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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper mit einer Montagefläche für eine elektronische Komponente und einer Abstrahlungsfläche für Wärme sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers.
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Es ist hinlänglich bekannt, dass elektronische Komponenten mit vorzugsweise passiven Kühlelementen versehen werden, um die Verlustwärme, die während des Betriebs der elektronischen Komponente entsteht, abzuführen. Die fortschreitende Erhöhung der durch elektronische Komponenten umgesetztem Leistungen bei gleichzeitigerer Miniaturisierung der zum Einsatz kommenden Bauelemente führt dazu, dass pro zur Verfügung stehender Flächeneinheit der elektronischen Komponente immer größere Wärmemengen transportiert werden müssen. Dabei sind es die immer kleiner werdenden Kontaktflächen zwischen den elektronischen Komponenten als Wärmequelle und den zum Einsatz kommenden Kühlkörpern oder Medien, die eine effektive Entwärmung der elektronischen Komponenten erschweren. Andererseits ist eine zuverlässige Entwärmung Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion der mit den elektronischen Komponenten realisierten Schaltungen.
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Bei konventionellen Kühlkörpertechnologien kommen Kühlkörper beispielsweise aus Aluminium zum Einsatz, die eine Montageseite zur Verfügung stellen, mit der sie auf eine Grenzfläche der elektronischen Komponente aufgesetzt werden können. Die zum Einsatz kommenden Kühlkörper haben häufig Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche zur Wärmeabgabe und lassen sich beispielsweise in Aluminium kostengünstig als Strangpressprofil herstellen. Die mögliche Wärmeabgabe solcher passiven Kühler ist jedoch an physikalische Grenzen gebunden, so dass konventionelle Kühlelemente bei der Entwärmung an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Statt Aluminium kann auch ein besser wärmeleitfähiges Metall wie Kupfer ausgewählt werden. Allerdings sind derartige Kühlkörper aufgrund von höheren Material- und Fertigungskosten unwirtschaftlich.
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Eine andere Möglichkeit besteht in einer aktiven Kühlung durch eine erzwungene Konvektion eines Kühlmittels, beispielsweise von Luft, die mittels eines Lüfters bewegt wird oder einer Flüssigkeit, die beispielsweise in sogenannten Heat-Pipes zum Einsatz kommen kann. Auch derartige Entwärmungslösungen sind teurer als eine passive Kühlung und zudem auch weniger zuverlässig, so dass ein Bestreben besteht, auf eine aktive Kühlungslösung zu verzichten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Kühlkörper mit einer Montagefläche für eine elektronische Komponente und einer Abstrahlungsfläche für Wärme sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers anzugeben, wobei mit dem Kühlkörper eine vergleichsweise hohe Entwärmungsleistung mit vergleichsweise einfachen und zuverlässigen Mitteln umgesetzt werden soll.
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Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Kühlkörper erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kühlkörper aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit besteht. Das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit bildet erfindungsgemäß zu einem größeren Teil als das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit die Montagefläche. Bevorzugt wird die Montagefläche sogar ausschließlich durch das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit gebildet. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass die Wärme schnell aus der elektronischen Komponente abgeführt werden kann. Als Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit eignet sich beispielsweise Kupfer. Da dieses Material im Vergleich zu dem üblicherweise für Kühlkörper eingesetzten Material Aluminium verhältnismäßig teuer ist, kann vorteilhaft eine kostengünstige und trotzdem hinsichtlich der Ableitung der Wärme effiziente Lösung gefunden werden, indem erfindungsgemäß das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit zu einem größeren Teil als das Material mit der größeren Leitfähigkeit die Abstrahlungsfläche des Kühlkörpers bildet.
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Mit dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit, welches direkt an die zu entwärmende elektronische Komponente angrenzt, kann vorteilhaft eine Wärmespreizung in den Kühlkörper erfolgen, damit die Wärme aus der elektronischen Komponente abgeleitet werden kann. Diese kann beispielsweise aus einem leistungselektronischen Baustein oder einer leistungselektronischen Baugruppe bestehen. Dadurch, dass die Wärme über das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit in dem Kühlkörper verteilt wird, kann das Teilvolumen des Kühlkörpers, welches zur Bildung der Abstrahlungsfläche zur Verfügung steht, aus einem weniger wärmeleitfähigen Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt werden. Der so hergestellte Kühlkörper weist vorteilhaft ein besseres Entwärmungsverhalten auf, als ein lediglich aus Aluminium hergestellter Kühlkörper, wobei sich die materialbedingten Herstellungskosten aufgrund des Materialverbundes, beispielsweise von Kupfer und Aluminium, in Grenzen verteuert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit in Form von Partikeln im Kühlkörper vorliegen. Ein solcher Kühlkörper kann pulvermetallurgisch beispielsweise durch Sintern hergestellt werden (hierzu im Folgenden noch weitere Angaben). Partikel des Materials mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und Partikel des Materials mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit können bei dieser Herstellung gemischt werden. Vorteilhaft ist, wenn das Material der höheren Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Montagefläche ungemischt vorliegt. Dadurch wird, wie bereits erläutert, die Wärme aus der elektronischen Komponente effizient abgeleitet. Vorteilhaft ist es auch, wenn das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Abstrahlungsfläche ungemischt oder zumindest mit einem Anteil von mehr als 95 % vorliegt. Hierbei ist zu erwähnen, dass ein gewisser Anteil an Partikeln mit der höheren Wärmeleitfähigkeit die Entwärmungsleistung des Kühlkörpers nicht negativ beeinflusst, sondern der hohe Anteil an Partikeln mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit das Ziel verfolgt, dass die Materialkosten für den Kühlkörper möglichst gering sind. Dies ist der Fall, wenn das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit (z. B. Kupfer) teurer ist als das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit (z. B. Aluminium).
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit im Inneren des Kühlkörpers als Gemisch vorliegen, wobei zwischen der Montagefläche und der Abstrahlungsfläche ein Konzentrationsgradient vorliegt. Die Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Kühlkörpers sinkt somit mit steigendem Abstand von der Montagefläche kontinuierlich ab. Eine Wärmespreizung durch das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und eine Übertragung an das Material mit der geringeren Leitfähigkeit kann bei Einstellung eines Konzentrationsgradienten vorteilhaft besonders effektiv erfolgen.
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Weiter kann vorgesehen werden, dass in dem Kühlkörper Volumenbereiche aus dem Material der höheren Wärmeleitfähigkeit und an diese angrenzende Volumenbereiche aus dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind. Als Volumenbereiche sind Teilbereiche des Volumens des Kühlkörpers zu verstehen, die eine bestimmte Geometrie aufweisen, so dass die Volumenbereiche mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und die Volumenbereiche mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit ineinander greifen. Werden diese montiert oder gemeinsam hergestellt, entstehen auf diesem Wege geometrisch definierte Grenzflächen, an denen die Volumenbereiche aneinander angrenzen. Die Volumenbereiche aus dem Material mit der höheren Leitfähigkeit schließen die Volumenbereiche aus dem Material der geringeren Wärmeleitfähigkeit nicht ein. Genauso schließen die Volumenbereiche aus dem Material der geringeren Wärmeleitfähigkeit die Volumenbereiche aus dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit nicht ein. Vielmehr bilden die Volumenbereiche über die Grenzfläche, an der diese aneinander angrenzen eine Möglichkeit, dass eine Wärmeleitung von der Montagefläche ausgehend durch das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit über die Grenzfläche an das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit abgegeben und durch dieses an die Abstrahlungsfläche weitergeleitet wird. Der Kühlkörper kann beispielsweise als Sandwich konstruiert sein.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit der Gestaltung des Kühlkörpers besteht darin, dass die Volumenbereiche aus dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und die Volumenbereiche aus dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit miteinander verzahnt sind. Hiermit ist gemeint, dass keine ebene Grenzfläche zwischen den Volumenbereichen vorliegt, sondern dass die ineinander verschlungen oder miteinander verschränkt sind. Auf diesem Weg kann sich eine formschlüssige Verbindung ergeben. Es ist auch möglich, dass die Grenzfläche Hinterschneidungen aufweist (abhängig vom gewählten Fertigungsverfahren). Eine verzahnte Grenzfläche hat den Vorteil, dass der für einen Wärmeübergang von dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zu dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung stehende Flächeninhalt vergrößert wird, wodurch ein Wärmeübergang zwischen den beiden Materialien vorteilhaft verbessert wird. Dies wirkt sich positiv auf die Entwärmungsleistung des Kühlkörpers aus.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abstrahlungsfläche durch eine offenporige Struktur gebildet ist, wobei sich Öffnungen von Poren in der Abstrahlungsfläche befinden. Dies hat den Vorteil, dass der Flächeninhalt der Abstrahlungsfläche stark vergrößert wird. Ein vergrößerter Flächeninhalt der Abstrahlungsfläche hat den Vorteil, dass über diese mehr Wärme an die Umgebung des Kühlkörpers abgegeben werden kann. Hierdurch steigt die Entwärmungsleistung des Kühlkörpers vorteilhaft.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Montagefläche durch eine massive Struktur gebildet wird. Der Wärmeübergang von der elektronischen Komponente in den Kühlkörper erfolgt durch Wärmeleitung, so dass eine massive Struktur an dieser Stelle die mit dem betreffenden Material mit der größeren Wärmeleitfähigkeit maximal erreichbaren Entwärmungseffekt erzielt, wenn die Struktur an der Montagefläche massiv ist.
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Weiterhin wird die Aufgabe mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kühlkörper aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit hergestellt wird, wobei das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zu einem größeren Teil als das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit für die Herstellung der Montagefläche verwendet wird und das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit zu einem größeren Teil als das Material mit der größeren Wärmeleitfähigkeit zur Herstellung der Abstrahlungsfläche verwendet wird. Die Montagefläche und die Abstrahlungsfläche sind als Teile der Oberfläche des Kühlkörpers zu verstehen. Zwischen diesen beiden Flächen können das Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit in Form gemischter Partikel oder in Form von Volumenbereichen vorliegen, wie dies vorstehend bereits erläutert wurde.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kühlkörper erzeugt werden, indem Partikel des Materials mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und Partikel des Materials mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit miteinander gemischt werden, wobei sich die Materialien hinsichtlich ihrer Dichte und/oder ihrer Partikelgröße und/oder ihrer Form unterscheiden. In einem nachfolgenden Schritt wird das so erhaltene Materialgemisch in ein Formwerkzeug eingeführt, welches danach geschüttelt wird. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte und/oder ihrer unterschiedlichen Partikelgröße und/oder ihrer Form bewirkt das Schütteln, dass sich die Partikel zumindest teilweise wieder entmischen. Die Partikel der einen Art werden eher zum Boden des Formwerkzeugs transportiert, während die Partikel der anderen Art eher an die Oberfläche der Partikelfüllung transportiert werden (die Partikel der einen Art sind entweder die Partikel des Materials mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit oder die Partikel des Materials mit der höheren Leitfähigkeit und die Partikel der anderen Art sind die jeweils anderen). Nach der Entmischung werden die Partikel bei gleichzeitiger Ausbildung des Kühlkörpers verfestigt. Dieses Verfestigen kann beispielsweise durch Sintern, Pressen oder durch ein Bindemittel erfolgen. Der fertiggestellte Kühlkörper weist durch die Entmischung der Partikel auf der einen Seite die Montagefläche auf, an der die Konzentration der Partikel mit der höheren Leitfähigkeit erhöht ist, und die Abstrahlungsfläche auf der gegenüberliegenden Seite, an der die Konzentration der Partikel mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit erhöht ist.
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Gemäß einer Alternative für das Verfahren ist vorgesehen, dass der Kühlkörper erzeugt wird, indem Partikel des Materials mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und Partikel des Materials mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit in getrennten Dosiervorrichtungen gelagert werden. Danach werden die Partikel des Materials mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und die Partikel des Materials mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit in ein Formwerkzeug eingefüllt, wobei in dem Formwerkzeug Volumenbereiche aus dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und an diese angrenzende Volumenbereiche aus dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit entstehen. Diese Volumenbereiche weisen zumindest in ihrem Kernbereich jeweils ausschließlich die Partikel jeweils eines der Materialien auf. In den Grenzbereichen zwischen den Volumenbereichen kann es zu einer gewissen Vermischung der angrenzenden Partikel kommen, wobei hierdurch vorteilhaft die Grenzfläche für einen Wärmeübergang von dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zu dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit verbessert wird. Danach werden die Partikel bei gleichzeitiger Ausbildung des Kühlkörpers verfestigt.
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Eine andere Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Kühlkörper zumindest teilweise durch ein additives Herstellungsverfahren erzeugt wird. Die Anwendung additiver Herstellungsverfahren hat den Vorteil, dass die Volumenbereiche innerhalb des Kühlkörpers fast beliebig komplex ausgebildet sein können. Hierdurch lässt sich beispielsweise die zur Verfügung stehende Grenzfläche für einen Wärmeübergang von dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit in das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit vergrößern.
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Als additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt. Das Baumaterial kann beispielsweise pulverförmig oder flüssig sein, wobei durch das additive Fertigungsverfahren das Material zur Herstellung des Bauteils chemisch oder physikalisch verfestigt wird.
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Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden in Anweisungen für die Fertigungsanlage umgewandelt, damit in dieser die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Her-stellung des Bauteils ablaufen können.
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Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering), das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser Melting), das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electrone Beam Melting), das Laserschweißen (auch LMD für Laser Metal Deposition), das Kaltgasspritzen (auch GDCS für Gas Dynamic Cold Spray) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.
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Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden.
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Beim LMD und GDCS werden die Pulverteilchen direkt der Oberfläche zugeführt, auf der ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim LMD werden die Pulverpartikel durch einen Laser direkt in der Auftreffstelle auf der Oberfläche aufgeschmolzen und bilden dabei eine Lage des zu erzeugenden Bauteils. Beim GDCS werden die Pulverpartikel stark beschleunigt, so dass sie vorrangig aufgrund ihrer kinetischen Energie bei gleichzeitiger Verformung auf der Oberfläche des Bauteils haften bleiben.
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GDCS und SLS haben das Merkmal gemeinsam, dass die Pulverteilchen bei diesen Verfahren nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Beim GDCS erfolgt ein Aufschmelzen höchstens im Randbereich der Pulverpartikel, die aufgrund der starken Verformung an ihrer Oberfläche anschmelzen können. Beim SLS wird bei Wahl der Sintertemperatur darauf geachtet, dass diese unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverpartikel liegt. Demgegenüber liegt beim SLM, EBM und LMD der Energieeintrag betragsmäßig bewusst so hoch, dass die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden.
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Eine weitere Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erhalten, wenn ein Basiskörper aus dem Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung gestellt wird und das Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit zur Erzeugung des Kühlkörpers durch ein additives Herstellungsverfahren auf den Basiskörper aufgetragen wird oder in einem Formwerkzeug auf dem Basiskörper gesintert wird. Der Basiskörper kann auf diese Weise vorteilhaft aus einem massiven Material gefertigt werden. Als Basiskörper kann alternativ ein einfaches Halbzeug verwendet werden, beispielsweise ein Kupferband, welches entsprechend der Größe der Montagefläche verteilt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Basiskörper als Gusskörper zu fertigen, wobei dieser eine komplexere Struktur als ein Halbzeug aufweisen kann, um die Grenzfläche zum Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit zu vergrößern. In einem nächsten Fertigungsschritt wird der Volumenbereich oder werden die Volumenbereiche aus dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Zu diesem Zweck kann der Basiskörper in das Formwerkzeug eingelegt werden, das Formwerkzeug mit einem Pulver aus dem Material mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit aufgefüllt werden und das Pulver anschließend verfestigt werden (beispielsweise durch Sintern oder Pressen oder Einbringen eines Binders, wie bereits beschrieben).
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Wird der Basiskörper durch ein additives Herstellungsverfahren komplettiert, so bieten sich hierfür das Kaltgasspritzen oder das Laserauftragsschweißen an. Mit diesen Verfahren lässt sich für die Funktion des Kühlers eine genügende Maßhaltigkeit erreichen. Durch das Kaltgasspritzen können insbesondere auch poröse Strukturen hergestellt werden, um die Abstrahlungsfläche zu vergrößern. An der Grenzfläche zum Material mit der höheren Wärmeleitfähigkeit können die Parameter des Kaltgasspritzens so eingestellt werden, dass die Porösität des abgeschiedenen Materials in diesem Bereich möglichst gering ist, um einen schnelleren Wärmeübergang zu gewährleisten.
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Zuletzt kann der Kühlkörper nach einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens auch durch ein Schichten von Sandwichlagen hergestellt werden, wobei diese eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die einzelnen Sandwichlagen können dabei in der beschriebenen Weise durch andere Verfahren gewonnen werden und stellen damit Halbzeuge dar, die durch Schichten zum endgültigen Kühlkörper hergestellt werden. Zum Beispiel kann das Hauptvolumen des Kühlkörpers nach dem bereits beschriebenen Verfahren hergestellt werden, nach dem Partikel gemischt und in der Form geschüttelt werden, um einen Konzentrationsgradienten innerhalb dieser Struktur zu erzeugen. Anschließend wird eine Sandwichlage aus Kupfer auf der stärker kupferhaltigen Seite aufgebracht, wobei durch diese Kupferplatte die Kontaktfläche gebildet wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 bis 5 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kühlkörpers, montiert auf einer elektronischen Komponente jeweils im Schnitt oder als Seitenansicht,
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6 und 7 exemplarisch Fertigungsschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch und
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8 einen Fertigungsschritt eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist eine Baugruppe 11 mit einer elektronischen Komponente 12 dargestellt, auf der ein Kühlkörper 13 befestigt ist. Dieser Kühlkörper steht über eine Montagefläche 14 mit der elektronischen Komponente 12 in Verbindung. Die in der elektronischen Komponente 12 entstehende Wärme wird über diese Montagefläche 14 in den Kühlkörper 13 eingeleitet. Abgegeben wird die Wärme über eine Abstrahlungsfläche 15, die durch den Kühlkörper 13 ausgebildet ist.
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Der Kühlkörper 13 besteht aus einem Gemisch von Partikeln 16 mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit aus Kupfer und Partikeln 17 mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit aus Aluminium.
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Diese sind jedoch nicht gleichmäßig im Kühlkörper verteilt, sondern es bildet sich ein neben dem Kühlkörper 13 graphisch angedeuteter, annähernd linearer Konzentrationsgradient 18 über die Höhe h des Kühlkörpers 13 heraus, der im günstigsten Fall von 100 % Volumenanteil für Partikel aus Kupfer an der Montagefläche 14 zu nahe 0 % Volumenanteil (in 1 ist 1 % dargestellt) für Partikel aus Kupfer an dem der Montagefläche 14 gegenüberliegenden Teil der Abstrahlungsfläche 15 verläuft. Zu bemerken ist, dass auch die Seitenflächen des Kühlkörpers sowie ein Teil der Grundfläche des Kühlkörpers, der nicht als Montagefläche 14 genutzt wird, als Abstrahlungsfläche zur Verfügung steht, da auch hier Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. In diesen letztgenannten Bereichen ist die Konzentration an Kupfer größer, was jedoch die Funktion des Kühlkörpers nicht beeinträchtigt, da auch Kupfer dazu geeignet ist, Wärme an die Umgebung abzustrahlen.
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In 2 ist ein Kühlkörper 13 dargestellt, der als Sandwich aufgebaut ist. Eine erste Lage 19 ist aus Kupfer hergestellt und kann beispielsweise aus einem plattenförmigen Halbzeug hergestellt werden. Anschließend folgt eine zweite Lage 20 aus einem Gemisch von Kupferpartikeln und Aluminiumpartikeln (nicht näher dargestellt), die in einem konstanten Mischungsverhältnis oder in einem wie in 1 dargestellten Mischungsverhältnis mit Konzentrationsgradienten über der Höhe h ausgebildet sein können. Als Drittes folgt eine Lage 21, welche ausschließlich aus Aluminium ausgebildet ist. Die Partikel sind nur locker geschüttet und gesintert worden, so dass sich zwischen diesen Poren 22 ausbilden, die ein zur Abstrahlungsfläche 15 offenes Kanalsystem ausbilden. Dies führt zu einer Oberflächenvergrößerung der Abstrahlungsfläche 15 des Kühlkörpers 13, da die Porenwände ebenfalls zur Abstrahlung zur Verfügung stehen. Die einzelnen Lagen des Sandwiches können nach deren Herstellung gefügt werden. Alternativ können die Lagen 20 und 21 auf der Lage 19 durch eine Sinterbehandlung hergestellt werden, wobei die Sinterbehandlung das fertiggestellte Bauteil hervorbringt.
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In 3 ist ein Kühlkörper 13 dargestellt, der auf einem Basiskörper 23 als Grundlage beruht. Dieser Basiskörper 23 stellt die Montagefläche 14 zur Verfügung und besteht aus Kupfer. Gleichzeitig wird dieser Basiskörper verwendet, um als Unterlage für die Herstellung eines Volumenbereichs 24 zu dienen, der aus Aluminium besteht. Das Aluminium kann beispielsweise, wie bereits beschrieben, durch Kaltgasspritzen aufgebracht werden, wobei ein strichpunktiert angedeutetes Formwerkzeug 25 zum Einsatz kommt, um die senkrecht verlaufenden Flanken des Volumenbereichs 24 herstellbar zu machen. Der nach oben gerichtete Bereich der Abstrahlungsfläche 15 wird indes durch das Kaltgasspritzen freigeformt. Zur Oberflächenvergrößerung ist dabei eine Struktur mit Rippen 26 erzeugt worden. Eine weitere Vergrößerung der Abstrahlungsfläche lässt sich erzeugen, indem die Parameter des Kaltgasspritzens so eingestellt werden, dass im Bereich der Abstrahlungsfläche 15 eine poröse Struktur erzeugt wird. Im Bereich einer Grenzfläche 27 zwischen dem Volumenbereich 24 des Kühlkörpers und einem durch den Basiskörper 23 gebildeten Volumenbereich 28 können die Parameter des Kaltgasspritzens so eingestellt werden, dass eine möglichst geringe Porösität des Volumenbereichs 24 entsteht, um einen guten Wärmeübergang zwischen den beiden Volumenbereichen 24, 28 zu gewährleisten.
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Bei dem Kühlkörper 13 gemäß 4 wird ebenfalls ein Basiskörper 23 verwendet, der den Volumenbereich 28 mit der höheren Wärmeleitfähigkeit bildet. Dieser ist geometrisch jedoch komplexer aufgebaut, wodurch eine bessere Wärmespreizung erreicht wird. Es entstehen Hinterschneidungen a, wobei die Herstellung des Volumenbereichs 24 aus dem weniger wärmeleitfähigen Material dadurch erreicht wird, dass dieses als Pulver in ein nicht näher dargestelltes Formwerkzeug (ähnlich 6) eingefüllt und anschließend gesintert wird.
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Der Kühlkörper gemäß 5 ist ähnlich demjenigen gemäß 2 in Sandwichbauweise ausgeführt. Es gibt eine Grundplatte 29 aus Kupfer, die hauptsächlich die Montagefläche 14 zur Verfügung stellt. Auf dieser Grundplatte ist ein Rippenkühler 30 befestigt, der aus Aluminium besteht. Hierdurch entsteht die Grenzfläche 27 für einen Wärmeübergang von der Kupferplatte 29 in den Rippenkühler 30. Der Rippenkühler 30 bildet den hauptsächlichen Anteil der Abstrahlungsfläche 15.
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In 6 ist ein Fertigungsschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kühlkörpers 13 gemäß 1 dargestellt. Hierzu wird ein Formwerkzeug 31 verwendet, welches mit einem Pulvergemisch befüllt wurde. Der Volumenanteil von Kupfer beträgt im Verhältnis zum Volumenanteil von Aluminium beispielsweise 50 %, wie rechts neben dem Formwerkzeug 31 dargestellt (die Zwischenräume werden hierbei nicht mitberücksichtigt – dies gilt auch für die graphischen Darstellungen in 1 und 7). Wie durch einen Doppelpfeil angedeutet, wird das Formwerkzeug 31 nun gerüttelt. Hierdurch wandern die Partikel aus Kupfer eher zum Boden 32, weswegen nahe der Oberfläche 33 der Pulverfüllung des Formwerkzeugs 31 eher die Aluminiumpartikel anzufinden sind. Ein Konzentrationsgradient stellt sich beispielsweise dahingehend ein, dass der Volumenanteil an Kupfer am Boden 32 bei 98 % liegt und an der Oberfläche 33 bei 2 % (vgl. 7).
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Für eine Entmischung des Pulvergemischs sind folgende Effekte verantwortlich, die anhand des teilweisen Aufschnitts gemäß 1 zu erläutern sind, wobei die Partikel zur besseren Erläuterung dort maßstäblich vergrößert dargestellt sind. Wie zu erkennen ist, sind die Partikel 17 aus Aluminium größer, als die Partikel 16 aus Kupfer. Außerdem sind die Partikel 16 aus Kupfer weitgehend rund, während die Partikel aus Aluminium eine unregelmäßigere Struktur aufweisen. Außerdem ist allgemein bekannt, dass Kupfer im Vergleich zu Aluminium dichter ist. Alle diese Eigenschaften führen dazu, dass sich durch die Rüttelbewegung gemäß 6 die Kupferpartikel am Boden 32 der Form ansammeln, während die Partikel 17 aus Aluminium an der Oberfläche 33 verbleiben. Durch die unregelmäßige Form der Partikel 17 entstehen überdies in dem durch diese Partikel bestimmten Bereich des Kühlkörpers 13 Poren 22, während im Bereich nahe der Montagefläche 14 eine fast porenfreie Struktur entsteht. Gemäß 7 wird ein Zusammenhalt der Pulverfüllung in den Formwerkzeug 31 durch Aufbringen eines Drucks durch einen Stempel 34 erzeugt, der mit einer Kraft F auf die Pulverfüllung gepresst wird. Außerdem kann eine Temperaturerhöhung auf die Temperatur T mit nicht näher dargestellten Mitteln (Heizung) zu erfolgen.
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In 8 ist eine andere Möglichkeit dargestellt, das Formwerkzeug 31 mit Pulver zu befüllen. Hierbei kommt eine Dosiervorrichtung 35 für die Partikel mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und eine Dosiervorrichtung 36 für Partikel mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz, mit denen das Formwerkzeug 31 lagenweise aufgefüllt werden kann. Dabei kann beispielsweise eine Struktur hergestellt werden, wie diese in 4 dargestellt ist, wobei im Unterschied zu 4 kein Basiskörper 23 Verwendung findet, sondern die Volumenbereiche 28, 29 durch eine lokale Dosierung der entsprechenden Partikel erzeugt wird. Ein Sintern kann in der zu 4 beschriebenen Weise erfolgen.
