DE10134187A1 - Kühleinrichtung für Halbleitermodule - Google Patents

Kühleinrichtung für Halbleitermodule

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Abstract

Es wird eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen sowie Halbleitermodulen insbesondere von Halbleitermodulen der Leistungsklasse vorgestellt. Auf Grund der geringen Flächenausdehnung bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit moderner Halbleiterbauelemente ist eine effiziente und über die gesamte Lebensdauer bleichbleibend effiziente Kühlung der Halbleiterbauelemente bzw. von daraus aufgebauten Halbleitermodulen unerlässlich. Die vorgestellte Kühleinrichtung besteht aus zweidimensional, matrixartig in mindestens zwei Reihen und mindestens zwei Spalten angeordneten Einzelkühlelementen, wobei jedes Einzelkühlelement thermisch mit dem zu kühlenden Halbleitermodul 1 verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen sowie Halbleitermodulen insbesondere von Halbleitermodulen der Leistungsklasse. Auf Grund der geringen Flächenausdehnung bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit moderner Halbleiterbauelemente ist eine effiziente und über die gesamte Lebensdauer gleichbleibend effiziente Kühlung der Halbleiterbauelemente bzw. von daraus aufgebauten Halbleitermodulen unerlässlich. Eine Verringerung der Kühlleistung geht in den meisten Fällen mit einem Ausfall oder doch zumindest mit einer deutlich verminderten Leistungsfähigkeit der Bauelemente bzw. der Module einher. Aus diesem Grund muss der Kühleinrichtung sowie deren thermischen Anschluss an die zu kühlenden Bauelemente bzw. Module besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
  • Zu kühlende Halbleitermodule sind nach dem Stand der Technik aufgebaut auf keramischen Substraten wie sie beispielsweise nach der US 3,744,120 hergestellt werden. Als Keramiken kommen häufig Aluminiumoxid oder auch Aluminiumnitrid zum Einsatz.
  • Stand der Technik und seine Nachteile
  • Beispiele für moderne Leistungshalbleitermodule mit entsprechend hohen Anforderungen an die dafür benötigten Kühleinrichtungen finden sich beispielhaft in der DE 196 30 173 C1 sowie in der DE 101 27 947 A1. In derartigen Modulen werden moderne Leistungshalbleiterbauelemente wie MOSFETs oder IGBTs (insulated gate bipolar transistor) eingesetzt, die eine Wärmeabgabe in Größenordnung von 500 W/cm2 erzeugen. Für die Abführung derartiger Wärmemengen werden nach dem Stand der Technik Kühleinrichtungen verwendet, die sich in ihrer prinzipiellen Ausführung alle ähneln. Auch die Anordnungen zu dem zu kühlenden Bauelement bzw. dem Modul sind weitgehend identisch. Zur thermischen Ankopplung werden unterschiedliche Verfahren verwendet.
  • Eine Kühleinrichtung nach dem aktuellen Stand der Technik, wie er beispielsweise in der DE 198 52 933 A gezeigt ist, besteht aus einem Grundkörper mit daran angeordneten flächig ausgedehnten Kühlrippen. Die bekanntesten einstückigen Ausgestaltungen derartiger Kühleinrichtungen sind Strangpressprofile, wie sie kostengünstig aus Aluminium hergestellt werden können. Bei derartigen Strangpressprofilen können die Kühlrippen mit planer Oberfläche oder mit längs der Kühlrippen parallel zum Grundkörper verlaufenden Strukturen versehen sein. Effizientere Ausgestaltungen des gleichen Grundgedankens sind aus der DE 198 52 933 A bekannt, hierbei werden die Kühlrippen gesondert auf dem Grundkörper befestigt. Dies erlaubt flexiblere Ausgestaltungen der Kühlrippen und damit eine höhere Kühlleistung der Kühleinrichtungen.
  • Beispielsweise in der DE 198 06 978 A wird eine weitere Abwandlung des Grundgedankens bekannter Kühleinrichtungen mit einem Grundkörper und darauf angeordneten Kühlelementen vorgestellt. Hierbei sind die Kühlelemente nicht als flächige Kühlrippen, sondern als Wellrippen angeordnet.
  • Allen dem bisher genannten Stand der Technik zuordenbaren Kühleinrichtungen ist gemeinsam, dass der thermische Kontakt zwischen der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul über den flächig ausgedehnten Grundkörper der Kühleinrichtung hergestellt wird. Zur Verbindung werden sowohl stoffbündige als auch stoffschlüssige Verfahren angewandt.
  • Zu den stoffschlüssigen Verfahren zählt als das bekannteste das Löten des Grundkörpers auf das zu kühlenden Bauelement bzw. Modul. Die stoffschlüssige Aufbautechnologie weist im wesentlichen zwei Nachteile auf:
    • 1. Großflächige Lötverbindungen wie sie speziell bei Halbleitermodulen notwendig sind, sind technologisch schwer beherrschbar. Eine homogene, lunkerfreie Lötung großer Flächen ist nur mittels aufwendiger Verfahren wie sie beispielhaft in der DE 199 11 887 C1 vorgestellt werden, realisierbar. Wobei auch diese Verfahren bei zunehmender Größe der zu verbindenden Flächen die oben genannten Problemen aufwerfen.
    • 2. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von keramischen Substraten liegt bei Werten von kleiner 8 × 10-6/K. Dem gegenüber steht der thermische Ausdehnungskoeffizient von typischen metallischen Kühleinrichtungen bei 17 bis 26 × 10-6/K. Dies führt skalierend mit der Ausdehnung der stoffschlüssigen Verbindung zu zunehmenden Problemen während des Betriebs, da bei Leistungshalbleitermodulen je nach Anwendung Temperaturänderungen von bis zu 150K auftreten. Diese Temperaturänderungen in Verbindung mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen über die Lebensdauer eines Bauelements bzw. Moduls zu einer lokalen oder vollständigen Zerstörung der stoffschlüssigen Verbindung. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der übertragbaren Wärmelast. Die hieraus folgende Erhöhung der Temperatur der Halbleiterbauelemente führt zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit oder zum vorzeitigen Ausfall.
  • Zu den stoffbündigen Verfahren zählt beispielhaft die Druckkontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls mit der Kühleinrichtung, wie sie in der EP 0 597 254 B1 beschrieben ist. Hierbei wird das Halbleitermodul mittels einer Druckeinrichtung auf den Grundkörper der Kühleinrichtung gedrückt. Um einen über die Kontaktfläche homogenen Wärmeübergang zu gewährleisten, wird zwischen die Keramik des Moduls und den Grundkörper des Kühlelements ein wärmeleitendes pastöses oder elastisches Medium eingebracht. Nachteilig an dieser Aufbautechnologie ist der Wärmewiderstand dieses wärmeleitenden Mediums. Derartige Schichten tragen zu mehr als 50% zum Wärmewiderstand der Gesamtanordnung aus Halbleitermodul und Kühleinrichtung bei.
  • Für Halbleitermodule ist eine weitere Ausgestaltung von Kühleinrichtungen beispielsweise aus der DE 198 53 750 A1 bekannt. Hierbei ist die Kühleinrichtung in ein Substrat, das als Basis eines Halbleitermoduls dient, integriert. Es entfällt somit die zusätzliche thermische Ankopplung durch den integrierten Aufbau des Moduls und der Kühleinrichtung. Nachteilig an dieser Ausgestaltung sind einerseits die hohen Kosten für deren Herstellung sowie andererseits die räumliche Gestalt der in das Substrat integrierten Kühleinrichtung. Diese erfordert einen wesentlich aufwendigeren Fertigungsprozess, da derartige Substrate mit integrierter Kühleinrichtung nicht auf Standardmaschinen verarbeitet werden können. Derartige Standardmaschinen sind auf die Fertigung von Halbleitermodulen ausgelegt, bei denen ein nachträgliches Anbringen der Kühleinrichtung vorgesehen ist.
    • Aufgabe
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Kühleinrichtung zur Verwendung verschiedener Kühlmedien vorzustellen, die eine effiziente Kühlung von einzelnen Halbleiterbauelementen oder von Halbleiterbauelementen sowie anderen Bauelementen als Bestandteilen von Halbleitermodulen gewährleistet, wobei stoffschlüssige wie auch stoffbündige Verbindungstechniken eingesetzt werden können, wobei auf großflächige stoffschlüssige Verbindungen verzichtet werden kann.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
  • Der Grundgedanke der Erfindung ist, bei einer Kühleinrichtung auf einen gemeinsamen großflächigen Grundkörper, auf dem mehrere Kühlelemente angeordnet sind und der räumlich zwischen dem zu kühlenden Bauelement bzw. Modul und den einzelnen Kühlelementen angeordnet ist, zu verzichten.
  • Die Wärmeableitung von einem Halbleiterbauelement oder Halbleitermodul erfolgt über einzelne Kühlelemente, die ihrerseits aus einem Grundkörper und einer fingerartigen Fortsetzung bestehen, wobei der Grundkörper keine größere laterale Ausdehnung als die fingerartige Fortsetzung aufweisen muss. Diese einzelnen Kühlelemente sind matrixartig in Reihen und Spalten an der zu kühlenden Oberfläche angeordnet. Falls es durch die Verwendung eines beispielsweise flüssigen Kühlmediums oder die Aufbautechnologie gefordert ist, können alle oder nur Gruppen von einzelnen Kühlelementen mit jeweils einem weiteren Teilkörper, der sich auf der dem zu kühlenden Bauelement oder Modul abgewandten Seiten der Kühlelemente befindet, verbunden sein. Die nicht dem zu kühlenden Bauelement oder Modul zugewandten Oberflächen der einzelnen Kühlelementen können glatte oder zur besseren Wärmeableitung beliebig strukturierte Oberflächen aufweisen.
    • Ausführungsbeispiel/e
  • Spezielle Ausgestaltungen der erfinderischen Lösungen werden an Hand der Fig. 1 bis 5 erläutert.
  • Fig. 1 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener Kühleinrichtung nach dem Stand der Technik.
  • Fig. 2 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung gebildet aus in ihrem Querschnitt runden Kühlelementen.
  • Fig. 3 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung gebildet aus in ihrem Querschnitt eckigen Kühlelementen.
  • Fig. 4 zeigt verschiedene Ausgestaltungsformen der erfinderischen Kühlelemente.
  • Fig. 5 zeigt ein Halbleitermodul mit stoffschlüssig verbundener erfinderischer Kühleinrichtung.
  • Fig. 1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse, ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem keramischen Substrat 10 mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten metallkaschierten und strukturierten Flächen 11 sowie auf seiner zweiten Hauptfläche angeordneter vollflächigen Metallkaschierung 12. Derartig metallkaschierte Substrate 1 sind beispielsweise als DCB- (direct copper bonding) Substrate bekannt. Auf der metallkaschierten Fläche 11 befinden sich löttechnisch 13 aufgebrachte Bauelemente 14, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Leistungsdioden, Widerstände oder Sensoren. Einige dieser Bauelemente sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehende Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an die DCB 1 abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer großflächigen Lötverbindung 20 auf das Kühlelement 200 abgeleitet. Das Kühlelement besteht nach dem Stand der Technik aus einem der DCB zugewandten Grundkörper 220 sowie darauf angeordneten flächigen Kühlrippen 210. Gleichfalls dem Stand der Technik entspricht ein stoffbündiger Anschluss des Kühlelements 200 mittels eines druckkontaktierten Aufbaus, wobei die DCB zur thermischen Verbindung auf das Kühlelement gedrückt wird und anstelle der Lötverbindung 20 eine geeignete Wärmeleitpaste eingebracht ist.
  • Fig. 2 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche der DCB 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen angeordnet. Als stoffschlüssige Verbindungen eignen sich für diese Anordnung alle nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie beispielsweise Löten, Kleben oder Schweißen.
  • Die einzelnen Kühlelemente sind matrixartig, das heißt in Reihen und Spalten mit jeweils gleichem Abstand der einzelnen Kühlelemente zueinander angeordnet. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem zylinderförmigen Grundkörper 31 mit einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32, welche sich zur von der DCB 1 abgewandten Seite des Kühlelements 3 hin verjüngt.
  • Fig. 3 zeigt ebenfalls in einer dreidimensionalen Darstellung den Blick auf die zweite Hauptfläche der DCB 1. Auf der metallischen Kaschierung 12 des keramischen Substrats 10 ist die erfinderische Kühleinrichtung 4 bestehend aus einzelnen Kühlelementen 3 stoffschlüssig aufgebracht.
  • Die einzelnen Kühlelemente 3 sind matrixartig, in Gruppen mit unterschiedlichem Abstand der Gruppen zueinander sowie in den Gruppen mit unterschiedlichen Abständen der Kühlelemente 3 zueinander angeordnet. Es erweist sich als vorteilhaft Gruppen an denjenigen Stellen der DCB 1 zu bilden, an denen die größte Wärmelast abgeführt werden muss. Jedes Kühlelement 3 der Kühleinrichtung 4 besteht seinerseits aus einem quaderförmigen Grundkörper 31 mit einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der Grundkörper 31. Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung in Gruppen einzelner Kühlelemente können, um den unterschiedlichen abzuführenden Wärmelasten gerecht zu werden, Kühlelement unterschiedlicher Form, Größe oder Oberflächengestaltung in einer Kühleinrichtung verwendet werden.
  • Fig. 4 zeigt einige verschiedene Ausgestaltungen der erfinderischen Kühlelemente 3. Fig. 4a) zeigt ein einzelnes Kühlelement aus der Fig. 2 mit einem zylindrischen Grundkörper 31 und einer kegelstumpfförmigen Erhebung 32. Fig. 4b) zeigt ein einzelnes Kühlelement, ähnlich Fig. 3, mit einem quaderförmigen Grundkörper 31 und einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit kleinerer Grundfläche als der zugehörige Grundkörper. Fig. 4c) zeigt ein zylindrisches Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. Fig. 4d) zeigt ein quaderförmiges Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 sowie die Erhebung 32 identische Grundflächen aufweisen. Fig. 4e) zeigt ein Kühlelement, bei dem der Grundkörper 31 quaderförmig sowie die Erhebung 32 kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Fig. 4f) zeigt ein Kühlelement mit zylindrischem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls zylindrischen Erhebung 32, deren Oberfläche zur besseren Wärmeableitung wellenförmig strukturiert ist. Fig. 4g) zeigt ein Kühlelement mit quaderförmigem Grundkörper 31 sowie einer ebenfalls quaderförmigen Erhebung 32 mit jeweils gleichen Grundflächen, wobei die nicht zum thermischem Kontakt mir der DCB 1 benötigten Oberflächen zur besseren Wärmeableitung sägezahnartig strukturiert sind. Fig. 4h) zeigt ein Kühlelement 3 als Teil einer erfinderischen Kühleinrichtung 4 mit einem quaderförmigen Grundkörper und mehr als einer, hier drei kegelstumpfförmigen Erhebungen 32.
  • Die einzelnen Kühlelemente 3 der Kühleinrichtung 4 können jeweils einstückig aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Falls es technisch erforderlich ist, kann der Grundkörper 31 eines Kühlelements 3 aus einem anderen Werkstoff als die zugehörige Erhebung 32 bestehen.
  • Fig. 5 zeigt ein Leistungshalbleitermodul bestehend aus einem nicht dargestellten Gehäuse, ebenfalls nicht dargestellten Anschlusselementen und einem DCB- Substrat 1, wobei sich auf der metallkaschierten Fläche 11 löttechnisch 13 aufgebrachte Bauelemente 14 befinden. Einige dieser Bauelemente 14 sind mittels Bondverbindungen 15 mit weiteren metallkaschierten Flächen verbunden. Die in den Bauelementen 14 entstehenden Wärme wird zum überwiegenden Teil über das Lot 13 an die DCB 1 abgegeben. Von dort wird die Wärme mittel einer stoffschlüssig, beispielhaft mittels Lot 20, mit der DCB 1 verbundenen erfinderischen Kühleinrichtung 4 an ein Kühlmedium abgegeben. Eine Mehrzahl von einzelnen Kühlelementen 3 sind hier mittels eines weiteren Teilkörpers 33 mit der Kühleinrichtung 4 verbunden. Dies kann technisch erforderlich sein, wenn
    • - als Kühlmedium eine Flüssigkeit verwendet wird und durch den Teilkörper 33 ein geschlossener Kühlmittelkreislauf erreicht werden kann; und/oder
    • - als Verbindung zwischen der DCB 1 und dem Kühlelement 4 eine Druckkontaktierung verwendet wird. Hierbei ist es vorteilhaft das Kühlelement 4 in größeren Einheiten von Kühlelementen 3 mit der DCB 1 zu verbinden. In diesem Fall würde das Lot 20 durch ein wärmeleitendes Medium ersetzt werden können.
  • Die vorgestellte erfinderische Kühleinrichtung 4 weist gegenüber Kühleinrichtungen nach dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:
  • Bei stoffschlüssigen Verbindungen sind nur kleinflächige Verbindungsflächen vorhanden. Daher werden die Auswirkungen thermischer Ausdehnungseffekte vermindert oder vollständig verhindert.
  • Bei stoffbündigen sowie stoffschlüssigen Verbindungen wird die Wärme dezidiert an den Stellen abgeleitet, an denen sie auftritt.
  • Es können beliebige gasförmige oder flüssige Kühlmedien verwendet werden.

Claims (11)

1. Kühleinrichtung 4 für Halbleitermodule wobei die Kühleinrichtung aus zweidimensional, matrixartig in mindestens zwei Reihen und mindestens zwei Spalten angeordneten Einzelkühlelementen 3 besteht wobei jedes Einzelkühlelement thermisch mit dem zu kühlenden Halbleitermodul 1 verbunden ist.
2. Kühleinrichtung 4 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelkühlelement 3 aus zwei Teilkörpern einem dem zu kühlenden Halbleitermodul zugewandten Grundkörper 31 und einer auf diesem Grundkörper angeordneten finger- oder plattenartigen Erhebung 32 besteht.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Einzelkühlelement 3 zumindest teilweise strukturiert ausgeführt sind.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper 31 sowie die fingerartige Erhebung 32 des Einzelkühlelement 3 eine runden oder eckigen Querschnitt aufweist.
5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Kühleinrichtung 4 bildenden Einzelkühlelement 3 auf Grund der abzuführenden Wärmemengen unterschiedliche Ausgestaltungen hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen sowohl in der Länge der Breite bzw. des Durchmessers als auch hinsichtlich der Höhe sowohl der Grundkörper 31 als auch der fingerartigen Erhebungen 32 aufweisen.
6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper 31 und/oder die fingerartigen Erhebungen 32 eines Einzelkühlelements 3 sich in Richtung ihres dem Halbleitermodul 1 abgewandten Endes hin verjüngen.
7. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens jeweils zwei der Einzelkühlelemente 3 auf ihrer dem Halbleitermodul 1 abgewandten Seite mittels eines weiteren Teilkörpers 33 verbunden sind.
8. Kühleinrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkörpern der Einzelkühlelement 3 einstückig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt sind.
9. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen zwischen den die Kühleinrichtung 4 bildenden Einzelkühlelement 3 und dem Halbleitermodul stoffschlüssig mittels löten, kleben oder schweißen ausgeführt ist.
10. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen zwischen den die Kühleinrichtung 4 bildenden Einzelkühlelement 3 und dem Halbleitermodul stoffbündig mittels einer das Halbleitermodul mit der Kühleinrichtung 4 verbindenden Druckeinrichtung ausgeführt ist.
11. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium gasförmige oder flüssige Stoffe verwendet werden können.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2956558A1 (fr) * 2010-02-18 2011-08-19 Airbus Operations Sas Module electronique a dissipation thermique amelioree
DE102010029869A1 (de) * 2010-06-09 2011-12-15 Zf Friedrichshafen Ag Kühlvorrichtung
DE102007015293B4 (de) * 2006-03-30 2013-06-27 Dowa Metaltech Co., Ltd. Metall/Keramik-Verbindungssubstrat mit Wärmeabstrahlkörper
WO2014173419A1 (en) * 2013-04-23 2014-10-30 Alexiou & Tryde Holding Aps Heat sink having a cooling structure with decreasing structure density
DE102016208919A1 (de) * 2016-05-24 2017-11-30 Robert Bosch Gmbh Kühlkörper zur Kühlung elektronischer Bauelemente

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007019885B4 (de) 2007-04-27 2010-11-25 Wieland-Werke Ag Kühlkörper mit matrixförmig strukturierter Oberfläche
DE102009029476B4 (de) 2009-09-15 2012-11-08 Lisa Dräxlmaier GmbH Elektronische Vorrichtung zum Schalten von Strömen und Herstellungsverfahren für dieselbe

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4541004A (en) * 1982-11-24 1985-09-10 Burroughs Corporation Aerodynamically enhanced heat sink
EP0219657A2 (de) * 1985-10-16 1987-04-29 International Business Machines Corporation Zusammengesetzte Vorrichtung zur Wärmeabteilung mit abwechselnd gewandten Rippen versehenen Stiften für einen von oben nach unten verlaufenden Strom
JPH0637218A (ja) * 1992-07-20 1994-02-10 Fujitsu Ltd 半導体装置
DE4418611A1 (de) * 1993-07-30 1995-02-02 Fujitsu Ltd Halbleiterelementkühlvorrichtung

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3744120A (en) * 1972-04-20 1973-07-10 Gen Electric Direct bonding of metals with a metal-gas eutectic
DE4237632A1 (de) * 1992-11-07 1994-05-11 Export Contor Ausenhandelsgese Schaltungsanordnung
DE19630173C2 (de) * 1996-07-26 2001-02-08 Semikron Elektronik Gmbh Leistungsmodul mit Halbleiterbauelementen
DE19806978B4 (de) * 1998-02-19 2008-08-21 Behr Gmbh & Co. Kg Kühlvorrichtung zur Kühlung durch Konvektion
DE19852933A1 (de) * 1998-11-17 2000-05-18 Joachim Glueck Kühlkörper zum Kühlen von Elementen
DE19853750A1 (de) * 1998-08-04 2000-02-17 Schulz Harder Juergen Kühler zur Verwendung als Wärmesenke für elektrische oder elektronische Komponenten
DE19911887C1 (de) * 1999-03-17 2000-12-21 Asscon Systech Elektronik Gmbh Verfahren zum Reflow-Löten in einer Dampfphasenvakuumlötanlage
DE10127947C1 (de) * 2001-08-22 2002-10-17 Semikron Elektronik Gmbh Schaltungsanordnung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4541004A (en) * 1982-11-24 1985-09-10 Burroughs Corporation Aerodynamically enhanced heat sink
EP0219657A2 (de) * 1985-10-16 1987-04-29 International Business Machines Corporation Zusammengesetzte Vorrichtung zur Wärmeabteilung mit abwechselnd gewandten Rippen versehenen Stiften für einen von oben nach unten verlaufenden Strom
JPH0637218A (ja) * 1992-07-20 1994-02-10 Fujitsu Ltd 半導体装置
DE4418611A1 (de) * 1993-07-30 1995-02-02 Fujitsu Ltd Halbleiterelementkühlvorrichtung

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007015293B4 (de) * 2006-03-30 2013-06-27 Dowa Metaltech Co., Ltd. Metall/Keramik-Verbindungssubstrat mit Wärmeabstrahlkörper
FR2956558A1 (fr) * 2010-02-18 2011-08-19 Airbus Operations Sas Module electronique a dissipation thermique amelioree
DE102010029869A1 (de) * 2010-06-09 2011-12-15 Zf Friedrichshafen Ag Kühlvorrichtung
WO2014173419A1 (en) * 2013-04-23 2014-10-30 Alexiou & Tryde Holding Aps Heat sink having a cooling structure with decreasing structure density
CN105144374A (zh) * 2013-04-23 2015-12-09 亚历克西乌和特里德控股公司 包括具有减小的结构密度的冷却结构的散热器
DE102016208919A1 (de) * 2016-05-24 2017-11-30 Robert Bosch Gmbh Kühlkörper zur Kühlung elektronischer Bauelemente

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