DE10392451T5

DE10392451T5 - Wärmesenke (Kühlkörper) und Verfahren zur Abführung der Wärme von elektronischen Leistungskomponenten

Info

Publication number: DE10392451T5
Application number: DE10392451T
Authority: DE
Inventors: John London Makaran
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2005-04-14
Also published as: US20030183369A1; US20040031588A1; AU2003212172A8; AU2003212172A1; WO2003083941A2; JP2005522036A; WO2003083941A3

Abstract

Ein Kühlkörper zur Abführung der Wärme von einer Komponenten auf einem Grundelement, umfassend:
– eine Basis mit einem Oberteil, einem Unterteil und gegenüberliegenden Seiten, wobei das Oberteil im wesentlichen eben geformt ist, um an dem Grundelement angebracht zu werden und wobei jede der gegenüberliegenden Seiten einen Ausschnitt aufweist, der ein abgestuftes Schulterstück definiert; und
– eine Vielzahl von Kühlrippen, die sich von dem Boden der Basis her ausdehnen.

Description

Der nachfolgende Text ist die deutsche Übersetzung der internationalen Patentanmeldung WO 03/083941 (PCT/CA03/00436).
Anwendungsbereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf die Abführung von Wärme bei elektronischen Bauteilen einer Leiterplatte. Im Speziellen aber von einer Wärmesenkung durch die Abführung der Wärme von elektronischen Leistungskomponenten.
Hintergrund der Erfindung
In der herkömmlichen Weise sind Kühlkörper zur Abführung von der Wärme elektronischer Leistungskomponenten einer Leiterplatte nur für die Kühlung einer bestimmten Komponente gestaltet. Dabei ist die Entwicklungszeit relevant, da ein thermisches Modell und eine thermisch-leitenden Anordnung für jeden Kühlkörper bestimmt werden muss. Für das Design von Kühlkörpern sind daher spezielle Werkzeuge nötig, besonders wenn es sich bei dem Kühlkörper um ein Modell der gerippten Art handelt. Weiter sind schnelle Neuzusammenstellungen einer Leiterplattengestaltung schwierig und kostspielig, weil der gesamte Redesignprozess bei dem den Einsatz herkömmlicher Kühlkörper erforderlich ist. Sehr oft resultiert dies in Lösungen, die einmalig für dieses spezielle Anordnungsaufgabe sind.
Folglich besteht also der Bedarf nach einem Kühlkörper, der von allen elektronischen Leistungseinrichtungen genutzt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel dieser Erfindung ist es daher, den Bedarf des oben erwähnten Problems zu befriedigen. In Übereinstimmung mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung wird dies objektiv durch die Bereitstellung eines Kühlkörpers zur Abführung der wärme von einem Substrat erreicht. Der Kühlkörper besitzt eine Basis mit einem Oberteil, ein Unterteil und gegenüberliegende Seiten. Das Oberteil ist allgemein eben geformt, um an dem Grundelement befestigt werden zu können. Anordnungsstrukturen sind auf dem Oberteil des Kühlkörpers bereitgestellt, um den Kühlkörper mit Bezug auf das Grundelements einzurichten. Jede der gegenüberliegenden Seiten besitzt einen Ausschnitt, der durch ein abgestuftes Schulterstück genau bestimmt ist. Der Kühlkörper enthält ebenso eine Vielzahl von Kühlrippen, die sich vom Boden der Basis ausdehnen. Kühlkörper werden vorzugsweise durch ein Strangpressverfahren hergestellt. Weil die Kühlkörper an der Leiterplatte angeklebt werden können, kann ein gemeinsamer Kühlkörper für alle Arten von elektronischen Leistungskomponenten genutzt werden.
In Übereinstimmung mit anderen Gesichtpunkten dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Ableitung der Wärme von einer Komponenten zur Verfügung gestellt, wobei die Komponente an dem Grundelement befestigt ist. Das Verfahren stellt eine Wärme erzeugende Komponente auf der Oberseite der Grundlage bereit. Ein Kühlkörper wird zur Verfügung gestellt, der eine Basis hat, die ein Oberteil, ein Unterteil und gegenüberliegende Seiten besitzt. Das Oberteil ist allgemein eben geformt, um an dem Grundelement befestigt zu werden. Der Kühlkörper umfasst eine Vielzahl von Kühlrippen, die sich vom Boden der Basis her ausdehnen. Ein thermisch leitender Klebstoff wird an dem Boden des Grundelements angebracht oder wenigstens an einem Stück des O berteils. Das Oberteil des Kühlkörpers wird auf der Bodenseite des Grundelements installiert, um Wärme von der Komponente abzuführen.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers stranggepresstes Material, damit ein gepresster Kühlkörper in bestimmten Längen geformt werden kann. Der gepresste Kühlkörper besitzt eine Basis, die ein Oberteil, ein Unterteil und gegenüberliegende Seiten besitzt. Das Oberteil ist zur Befestigung an einer Leiterplatte allgemein eben hergestellt. Der gepresste Kühlkörper besitzt ebenso eine Vielzahl von Rippen, die sich vom Boden der Basis her ausdehnen. Ein Ausschnitt ist an jeder der gegenüberliegenden Seiten hergestellt worden, um ein abgestuftes Schulterstück zu definieren. Der stranggepresste Kühlkörper wird an verschieden Stellen abgeschnitten, um eine Vielzahl von Kühlkörper aus dem Strangpressverfahrenung bereitzustellen.
Andere Gegenstände, Merkmale und Eigenschaften von der vorliegenden Erfindung, genauso wie die Verfahren des Betriebs und die Funktion der bestimmungsgemässen Elemente der Struktur sowie die Kombination der einzelnen Bauteile und die Wirtschaftlichkeit der Herstellung werden besser sichtbar durch die Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung und den anhängenden Patentansprüchen mit dem Verweis zu den begleitenden Zeichnungen, wobei alle Zeichnungen einen Teil der Patentbeschreibung darstellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird besser verstanden werden durch die folgenden detaillierten Beschreibungen der bevorzugten Darstellungen. Die Darstellungen stehen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen für die gleichen Teile verwendet werden:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines stranggepressten Kühlkörpers, der zur Verfügung gestellt worden ist in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht von dem stranggepressten Kühlkörper nach 1, nach dem abgestuften Schulterstücken in den gegenüberliegenden Seiten angeformt wurden.
3 ist ein Querschnitt des Kühlkörpers von 2, bei der die Befestigung zwischen der Leiterplatte und einem umhüllenden Bauteil in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform, der Strukturen zu seiner Anordnung auf dem Oberteil aufweist.
5 ist eine Draufsicht auf eine der Anordnungsstrukturen des Kühlkörpers gemäss Figur , bei der die Durchführung durch ein Loch in einer Leiterplatte.
Detaillierte Beschreibung der exemplarischen Darstellung
Mit Bezug auf die 1 wird ein stranggepresster Kühlkörper in Übereinstimmung mit der Erfindung gezeigt, der allgemein mit dem Bezugzeichen 10 bezeichnet. Ausgangsmaterial, wie z.B. Aluminium oder Magnesium, wird stranggepresst, um einen stranggepressten Kühlkörper zu formen, der bestimmte Längen hat. Der stranggepresste Kühlkörper 10 besitzt eine Basis 12, die ein Oberteil 14, ein Unterteil 16 und gegenüberliegende Seiten 18 und 20 besitzt. Dabei ist das Oberteil 14 im allgemeinen eben geformt, um an einem Grundelement, derartig wie eine Leiterplatte 22, angebracht zu werden (3). Der stranggepresste Kühlkörper 10 besitzt ebenso eine Vielzahl von Kühlrippen 24, die sich vom Boden 16 der Basis 12 her ausdehnen. Das Wort „Kühlrippen" bezeichnet hier eine Struktur, die einen Austausch der Wärme von der Basis 12 mit der umgebenden Luft ausführt. Ein Ausschnitt ist in jeder der Seiten 18 und 20 in Metallbearbeitungstechnik hergestellt worden, der abgestufte Schulterstücke 26 in der Basis 12 definiert. Die Funktion von diesen wird nachfolgend noch erklärt. Folglich sind die Basis 12 und die Kühlrippen 24 durch das Strangpressverfahren einstöckig geformt.
Um eine Vielzahl von Kühlkörpern 28 zur Verfügung zu stellen, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 in 2 gezeigt sind wird der stranggepresste Kühlkörper 10 an mehreren Stellen abgeschnitten (zum Beispiel Linie A in 1). So können viele Kühlkörper 28 von einem einzigen Strang eines Kühlkörpers 10 hergestellt werden. Es ist zu erkennen, dass der Kühlkörper auch durch andere Verfahren hergestellt werden kann, derartig wie durch Spanbearbeitungoder durch Gießen eines Gussstücks.
Mit Verweis auf die 3 wird ein Verfahren zur Abführung der Wärme von Komponenten, die auf einem Grundelement, wie einer Leiterplatte, befestigt sind gezeigt, bei dem eine Wärme erzeugende Komponente 30 vorgesehen ist, die an der Oberseite 31 der Leiterplatte 22 angebracht ist. Das Grundelement ist vorzugsweise aus einem keramischen oder einem isolierten metallischen Material. In der gezeigten Darstellung ist die Wärme erzeugende Komponente 30 eine elektronische Leistungskomponen te, wie ein MOSFET (Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistor). Die Komponente 30 ist vorzugsweise mit einer keramischen oder einer entsprechenden Beschichtung 32 umhüllt. Thermische Übergänge 34 werden durch die Leiterplatte 22 angrenzend zu der Komponente 30 geschaffen und sich von der Oberseite 31 zu der Unterseite 36 der Leiterplatte 22 ausdehnen. In der vorliegenden Darstellung sind die Übergänge 34 durch die Leiterplatte gebohrt und mit thermisch leitfähigem Material aufgefüllt. So stellen die Übergänge 34 Wege für die Abführung der Wärme bereit, von der Komponente 30 an die Unterseite 36 der Leiterplatte 22 bereit. Ein thermisch leitender Klebstoff 38 kann an mindestens einer Stelle an dem Oberteil des Kühlkörpers 28 aufgebracht werden, um das Oberteil 14 des Kühlkörpers 28 sicher an der Unterseite 36 der Leiterplatte 22 anzubringen, die sich angrenzend zu den Übergängen 34 befindet. Natürlich kann der Klebstoff auch auf dem Unterteil der Leiterplatte 22 aufgebracht werden, anstatt der Aufbringung des Klebstoffs auf dem Kühlkörper. Es kann möglich sein, dass die thermischen Übergänge nicht erforderlich sind; sie sind aber vorzugsweise zu verwenden, da sie bei dem Austausch der Wärme behilflich sind.
In der vorliegenden Darstellung ist ein umhüllendes Bauteil 40, vorzugsweise aus Plastik oder Aluminium, bereitgestellt worden, welches eine obere Oberfläche 42, eine untere Oberfläche 44 und eine durchgehende Bohrung 45 besitzt. Mindestens die Oberfläche 42 ist im wesentlichen eben geformt. Das Umhüllungsbauteil 40 ist so gestaltet, um die Unterseite 36 der Leiterplatte 22 zu umhüllen und zu schützen, ohne einen Kontakt mit irgendeinem anderen Bauteil der elektronischen Komponenten auf der Bodenseite 36 der Leiterplatte 22 herzustellen. Im weitesten Sinne der Erfindung muss ein Umhüllungsbauteil nicht zur Verfügung gestellt werden.
Ein Dichtungsmittel, derartig wie Silikon oder RTV, wird unter jedem Schulterstück 26 der Basis 12 des Kühlkörpers angebracht, oder aber um die Bohrung 45 in dem Umhüllungsbauteil 40. Danach werden die Kühlrippen 24 des Kühlkörpers 28 durch die Bohrung 45 eingeführt, so dass die Dichtung 46 sich zwischen der oberen Oberfläche 42 des Umhüllungsbauteils 40 und dem Schulterstück 26 befindet, was zu einer Abdichtung der Bohrung 45 führt.
Mit Bezug auf die 4 werden Anordnungstrukturen auf dem Oberteil 14 der Basis 12 zur Verfügung gestellt, um die Anordnung des Kühlkörpers 28 mit Bezug auf die Leiterplatte 22 zu vereinfachen. Die Anordnungsstrukturen umfassen mindestens ein Paar von Anordnungspunkten 50 mit einem allgemein rechteckigen Querschnitt, die sich von dem Oberteil 14 der Basis 12 aus ausdehnen. Während des Strangpressens des Kühlkörpers werden vorzugsweise Rippen 52 auf dem Oberteil 14 der Basis 12 zur Verfügung gestellt. Dann, wie in 44 gezeigt, kann der zentrale Teil der Rippen durch Zerspanung entfernt werden, um die Anordnungspunkte bereitzustellen. Die Anordnungspunkte 50 können eine beliebige Querschnittsform haben.
Wie in 5 gezeigt kann die Leiterplatte 22 durchgehende überzogene Löcher 54 aufweisen. Jedes davon ist so gestaltet, einen zugehörigen Anordnungspunkt 50 des Kühlkörpers 28 aufzunehmen, um die X - Y Position des Kühlkörpers 28 mit Rücksicht auf die Leiterplatte 22 einzustellen.
So kann in Übereinstimmung mit der Erfindung ein gemeinsamer Kühlkörper für alle elektronischen Leistungseinrichtungen genutzt werden, und zwar durch das einfache Aufkleben des Kühlkörpers an der Leiterplatte hinsichtlich der elektronischen Leistungseinrichtungen. Da der Kühlkörper eine einheitliche Gestaltung aufweist, können schnelle Neugestaltugen des Layouts einer Leiterplatte erreicht werden. Es sind in Verbindung mit dem Einsatz des Kühlkörpers 28 keine Kosten für dessen neue Erstellung erforderlich. Einzig die Stelle für die Bohrung 45 in dem Umhüllungsbauteil 40 muss während der Neugestaltung verschoben werden.
Die Vorteile der Erfindung beinhalten:

1) Die kleineren Abmessungen der elektronischen Bauteile.
2) Die leichtere Neugestaltung einer Leiterplatte bei einer bestehenden Anwendung oder den Gebrauch einer neuen Anwendung, weil die Abmessungen mit allen anderen Gestaltungen einheitlich sind.
3) Keine Kosten für die Neugestaltung des Kühlkörpers.
4) Die Fähigkeit einen gerippten Kühlkörpers einsetzen zu können anstelle des Bedarfs von teuren speziell ausgestatteten Kühlkörperns.
5) Die Kühlkörper sind stranggepresst und daher mit niedrigen Kosten herstellbar.
6) Die Minimierung der Entwicklungszeit, da die thermischen Kühlkörpermodelle und die thermische Abführungen in ihrer Gestaltung einheitlich sind.
7) Falls ein größerer Bedarf an Wärmetauschfläche erforderlich sein sollte, kann eine unterschiedliche Strangpressung mit weiteren und größeren Rippen angewendet werden.

Die vorangegangenen bevorzugten Ausführungsbeispiele sind gezeigt worden sowohl zur Veranschaulichung der strukturellen und funktionellen Grundsätze der vorliegenden Erfindung als auch zur Veranschaulichung der Verfahren von der Verwendung der bevorzugten Ausführungsformen. Sie sind in gewissen Grenzen austauschbar, ohne von den Grundsätzen abzuweichen. Daher enthält diese Erfindung alle umfassenden Veränderungen innerhalb des technischen Bereiches der folgenden Patentansprüche.
Zusammenfassung
Eine Wärmesenke (Kühlkörper) werden zur Abführung der Wärme von einer Komponente 30 der Leiterplatte 22 vorgesehen. Der Kühlkörper 28 besitzt eine Basis 12, die ein Oberteil 14, ein Unterteil 16 und gegenüberliegende Seiten 18 und 20 umfasst. Das Oberteil ist allgemein eben geformt, um an der Leiterplatte befestigt zu werden. Jede der gegenüberliegenden Seiten hat einen Abschnitt, der durch ein abgestuftes Schulterstück 26 genau bestimmt ist. Der Kühlkörper beinhaltet ebenso eine Vielzahl von Kühlrippen 24, die von dem Boden der Leiterplatte her verlängert sind. Anordnungsstrukturen 50 sind an dem Oberteil des Kühlkörpers zur Verfügung gestellt worden, um den Kühlkörper mit Rücksicht auf die Leiterplatte 22 anordnen zu können. Weil der Kühlkörper an der Leiterplatte angeklebt werden kann, kann ein gemeinsamer Kühlkörper für irgendeine elektronische Leistungskomponente genutzt werden.
1

Claims

Ein Kühlkörper zur Abführung der Wärme von einer Komponenten auf einem Grundelement, umfassend: – eine Basis mit einem Oberteil, einem Unterteil und gegenüberliegenden Seiten, wobei das Oberteil im wesentlichen eben geformt ist, um an dem Grundelement angebracht zu werden und wobei jede der gegenüberliegenden Seiten einen Ausschnitt aufweist, der ein abgestuftes Schulterstück definiert; und – eine Vielzahl von Kühlrippen, die sich von dem Boden der Basis her ausdehnen.
Der Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die Basis und die Kühlrippen einstöckig geformt sind.
Der Kühlkörper nach Anspruch 2, wobei die Basis und die Kühlrippen durch Strangpressen geformt sind.
Der Kühlkörper nach Anspruch 2, wobei die Basis und die Kühlrippen aus Aluminium oder Magnesium bestehen.
Der Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei Anordnungsstrukturen auf der Oberseite der Basis zur Anordnung des Kühlkörpers relativ zu dem Grundelement vorgesehen sind.
Der Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei die Anordnungsstrukturen eine Vielzahl von Bauteilen mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, umfassen, die sich aus der Basis heraus ausdehnen.
Ein Kühlkörper zur Abführung der Wärme von einer Komponenten auf einem Grundelement, umfassend: – eine Basis mit einem Oberteil, einem Boden und gegenüberliegenden Seiten, wobei das Oberteil im wesentlichen eben geformt ist, um an dem Grundelement angebracht zu werden, und wobei die Basis Anordnungsstrukturen auf dem Oberteil zur Anordnung des Kühlkörpers relativ zu dem Grundelement aufweist, und – eine Vielzahl von Kühlrippen, die sich von dem Boden der Basis her ausdehnen.
Der Kühlkörper nach Anspruch 7, wobei die Anordnungsstrukturen eine Vielzahl von Bauteilen mit im wesentlichen rechtwinkeligen Querschnitts umfassen, die sich von dem Oberteil der Basis ausdehnen.
Ein Verfahren zur Abführung der Wärme von einer an dem Grundelement befestigten Komponente, umfassend: – Bereitstellenung einer Wärme erzeugenden Komponente auf der Oberseite des Grundelements; – Bereitstellen eines Kühlkörpers, der eine Basis umfasst mit einem Oberteil, einem Unterteil und gegenüberliegenden Seiten, wobei das Oberteil im wesentlichen eben geformt ist, um an der Leiterplatte befestigt zu werden, und wobei der Kühlkörper eine Vielzahl von Kühlrippen umfasst, die sich von dem Boden der Basis her ausdehnen, und – Auftragen eines thermisch leitenden Klebstoffes an dem Boden des Grundelements oder mindestens an einer Stelle des Oberteils des Kühlkörpers und Anbringen des Oberteils des Kühlkörpers an der Unterseite des Grundelements um die Abwärme der Komponente abzuführen.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei jede der gegenüberliegenden Seiten des Kühlkörpers hat einen Ausschnitt, um ein abgestuftes Schulterstück zu definiert, wobei das Verfahren ferner umfasst: – Bereitstellen eines umhüllenden Bauteils, das eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche besitzt, sowie eine durchgehende Bohrung aufweist, wobei die obere Oberfläche im wesentlichen eben geformt ist; – Einführen der Kühlrippen durch die Bohrung unter Verwendung eines Dichtungsmittels, das zwischen der oberen Oberfläche des umhüllenden Bauteils und den Schulterstücken angeordnet ist, um die Abdichtung der Bohrung herbei zu führen.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zur Verfügung gestellte Komponente eine elektronische Leistungskomponente ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die elektronische Leistungskomponente ein MOSFET ist.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das umhüllende Bauteil aus Plastik oder Aluminium hergestellt und so gestaltet ist, dass die Unterseite des Grundelements geschützt ist ohne dass ein elektrischer Kontakt mit den elektronischen Komponenten der Bodenseite des Grundelements herbeigeführt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Dichtungsmittel silikon ist.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Kühlkörper aus Aluminium oder Magnesium hergestellt worden ist.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Oberteil der Basis Anordnungsstrukturen und das Grundelement Anordnungslöcher umfassen, wobei der Schritt des Anbringens das Plazieren der Anordnungsstrukturen in den Anordnungslöchern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Klebstoff an einem Oberteil der Basis aufgetragen wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers, umfassend beinhaltet: – Strangpressen eines Materials zur Gestaltung eines stranggepressten Kühlkörpers in einer bestimmten Längen, der stranggepresste Kühlkörper umfasst eine Basis einschließlich eines Oberteils, eines Unterteils und gegenüberliegende Seiten, wobei das Oberteil im wesentlichen eben geformt ist, um an der Leiterplatte befestigt zu werden, und wobei der stranggepresste Kühlkörper eine Vielzahl von Kühlrippen umfassen, die sich vom Unterteil der Basis her ausdehnen; – an jeder der gegenüberliegenden Seiten das Zerspanen eines Ausschnitts zur Definition von abgestuften Schulterstücken; – Abschneiden des stranggepressten Kühlkörpers an mehreren Stellen, um eine Vielzahl von einzelnen Kühlkörpern aus einem Strang des stranggepressten Kühlkörpers bereit zu stellen.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der stranggepresste Kühlkörper nach dem Abschneiden mindestens eine sich mit bestimmter Länge ausdehnende Rippe auf dem Oberteil der Basis umfasst, wobei eine Entfernung eines zentralen Teils der Rippe vorgesehen ist, um eine Anordnungsstruktur zu definieren.
Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Anordnungsstrukturen mindestens ein Paar von Anordnungspunkten umfasst, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.