DE10031465A1 - Kühleinrichtung für eine Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Um dem örtlich oft stark variierenden Wärmeaufkommen beim Entwärmen von Schaltungsanordnungen Rechnung zu tragen, wird eine Kühleinrichtung (10) vorgeschlagen, bei welcher der Kühlkörper (2) und die Anordnung (3) von vorgesehenen Kühlelementen (4) eine Geometrie aufweisen, durch welche individuellen Bereichen (5-1, 5-2, 5-3) des Kühlkörpers (2) zur individuellen Entwärmung jeweils angepaßte effektive Entwärmungsflächen über entsprechende Anzahlen von Kühlelementen (4) zuordenbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine Schal­ tungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Schaltungsanordnungen, insbesondere bei Leistungshalblei­ teranordnungen oder dergleichen, sind für eine verläßliche Funktion und eine hohe Lebensdauer beim Betrieb der Schal­ tungsanordnungen die dabei entstehenden Verlustleistungen in Form von entstehenden Wärmemengen abzuführen, um ein Überhit­ zen der jeweiligen Bauelemente innerhalb der Schaltungsanord­ nung beim Betrieb zu vermeiden.

Im Stand der Technik sind dazu zum Beispiel für bestimmte Bauelemente der Schaltungsanordnung individuell zugeschnitte­ ne Kühleinrichtungen oder Kühler vorgesehen. Andererseits werden aufgrund der gestiegenen Anforderungen hinsichtlich der Handhabbarkeit der Schaltungsanordnungen, aber auch hin­ sichtlich einer kostengünstigen Entwicklung und Produktion, Kühleinrichtungen vorgesehen, welche die Schaltungsanordnung, die zum Beispiel auf einem Substrat aufgebracht ist, als Gan­ zes entwärmen und somit die insgesamt entstehende Verlustlei­ stung oder Verlustwärme an die Umgebung abführen.

Bei gängigen Konzepten der globalen Entwärmung von Schal­ tungsanordnungen auf Substraten ist dabei problematisch, daß die im Stand der Technik vorgesehenen Kühleinrichtungen ent­ lang ihrer lateralen Ausdehnung eine im wesentlichen gleich­ mäßige Entwärmungskapazität oder Entwärmungsfähigkeit besit­ zen. Bei üblichen Schaltungsanordnungen, die ebenfalls in la­ teraler Ausdehnung auf einem Substrat angeordnet sind, ist die laterale Verteilung der entstehenden Verlustleistung oder Verlustwärme aber durchaus unterschiedlich. So gibt es Bau­ teile, die nur wenig Verlustleistung aufweisen, wogegen ande­ re Bauteile zu einer starken Erwärmung neigen.

Darüber hinaus sind die in lateraler Nachbarschaft befindli­ chen und direkt benachbarten elektronischen Bauteile aufgrund des sie verbindenden Substrats, der mechanischen Ankopplung der Bauteile auf dem Substrat und insbesondere über die ge­ meinsam genutzte Kühleinrichtung thermisch miteinander gekop­ pelt. Dies führt zum Beispiel bei einer lateralen Verteilung identischer Leistungshalbleiterbauelemente dazu, daß im Rand­ bereich des die Bauelemente aufnehmenden Substrats lokal we­ niger Verlustwärme entsteht als im zentralen Bereich, weil im zentralen Bereich neben der dort direkt entstehenden Verlust­ wärme auch noch eine thermische Einkopplung der im Randbe­ reich entstehenden Verlustwärme erfolgt.

Demzufolge müßte für eine gleichmäßige Entwärmung aller Be­ reiche der Schaltungsanordnung dem unterschiedlichen, lateral variierenden Wärmeaufkommen oder Aufkommen an Verlustleistung beim Einsatz der entsprechenden Kühleinrichtung Rechnung ge­ tragen werden.

Kühleinrichtungen aus dem Stand der Technik weisen einen Kühlkörper und eine Kühlelementeanordnung auf. Der Kühlkörper besitzt mindestens eine Oberseite, durch welche die Kühlein­ richtung im Betrieb mit der zu entwärmenden Schaltungsanord­ nung mechanisch und thermisch kontaktierbar ist. Der Kühlkör­ per dient im Betrieb der Aufnahme von Wärmemenge von der im Betrieb kontaktierten Schaltungsanordnung. Ferner weist der Kühlkörper eine Unterseite auf, an welcher die Kühlelemente­ anordnung vorgesehen ist, die ihrerseits zur Abgabe von vom Kühlkörper im Betrieb aufgenommener Wärmemenge an die Umge­ bung ausgebildet ist.

Diese bekannten Kühleinrichtungen besitzen entlang ihrer la­ teralen Ausdehnung hinweg eine im wesentlichen gleichmäßige Entwärmungskapazität und können deshalb einem lateral variie­ renden Wärmeaufkommen nicht Rechnung tragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrich­ tung für eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, bei wel­ cher dem örtlich variierenden Wärmeaufkommen im Betrieb Rech­ nung getragen werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung für eine Schal­ tungsanordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlein­ richtung für eine Schaltungsanordnung sind Gegenstand der ab­ hängigen Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist bei der Kühleinrichtung für eine Schal­ tungsanordnung, insbesondere für eine Leistungshalblei­ teranordnung oder dergleichen, vorgesehen, daß der Kühlkörper und insbesondere das Profil seiner Unterseite und/oder die Kühlelementeanordnung eine Geometrie aufweisen, durch welche individuellen Bereichen des Kühlkörpers, insbesondere der Un­ terseite davon, zur individuellen Entwärmung jeweils angepaß­ te effektive Entwärmungsflächen über entsprechende Anzahlen von Kühlelementen der Kühlelementeanordnung zuordenbar sind.

Es ist somit eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfin­ dung, entsprechenden individuellen Abschnitten oder Bereichen des Kühlkörpers, die ja im Betrieb aufgrund der darüber ange­ ordneten, zu entwärmenden Schaltungsanordnung auch unter­ schiedlich mit Verlustwärme beaufschlagt werden, entsprechend dem jeweiligen Wärmeaufkommen zur individuellen, d. h. dem Wärmeaufkommen angepaßten, Entwärmung jeweils eine angepaßte effektive Entwärmungsfläche bereitzustellen und zuzuordnen. Da die effektive Entwärmungsfläche über die jeweils zugeord­ neten und auch thermisch angekoppelten Kühlelemente bzw. die entsprechenden Anzahlen davon realisiert wird, sind, entspre­ chend der vorzusehenden individuellen Entwärmung, den indivi­ duellen Bereichen angepaßte Anzahlen von Kühlelementen über eine entsprechende geometrische Ausgestaltung entweder des Kühlkörpers selbst, insbesondere über geometrische Ausgestaltungen des Profils seiner Unterseite, und/oder über die Geo­ metrie der Anordnung der Kühlelemente realisiert. Dabei kön­ nen die Geometrie des Kühlkörpers und die Geometrie der Küh­ lelementeanordnung gleichzeitig entsprechend variiert und an­ gepaßt werden.

Grundsätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung gegenüber Kühleinrichtungen aus dem Stand der Technik, die ebenfalls einen Kühlkörper mit daran vorgesehenen Kühlelemen­ ten aufweisen, ist, daß bei der Erfindung der Kühlkörper und/oder die Kühlelementeanordnung geometrisch so konzipiert sind, daß Bereichen mit einem erhöhten Verlustwärmeaufkommen eine größere effektive Entwärmungsfläche, also eine höhere Anzahl von Kühlelementen zugeordnet wird, als Bereichen mit geringerem Verlustwärmeaufkommen.

Grundsätzlich muß dabei natürlich das Verlustwärmeaufkommen für die einzelnen Bereiche der Schaltungsanordnung und damit für die einzelnen Bereiche der Kühleinrichtung in irgendeiner Form bekannt sein. Da aber im Randbereich der Schaltungsan­ ordnung und somit im Randbereich der im Betrieb befestigten Kühleinrichtungen grundsätzlich zunächst ein geringeres Ver­ lustwärmeaufkommen zuteil wird, als den Zentralbereichen da­ von, kann bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung gerade dem zentralen Bereich eine größere ef­ fektive Entwärmungsfläche und somit eine höhere Anzahl von Kühlelementen der Kühlelementeanordnung zugewiesen werden als den jeweiligen Randbereichen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Kühleinrichtung ist es vorgesehen, daß die Küh­ lelemente jeweils, zumindest im Querschnitt, ein proximales Ende und ein distales Ende aufweisen. Mit dem proximalen Ende sind die Kühlelemente der Kühlelementeanordnung an der Unter­ seite des Kühlkörpers angeordnet. Das distale, also beabstan­ dete, Ende der Kühlelemente ist jeweils im wesentlichen frei und der Unterseite des Kühlkörpers gegenüberliegend oder von dieser entfernt ausgebildet.

Die Enden der Kühlelemente sind je nach Geometrie der Kühle­ lemente auch als Abschnitte oder Endbereiche aufzufassen.

Eine besonders platzsparende und eine effektive Wärmeabgabe an die Umgebung fördernde Anordnung der Kühlelemente ergibt sich, wenn die Kühlelemente gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, insbesondere in bezug auf ihre proximalen und/oder distalen Enden, im we­ sentlichen äquidistant und/oder im wesentlichen parallel zu­ einander angeordnet sind.

Die äquidistante und/oder parallele Anordnung kann dabei auch abschnittsweise vorliegen. So ist es zum Beispiel denkbar, daß gerade die distalen Enden der Kühlelemente der Kühlele­ menteanordnung, welche ganz wesentlich dem Wärmeübergang an die Umgebung dienen, streng parallel und äquidistant mit ei­ nem festen Abstand zueinander angeordnet sind, während die proximalen Enden eine gewisse Neigung zueinander aufweisen, weil sie dem Oberflächenprofil der Unterseite des Kühlkörpers folgen, um an diesem befestigt zu werden.

Durch eine entsprechende Anordnung der Kühlelemente kann qua­ si eine Aufspreizung der effektiven Entwärmungsflächen zur besseren Wärmeabgabe an die Umgebung erreicht werden, was ei­ nen erheblichen Vorteil gegenüber Kühleinrichtungen aus dem Stand der Technik darstellt.

Bei Kühleinrichtungen aus dem Stand der Technik werden die Kühlelemente der Kühlelementeanordnung strikt äquidistant und parallel ausgebildet, so daß sich eine gleichmäßige oder uni­ forme laterale Verteilung der Entwärmungskapazität oder des Entwärmungsvermögens des Kühlkörpers und der Kühlelementean­ ordnung über die jeweilige laterale Ausdehnung hinweg ergibt.

Demgegenüber sieht eine weiter bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung vor, daß die Kühlelemente, insbesondere in bezug auf ihre proximalen und/oder distalen Enden, im wesentlichen gemäß einer jeweils zuzuordnenden An­ zahl von Kühlelementen und/oder gemäß einer jeweils vorzuse­ henden individuellen Entwärmung der individuellen Bereiche der Unterseite des Kühlkörpers, insbesondere hinsichtlich der mittleren Dichte, moduliert angeordnet sind.

Das bedeutet zum Beispiel, daß Bereiche, bei denen das Ver­ lustwärmeaufkommen geringer ist, eine geringere Anzahl Kühle­ lemente aufweist. Die Kühlelemente sind in diesen Bereichen der Kühleinrichtung parallel zueinander ausgebildet und wei­ sen einen relativ großen lateralen Abstand zueinander auf. In Bereichen dagegen, in welchen ein relativ hohes Verlustwär­ meaufkommen zu erwarten ist, werden die Kühlelemente der Küh­ lelementeanordnung dagegen ebenfalls parallel, aber mit einem weitaus geringeren Abstand zueinander angeordnet, so daß die Kühlelementedichte dort höher ausfällt und sich somit eine höhere effektive Entwärmungsfläche allein aus dem Anbringen einer höheren Anzahl von Kühlelementen an dem jeweils vorge­ sehenen individuellen Bereich des Kühlkörpers an der Unter­ seite des Kühlkörpers ergibt. Somit ist im Gegensatz zum Stand der Technik bei dieser bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung die Kühlelementeverteilung über die laterale Ausdehnung der Kühleinrichtung hinweg nicht mehr uniform oder gleichmäßig, sondern jeweils dem zu erwar­ tenden Verlustwärmeaufkommen angepaßt.

Bei dieser Ausführungsform werden somit die zuzuordnenden An­ zahlen von Kühlelementen und folglich die zuzuordnenden ef­ fektiven Entwärmungsflächen allein über die Geometrie, d. h. also die Dichte der Kühlelemente, der Kühlelementeanordnung realisiert. Der Kühlkörper selbst kann zum Beispiel als Plat­ te konstanter Dicke ausgebildet sein, an welchem dann die Kühlelemente der Kühlelementeanordnung in unterschiedlicher Dichte parallel und äquidistant zueinander angeordnet werden.

Zusätzlich oder alternativ kann die zuzuordnende Entwärmungs­ fläche auch über eine Variation der Länge der Kühlelemente angepaßt werden. Dabei wird dann einem Bereich mit hohem Ver­ lustwärmeaufkommen ein Kühlelementebereich zugeordnet, dessen Kühlelemente länger ausgelegt sind.

Besonders einfache geometrische Verhältnisse ergeben sich bei einer geeigneten Anordnung der Kühlelemente in bezug auf die Unterseite des Kühlkörpers, an dem die Kühlelemente befestigt sind oder werden. Es ist vorgesehen, daß die Kühlelemente zu­ mindest jeweils in bezug auf ihre proximalen Enden mit den jeweiligen Normalen auf der Unterseite des Kühlkörpers je­ weils einen im wesentlichen höchstens spitzen Winkel, vor­ zugsweise kleiner als 45°, einschließen. Besonders bevorzugt ist dabei ein Winkel von im wesentlichen 90°, also senkrecht, auf der Unterseite des Kühlkörpers. Durch diese Maßnahmen er­ gibt sich eine besonders dichte Packungsmöglichkeit der Küh­ lelemente in der Kühlelementeanordnung, auch wenn diese, ins­ besondere im Bereich der proximalen Enden, der Kontur der Un­ terseite des Kühlkörpers zur Befestigung folgen sollte.

Im Gegensatz zur Vorgehensweise, bei welcher die Zuordnung unterschiedlicher effektiver Entwärmungsflächen und somit un­ terschiedlicher Anzahlen von Kühlelementen der Kühlelemente­ anordnung durch eine nicht-uniforme Verteilung parallel zu­ einander angeordneter Kühlelemente realisiert wird, steht die Maßnahme, bei welcher, gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, jeder individuelle Be­ reich des Kühlkörpers, welchem im Vergleich zu einem anderen direkt benachbarten individuellen Bereich des Kühlkörpers ei­ ne erhöhte effektive Entwärmungsfläche zuzuordnen ist, eine im Vergleich zu diesem jeweiligen benachbarten Bereich zumin­ dest eine im Mittel gesteigerte Dicke des Kühlkörpers vorge­ sehen aufweist.

Zum einen wird durch die zumindest im Mittel gesteigerte Dic­ ke des individuellen Bereichs des Kühlkörpers mit im Ver­ gleich zur Nachbarschaft erhöhter effektiver Entwärmungsflä­ che eine größere Wärmeaufnahmekapazität dieses Bereiches ge­ währleistet. Zum anderen aber erzwingt die gesteigerte Dicke im Übergang zur Nachbarschaft mit geringerer Dicke einen Übergangsbereich, welcher dann folglich eine Art Rand mit ei­ ner geneigten Fläche oder Flanke bildet, welche sich vom Be­ reich gesteigerter Dicke zum Bereich geringerer Dicke hin er­ streckt. Dieser Randbereich oder die Seitenflächen davon al­ lein bilden schon eine zusätzliche Entwärmungsfläche, an wel­ cher zu deren Steigerung weitere Kühlelemente der Kühlelemen­ teanordnung mit ihren proximalen Enden angeordnet und befe­ stigt werden können.

Dazu ist es insbesondere vorgesehen, daß zwischen direkt be­ nachbarten individuellen Bereichen des Kühlkörpers mit unter­ schiedlichen zuzuordnenden effektiven Entwärmungsflächen eine Übergangsflanke oder ein Flankenbereich ausgebildet ist und daß sich der Flankenbereich vom individuellen Bereich mit ge­ ringerer zuzuordnender effektiver Entwärmungsfläche mit einer geringeren Schichtdicke des Kühlkörpers zum individuellen Be­ reich mit größerer zuzuordnender effektiver Entwärmungsfläche mit einer größeren Schichtdicke des Kühlkörpers hin er­ streckt.

Dadurch wird erreicht, daß die Flanke vom Bereich geringerer Schichtdicke zum Bereich stärkerer Schichtdicke kontinuier­ lich oder monoton ansteigt, um somit eine Seitenflanke auszu­ bilden, an welcher auch zusätzliche Kühlelemente anordenbar sind. Dabei wird auf der Grundlage des unterschiedlich ver­ teilten zu erwartenden Verlustwärmeaufkommens zunächst der Kühlkörper in individuelle Bereiche eingeteilt. Jedem indivi­ duellen Bereich mit einem im Betrieb zu erwartenden hohen Verlustwärmeaufkommen wird eine stärkere Schichtdicke gegeben als individuellen Bereichen, bei denen im Betrieb nur eine relativ geringe Verlustwärme zu erwarten ist. Benachbarte individuelle Bereiche des Kühlkörpers, welche unterschiedliche, zumindest mittlere, Schichtdicken aufweisen, bei denen also im Betrieb unterschiedliche Verlustwärmeaufkommen zu erwarten sind, werden in ihrem Übergangsbereich mit einer Flanke aus­ gebildet, die von der geringeren Schichtdicke zur stärkeren Schichtdicke führt, und zwar im wesentlichen monoton.

Vorteilhafterweise ist der Flankenbereich dabei im wesentli­ chen in dem Bereich mit größerer zuzuordnender effektiver Entwärmungsfläche, also im Bereich mit größerer mittlerer Schichtdicke, ausgebildet. Dies hat Vorteile bei der Anord­ nung der zusätzlich vorzusehenden Kühlelemente im Flankenbe­ reich.

Zwar können die Flankenbereiche auch stufenförmig ausgebildet sein, was einen besonders einfachen Produktionsprozeß des Kühlkörpers und der daran anzuordnenden Kühlelemente ermög­ licht. Dennoch wird vorzugsweise das Profil der Unterseite des Kühlkörpers - und somit der Verlauf der Dicke des Kühl­ körpers - insbesondere am Übergang bzw. Flankenbereich zwi­ schen den individuellen Bereichen des Kühlkörpers im wesent­ lichen kontinuierlich verlaufend ausgebildet.

Zur besonders effektiven Kühlung und Abgabe der Verlustwärme an die Umgebung können die Kühlelemente der Kühlelementean­ ordnung unterschiedliche Formen aufweisen, insbesondere als Kühlrippen, Kühlbleche, Kühlflächen, Kühlstäbe, Kühlfinger und/oder dergleichen ausgebildet sein.

Oben wurde bereits angesprochen, daß ein grundsätzliches Pro­ blem der Kühleinrichtungen aus dem Stand der Technik auch darin besteht, daß direkt benachbarte individuelle Bereiche des Kühlkörpers thermisch aneinander gekoppelt sind und daß folglich zentrale Bereiche einer Schaltungsanordnung und so­ mit auch des daran angekoppelten Kühlkörpers Wärmeeinträge aus der Nachbarschaft erfahren, so daß sich gerade die Zen­ tren der Schaltungsanordnung bzw. des Kühlkörpers im Übermaß aufheizen können. Demgemäß ist es gemäß einer weiteren bevor­ zugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung vorgesehen, daß im Übergangsbereich und/oder zwischen direkt benachbarten individuellen Bereichen des Kühlkörpers Ausneh­ mungen und/oder Hohlräume im Inneren des Kühlkörpers ausge­ bildet sind, durch welche direkt benachbarte individuelle Be­ reiche des Kühlkörpers zumindest teilweise thermisch entkop­ pelbar sind. Die vorgesehenen inneren Hohlräume oder Ausneh­ mungen bewirken eine Unterbrechung der Wärmeleitung, insbe­ sondere dann, wenn der Kühlkörper als solches aus einem ther­ misch gut leitenden Material, insbesondere aus einem Metall, ausgebildet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung näher erläutert. In dieser ist

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühleinrich­ tung,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Küh­ leinrichtung,

Fig. 3A, B geschnittene Seitenansichten von Flankenbereichen zweier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung,

Fig. 4A, B Ansichten von unten zweier weiterer Ausführungs­ formen der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung,

Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlein­ richtung und

Fig. 6 eine geschnittene Seitenansicht einer Kühlein­ richtung für eine Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik.

In Fig. 6 ist in einer geschnittenen Seitenansicht eine Küh­ leinrichtung 40 für eine Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik gezeigt. Diese bekannte Kühleinrichtung 40 weist einen Kühlkörper 42 von plattenförmiger und massiver Gestalt mit einer Oberseite 42a und mit einer Unterseite 42b auf. Die Oberseite 42a dient im Betrieb der mechanischen und thermi­ schen Kontaktierung des Kühlkörpers 40 an einer Schaltungsan­ ordnung, die in Fig. 6 nicht dargestellt ist. Die über die mechanische und thermische Kontaktierung aufgenommene Wärme wird dann über eine Kühlelementeanordnung 43 mit Kühlelemen­ ten 44, welche an der Unterseite 42b des Kühlkörpers 42 aus­ gebildet ist, an die Umgebung abgegeben. Die Kühlelemente 44 der Kühlelementeanordnung 43 sind hier als Kühlfinger oder Kühlbleche im Querschnitt dargestellt und weisen ein distales freies Ende 44a sowie ein der Befestigung dienendes proxima­ les Ende 44b auf.

Die Kühlelemente 44 der Kühleinrichtung 40 aus dem Stand der Technik sind hier mit gleicher Länge und parallel und äquidi­ stant zueinander beabstandet. Entsprechend besitzt die Küh­ leinrichtung 40 aus dem Stand der Technik ein über seine la­ terale Ausdehnung sich erstreckende uniforme oder gleichmäßi­ ge Entwärmungskapazität oder ein entsprechend uniformes Ent­ wärmungsvermögen.

Im Gegensatz zum Stand der Technik besitzt die in geschnitte­ ner Seitenansicht dargestellte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Kühleinrichtung 10 gemäß Fig. 1 einen Kühlkörper 2, welcher über seine laterale Ausdehnung hinweg eine variie­ rende Schichtdicke aufweist. Der Kühlkörper 2 ist in dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 1 in drei Bereiche 5-1, 5-2 und 5-3 unterteilt, denen fiktiv unterschiedliche Verlustwärmeaufkom­ men im Betrieb unterstellt werden.

Die Bereiche 5-1 und 5-3 am Rand des Kühlkörpers 2 besitzen eine konstante und relativ geringe Dicke oder Stärke D1. Der zentrale individuelle Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 weist ge­ nau im Zentrum eine maximale Dicke oder Stärke D2 auf, die linear und kontinuierlich zu den individuellen Randbereichen 5-1 und 5-3 hin auf den Wert D1 abfällt, wodurch jeweils ein Flankenbereich 6 ausgebildet wird. Auf der Oberseite 2a des Kühlkörpers 2 ist im Betrieb die Schaltungsanordnung ange­ bracht, die in Fig. 1 nicht gezeigt ist.

Auf der Unterseite 2b ist die Kühlelementeanordnung 3 ausge­ bildet, deren Kühlelemente 4 mit ihren jeweiligen proximalen Enden 4b an der Unterseite 2b des Kühlkörpers 2 befestigt sind und deren distale Enden 4a freistehend und somit zur Wärmeabgabe an die Umgebung geeignet sind.

Die distalen Enden 4a der Kühlelemente 4 der Kühlelementean­ ordnung 3 sind parallel zueinander und äquidistant beabstan­ det. Die proximalen Enden 4b der Kühlelemente 4 stehen je­ weils in etwa senkrecht auf der Unterseite 2b des Kühlkörpers 2. Die proximalen Enden 4b folgen der Kontur 8 der Unterseite 2b des Kühlkörpers, wodurch sich die Notwendigkeit ergibt, daß die dem individuellen Bereich 5-2 zugeordneten Kühlele­ mente 4, die einen Kühlelementebereich 9-2 bilden, in ihrem Verlauf vom distalen Ende 4a zum jeweiligen proximalen Ende 4b hin auf den Kantenbereich 6 des individuellen Bereichs 5-2 hin abknicken. Im Gegensatz dazu verlaufen die Kühlelemente 4 der Kühlelementebereiche 9-1 und 9-3, welche den individuel­ len Bereichen 5-1 bzw. 5-3 des Kühlkörpers 2 zugeordnet sind, strikt linear, parallel und äquidistant zueinander.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 kann der zentrale indivi­ duelle Bereiche 5-2 des Kühlkörpers 2 stärker entwärmt wer­ den, um ein höheres Verlustwärmeaufkommen an die Umgebung ab­ zuführen. Dies wird trotz im wesentlichen uniformer Vertei­ lung der Kühlelemente 4 der Kühlelementeanordnung 3 allein durch die geometrische Ausgestaltung des Dickeprofils des Kühlkörpers 2 und insbesondere durch die Kontur 8 der Unter­ seite 2b des Kühlkörpers 2 und der daran angebrachten Kühle­ lemente 4 realisiert.

Im Gegensatz dazu wird die dem zentralen Bereich 5-2 zuzuord­ nende höhere Anzahl von Kühlelementen 4 bei dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 2 dadurch realisiert, daß die laterale Ver­ teilung der Kühlelemente der Kühlelementeanordnung 3 nicht mehr uniform oder gleichmäßig ist. Während die Kühlelemente 4 in den den individuellen Bereichen 5-1 und 5-3 des Kühlkör­ pers 2 zugeordneten Kühlelementebereichen 9-1 und 9-3 zuein­ lelemente 4 im zentralen Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 weit­ aus näher beieinander, so daß sich in dem Kühlelementebereich 9-2, welcher dem zentralen individuellen Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 zugeordnet ist, eine höhere Kühlelementedichte und somit eine gesteigerte effektive Entwärmungsfläche er­ gibt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird somit die erhöhte ef­ fektive Entwärmungsfläche allein durch die Geometrie der Kühlelementeanordnung 3 realisiert, wobei der Kühlkörper 2 als massive Platte mit konstanter Dicke D1 ausgebildet ist.

In den Fig. 3A und 3B werden Details des Übergangsbereichs und insbesondere des Flankenbereichs 6 zwischen zwei indivi­ duellen und direkt benachbarten Bereichen 5-1 und 5-2 des Kühlkörpers 2 im Hinblick auf die an dessen Unterseite 2b an­ geordneten Kühlelemente 4 der Kühlelementeanordnung 3 darge­ stellt. Dort ist jeweils das Profil oder die Kontur 8 des Verlaufs der Dicke des Kühlkörpers 2 dargestellt.

Die durchgezogene Kontur 8 macht im Grenzbereich zwischen den individuellen Bereichen 5-1 und 5-2 auf der Seite des Berei­ ches 5-2 von der Dicke D1 zur Dicke D2 einen Sprung, so daß der Kantenbereich 6 von einer senkrecht verlaufenden Kante gebildet wird. An dieser senkrecht verlaufenden Kante des Kantenbereichs 6 sind auch Kühlelemente 4 mit ihren proxima­ len Enden 4b angeordnet, welche auch im Kantenbereich 6 senk­ recht auf der Oberfläche 2b stehen.

Der Kantenbereich 6 kann auch im Bereich des anderen indivi­ duellen Bereichs 5-1 des Kühlkörpers 2 ausgebildet sein, wie das durch die gestrichelte Kontur 8' angedeutet ist.

In der Fig. 3B sind ähnliche Verhältnisse gezeigt, wobei aber der Flankenbereich 6 und der dort gezeigte Profilverlauf 8 der Dicke des Kühlkörpers 2 nicht sprunghaft erfolgt, sondern kontinuierlich. Ansonsten sind die Verhältnisse ähnlich zu den in Fig. 3A gezeigten und dort beschriebenen. Wiederum ge­ strichelt als Kontur 8' sind die Verhältnisse angedeutet, bei welchem der Kantenbereich 6 im Bereich des anderen individu­ ellen Bereichs 5-1 des Kühlkörpers 2 liegt.

Die Fig. 4A und 4B zeigen Ansichten von unten zweier ver­ schiedener Kühlelementeanordnungen 3, welche bei der erfin­ dungsgemäßen Kühleinrichtung Verwendung finden. Die Kühlele­ mente 4 der Ausführungsform der Fig. 4A sind in Form von par­ allel zueinander ausgebildeten Blechen geformt. Dagegen bil­ den die Kühlelemente 4 der Kühlelementeanordnung 3 der Aus­ führungsform der Fig. 4B Kühlstäbe oder Kühlfinger von im we­ sentlichen gleicher Stärke, welche in unterschiedlicher Dich­ te, nämlich vom Randbereich zum Zentrum hin zunehmend, ange­ ordnet sind.

Die Fig. 5 zeigt in einer ebenfalls geschnittenen Seitenan­ sicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Küh­ leinrichtung 10, bei welcher darüber hinaus auch die Schal­ tungsanordnung 1 mit einem entsprechenden Substrat 11, zum Beispiel einem DCB-Substrat, dargestellt ist. Die Schaltungs­ anordnung 1 im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 besteht aus drei im wesentlichen identisch gestalteten Halbleitermodulen 12-1, 12-2 und 12-3. Diese sind auf einem DCB-Substrat 11 angeordnet, an dessen Unterseite dann die Oberseite 2a des Kühlkörpers 2 der Kühleinrichtung 10 befestigt ist.

Die Unterseite 2b des Kühlkörpers 2 weist eine im wesentli­ chen kontinuierlich verlaufende und geschwungene Kontur 8 auf, deren Verlauf so gewählt ist, daß sich im Hinblick auf die Verteilung der Dicke eine Unterteilung des Kühlkörpers 2 in im wesentlichen drei individuelle und direkt benachbarte Bereiche 5-1, 5-2 und 5-3 ergibt, wobei der zentrale indivi­ duelle Bereich 5-2 eine im Mittel stärkere Dicke aufweist, als die Randbereiche 5-1 und 5-3 des Kühlkörpers 2. Das Dic­ keprofil oder die Kontur 8 ist in ihrem lateralen Verlauf spiegelsymmetrisch zu einer in der Mitte gelegenen Spiegele­ bene X.

Die größte Dicke weist der zentrale Bereich 5-2 des Kühlkör­ pers 2 exakt in seiner Mitte auf, mit zu den benachbarten Be­ reichen 5-1 und 5-3 hin abfallenden Flankenbereichen 6. Die Kühlelementeanordnung 3 ist an der Unterseite 2b des Kühlkör­ pers 2 mit ihren Kühlelementen 4 derart ausgebildet, daß auf­ grund der Anordnung der proximalen Enden 4b der Kühlelemente 4 auf der Unterseite 2b des Kühlkörpers 2 eine verhältnismä­ ßig hohe Zahl von Kühlelementen 4 dem zentralen individuellen Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 zufallen. Die Zahl der auf die Randbereiche 5-1 und 5-3 des Kühlkörpers 2 entfallenden Küh­ lelemente 4 ist demgegenüber im Verhältnis geringer. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Anzahl von Kühlelementen 4, welche dem zentralen Bereich 5-2 zugeordnet sind, ergibt sich für den zentralen Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 eine im Verhält­ nis höhere effektive Entwärmungsfläche und somit auch eine höhere Entwärmungsmöglichkeit in diesem zentralen Bereich 5- 2.

Dieser höheren Entwärmungskapazität für den Bereich 5-2 steht eine zuzügliche thermische Entkoppelung der direkt benachbar­ ten Bereiche 5-1, 5-2 und 5-3 des Kühlkörpers 2 aufgrund der im Kühlkörper 2 vorgesehenen Hohlräume 7 im Übergangsbereich zwischen den direkt benachbarten individuellen Bereichen 5-1, 5-2 und 5-3 zur Seite. Durch diese Hohlräume 7, welche ja Ma­ terialaussparungen darstellen, wird der Prozeß der Wärmelei­ tung und damit des direkten Wärmeübergangs zwischen den be­ nachbarten individuellen Bereichen unterbunden, so daß aus den einzelnen individuellen Bereichen 5-1, 5-2 und 5-3 je­ weils im wesentlichen nur die aufgrund der darüber angeordne­ ten Halbleitermodule 12-1, 12-2 und 12-3 erzeugten und abge­ gebenen Verlustleistungen oder Verlustwärmen abgeführt werden müssen.

Aufgrund des erfindungsgemäß vorgeschlagenen optimierten Kühlkonzepts wird eine effizientere Entwärmung von hochkom­ plexen Modulsystemen erreichbar. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Integrationsdichte mit immer hö­ heren Verlustleistungsdichten von besonderer Bedeutung. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden bei dem erfindungsge­ mäßen Konzept auch bei der Verteilung mehrerer kleiner Module auf einen Kühlkörper punktuelle Konzentrationen von Verlust­ wärmen an bestimmten Stellen des Kühlkörpers vermeidbar. Da­ durch wird auch eine besonders kompakte Bauweise von Lei­ stungshalbleitermodulen mit entsprechenden Leistungsdichten möglich. Gerade in zentralen Bereichen von Schaltungsanord­ nungen, wo bei herkömmlichen Kühlkonzepten Konzentrationen von Verlustwärmen auftreten, ist die vorgeschlagene Kühlein­ richtung von besonderem Nutzen, weil gerade in diesen zentra­ len Bereichen eine größere effektive Entwärmungsfläche zur Ableitung der Verlustleistung oder Verlustwärme in die Umge­ bung möglich ist. Eine Wärmekonzentration in der Modulmitte wird dabei durch eine geeignete Ausformung der Kühlerstruktur in den jeweils kritischen Bereichen vermieden oder reduziert. Dabei paßt sich die Kühlkörperrippenstruktur dem Bedarf an Entwärmung durch gezieltes Aufspreizen an. Eine weitere Maß­ nahme ist dabei, daß im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem die Kühlplattendicke, also die Schichtdicke des Kühl­ körpers, konstant gehalten wird, die Stärke der Kühlplatte so variiert und optimiert wird, daß - gerade in zentralen Berei­ chen der Schaltungsanordnung - die kritische Entwärmung opti­ mal gestaltet ist. Somit kann aus einer verhältnismäßig klei­ nen Grundfläche des Kühlkörpers eine gesteigerte Verlustlei­ stung abgeführt werden.

Bezugszeichenliste

1

Schaltungsanordnung

2

Kühlkörper

2

a Oberseite Kühlkörper

2

b Unterseite Kühlkörper

3

Kühlelementeanordnung

4

Kühlelement

4

a distales Ende Kühlelement

4

b proximales Ende Kühlelement

5-1

individueller Bereich

5-2

individueller Bereich

5-3

individueller Bereich

6

Flankenbereich, Übergangsbereich

7

Hohlraum

8

Dickeprofil

9-1

Kühlelementebereich

9-2

Kühlelementebereich

9-3

Kühlelementebereich

10

Kühleinrichtung

11

DCB-Substrat

12-1

Halbleitermodul

12-2

Halbleitermodul

12-3

Halbleitermodul

40

Kühleinrichtung Stand der Technik

42

Kühlkörper

42

a Oberseite Kühlkörper

42

b Unterseite Kühlkörper

43

Kühlelementeanordnung

44

Kühlelement

44

a distales Ende Kühlelement

44

b proximales Ende Kühlelement

45-1

individueller Bereich

45-2

individueller Bereich

45-3

individueller Bereich
D1, D2 Dicke
A1, A2 Abstand
X Spiegelebene

Claims (13)

1. Kühleinrichtung für eine Schaltungsanordnung, insbesondere für eine Leistungshalbleiteranordnung oder dergleichen, mit:
einem Kühlkörper (2), welcher mindestens eine Oberseite (2a), durch welche die Kühleinrichtung (10) im Betrieb mit einer zu entwärmenden Schaltungsanordnung (1) mechanisch und thermisch kontaktierbar ist, und eine Unterseite (2b) aufweist und welcher zur Aufnahme von Wärmemenge von der im Betrieb kontaktierten Schaltungsanordnung (1) ausgebildet ist, und
einer Kühlelementeanordnung (3), welche zumindest an der Unterseite (2b) vorgesehen ist und welche zur Abgabe von vom Kühlkörper (2) im Betrieb aufgenommener Wärmemenge an die Umgebung ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper (2) und insbesondere das Profil seiner Un­ terseite (2b) und/oder die Kühlelementeanordnung (3) eine Geometrie aufweisen, durch welche individuellen Bereichen (5-1, 5-2, 5-3) des Kühlkörpers (2), insbesondere der Unter­ seite (2b) davon, zur individuellen Entwärmung jeweils ange­ paßte effektive Entwärmungsflächen über entsprechende Anzah­ len von Kühlelementen (4) der Kühlelementeanordnung (3) zuor­ denbar sind.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (4) jeweils ein proximales Ende (4b), mit welchem sie an der Unterseite (2b) des Kühlkörpers (2) angeordnet sind, und ein distales Ende (4a), welches im we­ sentlichen frei und der Unterseite (2b) des Kühlkörpers (2) gegenüberliegend ausgebildet ist, aufweisen.

3. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (4), insbesondere in bezug auf ihre pro­ ximalen und/oder distalen Enden (4b, 4a), im wesentlichen äquidistant und/oder im wesentlichen parallel zueinander an­ geordnet sind.

4. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (4), insbesondere in bezug auf ihre pro­ ximalen und/oder distalen Enden (4b, 4a), im wesentlichen ge­ mäß einer zuzuordnenden Anzahl von Kühlelementen (4) und/oder individuellen Entwärmung der individuellen Bereiche (5-1, 5- 2, 5-3) der Unterseite (2b) des Kühlkörpers (2), insbesondere hinsichtlich ihrer mittleren Dichte, moduliert angeordnet sind.

5. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (4) zumindest jeweils in bezug auf ihre proximalen Enden (4b) mit den jeweiligen Normalen auf der Un­ terseite (2b) des Kühlkörpers (2) jeweils einen im wesentli­ chen höchstens spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner als 45°, einschließen.

6. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (4) jeweils im wesentlichen senkrecht auf der Unterseite (2b) des Kühlkörpers (2) angeordnet sind.

7. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bereich (5-2) des Kühlkörpers (2), welchem eine im Vergleich zu einem direkt benachbarten Bereich (5-1, 5-3) des Kühlkörpers (2) eine erhöhte effektive Entwärmungsfläche zu­ zuordnen ist, eine im Vergleich zu diesem jeweiligen benach­ barten Bereich (5-1, 5-3) zumindest im Mittel gesteigerte Dicke des Kühlkörpers (2) aufweist.

8. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen direkt benachbarten Bereichen (5-1, 5-2, 5-3) des Kühlkörpers (2) mit unterschiedlichen zuzuordnenden ef­ fektiven Entwärmungsflächen ein Flankenbereich (6) ausgebil­ det ist und
daß sich der Flankenbereich (6) vom Bereich (5-1, 5-3) mit geringerer zuzuordnender effektiver Entwärmungsfläche mit ei­ ner geringeren Schichtdicke (D1) des Kühlkörpers (2) zum Be­ reich (5-2) mit größerer zuzuordnender effektiver Entwär­ mungsfläche mit einer größeren Schichtdicke (D2) des Kühlkör­ pers (2) hin erstreckt.

9. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenbereich (6) jeweils im wesentlichen in dem Be­ reich (5-2) mit größerer zuzuordnender effektiver Entwär­ mungsfläche ausgebildet ist.

10. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Flankenbereich (6) Kühlelemente (4), insbesondere pro­ ximale Enden (4b) davon, ausgebildet sind.

11. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Unterseite (2b) des Kühlkörpers (2) und insbesondere im Übergang bzw. im Flankenbereich (6) zwischen den individuellen Bereichen (5-1, 5-2, 5-3) des Kühlkörpers (2) im wesentlich kontinuierlich verlaufend ausgebildet ist.

12. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergang und/oder im Flankenbereich (6) zwischen di­ rekt benachbarten individuellen Bereichen (5-1, 5-2, 5-3) des Kühlkörpers (2) Ausnehmungen und/oder Hohlräume (7) im Innern des Kühlkörpers (2) ausgebildet sind, durch welche die direkt benachbarten individuellen Bereiche (5-1, 5-2, 5-3) zumindest teilweise thermisch entkoppelbar sind.

13. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (3) als Kühlrippen, Kühlbleche, Kühlflä­ chen, Kühlstäbe, Kühlfinger und/oder dergleichen ausgebildet sind.