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Die
Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung
für eine
Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Bei
Schaltungsanordnungen, insbesondere bei Leistungshalbleiteranordnungen
oder dergleichen, sind für
eine verläßliche Funktion
und eine hohe Lebensdauer beim Betrieb der Schaltungsanordnungen
die dabei entstehenden Verlustleistungen in Form von entstehenden
Wärmemengen
abzuführen,
um ein Überhitzen
der jeweiligen Bauelemente innerhalb der Schaltungsanordnung beim
Betrieb zu vermeiden.
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Im
Stand der Technik sind dazu zum Beispiel für bestimmte Bauelemente der
Schaltungsanordnung individuell zugeschnittene Kühleinrichtungen oder Kühler vorgesehen.
Andererseits werden aufgrund der gestiegenen Anforderungen hinsichtlich der
Handhabbarkeit der Schaltungsanordnungen, aber auch hinsichtlich
einer kostengünstigen
Entwicklung und Produktion, Kühleinrichtungen
vorgesehen, welche die Schaltungsanordnung, die zum Beispiel auf
einem Substrat aufgebracht ist, als Ganzes entwärmen und somit die insgesamt
entstehende Verlustleistung oder Verlustwärme an die Umgebung abführen.
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Bei
gängigen
Konzepten der globalen Entwärmung
von Schaltungsanordnungen auf Substraten ist dabei problematisch,
dass die im Stand der Technik vorgesehenen Kühleinrichtungen entlang ihrer
lateralen Ausdehnung eine im wesentlichen gleichmäßige Entwärmungskapazität oder Entwärmungsfähigkeit
besitzen. Bei üblichen
Schaltungsanordnungen, die ebenfalls in lateraler Ausdehnung auf einem
Substrat angeordnet sind, ist die laterale Verteilung der entstehenden
Verlustleistung oder Verlustwärme
aber durchaus unterschiedlich. So gibt es Bauteile, die nur wenig
Verlustleistung aufweisen, wogegen andere Bauteile zu einer starken
Erwärmung
neigen.
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Darüber hinaus
sind die in lateraler Nachbarschaft befindlichen und direkt benachbarten
elektronischen Bauteile aufgrund des sie verbindenden Substrats,
der mechanischen Ankopplung der Bauteile auf dem Substrat und insbesondere über die
gemeinsam genutzte Kühleinrichtung
thermisch miteinander gekoppelt. Dies führt zum Beispiel bei einer
lateralen Verteilung identischer Leistungshalbleiterbauelemente
dazu, dass im Randbereich des die Bauelemente aufnehmenden Substrats
lokal weniger Verlustwärme
entsteht als im zentralen Bereich, weil im zentralen Bereich neben
der dort direkt entstehenden Verlustwärme auch noch eine thermische
Einkopplung der im Randbereich entstehenden Verlustwärme erfolgt.
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Demzufolge
müßte für eine gleichmäßige Entwärmung aller
Bereiche der Schaltungsanordnung dem unterschiedlichen, lateral
variierenden Wärmeaufkommen
oder Aufkommen an Verlustleistung beim Einsatz der entsprechenden
Kühleinrichtung
Rechnung getragen werden.
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Kühleinrichtungen
aus dem Stand der Technik weisen einen Kühlkörper und eine Kühlelementeanordnung
auf. Der Kühlkörper besitzt
mindestens eine Oberseite, durch welche die Kühleinrichtung im Betrieb mit
der zu entwärmenden
Schaltungsanordnung mechanisch und thermisch kontaktierbar ist. Der
Kühlkörper dient
im Betrieb der Aufnahme von Wärmemenge
von der im Betrieb kontaktierten Schaltungsanordnung. Ferner weist
der Kühlkörper eine
Unterseite auf, an welcher die Kühlelementeanordnung
vorgesehen ist, die ihrerseits zur Abgabe von vom Kühlkörper im
Betrieb aufgenommener Wärmemenge
an die Umgebung ausgebildet ist.
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Diese
bekannten Kühleinrichtungen
besitzen entlang ihrer lateralen Ausdehnung hinweg z. B. eine im
wesentlichen gleichmäßige Entwärmungskapazität und können deshalb
einem lateral variierenden Wärmeaufkommen
nicht Rechnung tragen.
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Aus
der
JP 06283874 A ist
ein Wärmedissipationselement
bekannt, welches dazu ausgebildet ist, auf der Grundlage einer gegebenen
Temperaturverteilung eines Wärme
erzeugenden Mechanismus die entstandene Wärme besonders wirkungsvoll
zu dissipieren und zu verteilen. Dazu ist eine Mehrzahl Wärmedissipationsstifte
auf einer wärmeleitfähigen Platte
vorgesehen und zwar in einer Anordnung, die entsprechend der Temperaturverteilung
gewählt wird.
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Aus
der
JP 10092985 A ist
ein Wärmesenke bekannt,
bei welcher auf einem Grundkörper
Mehrzahlen unterschiedlich langer Stiftelemente vorgesehen sind.
Die unterschiedliche Wahl der Längen
der Stiftelement entspricht der jeweils im Hinblick auf die Grundplatte
gewünschten
Entwärmung.
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Aus
der
DE 196 35 468
A1 ist ein Kühlkörper zum
Kühlen
von Elementen bekannt. Dabei ist ein Basisprofil ausgebildet, mit
welchem Kühlrippen
verbunden sind. Das Basisprofil weist verschiedene Bereiche im Sinne
einer unterschiedlichen Profilierung auf, wobei mit der Oberfläche jedes
Bereichs unterschiedliche Kühlrippen
verbunden sind, die eine unterschiedliche Länge derart aufweisen, dass
sie in ihrer Gesamtheit für
alle Bereiche gemeinsam miteinander bündig abschließen.
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Aus
der
EP 0 253 126 A1 ist
eine Wärmesenke
bekannt, bei welcher eine Mehrzahl Kühlfinger ausgebildet ist, die
sich von einem Grundkörper
aus einem wärmeleitfähigen Material
aus erstrecken. Um den unterschiedlichen Entwärmungsanforderungen zu entsprechen,
sind die wärmeleitenden
Finger mit unterschiedlicher Form und mit unterschiedlichem Querschnitt
ausgebildet. Darüber
hinaus hat auch der Grundkörper
dieser Wärmesenke
einen zentralen Bereich mit einer erhöhten Schichtdicke sowie Randbereiche
mit verringerten Schichtdicken.
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Aus
der
EP 0 658 934 A2 ist
ein Kühlkörper bekannt,
der aus einem Rippengrund als Grundkörper und darauf angebrachten
Kühlrippen
besteht, die sämtlich
die gleiche Höhe
besitzen.
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Der
Rippengrund selbst hat einen entsprechend profilierten Querschnitt,
so dass im Hinblick auf die Dicke des Rippengrundes unterschiedliche Bereiche
mit unterschiedlicher Entwärmungskapazität bereitgestellt
werden. Aufgrund der Gleichartigkeit der Kühlrippen folgen diese in ihrer
Gesamtheit dem Querschnittsprofil des Rippengrundes.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für eine Schaltungsanordnung bereitzustellen,
bei welcher dem örtlich
variierenden Wärmeaufkommen
im Betrieb Rechnung besonders wirkungsvoll getragen werden kann.
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Die
Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung für eine Schaltungsanordnung
erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
sind Gegenstand der abhängigen
Unteransprüche.
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Es
ist bei der Kühleinrichtung
für eine
Schaltungsanordnung, insbesondere für eine Leistungshalbleiteranordnung,
vorgesehen, dass der Kühlkörper, das
Profil seiner Unterseite und/oder die Kühlelementeanordnung eine Geometrie
aufweisen, durch welche individuellen Bereichen des Kühlkörpers zur individuellen
Entwärmung
jeweils angepaßte
effektive Entwärmungsflächen über entsprechende
Anzahlen von Kühlelementen
der Kühlelementeanordnung zugeordnet
sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist
es vorgesehen, dass im Übergangsbereich
zwischen direkt benachbarten individuellen Bereichen des Kühlkörpers Ausnehmungen
und/oder Hohlräume
im Inneren des Kühlkörpers ausgebildet
sind, durch welche direkt benachbarte individuelle Bereiche des
Kühlkörpers zumindest
teilweise thermisch entkoppelt sind. Die vorgesehenen inneren Hohlräume oder
Ausnehmungen bewirken eine Unterbrechung der Wärmeleitung, insbesondere dann,
wenn der Kühlkörper als
solches aus einem thermisch gut leitenden Material, insbesondere
aus einem Metall, ausgebildet ist.
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Dadurch
wird ein grundsätzliches
Problem der Kühleinrichtungen
aus dem Stand der Technik gelöst,
das darin besteht, dass direkt benachbarte individuelle Bereiche
des Kühlkörpers thermisch
aneinander gekoppelt sind und dass folglich zentrale Bereiche einer
Schaltungsanordnung und somit auch des daran angekoppelten Kühlkörpers Wärmeeinträge aus der
Nachbarschaft erfahren, so dass sich gerade die Zentren der Schaltungsanordnung
bzw. des Kühlkörpers im Übermaß aufheizen
können.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist
es vorgesehen, dass die Kühlelemente
jeweils, zumindest im Querschnitt, ein proximales Ende und ein distales
Ende aufweisen. Mit dem proximalen Ende sind die Kühlelemente
der Kühlelementeanordnung an
der Unterseite des Kühlkörpers angeordnet.
Das distale, also beabstandete, Ende der Kühlelemente ist jeweils im wesentlichen
frei und der Unterseite des Kühlkörpers gegenüberliegend
oder von dieser entfernt ausgebildet.
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Die
Enden der Kühlelemente
sind je nach Geometrie der Kühlelemente
auch als Abschnitte oder Endbereiche aufzufassen.
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Eine
besonders platzsparende und eine effektive Wärmeabgabe an die Umgebung fördernde Anordnung
der Kühlelemente
ergibt sich, wenn die Kühlelemente
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, insbesondere
in bezug auf ihre proximalen und/oder distalen Enden, im wesentlichen äquidistant und/oder
im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
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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 Kühlelementeanordnung,
welche ganz wesentlich dem Wärmeübergang an
die Umgebung dienen, streng parallel und äquidistant mit einem 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.
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Durch
eine entsprechende Anordnung der Kühlelemente kann quasi eine
Aufspreizung der effektiven Entwärmungsflächen zur
besseren Wärmeabgabe
an die Umgebung erreicht werden, was einen erheblichen Vorteil gegenüber Kühleinrichtungen
aus dem Stand der Technik darstellt.
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Bei
Kühleinrichtungen
aus dem Stand der Technik werden die Kühlelemente der Kühlelementeanordnung
strikt äquidistant
und parallel ausgebildet, so dass sich eine gleichmäßige oder
uniforme laterale Verteilung der Entwärmungskapazität oder des Entwärmungsvermögens des
Kühlkörpers und
der Kühlelementeanordnung über die
jeweilige laterale Ausdehnung hinweg ergibt.
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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 Anzahl von Kühlelementen und/oder gemäß einer
jeweils vorzusehenden individuellen Entwärmung der individuellen Bereiche
der Unterseite des Kühlkörpers, insbesondere
hinsichtlich der mittleren Dichte, moduliert angeordnet sind.
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Das
bedeutet zum Beispiel, dass Bereiche, bei denen das Verlustwärmeaufkommen
geringer ist, eine geringere Anzahl Kühlelemente 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 Verlustwärmeaufkommen
zu erwarten ist, werden die Kühlelemente
der Kühlelementeanordnung 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 vorgesehenen individuellen Bereich des Kühlkörpers an
der Unterseite 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
erwartenden Verlustwärmeaufkommen
angepaßt.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden somit die zuzuordnenden Anzahlen von Kühlelementen und folglich die
zuzuordnenden effektiven Entwärmungsflächen allein über die
Geometrie, d.h. also die Dichte der Kühlelemente, der Kühlelementeanordnung
realisiert. Der Kühlkörper selbst
kann zum Beispiel als Platte konstanter Dicke ausgebildet sein,
an welchem dann die Kühlelemente
der Kühlelementeanordnung
in unterschiedlicher Dichte parallel und äquidistant zueinander angeordnet
werden.
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Zusätzlich oder
alternativ kann die zuzuordnende Entwärmungsfläche auch über eine Variation der Länge der
Kühlelemente
angepaßt
werden. Dabei wird dann einem Bereich mit hohem Verlustwärmeaufkommen
ein Kühlelementebereich
zugeordnet, dessen Kühlelemente
länger
ausgelegt sind.
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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
zumindest jeweils in bezug auf ihre proximalen Enden mit den jeweiligen
Normalen auf der Unterseite des Kühlkörpers je weils einen im wesentlichen höchstens
spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner als 45°, einschließen. Besonders bevorzugt ist
dabei ein Winkel von im wesentlichen 90°, also senkrecht, auf der Unterseite
des Kühlkörpers. Durch
diese Maßnahmen
ergibt sich eine besonders dichte Packungsmöglichkeit der Kühlelemente
in der Kühlelementeanordnung,
auch wenn diese, insbesondere im Bereich der proximalen Enden, der
Kontur der Unterseite des Kühlkörpers zur
Befestigung folgen sollte.
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Im
Gegensatz zur Vorgehensweise, bei welcher die Zuordnung unterschiedlicher
effektiver Entwärmungsflächen und
somit unterschiedlicher Anzahlen von Kühlelementen der Kühlelementeanordnung
durch eine nicht-uniforme Verteilung parallel zueinander angeordneter
Kühlelemente
realisiert wird, steht die Maßnahme,
bei welcher, gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung,
jeder individuelle Bereich des Kühlkörpers, welchem
im Vergleich zu einem anderen direkt benachbarten individuellen
Bereich des Kühlkörpers eine
erhöhte
effektive Entwärmungsfläche zuzuordnen
ist, eine im Vergleich zu diesem jeweiligen benachbarten Bereich
zumindest eine im Mittel gesteigerte Dicke des Kühlkörpers vorgesehen aufweist.
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Zum
einen wird durch die zumindest im Mittel gesteigerte Dicke des individuellen
Bereichs des Kühlkörpers mit
im Vergleich zur Nachbarschaft erhöhter effektiver Entwärmungsfläche eine
größere Wärmeaufnahmekapazität dieses
Bereiches gewährleistet.
Zum anderen aber erzwingt die gesteigerte Dicke im Übergang
zur Nachbarschaft mit geringerer Dicke einen Übergangsbereich, welcher dann
folglich eine Art Rand mit einer geneigten Fläche oder Flanke bildet, welche
sich vom Bereich gesteigerter Dicke zum Bereich geringerer Dicke
hin erstreckt. Dieser Randbereich oder die Seitenflächen davon
allein bilden schon eine zusätzliche
Entwärmungsfläche, an welcher
zu deren Steigerung weitere Kühlelemente der
Kühlelementeanordnung
mit ihren proximalen Enden angeordnet und befestigt werden können.
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Dazu
ist es insbesondere vorgesehen, dass zwischen direkt benachbarten
individuellen Bereichen des Kühlkörpers mit
unterschiedlichen zuzuordnenden effektiven Entwärmungsflächen eine Übergangsflanke oder ein Flankenbereich
ausgebildet ist und dass sich der Flankenbereich vom individuellen Bereich
mit geringerer zuzuordnender effektiver Entwärmungsfläche mit einer geringeren Schichtdicke des
Kühlkörpers zum
individuellen Bereich mit größerer zuzuordnender effektiver Entwärmungsfläche mit
einer größeren Schichtdicke
des Kühlkörpers hin erstreckt.
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Dadurch
wird erreicht, dass die Flanke vom Bereich geringerer Schichtdicke
zum Bereich stärkerer
Schichtdicke kontinuierlich oder monoton ansteigt, um somit eine
Seitenflanke auszubilden, an welcher auch zusätzliche Kühlelemente anordenbar sind.
Dabei wird auf der Grundlage des unterschiedlich verteilten zu erwartenden
Verlustwärmeaufkommens
zunächst
der Kühlkörper in
individuelle Bereiche eingeteilt. Jedem individuellen 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 ausgebildet, die von der geringeren Schichtdicke
zur stärkeren
Schichtdicke führt,
und zwar im wesentlichen monoton.
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Vorteilhafterweise
ist der Flankenbereich dabei im wesentlichen in dem Bereich mit
größerer zuzuordnender
effektiver Entwärmungsfläche, also
im Bereich mit größerer mittlerer
Schichtdicke, ausgebildet. Dies hat Vorteile bei der Anordnung der
zusätzlich
vorzusehenden Kühlelemente
im Flankenbereich.
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Zwar
können
die Flankenbereiche auch stufenförmig
ausgebildet sein, was einen besonders einfachen Produktionsprozeß des Kühlkörpers und
der daran anzuordnenden Kühlelemente
ermöglicht. Dennoch
wird vorzugsweise das Profil der Unterseite des Kühlkörpers – und somit
der Verlauf der Dicke des Kühlkörpers – insbesondere
am Übergang
bzw. Flankenbereich zwischen den individuellen Bereichen des Kühlkörpers im
wesentlichen kontinuierlich verlaufend ausgebildet.
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Zur
besonders effektiven Kühlung
und Abgabe der Verlustwärme
an die Umgebung können
die Kühlelemente
der Kühlelementeanordnung
unterschiedliche Formen aufweisen, insbesondere als Kühlrippen,
Kühlbleche,
Kühlflächen, Kühlstäbe, Kühlfinger
und/oder dergleichen ausgebildet sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der
Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
näher erläutert. In
dieser ist
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1 eine
geschnittene Seitenansicht einer Kühleinrichtung,
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2 eine
geschnittene Seitenansicht einer anderen Kühleinrichtung,
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3A,
B geschnittene Seitenansichten von Flankenbereichen zweier Kühleinrichtungen,
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4A,
B Ansichten von unten zweier Kühleinrichtungen,
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5 eine
geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
und
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6 eine
geschnittene Seitenansicht einer bekannten Kühleinrichtung für eine Schaltungsanordnung.
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In 6 ist
in einer geschnittenen Seitenansicht eine bekannte Kühleinrichtung 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 thermischen Kontaktierung des Kühlkörpers 40 an
einer Schaltungsanordnung, die in 6 nicht
dargestellt ist. Die über
die mechanische und thermische Kontaktierung aufgenommene Wärme wird
dann über
eine Kühlelementeanordnung 43 mit
Kühlelementen 44,
welche an der Unterseite 42b des Kühlkörpers 42 ausgebildet
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 proximales
Ende 44b auf.
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Die
Kühlelemente 44 der
Kühleinrichtung 40 aus
dem Stand der Technik sind hier mit gleicher Länge und parallel und äquidistant
zueinander beabstandet. Entsprechend besitzt die Kühleinrichtung 40 aus dem
Stand der Technik ein über
seine laterale Ausdehnung sich erstreckende uniforme oder gleichmäßige Entwärmungskapazität oder ein
entsprechend uniformes Entwärmungsvermögen.
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Im
Gegensatz zu diesem Stand der Technik besitzt die in geschnittener
Seitenansicht dargestellte Kühleinrichtung 10 gemäß 1 einen
Kühlkörper 2, welcher über seine
laterale Ausdehnung hinweg eine variierende Schichtdicke aufweist.
Der Kühlkörper 2 ist
in der 1 in drei Bereiche 5-1, 5-2 und 5-3 unterteilt,
denen fiktiv unterschiedliche Verlustwärmeaufkommen im Betrieb unterstellt
werden.
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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
genau 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 angebracht, die in 1 nicht
gezeigt ist.
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Auf
der Unterseite 2b ist die Kühlelementeanordnung 3 ausgebildet,
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.
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Die
distalen Enden 4a der Kühlelemente 4 der
Kühlelementeanordnung 3 sind
parallel zueinander und äquidistant
beabstandet. Die proximalen Enden 4b der Kühlelemente 4 stehen
jeweils 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
Kühlelemente 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 individuellen Bereichen 5-1 bzw. 5-3 des
Kühlkörpers 2 zugeordnet
sind, strikt linear, parallel und äquidistant zueinander.
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Bei
der Kühleinrichtung 10 der 1 kann der
zentrale individuelle Bereiche 5-2 des Kühlkörpers 2 stärker entwärmt werden,
um ein höheres
Verlustwärmeaufkommen
an die Umgebung abzuführen. Dies
wird trotz im wesentlichen uniformer Verteilung 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 Kühlelemente 4 realisiert.
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Im
Gegensatz dazu wird die dem zentralen Bereich 5-2 zuzuordnende
höhere
Anzahl von Kühlelementen 4 bei
der Kühleinrichtung 10 der 2 dadurch
realisiert, dass die laterale Verteilung 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
Kühlkörpers 2 zugeordneten
Kühlelementebereichen 9-1 und 9-3 zueinander
einen konstanten Abstand A1 aufweisen, liegen die Kühlelemente 4 im zentralen
Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 weitaus
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 ergibt.
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Bei
der Kühleinrichtung 10 der 2 wird
somit die erhöhte
effektive Entwärmungsfläche allein durch
die Geometrie der Kühlelementeanordnung 3 realisiert,
wobei der Kühlkörper 2 als
massive Platte mit konstanter Dicke D1 ausgebildet ist.
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In
den 3A und 3B werden
Details des Übergangsbereichs
und insbesondere des Flankenbereichs 6 zwischen zwei individuellen
und direkt benachbarten Bereichen 5-1 und 5-2 des
Kühlkörpers 2
im Hinblick auf die an dessen Unterseite 2b angeordneten
Kühlelemente 4 der
Kühlelementeanordnung 3 dargestellt.
Dort ist jeweils das Profil oder die Kontur 8 des Verlaufs
der Dicke des Kühlkörpers 2 dargestellt.
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Die
durchgezogene Kontur 8 macht im Grenzbereich zwischen den
individuellen Bereichen 5-1 und 5-2 auf der Seite
des Bereiches 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 senkrecht
auf der Oberfläche 2b stehen.
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Der
Kantenbereich 6 kann auch im Bereich des anderen individuellen
Bereichs 5-1 des Kühlkörpers 2 ausgebildet
sein, wie das durch die gestrichelte Kontur 8' angedeutet
ist.
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In
der 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 3A gezeigten und dort beschriebenen.
Wiederum gestrichelt als Kontur 8' sind die Verhältnisse angedeutet, bei welchem
der Kantenbereich 6 im Bereich des anderen individuellen
Bereichs 5-1 des Kühlkörpers 2 liegt.
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Die 4A und 4B zeigen
Ansichten von unten zweier verschiedener Kühlelementeanordnungen 3,
welche als solche bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung zusätzlich Verwendung
finden können.
Die Kühlelemente 4 der
Anordnung der 4A sind in Form von parallel
zueinander ausgebildeten Blechen geformt. Dagegen bilden die Kühlelemente 4 der
Kühlelementeanordnung 3 der
Anordnung der 4B Kühlstäbe oder Kühlfinger von im wesentlichen
gleicher Stärke,
welche in unterschiedlicher Dichte, nämlich vom Randbereich zum Zentrum
hin zunehmend, angeordnet sind.
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Die 5 zeigt
in einer ebenfalls geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 10,
bei welcher darüber
hinaus auch die Schaltungsanordnung 1 mit einem entsprechenden
Substrat 11, zum Beispiel einem DCB-Substrat, dargestellt
ist. Die Schaltungsanordnung 1 im Ausführungsbeispiel der 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.
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Die
Unterseite 2b des Kühlkörpers 2 weist eine
im Wesentlichen 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 individuelle Bereich 5-2 eine im Mittel
stärkere
Dicke aufweist, als die Randbereiche 5-1 und 5-3 des
Kühlkörpers 2.
Das Dickeprofil oder die Kontur 8 ist in ihrem lateralen
Verlauf spiegelsymmetrisch zu einer in der Mitte gelegenen Spiegelebene
X.
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Die
größte Dicke
weist der zentrale Bereich 5-2 des Kühlkörpers 2 exakt in seiner
Mitte auf, mit zu den benachbarten Bereichen 5-1 und 5-3 hin
abfallenden Flankenbereichen 6. Die Kühlelementeanordnung 3 ist
an der Unterseite 2b des Kühlkörpers 2 mit ihren
Kühlelementen 4 derart
ausgebildet, dass aufgrund der Anordnung der proximalen Enden 4b der Kühlelemente 4 auf
der Unterseite 2b des Kühlkörpers 2 eine
verhältnismäßig 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
Kühlelemente 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 Verhältnis höhere effektive
Entwärmungsfläche und
somit auch eine höhere
Entwärmungsmöglichkeit
in diesem zentralen Bereich 5-2.
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Dieser
höheren
Entwärmungskapazität für den Bereich 5-2 steht
eine zuzügliche
thermische Entkoppelung der direkt benachbarten 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 Wärmeleitung
und damit des direkten Wärmeübergangs
zwischen den benachbarten individuellen Bereichen unterbunden, so dass
aus den einzelnen individuellen Bereichen 5-1, 5-2 und 5-3 jeweils
im wesentlichen nur die aufgrund der darüber angeordneten Halbleitermodule 12-1, 12-2 und 12-3 erzeugten
und abgegebenen Verlustleistungen oder Verlustwärmen abgeführt werden müssen.
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Aufgrund
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
optimierten Kühlkonzepts
wird eine effizientere Entwärmung
von hochkomplexen Modulsystemen erreichbar. Dies ist insbesondere
im Hinblick auf die zunehmende Integrationsdichte mit immer höheren Verlustleistungsdichten
von besonderer Bedeutung.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Kühlkörper
- 2a
- Oberseite
Kühlkörper
- 2b
- Unterseite
Kühlkörper
- 3
- Kühlelementeanordnung
- 4
- Kühlelement
- 4a
- distales
Ende Kühlelement
- 4b
- 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
- 42a
- Oberseite
Kühlkörper
- 42b
- Unterseite
Kühlkörper
- 43
- Kühlelementeanordnung
- 44
- Kühlelement
- 44a
- distales
Ende Kühlelement
- 44b
- proximales
Ende Kühlelement
- 45-1
- individueller
Bereich
- 45-2
- individueller
Bereich
- 45-3
- individueller
Bereich
- D1,
D2
- Dicke
- A1,
A2
- Abstand
- X
- Spiegelebene