DE102008006536B4

DE102008006536B4 - Kühlsystem für auf einer Trägerplatine angeordnete Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE102008006536B4
Application number: DE200810006536
Authority: DE
Inventors: Christian Sachse
Original assignee: MED LICHT GmbH
Current assignee: MED LICHT GmbH
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: DE102008006536A1

Abstract

Kühlsystem für auf einer Trägerplatine (10) angeordnete Leistungshalbleiter (11), insbesondere für mit LED's bestückte Trägerplatinen, mit einem mit der Platinenrückseite wärmeleitend verbundenen Kühlkörper (4),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper (4) mehrteilig ausgebildet ist und aus einem an der Platinenrückseite anliegenden ersten Teilkühlkörper (1) und zumindest einem bezüglich des ersten Teilkühlkörpers (1) beabstandeten zweiten Teilkühlkörper (2) besteht,
dass der erste Teilkühlkörper (1) als mit durchgehenden Ausnehmungen (6) versehener Flachkörper ausgebildet ist
und der zweite Teilkühlkörper (2) Ansätze (5) aufweist, die sich berührungsfrei durch die Ausnehmungen (6) des ersten Teilkühlkörpers (1) erstrecken und wärmeleitend mit der Platinenrückseite verbunden sind, und
dass die Kontaktbereiche (7) zwischen den Teilkühlkörpern (1, 2) und der Platinenrückseite in Abhängigkeit von den Positionen der Leistungshalbleiter (11) auf der Platine (10) gewählt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für auf einer Trägerplatine angeordnete Leistungshalbleiter, insbesondere für mit LED's bestückte Trägerplatinen, mit einem mit der Platinenrückseite wärmeleitend verbundenen Kühlkörper.
Es ist bekannt, dass Leistungshalbleiter im Betrieb mit relativ hohen Verlustleistungen behaftet sind, d. h. Wärme erzeugen, die abgeführt werden muss. Diese Wärmeabführung erfolgt üblicherweise über wärmeleitende Trägerplatten und insbesondere auch diesen zugeordnete Kühlkörper.
Besonders ausgeprägt wird das Problem der Abführung der entstehenden Verlustwärme dann, wenn eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern relativ dicht gepackt auf einer Trägerfläche angebracht werden muss, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn eine Mehrzahl von leistungsstarken LED's zur Spot- oder Raumbeleuchtung in möglichst dichter Packung auf einer Platine vorgesehen ist.
Ein Kühlsystem der eingangs angegebenen Art ist aus der US 2007/0 062 032 A1 , der EP 1 498 013 B1 sowie der DE 42 18 419 C2 bekannt. Diese bekannten Kühlsysteme sind einteilig ausgebildet und zumindest zum Teil mit die Kühlfläche vergrößernden Rippen versehen.
Mehrteilig ausgebildete Kühlsysteme sind bekannt aus der US 6 538 892 B2 , der US 5 567 986 A sowie aus JP 2007-207 779 A (Abstract). Diese mehrteiligen Kühlsysteme bestehen dabei aus auf Abstand gehaltenen plattenförmigen oder mit Vertiefungen und Erhöhungen versehenen flächigen Elementen, die aufeinandergeschichtet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einerseits besonders wirksames und andererseits besonders kompakt aufgebautes Kühlsystem für auf einer Trägerplatine angeordnete Leistungshalbleiter zu schaffen, das eine gezielte Anpassung der Wärmeableitung an die jeweilige Anordnung der Leistungshalbleiter ermöglicht und dabei dennoch kostengünstig gefertigt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe im Wesentlichen dadurch, dass der Kühlkörper mehrteilig ausgebildet ist und aus einem an der Platinenrückseite anliegenden ersten Teilkühlkörper und zumindest einem bezüglich des ersten Teilkühlkörpers beabstandeten zweiten Teilkühlkörper besteht, dass der erste Teilkühlkörper als mit durchgehenden Ausnehmungen versehener Flachkörper ausgebildet ist und der zweite Teilkühlkörper Ansätze aufweist, die sich berührungsfrei durch die Ausnehmungen des ersten Teilkühlkörpers erstrecken und wärmeleitend mit der Platinenrückseite verbunden sind, und dass die Kontaktbereiche zwischen den Teilkühlkörpern und der Platinenrückseite in Abhängigkeit von den Positionen der Leistungshalbleiter auf der Platine gewählt sind.
Durch die gezielte Zusammenfassung mehrerer Teilkühlkörper zu einem hinsichtlich der erhaltenen Wärmeableitpfade ineinander verschachtelten Kühlkörper wird es möglich, eine auf die einzelnen Leistungshalbleiter bezogen optimale Wärmeabfuhr zu erreichen. Die mit den bevorzugt in ihrer Grundstruktur plattenförmig gestalteten und mit die Oberflächen vergrößernden Mitteln versehenen Teilkühlkörpern einteilig ausgebildeten Ansätze oder Dome erstrecken sich jeweils durch gegenseitig ausgerichtete Ausnehmungen in den ihnen platinenseitig vorgeordneten Teilkühlkörpern und sind mit ihrem freien Ende luftspaltfrei und wärmeleitend mit einem unterhalb eines Leistungshalbleiters gelegenen Bereich der Platinenunterseite verbunden.
Die Ansätze oder Dome besitzen bevorzugt zylindrische Form, aber es sind je nach Anwendungsfall bzw. Einsatzzweck auch Ansätze von anderer Querschnittsform möglich, wenn dadurch die Wärmeableitung verbessert werden kann.
Es ist möglich, zwischen den bevorzugt jeweils gleichen gegenseitigen Abstand aufweisenden Teilkühlkörpern Distanzelemente aus Kunststoffmaterial anzuordnen und diese auch zur gegenseitigen Fixierung der Teilkühlkörper zu verwenden.
Bevorzugt ist es jedoch, die Teilkühlkörper direkt an der Trägerplatine zu haltern und beispielsweise mit der Trägerplatine zu verschrauben. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Gesamtfestigkeit von Trägerplatine und Kühlsystem erhalten.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kühlsystems in Form eines speziellen mehrteiligen Kühlkörpers ermöglicht es, die Kühlverteilung über die Position der Ansätze an den Teilkühlkörpern definiert vorzugeben und der jeweiligen Anordnung der Leistungshalbleiter auf der zugehörigen Trägerplatine Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es dabei auch möglich, zu berücksichtigen, dass die Wärmeleitung über die längeren Ansätze oder Dome sich von der Wärmeleitung über kürzere Ansätze oder Dome unterscheidet. Nach dem Prinzip der Erfindung können nicht nur auf einer vollflächigen Platine angeordnete Leistungshalbleiter, sondern auch Leistungshalbleiter gekühlt werden, die auf einer ringförmigen oder streifenförmigen Platine angebracht sind.
Die in ihrer Grundstruktur bevorzugt plattenförmigen, mit Ansätzen oder Domen versehenen Teilkühlkörper sind ein- oder beidseitig mit ihre Oberfläche vergrößernden Mitteln, wie zum Beispiel Rippen, stift- oder lappenförmigen Ansätzen, Vertiefungen und dergleichen, versehen.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden bei der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines Kühlsystems nach der Erfindung in Verbindung mit einer mit LED's bestückten Platine,
2 eine Teil-Draufsicht der Anordnung nach 1, in die die Schnittebene der 1 eingezeichnet ist,
3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Kühlverteilung bei Anwendung von zwei Teilkühlkörpern, und
4 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Kühlverteilung bei Anwendung von drei Teilkühlkörpern.
Die schematische Schnittdarstellung nach 1 zeigt eine Trägerplatine 10 mit einer Mehrzahl von auf der Platinenoberseite angeordneten Leistungshalbleitern 11, insbesondere Hochleistungs-LED's.
Die Unterseite der Trägerplatine 10 besteht üblicherweise aus einer Aluminiumplatte, welche durch beim Betrieb der Leistungshalbleiter entstehende Verlustwärme erhitzt wird. An dieser Platinenrückseite liegt der eine ebene Oberfläche aufweisende, mit dem allgemeinen Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Kühlkörper luftspaltfrei an, wobei zur Ankopplung des Kühlkörpers beispielsweise eine Aluminiumoxidpaste verwendet wird, so dass zwischen dem Kühlkörper 4 und der Platinenrückseite Kontaktbereiche 7 von hoher Wärmeleitfähigkeit entstehen.
Der Kühlkörper 4 ist mehrteilig aufgebaut und umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen plattenförmig gestalteten und unmittelbar an der Platinenrückseite anliegenden ersten Teilkühlkörper 1, der Ausnehmungen 6 aufweist.
Beabstandet zum ersten Teilkühlkörper 1 ist ein zweiter Teilkühlkörper 2 vorgesehen, der sich durch die Ausnehmungen 6 im ersten Teilkühlkörper 1 erstreckende Ansätze 5 besitzt, die in gleicher Weise wie der erste Teilkühlkörper 1 luftspaltfrei und gut wärmeleitend an der Platinenrückseite anliegen.
Auf den zweiten Teilkühlkörper 2 folgt wiederum beabstandet zu diesem ein dritter Teilkühlkörper 3, der analog dem Teilkühlkörper 2 ausgebildet ist, jedoch versetzt zu den Ansätzen oder Domen des zweiten Teilkühlkörpers 2 etwas längere Ansätze oder Dome 5 aufweist, die sich durch gegenseitig ausgerichtete Ausnehmungen 6 im zweiten Teilkühlkörper 2 und im ersten Teilkühlkörper 1 bis zur Platinenrückseite erstrecken.
In der Zeichnung nicht dargestellt sind die die jeweilige Oberfläche der Teilkühlkörper 1, 2, 3 vergrößernden Mitteln, wie beispielsweise Vertiefungen, Rippen, Ansätze und dergleichen.
Es ist je nach Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Kühlsystems möglich, mehr als drei Teilkühlkörper zu verwenden, die über ihre jeweils zueinander versetzten Ansätze 5 ineinander verschachtelt sind und den Gesamtkühlkörper bilden.
Es ist möglich, die einzelnen Teilkühlkörper über Distanzelemente so miteinander zu verbinden, dass ein eine ebene Auflagefläche hoher Genauigkeit aufweisender Gesamtkühlkörper erhalten wird, der dann luftspaltfrei und gut wärmeleitend mit der zugehörigen Platine zu verbinden ist.
Bevorzugt wird aber die jeweilige Platine selbst als Trägerelement für die einzelnen Teilkühlkörper und damit auch für den gesamten Kühlkörper verwendet. Dazu werden die Teilkühlkörper 1, 2, 3 mit der Platine 10 an den Kontaktbereichen 7 verbunden, insbesondere verschraubt, so dass sich durch diese Direktverschraubung eine Einheit hoher Gesamtfestigkeit ergibt und auf diese Weise im Falle der Verwendung von LED's praktisch ein kompaktes Leuchtmittel entsteht.
Die Draufsicht nach 2, bei der es sich ebenso wie im Falle der 1 um eine vergrößerte Darstellung handelt, zeigt einen Teilbereich der Platine 10 mit darauf angeordneten LED's 11, denen jeweils – strichliert gezeigt – ein definierter Kontaktbereich 7 zugeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen 6 ist in dieser Darstellung der Spalt gekennzeichnet, der durch das Eingreifen eines Ansatzes 5 in eine Ausnehmung 6 entsteht.
Wie bereits erläutert, wird gemäß der Erfindung vorzugsweise jedem Leistungshalbleiter 11 ein individueller Wärmeableitweg zugeordnet, und diese Wärmeableitwege entsprechen der Kontaktflächenverteilung an der Platine 10. Diese Verteilung muss insbesondere dann, wenn sich auch technische Bauteile auf der Platinenfläche befinden, nicht gleichförmig sein, aber es wird stets angestrebt, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Wärmeableitung zu erzielen.
3 zeigt eine mögliche Kühlverteilung bei Anwendung von zwei Kühlkörpern, wobei die dem ersten Teilkühlkörper 1 zugeordneten Kontaktflächen bzw. Wärmeableitwege mit „1” und die dem zweiten Teilkühlkörper zugeordneten Kontaktflächen oder Wärmeableitwege mit „2” gekennzeichnet sind. In diesem Falle ist ersichtlich eine regelmäßige und abwechselnde Verteilung von Ableitwegen zum ersten Teilkühlkörper und zum zweiten Teilkühlkörper vorgesehen.
4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Anordnung der Wärmeableitwege bzw. der Kühlverteilung bei Anwendung von drei Teilkühlkörpern.
Diese Anordnung eignet sich beispielsweise für eine Leuchte mit Hochleistungs-LED's, bei der im Mittelbereich der Platine vier LED's in Form eines Vierecks angeordnet sind, während die übrigen LED's gleichmäßig um diese Innengruppierung verteilt angeordnet sind. Durch die Anordnung der Wärmeableitwege wird auch den im Vergleich zu dem zweiten Teilkühlkörper 2 etwas längeren Ansätzen 5 des dritten Teilkühlkörpers 3 Rechnung getragen, denn die Wärmeleitung dieser längeren Ansätze oder Dome 5 ist etwas geringer als die Wärmeleitung entsprechend kürzerer Ansätze 5.
Für alle Ausführungsformen der Erfindung gilt, dass ein Kühlsystem vorliegt, das jeweils optimal an die jeweilige Kühlaufgabe anpassbar ist, hohe Wirksamkeit besitzt und sehr kompakt gestaltet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: erster Teilkühlkörper
2: zweiter Teilkühlkörper
3: dritter Teilkühlkörper
4: mehrteiliger Kühlkörper
5: Ansätze
6: Durchbrechungen
7: Kontaktbereich
8: Kühlverteilung bei zwei Kühlkörpern
9: Kühlverteilung bei drei Kühlkörpern
10: Trägerplatine
11: Leistungshalbleiter (LED)
12: Schnittebene

Claims

Kühlsystem für auf einer Trägerplatine (10) angeordnete Leistungshalbleiter (11), insbesondere für mit LED's bestückte Trägerplatinen, mit einem mit der Platinenrückseite wärmeleitend verbundenen Kühlkörper (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (4) mehrteilig ausgebildet ist und aus einem an der Platinenrückseite anliegenden ersten Teilkühlkörper (1) und zumindest einem bezüglich des ersten Teilkühlkörpers (1) beabstandeten zweiten Teilkühlkörper (2) besteht, dass der erste Teilkühlkörper (1) als mit durchgehenden Ausnehmungen (6) versehener Flachkörper ausgebildet ist und der zweite Teilkühlkörper (2) Ansätze (5) aufweist, die sich berührungsfrei durch die Ausnehmungen (6) des ersten Teilkühlkörpers (1) erstrecken und wärmeleitend mit der Platinenrückseite verbunden sind, und dass die Kontaktbereiche (7) zwischen den Teilkühlkörpern (1, 2) und der Platinenrückseite in Abhängigkeit von den Positionen der Leistungshalbleiter (11) auf der Platine (10) gewählt sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der auf den ersten Teilkühlkörper (1) folgende weitere Teilkühlkörper (2, 3) Ansätze (5) aufweist, die sich berührungsfrei durch gegenseitig ausgerichtete Ausnehmungen (6) in den ihnen platinenseitig vorgeordneten Teilkühlkörpern (1, 2) erstrecken und mit der Platinenrückseite wärmeleitend verbunden sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkühlkörper (1, 2, 3) als im Wesentlichen ebene, insbesondere metallische Platten ausgebildet sind und dass die sich senkrecht zur Plattenebene erstreckenden Ansätze (5) an die Platten angeformt sind.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansätze (5) zumindest im Wesentlichen zylindrische Form besitzen.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittesfläche der Ansätze (5) größer ist als die Querschnittsfläche der ihnen auf der Platine (10) zugeordnete Leistungshalbleiter (11).
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkühlkörper (1, 2, 3) über insbesondere aus Kunststoffmaterial bestehende Distanzelemente miteinander verbunden sind.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkühlkörper (1, 2, 3) an der Trägerplatine (10) gehaltert sind.
Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die auf den ersten Teilkühlkörper (1) folgenden weiteren Teilkühlkörper (2, 3) über ihre Ansätze (5) mit der Trägerplatine (10) tragend verbunden, insbesondere verschraubt sind.
Kühlsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (7) zwischen den verschiedenen Teilkühlkörpern (1, 2, 3) und der Platinenrückseite gleichmäßig über die mit Leistungshalbleitern (11) ebenfalls gleichmäßig bestückte Fläche verteilt sind.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von mehr als zwei Teilkühlkörpern (1, 2, 3) jeweils einem Teilkühlkörper zugeordnete Kontaktbereiche (7) zumindest paarweise nebeneinander angeordnet sind.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatine (10) ringförmig ausgebildet ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder plattenförmige Teilkühlkörper (1, 2, 3) ein- oder beidseitig mit die Oberfläche vergrößernden Mitteln versehen ist.