DE29712058U1 - Kühlkörper zum Anbau an Halbleiterbauelemente sowie Teilprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper - Google Patents

Kühlkörper zum Anbau an Halbleiterbauelemente sowie Teilprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper

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DE29712058U1 DE29712058U DE29712058U DE29712058U1 DE 29712058 U1 DE29712058 U1 DE 29712058U1 DE 29712058 U DE29712058 U DE 29712058U DE 29712058 U DE29712058 U DE 29712058U DE 29712058 U1 DE29712058 U1 DE 29712058U1
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Description

Schröter & Haverkamp Patentanwälte
European Patent and Trademark Attorneys
Manfred Diels Joachim Bayer
Hohbüschener Weg 1 Hauptstraße 173 a
58540 Meinerzhagen 51503 Rösrath
Kühlkörper zum Anbau an Halbleiterbauelemente sowie Teilprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, bei dem Teilprofile mit angeformten Nuten und Stegleisten jeweils ineinandergesteckt und in Querrichtung durch Druckbeaufschlagung verbunden sind, sowie die zu ihrer Herstellung erforderlichen Teilprofile.
Bekannt sind zum Anbau an Halbleiterbauelemente Kühlkörper in der Form von in Längsrichtung durchströmbaren Hohlkammern mit eingesetzten Kühlrippen, die aus zwei stranggepreßten etwa U-förmigen Teilprofilen aus Aluminium bestehen, deren außenliegende Profilwände stirnseitig jeweils in der Art von Nut und Feder ineinandergreifen. Dabei ist jeweils an einer dieser Profilwände eines solchen Teilprofiles eine Nut und an der Wand des anderen Teilprofiles eine Stegleiste angeformt. Die eigentliche Verbindung der beiden vorzugsweise identischen Teilprofile erfolgt jedoch über stegartige, Hohlkammern aufweisende Kühlrippen, die mit ihren entsprechend ausgebildeten, etwa U-förmigen Enden in entsprechenden Nuten an den Innenseiten der Teilprofile eingesteckt und durch entsprechenden Preßdruck auf beide Teilprofile in diesen Nuten klemmend eingepreßt gehalten sind. Wegen des dazu notwendigen hohen Preßdruckes ist es in der Praxis jedoch nicht möglich, solche Kühlkörper in ausreichend großen Längen herzustellen. Es können daher nur relativ kurze Kühlkörpereinheiten als Profilabschnitte hergestellt werden.
Bekannt sind sowohl aus der DE-PS 25 02 472 als auch aus der DE-PS 35 18 310 Herstellungsverfahren für halboffene Kühlkörper, bei denen die
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Kühlrippen auf einer Grundplatte in entsprechenden Aufnahmenuten eingepreßt gehalten sind. Rollenartige Preßwerkzeuge wirken dabei zwischen den einzelnen Kühlrippen auf die Zwischenstege an der Grundplatte und pressen dabei Material in benachbarte Rippenräume an den Kühlrippen ein. Auf diese Weise lassen sich jedoch nur halboffene Kühlkörper herstellen. Die Kühlrippenabstände können wegen der Montageart nicht beliebig eng gesetzt werden.
Aus der DE-PS 34 15 554 ist ein Verfahren zur Herstellung von ebenfalls &iacgr;&ogr; halboffenen Kühlkörpern bekannt, bei dem im Querschnitt etwa T-förmige Teilprofile aus Metall mit am Kopfsteg an- bzw. eingeformten Nuten und Stegen eine Steckverbindung erfolgt, die durch Kaltpreßverschweißen in Querrichtung zu dieser Verbindung jeweils festgesetzt wird. Für eine solche Kaltpreßverschweißung sind jedoch außerordentlich hohe Preßdrücke erforderlich, die sich nur auf relativ kurzen Längen mit herkömmlichen Werkzeugen aufbringen lassen. Beim Kaltpreßschweißen erfolgt eine atomare Annäherung der sich berührenden Oberflächen durch hohen Anpreßdruck. Durch die dabei auftretende Relativbewegung bzw. Oberflächenvergrößerung an den Trennlinien wird in der Regel die Oxidhaut zerstört und eine Schweißverbindung ermöglicht. Die hohen Preßdrücke erfordern bei der Herstellung solcher Kühlkörper jedoch noch zusätzlich eine Innenabstützung, die sich nur bei halboffenen Kühlkörpern überhaupt verwirklichen läßt. Als nachteilig erweisen sich dabei innere Kühlrippen, die die Zugänglichkeit für die Abstützung erschweren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Kühlkörper der eingangs genannten Art vorzugsweise in hohler Profilbauweise, aber auch in halboffener Bauweise vorzuschlagen mit guter Wärmeleitfähigkeit, ausreichender Verwindungssteifigkeit und Festigkeit. Aufgabe der Erfindung ist es ebenfalls, dafür geeignete Teilprofile vorzuschlagen.
Gelöst wird die Erfindungsaufgabe mit einem Kühlkörper nach Anspruch 1. Mit den Ansprüchen 2 und 3 werden geeignete Teilprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper vorgeschlagen. Mit geringer Zahl an unterschiedlichen, jedoch systemgleichen Teilprofilen lassen sich unterschiedliche Bauhöhen von Kühlkörpern verwirklichen.
Kühlkörper der erfindungsgemäßen Art lassen sich in sehr großen Längen
mit relativ geringem fertigungstechnischem Aufwand herstellen. Bei Bedarf werden die Kühlkörperstränge in kürzere Abschnitte aufgeteilt.
Bereits bei der Montage sind die jeweils notwendigen Teilprofile
. zumindest teilweise gegeneinander fixiert, so daß zusätzliche Haltevorrichtungen entfallen können. Nach der Montage der Teilprofile gegeneinander erfolgt an den Verbindungsseiten der Kühlkörper bzw. der Kühlkörperstränge eine Verpressung bzw. Verformung der nach außen vorstehenden Nutwandungen, die zu einer sehr innigen, mechanisch festen und den Wärmedurchgang begünstigenden Verbindung mit den
&iacgr;&ogr; benachbarten Stegleisten der entsprechenden Teilprofile führt. Diese sowohl für geschlossene als auch für halboffene Kühlkörper anwendbare Verbindungstechnik beeinflußt nicht die Art und die Anordnung der inneren Kühlrippen, deren Gestaltung damit aus dieser Sicht zumindest frei wählbar ist. Die notwendigen Teilprofile lassen sich kostengünstig als Strangpreßprofile aus Aluminiumlegierungen herstellen.
Bei Kühlkörpern nach den Ansprüchen 5 und 6 wird eine mögliche Durchbiegung ihrer erforderlichen glatten und ebenen Kontaktflächen vermieden.
Mit Teilprofilen nach den Ansprüchen 7 und 8 lassen sich Kühlhohlkörper herstellen, bei denen die der Verbindung dienenden Teilprofilwände nach einer glättenden Bearbeitung die Kontaktfläche für die Anlage eines Halbleiterbauelementes bilden. Dadurch wird die Wärmeleitung in einem solchen Kühlkörper begünstigt, da die Wärmeströme durch die äußeren, senkrecht zur Kontaktfläche stehenden Profilwandabschnitte und die dazu parallelen Teilprofilwandabschnitte verlaufen.
Anhand abgebildeter Ausführungsbeispiele werden das erfindungsgemäße Verfahren und danach hergestellte Kühlkörper näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen aus zwei gleichen Schalenprofilen hergestellten Kühlkörper, wobei die linke Seite die Montagestellung vor dem Verpressen und die rechte Seite
die Verbindung der Profile nach der Verpressung zeigt,
Fig. 2 einen Querschnitt mit gleichen Montagesituationen eines
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hohlen Kühlkörpers aus zwei unterschiedlichen Schalenprofilen mit zu einer Seite an einem Schalenprofil nach außen zusätzlich angeordneten Kühlrippen,
Fig. 3 einen Querschnitt in entsprechenden Montageanordnungen
durch einen Kühlkörper aus drei Schalenprofilen unter Bildung von zwei Hohlkammern,
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung durch einen Kühlkörper mit drei
&iacgr;&ogr; Hohlkammern,
Fig. 5 u. 6 vergrößerte Darstellungen der beiden in den vorherigen Ausführungen verwendeten Schalenprofile,
Fig. 7 in einer Schnittdarstellung den vergrößerten Bereich einer
Verbindungsstelle zweier Schalenprofile nach der Verpressung,
Fig. 8 einen Schnitt durch einen aus drei Hohlkammern bestehen-
den Kühlkörper mit einer zusätzlichen Spannverbindung,
Fig. 9 einen Querschnitt durch die Montageanordnung mehrerer
Teilprofile vor der Verpressung an den Verbindungsseiten und
Fig. 10 einen entsprechenden Querschnitt der Anordnung in Figur 9 nach der Verpressung der nach außen abstehenden Stege in die entsprechenden zugehörigen Nuten.
Mit Teilprofilen 1 und 2 aus einer Aluminiumlegierung gemäß den Figuren 5 und 6 lassen sich Kühlkörper bzw. Kühlkörperstränge mit einer oder mehreren Hohlkammern herstellen, wie sie beispielsweise in den Figuren 1 bis 4 dargestellt worden sind. Teilprofile 1 gemäß Figur 6 besitzen einen etwa L-förmigen Querschnitt. Eine die jeweilige Kontaktfläche für ein zu kühlendes nicht dargestelltes Halbleiterelement bildet die mit der Ziffer 11 bezeichnete erste Profilwand, an der senkrecht dazu die zweite Profilwand 12 angeformt ist. An der Innenseite der ersten Profilwand 11 sind im Abstand zueinander Kühlrippen 13 angeformt, die etwa parallel zur zwei-
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ten Profilwand 12 angeordnet sind. Sowohl an der freien Stirnseite der ersten Profilwand 11 als auch an der Stirnseite der zweiten Profilwand 12 sind nach außen vorstehend Stege 111 und 121 angeformt, die gleichzeitig die Wandfläche für eine benachbart angeordnete entsprechend ausgebildete Nut 112 bzw. 122 bilden.
Mit zwei solcher Teilprofile 1 gemäß Figur 6, die gegeneinander um 180 Grad versetzt montiert werden, läßt sich ein Kühlkörper gemäß Figur 1 herstellen. In dieser Anordnung werden dazu, wie auf der linken Seite der
&iacgr;&ogr; Figur 1 angedeutet, die beiden Teilprofile 1 gegeneinander eingerichtet, wobei die Stegleisten 111 und 121 des Teilprofiles 1 in die Nuten 112 und 122 des anderen Schalenprofiles 1 zumindest teilweise formschlüssig eingreifen, wobei bereits eine Fixierung dieser beiden Schalenprofile 1 gegeneinander erfolgt. Zusätzlich greifen noch die Stegleisten 123 in die entsprechenden Nuten 122 ein. In dieser vorläufig fixierten Montageanordnung erfolgt quer zur Längsrichtung der Teilprofilanordnung eine Verpressung der Stegleisten 112 und 121 in den zugehörigen Nuten 122 und 112. Dadurch erfolgt eine sehr innige und sich verklammernde Verbindung unter Materialverformung. In vorteilhafter Weise können die Nuten 112 und 122 geringfügig hinterschnitten sein, so daß die ebenfalls in ihrem Kopfbereich abgerundet verbreiterten Stegleisten 111 und 121 mit geringer Kraftaufwendung in diesen Nuten fixierbar sind.
Kühlkörper mit mehreren Hohlkammern und einer eventuellen endseitigen halboffenen Kammer gemäß den Figuren 2 bis 4 lassen sich beim zusätzlichen Einsatz von im Querschnitt etwa Z-förmigen Teilprofilen 2 gemäß Figur 5 herstellen. Solche Profile weisen eine Profilwand 21 auf, an der vorzugsweise zu beiden Seiten beabstandet die Kühlrippen 24 und 25 angeformt sind. An den Enden der Profilwand 21 sind jeweils zu verschiedenen Seiten senkrecht die Profilwände 22 und 23 angeformt. Sowohl die Profilwand 21 als auch die Profilwände 22 und 23 weisen wiederum abstehend die zur Verbindung notwendigen Stegleisten 211, 221 und den Steg 233 auf, denen benachbart jeweils wiederum die entsprechend ausgebildeten Nuten 212, 222, 232 und 234 zugeordnet sind. Auch an diesem Teilprofil 2 sind wiederum weitere Stegleisten 223 und Nuten 213 vorgesehen. Solche Schalenprofile 2 lassen sich sowohl untereinander als auch mit Schalenprofilen 1 montieren und durch Verpressen miteinander verbinden.
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In Figur 8 ist ein Kühlkörper gemäß dem Aufbau in Figur 5 angedeutet, dessen außenliegende Teilprofile 1 im Bereich ihrer Außenwandungen 11 durch einen oder mehrere Nietbolzen 7 verbunden sind, deren Köpfe 71 und 72 in Senkbohrungen 14 in diesen Profilwänden 11 aufgenommen sind. Mit diesen Nietbolzen 7 wird die Verbindung verstärkt und sichergestellt, daß keine Durchbiegung dieser Profilwände 11, die Kontaktflächen bilden können, erfolgt.
&iacgr;&ogr; Insbesondere bei Kühlkörpern gemäß Figur 8 ist es möglich, planparallele Kontaktflächen dadurch zu schaffen, daß Teilprofile 1 und 2 eingesetzt werden, bei denen zumindest mittig jeweils eine oder mehrere Kühlrippen 13' bzw. 25' geringfügig länger sind als die benachbarten Kühlrippen 13 und 25, so daß sichergestellt ist, daß aufgrund der Spannverbindung über die Bolzen 7 jeweils die benachbarten Profilwände 11 bzw. 21 der Teilprofile 1 und 2 an diesen vorstehenden Rippen anliegen. Die Teilprofile können bei einer solchen Konstruktion außen an den Kontaktflächen feinst gefräst werden, so daß planparallele Flächen entstehen, die zumindest mittig gesichert abgestützt sind.
Im Prinzip ist eine solche innere Abstützung der Kühlkörper auch ohne die zusätzlichen Spannverbindungen möglich, da die äußeren Preßverbindungen in Zugrichtung so belastbar sind, daß sie aufgrund der inneren Abstützung im Randbereich auftretende Zugkräfte aufnehmen können.
Zur Herstellung eines Hohlkammerprofilkörpers gemäß Figur 10 werden im Querschnitt L-förmige Teilprofile 3 und im Querschnitt Z-förmige Teilprofile 4 in der in Figur 9 gezeigten Stellung angeordnet bzw. vormontiert. Die beiden außenliegenden L-förmigen Teilprofile 3 weisen an der Profilwand 31 am Ende eine Stegleiste 311 und unmittelbar benachbart die Nuten 312 und 313 auf. An der anderen Profilwand 32 ist stirnseitig eine Nut 322 ausgebildet, deren die Nutwand bildender Steg 321 nach außen absteht. Die mit einem solchen Teilprofil 3 verbindbaren anderen Teilprofile 4 bestehen aus der mittleren Profilwand 41 mit den senkrecht an beiden Seiten angeformten Kühlrippen und den endseitig angeordneten Profilwänden 42 und 43. Dabei sind stirnseitig an den Profilwänden 42 und 43 wiederum Nuten 422 und 432 vorgesehen, die von den nach außen abstehenden Stegleisten 421 bzw. 433 begrenzt werden. In diese Nuten 422
und 432 greifen jeweils die Stegleisten 311 und 411 benachbarter Teilprofile 3 bzw. 4 ein.
Durch Verbiegen bzw. Verpressen der nach außen abstehenden Stege 321 und 421 in die jeweiligen Nuten 431 und 312 der benachbarten Teilprofile, beispielsweise durch Rollen oder Prägevorgänge, erfolgt eine endgültige und innige Verklammerung der Teilprofile 3 und 4 miteinander. Eine Verbindungsseite eines auf diese Weise hergestellten Hohlkammerkühlprofiles entsprechend Figur 10 bildet nach einer entsprechenden &iacgr;&ogr; spanabhebenden Bearbeitung die ebene und glatte Kontaktfläche für ein mit der Ziffer 5 angedeutetes Halbleiterbauelement, welches beispielsweise mit Schrauben 6 befestigt sein kann. In dieser Darstellung sind die in die entsprechenden Nuten verpreßten Stege jeweils mit den Ziffern 421' und 433' angedeutet.
-8-Zusammenstellung der Bezugszeichen
1 Teilprofil
11 Profilwand
111 Stegleiste
112 Nut
113 Nut
12 Profilwand
121 Steg
121' verformter Steg
122 Nut
123 Stegleiste
13, 13' Kühlrippen
14 Senkbohrung
2 Teilprofil
21 Profilwand
211 Stegleiste
212 Nut
213 Nut
22 Profilwand
221 Steg
222 Nut
223 Stegleiste
23 Profilwand
231 Stegleiste
232 Nut
233 Steg
234 Nut
235 Nut
24 Kühlrippe
25, 25' Kühlrippe
3 Teilprofil
31 Profilwand
311 Stegleiste
312 Nut
313 Nut
32 Profilwand
321 Steg
322 Nut
4 Teilprofil
41 Profilwand
411 Stegleiste
412 Nut
42 Profilwand
421,421' Stegleiste
422 Nut
43 Profilwand
431 Stegleiste
432 Nut
433, 433' Steg
434 Nut
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Halbleiterbauelement
Schraubbefestigung
7 Nietbolzen
71 Kopf
72 Kopf

Claims (10)

-10-Schutzansprüche
1. Kühlkö&phgr;er bei dem Teilprofile (1, 2, 3, 4) mit angeformten Nuten (112,122, 212, 232) und Stegleisten (111, 211, 231, 311) jeweils
ineinandergesteckt und in Querrichtung durch Druckbeaufschlagung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach außen abstehende bzw. vorstehende Nutwandungen bzw. Stege (121, 221, 233, 321, 421) eines Teilprofiles (1, 2, 3, 4)) &iacgr;&ogr; in entsprechende Nuten (122, 212, 232, 312, 412, 432) eines benachbarten Teilprofiles (1, 2, 3, 4) nach innen gebogen und/oder mit plastischer Verformung gedrückt sind zur formschlüssigen Verklammerung der in die zugehörige Nut jeweils eingreifenden Stegleiste.
2. Teilprofil mit angeformten zueinander parallelen Kühlrippen zur Herstellung von Kühlkörpern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen L-förmigen Querschnitt, wobei an der Innenseite einer ersten Profilwand (11) senkrecht zu dieser Profilwand die zueinander etwa parallelen Kühlrippen (13) angeformt sind und an der freien Stirnseite dieser ersten Profilwand eine parallel zur zweiten Profilwand (12) gerichtete Stegleiste (111) nach außen abstehend angeformt ist, die gleichzeitig eine Wand einer sich in Längsrichtung der ersten Profilwand (11) öffnenden Nut (12) bildet und an der freien Stirnseite der zur ersten Profilwand senkrechten zweiten Profilwand (12) neben einer sich in Längsrichtung öffnenden Nut (122) ein ebenfalls eine Nutwand bildender Steg (122) parallel angeformt ist, derart, daß, wenn zwei dieser Teilprofile (1) jeweils um 180 Grad gegeneinander versetzt ineinandergelegt sind, die Stegleisten des einen Teilprofiles in die Nuten des anderen Teilprofiles eingreifen.
3. Teilprofil mit angeformten zueinander parallelen Kühlrippen zur Herstellung von Kühlkörpern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen etwa Z-förmigen Querschnitt, wobei an einer Profilwand (21) an einer oder beiden Seiten parallel zu den beiden äußeren Profilwänden (22, 23) Kühlrippen (24, 25) angeformt und sowohl an den Enden der äußeren Profilwände (22, 23) in ihrer
Längsrichtung abstehend Stegleisten (221, 233) und benachbarte Nuten (222, 234) und zusätzlich an den Enden der mittleren Profilwand (21) ebenfalls in Längsrichtung der äußeren Profilwände (22 bzw. 23) vorstehend Stegleisten (211, 231) ausgebildet sind, neben denen wiederum sich nach außen in Längsrichtung der mittleren Profilwände (21) öffnende Nuten (212, 232) ausgebildet sind zur Verbindung mit Teilprofilen nach Anspruch 4.
4. Kühlkörper, bestehend aus mehreren Teilprofilen nach Anspruch 2, &iacgr;&ogr; gekennzeichnet durch eine oder mehrere voneinander in Längsrichtung beabstandete Spannverbindungen (7), die sich jeweils an den die Kühlrippen tragenden Profilwänden der äußeren Teilprofile (1) abstützen.
5. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannverbindungen jeweils an zwei außenliegenden Teilprofilen (1) festgesetzte und durch eventuelle dazwischen angeordnete Teilprofile (1, 2) hindurchgeführte Nietbolzen (7) sind.
6. Kühlkörper, bestehend aus Schalenprofilen nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens mittig eine oder mehrere Kühlrippen (13', 25') geringfügig länger als die benachbarten Kühlrippen (13, 25) ausgebildet sind, derart, daß diese Kühlrippen (13', 25') nach der Montage an den jeweiligen Wänden (11, 21) der jeweils benachbarten Teilprofile (1, 2) anliegen.
7. Teilprofil zur Herstellung von Kühlkörpern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen etwa L-förmigen Querschnitt, wobei innen an einer ersten Profilwand (31) die zueinander etwa parallelen Kühlrippen und im Bereich ihrer freien Stirnkante eine durchlaufende Nut (312) und eine Stegleiste (311) und an der Stirnseite der außen glatten zweiten Profilwand (32) ebenfalls eine durchlaufende Nut (322) mit einem die Nutwand bildenden, nach außen abstehenden Steg ausgebildet sind.
8. Teilprofil zur Herstellung von Kühlkörpern nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem Teilprofil nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein im Querschnitt etwa Z-förmiges Teilprofil (4), an dessen
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mittlerer Profilwand (41) an beiden Seiten zueinander parallele Kühlrippen und an einer Stirnseite eine durchlaufende Nut (412) und eine Stegleiste (411) ausgebildet sind, und dessen beide außen glatte, äußeren Profilwände (42, 43) stirnseitig durchlaufende Nuten (422, 432) mit nach außen abstehenden, die Nutwandungen bildenden Stege (421, 433) aufweisen.
9. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die äußeren miteinander verbundenen Profilwände (32, 42,
&iacgr;&ogr; 43) der Teilprofile (3, 4) die Kontaktflächen für ein aufzusetzendes
Halbleiterbauelement (5) bilden.
10. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der äußeren Profilwände (32, 42, 43) größer als die Dicke der anderen, die Kühlrippen tragenden Profilwand (31, 41) ist.
DE29712058U 1996-01-27 1997-01-17 Kühlkörper zum Anbau an Halbleiterbauelemente sowie Teilprofile zur Herstellung solcher Kühlkörper Expired - Lifetime DE29712058U1 (de)

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