conduction.
  • thermal interface material An improvement in thermal conduction at such interfaces compared to direct contact between solid surfaces is offered by thermally conductive materials, which are also referred to as thermal interface material (TIM). While the TIM further increases the number of interfaces, the improvement in thermal conduction comes from the displacement of layers of air between contact points of microscopically rough solid surfaces.
  • the joining surfaces can be microscopically contaminated after separate production, storage and transport, for example due to an oxide layer, dust or condensation. Furthermore, the joining surfaces can be contaminated by handling during joining. the. As a result, the thermal conductivity of a conventional thermal bridge lags behind the conductivity that is possible due to the TIM used on the joint surface.
  • the object of the invention is therefore to improve the efficiency of multi-component thermal bridges.
  • An alternative or more specific task is to maintain the efficiency of the multi-component thermal bridge over multiple thermal load cycles.
  • the thermal bridge includes a heat releasing portion and a heat receiving portion.
  • the heat dissipation portion has a mating surface and a heat dissipation surface spaced apart from the mating surface.
  • the heat dissipation section comprises a first material component of the thermal bridge from the joining surface to the heat dissipation surface.
  • the heat dissipation section is designed to transport the heat in a thermally conductive manner from the joining surface to the heat dissipation surface and to dissipate it at the heat dissipation surface.
  • the thermal bridge comprises a heat absorbing section which is materially bonded to the heat dissipating section at the joining surface.
  • the heat absorption section has a (for example plastic or elastic) heat contact surface that can be shaped by contact pressure. From the joining surface to the heat contact surface, the heat absorbing section comprises a second material component of the thermal bridge that is built up by means of additive melt layering. The second material component is different from the first material component.
  • the heat absorbing section is designed to absorb the heat at the heat contact surface and to transport it in a thermally conductive manner via the integral connection from the heat absorbing section to the heat dissipating section.
  • the material bond between the two material components in additive manufacturing displaces the air on the joint surface better (e.g. more completely or completely), since at the time of processing (e.g. during the first melt layering of the second material component on the first material component) there is a material bond between the heat dissipating section and heat absorption occurs.
  • the same or other exemplary embodiments of the thermal bridge can also ensure the material bond at different thermal expansion and contraction rates due to the temperature of the additive melt layering (which is higher, for example compared to a conventional joining at room temperature of the separately manufactured components) (and/or due to the branching on the joining surface). of the various first and second material components on the joint surface (e.g. the connection between TIM and heat sink) and/or prevent the thermal contact from loosening (also referred to in technical terms as "pump-out”) due to mechanical stresses.
  • the deformable thermal contact surface can be designed to mechanically and thermally contact a (for example electrical) heat source of the transported heat.
  • a (for example electrical) heat source of the transported heat For example, the contact pressure can wet a surface of the heat source over its entire surface to minimize thermal resistance.
  • the formable thermal contact surface can be elastic or plastic.
  • the plastic thermal contact surface can be shaped or molded onto a surface of the heat source by being pressed once and/or can adhere to the surface.
  • the elastic thermal contact surface can be molded or molded onto a surface by press-joining the thermal bridge or a permanently elastic non-positive connection of the thermal bridge, for example between a housing wall of a housing and a surface of the heat source.
  • Plasticity and elasticity can also be combined in the second material component, for example in that the plasticity that forms on occurs when an elasticity limit is exceeded.
  • the second material component can be viscoelastic.
  • an initially elastic conformation to a surface of the heat source can change to a plastic conformation after a predetermined time. As a result, trial fitting and/or correction of the position of the heat absorbing section on the heat source can be made possible.
  • the heat source can be an electrical component or a portion of a printed circuit board.
  • the thermal contact surface can, for example, make direct contact with the printed circuit board and thus indirectly transport the heat from a component through the printed circuit board, for example with the participation of metal conductor tracks as heat conductors.
  • the component can be arranged on a side facing away from the heat absorbing section of the section of the printed circuit board that is contacted by the thermal contact surface or on a side facing the heat absorbing section next to the contacted section of the printed circuit board.
  • the thermal contact surface can thermally contact a side surface of the component, which extends (for example essentially) perpendicularly to the printed circuit board. This means that a thermal path determined by the thermal bridge can run parallel to the printed circuit board and/or the component can be contacted on the side.
  • the melt stratification of the second material component can have a plastic, viscous, elastic, or viscoelastic consistency.
  • a particle size of the second material component in melt stratification can be smaller than at room temperature and/or a viscosity of the second material component in melt stratification can be smaller than at room temperature.
  • the melt layering of the second material component can creep into the unevenness or microscopic roughness of the joint surface and fill it, for example instead of air.
  • during the melt layering of the second material component e.g.
  • the thermal bridge includes the heat emission section and the heat absorption section with the first and second material component, the thermal bridge can also be referred to as a multi-component thermal bridge.
  • the heat dissipation section can include a heat sink (technically also: heat sink) and/or a heat spreader (technically also: heat spreader).
  • the heat sink portion and/or an intermediate portion may be additively manufactured (AM) with Thermal Interface Material (TIM) as the second material component.
  • AM additively manufactured
  • TIM Thermal Interface Material
  • demand-driven manufacturability on-demand manufacturability
  • a quantity may equal 1 and/or it may be custom made.
  • the second material component does not have to be prefabricated. As a result, the expense of an additional technical development (for example in product development and/or production development) can be omitted.
  • the additive manufacturing of the heat absorbing section and/or the intermediate section can be testable by means of TIM during the manufacturing process or as part of the manufacturing process.
  • the additive manufacturing of the heat absorbing section and/or the intermediate section using TIM can improve process reliability and process stability.
  • the TIM can be applied reproducibly.
  • the qualification of prototypes in the development phase can correspond to the qualification of series parts.
  • an electrical component can generate the absorbed and transported heat.
  • the electrical component can be embedded in the second material component of the heat absorbing section, for example as an insert component during the additive manufacturing of the heat absorbing section.
  • the heat can include thermal energy, for example the energy of a disordered microscopic movement.
  • the thermally conductive transport i.e. the thermal conduction (also: thermal diffusion or conduction), includes the transport of thermal energy.
  • heat conduction can transport heat without a (e.g. macroscopic) flow of matter.
  • thermal conduction can transport heat (for example only) in matter and/or without (for example macroscopic) electromagnetic radiation.
  • heat conduction can transport the heat in the direction of a lower temperature, i.e. with the generation of entropy. No thermal energy is lost in the process, i.e. energy conservation applies.
  • the first and/or second material component of the thermal bridge can comprise a dielectric solid (for example an electrical insulator).
  • a dielectric solid for example an electrical insulator.
  • heat conduction can be transported (e.g. only) by lattice vibrations (also: phonons).
  • lattice vibrations also: phonons.
  • the energy of the disordered movement of the atoms can be exchanged between neighboring atoms. All electrons can be bound to the atoms and therefore make no contribution to heat conduction.
  • the first and/or second material component of the thermal bridge can comprise an electrically conductive solid (for example a metal). Electrons can also transport heat in electrically conductive solids and thus contribute to heat conduction.
  • Fluids ie liquids and gases
  • no macroscopic shear flow of matter for example no vortices, in the fluid.
  • Light atoms or molecules conduct heat better than heavy ones because they move faster with the same energy content.
  • the first and/or second material component of the thermal bridge does not include any fluid (e.g. no liquid), so that the joining surface, the heat dissipation surface and/or the heat contact surface have a defined or predetermined (e.g. plastic or elastic) shape.
  • the first and/or second material component of the thermal bridge does not include any fluids (for example no gases) since their heat conduction is low, for example due to low shear forces and/or in the case of gases due to the low density.
  • the thermal bridge may only include the first material component and the second material component.
  • the heat releasing portion and/or the heat receiving portion may each be integrally one-piece.
  • the material connection can include the first material component and the second material component in a transition area between the heat absorbing section and the heat dissipating section.
  • the joining surface can be larger (for example several times larger) than the thermal contact surface.
  • the joining surface can have a branching or honeycomb structure of the first material component embedded in the second material component.
  • the thermal bridge such as the heat dissipation portion, may include a heat sink and/or a heat spreader.
  • the heat spreader can also be technically referred to as a heat spreader.
  • the heat spreader may include copper as the first material component.
  • the heatsink may include aluminum as the first material component.
  • the heat spreader and the heat sink can be integrally one piece.
  • the heat dissipation surface can be larger (for example several times larger) than the heat contact surface and/or than the joining surface.
  • the heat dissipation section of the thermal bridge can be designed to dissipate the heat at the heat dissipation surface diffusively, radiatively or convectively.
  • the heat dissipation section for example the heat spreader, can be configured to dissipate the heat to a heat sink by thermal conduction.
  • the heat dissipation section or the heat sink can be designed to dissipate the heat to an area surrounding the heat dissipation surface by thermal radiation and/or thermal convection.
  • the dissipation portion may be configured to dissipate the heat by conduction (i.e., diffusively) to a heat sink.
  • the heat dissipation section e.g. as a heat sink
  • the heat dissipation section can be designed to dissipate the heat by thermal radiation (i.e. radiative) and/or heat convection (i.e. convective) to an area surrounding the heat emission surface.
  • the first material component may include a metal (e.g., an alloy).
  • the second material component can comprise a thermally conductive material that is plastic, elastic, viscous or viscoelastic under standard conditions or normal conditions.
  • the first material component can be metallic (e.g. a metallic alloy).
  • the first material component may include copper or aluminum.
  • the second material component can be electrically insulating.
  • the thermally conductive material can also be referred to as a thermal interface material (TIM).
  • the heat dissipation section, heat sink, and/or heat spreader may be extruded (e.g., extruded), cast, and/or sintered, and/or machined or finished, and/or fabricated from the first material component by additive melt lamination.
  • the casting can be die casting or metal powder injection molding (for example with the steps of debinding and sintering).
  • Sintering can include sinter-based additive manufacturing.
  • the heat dissipation section, the heat sink and/or the heat spreader can be the result of machining or post-processing (e.g. milling), for example from a semi-finished product and/or after extrusion or after casting.
  • the heat dissipation section, the heat sink and/or the heat spreader can be manufactured additively.
  • demand-driven manufacturability on-demand manufacturability
  • a quantity may equal 1 and/or it may be custom made.
  • the first material component does not have to be prefabricated. As a result, the expense of an additional technical development (for example in product development and/or production development) can be omitted.
  • the heat absorbing section can be produced in a materially bonded manner on the joining surface of the heat dissipating section by means of additive melt layering of the second material component or by applying the second material component.
  • the second material component can be applied by means of a syringe, cartridge or tube.
  • the heat release surface of the heat release portion may be a second joining surface.
  • the thermal bridge can also comprise an intermediate section which is materially bonded to the heat dissipation section on the second joining surface.
  • the intermediate section can have a (for example plastic or elastic) second thermal contact surface that can be molded on by contact pressure. From the second joining surface to the second thermal contact surface, the intermediate section comprising the second material component built up by means of additive melt layering.
  • the intermediate section can be designed to transport the heat in a thermally conductive manner via the material connection from the second joining surface of the heat dissipation section to the second heat contact surface.
  • a second width of the intermediate section between the second mating surface and the second thermal contact surface may be smaller than a first width of the heat absorbing section between the heat absorbing surface and the mating surface.
  • the second thermal contact surface can be designed to dissipate the heat to a heat sink that is or can be connected to the second thermal contact surface.
  • the heat dissipation section can be additively manufactured from the first material component.
  • the heat spreader can be additively manufactured (e.g. by means of additive melt layering) onto the (e.g. extruded or additively manufactured) heat sink.
  • the intermediate section can be additively manufactured onto a heat sink.
  • the heat dissipation portion may be a heat spreader additively manufactured from the first material component on the intermediate portion.
  • the heat release surface of the heat release portion may be a second joining surface.
  • the thermal bridge can also include connecting means, which are designed to press the second joining surface of the heat dissipation section with plastic deformation of the second joining surface with a heat sink to produce a heat-conducting connection.
  • the plastic deformation of the second joining surface can reduce a roughness (for example microscopic surface peaks) plastically and/or connect the heat dissipation section to the heat sink in a materially bonded manner. As a result, a heat conduction resistance at the connection produced under plastic deformation can be reduced.
  • the connecting means can include at least one screw connection.
  • the (first) joining surface and the second joining surface may be opposite sides of the heat dissipation portion.
  • the (first) joining surface and the second joining surface of the heat-emitting section can adjoin one another, for example at an edge of the heat-emitting section.
  • the (first) joining surface and the second joining surface can be perpendicular to one another. This allows the heat path (ie the way the heat is transported) to change direction, for example by 90°.
  • a heat path with a uniform direction is also referred to as uniaxial.
  • a heat path with multiple (e.g. sequential) changes in direction is also referred to as a multi-axis heat path.
  • Embodiments of the multi-axis thermal path may allow the thermal contact surface to thermally (and mechanically) contact the heat source on any given side, or multiple sides.
  • a temperature sensor for detecting the temperature or a recess for accommodating the temperature sensor can be introduced by means of the additive melt layering in the heat absorbing section.
  • a heat pipe for convective transport of the heat or a recess for accommodating the heat pipe can be introduced by means of the additive melt layering in the heat absorbing section.
  • the temperature sensor may comprise a piece of metal (e.g. a wire with a temperature dependent conductivity) which is arranged in the heat receiving section via the additive fusion lamination.
  • a recess for example a channel
  • the temperature sensor can enable a direct temperature measurement in the heat path of the heat transport.
  • the temperature sensor or the recess can be arranged in the heat absorbing section for detecting the temperature in the second material component and/or on the heat contact surface and/or on a surface of the heat source.
  • the temperature sensor or the recess can be arranged parallel to the surface of the heat source or parallel to the heat contact surface or perpendicular to the transport of the heat.
  • the heat pipe can also be referred to as a heat pipe.
  • the heat pipe or the recess for accommodating the heat pipe can be arranged in the heat receiving section for convective transport of the heat in the second material component (which also conducts the heat diffusively).
  • the heat pipe or the recess can be arranged perpendicularly to the surface of the heat source or perpendicularly to the heat contact surface or parallel to the transport of the heat.
  • a method for the additive manufacturing of a thermal bridge for the thermally conductive transport of heat comprises a step of providing a heat dissipation section of the thermal bridge, which has a joining surface and a heat dissipation surface spaced apart from the joining surface, and which comprises a first material component of the thermal bridge from the joining surface to the heat dissipation surface.
  • the heat dissipation section is designed to transport the heat in a thermally conductive manner from the joining surface to the heat dissipation surface and to dissipate it at the heat dissipation surface.
  • the method also includes a step of additive manufacturing of a heat absorbing section on the joining surface for the material connection with the heat dissipating section, wherein the heat absorbing section has a (e.g. plastic or elastic) heat contact surface that can be shaped by contact pressure and a second material component built up by means of additive melt layering from the joint surface to the heat contact surface the thermal bridge includes.
  • the second material component is different from the first material component.
  • the heat absorbing section is designed to absorb the heat at the heat contact surface and to transport it in a thermally conductive manner via the integral connection from the heat absorbing section to the heat dissipating section.
  • the step of providing the heat dissipation portion of the thermal bridge may include additive manufacturing of the heat dissipation portion, the additive Manufacturing of the heat absorbing portion can continue the additive manufacturing of the heat dissipating portion by fusion lamination at the joining surface.
  • a temperature of the additive melt layering can be greater than a melting temperature of the second material component.
  • the second material component can be amorphous and a temperature of the additive melt layer can be greater than a glass transition temperature of the second material component.
  • an unavoidable surface roughness of the joining surface when the second material component softens can wet the first material component and/or the additive melt layering can drive air inclusions out of micropores in the joining surface.
  • convex and concave unevenness of the joint surface or tolerances can be compensated for.
  • the second material component has a thixotropic flow property in the liquid or viscous state, which prevents the second material component from running out during additive manufacturing. In this way, a process-reliable uniform material thickness can be achieved and/or precise additive manufacturing can be made possible.
  • the second material component can wet the first material component at the joining surface.
  • the second material component can wet the first material component (for example in the case of additive melt layering) on the joining surface.
  • the second material component can be wetting on the joining surface if a contact angle of the second material component (for example in additive melt layering) on the joining surface is greater than 90°. The wetting can be seen from the contact angle on the joint surface even after the additive melt layering has been completed. In this respect, wetting can also be a structural feature of the thermal bridge.
  • the second material component can wet the first material component on the joining surface according to a surface topology (for example the roughness or waviness) of the joining surface.
  • the method can also include a step of structuring (for example fine structuring) the joining surface.
  • structuring for example fine structuring
  • the branching or the honeycomb structure can be formed on the joining surface.
  • a ratio of the actual size of the structured or finely structured joining area to the size of the projected joining area can be greater than two.
  • a ratio of the actual size of the finely structured joining area to the size of the cross-sectional area perpendicular to the heat transport can be greater than two.
  • the joint surface of the first material component can be considered wettable by the second material component (for example in the viscous or liquid state) if a contact angle of less than 90° forms. Due to the fine structuring (e.g. a rough surface as a joining surface), the (e.g. measured or apparent) contact angle can be reduced for given first and second material components, ie the joining surface can become even better wettable.
  • the fine structuring e.g. a rough surface as a joining surface
  • the (e.g. measured or apparent) contact angle can be reduced for given first and second material components, ie the joining surface can become even better wettable.
  • Fine structuring can include grinding or sandblasting.
  • the ratio between the cosine of the measured or apparent contact angle and the cosine of the contact angle of the second material component on a smooth surface of the first material component can be found according to R.N. Wenzel (1936) correspond to the roughness of the joining surface, for example the ratio of the actual size of the finely structured joining surface to the size of the projected joining surface.
  • 1A is a schematic cross-sectional view of separately manufactured parts of a prior art two-piece thermal bridge
  • 1B is a schematic cross-sectional view of separately manufactured parts of a three-piece thermal bridge according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a two-component thermal bridge according to a first or fifth exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a two-component or multi-component thermal bridge according to a second or third exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a variant for transporting the heat through or along a printed circuit board, which can be used in each embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a two-component or multi-component thermal bridge according to a variant of the third exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a two-component thermal bridge according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a two-component thermal bridge according to a sixth embodiment
  • Figure 8 is a schematic cross-sectional view of a variant of any embodiment including a temperature sensor
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a variant of any embodiment including at least one heat pipe.
  • FIG. 10 shows an enlargement of an effective area relative to a cross-sectional area of the transport of heat.
  • a conventional thermal contact surface within the thermal path of a multi-part thermal bridge, whose separately manufactured parts are assembled to form a thermal bridge during assembly, has air pockets on the joining surfaces. The joining surfaces are therefore thermal weak points in the heat-conducting transport.
  • Fig. 1A shows the separately manufactured parts 10 and 12 of a two-part thermal bridge.
  • the TIM 10 may be provided pre-formed as a single layer or form-free as a paste in a tube.
  • Figure 1B shows the separately manufactured (i.e. individual) parts 10, 11 and 12 of a three part thermal bridge.
  • additive melt layering can reduce or prevent air pockets at the joining surface.
  • the additive melt layering can create the material bond by wetting the joint surface.
  • exemplary embodiments can improve a thermal and/or mechanical connection at the joints of the thermal bridge.
  • joining using additive melt layering can produce the material bond without contact force between the first and second material component on the joining surface.
  • no contact force is necessary to reduce or remove trapped air.
  • exemplary embodiments can prevent deformation of the thermal bridges.
  • Fig. 2 shows a first exemplary embodiment of a thermal bridge, generally designated by reference numeral 100, for the thermally conductive transport of heat from at least one electrical heat source 110, for example on a printed circuit board 112.
  • the thermal bridge 100 comprises a heat dissipation section 102 which has a joining surface 105 and a heat dissipation surface 101 spaced apart from the joining surface 105 . Covered by the joining surface 105 to the heat dissipation surface 101 the heat dissipation section 102 is a first material component of the thermal bridge 100.
  • the heat dissipation section 102 is designed to transport the heat from the joining surface 105 to the heat dissipation surface 101 in a thermally conductive manner and to dissipate it at the heat dissipation surface 101.
  • the thermal bridge 100 comprises a heat absorbing section 106 which is materially bonded to the heat dissipating section 102 on the joining surface 105.
  • the heat absorbing section 106 has a heat contact surface 107 which can be shaped by contact pressure (e.g. plastic or elastic) and from the joint surface 105 to the heat contact surface 107 comprises a layer formed by means of additive melting constructed second material component of the thermal bridge 100, which is different from the first material component.
  • the heat absorbing section 106 is designed to absorb the heat at the heat contact surface 107 and to transport it in a thermally conductive manner via the integral connection from the heat absorbing section 106 to the heat dissipating section 102 .
  • the first embodiment can be manufactured by at least one of the following process steps.
  • the heat sink 102 may be manufactured by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock).
  • the heat absorbing portion 106 may be made of a TIM by additive manufacturing.
  • the heat absorption section 106 of the thermal bridge 100 can be integrally integrated into the thermal bridge 100 in the course of additive manufacturing by the additive melt layering.
  • the TIM is built up as the second material component of the heat absorbing section 106 on the joining surface 105 of the heat dissipating section 102 produced by extrusion molding by the additive fusion layering (which can also be referred to as 3D printing).
  • the joining surface of the heat dissipation portion 102 can serve as the base of the additive fusion lamination.
  • the first material component of the heat dissipation portion 102 may include aluminum.
  • the heat dissipation section 102 may be a heat sink (technically also referred to as heatsink).
  • the heat sink can include a heat spreader (technically also referred to as a heat spreader) in an integral, one-piece manner.
  • extrusion i.e., extrusion or extrusion
  • a part e.g., heat sink 102 and/or heat spreader 104
  • those parts may also be formed by metal casting (e.g., Sand casting or chill casting), sintering or metal powder injection molding (technically also referred to as MIM process from English "Metal Injection Moulding").
  • the joining surface 105 can have a branching or honeycomb structure of the first material component embedded in the second material component.
  • the material connection at the joining surface 105 can be supplemented by a positive connection.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the thermal bridge 100, which can be implemented on its own or as a further development of the first exemplary embodiment.
  • Features that are provided with the same reference numerals as in FIG. 2 can be the same or interchangeable between the exemplary embodiments, for example due to functional equivalence or structural compatibility.
  • the second embodiment can be manufactured by at least one of the following process steps.
  • the heat sink 120 may be manufactured by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock).
  • the intermediate portion 108 may be additively manufactured from a TIM.
  • the heat spreader 104 may be formed by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock).
  • the heat absorbing portion 106 may be made of a TIM by additive manufacturing.
  • the heat dissipation portion may be a heat spreader 104 .
  • the heat release surface 101 of the heat release portion 104 may be a second joining surface.
  • the thermal bridge 100 can further comprise an intermediate section 108 which is materially bonded to the heat dissipation section 104 on the second joining surface 101 .
  • the intermediate section 108 can have a plastic or elastic second thermal contact surface 109 and from the second joining surface 101 to the second thermal contact surface 109 can comprise the second material component built up by means of additive melt layering.
  • the intermediate section 108 can be designed to transport the heat in a thermally conductive manner via the material connection from the second joining surface 101 of the heat dissipation section 104 to the second heat contact surface 109 .
  • the heat spreader 104 can be used on the (first) joining surface 105 and the second joining surface 101 as a basis for additive manufacturing by means of additive fusion layers.
  • the heat spreader 104 can be produced by extrusion.
  • the heat dissipation surface 101 serves as the second joining surface.
  • Features that are provided with the same reference numerals as in FIG. 2 or 3 can be the same or interchangeable between the exemplary embodiments, for example due to functional equivalence or structural compatibility.
  • the third embodiment can be manufactured by at least one of the following process steps.
  • the heat sink 120 may be manufactured by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock), and/or by additive manufacturing.
  • the intermediate portion 108 may be additively manufactured from a TIM.
  • the heat spreader 104 can be made by additive manufacturing.
  • the heat absorbing portion 106 may be made of a TIM by additive manufacturing.
  • the heat spreader 104 may also be made by additive manufacturing (e.g., instead of by extrusion). For example, the heat spreader 104 can be fabricated on an auxiliary surface using additive manufacturing.
  • the TIM for the heat absorbing section 106 or the intermediate section is on the (first) joining surface 105 and the second joining surface 101 as the basis of the additive melt layering 108 can be built.
  • FIG. 4 shows a variant of each exemplary embodiment, in which the thermal contact surface 107 makes thermal contact with the printed circuit board 112 .
  • FIG. 5 shows a variant of the third exemplary embodiment of the thermal bridge 100, which can be implemented on its own or as a further development of the first and/or second exemplary embodiment.
  • Features marked with the same reference numerals as in Figs. 2 to 4 may be the same or interchangeable between the embodiments, for example due to functional equivalence or structural compatibility.
  • the variant of the third exemplary embodiment can be produced by at least one of the following method steps.
  • the heat sink 120 may be manufactured by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock).
  • the intermediate portion 108 may be additively manufactured from a TIM.
  • the heat spreader 104 can be made by additive manufacturing.
  • the heat absorbing portion 106 may be made of a TIM by additive manufacturing.
  • the intermediate section 108 is additively manufactured onto a heat sink 120 (produced, for example, by extrusion or additive manufacturing), in that the TIM as the second material component is additively fused to a surface of the heat sink 120 (which thus corresponds to the thermal contact surface 109 of the intermediate section 108). is built up.
  • the heat dissipation section 104 is a from the first material component on a surface of the intermediate section 108 (which thus corresponds to the heat dissipation surface 101 of the heat dissipation section 104) additively manufactured heat spreader.
  • the heat absorbing section 106 is built up on the joining surface 105 by additive melt layering.
  • This sequence of additive melt layers that build on one another and consist of alternating first and second material components can also be referred to as additive sandwich production.
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of the thermal bridge 100, which can be implemented on its own or as a further development of the first, second and/or third exemplary embodiment.
  • Features marked with the same reference numerals as in Figs. 2 to 5 may be the same or interchangeable between the embodiments, for example due to functional equivalence or structural compatibility.
  • the fourth embodiment can be manufactured by at least one of the following process steps.
  • the heat sink 120 may be manufactured by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock).
  • the heat spreader 104 can be made by additive manufacturing.
  • the heat absorbing portion 106 may be made of a TIM by additive manufacturing.
  • the heat dissipation section includes a heat sink 102 (manufactured, for example, by extrusion and/or additive fusion lamination of the first material component) and a heat spreader 104 that is additively manufactured on a mating surface 103 between heat sink 102 and heat spreader 104, for example by additive fusion lamination of the first material component.
  • heat sinks and/or heat spreaders are produced by additive manufacturing.
  • the fifth embodiment of the thermal bridge 100 can be used for itself or in a further development of the first, second, third and/or fourth exemplary embodiment.
  • the fifth embodiment can be manufactured by at least one of the following process steps.
  • the heat sink 102 can be made by additive manufacturing.
  • the heat absorption section 106 can be produced from a TIM by additive manufacturing, for example starting from the joining surface 105 .
  • the heat dissipation portion includes a heat sink 102.
  • the heat dissipation portion includes (toward the heat receiving portion 106) an integral one-piece heat spreader.
  • the heat sink and the heat spreader can be constructed integrally from the first material component.
  • FIG. 7 shows a sixth exemplary embodiment of the thermal bridge 100, which can be implemented on its own or as a further development of the first to fifth exemplary embodiments.
  • Features marked with the same reference numerals as in Figs. 2 to 6 may be the same or interchangeable between the embodiments, for example due to functional equivalence or structural compatibility.
  • the (first) joining surface 105 between the heat spreader 104 as the heat dissipating section and the heat absorbing section 106 is arranged on a first side of the heat spreader 104 .
  • the heat dissipation surface 101 of the heat dissipation section 104 is a second joining surface on a second side of the heat spreader 104.
  • the thermal bridge 100 comprises an intermediate section 108 which is materially bonded to the heat dissipation section 104 on the second joining surface 101.
  • the intermediate section 108 can have a plastic or elastic second thermal contact surface 109 and/or from the second joining surface 101 to the second thermal contact surface 109 can comprise the second material component built up by means of additive melt layering.
  • the intermediate portion 108 may be configured to the heat on the material connection of the to transport the second joining surface 101 of the heat dissipation section 104 to the second heat contact surface 109 in a thermally conductive manner.
  • the first side and the second side i.e., the first joining surface 105 and the second joining surface 101
  • This allows a direction of a heat path 118 to be changed (i.e., steered) along the heat path 118, for example by 90°. This is advantageous, for example, for a lateral heat tap shown in FIG.
  • the sixth embodiment can be manufactured by at least one of the following process steps.
  • the heat sink 120 may be manufactured by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock), and/or by additive manufacturing.
  • the heat spreader 104 may be formed by extrusion (e.g., extrusion), casting (e.g., die casting), and/or machining (e.g., post-processing of a stock), and/or by additive manufacturing.
  • the heat absorbing portion 106 may be made of a TIM by additive manufacturing.
  • the intermediate portion 108 may be additively manufactured from a TIM.
  • a temperature sensor 114 ie a temperature sensor
  • a recess for example a channel
  • Evaluation electronics of the temperature sensor 114 can be electrically conductively connected to the temperature sensor 114 outside of the thermal bridge 100, for example via measuring lines through the channel.
  • the temperature sensor 114 may be additively fused to the heat receiving portion 106, for example, as an electrically conductive (e.g., metallic) wire inserted into the channel by linear movement of a print head.
  • the temperature sensor 114 can be arranged in a recess in the heat sink 102 or directly on the heat source 110 .
  • FIG. 9 schematically shows one or more heat pipes 116 (technically also: heat pipe) or one or more recesses (e.g. channels) each for accommodating the heat pipe 116, which can be implemented in a variant of each exemplary embodiment of the heat bridge 100.
  • heat pipes 116 technically also: heat pipe
  • recesses e.g. channels
  • the heat pipe 116 or corresponding channel may be fabricated together with the heat absorbing portion 106 in the course of additive fusion lamination, for example, as a metallic tube in which a refrigerant is sealed.
  • the heat pipe or pipes 116 preferably extend parallel to the transport of the heat. Alternatively or additionally, the heat pipe or heat pipes 116 end flush with the joining surface 105 .
  • Fig. 10 shows schematically the difference in the interface content (e.g. an effective surface) of a finely structured joining surface 105 and a surface projected perpendicularly to the transport of heat, i.e. a flat cross-sectional surface perpendicular to the transport (i.e. to the direction of transport) of the heat.
  • the interface content e.g. an effective surface
  • a surface projected perpendicularly to the transport of heat i.e. a flat cross-sectional surface perpendicular to the transport (i.e. to the direction of transport) of the heat.
  • the triangle structure shown in FIG. 10 is a schematic example of fine structuring.
  • the finely structured joining surface 105 can have elevations and/or depressions, which increase its effective area per cross-sectional area.
  • a ratio of the actual size of the finely structured joining surface 105 to the size of the cross-sectional area perpendicular to the transport of the heat can be greater than two.
  • the fine structuring can increase an effective area between the first and second material components.
  • the fine structuring can be produced in the course of the additive manufacturing of the heat absorption section 106 and/or the heat emission section 102 or 104 .
  • said additive manufacturing may include fusion additive lamination.
  • Heat dissipation section as a heat sink, technically also: Heatsink 102
  • Heat dissipation section as a heat spreader, technically also: heat spreader 104
  • Heat absorption section made of thermally conductive material, technically also: Thermal Interface Material (TIM) 106
  • Electrical heat source such as device 110
  • Heat pipe technically also: heat pipe 116

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Abstract

Eine Wärmebrücke (100) zum wärmeleitenden Transport von Wärme umfasst einen Wärmeabgabeabschnitt (102), der eine Fügefläche (105) und eine von der Fügefläche (105) beabstandete Wärmeabgabefläche (101) aufweist, und der von der Fügefläche (105) bis zur Wärmeabgabefläche (101) eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst. Der Wärmeabgabeabschnitt (102) transportiert die Wärme wärmeleitend von der Fügefläche (105) zur Wärmeabgabefläche (101) und gibt sie an der Wärmeabgabefläche (101) ab. Ein an der Fügefläche (105) mit dem Wärmeabgabeabschnitt (102) stoffschlüssig verbundener Wärmeaufnahmeabschnitt (106) der Wärmebrücke (100) weist eine durch Anpressdruck anformbare, beispielsweise plastische oder elastische, Wärmekontaktfläche (107) auf und umfasst von der Fügefläche (105) bis zur Wärmekontaktfläche (107) eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente. Der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) nimmt die Wärme an der Wärmekontaktfläche (107) auf und transportiert sie wärmeleitend über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt (106) zum Wärmeabgabeabschnitt (102).

Description

Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme
Die Erfindung betrifft das Wärmemanagement, beispielsweise von Abwärme einer elektrischen Wärmequelle. Insbesondere sind eine Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme und ein Verfahren zur Fertigung einer solchen Wärmebrücke offenbart.
Die Effizienz des Wärmemanagements wird durch die Wärmeleitfähigkeit Ath oder den dazu reziproken thermischen Widerstand Rth der Wärmebrücke beschrieben. Im Wärmepfad der Wärmebrücke wird Wärme von einem elektrischen Bauteil als Wärmequelle (auch: Hotspot) zu einem Kühlkörper übertragen, der als Wärmesenke die Wärme beispielsweise an die Umgebung abgibt. Mehrkomponentige Wärmebrücken sind einfacher herzustellen und mit verschiedenen elektrischen Wärmequellen und verschiedenen Einbaupositionen der Wärmequellen flexibel kombinierbar.
Jedoch vergrößert jede Grenzfläche im Wärmepfad den thermischen Widerstand der Wärmebrücke. Grundsätzlich basiert der T ransport der Wärme auf mindestens einem der drei physikalischen Effekte der Wärmeleitung, der Wärmekonvektion und der Wärmestrahlung. Insbesondere für eine effiziente Wärmeleitung ist der thermische Kontakt zwischen zwei Festkörperflächen wesentlich.
Eine Verbesserung der Wärmeleitung an solchen Grenzflächen im Vergleich zu einem direkten Kontakt zwischen Festkörperoberflächen bieten Wärmeleitmaterialien, die fachsprachlich auch als Thermal Interface Material (TIM) bezeichnet werden. Während das TIM die Anzahl der Grenzflächen weiter erhöht, beruht die Verbesserung der Wärmeleitung in der Verdrängung von Luftschichten zwischen Kontaktpunkten mikroskopisch rauer Festkörperoberflächen.
Jedoch können beim herkömmlichen Fügen von Kühlkörper und TIM die Fügeflächen nach separater Fertigung, Lagerung und Transport mikroskopisch verunreinigt sein, beispielsweise durch eine Oxidschicht, Staub oder Kondenswasser. Ferner können die Fügeflächen durch die Handhabung beim Fügen verunreinigt wer- den. Dadurch bleibt die thermische Leitfähigkeit einer herkömmlichen Wärmebrücke hinter der aufgrund des an der Fügefläche eingesetzten TIM möglichen Leitfähigkeit zurück.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Effizienz mehrkomponentiger Wärmebrücken zu verbessern. Eine alternative oder spezifischere Aufgabe ist, die Effizienz der mehrkomponentigen Wärmebrücke über mehrere thermische Lastzyklen aufrechtzuerhalten.
Die Aufgabe wird bzw. die Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Aspekt betrifft eine Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme. Die Wärmebrücke umfasst einen Wärmeabgabeabschnitt und einen Wärmeaufnahmeabschnitt. Der Wärmeabgabeabschnitt weist eine Fügefläche und eine von der Fügefläche beabstandete Wärmeabgabefläche auf. Der Wärmeabgabeabschnitt umfasst von der Fügefläche bis zur Wärmeabgabefläche eine erste Matenalkomponente der Wärmebrücke. Der Wärmeabgabeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme von der Fügefläche zur Wärmeabgabefläche wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche abzugeben. Ferner umfasst die Wärmebrücke einen an der Fügefläche mit dem Wärmeabgabeabschnitt stoffschlüssig verbundenen Wärmeaufnahmeabschnitt. Der Wärmeaufnahmeabschnitt weist eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) Wärmekontaktfläche auf. Der Wärmeaufnahmeabschnitt umfasst von der Fügefläche bis zur Wärmekontaktfläche eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke. Die zweite Materialkomponente ist von der ersten Materialkomponente verschieden. Der Wärmeaufnahmeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme an der Wärmekontaktfläche aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt zum Wärmeabgabeabschnitt wärmeleitend zu transportieren.
Ausführungsbeispiele der Wärmebrücke können aufgrund der (beispielsweise im Vergleich zu einer herkömmlichen Fügung bei Raumtemperatur nach separater Herstellung der Komponenten größeren) Temperatur der additiven Schmelzschichtung (und/oder aufgrund der Verästelung an der Fügungsfläche) einen thermischen Widerstand an der Fügefläche aufweisen, der im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmebrücke reduziert ist. Beispielsweise wird durch den Stoffschluss der zwei Matenalkomponenten bei der additiven Fertigung die Luft an der Fügefläche besser (beispielsweise vollständiger oder vollständig) verdrängt, da im Zeitpunkt der Verarbeitung (beispielsweise bei der ersten Schmelzschichtung der zweiten Matenalkomponente auf der ersten Matenalkomponente) ein Stoffschluss zwischen Wärmeabgabeabschnitt und Wärmeaufnahme entsteht.
Dieselben oder weitere Ausführungsbeispiele der Wärmebrücke können aufgrund der (beispielsweise im Vergleich zu einer herkömmlichen Fügung bei Raumtemperatur der separat hergestellten Komponenten größeren) Temperatur der additiven Schmelzschichtung (und/oder aufgrund der Verästelung an der Fügungsfläche) den Stoffschluss auch bei unterschiedlichen thermischen Expansions- und Kontraktionsraten der verschiedenen ersten und zweiten Materialkomponenten an der Fügefläche (beispielsweise der Verbindung zwischen TIM und Kühlkörper) erhalten und/oder ein Lösen (fachsprachlich auch als "pump-out" bezeichnet) des thermischen Kontakts aufgrund von mechanischer Spannungen verhindern.
Die anformbare Wärmekontaktfläche kann dazu ausgebildet sein, eine (beispielsweise elektrische) Wärmequelle der transportierten Wärme mechanisch und thermisch zu kontaktieren. Beispielsweise kann die Wärmekontaktfläche durch den Anpressdruck eine Oberfläche der Wärmequelle vollflächig benetzen zur Minimierung eines Wärmewiderstands.
Die anformbare Wärmekontaktfläche kann elastisch oder plastisch sein. Beispielsweise kann die plastische Wärmekontaktfläche durch einmaliges Anpressen an einer Oberfläche der Wärmequelle anformbar oder angeformt sein und/oder an der Oberfläche haften. Alternativ oder ergänzend kann die elastische Wärmekontaktfläche an eine Oberfläche anformbar oder angeformt sein durch Pressfügen der Wärmebrücke oder einen dauerelastischen Kraftschluss der Wärmebrücke, beispielsweise zwischen einer Gehäusewand eines Gehäuses und einer Oberfläche der Wärmequelle. Plastizität und Elastizität können bei der zweiten Materialkomponente auch kombiniert vorliegen, beispielsweise indem bei Überschreiten einer Elastizitätsgrenze die anformende Plastizität eintritt. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Matenalkomponente viskoelastisch sein. Beispielsweise kann eine anfänglich elastische Anformung an eine Oberfläche der Wärmequelle nach einer vorbestimmten Zeit in eine plastische Anformung übergehen. Dadurch kann ein probeweises Anformen und/oder eine Korrektur der Position des Wärmeaufnahmeabschnitts auf der Wärmequelle ermöglicht sein.
Die Wärmequelle kann ein elektrisches Bauteil oder ein Abschnitt einer Leiterplatte sein. Die Wärmekontaktfläche kann z.B. die Leiterplatte direkt kontaktieren und dadurch indirekt die Wärme eines Bauteils durch die Leiterplatte transportieren, beispielsweise unter Mitwirkung von metallischen Leiterbahnen als Wärmeleiter. Das Bauteil kann auf einer dem Wärmeaufnahmeabschnitt abgewandten Seite des von der Wärmekontaktfläche kontaktierten Abschnitts der Leiterplatte oder auf einer dem Wärmeaufnahmeabschnitt zugewandten Seite neben dem kontaktierten Abschnitt der Leiterplatte angeordnet sein.
Alternativ oder ergänzend kann die Wärmekontaktfläche eine Seitenfläche des Bauteils thermisch kontaktieren, die sich (beispielsweise im Wesentlichen) senkrecht zur Leiterplatte erstreckt. Das heißt ein durch die Wärmebrücke bestimmter Wärmepfad kann parallel zur Leiterplatte verlaufen und/oder das Bauteil kann seitlich kontaktiert sein.
Die Schmelzschichtung der zweiten Matenalkomponente kann eine plastische, viskose, elastische oder viskoelastische Konsistenz aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann eine Partikelgröße der zweiten Materialkomponente bei der Schmelzschichtung kleiner sein als bei Raumtemperatur und/oder eine Viskosität der zweiten Matenalkomponente bei der Schmelzschichtung kann kleiner sein als bei Raumtemperatur. Alternativ oder ergänzend kann die Schmelzschichtung der zweiten Matenalkomponente in die Unebenheiten oder mikroskopische Rauigkeit der Fügefläche kriechen und diese ausfüllen, beispielsweise anstelle von Luft. Alternativ oder ergänzend kann bei der Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente (beispielsweise bei einer Verarbeitung unter einer Temperatur, die größer als die Raumtemperatur ist) eine größere molekulare Mobilität und/oder eine verbesserte Vernetzung möglich sein als bei der herkömmlichen Fügung zwischen TIM und Kühlkörper bzw. TIM und Wärmeverteiler bei Raumtemperatur (beispielsweise bei einer herkömmlichen Montage des Kühlkörpers bzw. des Wärmeverteilers).
Da die Wärmebrücke den Wärmeabgabeabschnitt und den Wärmeaufnahmeabschnitt mit der ersten bzw. zweiten Matenalkomponente umfasst kann die Wärmebrücke auch als mehrkomponentige Wärmebrücke bezeichnet werden.
Der Wärmeabgabeabschnitt kann einen Kühlkörper (fachsprachlich auch: Heatsink) und/oder einen Wärmeverteiler (fachsprachlich auch: Heatspreader) umfassen.
Der Wärmeaufnahmeabschnitt und/oder ein Zwischenabschnitt kann mit Thermal Interface Material (TIM) als der zweiten Matenalkomponente durch additive Fertigung (AM) hergestellt sein. Dadurch kann eine bedarfsgesteuerte Fertigbarkeit (On-Demand-Fertigbarkeit) erreicht sein. Beispielsweise kann eine Stückzahl gleich 1 sein und/oder es kann kundenspezifisch gefertigt werden. Alternativ oder ergänzend muss die zweite Materialkomponente nicht vorkonfektioniert werden. Dadurch kann der Aufwand einer zusätzlichen technische Entwicklung (beispielsweise bei der Produktentwicklung und/oder der Fertigungsentwicklung) entfallen.
Alternativ oder ergänzend kann die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitt und/oder des Zwischenabschnitts mittels TIM während des Fertigungsprozesses oder als Teil des Fertigungsprozesses prüfbar sein.
Alternativ oder ergänzend kann die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitt und/oder des Zwischenabschnitts mittels TIM die Prozesssicherheit und die Prozessstabilität verbessern. Beispielsweise kann das TIM reproduzierbar aufgebracht werden. Die Qualifikation von Prototypen in der Entwicklungsphase kann der Qualifikation von Serienteilen entsprechen. Ein elektrisches Bauteil kann als Wärmequelle die aufgenommene und transportierte Wärme erzeugen. Das elektrische Bauteil kann in die zweite Matenalkomponente des Wärmeaufnahmeabschnitts eingebettet sein, beispielsweise als Einlegebauteil während der additiven Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts.
Die Wärme (auch: Wärmeenergie) kann thermische Energie umfassen, beispielsweise die Energie einer ungeordneten mikroskopischen Bewegung.
Der wärmeleitende Transport, d.h. die Wärmeleitung (auch: Wärmediffusion oder Konduktion), umfasst den Transport von thermischer Energie. In Abgrenzung zur Wärmekonvektion kann die Wärmeleitung die Wärme ohne einen (beispielsweise makroskopischen) Materiefluss transportieren. In Abgrenzung zur Wärmestrahlung kann die Wärmeleitung die Wärme (beispielsweise nur) in Materie und/oder ohne (beispielsweise makroskopische) elektromagnetische Strahlung transportieren. Die Wärmeleitung kann die Wärme gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, d.h. unter Erzeugung von Entropie, in Richtung geringerer Temperatur transportieren. Dabei geht keine Wärmeenergie verloren, d.h. es gilt die Energieerhaltung.
Alternativ oder ergänzend kann die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke einen dielektrischen Festkörper (beispielsweise einen elektrischen Isolator) umfassen. Im dielektrischen Festkörper kann die Wärmeleitung (beispielsweise nur) durch Gitterschwingungen (auch: Phononen) transportiert werden. Die Energie der ungeordneten Bewegung der Atome kann dabei zwischen benachbarten Atomen ausgetauscht werden. Alle Elektronen können an die Atome gebunden sein und deshalb keinen Beitrag zur Wärmeleitung liefern.
Alternativ oder ergänzend kann die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke einen elektrisch leitfähigen Festkörper (beispielsweise ein Metall) umfassen. Im elektrisch leitfähigen Festkörper können auch Elektronen Wärme transportieren und somit zur Wärmeleitung beitragen.
Fluide, d.h. Flüssigkeiten und Gase, können grundsätzlich Wärme leiten. In Abgrenzung zur Konvektion bildet sich bei reiner Wärmeleitung kein makroskopi- scher Materiefluss, beispielsweise keine Wirbel, im Fluid. Leichte Atome bzw. Moleküle leiten die Wärme besser als schwere, da sie sich bei gleichem Energiegehalt schneller bewegen.
Vorzugsweise umfasst die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke kein Fluid (beispielsweise keine Flüssigkeit), damit die Fügefläche, die Wärmeabgabefläche, und/oder die Wärmekontaktfläche eine definierte oder vorbestimmte (beispielsweise plastische oder elastische) Form aufweisen. Alternativ oder ergänzend umfasst die erste und/oder zweite Materialkomponente der Wärmebrücke keine Fluide (beispielsweise keine Gase), da deren Wärmeleitung gering ist, beispielsweise aufgrund geringer Scherkräfte und/oder bei Gasen aufgrund der geringen Dichte.
Die Wärmebrücke kann ausschließlich die erste Matenalkomponente und die zweite Matenalkomponente umfassen.
Der Wärmeabgabeabschnitt und/oder der Wärmeaufnahmeabschnitt können jeweils integral-einstückig sein.
Die stoffschlüssige Verbindung kann in einem Übergangsbereich zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt und dem Wärmeabgabeabschnitt die erste Materialkomponente und die zweite Materialkomponente umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Fügefläche größer (beispielsweise mehrfach größer) als die Wärmekontaktfläche sein.
Die Fügefläche kann eine in die zweite Matenalkomponente eingebettete Verästelung oder Wabenstruktur der ersten Materialkomponente aufweisen.
Die Wärmebrücke, beispielsweise der Wärmabgabeabschnitt, kann einen Kühlkörper und/oder einen Wärmeverteiler umfassen.
Der Wärmeverteiler kann fachsprachlich auch als Heatspreader bezeichnet werden. Der Heatspreader kann Kupfer als die erste Matenalkomponente umfassen. Der Kühlkörper kann Aluminium als die erste Matenalkomponente umfassen. Alternativ oder ergänzend können der Heatspreader und der Kühlkörper integraleinstückig sein. Die Wärmeabgabefläche kann größer (beispielsweise mehrfach größer) als die Wärmekontaktfläche und/oder als die Fügefläche sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt der Wärmebrücke kann dazu ausgebildet sein, die Wärme an der Wärmeabgabefläche diffusiv, radiativ oder konvektiv abzugeben.
Der Wärmeabgabeabschnitt, beispielsweise der Wärmeverteiler, kann dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmeleitung an einen Kühlkörper abzugeben. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeabgabeabschnitt oder der Kühlkörper dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmestrahlung und/oder Wärmekonvektion an eine Umgebung der Wärmeabgabefläche abzugeben.
Der Abgabeabschnitt (beispielsweise als Heatspreader) kann dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmeleitung (d.h. diffusiv) an einen Kühlkörper abzugeben. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeabgabeabschnitt (beispielsweise als Kühlkörper) dazu ausgebildet sein, die Wärme durch Wärmestrahlung (d.h. radiativ) und/oder Wärmekonvektion (d.h. konvektiv) an eine Umgebung der Wärmeabgabefläche abzugeben.
Die erste Matenalkomponente kann ein Metall (beispielsweise eine Legierung) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Matenalkomponente ein unter Standardbedingungen oder Normalbedingungen plastisches, elastisches, viskoses oder viskoelastisches Wärmeleitmaterial umfassen.
Die erste Matenalkomponente kann metallisch (beispielsweise eine metallische Legierung) sein. Die erste Matenalkomponente kann Kupfer oder Aluminium umfassen.
Alternativ oder ergänzend kann die zweite Materialkomponente elektrisch isolierend sein.
Die Standardbedingungen können 273,15 K 0 °C und 100,000 kPa = 1 ,000 bar umfassen. Die Normalbedingungen können 273,15
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0 °C und 101 ,325 kPa = 1 ,01325 bar = 1 atm umfassen. Das Wärmeleitmaterial kann fachsprachlich auch als thermisches Interface-Material (TIM) bezeichnet werden. Der Wärmeabgabeabschnitt, der Kühlkörper und/oder der Wärmeverteiler können extrudiert (beispielsweise durch Strangpressen hergestellt), gegossen und/oder gesintert sein und/oder durch Zerspanen hergestellt oder nachbearbeitet sein und/oder aus der ersten Matenalkomponente mittels additiver Schmelzschichtung gefertigt sein.
Der Guss kann ein Druckguss oder ein Metallpulverspritzguss (beispielsweise mit den Schritten Entbindern und Sintern) sein. Das Sintern kann eine sinterbasierte additive Fertigung umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeabgabeabschnitt, der Kühlkörper und/oder der Wärmeverteiler Ergebnis einer spanabhebenden Bearbeitung oder Nachbearbeitung (z.B. Fräsen) sein, beispielsweise aus einem Halbzeug und/oder nach der Extrusion oder nach dem Guss.
Alternativ oder ergänzend können der Wärmeabgabeabschnitt, der Kühlkörper und/oder der Wärmeverteiler additiv gefertigt sein. Dadurch kann eine bedarfsgesteuerte Fertigbarkeit (On-Demand-Fertigbarkeit) erreicht sein. Beispielsweise kann eine Stückzahl gleich 1 sein und/oder es kann kundenspezifisch gefertigt werden. Alternativ oder ergänzend muss die erste Materialkomponente nicht vorkonfektioniert werden. Dadurch kann der Aufwand einer zusätzlichen technische Entwicklung (beispielsweise bei der Produktentwicklung und/oder der Fertigungsentwicklung) entfallen.
Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeaufnahmeabschnitt stoffschlüssig auf die Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts mittels additiver Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente oder durch Aufträgen der zweiten Materialkomponente gefertigt sein. Die zweite Matenalkomponente kann mittels einer Spritze, Kartusche oder Tube aufgetragen sein.
Die Wärmeabgabefläche des Wärmeabgabeabschnitts kann eine zweite Fügefläche sein. Die Wärmebrücke kann ferner einen an der zweiten Fügefläche mit dem Wärmeabgabeabschnitt stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt umfassen. Der Zwischenabschnitt kann eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) zweite Wärmekontaktfläche aufweisen. Von der zweiten Fügefläche bis zur zweiten Wärmekontaktfläche kann der Zwischenab- schnitt die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkom ponente umfassen. Der Zwischenabschnitt kann dazu ausgebildet sein, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts zur zweiten Wärmekontaktfläche wärmeleitend zu transportieren.
Eine zweite Breite des Zwischenabschnitts zwischen der zweiten Fügefläche und der zweiten Wärmekontaktfläche kann kleiner sein als eine erste Breite des Wärmeaufnahmeabschnitts zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der Fügefläche.
Die zweite Wärmekontaktfläche kann dazu ausgebildet sein, die Wärme an einen mit der zweiten Wärmekontaktfläche verbundenen oder verbindbaren Kühlkörper abzugeben.
Der Wärmeabgabeabschnitt kann aus der ersten Materialkomponente additiv gefertigt sein.
Beispielsweise kann der Heatspreader (beispielsweise mittels additiver Schmelzschichtung) auf den (beispielsweise extrudierten oder additiv gefertigten) Kühlkörper additiv gefertigt sein.
Der Zwischenabschnitt kann auf einen Kühlkörper additiv gefertigt sein. Der Wärmeabgabeabschnitt kann ein aus der ersten Materialkomponente auf dem Zwischenabschnitt additiv gefertigter Wärmeverteiler sein.
Die Wärmeabgabefläche des Wärmeabgabeabschnitts kann eine zweite Fügefläche sein. Die Wärmebrücke kann ferner Verbindungsmittel umfassen, die dazu ausgebildet sind, die zweite Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts unter plastischer Verformung der zweiten Fügefläche mit einem Kühlkörper zur Herstellung einer die Wärme leitenden Verbindung zu verpressen.
Die plastische Verformung der zweiten Fügefläche kann eine Rauheit (beispielsweise mikroskopische Oberflächenspitzen) plastisch abbauen und/oder den Wärmeabgabeabschnitt mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbinden. Dadurch kann ein Wärmeleitungswiderstand an der unter plastischer Verformung hergestellten Verbindung reduziert sein. Die Verbindungsmittel können mindestens eine Schraubverbindung umfassen. Die (erste) Fügefläche und die zweite Fügefläche können gegenüberliegende Seiten des Wärmeabgabeabschnitts sein. Alternativ oder ergänzend können die (erste) Fügefläche und die zweite Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts aneinandergrenzen, beispielsweise an einer Kante des Wärmeabgabeabschnitts. Alternativ oder ergänzend können die (erste) Fügefläche und die zweite Fügefläche zueinander senkrecht stehen. Dadurch kann der Wärmepfad (d.h. der Weg des Transports der Wärme) seine Richtung ändern, beispielsweise um 90°.
Ein Wärmepfad mit einer einheitlichen Richtung wird auch als einachsig bezeichnet. Ein Wärmepfad mit mehreren (beispielsweise sequentiellen) Richtungsänderungen wird auch als mehrachsiger Wärmepfad bezeichnet. Ausführungsbeispiele des mehrachsigen Wärmepfads können ermöglichen, dass die Wärmekontaktfläche die Wärmequelle an einer beliebig vorgegebenen Seite, oder an mehreren Seiten, thermisch (und mechanisch) kontaktiert.
Mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt kann ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors eingebracht sein. Alternativ oder ergänzend kann mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt ein Wärmerohr zum konvektiven Transport der Wärme oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmerohrs eingebracht sein.
Der Temperatursensor kann ein Metallstück (beispielsweise einen Draht mit einer temperaturabhängigen Leitfähigkeit) umfassen, das bzw. der mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt eine Ausnehmung (beispielsweise ein Kanal) für den Temperatursensor vorgesehen sein. Der Temperatursensor kann eine direkte Temperaturmessung im Wärmepfad des Transports der Wärme ermöglichen.
Der Temperatursensor oder die Ausnehmung kann im Wärmeaufnahmeabschnitt angeordnet sein zur Erfassung der Temperatur in der zweiten Matenalkomponente und/oder an der Wärmekontaktfläche und/oder an einer Oberfläche der Wärmquelle. Alternativ oder ergänzend kann der Temperatursensor oder die Ausnehmung parallel zur Oberfläche der Wärmequelle oder parallel zur Wärmekontaktfläche oder senkrecht zum Transport der Wärme angeordnet sein.
Das Wärmerohr kann auch als Heatpipe bezeichnet werden. Das Wärmerohr oder die Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmerohrs kann im Wärmeaufnahmeabschnitt zum konvektiven Transport der Wärme in der zweiten Matenalkomponente (welche die Wärme zudem diffusiv leitet) angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann das Wärmerohr oder die Ausnehmung senkrecht zur Oberfläche der Wärmequelle oder senkrecht zur Wärmekontaktfläche oder parallel zum Transport der Wärme angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur additiven Fertigung einer Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport von Wärme bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Wärmeabgabeabschnitts der Wärmebrücke, der eine Fügefläche und eine von der Fügefläche beabstandete Wärmeabgabefläche aufweist, und der von der Fügefläche bis zur Wärmeabgabefläche eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke umfasst. Der Wärmeabgabeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme von der Fügefläche zur Wärmeabgabefläche wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche abzugeben. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt der additiven Fertigung eines Wärmeaufnahmeabschnitts auf der Fügefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit dem Wärmeabgabeabschnitt, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) Wärmekontaktfläche aufweist und von der Fügefläche bis zur Wärmekontaktfläche eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke umfasst. Die zweite Matenalkomponente ist von der ersten Matenalkomponente verschieden. Der Wärmeaufnahmeabschnitt ist dazu ausgebildet, die Wärme an der Wärmekontaktfläche aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt zum Wärmeabgabeabschnitt wärmeleitend zu transportieren.
Der Schritt des Bereitstellens des Wärmeabgabeabschnitts der Wärmebrücke kann eine additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts umfassen, die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts kann die additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts mittels Schmelzschichtung an der Fügefläche fortsetzen.
Eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung kann größer als eine Schmelztemperatur der zweiten Matenalkomponente sein. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Matenalkomponente amorph sein und eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung größer als eine Glasübergangstemperatur der zweiten Matenalkomponente sein.
Dadurch kann eine additive Schmelzschichtung bei der additiven Fertigung erreicht werden. Alternativ oder ergänzend kann eine unvermeidbare Oberflächenrauheit der Fügefläche beim Weichwerden der zweiten Materialkomponente die erste Materialkomponente benetzen und/oder die additive Schmelzschichtung kann Lufteinschlüsse aus Mikroporen der Fügefläche treiben. Beispielsweise lassen sich dadurch konvexe und konkave Unebenheiten der Fügefläche oder Toleranzen ausgleichen.
Optional weist die zweite Matenalkomponente im flüssigen oder viskosen Zustand eine thixotropische Fließeigenschaft auf, welche das Auslaufen der zweiten Materialkomponente bei der additiven Fertigung verhindert. So kann eine prozesssicher gleichmäßige Materialdicke erreicht sein und/oder eine präzise additive Fertigung ermöglicht sein.
Die zweite Materialkomponente kann die erste Matenalkomponente an der Fügefläche benetzen. Die zweite Materialkomponente kann die erste Matenalkomponente (beispielsweise bei der additiven Schmelzschichtung) an der Fügefläche benetzen. Die zweite Materialkomponente kann auf der Fügefläche benetzend sein, wenn ein Kontaktwinkel der zweiten Matenalkomponente (beispielsweise bei der additiven Schmelzschichtung) auf der Fügefläche größer als 90° ist. Die Benetzung kann anhand des Kontaktwinkels auf der Fügefläche auch nach Abschluss der additiven Schmelzschichtung erkennbar sein. Insofern kann die Benetzung ein strukturelles Merkmal auch der Wärmebrücke sein. Die zweite Materialkomponente kann die erste Materialkomponente an der Fügefläche entsprechend einer Oberflächentopologie (beispielsweise der Rauheit oder Welligkeit) der Fügefläche benetzen.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Strukturierens (beispielsweise Feinstrukturierens) der Fügefläche umfassen. Beispielsweise kann die Verästelung o- der Wabenstruktur auf der Fügefläche angeformt werden. Ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der strukturierten oder feinstrukturierten Fügefläche zur Größe der projizierten Fügefläche kann größer als zwei sein. Alternativ oder ergänzend kann ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche zur Größe der Querschnittsfläche senkrecht zum Transport der Wärme größer als zwei sein.
Die Fügefläche der ersten Materialkomponente kann als benetzbar durch die zweite Materialkomponente (beispielsweise im viskosen oder flüssigen Zustand) gelten, wenn sich ein Kontaktwinkel unter 90° ausbildet. Aufgrund des Feinstrukturierens (beispielsweise einer rauen Oberfläche als Fügefläche) kann bei gegebenen ersten und zweiten Materialkomponenten der (beispielsweise gemessene oder scheinbare) Kontaktwinkel verkleinert werden, die Fügefläche also noch besser benetzbar werden.
Das Feinstrukturieren kann ein Anschleifen oder Sandstrahlen umfassen.
Das Verhältnis zwischen dem Kosinus des gemessenen oder scheinbaren Kontaktwinkels und dem Kosinus des Kontaktwinkels der zweiten Materialkomponente auf einer glatten Oberfläche der ersten Materialkomponente kann nach R.N. Wenzel (1936) der Rauheit der Fügefläche entsprechen, beispielsweise dem Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche zur Größe der projizierten Fügefläche.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter und wahlweise kombinierbarer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1A eine schematische Querschnittsansicht separat hergestellter Teile einer zweiteiligen Wärmebrücke gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 1 B eine schematische Querschnittsansicht separat hergestellter Teile einer dreiteiligen Wärmebrücke gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer zweikomponentigen Wärmebrücke gemäß einem ersten oder fünften Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer zwei- oder mehrkomponentigen Wärmebrücke gemäß einem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Variante zum Transport der Wärme durch oder entlang einer Leiterplatte, die in jedem Ausführungsbeispiel anwendbar ist;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht einer zwei- oder mehrkomponentigen Wärmebrücke gemäß einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht einer zweikomponentigen Wärmebrücke gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht einer zweikomponentigen Wärmebrücke gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 eine schematische Querschnittsansicht einer Variante eines beliebigen Ausführungsbeispiels, das einen Temperatursensor umfasst;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsansicht einer Variante eines beliebigen Ausführungsbeispiels, das mindestens ein Wärmerohr umfasst; und
Fig. 10 eine Vergrößerung einer Wirkfläche relativ zu einer Querschnittsfläche des Transports der Wärme. Eine herkömmliche thermische Kontaktfläche innerhalb des Wärmepfads einer mehrteiligen Wärmebrücke, deren separat hergestellten Teile bei der Montage zur Wärmebrücke zusammengesetzt werden, hat an den Fügeflächen Lufteinschlüssen. Die Fügeflächen sind deshalb thermische Schwachstellen im wärmeleitenden Transport.
Fig. 1A zeigt die separat hergestellten Teile 10 und 12 einer zweiteiligen Wärmebrücke. Das TIM 10 kann vorgeformt als Einzelschicht oder formfrei als Paste in einer Tube bereitgestellt sein.
Fig. 1 B zeigt die separat hergestellten (d.h. einzelnen) Teile 10, 11 und 12 einer dreiteiligen Wärmebrücke.
Im Unterschied zur konventionellen Handhabung einzelner Teile (beispielsweise einzelner Schichten bei Raumtemperatur) kann die additive Schmelzschichtung Lufteinschlüsse an der Fügefläche reduzieren oder verhindern. Alternativ oder ergänzend kann die additive Schmelzschichtung den Stoffschluss durch Benetzung der Fügefläche herstellen. Dadurch können Ausführungsbeispiele eine thermische und/oder mechanische Verbindung an den Fügestellen der Wärmebrücke verbessern.
Im Unterschied zur konventionellen Fügung kann das Fügen mittels additiver Schmelzschichtung den Stoffschluss ohne Kontaktkraft zwischen der ersten und zweiten Materialkomponente an der Fügefläche herstellen. Alternative oder ergänzend ist keine Kontaktkraft notwendig, um eingeschlossene Luft zu reduzieren o- der zu entfernen. Dadurch können Ausführungsbeispiele eine Verformung der Wärmebrücken verhindern.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Wärmebrücke zum wärmeleitenden Transport der Wärme mindestens einer elektrischen Wärmequelle 110, beispielsweise auf einer Leiterplatte 112.
Die Wärmebrücke 100 umfasst einen Wärmeabgabeabschnitt 102, der eine Fügefläche 105 und eine von der Fügefläche 105 beabstandete Wärmeabgabefläche 101 aufweist. Von der Fügefläche 105 bis zur Wärmeabgabefläche 101 umfasst der Wärmeabgabeabschnitt 102 eine erste Materialkomponente der Wärmebrücke 100. Der Wärmeabgabeabschnitt 102 ist dazu ausgebildet, die Wärme von der Fügefläche 105 zur Wärmeabgabefläche 101 wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche 101 abzugeben.
Ferner umfasst die Wärmebrücke 100 einen an der Fügefläche 105 mit dem Wärmeabgabeabschnitt 102 stoffschlüssig verbundenen Wärmeaufnahmeabschnitt 106. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 weist eine durch Anpressdruck anformbare (beispielsweise plastische oder elastische) Wärmekontaktfläche 107 auf und umfasst von der Fügefläche 105 bis zur Wärmekontaktfläche 107 eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke 100, die von der ersten Matenalkomponente verschieden ist. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 ist dazu ausgebildet, die Wärme an der Wärmekontaktfläche 107 aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt 106 zum Wärmeabgabeabschnitt 102 wärmeleitend zu transportieren.
Das erste Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 102 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
So kann der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 der Wärmebrücke 100 im Zuge einer additiven Fertigung durch die additive Schmelzschichtung stoffschlüssig in die Wärmebrücke 100 integriert werden. Dazu wird das TIM als die zweite Materialkomponente des Wärmeaufnahmeabschnitts 106 auf der Fügefläche 105 des durch Strangpressen hergestellten Wärmeabgabeabschnitts 102 durch die additive Schmelzschichtung aufgebaut (was auch als 3D-Drucken bezeichnet werden kann). Die Fügefläche des Wärmeabgabeabschnitts 102 kann also als Basis der additiven Schmelzschichtung dienen.
Die erste Matenalkomponente des Wärmeabgabeabschnitts 102 kann Aluminium umfassen. Der Wärmeabgabeabschnitts 102 kann ein Kühlkörper (fachsprachlich auch als Heatsink bezeichnet) sein. Der Kühlkörper kann integral-einstückig einen Wärmeverteiler (fachsprachlich auch als Heatspreader bezeichnet) umfassen.
Während in diesem und weiteren Ausführungsbeispielen das Strangpressen (d.h. Extrusion oder Extrudieren) als konkretes Beispiel für die Herstellung eines Teils (beispielsweise des Kühlkörpers 102 und/oder des Wärmeverteilers 104) genannt ist, können diese Teile in einer Variante jedes Ausführungsbeispiels auch durch Metallguss (beispielsweise Sandguss oder Kokillenguss), Sintern oder Metallpulverspritzgießen (fachsprachlich auch als MIM-Verfahren von englisch "Metal Injection Moulding" bezeichnet) hergestellt sein.
Optional kann die Fügefläche 105 eine in die zweite Matenalkomponente eingebettete Verästelung oder Wabenstruktur der ersten Materialkomponente aufweisen. Dadurch kann der Stoffschluss an der Fügefläche 105 durch einen Formschluss ergänzt sein.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in Fig. 2 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Das zweite Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeabgabeabschnitt kann ein Wärmeverteiler 104 sein. Die Wärmeabgabefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 kann eine zweite Fügefläche sein. Die Wärmebrücke 100 kann ferner einen an der zweiten Fügefläche 101 mit dem Wärmeabgabeabschnitt 104 stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt 108 umfassen. Der Zwischenabschnitt 108 kann eine plastische oder elastische zweite Wärmekontaktfläche 109 aufweisen und von der zweiten Fügefläche 101 bis zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfassen. Der Zwischenabschnitt 108 kann dazu ausgebildet sein, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 wärmeleitend zu transportieren.
Der Wärmeverteiler 104 kann an der (ersten) Fügefläche 105 und der zweiten Fügefläche 101 als Basis für die additive Fertigung durch additives Schmelzschichten dienen. Hierzu kann der Wärmeverteiler 104 durch Strangpressen hergestellt sein.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich o- der in Weiterbildung des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels realisierbar ist, dient die Wärmeabgabefläche 101 als zweite Fügefläche. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in Fig. 2 oder 3 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Das dritte Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) und/oder durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann (beispielsweise anstatt durch Strangpressen) ebenfalls durch additive Fertigung hergestellt sein. Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 104 auf einer Hilfsfläche als Basis der additiven Fertigung hergestellt werden. Nach Abschluss der additiven Fertigung des Wärmeverteilers 104 wird dieser von der Hilfsfläche entnommen, so dass (beispielsweise nacheinander oder gleichzeitig) auf der (ersten) Fügefläche 105 und der zweiten Fügefläche 101 als Basis der additiven Schmelzschichtung das TIM für den Wärmeaufnahmeabschnitt 106 bzw. den Zwischenabschnitt 108 aufgebaut werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Variante jedes Ausführungsbeispiels, bei dem die Wärmekontaktfläche 107 die Leiterplatte 112 thermisch kontaktiert.
Die Fig. 5 zeigt eine Variante des dritten Ausführungsbeispiels der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in den Fign. 2 bis 4 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Die Variante des dritten Ausführungsbeispiels kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
In einem Fertigungsschritt wird der Zwischenabschnitt 108 auf einen (beispielsweise durch Strangpressen oder additive Fertigung hergestellten) Kühlkörper 120 additiv gefertigt, indem das TIM als die zweite Matenalkomponente durch additive Schmelzschichtung auf einer Fläche des Kühlkörper 120 (die somit der Wärmekontaktfläche 109 des Zwischenabschnitts 108 entspricht) aufgebaut wird. In einem weiteren Fertigungsschritt ist der Wärmeabgabeabschnitt 104 ein aus der ersten Materialkomponente auf einer Fläche des Zwischenabschnitts 108 (die somit der Wärmeabgabefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitt 104 entspricht) additiv gefertigter Wärmeverteiler. In einem weiteren Fertigungsschritt wird der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 auf der Fügefläche 105 durch additive Schmelzschichtung aufgebaut.
Diese Folge aufeinander aufbauender additiver Schmelzschichtungen aus abwechselnder erster und zweiter Materialkomponente kann auch als additive Sand- wich-Fertigung bezeichnet werden.
Die Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten, zweiten und/oder dritten Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in den Fign. 2 bis 5 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Das vierte Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt umfasst einen Kühlkörper 102 (der beispielsweise durch Strangpressen und/oder additive Schmelzschichtung der ersten Materialkomponente gefertigt ist) und einen Wärmeverteiler 104, der auf einer Fügefläche 103 zwischen Kühlkörper 102 und Wärmeverteiler 104 additive gefertigt ist, beispielsweise durch additive Schmelzschichtung der ersten Materialkomponente.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, beispielsweise gemäß der Fig. 2, sind Kühlkörper und/oder Wärmeverteiler durch additive Fertigung hergestellt. Das fünften Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100 kann für sich oder in Weiterbildung des ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Ausführungsbeispiels realisierbar sein.
Das fünfte Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 102 kann durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung, beispielsweise ausgehend von der Fügefläche 105, aus einem TIM hergestellt sein.
Der Wärmeabgabeabschnitt umfasst einen Kühlkörper 102. Vorzugsweise umfasst der Wärmeabgabeabschnitt (zum Wärmeaufnahmeabschnitt 106 hin) einen integral-einstückigen Wärmeverteiler. In einer additiven Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts 102 kann aus der ersten Materialkomponente der Kühlkörper und der Wärmeverteiler integral-einstückigen aufgebaut werden.
Die Fig. 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Wärmebrücke 100, das für sich oder in Weiterbildung des ersten bis fünften Ausführungsbeispiels realisierbar ist. Merkmale, die mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in den Fign. 2 bis 6 versehen sind, können gleich oder zwischen den Ausführungsbeispielen austauschbar sein, beispielsweise aufgrund einer funktionellen Gleichwertigkeit oder strukturellen Kompatibilität.
Die (erste) Fügefläche 105 zwischen dem Wärmeverteiler 104 als Wärmeabgabeabschnitt und dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 ist an einer ersten Seite des Wärmeverteilers 104 angeordnet.
Die Wärmeabgabefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 ist eine zweite Fügefläche an einer zweiten Seite des Wärmeverteilers 104. Die Wärmebrücke 100 umfasst einen an der zweiten Fügefläche 101 mit dem Wärmeabgabeabschnitt 104 stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt 108.
Der Zwischenabschnitt 108 kann eine plastische oder elastische zweite Wärmekontaktfläche 109 aufweisen und/oder von der zweiten Fügefläche 101 bis zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfassen. Der Zwischenabschnitt 108 kann dazu ausgebildet sein, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche 101 des Wärmeabgabeabschnitts 104 zur zweiten Wärmekontaktfläche 109 wärmeleitend zu transportieren.
Die erste Seite und die zweite Seite, d.h. die erste Fügefläche 105 und die zweite Fügefläche 101 , können aneinandergrenzen, beispielsweise im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Fügefläche 105 und die zweite Fügefläche 101 gegenüberliegende Seiten des Wärmeabgabeabschnitts 104 sind. Dadurch kann eine Richtung eines Wärmepfads 118 entlang des Wärmepfads 118, beispielsweise um 90°, geändert (d.h. gelenkt) werden. Dies ist beispielsweise für einen in Fig. 7 gezeigten seitlichen Wärmeabgriff vorteilhaft, d.h. wenn die Wärmekontaktfläche 107 die Wärmequelle 110 seitlich (d.h. parallel zur Leiterplatte 112) kontaktiert und senkrecht zur Leiterplatte 112 abgeführt werden soll.
Das sechste Ausführungsbeispiel kann durch mindestens einen der folgenden Verfahrensschritte hergestellt sein. Der Kühlkörper 120 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) und/oder durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeverteiler 104 kann durch Extrudieren (beispielsweise Strangpressen), Gießen (beispielsweise Druckguss), und/oder spanabhebende Bearbeitung (beispielsweise Nachbearbeitung eines Halbzeugs) und/oder durch additive Fertigung hergestellt sein. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 106 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein. Der Zwischenabschnitt 108 kann durch additive Fertigung aus einem TIM hergestellt sein.
Fig. 8 zeigt schematisch einen Temperatursensor 114 (d.h. einen Temperaturfühler) bzw. eine Ausnehmung (beispielsweise einen Kanal) zur Aufnahme des Temperatursensors 114, der in einer Variante jedes Ausführungsbeispiels der Wärmebrücke 100 realisierbar ist. Eine Auswertelektronik des Temperatursensors 114 kann außerhalb der Wärmebrücke 100 mit dem Temperatursensor 114 elektrisch leitend verbunden sein, beispielsweise über Messleitungen durch den Kanal. Der Temperatursensor 114 kann im Zuge der additiven Schmelzschichtung zusammen mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 hergestellt werden, beispielsweise als ein elektrisch leitender (beispielsweise metallischer) Draht, der durch eine Linearbewegung eines Druckkopfs in den Kanal eingebracht wird.
Alternativ oder ergänzend kann der Temperatursensor 114 in eine Aussparung im Kühlkörper 102 oder direkt auf der Wärmequelle 110 angeordnet sein.
Fig. 9 zeigt schematisch ein oder mehrere Wärmerohre 116 (fachsprachlich auch: Heatpipe) bzw. eine oder mehrere Ausnehmungen (beispielsweise Kanäle) jeweils zur Aufnahme des Wärmerohrs 116, das in einer Variante jedes Ausführungsbeispiels der Wärmebrücke 100 realisierbar ist.
Der Wärmerohr 116 oder der entsprechende Kanal kann im Zuge der additiven Schmelzschichtung zusammen mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 hergestellt werden, beispielsweise als ein metallisches Rohr, in dem ein Kältemittel eingeschlossen ist.
Das oder die Wärmerohre 116 erstrecken sich vorzugsweise parallel zum Transport der Wärme. Alternativ oder ergänzend schließen das oder die Wärmerohre 116 mit der Fügefläche 105 bündig ab.
Fig. 10 zeigt schematisch den Unterschied des Grenzflächeninhalts (beispielsweise einer Wirkfläche) einer feinstrukturierten Fügefläche 105 und einer senkrecht zum Transport der Wärme projizierten Fläche, d.h. einer ebenen Querschnittsfläche senkrecht zum Transport (d.h. zur Richtung des Transports) der Wärme.
Die in Fig. 10 gezeigte Dreieck-Struktur ist ein schematisches Beispiel der Feinstrukturierung. Beispielsweise kann die feinstrukturierte Fügefläche 105 Erhebungen und/oder Vertiefungen, welche ihre Wirkfläche je Querschnittsfläche vergrößert. Beispielsweise kann ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche 105 zur Größe der Querschnittsfläche senkrecht zum Transport der Wärme größer als zwei sein. Die Feinstrukturierung kann eine Wirkfläche zwischen der ersten und zweiten Matenalkomponente vergrößern. Die Feinstrukturierung kann im Zuge der additiven Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts 106 und/oder des Wärmeabgabeabschnitts 102 oder 104 hergestellt werden.
Während mit Bezug auf Fig. 10 und die Grenzschicht der (ersten) Fügefläche 105 zwischen dem Wärmeaufnahmeabschnitt 106 und Wärmeabgabeabschnitt 102 o- der 104 eine Feinstrukturierung offenbart ist, kann gegebenenfalls die zweite Fügefläche 101 zwischen Wärmeverteiler 104 und Zwischenabschnitt 108 ebenso feinstrukturiert sein.
In jedem Ausführungsbeispiel kann die genannte additiven Fertigung eine additive Schmelzschichtung umfassen.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte erste und/oder zweite Materialkomponente an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste
Wärmebrücke 100
Wärmeabgabefläche des Wärmeabgabeabschnitts 101
Wärmeabgabeabschnitt als Kühlkörper, fachsprachlich auch: Heatsink 102
Optionale Fügefläche zwischen Kühlkörper und Wärmeverteiler 103
Wärmeabgabeabschnitt als Wärmeverteiler, fachsprachlich auch: Heatspreader 104
Fügefläche zwischen
Wärmeaufnahmeabschnitt und Wärmeabgabeabschnitt 105
Wärmeaufnahmeabschnitt aus Wärmeleitmaterial, fachsprachlich auch: Thermal Interface Material (TIM) 106
Anformbare Wärmekontaktfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts 107
Zwischenabschnitt 108
Anformbare Wärmekontaktfläche des Zwischenabschnitts 109
Elektrische Wärmequelle, beispielsweise Bauelement 110
Leiterplatte 112
Temperatursensor 114
Wärmerohr, fachsprachlich auch: Heatpipe 116
Wärmepfad 118
Separater Kühlkörper 120
Wärmeabgabefläche des separaten Kühlkörpers 121

Claims

27
Patentansprüche
1. Wärmebrücke (100) zum wärmeleitenden Transport von Wärme, umfassend:
- einen Wärmeabgabeabschnitt (102; 104), der eine Fügefläche (103; 105) und eine von der Fügefläche (103; 105) beabstandete Wärmeabgabefläche (101 ) aufweist, und der von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmeabgabefläche (101 ) eine erste Matenalkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) dazu ausgebildet ist, die Wärme von der Fügefläche (103; 105) zur Wärmeabgabefläche (101 ) wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche (101 ) abzugeben; und
- einen an der Fügefläche (103; 105) mit dem Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) stoffschlüssig verbundenen Wärmeaufnahmeabschnitt
(106), der eine durch Anpressdruck anformbare Wärmekontaktfläche
(107) aufweist und von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmekontaktfläche (107) eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, die von der ersten Matenalkomponente verschieden ist, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) dazu ausgebildet ist, die Wärme an der Wärmekontaktfläche (107) aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt (106) zum Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) wärmeleitend zu transportieren.
2. Wärmebrücke (100) nach Anspruch 1 , wobei die Fügefläche (103; 105) eine in die zweite Materialkomponente eingebettete Verästelung oder Wabenstruktur der ersten Materialkomponente aufweist.
3. Wärmebrücke (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmebrücke (100), optional der Wärmabgabeabschnitt (102; 104), einen Kühlkörper (102) und/oder einen Wärmeverteiler (104) umfasst.
4. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (104) dazu ausgebildet ist, die Wärme durch Wärmeleitung an einen Kühlkörper (102) abzugeben, oder wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102) oder der Kühlkörper (102) dazu ausgebildet ist, die Wärme durch Wärmestrahlung und/oder Wärmekonvektion an eine Umgebung der Wärmeabgabefläche (101 ) abzugeben.
5. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Materialkomponente ein Metall umfasst, und/oder wobei die zweite Matenalkomponente ein unter Standardbedingungen oder Normalbedingungen plastisches, elastisches, viskoses oder viskoelastisches Wärmeleitmaterial umfasst.
6. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) extrudiert, gegossen und/oder gesintert ist und/oder durch Zerspanen hergestellt oder nachbearbeitet ist, und/oder wobei der Wärmeabgabeabschnitt (104) aus der ersten Matenalkomponente mittels additiver Schmelzschichtung gefertigt ist.
7. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) stoffschlüssig auf der Fügefläche (103; 105) des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) mittels additiver Schmelzschichtung der zweiten Materialkomponente oder durch Aufträgen der zweiten Materialkomponente gefertigt ist.
8. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein die aufgenommene und transportierte Wärme erzeugendes elektrisches Bauteil als Wärmequelle (110) in die zweite Matenalkomponente des Wärmeaufnahmeabschnitts (106) eingebettet ist. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wärmeabgabefläche (101 ) des Wärmeabgabeabschnitts (104) eine zweite Fügefläche (101 ) ist und die Wärmebrücke (100) ferner umfasst:
- einen an der zweiten Fügefläche (101 ) mit dem Wärmeabgabeabschnitt (104) stoffschlüssig verbundenen Zwischenabschnitt (108), der eine durch Anpressdruck anformbare zweite Wärmekontaktfläche (109) aufweist und von der zweiten Fügefläche (101 ) bis zur zweiten Wärmekontaktfläche (109) die mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Materialkomponente umfasst, wobei der Zwischenabschnitt (108) dazu ausgebildet ist, die Wärme über die stoffschlüssige Verbindung von der zweiten Fügefläche (101 ) des Wärmeabgabeabschnitts (104) zur zweiten Wärmekontaktfläche (109) wärmeleitend zu transportieren, optional wobei der Zwischenabschnitt (108) auf einem Kühlkörper (120) mittels additiver Schmelzschichtung gefertigt ist, und der Wärmeabgabeabschnitt (104) ein aus der ersten Matenalkomponente auf dem Zwischenabschnitt (108) additiv gefertigter Wärmeverteiler ist. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wärmeabgabefläche (101 ) des Wärmeabgabeabschnitts (104) eine zweite Fügefläche (103) ist und die Wärmebrücke (100) ferner umfasst:
- Verbindungsmittel, die dazu ausgebildet sind, die zweite Fügefläche (103) des Wärmeabgabeabschnitts (104) unter plastischer Verformung der zweiten Fügefläche (103) mit einem Kühlkörper (120) zur Herstellung einer die Wärme leitenden Verbindung zu verpressen. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Fügefläche (105) und die zweite Fügefläche (101 ; 103) gegenüberliegende oder benachbarte Seiten des Wärmeabgabeabschnitts (104) sind. Wärmebrücke (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt (104) ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors eingebracht ist, und/oder wobei mittels der additiven Schmelzschichtung im Wärmeaufnahmeabschnitt (104) ein Wärmerohr zum konvektiven Transport der Wärme oder eine Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmerohrs eingebracht ist. Verfahren zur additiven Fertigung einer Wärmebrücke (100) zum wärmeleitenden Transport von Wärme, umfassend:
- Bereitstellen eines Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) der Wärmebrücke (100), der eine Fügefläche (103; 105) und eine von der Fügefläche (103; 105) beabstandet Wärmeabgabefläche (101 ) aufweist, und der von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmeabgabefläche (101 ) eine erste Matenalkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, wobei der Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) dazu ausgebildet ist, die Wärme von der Fügefläche (103; 105) zur Wärmeabgabefläche (101 ) wärmeleitend zu transportieren und an der Wärmeabgabefläche (101 ) abzugeben; und
- additive Fertigung eines Wärmeaufnahmeabschnitts (106) auf der Fügefläche (103; 105) zur stoffschlüssigen Verbindung mit dem Wärmeabgabeabschnitt (102; 104), wobei der Wärmeaufnahmeabschnitt (106) eine durch Anpressdruck anformbare Wärmekontaktfläche (107) aufweist und von der Fügefläche (103; 105) bis zur Wärmekontaktfläche (107) eine mittels additiver Schmelzschichtung aufgebaute zweite Matenalkomponente der Wärmebrücke (100) umfasst, die von der ersten Materialkomponente verschieden ist, wobei der Wärmeaufnahmeab- 31 schnitt (106) dazu ausgebildet ist, die Wärme an der Wärmekontaktfläche (107) aufzunehmen und über die stoffschlüssige Verbindung vom Wärmeaufnahmeabschnitt (106) zum Wärmeabgabeabschnitt (102; 104) wärmeleitend zu transportieren. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bereitstellen des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) der Wärmebrücke (100) eine additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) umfasst, und wobei die additive Fertigung des Wärmeaufnahmeabschnitts (106) die additive Fertigung des Wärmeabgabeabschnitts (102; 104) mittels Schmelzschichtung an der Fügefläche (103; 105) fortsetzt. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung größer als eine Schmelztemperatur der zweiten Matenalkomponente ist, und/oder wobei die zweite Matenalkomponente amorph ist und eine Temperatur der additiven Schmelzschichtung größer als eine Glasübergangstemperatur der zweiten Materialkomponente ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die zweite Materialkomponente die erste Matenalkomponente an der Fügefläche (103; 105) benetzt. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner umfassend: Feinstrukturieren der Fügefläche (105) oder der zweiten Fügefläche (101 ), wobei ein Verhältnis der tatsächlichen Größe der feinstrukturierten Fügefläche (105; 101 ) zur Größe der Querschnittsfläche senkrecht zum Transport der Wärme größer als zwei ist.
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