DE19730865A1 - Heat sink for an electronic component especially a ceramic circuit board - Google Patents

Heat sink for an electronic component especially a ceramic circuit board

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Abstract

A heat sink for an electronic component consists of a composite material based on aluminium or an aluminium alloy containing further material particles or fibers for matching the thermal expansion coefficients or thermal expansion properties of the heat sink and the element to be cooled. An Independent claim is also included for an electronic component consisting of a circuit board adhesively bonded or soldered to the above heat sink. Preferred Features: The further material consists of ceramic (especially silicon carbide), plastic or carbon particles or fibers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper aus einem Aluminiumwerkstoff für elektronische Bauelemente, der mittelbar oder unmittelbar in Kontakt mit dem zu kühlenden Element steht. Unter einem elektronischen Bauelement sollen im folgenden solche elektronischen und/oder elektrischen Bauteile verstanden werden, die einer Kühlung durch Wärmeableitung aus den temperaturempfindlichen Bereichen bedürfen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kühlkörper für elektronische Leiterplatten aus Keramikwerkstoffen. Im folgenden wird überwiegend von einem elektronischen Bauelement gesprochen, ohne daß damit eine Beschränkung verbunden sein soll.The invention relates to a heat sink from a Aluminum material for electronic components, the indirectly or directly in contact with the one to be cooled Element stands. Under an electronic component in the following such electronic and / or electrical Components are understood to be cooled by Heat dissipation from the temperature-sensitive areas need. In particular, the invention relates to a Heatsink for electronic circuit boards Ceramic materials. In the following, it is predominantly used by one spoken electronic component, without a Restriction should be connected.

Kühlkörper der eingangs beschriebenen Art dienen in elektronischen Geräten zur Abführung von Verlustwärme, die während des Betriebes insbesondere von Leistungselektronik entsteht. In der Regel ist die Anordnung so getroffen, daß das zu kühlende Element in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlkörpers steht, so daß eine Wärmeübertragung von dem Element in den Kühlkörper erfolgt. Häufig weist der Kühlkörper eine große Oberfläche in Form von Rippen oder dergleichen auf, um seinerseits eine gute Wärmeabgabe an die Umgebung zu bewirken. Da der Kühlkörper zudem eine relativ hohe Stabilität aufweist, wird er in vielen Fällen gleichzeitig als Träger- und Montageeinheit benutzt.Heat sinks of the type described above serve in electronic devices for heat dissipation, the during the operation of power electronics in particular arises. As a rule, the arrangement is such that the element to be cooled in indirect or direct Contact with a surface of the heat sink so that heat transfer from the element to the heat sink he follows. The heat sink often has a large surface area in the form of ribs or the like, in turn to cause a good heat release to the environment. Since the Heat sink also has a relatively high stability, in many cases it is used as a carrier and Assembly unit used.

Der Kühlkörper besteht meistens aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder einem Werkstoff auf Kupferbasis. Aluminiumwerkstoffe haben den Vorteil, daß sie leicht sind und sich nahezu beliebig bearbeiten und umformen, beispielsweise gießen oder strangpressen, lassen. Dadurch wird die Anwendungsvielfalt erhöht. Kupferwerkstoffe weisen hingegen grundsätzlich die bessere Wärmeleitfähigkeit auf.The heat sink usually consists of a metallic one Material, for example made of an aluminum alloy or a copper-based material. Have aluminum materials the advantage that they are light and almost arbitrary machining and forming, for example casting or extrusion, leave. This makes the application variety  elevated. Copper materials, however, basically have the better thermal conductivity.

Das zu kühlende Element wird auf den Kühlkörper gelötet oder geklebt. Zum Löten wird ein besonderes spaltfüllendes Lot verwendet. Als Kleber findet hier ein spezieller Wärmeleitkleber Anwendung. Beide Maßnahmen führen dazu, daß das elektronische Element, die Leiterplatte oder dergleichen im wesentlichen voll flächig fest mit dem Kühlkörper verbunden ist, so daß eine Wärmeübertragung erfolgen kann.The element to be cooled is soldered onto the heat sink or glued. Soldering is a special gap-filling process Lot used. There is a special one here as an adhesive Thermal adhesive application. Both measures result in the electronic element, the circuit board or the like essentially full-area fixed with the Heatsink is connected so that heat transfer can be done.

Bei einer solchen Anordnung besteht ein Nachteil darin, daß das elektronische Bauelement einerseits und der Kühlkörper andererseits unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und somit unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen. Der metallische Kühlkörper, der aus einem Nichteisenwerkstoff wie einer Aluminiumwerkstoff besteht, besitzt nämlich in der Regel einen wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das zu kühlende Element.A disadvantage with such an arrangement is that the electronic component on the one hand and the heat sink on the other hand, different coefficients of thermal expansion and thus different thermal expansion behavior exhibit. The metallic heatsink that consists of one Non-ferrous material such as an aluminum material, usually has a much higher one Coefficient of thermal expansion as the element to be cooled.

Dies hat zur Folge, daß sich die Bauteile aufgrund von Temperaturschwankungen unterschiedlich ausdehnen werden. Es ist offensichtlich, das hierbei wegen der gewünschten und thermisch erforderlichen festen vollflächigen Verbindung Schubspannungen entstehen, die schadlos aufgenommen werden müssen. Dieses Problem besteht insbesondere bei großflächigen Leiterplatten, da bei größer werdenden absoluten Abmessungen der Bauelemente auch die Ausdehnungen aufgrund von Temperaturschwankungen zunehmen.This has the consequence that the components due to Expand temperature fluctuations differently. It It is obvious that this is because of the desired and thermally required solid full-surface connection Shear stresses arise that are absorbed without damage have to. This is a particular problem with large-area printed circuit boards, as the absolute dimensions of the components including the dimensions increase due to temperature fluctuations.

Die Schubspannungen können zu einem Bruch der Leiterplatte, des Lotes oder zu einem Riß in der Kleberschicht führen. Diese Vorfälle verursachen meistens ein Versagen der gesamten Anordnung. Insbesondere Leiterplatten aus Keramik sind dabei gegenüber solchen Schubspannungen besonders empfindlich. The shear stresses can break the circuit board, of the solder or lead to a crack in the adhesive layer. These incidents mostly cause failure of the entire arrangement. Especially ceramic circuit boards are special compared to such shear stresses sensitive.  

Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, eine dickere, elastische Kleberschicht aufzutragen. Die Kleberschicht weist jedoch häufig nicht die erforderlichen Wärmeleitfähigkeiten auf, so daß nicht genügend Wärme abgeführt werden kann. Dies führt zu einer Begrenzung der aufnehmbaren Verlustwärme und somit zur Einschränkung in bezug auf die packungsdichte der Leiterplatte. Alles in allem ist durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der mögliche Temperaturbereich, in dem das elektronische Bauteil eingesetzt werden kann, und/oder die Größe eines einzelnen zu kühlenden Elementes beschränkt.Basically, there is the possibility of a thicker, apply elastic adhesive layer. The adhesive layer however, often does not indicate the necessary Thermal conductivities so that not enough heat can be dissipated. This leads to a limitation of absorbable heat loss and thus for limitation in in relation to the packing density of the circuit board. All in everything is different Thermal expansion behavior of the possible temperature range, in which the electronic component can be used, and / or the size of an individual element to be cooled limited.

Weiterhin ist es bekannt, spezielle Kupferwerkstoffe, beispielsweise CuFe2, einzusetzen. Diese Werkstoffe können zwar das gewünschte Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen, sind jedoch wesentlich schwerer und teurer als beispielsweise Aluminiumwerkstoffe. Auch lassen sich solche Kupferlegierungen nicht beliebig bearbeiten und nicht wie gestaltungsvariabler Aluminiumwerkstoffurformen, so daß den Anwendungsmöglichkeiten Grenzen gesetzt sind.It is also known to use special copper materials, for example use CuFe2. These materials can have the desired thermal expansion behavior, are much heavier and more expensive than for example aluminum materials. Such can also be Do not process copper alloys arbitrarily and not how design-variable aluminum material forms, see above that the application possibilities are limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper der eingangs geschilderten Art aus einem Aluminiumwerkstoff so zu verbessern, daß eine Kühlung auch von großflächigen elektronischen Bauelementen, insbesondere von Keramikleiterplatten, auch über einen großen Temperaturbereich möglich ist.The invention has for its object a heat sink of the type described at the outset from an aluminum material to improve so that cooling of large areas electronic components, in particular from Ceramic circuit boards, even over a large one Temperature range is possible.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kühlkörper aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und wenigstens einen weiteren partikelförmigen oder faserförmigen Verbundstoff aufweist, um den Wärmeaus­ dehnungskoeffizient bzw. das Wärmeausdehnungsverhalten des Kühlkörpers an den Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. das Wärmeausdehnungsverhalten des zu kühlenden Elementes zumindest näherungsweise anzupassen. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß durch die Zugabe solcher Verbundstoffe in Aluminium oder in eine Aluminiumlegierung nicht nur die mechanischen sondern auch die wärmetechnischen Eigenschaften verändert werden können. Insbesondere ist es möglich, durch gezielte Zugabe von Verbundstoffen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Werkstoffes zu verringern, ohne daß die Wärme­ übertragungs- und Wärmeleiteigenschaften wesentlich verändert, insbesondere für Kühlzwecke nicht oder nur unwesentlich verschlechtert werden.The object is achieved according to the invention in that the heat sink is made of a composite material based on Aluminum or an aluminum alloy and at least one more particulate or has fibrous composite to the heat expansion coefficient or the thermal expansion behavior of the Heatsink to the coefficient of thermal expansion or that Thermal expansion behavior of the element to be cooled at least approximately adapt. It got in  Surprisingly shown that by adding such Composites in aluminum or in an aluminum alloy not only the mechanical but also the thermal properties can be changed. In particular, it is possible to add Composites the coefficient of thermal expansion of the metallic material without reducing the heat Transfer and thermal conductivity properties essential changed, especially not for cooling purposes or only to be insignificantly deteriorated.

Es kann beispielsweise vorgesehen werden, daß die Aluminiumlegierung eine Aluminiumdruckgußlegierung oder eine Aluminiumknetlegierung für das Strangpressverfahren ist. Der Anteil des weiteren Verbundstoffes kann bis zu 50,0 Gew.-% betragen. Häufig läßt sich der gewünschte Effekt in hinreichender Weise aber auch durch eine wesentlich geringere Zugabe des Verbundstoffes, beispielsweise lediglich 10,0-30,0 Gew.-%, erreichen.It can be provided, for example, that the Aluminum alloy is an aluminum die casting alloy or a wrought aluminum alloy for the extrusion process is. The proportion of the further composite material can be up to 50.0% by weight. Often the desired one can be Sufficiently but also by an effect much lower addition of the composite, for example, only 10.0-30.0% by weight.

Welcher Verbundstoff im einzelnen zugegeben wird, hängt insbesondere von dem einzustellenden Wärmeausdehnungs­ koeffizienten ab. Es kann vorgesehen werden, daß der weitere Verbundstoff Keramikpartikel und/oder Keramikfasern enthält. Auch kann es zweckmäßig sein, wenn der weitere Verbundstoff Kunststoffpartikel und/oder Kunststoffasern enthält. Ferner ist es möglich, daß der weitere Verbundstoff Carbonpartikel und/oder Carbonfasern enthält. Selbstverständlich können auch Mischungen dieser Stoffe als Verbundstoffe eingesetzt werden.Which composite is added depends on especially of the thermal expansion to be set coefficients. It can be provided that the further composite ceramic particles and / or ceramic fibers contains. It can also be useful if the other Composite plastic particles and / or plastic fibers contains. It is also possible that the further Composite contains carbon particles and / or carbon fibers. Of course, mixtures of these substances can also be used as Composites are used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der weitere Verbundstoff Siliziumcarbid enthält. Der Anteil von Siliziumcarbid kann z. B. 5,0-50,0 Gew.-%, insbesondere 10,0-30, 0 Gew.-%, betragen. Die Bereitstellung eines derartigen Verbundwerkstoffes ist ohne weiteres möglich, so daß der Herstellungsaufwand gering gehalten werden kann. According to a preferred embodiment it is provided that the other composite contains silicon carbide. The amount of silicon carbide can e.g. B. 5.0-50.0% by weight, in particular 10.0-30.0% by weight. The Provision of such a composite material is without further possible, so that the manufacturing costs are low can be held.  

Es ist grundsätzlich möglich, den Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Kühlkörpers für einen bestimmten Temperaturbereich nahezu exakt an den Wärmeausdehnungs­ koeffizienten der Elektronik anzupassen. Es hat jedoch sich gezeigt, daß eine exakte Übereinstimmung der jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten meistens nicht erforderlich ist, da stets eine geringe Elastizität vorhanden ist, die ausreicht, kleinere Differenzen in der Wärmedehnung schadlos auszugleichen.It is basically possible to increase thermal expansion coefficient of the heat sink for a specific Temperature range almost exactly at the thermal expansion adapt coefficients of electronics. However, it has shown that an exact match of each Thermal expansion coefficients are usually not required is because there is always a low elasticity, the sufficient, small differences in thermal expansion compensate harmlessly.

Eine exakte Anpassung wird zudem in der Regel auch nicht möglich sein, da für unterschiedliche Materialien der Wärmeausdehnungskoeffizient in unterschiedlicher Weise von der tatsächlich herrschenden Temperatur abhängig ist. Vielmehr reicht es aus, den Wärmeausdehnungskoeffizient beziehungsweise das Wärmeausdehnungsverhalten für den gewünschten Temperaturbereich so aneinander anzupassen, daß die auftretenden Schubspannungen nicht mehr zu einem mechanischen Versagen des Bauelementes oder der Verbindungsschicht, also dem Lot oder dem Kleber, führen.An exact adjustment is also usually not be possible because of different materials Coefficient of thermal expansion in different ways from depends on the actual temperature. Rather, it is enough, the coefficient of thermal expansion or the thermal expansion behavior for the adjust the desired temperature range so that the shear stresses that occur no longer become one mechanical failure of the component or Lead connection layer, i.e. the solder or the adhesive.

Durch die Erfindung kann erreicht werden, daß die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von -50°C bis +150°C nicht mehr bis weit über 10 × 10-6 1/K beträgt, wie es ohne die Zugabe des Verbundstoffes der Fall ist. Es ist möglich, daß die Differenz teilweise deutlich darunter liegt und beispielsweise nur noch 2,0-8,0 × 10-6 1/K beträgt. Es hat sich gezeigt, daß diese Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten ausreichend klein ist, so daß auch relativ empfindliche keramische Leiterplatten großflächig auf einem Kühlkörper aufgebracht werden können. Der Temperaturbereich entspricht den Temperaturen, die beispielsweise in einem Motorenraum eines Kraftfahrzeugs auftreten können. It can be achieved by the invention that the difference in the coefficients of thermal expansion in a temperature range from -50 ° C to + 150 ° C is no longer far above 10 × 10 -6 1 / K, as is the case without the addition of the composite . It is possible that the difference is in some cases significantly lower and is, for example, only 2.0-8.0 × 10 -6 1 / K. It has been shown that this difference in the coefficients of thermal expansion is sufficiently small so that even relatively sensitive ceramic printed circuit boards can be applied over a large area to a heat sink. The temperature range corresponds to the temperatures that can occur, for example, in an engine compartment of a motor vehicle.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Schnitt durch einen elektronisches Bauteil.The invention is based on the schematic Drawing and an embodiment explained. The only figure in the drawing shows a section through an electronic component.

Das dargestellte elektronische Bauteil weist eine Leiterplatte 11, beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff auf. Die Leiterplatte 11 ist mittels einer Wärmeleitkleberschicht 12 auf einem Kühlkörper 13 vollflächig fest aufgebracht. Der Kühlkörper 13 besteht beispielsweise aus einer Aluminiumdruckgußlegierung. Die Wärmeleitkleberschicht 12 ist in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber überdimensional dargestellt.The electronic component shown has a printed circuit board 11 , for example made of a ceramic material. The circuit board 11 is firmly applied to the entire surface of a heat sink 13 by means of a heat-conducting adhesive layer 12 . The heat sink 13 consists, for example, of an aluminum die-cast alloy. The heat-conducting adhesive layer 12 is shown oversized in the drawing for the sake of clarity.

Die durch die Kleberschicht 12 verbundenen Elemente weisen in der Regel einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies führt dazu, daß sich die Keramikleiterplatte 11 einerseits und der Kühlkörper 13 andererseits aufgrund von Temperaturschwankungen unterschiedlich ausdehnen und auch zusammenziehen. Dadurch werden in der gesamten Fläche Schubspannungen erzeugt. Solche Schubspannungen können zu Rissen 14 in der Kleberschicht 12 oder zu einem Bruch 15 der Leiterplatte 11 führen. In der Zeichnung sind diese Erscheinungen der Übersichtlichkeit halber gemeinsam dargestellt, wobei in der Regel lediglich eine dieser Erscheinungen auftreten wird. Ein solcher Bruch oder ein solcher Riß führen je nach Ort des Auftretens meistens zu einem völligen Versagen des gesamten Bauteils durch Bruch einer Leiterbahn auf der Leiterplatte oder durch Überhitzung infolge einer unterbrochener Wärmeleitkleberschicht 12.The elements connected by the adhesive layer 12 generally have a different coefficient of thermal expansion. As a result, the ceramic circuit board 11 on the one hand and the heat sink 13 on the other hand expand and contract differently due to temperature fluctuations. This creates shear stresses across the entire surface. Such shear stresses can lead to cracks 14 in the adhesive layer 12 or to a break 15 in the printed circuit board 11 . For the sake of clarity, these phenomena are shown together in the drawing, usually only one of these phenomena occurring. Depending on the point of occurrence, such a break or crack usually leads to a complete failure of the entire component due to the breakage of a conductor track on the printed circuit board or due to overheating as a result of an interrupted heat-conducting adhesive layer 12 .

Es soll für ein solches Bauteil in einem Temperaturbereich von -40°C bis +120°C eine Schaltung auf einer Leiterplatte aus einem Keramiksubstrat durch einen Kühlkörper gekühlt werden. Das Keramiksubstrat des Beispiels einschließlich der Passivierung, Bestückung und dergleichen weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa αth = 10 × 10-6 1/K auf. Für andere Keramiksubstrate und andere Bestückungen sind auch andere Wärmeausdehnungskoeffizienten möglich.For such a component, a circuit on a circuit board made of a ceramic substrate is to be cooled by a heat sink in a temperature range from -40 ° C. to + 120 ° C. The ceramic substrate of the example including passivation, placement and the like has a coefficient of thermal expansion of approximately α th = 10 × 10 -6 1 / K. Other coefficients of thermal expansion are also possible for other ceramic substrates and other assemblies.

Als Werkstoff für den Kühlkörper wird eine herkömmliche Aluminiumdruckgußlegierung (GD-AlSi12) verwendet, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa αth = 20 × 10-6 1/K aufweist. Etwa 1000 Temperaturzyklen führen zum Bruch der Keramik und zu einem Versagen des gesamten Bauteils.A conventional die-cast aluminum alloy (GD-AlSi12) is used as the material for the heat sink, which has a coefficient of thermal expansion of approximately α th = 20 × 10 -6 1 / K. About 1000 temperature cycles lead to the breakage of the ceramic and to failure of the entire component.

Durch die homogene Zugabe von 20 Gew.-% Siliziumcarbid (SiC) wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient und das Wärmeausdehnungsverhalten des Werkstoffes GD-AlSi12 verändert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt etwa αth = 17 × 10-6 1/K. Es hat sich gezeigt, daß das Bauteil die erforderlichen Belastungen standhält.The coefficient of thermal expansion and the thermal expansion behavior of the material GD-AlSi12 were changed by the homogeneous addition of 20% by weight silicon carbide (SiC). The coefficient of thermal expansion is approximately α th = 17 × 10 -6 1 / K. It has been shown that the component can withstand the necessary loads.

Es ist offensichtlich, daß durch einen solchen Kühlkörper der Einsatzbereich von elektronischen Bauelementen weiter vergrößert werden kann. Insbesondere ist es nunmehr möglich, größere Schaltungen, die eine entsprechend große Verlustwärme erzeugen, einstückig auf einer Leiterplatte auszubilden und durch einen metallischen Kühlkörper zu kühlen.It is obvious that through such a heat sink the area of application of electronic components continues can be enlarged. In particular, it is now possible larger circuits that have a correspondingly large Generate heat loss, in one piece on a circuit board train and through a metallic heat sink cool.

Es ist nunmehr möglich, beispielsweise bestehende System durch solche Anordnungen zuverlässiger zu gestalten, da die Belastungsgrenzen nicht mehr ausgeschöpft zu werden brauchen. Auch ist es möglich, die Packungsdichte der elektronischen Bauelemente auf einer Leiterplatte zu vergrößern. Schließlich kann eine besonders gute Wärmeabführung erreicht werden, da der Verbundwerkstoff des Kühlkörpers relativ starr ist, so daß eine unelastischere Lötverbindung anstelle einer schlechter wärmeleitenden elastischeren Klebverbindung durchgeführt werden kann.It is now possible, for example existing systems by making such arrangements more reliable because the Stress limits can no longer be exhausted need. It is also possible to determine the packing density of the electronic components on a circuit board enlarge. Finally, a particularly good one Heat dissipation can be achieved because of the composite material of the Heatsink is relatively rigid, making it less elastic Solder connection instead of a poorer heat-conducting more elastic adhesive connection can be performed.

Claims (10)

1. Kühlkörper aus einem Aluminiumwerkstoff für elektronische Bauelemente, insbesondere für Leiterplatten aus Keramikwerkstoffen, der mittelbar oder unmittelbar in Kontakt mit dem zu kühlenden Element steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und wenigstens einen weiteren partikelförmigen oder faserförmigen Verbundstoff aufweist, um den Wärmeausdehnungskoeffizient bzw. das Wärmeausdehnungsverhalten des Kühlkörpers an den Wärmeausdehnungskoeffizienten bzw. das Wärmeausdehnungsverhalten des zu kühlenden Elementes zumindest näherungsweise anzupassen.1. Heat sink made of an aluminum material for electronic components, in particular for printed circuit boards made of ceramic materials, which is directly or indirectly in contact with the element to be cooled, characterized in that the heat sink consists of a composite material based on aluminum or an aluminum alloy and at least one has further particulate or fibrous composite material, in order at least approximately to adapt the thermal expansion coefficient or the thermal expansion behavior of the heat sink to the thermal expansion coefficient or the thermal expansion behavior of the element to be cooled. 2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung eine Aluminiumdruckgußlegierung oder eine Aluminiumknetlegierung für das Strangpressverfahren ist.2. Heat sink according to claim 1, characterized in that the aluminum alloy is an aluminum die casting alloy or a wrought aluminum alloy for the extrusion process is. 3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des weiteren Verbundstoffes bis zu 50,0 Gew.-% beträgt.3. Heatsink according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the proportion of the further composite is up to 50.0% by weight. 4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verbundstoff Keramikpartikel und/oder Keramikfasern enthält.4. Heat sink according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the further composite Contains ceramic particles and / or ceramic fibers. 5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verbundstoff Siliziumcarbid enthält. 5. Heat sink according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the further composite silicon carbide contains.   6. Kühlkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Siliziumcarbid 5,0-50,0 Gew.-%, insbesondere 10,0-30,0 Gew.-% beträgt.6. Heatsink according to claim 5, characterized in that the proportion of silicon carbide 5.0-50.0% by weight, is in particular 10.0-30.0% by weight. 7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verbundstoff Kunststoffpartikel und/oder Kunststoffasern enthält.7. Heat sink according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the further composite Contains plastic particles and / or plastic fibers. 8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verbundstoff Carbonpartikel und/oder Carbonfasern enthält.8. Heat sink according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the further composite carbon particles and / or contains carbon fibers. 9. Elektronisches Bauteil mit wenigstens einer Leiterplatte und einem Kühlkörper gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte auf den Kühlkörper geklebt oder gelötet ist.9. Electronic component with at least one circuit board and a heat sink according to one or more of the preceding claims, wherein the circuit board on the Heat sink is glued or soldered. 10. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte eine Keramikleiterplatte ist.10. Electronic component according to claim 9, characterized characterized in that the circuit board a Ceramic circuit board is.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10065470A1 (en) * 2000-12-28 2002-07-11 Corus Aluminium Profiltechnik Heat sink for electrical or electronic components has casting skin removed from edge of cooling ribs formed integrally with base part
DE10131332A1 (en) * 2001-06-28 2003-01-23 Hella Kg Hueck & Co Electrical circuit arrangement with heat-sink, has liner provided between heat -sink contact surface and contact surface of part over which heat-conducting connection is made
DE102006017267A1 (en) * 2005-05-13 2006-11-23 Lear Corporation, Southfield Circuit board with an adhesively bonded metal section for dissipating heat and distributing energy
US7375287B2 (en) * 2002-08-28 2008-05-20 Minebea Co., Ltd. Assembly for accommodating the power electronics and control electronics of an electric motor
CN108511406A (en) * 2017-02-28 2018-09-07 迪尔公司 The electronic building brick of thermal diffusivity with enhancing

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012022873A1 (en) 2012-11-22 2014-05-22 Compact Dynamics Gmbh Method for soldering stand and cooler and stand with soldered connection to the stand carrier

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3399332A (en) * 1965-12-29 1968-08-27 Texas Instruments Inc Heat-dissipating support for semiconductor device
DE3204231A1 (en) * 1981-02-06 1982-08-12 Hitachi, Ltd., Tokyo LAMINATE STRUCTURE MADE OF MATRIX-FIBER COMPOSITE LAYERS AND A METAL LAYER
DE3546148C2 (en) * 1984-12-28 1990-01-11 Ube Industries, Ltd., Ube, Yamaguchi, Jp
DE4100145A1 (en) * 1990-01-10 1991-07-11 Murata Manufacturing Co Integrated circuit assembly substrate - has metal-ceramic composite material, with metal filling holes in ceramic plate
DE4030532A1 (en) * 1990-09-27 1992-04-02 Bosch Gmbh Robert Hybrid multilevel circuit with metal substrate - bonded directly to glass-ceramic layer of lowest circuit level
DE4305793A1 (en) * 1993-02-25 1994-09-01 Telefunken Microelectron Power module
DE19505724A1 (en) * 1995-02-20 1996-08-29 Daimler Benz Ag Aluminum brake disc

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3399332A (en) * 1965-12-29 1968-08-27 Texas Instruments Inc Heat-dissipating support for semiconductor device
DE3204231A1 (en) * 1981-02-06 1982-08-12 Hitachi, Ltd., Tokyo LAMINATE STRUCTURE MADE OF MATRIX-FIBER COMPOSITE LAYERS AND A METAL LAYER
DE3546148C2 (en) * 1984-12-28 1990-01-11 Ube Industries, Ltd., Ube, Yamaguchi, Jp
DE4100145A1 (en) * 1990-01-10 1991-07-11 Murata Manufacturing Co Integrated circuit assembly substrate - has metal-ceramic composite material, with metal filling holes in ceramic plate
DE4030532A1 (en) * 1990-09-27 1992-04-02 Bosch Gmbh Robert Hybrid multilevel circuit with metal substrate - bonded directly to glass-ceramic layer of lowest circuit level
DE4305793A1 (en) * 1993-02-25 1994-09-01 Telefunken Microelectron Power module
DE19505724A1 (en) * 1995-02-20 1996-08-29 Daimler Benz Ag Aluminum brake disc

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10065470A1 (en) * 2000-12-28 2002-07-11 Corus Aluminium Profiltechnik Heat sink for electrical or electronic components has casting skin removed from edge of cooling ribs formed integrally with base part
DE10065470B4 (en) * 2000-12-28 2011-02-17 Aleris Aluminum Vogt Gmbh Method for producing a cooling element for electrical, in particular electronic, components
DE10131332A1 (en) * 2001-06-28 2003-01-23 Hella Kg Hueck & Co Electrical circuit arrangement with heat-sink, has liner provided between heat -sink contact surface and contact surface of part over which heat-conducting connection is made
US7375287B2 (en) * 2002-08-28 2008-05-20 Minebea Co., Ltd. Assembly for accommodating the power electronics and control electronics of an electric motor
DE102006017267A1 (en) * 2005-05-13 2006-11-23 Lear Corporation, Southfield Circuit board with an adhesively bonded metal section for dissipating heat and distributing energy
CN108511406A (en) * 2017-02-28 2018-09-07 迪尔公司 The electronic building brick of thermal diffusivity with enhancing
CN108511406B (en) * 2017-02-28 2024-02-09 迪尔公司 Electronic component with enhanced heat dissipation

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DE19730865C2 (en) 2001-12-13

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