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Die
Erfindung betrifft einen Kühlkörper und insbesondere
einen Kühlkörper für elektronische Schaltungen
und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
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Zur
Entwärmung elektronischer Schaltungen werden häufig
Kühlkörper eingesetzt. Aufgabe eines Kühlkörpers
ist die Verbesserung der Wärmeabgabe durch Vergrößerung
der Oberfläche. Dabei kann die Wärmeabgabe sowohl über
Konvektion – an ein flüssiges oder gasförmiges
Kühlmedium – als auch durch Strahlung erfolgen.
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Zur
Entwärmung elektronischer Baugruppen werden metallische
Kühlkörper, meist aus Aluminium oder Kupfer, eingesetzt.
An diese Kühlkörper werden die Verlustleistung-erzeugenden
Bauelemente thermisch angekoppelt. Sind mehrere Bauelemente zu kühlen,
so müssen diese – aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit
des Kühlkörpers – elektrisch voneinander
isoliert aber zum Kühlkörper thermisch gut leitfähig
montiert werden. So werden dazu Isolationsfolien, Glimmerscheiben,
Keramik-Plättchen usw. zwischen die zu kühlenden
Bauelemente und dem Kühlkörper montiert. Befestigungsverfahren
für Bauelemente auf Kühlkörper sind das
Verschrauben, Verklammern oder Verkleben.
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Ferner
können einzelne metallische Formteile, wie Kühlbleche
oder Kühlsterne, auf Leiterplatten bestückt werden – ebenso
wie bereits mit Kühlstrukturen versehene Bauelemente. Hier
sollen dabei alle zu kühlenden elektronischen Bauelemente,
die nicht auf einem gemeinsamen elektrischen Potenzial liegen, ein
eigenes Kühlelement erhalten. Dies führt zu einem
erheblichen Bestückungsaufwand. Außerdem ist die
zuverlässige Positionierung und mechanische Fixierung vor
dem Lötprozess aufwendig. Ausgedehnte metallische Kühl körper
haben zudem aufgrund ihrer großen Wärmekapazität
negative Einflüsse auf den Lötprozess.
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Eine
Entwärmung elektronischer Bauelemente ist auch durch eine
Leiterplatte hindurch möglich. Zur Reduzierung des Wärmewiderstands
durch die Leiterplatte kann man Felder von Durchkontaktierungen
(thermal vias) einsetzen. Auf der Rückseite der Leiterplatte
können einzelne Kühlelemente angebracht sein,
die Leiterplatte kann aber auch flächig auf ein Kühlelement
(z. B. ein metallisches Gehäuseteil) montiert sein. Eine
Verbindung mit brauchbarer Wärmeleitfähigkeit
erfolgt durch Kleben (Kleber, Klebefolie), Löten oder Anpressen.
Weist die Leiterplatte auf der Rückseite mehrere Kupferflächen
mit unterschiedlichem elektrischen Potenzial auf oder ist – z. B.
aus Sicherheitsgründen – eine elektrische Isolation
des Kohlkörpers von der Elektronik erforderlich, so ist
das Einfügen einer elektrischen Isolationsschicht (z. B.
Isolationsfolie, Keramikplättchen) unumgänglich.
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Das
US-Patent 5,973,923 beschreibt
eine Anordnung bei der eine Leiterplatte flächig auf einem Kühlkörper
montiert ist. Um Kurzschlüsse zu vermeiden ist eine elektrisch
isolierende und thermisch gut leitfähige Schicht zwischen
Leiterplatte und Kühlkörper vorgesehen.
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DE 103 52 711 A1 beschreibt
eine Anordnung bestehend aus einer Leiterplatte und einem Metallschaumteil,
wobei die Leiterplatte über eine Verbindungsschicht (z.
B. Kleberschicht) mit dem als Kühlelement fungierenden
Metallschaumteil verbunden ist.
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Die
Anbringung einzelner Kühlelemente oder die flächige
Montage von Leiterplatten auf Kühlelementen durch Kleben
oder Klemmen ist nicht kompatibel zu den üblichen Montageprozessen
einer Elektronikfertigung und fordert daher zusätzliche,
meist manuelle und damit teuere Montageschritte. Darüber hinaus
führt das großflächige Verkleben von
Leiter platte und Kühlkörper aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Materialien zu erheblichen thermomechanischen
Spannungen. Diese können zu einer Delamination der Klebeverbindung
bzw. der Leiterplatte führen. Daher ist die Temperaturwechselfestigkeit
einer derartigen Anordnung sehr begrenzt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen günstig
herstellbaren und einfach verarbeitbaren Kühlkörper
sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kühlkörpers
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kühlkörper nach Patentanspruch
1 oder ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers
nach Patentanspruch 25 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der elektrisch
isolierte Grundkörper des Kühlkörpers
es ermöglicht, einen Kühlkörper einfach
und effizient zu verarbeiten. Der Grundkörper kann nämlich
keinen Kurzschluss mit dem metallischen Formteil erzeugen, selbst
wenn er an leitfähige Bereiche angrenzt, die auf unterschiedlichen
Potentialen liegen. Der Grundkörper ist aus einem elektrisch isolierenden
Material ausgebildet oder alternativ zumindest teilweise leitfähig,
aber von dem metallischen Formteil elektrisch isoliert. Die Kühlwirkung und
die Wärmetransport-Wirkung sind von einer elektrischen
Leitfähigkeit des Kühlkörpers entkoppelt.
Diese Entkopplung wird dadurch erreicht, dass ein separates metallisches
Formteil vorgesehen wird, das einen Befestigungsabschnitt, der ausgebildet
ist, um an oder bei einer Wärmequelle befestigt zu werden,
und einen Wärmetransport-Abschnitt aufweist, der an dem
Befestigungsabschnitt angrenzt.
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Zumindest
der Wärmetransportabschnitt ist mit dem Grundkörper
mechanisch verbunden. Damit hat der erfindungsgemäße
Kühlkörper aufgrund seiner 2-Komponenten-Bauweise
eine Entkopplung der Funktionalitäten der Befestigung und
des Wär metransports einerseits sowie der Wärmeverbreitung über
eine große Oberfläche andererseits, die nunmehr
keine Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses über den
Kühlkörper mehr mit sich bringt.
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Darüber
hinaus ist der erfindungsgemäße Kühlkörper
aufgrund des metallischen Befestigungsabschnitts in einen üblichen
Platinenbestückungsprozess einfach implementierbar, da
auch übliche elektronische Bauelemente metallische Befestigungsabschnitte
aufweisen, für die es diverse Befestigungstechnologien,
wie z. B. verschiedene Lötverfahren gibt. Darüber
hinaus hat der metallische Befestigungsabschnitt den Vorteil einer
guten Wärmeleitfähigkeit. Daher wird eine abzuleitende
Wärme von dem metallischen Befestigungsabschnitt gut aufgenommen
und über den Wärmetransport-Abschnitt in den Kühlkörper
bzw. in den Grundkörper aus elektrisch isolierendem Material
hinein transportiert. Dadurch, dass der Wärmetransport-Abschnitt
mit dem Grundkörper mechanisch verbunden ist, wird sichergestellt,
dass von dem Wärmetransport-Abschnitt die abzuleitende
Wärme auf den Grundkörper aus elektrisch isolierendem
Material übertragen wird. Der Grundkörper aus
elektrisch isolierendem Material erreicht dann eine Wärmeabgabe
an die Umgebung, ohne dass gleichzeitig durch diesen Grundkörper Kurzschlüsse
erzeugt werden.
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Zur
Herstellung des Kühlkörpers werden vorteilhaft
der Grundkörper aus elektrisch isolierendem Material und
das metallische Formteil in einem Spritzgussprozess miteinander
verbunden. Je nach Anwendung und Implementierung, beispielsweise
für eine Kühlung von mehreren Bauelementen mittels
eines Kühlkörpers können die unterschiedlichen
Kühlfunktionalitäten für die verschiedenen
Bauelemente individuell eingestellt werden, da Fläche und
Form der Formteile bauteilspezifisch optimiert werden können.
Damit wird ein Kühlkörper erhalten, durch den mehrere
Bauelemente gleichzeitig gekühlt werden können,
der jedoch für jedes Bauteil ein abgestimmtes Kühlverhalten
hat. Damit wird sicherge stellt, dass Bauteile, die mehr Kühlung
benötigen, auch mehr Kühlung erhalten, während
Bauteile, die nur weniger Kühlung haben dürfen
oder benötigen, auch weniger Kühlung erhalten.
In diesem Fall wäre z. B. die Fläche des metallischen
Formteils, das in ein und demselben Grundkörper enthalten
ist, für das mehr zu kühlende Bauteil größer
als für das weniger zu kühlende Bauteil.
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Der
Befestigungsabschnitt erlaubt es, den Kühlkörper
direkt auf einem zu kühlenden Bauelement oder in unmittelbarer
Nachbarschaft, beispielsweise auf einer metallischen Leiterbahn,
die zu einem Bauelement, das zu kühlen ist, führt,
anzubringen. Die bevorzugte Art und Weise des Anbringens besteht
im Anlöten. Obgleich der Kühlkörper in
diesem Fall nicht direkt auf dem zu kühlenden Bauelement
befestigt wird, sondern in einer näheren Umgebung auf einer
metallischen Leiterbahn, die ein guter Wärmeleiter ist,
kann dennoch nahezu die selbe Wärmeleitung erreicht werden,
wie wenn der Kühlkörper direkt auf das zu kühlende
Bauelement aufgebracht wird. Ein großer Vorteil der Anbringung
des Kühlkörpers mittels eines Befestigungsabschnitts
an der Leiterbahn besteht jedoch darin, dass dieses Anbringen mit üblichen
Platinenbestückungsverfahren und Platinenbestückungsmaschinen
kompatibel ist.
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Der
erfindungsgemäße Kühlkörper
ist daher kostengünstig herstellbar und eignet sich besonders zum
Kühlen von elektronischen Schaltungen oder Baugruppen.
Ferner ermöglicht es der erfindungsgemäße
Kühlkörper mehrere auf unterschiedlichen elektrischen
Potentialen liegende Bauelemente zugleich zu entwärmen,
wobei für jeden Kühlpfad eine individuelle Anpassung
des Wärmewiderstands einstellbar ist. Darüber
hinaus hat der erfindungsgemäße Kühlkörper
die volle Kompatibilität zu den üblichen Prozessen
der Elektronikfertigung.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Ansicht von unten sowie eine Seitenansicht eines Kühlkörpers
mit drei metallischen Formteilen;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Platine mit zwei zu kühlenden
Bauelementen und einem Kühlkörper im nicht-zusammengesetzten
Zustand;
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3 eine
Darstellung der Komponenten von 2 im zusammengesetzten
Zustand;
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4 eine
Ansicht von unten sowie eine Ansicht im montierten Zustand eines
alternativen Kühlkörpers;
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5 eine
Integration eines Kühlkörpers mit einer beliebigen
Form in einem Gehäuse;
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6 eine
weitere Darstellung eines alternativen Kühlkörpers
mit einem metallischen Formteil mit einem abgewinkelten Befestigungsabschnitt;
und
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7 eine
weitere Darstellung eines alternativen Kühlkörpers
mit metallischem Formteil, das mit Ausbrüchen zur Vermeidung
einer Delamination von metallischem Formteil und dem Grundkörper
dient.
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Ein
erfindungsgemäßes Kühlelement besteht
beispielsweise aus einem isolierenden Material, bevorzugt ein Kunststoff,
und enthält mindestens ein metallisches Formteil, das der
Wärmeeinleitung und der Wärmespreizung dient.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kunststoff
mit Stoffen zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit
gefüllt. Geeignete Füllstoffe sind beispielsweise
keramische Pulver (BN, Al2O3,
AIN, etc.) aber auch metallische Pulver bzw. Flakes sowie Graphit.
Bei Verwendung elektrisch leitfähiger Füllstoffe
liegt der Füllgrad vorteilhaft unterhalb der Perkolationsschwelle,
um die elektrischen Isolationseigenschaften des Kunststoffes zu
erhalten. Die Verwendung von Kunststoffen reduziert erheblich das
Gewicht und die Wärmekapazität gegenüber
einem metallischen Kühlkörper. Die geringere Wärmekapazität
führt zu weniger Problemen beim Lötprozess.
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1 zeigt
eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kühlelements, wobei das Kühlelement aus einem
elektrisch isolierenden Material besteht und mindestens eine lötfähige
Fläche aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Kühlelement aus einem Kunststoff hergestellt und enthält
mindestens ein metallisches Formteil, das der Wärmeeinleitung
und der Wärmespreizung dient.
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Der
Kühlkörper bzw. das Kühlelement umfasst
einen Grundkörper 1 beispielsweise aus einem elektrisch
isolierenden Material (Keramik, Kunststoff), der mit beliebigen
Strukturen 4 zur Vergrößerung der wärmeabgebenden
Oberfläche versehen sein kann. Vorteilhaft besteht der
Grundkörper aus einem mit thermisch leitfähigem
Material gefüllten Kunststoff. In den Grundkörper 1 eingespritzt
ist mindestens ein metallisches Formteil 2), wobei jedes Formteil
eine Ausformung bzw. Lasche 3 aufweist, die aus dem Kunststoffkörper
herausragt. Die Formteile 2 sind vorteilhaft aus 0.2...1,5
mm starkem Kupferblech hergestellte Stanz-/Biegeteile. In einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform sind alle Formteile
gemeinsam aus einem Blechband gestanzt (Lead-Frame-Technik) und
werden über geeignete Haltestege für den Kunststoffspritzgießprozess
in Position gehalten. Nach dem Umspritzen und Entfernen der Haltestege
sind die einzelnen Formteile 2 elektrisch voneinander isoliert.
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Die
metallischen Formteile 2 wirken aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit
wie Wärmespreizer und sorgen damit für eine großflächige
Wärmeeinkopplung in den Kunststoffkörper 1.
Durch Anpassung der Flächen der Formteile 2 kann
der Wärmewiderstand für jedes Formteil individuell
optimiert werden. Laschen 3 mit hoher Wärmeeinkopplung
erhalten entsprechend größere Fläche 2 im
Inneren des Körpers, und nutzen damit einen entsprechend größeren
Anteil der wärmeabgebenden Oberfläche des Kühlelements.
Durch die Wärmespreizwirkung der Metallfläche
im Inneren des Kunststoffkörpers reduziert sich die Wärmeflussdichte
erheblich. In Verbindung mit thermisch leitfähig gefüllten
Kunststoffen (spez. Wärmeleitfähigkeit 2...10
W/mK) ermöglicht dies Wärmewiderstände,
die – bei Kühlung durch natürliche Konvektion – denen
klassischer Aluminium-Kühlkörper entsprechen.
Bei ausreichend niedrigen Verlustleistungen kann sogar ganz auf
speziell gefüllte Kunststoffe verzichtet werden.
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2 zeigt
die Anwendung eines erfindungsgemäßen Kühlelements.
Auf einer Leiterplatte 10 befinden sich mehrere verlustleistungs-erzeugende
Bauelemente 11 auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen.
Die Bauelemente werden über entsprechende Leiterbahnen 12 kontaktiert.
Die Laschen 3 des Kühlelements 1 enden
in einer Ebene und sind vorteilhaft so positioniert, dass sie unmittelbar
neben den zu erwärmenden Bauelementen auf der Leiterplatte
aufsetzen. Ein so gestaltetes erfindungsgemäßes
Kühlelement kann wie ein SMD-Bauteil auf die Leiterplatte
bestückt werden und in einem gemeinsamen Lötprozess
zusammen mit den anderen Bauelementen verlötet werden (s. 3).
Bei Kühlelementen 1 für das Wellenlöten
sind – wie in 4 dargestellt – an
die Laschen 3 vorteilhaft Stifte angeformt, die – wie
bei einem konventionellen bedrahteten Bauelement – in Durchkontaktierungen (Vias)
auf der Leiterplatte greifen, und auf der Rückseite der
Leiterplatte verlötet werden.
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Erfindungsgemäße
Kühlelemente 1 für z. B. Wellen-, Reflow-
oder Dampfphasenlötung bestehen aus einem für
die Löttemperaturen geeigneten Kunststoff wie z. B. PPS,
LCP oder nachträglich strahlenvernetzte technische Thermoplasten
wie PA oder PBT. Erfindungsgemäße Kühlelemente 1 für Reflow-
oder Dampfphasenlötung weisen vorteilhaft plane Laschenenden
auf, die entweder stumpf oder mit einer kleinen Abkantung (z. B.
gull-wing) auf der Leiterplatte stehen.
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Ein
erfindungsgemäßes Kühlelement erspart gegenüber
dem Stand der Technik jeglichen zusätzlichen Montageaufwand
in Form von Kleben, Schrauben oder Klemmen und erlaubt den völligen
Verzicht auf zusätzliche Isolationsmaterialien wie Folien, Glimmerscheiben,
Isolierbuchsen, etc. Auch eine größere Anzahl
an Bauelementen auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen kann
mit nur einem einzigen Kühlelement entwärmt werden.
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Durch
die mechanische Nachgiebigkeit der Laschen 3 führen
die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte
und Kühlelement zu keiner Beeinträchtigung der
Temperaturwechselfestigkeit, so wie dies bei einer nach dem Stand
der Technik direkt auf einen Kühlkörper auflaminierten
Leiterplatte der Fall ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (s. 5)
ist das Kühlelement Teil eines Kunststoffgehäuses,
z. B. des Gehäuses eines Flachbildschirms oder eines Notebook-Netzadapters.
Ein erfindungsgemäßes Kunststoffgehäuse 16 weist
z. B. eingespritzte blechartige metallische Formteile 2 auf, die
an entsprechenden Stellen mit Laschen 3 in das Innere des
Gehäuses ragen. Vorteilhaft sind die Laschen mit stiftartigen
Enden 15 versehen, auf die die zu entwärmende
Leiterplatte 10 aufgesteckt werden kann. Die Laschen sind
vorteilhaft sehr nahe zu den Verlustleistung-erzeugenden Bauelementen 11 angeordnet.
Das Verlöten von Leiterplatte 10 und Laschen 3, 15 erfolgt
vorteilhaft in einem Wellenlötprozess.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Kühlelement
Teil eines Kunststoffgehäuses und mit zusätzlichen
Halterungen, z. B. Rastnasen, ausgestattet. Mittels der Halterungen
kann das bereits mit der Leiterplatte ver bundene Kühlelement dann
einfach in das Gehäuse eingesetzt werden. So ist es möglich,
eine besonders einfache Platzierung und Halterung von Kühlelement
und Leiterplatte zu realisieren. In diesem Fall kann das Gehäuse
im Vergleich zum Kühlkörper groß und
beliebig geformt sein. Wird für Kühlelement und
Gerätegehäuse z. B. der gleiche Kunststoff verwendet,
kann die Geräteelektronik (Leiterplatte) praktisch an beliebigen
Stellen im Gehäuse platziert werden, ohne Nachteile im
Design des Gesamtgerätes hinnehmen zu müssen.
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Auch
Gehäuse mit komplexen Freiformflächen, die aus
Gründen des Designs und/oder der Ergonomie immer häufiger
zu finden sind, stellen – im Gegensatz zum Stand der Technik – kein
Problem dar. Ein als erfindungsgemäßes Kühlelement
realisiertes Gehäuse 16 ermöglicht es
durch einfache Anpassung der Laschenlängen auch plane Schaltungsträger
sehr einfach und effektiv zu entwärmen. Nach dem Stand
der Technik wären komplex geformte Kühlkörperkonturen überhaupt
nur mit sehr teueren und für Leistungselektronik ungeeigneten
Technologien wie Flex-Leiterplatten oder 3D-MID möglich. Auch
werden nach dem Stand der Technik thermisch leitfähig gefüllte
Schaumstoffe als sogenannte „Gap-Filler" zur Entwärmung
zwischen unregelmäßig geformten Konturen eingesetzt.
Diese Gap-Filler sind nicht nur teuer, das Einlegen erfordert zusätzliche Montageschritte,
und die thermischen Eigenschaften sind deutlich schlechter als die
der erfindungsgemäßen Lösung.
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Montagevariante
gemäß 6: Kleben der Leiterplatte auf
die als Auflageflächen geformten Enden der Laschen 3.
Kleber 17 ist vorteilhaft thermisch leitfähig
gefüllt. Ein erfindungsgemäßes Kühlelement kann
auf beliebigen Seiten aus dem Grundkörper austretende Metalllaschen
aufweisen. Insbesondere sind seitlich 18 austretende, d. h. in der
Ebene des Inlays 2 liegende Laschen 3 möglich,
eine Konstruktion, die aus einem Lead-Frame-Band im Spritzgießprozess
besonders einfach herzustellen ist.
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Da
Kunststoffe keine bzw. nur eine sehr geringe Haftung an Metalloberflächen
aufweisen, kann es insbesondere bei einer Temperatur-Wechsel-Belastung,
aufgrund der hierdurch auftretenden thermomechanischen Beanspruchung
an der Grenzfläche Kunststoff-Metall, infolge unterschiedlicher
Ausdehnungskoeffizienten, zu einem Ablösen des Kunststoffes
vom Metall kommen. Dies würde den Wärmeübergang
von Metall zum Kunststoff wesentlich verschlechtern. Ein erfindungsgemäßes
Kühlelement kann deshalb zur Verbesserung der Haftung zwischen
Metall-Kunststoffelement in einer ersten Ausführungsform
mit einer mechanischen Verklammerung zur Erhöhung der Anbindung
versehen werden. Dies kann z. B. durch gezielt eingebrachte Durchbrüche 70 im
metallischen Formteil 2 erreicht werden (siehe 7).
Die Durchbrüche 70 sind kreisrund oder haben eine
andere From und erstrecken sich vorzugsweise durch das ganze Formteil
hindurch. In einer zweiten Ausführungsform kann zur Erhöhung der
Anbindung eine zusätzliche Haftvermittlerschicht (z. B.
mittels Ultramid 1C) auf dem metallischen Formteil 2 aufgebracht
werden.
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Da
eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit bei
vielen Füllstoffen mit einer Erhöhung der elektrischen
Leitfähigkeit einher geht (z. B. bei Graphit), kann der
Kühlkörper auch mittels eines mehrschichtigen
Aufbaus realisiert werden. Ein erfindungsgemäßes
Kühlelement kann deshalb z. B. durch einen zweischichtigen
Aufbau realisiert werden. Dieser besteht dann aus einer vorteilhaft
dünnen nicht gefüllten (und damit nicht leitenden) Schicht,
die sich zwischen dem metallischen Formteil und einer zweiten gefüllten
Schicht befindet, die den restlichen Kühlkörper
bildet.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper
leitfähig, aber elektrisch isoliert von dem Formteil. In
einer ersten Ausführungsform kann dieser mehrschichtige
Kühlkörper durch eine dünne elektrisch
isolierende Folie realisiert werden, die im Spritzgießprozess
parallel zum Stanzgitter eingelegt wird und mit umspritzt wird.
In einer zweiten Ausführungsform könnte dieser
in einem Sandwich- Spritzgießprozess, d. h. einem Schichtaufbau
mit Haut-Kern-Haut-Struktur hergestellt werden. In diesem Fall würde
der Kern aus einem gefüllten Kunststoff bestehen, die Haut
aber aus einem nicht gefüllten Kunststoff. Alternativ kann
das Formteil auch vor dem Gießen z. B. in Polyimid, welches
ein hochwertiger Isolator ist, eingetaucht werden, so dass sich
auf dem Formteil eine isolierende durchgehende Schicht ergibt. Dann
kann der Grundkörper, der vorzugsweise aus Kunststoff ist,
leitfähig sein. Dies kann durch ein Kunststofffüllung
erreicht werden, die leitfähige Partikel hat. Typischerweise
wird mit mehr leitfähigen Partikeln die elektrische Leitfähigkeit
besser, aber auch die Wärmeleitfähigkeit.
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Wie
es in den Figuren gezeigt ist, umfasst der Grundkörper 1 einen
lamellenförmige Wärmedissipationsstruktur. Diese
Wärmedissipationsstruktur ist mit dem Wärmetransport-Abschnitt 2 gekoppelt, wobei
der Wärmetransport-Abschnitt 2 zusammen mit der
Lasche 3 bzw. dem Befestigungsabschnitt 3 zusammen
das metallische Formteil darstellt. Durch die thermische Kopplung
des Wärmetransport-Abschnitts 2 wird die Wärme
an die Wärmedissipationsstruktur 4 abgegeben,
wie es z. B. in 1 ersichtlich ist. Ferner ist
in 1 gezeigt, dass ein Grundkörper nicht
nur zwei, sondern drei oder prinzipiell auch mehr Formteile 2, 3 haben
kann, wobei die Formteile untereinander elektrisch isoliert sind.
Dies ist durch die gestrichelten Linien in 2 ersichtlich
und ermöglicht, dass die Befestigungsabschnitte 3 der
einzelnen Formteile ohne Weiteres auf nicht-isolierte Abschnitte
einer Schaltung mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen aufgebracht
werden können, wie beispielsweise auf Leiterbahnen in der
Nähe von Schaltungen. Je nach Implementierung kann der erfindungsgemäße
Kühlkörper auch direkt auf eine Schaltung aufgebracht
werden. Es existiert jedoch die in vielen Anwendungen vorteilhafte
Möglichkeit, den Befestigungsabschnitt 3 auf einen
Leiter in der Nähe der zu kühlenden Schaltung
anzulöten. Hier wird es bevor zugt, relativ nahe an der
Schaltung zu bleiben, wie es in 3 ersichtlich
ist.
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Bei
besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Abstand
zwischen dem Befestigungsabschnitt und der zu kühlenden
elektrischen Schaltung kleiner als 2 cm und insbesondere bevorzugter Weise
kleiner als 5 mm.
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Ferner
wird es bevorzugt, den Befestigungsabschnitt als federnde Lasche
auszuführen. Eine federnde Lasche kann in der Form eines
Streifens oder auch in einer anderen federnden Form ausgebildet werden,
um eine unterschiedliche Wärmeausdehnungsfähigkeit
des Grundkörpers einerseits und der Schaltungsplatine andererseits
ohne Schaden berücksichtigen zu können.
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Bezüglich
der Dimensionierung des Wärmetransport-Abschnitts 2 wird
eine flache Form bevorzugt. Ferner wird es bevorzugt, dass die Fläche
eines Wärmetransport-Abschnitts wenigstens fünfmal
so groß wie die Fläche der Wärmequelle
auf dem Schaltungsträger ist, auf oder in dessen Nähe
der Befestigungsabschnitt befestigbar ist. Typischerweise wird, wie
es z. B. in 1 zu sehen ist, eine möglichst
große Fläche des Basiskörpers von dem
Wärmetransport-Abschnitt 2 eingenommen, wobei
jedoch unterschiedliche Wärmetransport-Abschnitte für
unterschiedliche Befestigungsabschnitte voneinander elektrisch isoliert
sind.
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Insbesondere
bei den in 4 und 5 gezeigten
Ausführungsbeispielen hat der Wärmetransport-Abschnitt
zusätzlich zu einer Lasche oder anstatt einer Lasche mehrere
Stifte, die ausgebildet sind, um in Durchgangslöcher einer
Platine eingefügt zu werden, auf der die Wärmequelle
angeordnet ist. Ferner wird es bevorzugt, den Befestigungsabschnitt lötbar
auszubilden, also mit einer Oberfläche zu versehen, die
eine hydrophile Oberflächeneigenschaft für das
beabsichtigte Lötmaterial aufweist.
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Bezüglich
der Herstellung des Kühlkörpers wird es bevorzugt,
das metallische Formteil zunächst herzustellen und dann
an einem Grundkörper aus einem elektrisch isolierendem
Material zu befestigen, wobei das Herstellen des Grundkörpers
und das Befestigen des metallischen Formteils in einem Arbeitsschritt
ausgeführt werden kann, nämlich dann, wenn das
metallische Formteil durch Kunststoff-Spritzguss-Verfahren umspritzt
wird oder z. B. mit einem Duroplasten vergossen wird. Alternativ
kann das metallische Formteil jedoch separat an einem Grundkörper
befestigt werden, nachdem der Grundkörper hergestellt worden
ist, beispielsweise durch Kleben oder durch Einschrauben etc. Das
metallische Formteil wird vorzugsweise durch Stanzen und Biegen
hergestellt, und zwar mittels Prozessschritten, wie sie für die
Verarbeitung von Lead-Frames bekannt sind. Für die individuelle
Optimierung der Wärmeableitungscharakteristik eines Kühlkörpers,
der mehrere Wärmequellen zu kühlen hat, wird es
bevorzugt, zunächst eine Wärmeableitcharakteristik
für jede Wärmequelle einer Mehrzahl von Wärmequellen
vorzugeben. Hierauf wird eine Fläche pro Formteil individuell
optimiert, um für jede Wärmequelle die vorgegebene
Wärmeableitcharakteristik zu schaffen. Hierauf werden die
Formteile aufgrund der Ergebnisse des Schritts des Optimierens hergestellt
und alle gemeinsam an einem Basiskörper befestigt, beispielsweise durch
Platzieren in einer Spritzgussform und anschließendes Umspritzen
der mehreren Formteile, um z. B. einen Kühlkörper
herzustellen, wie er in 1 oder 4 gezeigt
ist.
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Zum
Bestücken auf einer Platine mit einer Wärmequelle
wird es bevorzugt, den Kühlkörper aufzulöten,
und zwar an einer Wärmequelle direkt oder zumindest in
einer thermischen Kopplung zu einer Wärmequelle. Das Auflöten
des Kühlkörpers findet durch Löten des
Befestigungsabschnitts an einer Leiterbahn oder an der Wärmequelle
selbst statt. Alternativ kann der Kühlkörper auch
mit einem thermisch leitfähigen gefüllten Kleber
an der Leiterbahn oder der Wärmequelle direkt befestigt
werden.
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Der
Kühlkörper gemäß bevorzugten
Ausführungsbeispielen liefert unter anderem somit folgende Vorteile:
mehrere, auf unterschiedlichem elektrischen Potenzial liegende Bauelemente
können mit einem einzigen Kühlelement entwärmt
werden; Ersparnis von zusätzlichem Montageaufwand; Verzicht
auf zusätzliche einzelne Isolationsmaterialien wie Folien, Glimmerscheiben,
Isolierbuchsen usw; geringe thermomechanische Belastung an der Verbindungsstelle zur
Leiterplatte durch die mechanische Nachgiebigkeit der Laschen und
damit erhöhte Temperaturwechselfestigkeit; und neuartige
Designmöglichkeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5973923 [0006]
- - DE 10352711 A1 [0007]