DE10013844A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls - Google Patents
Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen ModulsInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein elektronisches Bauelement umfasst, mit einem aus Kunststoff gebildeten Kühlkörper (1), wobei in den Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist, welcher insbesondere Kohlenstofffasern und/oder Metallgranulat umfasst.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Mo
duls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens
ein elektronisches Bauelement umfaßt, mit einem aus Kunst
stoff gebildeten Kühlkörper.
Die Wärmeabfuhr zur Kühlung von elektronischen oder elektri
schen Bauteilen und ganzen Baugruppen stellt wegen der stän
dig steigenden Integrationsdichte innerhalb der integrierten
Schaltungen und der Baugruppen sowie der rasant steigenden
Taktfrequenzen bzw. der zunehmenden Datenraten bei gleichzei
tiger Forderung nach kleineren Bauteil- bzw. Baugruppenabmes
sungen eine immer größere Herausforderung für Konstrukteure
und Anwender dar. Mit der Erhöhung der Leistungsdichte pro
Flächeneinheit sind effizientere Methoden zur Wärmeabfuhr
notwendig.
Es sind Kühlkörper bekannt, die aus Aluminium, Kupfer oder
Kupfer-Wolfram bestehen. Die üblicherweise bei der Herstel
lung derartiger metallischer Kühlkörper verwendeten Verfahren
umfassen das Fräsen, das Sägen von Kühlrippen und eine an
schließende Nachbearbeitung mittels Fräsens, das Stangenpres
sen von Aluminium oder das Aluminium-Druckgießen. Weiterhin
kann ein metallischer Kühlkörper mit Hilfe des pulvermetal
lurgischen Spritzgießens (Spritzguß-Sinterverfahren) herge
stellt werden. Bei all diesen Verfahren entstehen relativ
hohe Herstellungskosten. Darüber hinaus weisen die metalli
schen Kühlkörper im Vergleich zu den für die Ausbildung der
Bauelemente genutzten Halbleitern, wie Silizium und A3B5-
Halbleitern, und als Schaltungsträger bzw. Substrat genutzten
Keramiken einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf. Dieses führt bei der während des Betriebs der Bauele
mente auftretenden Erwärmung zu Materialspannungen.
Eine Verbesserung gegenüber den metallischen Kühlkörpern
stellen Kühlkörper aus Kunststoffmaterialien, wie Thermo
plaste oder Thermosets dar. Durch den Einsatz derartiger Ma
terialien kann der Herstellungsprozeß von Kühlkörpern einfa
cher und kostengünstiger gestaltet werden. Dieses gilt auch
für Kühlkörper, die hinsichtlich des Aufbaus mechanisch kom
pliziert gestaltet sind. Kühlkörper aus Kunststoff weisen im
Vergleich zu metallischen Kühlkörpern weiterhin den Vorteil
eines geringeren Gewichts auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zum Kühlen eines elektrischen Moduls der eingangs beschriebe
nen Art zu schaffen, die individuell für Anwendungen in Ver
bindung mit Modulen, bei denen sich die Module hinsichtlich
der Anzahl und der Anordnungen der in die Module integrierten
elektrischen/elektronischen Bauelemente unterscheiden,
anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den
Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist.
Der Erfindung liegt als wesentlicher Gedanke die Erkenntnis
zugrunde, daß mit Hilfe des Einlagerns eines Füllstoffs die
physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers aus Kunststoff
derart beeinflußt werden können, daß der Kühlkörper für die
jeweilige Anwendung, d. h. für das jeweilige elekrische Modul
mit seinen Bauelementen individuell angepaßt werden kann. Mit
Hilfe des Einbringens eines Füllstoffs in den Kühlkörper kön
nen die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers so ver
bessert werden, daß eine optimale Wärmeabfuhr von den elekt
rischen/elektronischen Bauelementen des Moduls erreicht wird.
Eine hinsichtlich einer hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Füllstoff
Kohlenstoffasern umfaßt. Kohlenstoffasern besitzen Wärmeleit
fähigkeiten, die größer als 1000 W/mK sein können. Im Ver
gleich dazu besitzen die Metalle, aus denen metallische Kühl
körper gebildet werden, wesentlich geringere Wärmeleitfähig
keiten. Die Wärmeleitfähigkeit für Aluminium beträgt bei
spielsweise ca. 200 W/mk. Für Kupfer und CuW 85/15 beträgt
die Wärmeleitfähigkeit 380 W/mK bzw. 230 W/mK.
Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers vorteil
haft anzupassen, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen sein, daß der Füllstoff ein Metallgranulat umfaßt.
Zweckmäßig stehen eine Menge der Kohlenstoffasern und eine
Menge des Metallgranulats in dem Kühlkörper in einem vorgege
benen Verhältnis zueinander, beispielsweise hinsichtlich der
Masse. Hierdurch können die physikalischen Eigenschaften des
Kühlkörpers in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wär
meausdehnungskoeffizienten optimiert werden.
Hinsichtlich einer optimalen Wärmeabfuhr ist bei einer vor
teilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der
Kühlkörper Kühlrippen aufweist.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
das mindestens eine elektrische oder das mindestens eine
elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement
ist, wodurch die Vorteile von Kühlkörpern aus Kunststoff mit
einem Füllstoff auch für optoelektronische Module nutzbar
ist.
Hinsichtlich einer optimierten Gewichtseinsparung ist bei
einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, daß nach dem
Anordnen des Kühlkörpers auf dem elektrischen Modul zwischen
mehreren elektrischen und/oder mehreren elektronischen Bau
elementen des Moduls und dem Kühlkörper ein Kontakt ausgebil
det ist, so daß der Kühlkörper zum Kühlen der mehreren
elektrischen und/oder der mehreren elektronischen Bauelemente
genutzt wird. Hierdurch leitet der Kühlkörper die erzeugte
Wärme von den mehreren Bauelementen ab. Für die einzelnen
Bauelemente des Moduls sind keine getrennten Kühlkörper not
wendig.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Kühlkörper 1, der aus einem Kunststoffma
terial gebildet ist. Der Kühlkörper 1 weist in Eckbereichen
Einschraubhülsen 2 auf. In die Einschraubhülsen 2 bei der
Montage des Kühlkörpers 1 auf einem elektrischen bzw.
elektronischen Modul (nicht dargestellt) Schrauben einge
schraubt, um den Kühlkörper 1 auf dem Modul zu befestigen.
Bei der Montage des Kühlkörpers 1 auf dem Modul wird ein Kon
takt zwischen einer unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1
und Bauelementen (nicht dargestellt) ausgebildet, die auf dem
Modul angeordnet sind. Mit Hilfe der Kontaktausbildung zwi
schen der unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 und den Bau
elementen auf dem Modul kann die in den Bauelementen erzeugte
Wärme abgeführt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, daß das elektrische bzw.
elektronische Modul zur Kontaktherstellung mit dem Kühlkörper
1 an der unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 angeklebt ist
(nicht dargestellt). In diesem Fall können die Einschraubhül
sen 2 gesetzt werden, um den Kühlkörper 1, an den das
elektrische bzw. elektronische Modul angeklebt ist, auf einer
Basis zu befestigen.
Der Kühlkörper 1 weist zur Vergrößerung seiner äußeren Ge
samtoberfläche Kühlrippen 4 auf, so daß die von den Bauele
menten auf den Kühlkörper 1 übergegangene Wärme besser an die
Umgebung des Kühlkörpers 1 abgegeben werden kann. Die Her
stellung des Kühlkörpers 1 aus Kunststoffmaterialien, wie
Thermoplaste oder Thermosets ermöglicht es, ein relativ hohes
Aspektverhältnis eines Rippenabstands 5 zu einer Rippenhöhe 6
auszubilden.
Die Herstellung des Kühlkörpers 1 aus Kunststoff ermöglicht
es weiterhin, daß der Kühlkörper 1 neben den Kühlrippen 4,
Absätze 7, Bohrungen 8 und krummlinig begrenzte Konturen 9
aufweist. Da die Herstellung des Kühlkörpers 1 aus Kunst
stoffmaterial die Möglichkeit schafft, solche mechanischen
Strukturen an dem Kühlkörper 1 auszubilden, kann der Kühlkör
per 1 auch als Träger für die elektrischen/elektronischen
Bauelemente dienen (nicht dargestellt), wobei die elektri
schen/elektronischen Bauelemente hierbei beispielsweise in
Ausnehmungen im Bereich der unteren Oberfläche 3 des Kühlkör
pers 1 angeordnet sind. Bei den elektrischen/elektronischen
Bauelementen kann es sich um optoelektronische Bauteile, ins
besondere Sende- und Empfangsbauteile handeln.
In den Kühlkörper 1 sind zur Optimierung der physikalischen
Eigenschaften des Kühlkörpers 1, insbesondere hinsichtlich
der Wärmeleitfähigkeit und/oder des Wärmeausdehnungskoeffi
zienten, Kohlenstoffasern und/oder ein Metallgranulat
eingelagert. Mit Hilfe der Abstimmung des Verhältnisses,
beispielsweise hinsichtlich Gesamtmasse der eingelagerten
Kohlenstofffasern und der Metallgranulate zueinander können
die physikalischen Eigenschaften an den Kühlbedarf des
jeweiligen Moduls angepaßt werden, für welches der Kühlkörper
1 genutzt wird. Als Material für das Metallgranulat ist
beispielsweise Kupfer geeignet.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls, welches
mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein
elektronisches Bauelement umfaßt, mit einem aus Kunststoff
gebildeten Kühlkörper (1), dadurch gekenn
zeichnet, daß in den Kunststoff ein Füllstoff
eingelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern um
faßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Füllstoff ein Metallgra
nulat umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Menge der Kohlenstoffa
sern und eine Menge des Metallgranulats in dem Kühlkörper
(1) in einem vorgegebenen Verhältnis, beispielsweise hin
sichtlich der Masse, zueinander stehen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper
(1) Kühlrippen (4) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß das mindestens
eine elektrische oder das mindestens eine elektronische
Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß nach dem
Anordnen des Kühlkörpers (1) auf dem elektrischen Modul
zwischen mehreren elektrischen und/oder mehreren
elektronischen Bauelementen des Moduls und dem Kühlkörper
(1) ein Kontakt ausgebildet ist, so daß der Kühlkörper (1)
zum Kühlen der mehreren elektrischen und/oder der mehreren
elektronischen Bauelemente genutzt wird.
Priority Applications (2)
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