DE10013844A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein elektronisches Bauelement umfasst, mit einem aus Kunststoff gebildeten Kühlkörper (1), wobei in den Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist, welcher insbesondere Kohlenstofffasern und/oder Metallgranulat umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Mo­ duls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein elektronisches Bauelement umfaßt, mit einem aus Kunst­ stoff gebildeten Kühlkörper.

Die Wärmeabfuhr zur Kühlung von elektronischen oder elektri­ schen Bauteilen und ganzen Baugruppen stellt wegen der stän­ dig steigenden Integrationsdichte innerhalb der integrierten Schaltungen und der Baugruppen sowie der rasant steigenden Taktfrequenzen bzw. der zunehmenden Datenraten bei gleichzei­ tiger Forderung nach kleineren Bauteil- bzw. Baugruppenabmes­ sungen eine immer größere Herausforderung für Konstrukteure und Anwender dar. Mit der Erhöhung der Leistungsdichte pro Flächeneinheit sind effizientere Methoden zur Wärmeabfuhr notwendig.

Es sind Kühlkörper bekannt, die aus Aluminium, Kupfer oder Kupfer-Wolfram bestehen. Die üblicherweise bei der Herstel­ lung derartiger metallischer Kühlkörper verwendeten Verfahren umfassen das Fräsen, das Sägen von Kühlrippen und eine an­ schließende Nachbearbeitung mittels Fräsens, das Stangenpres­ sen von Aluminium oder das Aluminium-Druckgießen. Weiterhin kann ein metallischer Kühlkörper mit Hilfe des pulvermetal­ lurgischen Spritzgießens (Spritzguß-Sinterverfahren) herge­ stellt werden. Bei all diesen Verfahren entstehen relativ hohe Herstellungskosten. Darüber hinaus weisen die metalli­ schen Kühlkörper im Vergleich zu den für die Ausbildung der Bauelemente genutzten Halbleitern, wie Silizium und A₃B₅- Halbleitern, und als Schaltungsträger bzw. Substrat genutzten Keramiken einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dieses führt bei der während des Betriebs der Bauele­ mente auftretenden Erwärmung zu Materialspannungen.

Eine Verbesserung gegenüber den metallischen Kühlkörpern stellen Kühlkörper aus Kunststoffmaterialien, wie Thermo­ plaste oder Thermosets dar. Durch den Einsatz derartiger Ma­ terialien kann der Herstellungsprozeß von Kühlkörpern einfa­ cher und kostengünstiger gestaltet werden. Dieses gilt auch für Kühlkörper, die hinsichtlich des Aufbaus mechanisch kom­ pliziert gestaltet sind. Kühlkörper aus Kunststoff weisen im Vergleich zu metallischen Kühlkörpern weiterhin den Vorteil eines geringeren Gewichts auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls der eingangs beschriebe­ nen Art zu schaffen, die individuell für Anwendungen in Ver­ bindung mit Modulen, bei denen sich die Module hinsichtlich der Anzahl und der Anordnungen der in die Module integrierten elektrischen/elektronischen Bauelemente unterscheiden, anpassbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist.

Der Erfindung liegt als wesentlicher Gedanke die Erkenntnis zugrunde, daß mit Hilfe des Einlagerns eines Füllstoffs die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers aus Kunststoff derart beeinflußt werden können, daß der Kühlkörper für die jeweilige Anwendung, d. h. für das jeweilige elekrische Modul mit seinen Bauelementen individuell angepaßt werden kann. Mit Hilfe des Einbringens eines Füllstoffs in den Kühlkörper kön­ nen die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers so ver­ bessert werden, daß eine optimale Wärmeabfuhr von den elekt­ rischen/elektronischen Bauelementen des Moduls erreicht wird.

Eine hinsichtlich einer hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern umfaßt. Kohlenstoffasern besitzen Wärmeleit­ fähigkeiten, die größer als 1000 W/mK sein können. Im Ver­ gleich dazu besitzen die Metalle, aus denen metallische Kühl­ körper gebildet werden, wesentlich geringere Wärmeleitfähig­ keiten. Die Wärmeleitfähigkeit für Aluminium beträgt bei­ spielsweise ca. 200 W/mk. Für Kupfer und CuW 85/15 beträgt die Wärmeleitfähigkeit 380 W/mK bzw. 230 W/mK.

Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers vorteil­ haft anzupassen, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Füllstoff ein Metallgranulat umfaßt.

Zweckmäßig stehen eine Menge der Kohlenstoffasern und eine Menge des Metallgranulats in dem Kühlkörper in einem vorgege­ benen Verhältnis zueinander, beispielsweise hinsichtlich der Masse. Hierdurch können die physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit und den Wär­ meausdehnungskoeffizienten optimiert werden.

Hinsichtlich einer optimalen Wärmeabfuhr ist bei einer vor­ teilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Kühlkörper Kühlrippen aufweist.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das mindestens eine elektrische oder das mindestens eine elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist, wodurch die Vorteile von Kühlkörpern aus Kunststoff mit einem Füllstoff auch für optoelektronische Module nutzbar ist.

Hinsichtlich einer optimierten Gewichtseinsparung ist bei einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, daß nach dem Anordnen des Kühlkörpers auf dem elektrischen Modul zwischen mehreren elektrischen und/oder mehreren elektronischen Bau­ elementen des Moduls und dem Kühlkörper ein Kontakt ausgebil­ det ist, so daß der Kühlkörper zum Kühlen der mehreren elektrischen und/oder der mehreren elektronischen Bauelemente genutzt wird. Hierdurch leitet der Kühlkörper die erzeugte Wärme von den mehreren Bauelementen ab. Für die einzelnen Bauelemente des Moduls sind keine getrennten Kühlkörper not­ wendig.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Kühlkörper 1, der aus einem Kunststoffma­ terial gebildet ist. Der Kühlkörper 1 weist in Eckbereichen Einschraubhülsen 2 auf. In die Einschraubhülsen 2 bei der Montage des Kühlkörpers 1 auf einem elektrischen bzw. elektronischen Modul (nicht dargestellt) Schrauben einge­ schraubt, um den Kühlkörper 1 auf dem Modul zu befestigen. Bei der Montage des Kühlkörpers 1 auf dem Modul wird ein Kon­ takt zwischen einer unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 und Bauelementen (nicht dargestellt) ausgebildet, die auf dem Modul angeordnet sind. Mit Hilfe der Kontaktausbildung zwi­ schen der unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 und den Bau­ elementen auf dem Modul kann die in den Bauelementen erzeugte Wärme abgeführt werden.

Es kann auch vorgesehen sein, daß das elektrische bzw. elektronische Modul zur Kontaktherstellung mit dem Kühlkörper 1 an der unteren Oberfläche 3 des Kühlkörpers 1 angeklebt ist (nicht dargestellt). In diesem Fall können die Einschraubhül­ sen 2 gesetzt werden, um den Kühlkörper 1, an den das elektrische bzw. elektronische Modul angeklebt ist, auf einer Basis zu befestigen.

Der Kühlkörper 1 weist zur Vergrößerung seiner äußeren Ge­ samtoberfläche Kühlrippen 4 auf, so daß die von den Bauele­ menten auf den Kühlkörper 1 übergegangene Wärme besser an die Umgebung des Kühlkörpers 1 abgegeben werden kann. Die Her­ stellung des Kühlkörpers 1 aus Kunststoffmaterialien, wie Thermoplaste oder Thermosets ermöglicht es, ein relativ hohes Aspektverhältnis eines Rippenabstands 5 zu einer Rippenhöhe 6 auszubilden.

Die Herstellung des Kühlkörpers 1 aus Kunststoff ermöglicht es weiterhin, daß der Kühlkörper 1 neben den Kühlrippen 4, Absätze 7, Bohrungen 8 und krummlinig begrenzte Konturen 9 aufweist. Da die Herstellung des Kühlkörpers 1 aus Kunst­ stoffmaterial die Möglichkeit schafft, solche mechanischen Strukturen an dem Kühlkörper 1 auszubilden, kann der Kühlkör­ per 1 auch als Träger für die elektrischen/elektronischen Bauelemente dienen (nicht dargestellt), wobei die elektri­ schen/elektronischen Bauelemente hierbei beispielsweise in Ausnehmungen im Bereich der unteren Oberfläche 3 des Kühlkör­ pers 1 angeordnet sind. Bei den elektrischen/elektronischen Bauelementen kann es sich um optoelektronische Bauteile, ins­ besondere Sende- und Empfangsbauteile handeln.

In den Kühlkörper 1 sind zur Optimierung der physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers 1, insbesondere hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und/oder des Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten, Kohlenstoffasern und/oder ein Metallgranulat eingelagert. Mit Hilfe der Abstimmung des Verhältnisses, beispielsweise hinsichtlich Gesamtmasse der eingelagerten Kohlenstofffasern und der Metallgranulate zueinander können die physikalischen Eigenschaften an den Kühlbedarf des jeweiligen Moduls angepaßt werden, für welches der Kühlkörper 1 genutzt wird. Als Material für das Metallgranulat ist beispielsweise Kupfer geeignet.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls, welches mindestens ein elektrisches und/oder mindestens ein elektronisches Bauelement umfaßt, mit einem aus Kunststoff gebildeten Kühlkörper (1), dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Kunststoff ein Füllstoff eingelagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Füllstoff Kohlenstoffasern um­ faßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Füllstoff ein Metallgra­ nulat umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Menge der Kohlenstoffa­ sern und eine Menge des Metallgranulats in dem Kühlkörper (1) in einem vorgegebenen Verhältnis, beispielsweise hin­ sichtlich der Masse, zueinander stehen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) Kühlrippen (4) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das mindestens eine elektrische oder das mindestens eine elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß nach dem Anordnen des Kühlkörpers (1) auf dem elektrischen Modul zwischen mehreren elektrischen und/oder mehreren elektronischen Bauelementen des Moduls und dem Kühlkörper (1) ein Kontakt ausgebildet ist, so daß der Kühlkörper (1) zum Kühlen der mehreren elektrischen und/oder der mehreren elektronischen Bauelemente genutzt wird.