DE10157240B4

DE10157240B4 - Kühlkörper und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE10157240B4
Application number: DE2001157240
Authority: DE
Inventors: Dr. Graf Werner J.
Original assignee: Aleris Aluminum Vogt GmbH
Current assignee: ST Extruded Products Germany GmbH
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: DE10157240A1

Abstract

Kühlkörper für insbesondere elektronische Bauelemente, mit einer Grundplatte (1), die an einer Seite mit einer Anzahl von Nuten (2) bzw. Längsrillen mit einer kleinsten vorbestimmbaren Breite (b) versehen ist, und voneinander beabstandeten Kühlrippen (3), deren Sockelbereiche (S) unter Bildung von wärmeübertragenden Kontaktflächen mit Nutenwänden (4) in den Nuten (2) festliegen, wobei die Kühlrippenoberfläche (7) im Sockelbereich (S) mit zur Oberfläche (11) der Grundplatte (1) im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Ausformungen (6) versehen ist, wobei die kleinste Breite (d) der Kühlrippe (3) im Sockelbereich (S) kleiner und die grö(S) größer ist als die kleinste vorbestimmbare Breite (b) der Nut (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2) ebene Nutenwände (4) und eine von der Oberfläche (11) der Grundplatte (1) bis zum Sockelgrund (5) der Nut (2) gleichbleibende kleinste vorbestimmbare Breite (b) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper für insbesondere elektronische Bauelemente nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7, wie aus der JP 11-074 429 A bekannt.
Ähnliche Kühlkörper sind ebenfalls bereits bekannt ( EP 0 696 160 A2 ; EP 0 789 396 A2 ; EP 0 795 905 A2 ; DE 296 02 367 U1 ; DE 43 14 663 A1 ) und werden dadurch hergestellt, daß zunächst der insbesondere zur Bestückung mit den elektrischen oder elektronischen Bauelementen dienende Basisteil bzw. die auf beispielsweise Transistoren und Thyristoren aufzubringende Grundplatte stranggepresst oder gefräst und mit Längsnuten versehen wird, worauf im Querschnitt U-förmige oder mäanderförmige oder einzelne plattenförmige Kühlrippen in die Längsnuten eingelötet oder mittels zwischen die Längsnuten einbringbare Verformungswerkzeuge eingepresst werden, um hierdurch eine gute wärmeleitfähige Kontaktierung zwischen Grundplatte und Kühlrippen zu bilden um im elektronischen Bauteil entstandene Wärme schnell über die Grundplatte und über die freiliegenden Oberflächen der Kühlrippen abführen zu können.
Dabei ist es auch bekannt ( US 5 038 858 A und 5 771 966 A ), plattenförmige Kühlrippen in Längsnuten von plattenförmigen Basisteilen einzupressen. Um die Kontaktierung an den Fußenden im Sockelbereich der Kühlrippen zu erleichtern sind die Längsnuten in der Grundplatte im Querschnitt schwalbenschwanzförmig oder hakenförmig ausgebildet.
Weiterhin ist es bekannt ( WO 87/02443 A1 ), plattenförmige oder im Querschnitt U-förmige Kühlrippen am Fußende an die Oberfläche eines als Grundplatte dienenden Plattenkörpers anzuschweißen.
Weiterhin ist es bekannt ( DE 35 18 310 C2 ; DE 43 14 663 A1 ), den Sockelbereich der Kühlrippen mit wellenförmigen Ausformungen zu versehen, die längs der Kühlrippe und parallel zum Nutengrund des Basisteils verlaufen und so eine Kontaktierung mit den Nutenwänden beim späteren Verformen der Nutenwände hin zur Kühlrippe verbessern.
Schließlich ist es auch bekannt ( DE 25 02 472 C2 ), die Kühlrippen mit im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte verlaufenden Ausformungen zu versehen, die sich beim Einpressen der Kühlrippen in die Grundplatte entsprechend verformen. Eine senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte verlaufende Ausformung schränkt jedoch die Möglichkeiten der Ausbildung der Kühlrippe oberhalb des Sockelbereichs und somit die Gestaltungsmöglichkeiten der Kühleigenschaften einer solchen Kühlrippe ein.
Die Druckschrift JP 11-074429 A offenbart einen Kühlkörper, der Nuten umfasst. Die Nutenwände dieses Kühlkörpers weisen Ausnehmungen auf (siehe 2 und 10). Dabei passen die überstehenden Fassungen der Kühlrippen genau in die Ausnehmungen der Nuten.
Die Druckschrift EP 0 789 396 A2 offenbart einen Kühlkörper mit Nuten (22) sowie Kühlrippen (26) mit Kupplungssockel (28), wobei die Nutenwände eben sind. Der Kühlkörper dieser Druckschrift besitzt zusätzliche keilförmige Nuten (24). Die zusätzlichen Nuten (24) dienen als Hilfsnuten zur zeitweiligen Aufnahme eines Werkzeugs, mit dem zunächst der obere Bereich der Nut (22) in Richtung des Kupplungssockels (28) verformt wird. Mit zunehmender Eindringtiefe des Werkzeugs in die Hilfsnut (24) baut sich eine Vertikalkraft auf,. die den Kupplungssockel (28) auf den Nutgrund (34) drückt. Des Weiteren zeigt 2, dass der Kupplungssockel (28) kleinere Maße aufweist als die dazugehörige Nut (22).
Die Druckschrift DE 296 02 367 U1 offenbart einen Kühlkörper, der zwei verschiedene Arten von Nuten aufweist (vgl. 4). Die erste Nutenart (24) besitzt eine aufgeweitete Struktur während die zweite Nutenart (22) ebene Wände (27) aufweist. Die entsprechende Beschreibung offenbart, dass die ebene Nut (22) 5.7 mm breit ist und die Kühlrippe (30), die in die Nut (22) eingesetzt wird, eine Breite von 5.5 mm hat.
Die Druckschrift DE 25 02 472 C2 offenbart einen Kühlkörper, bei dem die Nutwände Ausnehmungen aufweisen, d. h. die Nuten sind nicht eben.
Grundsätzlich ist bei der Herstellung derartiger Kühlkörper darauf zu achten, daß, wenn möglich, die Gestaltung der Kühlrippe als solches unabhängig vom Sockelbereich der Kühlrippe durchführbar ist, da die Anforderungen an den Sockelbereich hinsichtlich Kontaktierung und Wärmeleitfähigkeit andere sind als die Anforderungen an die Kühlrippe selbst, die eine gute Luftzirkulation und eine grosse Oberfläche bei kleinen Abmessungen gewährleisten muß. Es hat sich gezeigt, daß alle vorbeschriebenen Maßnahmen die Herstellung solcher Kühlkörper erschweren und verhältnismäßig hohe Kosten verursachen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Kühlkörpers der eingangs genannten Gattung zu vereinfachen, ohne daß die Stabilität der Kühlrippen und die Wärmeableiteigenschaften des Kühlkörpers beeinträchtigt werden, wobei gleichzeitig eine Gestaltungsunabhängigkeit des Sockelbereichs der Kühlrippe von dem über der Oberfläche der Grundplatte hinausstehenden Teil der Kühlrippe erreicht werden soll.
Die Erfindung ist in den Patentansprüchen 1 und 7 gekennzeichnet. Die Unteransprüche beanspruchen besonders bevorzugte Ausbildungen der Erfindung.
Der Kühlkörper nach der Erfindung ist mit einer Grundplatte ausgestattet, die an einer Seite mit einer Anzahl von Nuten bzw. Längsrillen mit einer kleinsten vorbestimmbaren Breite versehen ist. In diesen Nuten liegen voneinander beabstandete Kühlrippen fest, indem deren Sockelbereiche unter Bildung von wärmeübertragenden Kontaktflächen mit Nutenwänden der Nuten in Verbindung stehen. Die Kühlrippenoberfläche im Sockelbereich der Kühlrippe ist dabei mit zur Oberfläche der Grundplatte im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Ausformungen versehen. Diese Ausformungen sind derart gestaltet, daß die kleinste. Breite der Kühlrippe im Sockelbereich kleiner und die größte Breite der Kühlrippe im Sockelbereich grösser ist als die kleinste vorbestimmbare Breite der Nut der Grundplatte. Mit anderen Worten sind die Ausformungen im Sockelbereich der Kühlrippe längs verlaufend und parallel zum Nutengrund der Nut derart mit Bergen und Tälern versehen, daß diese jeweils gegenläufig zur Mittelachse der Kühlrippe geformt sind und zwischen Tälern jeweils die kleinste Breite der Kühlrippe im Sockelbereich und zwischen Bergen jeweils die grösste Breite der Kühlrippe im Sockelbereich besteht.
Gemäß der Erfindung weisen die Nuten ebene Nutenwände und eine von der Oberfläche der Grundplatte bis zum Sockelgrund der Nut hin gleichbleibende kleinste vorbestimmbare Breite auf. Die Nuten stellen somit rechteckförmige ggf. leicht konisch zum Nutengrund hin enger werdende jedoch mit ebenen Nutenwänden versehene U-förmige Rillen dar, in welche die ausgeformten Kühlrippen mit Übermaß eingepresst werden können.
Mit Vorteil sind die Ausformungen im Sockelbereich der Kühlrippen wellenförmig mit Tälern und Bergen gestaltet. Diese Ausformungen können beliebig gestaltet werden, solange die grösste Breite der Kühlrippe grösser ist als die kleinste vorbestimmbare Breite der Nut. Insbesondere eignen sich sägezahnartige, rechteckförmige oder halbkreisförmige Ausformungen, wobei zur Erleichterung der Herstellung der halbkreisförmigen Ausformungen diese mit einem vorbestimmbaren Krümmungsradius ausgestaltet sein können.
Mit Vorteil ist die Kühlrippe auf den dem Sockelgrund der Nut zugewandten Seiten endseitig mit zwei Keilflächen ausgestattet, deren Ebenen einen ersten spitzen Winkel zueinander einschließen. Diese Keilflächen sind beispielsweise durch ein Anphasen der Kanten am dem Sockelgrund der Nut zugewandten Ende des Sockelbereichs der Kühlrippe herstellbar. Diese Keilflächen erleichtern ein Einführen der Kühlrippe in die Nut, wobei die endseitige Breite der Kühlrippe mit Vorteil kleiner ist als die kleinste vorbestimmbare Breite der Nut.
Desweiteren ist die Nut bzw. Längsrille der Grundplatte mit zur Oberfläche der Grundplatte hin geneigten Trichterflächen ausgestattet, deren Ebenen einen zweiten spitzen Winkel zur Mittelachse der Kühlrippe aufweisen. Mit Hilfe dieser Trichterflächen lässt sich ebenfalls ein Einbringen der Kühlrippen in die Nut erleichtern.
Mit Vorteil bestehen die Kühlrippen im Vergleich zur Grundplatte aus demselben oder einem weicheren Material, das sich beim Einpressvorgang der Kühlrippe in die Nut der Grundplatte verformt. Ein für diesen Kühlkörper bevorzugtes Material sind Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise AlMgSiO₅.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers der vorgenannten Art werden die Kühlrippen in die Nuten der Grundplatte eingepresst. Da die kleinste Breite der Kühlrippe im Sockelbereich kleiner und die grösste Breite der Kühlrippe im Sockelbereich grösser gewählt wird als die kleinste vorbestimmbare Breite der Nut kann sich entsprechendes Material der Berge der Ausformungen im Sockelbereich der Kühlrippe in entsprechende Täler der Ausformungen verschieben, sowie zum Teil in das Material der Nutenwände eindringen, so daß sich eine kraftschlüssige, wärmeleitoptimierte und quasi irreversible Verbindung ergibt. Je nach Druck und verwendeter „Überbreite” der Ausformungen im Sockelbereich der Kühlrippen ist auch eine Kaltverschweissung der Materialien der Kühlrippen und der Nutenwände möglich, die einen optimalen Wärmeleitkoeffizienten aufweist.
Wahlweise kann beim Einpressen der Kühlrippen in die Nut auch zusätzlich Wärme zugeführt werden, um den Einpressvorgang zu verbessern.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch den Sockelbereich der Grundplatte und der Kühlrippen des erfindungsgemäßen Kühlkörpers.
1 zeigt die schematische Schnittdarstellung des Sockelbereichs S des erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit Kühlrippen 3, Grundplatte 1 und in Nuten 2 der Grundplatte 1 bereits eingesetzte Sockelenden 3b der Kühlrippen 3. In 1 sind die Ausformungen 6 der Kühlrippen 3 mit Tälern 6a und Bergen 6b schematisch dargestellt, wobei die Verformungen der Berge 6b beim Einpressen der Kühlrippen 3 in die Nuten 2 nicht dargestellt sind. Nach dem Einpressvorgang sind die Berge 6b der Ausformungen 6 der Sockelenden 3b der Kühlrippen 3, jedenfalls teilweise in Richtung der Täler 6a der Ausformungen 6 hin verschoben. Auch wird die Nutenwand 4 durch den Einpressvorgang verformt.
Die Kühlrippen 3 werden beim Einpressvorgang mit Vorteil bis zum Sockelgrund 5 der Nuten 4 hin vorgeschoben. Zur Erleichterung des Einpressvorganges sind die zum Sockelgrund 5 hin gerichteten Enden der Sockelenden 3b der Kühlrippen 3 mit zur Mittelachse A hin geneigten Keilflächen 9 versehen, deren Ebenen einen ersten Winkel α zueinander einschließen. Ebenso sind die Nuten 4 an der Oberfläche 11 der Grundplatte 1 „angephast”, d. h. weisen zur Mittelachse A hin geneigte Trichterflächen 10 auf, die ein Einschieben der Kühlrippen 3 beim Einpressvorgang erleichtern. Die Trichterflächen 10 und die Keilflächen 9 zentrieren zu Beginn des Einpressvorgangs die Kühlrippe 3 in der. Nut 4 und ermöglichen die Anwendung eines hohen Anpressdrucks von 10 kN bis 100 kN (1–10 t), insbesondere etwa 50 kN.
Die Ausformungen 6 des Sockelbereichs S der Kühlrippen 3 weisen Berge 6b und Täler 6a derart auf, daß sich eine kleinste Breite d zwischen entsprechenden Tälern 6a und eine grösste Breite D zwischen entsprechenden Bergen 6b der Ausformungen 6 ergibt. Die grösste Breite D ist grösser als die Nutenbreite b der Nut 4.
Der erste Winkel α der Keilflächen 9 der Kühlrippe 3 beträgt mit Vorteil etwa 60°. Ein in 1 dargestellter dritter Winkel γ zwischen zwei Hängen benachbarter Berge 6b der Ausformungen 6 beträgt ebenfalls mit Vorteil etwa 60°. Dies ermöglicht eine zuverlässige Verformung der für die Kühlrippen 3 bevorzugten Aluminiumlegierung.

Claims

Kühlkörper für insbesondere elektronische Bauelemente, mit einer Grundplatte (1), die an einer Seite mit einer Anzahl von Nuten (2) bzw. Längsrillen mit einer kleinsten vorbestimmbaren Breite (b) versehen ist, und voneinander beabstandeten Kühlrippen (3), deren Sockelbereiche (S) unter Bildung von wärmeübertragenden Kontaktflächen mit Nutenwänden (4) in den Nuten (2) festliegen, wobei die Kühlrippenoberfläche (7) im Sockelbereich (S) mit zur Oberfläche (11) der Grundplatte (1) im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Ausformungen (6) versehen ist, wobei die kleinste Breite (d) der Kühlrippe (3) im Sockelbereich (S) kleiner und die größte Breite (D) der Kühlrippe (3) im Sockenbereich (S) größer ist als die kleinste vorbestimmbare Breite (b) der Nut (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2) ebene Nutenwände (4) und eine von der Oberfläche (11) der Grundplatte (1) bis zum Sockelgrund (5) der Nut (2) gleichbleibende kleinste vorbestimmbare Breite (b) aufweisen.
Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (6) im Sockelbereich der Kühlrippen (3) wellenförmig mit Tälern (6a) und Bergen (6b) gestaltet sind.
Kühlkörper nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (6) im Sockelbereich der Kühlrippen (3) sägezahnartig, rechteckförmig oder halbkreisförmig mit einem vorbestimmbaren Krümmungsradius (R) gestaltet sind.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippe (3) auf den dem Sockelgrund (5) der Nut (2) zugewandten Seiten endseitig zwei Keilflächen (9) aufweist, deren Ebenen einen ersten spitzen Winkel (α) zueinander einschließen.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2) bzw. Längsrillen zur Oberfläche (11) der Grundplatte (1) hin geneigte Trichterflächen (10) aufweisen, deren Ebenen einen zweiten spitzen Winkel (β/2) zur Mittelachse (A) der Kühlrippe (3) aufweisen.
Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (3) im Vergleich zur Grundplatte (1) aus demselben oder einem weicheren Material, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, bsp. E-AlMgSi, AlMgSi, Al_99,5 bestehen.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für insbesondere elektronische Bauelemente, wobei Kühlrippen (3) in eine Grundplatte (1), die an einer Seite mit einer Anzahl von Nuten (2) bzw. Längsrillen mit einer kleinsten vorbestimmbaren Breite (b) versehen ist, derart voneinander beabstandet eingebracht werden, dass die Sockelbreite (S) der Kühlrippen (3) unter Bildung von wärmeübertragenden Kontaktflächen mit Nutenwänden (4) in den Nuten (2) festliegen, und wobei die Kühlrippenoberfläche (7) im Sockelbereich (S) mit zur Oberfläche (11) der Grundplatte (1) im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Ausformungen (6) versehen ist, wobei die kleinste Breite (d) der Kühlrippe (3) im Sockelbereich (S) kleiner und die größte Breite (D) der Kühlrippe (3) im Sockelbereich (S) größer gewählt werden als die kleinste vorbestimmbare Breite (b) der Nut (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2) ebene Nutenwände (4) und eine von der Oberfläche (11) der Grundplatte (1) bis zum Sockelgrund (5) der Nut (2) gleichbleibende kleinste vorbestimmbare Breite (b) aufweisen, und dass die Kühlrippen (3) in die Nuten (2) bzw. Längsrillen der Grundplatte (1) eingepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlrippen (3) im Sockelbereich (5) beim Einpressen verformen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich Berge (6b) der Ausformungen (6) der Kühlrippen (3) beim Einpressen der Kühlrippen (3) in die Nuten (2) derart verformen, dass eine Kaltverschweißung des Materials der Kühlrippe (3) und der Nutenwand (4) stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einpressen der Kühlrippen (3) in die Nut (2) Wärme zugeführt wird.