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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Schaltung sowie Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einer genannten Kühlvorrichtung.
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Gattungsgemäße Kühlvorrichtungen dienen zur Kühlung von Schaltungen und finden ihre Anwendungen in nahezu allen technischen Bereichen. Ein Beispiel von den genannten Schaltungen ist ein Stromrichter für einen Elektromotor eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.
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Eine derartige Schaltung umfasst einen Schaltungsträger mit darauf angeordneten elektronischen oder elektrischen Leistungsbauelementen, wie zum Beispiel Leistungstransistoren, welche während des Betriebs der Schaltung aufgrund der hohen internen Verlustleistung sehr viel Wärme erzeugen. Dadurch unterliegt die Schaltung während des Betriebs einer starken Temperaturschwankung von mehreren hundert Grad Celsius. Deshalb wird die Schaltung beziehungsweise die Komponenten der Schaltung aus wärmebeständigen Materialien hergestellt. Insbesondere wird der Schaltungsträger aus wärmebeständiger Keramik hergestellt. Zudem muss die Schaltung während des Betriebs ständig gekühlt werden, damit diese nicht überhitzt wird. Zur Kühlung der Schaltung wird ein Druckgussteil beispielsweise aus Aluminium als Kühlkörper verwendet, der mit der Schaltung wärmeleitend gekoppelt ist. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seinem vergleichsweise sehr niedrigen Kosten ist Aluminium sehr gut geeignet als Werkstoff für einen Kühlkörper.
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Zur effizienten Kühlung der Schaltung ist man zudem bestrebt, den zugeordneten Schaltungsträger insbesondere in der Form eines Keramiksubstrats direkt auf dem Kühlkörper anzuordnen und über eine möglichst große Kontaktfläche mit dem Kühlkörper thermisch zu kontaktieren, um eine möglichst effiziente Wärmeabführung von der Schaltung zu erzielen. In der Regel wird das Keramiksubstrat flächig beziehungsweise breitflächig mit dem Kühlkörper fest verlötet.
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Diese flächige feste Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper führt aber zu einem unerwünschten Effekt, nämlich zu einer hohen mechanischen Spannung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper. Grund für diese mechanische Spannung ist der große Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizient CTE (in Englisch „Coeffizient of Thermal Expansion”) zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kühlkörper, der sich bei Temperaturschwankungen bemerkbar macht.
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Die Druckschrift
DE 102 45 266 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit einem metallischen Kühlkörper, wobei der metallische Kühlkörper eine Ausnehmung aufweist, in der eine mit Metall infiltrierte Keramik angeordnet ist. Zwischen dem Kühlkörper und der Keramik ist eine elektrisch nicht leitende Schicht zur elektrischen Isolation und zur Wärmeleitung vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 197 04 357 A1 beschreibt ein Verbundbauteil umfassend Elemente aus Metall oder Nicht-Metall, wobei die Elemente mittels Verbindungsmaterial miteinander verbunden sind, das durch einen Gussprozess zwischen den Elementen eingebracht ist.
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Durch diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnen sich das Keramiksubstrat und der Kühlkörper bei Veränderung der Eigen- oder Umgebungstemperatur unterschiedlich aus beziehungsweise ziehen sich unterschiedlich zusammen. Als Folge steht das Keramiksubstrat der Schaltung samt den elektrischen oder elektronischen Bauelementen auf dem Keramiksubstrat unter einer sich abhängig von der Temperatur ständig verändernden mechanischen Spannung. Diese mechanische Spannung führt bei den sensiblen Bauelementen der Schaltung zu Fehlfunktionen beziehungsweise Defekten.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur effizienten und kostengünstigen Kühlung der Schaltung bereitzustellen, wobei eine fehlerfreie Funktion der Schaltung trotz starken Temperaturschwankungen gewährleistet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Kühlvorrichtung für eine Schaltung geschaffen, welche ein Trägerteil und einen Kühlkörper sowie eine erste Grenzschicht zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper aufweist.
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Das Trägerteil, insbesondere in der Form einer (dünnen) Platte mit zwei gegenüberliegenden Seiten weist eine erste trägerteilseitige Oberfläche und eine zweite trägerteilseitige Oberfläche auf, wobei die erste und die zweite Oberfläche auf die zwei gegenüberliegenden beziehungsweise voneinander entgegengesetzt liegenden Seiten des Trägerteils liegen. Dabei dient die erste trägerteilseitige Oberfläche zum Halten der Schaltung, insbesondere einer Schaltung mit einem Keramiksubstrat als Schaltungsträger. Das Trägerteil dient neben dem Halten der Schaltung noch zum Abführen der Wärme von der Schaltung. Der Kühlkörper umfasst eine erste kühlkörperseitige Oberfläche zum Halten des Trägerteils und dient zum Abführen der Wärme von dem Trägerteil und somit von der Schaltung.
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Die erste Grenzschicht ist zwischen der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche und der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche angeordnet, wobei die zweite Oberfläche des Trägerteils und die erste Oberfläche des Kühlkörpers zueinander zugewandt liegen. Die erste Grenzschicht ist dabei als eine in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper infiltrierte, metallhaltige Schicht ausgebildet. Die erste Grenzschicht stellt in erster Linie eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper her. Ferner dient die erste Grenzschicht zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils und des Kühlkörpers sowie zur Übertragung der Wärme von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.
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Dabei bedeutet „Infiltrieren” das Eindringen eines Materials in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper unter einer bestimmten Druck- und/oder Temperatureinwirkung. Das infiltrierende Material kann dabei ein Material vom Trägerteil, vom Kühlkörper oder ein von außen zugefügtes Material sein. Ein ähnlicher Vorgang wird in der Halbleitertechnik als „Dotieren” bezeichnet. Durch das Infiltrieren also Eindringen des Materials in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper wird eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper hergestellt.
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Eine „flächige mechanische Verbindung” bedeutet eine mechanische Verbindung über eine ausgedehnte Kontaktfläche, und nicht eine quasipunktförmige Verbindung, wie bei Kontaktpins, oder eine quasilinienförmige Verbindung, wie bei Schweißnahtverbindungen.
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Dadurch ist eine Kühlvorrichtung geschaffen, welche kostengünstig herstellbar ist und zugleich die Anforderungen von geringen mechanischen Spannungen zwischen der Kühlungsvorrichtung und der Schaltung bei starken Temperaturschwankungen erfüllt und so eine fehlerfreie Funktion der Schaltung sicherstellt. Durch die zweiteilige Ausführung der Kühlvorrichtung mit einem Trägerteil und einem Kühlkörper mit einer dazwischen liegenden Grenzschicht ist es möglich, ein Trägerteil mit einer ähnlichen Wärmeausdehnung wie die Schaltung auszuwählen. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper wird dann von der dazwischen liegenden, ersten Grenzschicht kompensiert. Durch die stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper mittels der ersten Grenzschicht kann eine stabile Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper auch bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gewährleitet werden. Dabei ist das Trägerteil wegen seiner vergleichsweise kleinen Baugröße relativ kostengünstig herstellbar. Der vergleichsweise größere Kühlkörper kann aus einem kostengünstigen Material, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kühlvorrichtung weist die erste kühlkörperseitige Oberfläche eine Vertiefung auf, in der das Trägerteil angeordnet ist. Dabei umfasst die Vertiefung eine Bodenfläche und eine um die Bodenfläche herum liegende, an die Bodenfläche angrenzende Seitenwand.
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Durch eine derartige Anordnung des Trägerteils in einer Vertiefung am bzw. im Kühlkörper lässt sich der Bauraum der Kühlvorrichtung optimal ausnutzen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Trägerteil eine der Seitenwand der Vertiefung zugewandt liegende Seitenfläche auf, welche die erste und die zweite trägerteilseitige Oberfläche miteinander verbindet. Zwischen der Seitenwand der Vertiefung und der Seitenfläche des Trägerteils weist die Kühlvorrichtung eine zweite Grenzschicht auf, welche ebenfalls eine in das Trägerteil und/oder in den Kühlkörper filtrierte, metallhaltige Schicht ist. Dabei stellt die zweite Grenzschicht zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper eine weitere stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung her. Diese zweite Grenzschicht besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die erste Grenzschicht und trägt ebenfalls zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper bei. Ferner dient die zweite Grenzschicht auch zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper einen Vorsprung zum Halten des Trägerteils auf, welcher vorzugsweise das Trägerteil an der ersten trägerteilseitigen Oberfläche hält. Durch diesen einfachen Vorsprung am Kühlkörper ist eine zusätzliche mechanische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerteil hergestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Trägerteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) und weist so einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, der ähnlich groß ist wie der eines Keramiksubstrats der Schaltung. Insbesondere besteht das Trägerteil aus Aluminium-Silizium-Karbid, kurz AlSiC (ebenfalls unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung), und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 10 ppm auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kühlkörper (unter Berücksichtigung einer in der Fachwelt üblichen Materialverunreinigung) aus einem kostengünstigen wärmeleitenden Metall, wie zum Beispiel Aluminium, oder einer kostengünstigen Metalllegierung, wie zum Beispiel einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 21 ppm.
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Das Trägerteil aus AlSiC weist somit im Vergleich zu dem Kühlkörper aus AlSi12 einen ähnlich großen Wärmeausdehnungskoeffizient wie das Keramiksubstrat auf, das seinerseits einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 8 ppm hat. Außerdem liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägerteils mit 10 ppm zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramiksubstrats mit 8 ppm und dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers mit 21 ppm.
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Durch die ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramiksubstrat und dem Trägerteil entsteht bei der Wärmeausdehnung beziehungsweise Kälteschrumpfung zwischen diesen beiden Komponenten nur eine vernachlässigbar geringe mechanische Spannung, welche unschädlich ist für die Schaltung beziehungsweise für das Keramiksubstrat und die Bauelemente auf dem Keramiksubstrat.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthalten die erste und die zweite infiltrierte, metallhaltige Grenzschicht ein Metall mit einem Anteil von einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff, insbesondere die Metallpartikel von dem Kühlkörper und die Silizium-Karbid-Partikel von dem Trägerteil und tragen zur formschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper bei. Zudem werden die unterschiedlichen temperaturbedingten Formveränderungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper, wie die Wärmeausdehnungen beziehungsweise Kälteschrumpfungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper, durch diese beiden Grenzschichten kompensiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltung und einer oben beschriebenen Kühlvorrichtung zur Kühlung der Schaltung geschaffen. Die Schaltung weist dabei eine Oberfläche auf, welche der ersten trägerteilseitigen Oberfläche des Trägerteils der Kühlvorrichtung zugewandt angeordnet ist, wobei diese erste trägerteilseitige Oberfläche, wie bereits erwähnt, zum Halten der Schaltung dient. Die Schaltungsanordnung weist zwischen der Oberfläche der Schaltung und der ersten trägerteilseitigen Oberfläche eine dritte Grenzschicht auf. Diese dritte Grenzschicht ist eine in das Trägerteil infiltrierte, metallhaltige Schicht und besteht vorteilhafterweise aus dem gleichen Material wie die vorher beschriebenen Grenzschichten. Diese dritte Grenzschicht dient als Haftschicht für eine Lotpaste zu einer flächigen Lötverbindung zwischen der Schaltung und dem Trägerteil und ermöglicht somit eine stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten. Außerdem dient sie zur Kompensation der unterschiedlichen temperaturbedingten Formveränderungen zwischen der Schaltung und dem Trägerteil, wie die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Schaltung und des Trägerteils sowie zur Wärmeübertragung von der Schaltung zu dem Trägerteil.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen, welches folgende Verfahrensschritte aufweist.
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Zunächst wird ein Trägerteil in der Form einer (dünnen) Platte bereitgestellt. Zumindest eine Oberfläche des Trägerteils wird anschließend mit einem metallhaltigen Material, insbesondere mit Aluminium, infiltriert, wodurch eine Grenzschicht ausgebildet wird. Parallel zu den, nach oder vor den oben beschriebenen beiden Verfahrensschritten wird eine erste Gießmasse bereitgestellt. Diese erste Gießmasse wird anschließend um das Trägerteil herum gegossen und zu einem Kühlkörper geformt, wobei eine stoffschlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper durch die oben genannte Grenzschicht hergestellt wird. Diese Grenzschicht dient zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper und zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.
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Dadurch wird ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen. Insbesondere kann mit diesem Verfahren die Grenzschicht in einer gewünschten Dicke hergestellt werden, da diese bereits vor dem Gießvorgang des Kühlkörpers in einem kontrollierten Infiltrierungsvorgang in das Trägerteil infiltriert wird.
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Dabei besteht das Trägerteil vorteilhafterweise aus einem Metallmatrix-Verbundwirkstoff, insbesondere aus einem Aluminium Silizium-Karbid (AlSiC). Die erste Gießmasse besteht vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie zum Beispiel AlSi12.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung geschaffen, das folgende Verfahrensschritte aufweist.
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Anders als bei dem vorher beschriebenen Verfahren wird gemäß diesem Verfahren zunächst ein metallhaltiger Kühlkörper bereitgestellt. An diesem Kühlkörper beziehungsweise an einer Oberfläche des Kühlkörpers wird anschließend eine Vertiefung ausgeformt. Anschließend wird eine zweite Gießmasse bereitgestellt. Diese zweite Gießmasse wird dann in die vorgeformte Vertiefung am Kühlkörper eingegossen und zu einem Trägerteil geformt. Während des Eingießens der zweiten Gießmasse in die Vertiefung und/oder des Formens des Trägerteils aus der zweiten Gießmasse wird durch Infiltrieren des Trägerteils mit dem Metall aus dem Kühlkörper eine Grenzschicht zwischen dem Kühlkörper und dem Trägerteil unter Einwirkung von einer hohen Temperatur und/oder einem hohen Druck ausgebildet. Diese Grenzschicht stellt eine stoffschlüssige mechanische Verbindung zwischen dem Trägerteil und dem Kühlkörper her. Zudem dient sie zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils und des Kühlkörpers sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil zu dem Kühlkörper.
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Dadurch wird ein Verfahren geschaffen, mit dem eine Kühlvorrichtung im Vergleich zu dem ersten Verfahren noch kostengünstiger hergestellt werden kann. Da die Grenzschicht während des Gießvorgangs der zweiten Gießmasse in den Kühlkörper unter Temperatur- und/oder Druckeinwirkung automatisch entsteht, entfällt hier der separate Verfahrensschritt vom ersten Verfahren zur Ausbildung der Grenzschicht durch Infiltrieren des Trägerteils.
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Dabei besteht der Kühlkörper vorteilhafterweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Silizium-Legierung, wie zum Beispiel AlSi12. Die zweite Gießmasse besteht vorteilhafterweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff, insbesondere aus Aluminium-Silizium-Karbid.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Kühlvorrichtungen sind soweit im Übrigen auf die oben genannte Schaltungsanordnung beziehungsweise die oben genannten Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung beziehungsweise der Verfahren anzusehen.
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Im Folgenden sollen nun beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen,
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1 in einer schematischen Darstellung eine Schaltungsanordnung mit einer Schaltung und mit einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht;
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2 in einer schematischen Darstellung der Schaltungsanordnung gemäß der Ausführungsform der 1 in einer Querschnittdarstellung;
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3 in schematischen Darstellung ein erstes Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm.
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4 in schematischen Darstellung ein zweites Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm.
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Es sei nun zunächst auf 1 verwiesen, in der eine Schaltungsanordnung 300 mit einer Kühlvorrichtung 100 und einer Schaltung 200 in einer Draufsicht schematisch dargestellt ist. Die Kühlvorrichtung 100 umfasst einen Kühlkörper 110, der aus einer kostengünstigen Aluminiumlegierung AlSi12 besteht. Der Kühlkörper 110 weist auf der dem Betrachter dieser Figur zugewandten Seite eine erste kühlkörperseitige Oberfläche 110a auf. Auf dieser Oberfläche 110a sind drei Vertiefungen 111 vorgesehen. In jeweils einer der drei Vertiefungen 111 weist die Kühlvorrichtung 100 jeweils ein Trägerteil 120 auf, das aus Aluminium-Silizium-Karbid, kurz AlSiC, besteht. Die Trägerteile 120 weisen ihrerseits auf der dem Betrachter dieser Figur zugewandten Seite jeweils eine erste trägerteilseitige Oberfläche 120a auf. Auf dieser Oberfläche 120a ist jeweils eine der drei Schaltungen 200 angeordnet.
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Eine Querschnittdarstellung der Schaltungsanordnung 300 entlang der Schnittlinie AA in der 1 wird in 2 schematisch dargestellt. Die in 1 bereits verwendeten Bezugszeichen haben in 2 gleiche Bedeutungen.
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Gemäß 2 weist der Kühlkörper 110 die erste kühlkörperseitige Oberfläche 110a und auf der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a die Vertiefung 111 als eine quaderförmige Ausnehmung mit einer Bodenfläche 111a und einer an die Bodenfläche 111a angrenzend umlaufende Seitenwand 111b auf, wobei die Bodenfläche 111a ein Teil der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a ist. In der Vertiefung 111 ist das Trägerteil 120 angeordnet, wobei das Trägerteil 120 in die Vertiefung 111 vollständig versenkt ist, um den Bauraum der Kühlvorrichtung 100 zu optimieren beziehungsweise bestmöglich auszunutzen.
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Der Kühlkörper 110 weist ferner einen Vorsprung 112 an der Seitenwand 111b der Vertiefung 111 auf, welcher das Trägerteil 120 auf der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a festhält.
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Auf der der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a gegenüberliegenden Seite weist der Kühlkörper 110 eine zweite kühlkörperseitige Oberfläche 110b auf. Diese zweite kühlkörperseitige Oberfläche 110b ist mit Kühlrippen 113 versehen, welche zur Vergrößerung der Kühloberfläche bei dem Kühlkörper 110 und somit zu einer effizienteren Abführung der Wärme von dem Kühlkörper 110 und somit von der Schaltung 200 an eine in den Figuren nicht näher dargestellte, die Kühlrippen 113 umströmende Kühlflüssigkeit dienen.
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Das Trägerteil 120 weist neben der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a eine zweite trägerteilseitige Oberfläche 120b auf der der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a gegenüberliegenden Seite auf. Zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche 120a, 120b weist das Trägerteil 120 eine Seitenfläche 120c auf, welche die erste und die zweite Oberfläche 120a, 120b des Trägerteils 120 miteinander verbindet.
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Die Schaltung 200 auf der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a umfasst einen Schaltungsträger in Form von einem Keramiksubstrat 210 und ein elektronisches Bauelement 220 auf dem Keramiksubstrat 210, welches beispielsweise ein Leistungstransistor ist. Dabei ist die Schaltung 200 samt dem Keramiksubstrat 210 und dem elektronischen Bauelement 220 tiefer in der Vertiefung 111 angeordnet als der die Vertiefung 111 umlaufende Vorsprung 112, sodass sich ein Zwischenraum 114 zwischen der Schaltung 200 und dem Vorsprung 112 bildet, in dem ein Gel 400 oder eine Vergußmasse, wie zum Beispiel ein Gießharz, aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material aufgefüllt werden kann, welche/s zugleich auch als mechanischer Schutz für die Schaltung 200 dienen kann.
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Zwischen der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche 110a beziehungsweise der Bodenfläche 111a der Vertiefung 111 und der zweiten trägerteilseitigen Oberfläche 120b ist eine erste Grenzschicht 130a vorgesehen. Zwischen der Seitenfläche 120c des Trägerteils 120 und der Seitenwand 111b der Vertiefung 111 weist die Kühlvorrichtung 100 eine zweite, das Trägerteil 120 umgehende beziehungsweise umlaufende Grenzschicht 130b auf. Zwischen der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a und einer der ersten trägerteilseitigen Oberfläche 120a zugewandt liegenden Oberfläche 200a der Schaltung 200 beziehungsweise des Keramiksubstrats 210 der Schaltung 200 ist eine dritte Grenzschicht 130c angeordnet.
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Die drei Grenzschichten 130a, 130b und 130c werden allesamt von einer in das Trägerteil 120 infiltrierten Schicht aus Aluminium mit einem Anteil von Silizium-Karbid, kurz SiC, gebildet und umschließen das Trägerteil 120 vollständig. Die erste und zweite Grenzschicht 130a, 130b dienen dabei zur stoffschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 und zur Kompensation der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Trägerteils 120 und des Kühlkörpers 110 sowie zur Wärmeübertragung von dem Trägerteil 120 zu dem Kühlkörper 110.
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Die dritte Grenzschicht 130c dient als Grundfläche für eine flächige Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120 und somit zur stoffschlüssigen und flächigen mechanischen Verbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120, sowie zur Wärmeübertragung von dem Keramiksubstrat 210 zu dem Trägerteil 120. Über diese dritte Grenzschicht 130c, auf der Lotpaste haften kann, ist eine in der 2 nicht näher dargestellte Lötverbindung zwischen dem Keramiksubstrat 210 und dem Trägerteil 120 ermöglicht.
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Der Kühlkörper 110 aus Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 21 ppm auf. Das Trägerteil 120 aus Aluminium-Silizium-Karbid AlSiC hat einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 10 ppm. Das Keramiksubstrat 210 verfügt über einen Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 8 ppm.
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Durch die vergleichsweise ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Trägerteil 120 dem und Keramiksubstrat 210 entstehen bei Wärmeausdehnung oder Kälteschrumpfung bei den beiden Komponenten 210, 120 geringfügige und vergleichsweise geringfügige mechanische Spannungen, welche die dritte Grenzschicht 130c kompensiert werden.
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Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und Kälteschrumpfungen zwischen dem Kühlkörper 110 und dem Trägerteil 120 bei Veränderung der Eigen- oder Umgebungstemperatur werden von der ersten und der zweiten Grenzschicht 130a, 130b kompensiert.
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Die Wärme, welche in dem elektronischen Bauelement 220 entsteht, wird von dem Trägerteil 120 über die dritte Grenzschicht 130c aufgenommen und über die erste und die zweite Grenzschicht 130a, 130b an den Kühlkörper 110 übertragen. Diese Wärme wird dann von dem Kühlkörper 110 über die Kühlrippen 113 an die zwischen den Kühlrippen 113 strömende Kühlflüssigkeit abgegeben.
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Dadurch wird die Schaltung 200 samt dem elektronischen Bauelement 220 effizient gekühlt und vor einer Beschädigung durch mechanische Spannung infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen oder Kälteschrumpfungen wirksam geschützt.
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Nachdem die Kühlvorrichtung 100 anhand der 1 und 2 näher beschrieben wurde, werden nachfolgend mögliche Herstellungsverfahren für die Kühlvorrichtung 100 anhand der 3 und 4 näher beschrieben.
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Zunächst sei auf 3 hingewiesen, in der das Herstellungsverfahren der Kühlvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm schematisch dargestellt ist.
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Demnach wird gemäß einem ersten Verfahrensschritt S110 ein Trägerteil 120 (zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte sei auf die Bezugszeichen in den 1 und 2 verwiesen) aus Aluminium-Silizium-Karbid (AlSiC) in Form von einer dünnen Platte bereitgestellt. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S120 werden zwei gegenüber liegenden Oberflächen 120a, 120b des Trägerteils 120 und Seitenflächen 120c zwischen diesen beiden Oberflächen 120a, 120b mit Aluminium unter Einwirken von einer hohen Temperatur und einem hohen Druck infiltriert. Bei diesem Infiltrierungsvorgang bilden sich eine erste, zweite und dritte trägerteilseitige Grenzschicht 130a, 130b und 130c an dem Trägerteil 120, welche das Trägerteil 120 vollständig umschließen.
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Anschließend oder parallel zu den Verfahrensschritten S110, S120 wird gemäß einem dritten Verfahrensschritt S130 eine erste Gießmasse aus Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 bereitgestellt.
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Diese erste Gießmasse wird gemäß einem vierten Verfahrensschritt S140 um das bereits mit den Grenzschichten 130a, 130b und 130c versehene Trägerteil 120 herum gegossen und zu einem Kühlkörper 110 geformt. Durch das Gießen und Formen des Kühlkörpers 110 werden stoffschlüssige und flächige mechanische Verbindungen zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 durch die vorinfiltrierte erste und zweite Grenzschicht 130a, 130b hergestellt.
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Beim Formen des Kühlkörpers 110 bildet sich ein Vorsprung 112 aus der überschüssigen Gießmasse an dem Rand der Seitenwand 111b der Vertiefung 111. Nach dem Erhärten der Gießmasse hält der Vorsprung 112 das Trägerteil 120 an dessen erste Oberfläche 120a fest und verleiht so eine zusätzliche mechanische Stabilität zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110.
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Zum Schluss sei auf 4 verwiesen, in der ein weiteres Herstellungsverfahren der oben beschriebenen Kühlvorrichtung 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem Ablaufdiagramm schematisch dargestellt ist.
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Demnach wird gemäß einem ersten Verfahrensschritt S210 ein Kühlkörper 110 aus Aluminium-Silizium-Legierung AlSi12 bereitgestellt.
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An diesem Kühlkörper 110 wird gemäß einem zweiten Verfahrensschritt S220 eine quaderförmige Vertiefung 111 mit einer Bodenfläche 111a und einer diese Bodenfläche 111a angrenzend umlaufende Seitenwand 111b ausgeformt, wobei die Seitenwand 111b an dem von der Bodenfläche 111a entfernt liegenden Rand der Seitenwand 111b einen die Vertiefung 111 umlaufenden Vorsprung 112 in Richtung zur Mitte der Bodenfläche 111a aufweist.
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Gemäß einem dritten Verfahrensschritt S230 wird eine zweite Gießmasse aus Aluminium-Silizium-Karbid AlSiC bereitgestellt.
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Diese zweite Gießmasse wird dann gemäß einem vierten Verfahrensschritt S240a in die Vertiefung 111 des Kühlkörpers 110 in einer passenden Menge eingegossen, sodass diese Gießmasse nach dem Erhärten die Vertiefung 111 bis an die Unterkante des Vorsprungs 112 vollständig füllt und so von dem Vorsprung 112 in der Vertiefung 111 fest gehalten werden kann. Anschließend wird die zweite Gießmasse gemäß einem fünften Verfahrensschritt S240b zu einem Trägerteil 120 unter Einwirkung von einem bestimmten Druck geformt. Während des Formens des Trägerteils 120 werden gemäß einem sechsten Verfahrensschritt S250 zwischen dem Trägerteil 120 und dem Kühlkörper 110 durch Infiltrieren des Trägerteils 120 mit Aluminiumpartikel aus dem Kühlkörper 110 unter Einwirkung einer hohen Temperatur und einem hohen Druck eine erste und eine zweite Grenzschicht 130a und 130b ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kühlvorrichtung
- 110
- Kühlkörper
- 110a
- Erste kühlkörperseitige Oberfläche
- 110b
- Zweite kühlkörperseitige Oberfläche
- 111
- Vertiefung an der ersten kühlkörperseitigen Oberfläche
- 111a
- Bodenfläche der Vertiefung
- 111b
- Seitenwand an der Vertiefung
- 112
- Vorsprung am Kühlkörper
- 113
- Kühlrippen am Kühlkörper
- 120
- Trägerteil
- 114
- Zwischenraum zwischen der Schaltung und dem Vorsprung
- 120a
- Erste trägerteilseitige Oberfläche
- 120b
- Zweite trägerteilseitige Oberfläche
- 120c
- Seitenfläche am Trägerteil
- 130a
- Erste Grenzschicht
- 130b
- Zweite Grenzschicht
- 130c
- Dritte Grenzschicht
- 200
- Schaltung
- 200a
- Oberfläche der Schaltung
- 210
- Keramiksubstrat der Schaltung
- 220
- Elektrisches oder elektronisches Bauelement der Schaltung
- 300
- Schaltungsanordnung
- 400
- Gel
