DE19640488A1 - Keramisches Kühlelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und der Halbleitertechnik und betrifft ein keramisches Kühlelement, wie es z. B. für die Kühlung von leistungsstarken Halbleiterbauelementen eingesetzt wird, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Für die Kühlung von Hochleistungshalbleitern werden allgemein Kühlkörper mit Flüssigkeitskühlung verwendet. Diese Kühleinrichtungen sind in der Regel aus mindestens zwei elektrisch und thermisch gut leitenden metallischen Kühlplatten aufgebaut. Durch Fügen der mit Strukturen versehenen Platten entstehen die erforderlichen inneren Kühlkanäle. Diese Kühlkörper, aufgrund ihrer zylindrischen Form auch als Kühldosen bezeichnet, können auch als einteilige Metallgußstücke hergestellt werden (DE 26 40 000 C2, DE 33 19 837 A1).

Eine Übertragung der bekannten Technologien aus der Metallfertigung auf die Fertigung von Keramikbauteilen ist nicht ohne weiteres möglich, da es sich bei der Keramik um einen Pulverwerkstoff handelt.

Als Kühlmedien sind elektrisch nichtleitende Mineralöle oder Fluor-Chlor- Kohlenwasserstoffe erforderlich. Sie werden jedoch aus Gründen des Brand- und Umweltschutzes immer mehr durch unkritische Stoffe ersetzt. Wird Wasser mit seiner geringen Viskosität und seiner hohen spezifischen Wärmekapazität als Kühlmittel angewendet, kann es vielfach nur entionisiert eingesetzt werden, um einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand zu gewährleisten. Favorisiert wird aber Kühlwasser, nichtentionisiert und mit Frostschutzmittel versehen, daß gut verfügbar und über einen größeren Temperaturbereich auch bei Frost einsetzbar ist. Es muß jedoch aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit von den auf hohem elektrischen Potential liegenden Teilen isoliert werden.

Erste vorgeschlagene Lösungen, die eine elektrische Isolation zwischen Kühlkörper und Kühlmedium gewährleisten, sind:

• - die Kühlkanäle im Inneren der Kühldosen mit einer Isolierschicht zu versehen und auch die Kühlmittelanschlüsse isolierend zu gestalten (DE 36 01 140 A1),
• - zwischen den metallischen Dosen und den Halbleiterbauelementen Isolierplatten aus elektrisch isolierenden, aber möglichst wärmeleitenden Materialien anzuordnen. Eine Konstruktion dazu, bestehend aus einem Verbund von einer Kühldose aus Kupfer, Isolierplatten aus Aluminiumoxid, äußere Kontaktplatten ebenfalls aus Kupfer mit einer zylindrischen Ummantelung aus Kunststoff zur Verhinderung von Kriechströmen zwischen den metallischen Komponenten, wird in DE 37 40 233 A1 beschrieben.

Neue Möglichkeiten zur Lösung des Problems werden durch die Substitution der metallischen Kühlkomponenten durch solche aus keramischen Material eröffnet welches in sich das Eigenschaftspotential einer hohen Wärmeleitfähigkeit mit ausreichendem elektrischen Isolationsvermögen vereint.

Die Mehrzahl der keramischen Werkstoffe weist üblicherweise niedrige oder mittlere Wärmeleiteigenschaften auf. Es sind jedoch auch Keramiken bekannt, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, durchaus mit der von Metallen vergleichbar, besitzen, wie z. B. Berylliumoxid, Siliciumcarbid oder Aluminiumnitrid.

Aluminiumnitrid weist beispielsweise bei einem sehr geringen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten (3,3 × 10^-6 K^-1 bei 20-200°C) eine Wärmeleitfähigkeit von 100-200 Wm^-1 K^-1 und einen elektrischen Widerstand von über 10¹² Ωcm (20°C) auf.

In der DE 39 08 996 C2, DE 36 05 554 A1 und DE 40 17 749 C2 werden Kühlelemente aus Aluminiumnitridkeramik beschrieben.

Danach werden die zwei spiegelsymmetrisch aufgebauten, mindestens einen internen mit Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal enthaltenden Kühlkörperhälften im Grünzustand zusammengesetzt und danach gesintert. Dabei befinden sich im Strömungsweg des Kühlmittels stoffschlüssig mit einer Kühlkörperhälfte verbundene Zapfen.

Unter stoffschlüssig wird das fügen von mindestens zwei Teilen ohne Spiel verstanden (Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, DKG, Deutscher Wirtschaftsdienst, Kap. 3.9.0.0).

Über die Herstellung der mindestens einen internen mit Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal enthaltenden Kühlkörperhälften existieren wenig Veröffentlichungen. Nach einem Artikel in der cfi, Berichte der DKG 71 (1994) 4, S. 178-179 ist bekannt, daß in der Praxis derartige Kühlkörperhälften hergestellt werden, indem aus einem sinterfähigen Aluminiumnitridpulver kompakte Formkörper durch Pressen gefertigt werden. Anschließend wird das Innere des Grünkörpers nach einem Vorhärten mechanisch bearbeitet, d. h. die waffelartig angeordneten Kühlzapfen werden herausgefräst. Danach werden die Grünkörper gesintert, flachgeschliffen und je zwei gesinterte Formkörper spiegelsymmetrisch durch Kleben aneinandergefügt, wobei die Durchflußkanäle im Inneren des fertigen Kühlelementes entstehen. In die Ein- und Ausgänge werden rohrförmige Stutzen aus Tonerde mit dem einen Ende eingeklebt, während das andere Ende metallisiert und mit der metallischen Anschlußleitung verlötet wird.

Bekannt sind weiterhin Ausführungsformen eines elektrisch isolierenden Flüssigkeitskühlkörpers für Halbleiterbauelemente (DE 39 08 996 C2). Es handelt sich um einen quaderförmigen Kühlkörper, in dessen Inneren einen Vielzahl von Kühlkanälen verlaufen. Der Kühlkörper besteht aus einem elektrisch isolierendem keramischen Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Kühlkanäle werden durch Bohren eines massiven plattenförmigen, keramischen Körpers im Grünzustand hergestellt. Anschließend wird der Kühlkörper gesintert. An jedem Ende des Kühlkanals sind Anschlußstutzen angebracht, die alle externe Anschlußleitungen zur Kühlmitttelzufuhr und -abfuhr benötigen. Als Kühlmittel wird vorzugsweise unbehandeltes Wasser verwendet. Es sind keine Vorrichtungen zur Entionisierung vorgesehen, um einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand des Wassers sicherzustellen.

Aus DE 25 23 232 ist eine Kühldose aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid zur Flüssigkeitskühlung eines Thyristors bekannt, die aus einem hohlzylindrischen Formstück mit einem zylindrischen Kern besteht und über Kleben oder Löten gefügt ist. Die Bearbeitung des Innenraumes der Kühldose erfolgt im Grünzustand.

Die Kühlkörper sind in jedem Fall mit mindestens zwei Öffnungen versehen, für den Zu- und Ablauf des Kühlmittels. Diese Öffnungen enthalten Anschlußstutzen, die in der Regel elektrisch isolierend ausgeführt sind (DE 36 01 140 A1) und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind (DE 40 17 749 C2).

Der Nachteil der nach dem bekannten Stand der Technik hergestellten Kühlkörper besteht darin, daß sie aufwendig und in mehreren Teilschritten hergestellt werden müssen, wobei auch ein großer Prozentsatz an Ausschuß entsteht. Weiterhin ist auch eine Miniaturisierung der Kühldose durch die Möglichkeiten der Bearbeitungstechniken und -werkzeuge für die Kühldose im Grün- oder auch im gesinterten Zustand begrenzt. Bei größeren Kühldosen steigt der Bearbeitungsaufwand weiter an und es treten erhebliche Materialverluste auf.

Eine wirtschaftliche Fertigung mit großen Stückzahlen ist unter diesen Voraussetzungen nicht möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein keramisches Kühlelement anzugeben, daß mit normalem Wasser arbeiten kann und ein hohes Wärmeübertragungsvermögen besitzt und weiterhin ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei dieses Herstellungsverfahren die mechanische Bearbeitung des keramischen Kühlelementes vermeidet oder stark einschränkt.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Das erfindungsgemäße keramisches Kühlelement besteht dabei aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff, zur Kühlung mindestens eines elektrischen Bauelementes, mit mindestens einem internen, mit mindestens zwei Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal, wobei der Strömungsweg des Kühlmittels durch im Innenraum des Kühlelementes befindliche Hohlräume bestimmt wird, bei dem das Kühlelement einstückig ist und bei dem die Anschlußstutzen aus dem gleichen Material wie das Kühlelement bestehen oder nicht und ohne oder mit Verwendung von Fügetechniken an das Kühlelement geformt oder angebracht sind oder bei dem das Kühlelement aus zwei Kühlelementhälften zusammengesetzt ist, und bei dem die Anschlußstutzen ganz oder geteilt aus dem gleichen Material wie das Kühlelement bestehen und unmittelbar an ein oder beide Kühlelementhälften geformt sind.

Vorteilhafterweise ist Aluminiumnitrid als elektrisch isolierender und thermisch gut leitender keramischer Werkstoff in dem erfindungsgemäßen keramischen Kühlelement eingesetzt.

Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung besteht darin, daß die beiden Anschlußstutzen parallel zueinander verlaufen und/oder zur gleichen Seite des Kühlelementes weisen und/oder in ihrer gemeinsamen Anordnung die Breite des Kühlelementes nicht überschreiten.

Zweckmäßig ist es auch, wenn die Hohlräume sich verzweigend und mehrfach sich kreuzend oder mäanderartig sind.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kühlelementes nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein sinterfähiges keramisches Pulver für eine elektrisch isolierende und thermisch gut leitende Keramik mit einem thermoplastischen Bindemittel gemischt wird, die erhaltene thermoplastische Masse bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des thermoplastischen Bindemittels in eine Form eingebracht wird, wobei die Form die Negativstrukturierung einer Kühlelementhälfte aufweist, oder die Form die Negativstrukturierung der Außenkontur des einstückigen Kühlelementes aufweist und mit einem Kern aus einem Hilfswerkstoff, der die Positivstrukturierung der Kühlkanalanordnung aufweist, versehen ist und wobei die Form die Negativstrukturierung der ganzen oder geteilten Anschlußstutzen oder keinen Anschlußstutzen aufweist, anschließend das Bindemittel und der Kern entfernt werden und danach eine Sinterung erfolgt, wobei annähernd eine isotrope Schwindung eingehalten wird, und wobei die Sinterung der Kühlelementhälften getrennt oder von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird.

Zweckmäßig ist es, wenn als thermoplastisches Bindemittel ein Polymer-Wachs- Gemisch eingesetzt wird.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als Hilfswerkstoff für den Kern ein zersetzbarer Kunststoff eingesetzt wird.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit besteht darin, daß als Hilfswerkstoff für den Kern eine niedrig schmelzende Metallegierung eingesetzt wird, wobei der Schmelzpunkt der Metallegierung oberhalb der jeweiligen Einsatztemperatur des thermoplastischen Bindemittels liegt.

Es ist auch zweckmäßig, wenn als Hilfswerkstoff für den Kern eine Pulver-Bindemittel- Mischung eingesetzt wird, wobei das Bindemittel und das Pulver aus dem Grünkörper entfernt werden.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Anschlußstutzen ohne Stoffübergang gleichzeitig mit dem Kühlelement geformt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in zweckmäßiger Weise dahingehend ausgestaltet sein, daß die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird, wobei die Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementhälften mit einer arteigenen Folie oder einer Suspension beschichtet werden.

Entsprechend einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt, wobei die beiden Kühlelementhälften zusammengesetzt werden und einem Druck von 0 bis 10 MPa und einer Temperatur von 0,5 bis 50 K über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindemittels ausgesetzt und anschließend gesintert werden.

Vorteilhafterweise wird die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt, wobei die Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementhälften mit einer arteigenen Folie oder einer Suspension beschichtet, anschließend die beiden Kühlelementhälften zusammengesetzt werden und einem Druck von 0 bis 10 MPa und einer Temperatur von 0,5 bis 50 K über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindemittels ausgesetzt und anschließend gesintert werden.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aus zwei unter der Bedingung der isotropen Schwindung gesinterte Kühlelementhälften zusammengelötet oder an den Verbindungsstellen mit einem Klebstoff versehen und zusammengesetzt werden.

Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn zu dem keramischen Pulver und dem thermoplastischen Bindemittel Sinterhilfsmittel und Formgebungshilfsmittel zugegeben werden und diese gemeinsam zu der thermoplastischen Masse gemischt werden.

Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Form beheizt wird.

Durch den Einsatz eines thermoplastischen Bindemittels ist eine freie Gestaltung der Geometrie des keramischen Kühlelementes möglich, wodurch auch die Anschlußstutzen am Kühlelement mit der Formgebung gefertigt werden können.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert sich der Herstellungsaufwand gegenüber nach dem Stand der Technik mechanisch bearbeiteten Kühlelementen erheblich. Die Arbeitsschritte mechanische Bearbeitung und Einfügen der Anschlußstutzen können ganz oder teilweise entfallen. Vor allem für die Serienfertigung und für eine Automatisierung der Einzelprozesse ist die Vereinfachung der Technologie entscheidend. Außerdem wird die Funktionssicherheit der Kühlelemente erhöht, indem das Einfügen der Anschlußstutzen entfällt. Weiterhin kann der Materialeinsatz erheblich verringert werden, da bei der Herstellung kaum Abfall anfällt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung kann ein äußerst kompaktes und platzsparendes Kühlelement mit einer relativ geringen Bauteilhöhe hergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Möglichkeit, die endformnah geformten Formkörper bereits nach der Formgebung oder nach der Entbinderung zusammensetzen zu können, so daß nach dem Sintern des zusammengesetzten Formkörpers ein fertiges Kühlelement vorliegt. Ein besonderer Vorteil liegt in der Möglichkeit des arteigenen Fügens. Dabei werden zwei Kühlelementhälften zusammengesetzt und Druck und Temperatur ausgesetzt, so daß sich an den Verbindungsstellen eine Erweichung der geformten thermoplastischen Masse ergibt und damit die arteigenen Stoffe sich miteinander verbinden. Bei der anschließenden Sinterung treten keine Schwierigkeiten auf, da keine fremden Materialien verwendet wurden.

Eine besondere Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat die Einhaltung der Bedingungen für eine isotrope Schwindung bei der Sinterung. Dadurch werden im Falle der Herstellung von Kühlelementhälften Sinterkörper hergestellt, die eine Zusammensetzung ohne oder mit sehr geringem mechanischen Bearbeitungsaufwand an den Verbindungsstellen ermöglichen.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Dichtehomogenität selbst bei großem Formkörpervolumen (z. B. 100 cm³ bei einer Formkörperdicke von 10 mm) möglich ist. Die hohe Dichtehomogenität ist Voraussetzung für eine isotrope Schwindung beim Sintern. Beim Entbindern der Formkörper wird das thermoplastische Bindemittel ausgetrieben, wodurch im Volumen eine feine, gleichmäßig verteilte Porosität verbleibt. Die während des Sinterns ablaufenden Stofftransportprozesse führen zu einem Verschließen der Porosität, die mit einer Schwindung des Sinterteiles verbunden ist.

Für den Fall, daß als elektrisch isolierender und thermisch gut leitender keramischer Werkstoff Aluminiumnitridpulver eingesetzt wird, ist bei der Sinterung mindestens eine stickstoffhaltige Atmosphäre erforderlich.

Weiterhin ist es nach der erfindungsgemäßen Lösung möglich, daß die Anschlußstutzen als Rohrstück an nur eine Kühlelementhälfte unmittelbar bei der Formgebung dieser Kühlelementhälfte mit geformt werden. Eine zweite Kühlelementhälfte wird ohne Anschlußstutzen hergestellt. Beide Kühlelementhälften werden dann zusammengesetzt. Der Vorteil dieser Verfahrensvariante besteht darin, daß kreisrunde Anschlußstutzen herstellbar sind.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch den Einsatz eines thermoplastischen Bindemittels es erstmals möglich geworden ist, ein keramisches Kühlelement einstückig herzustellen, d. h. in einem Stück zu fertigen. Dabei wird ein der Positivstruktur der Kanalanordnung entsprechender Kern aus einen Hilfswerkstoff geformt und dieser in die Form mit der Negativstrukturierung der Außenkontur des Kühlelementes eingesetzt. Anschließend wird die thermoplastische Masse in die Form eingebracht. Nachdem eine temperaturstabile Festigkeit erreicht ist, wird das Kühlelement aus der Form entnommen und der Kern entfernt.

Der geometrischen Gestaltungsvielfalt sind durch diese Variante der Erfindung nahezu keine Grenzen gesetzt.

Im weiteren wird die Erfindung durch mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m²/g und einem Zusatz von 40 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern, werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (170 g Polyethylen, 50 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 150°C auf einem Extruder compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird granuliert und auf einer Schneckenspritzgießmaschine bei Zylindertemperaturen von 170°C unter einem Druck von 105 MPa mit einem Nachdruck im Profil von 75 MPa (5 s), 55 MPa (3 s) 25 MPa (2 s) in eine auf 70°C temperierte Form eingebracht. Die Innenkontur der Form weist die Negativstrukturierung der Außenkontur der Kühlelementhälfte zuzüglich des Schwindungsmaßes auf. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entformt und hat die Abmessungen: 85 mm Außendurchmesser, 10 mm Dicke, 5 mm Strukturtiefe, 2,3 mm Kanalbreite. Anschließend wird der Formkörper entbindert und dabei verringert sich sein Gewicht um ca. 20%. Der Formkörper wird anschließend bei 1800°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Zwei derartig hergestellte Kühlelementhälften mit identischer Geometrie werden an den Verbindungsstelle mit einem Klebstoff versehen und spiegelsymmetrisch zusammengesetzt, so daß damit ein fertiges Kühlelement entsteht.

Beispiel 2

1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m²/g und einem Zusatz von 30 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern, werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (220 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 100°C in einer beheizten Kugelmühle compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird in einer Heißgießanlage bei einer Temperatur von 110°C unter einem Druck von 0,6 MPa in eine auf 30°C temperierte Form eingebracht. Die Innenkontur der Form weist die Negativstrukturierung der Außenkontur der Kühlelementhälfte zuzüglich des Schwindungsmaßes auf. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entformt. Anschließend werden zwei derartige Formkörper spiegelsymmetrisch unter einem Druck von 0,05 MPa zusammengesetzt und bei 55°C 30 min getempert. Der so entstandene Formkörper wird entbindert, wobei sich sein Gewicht um ca. 20% verringert. Der Formkörper wird anschließend bei 1750°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Anschließend ist das erfindungsgemäße Kühlelement fertig.

Beispiel 3

1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m²/g und einem Zusatz von 50 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (170 g Polyethylen, 50 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 150°C in einem Extruder compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird granuliert und auf einer Schneckenspritzgießmaschine bei Zylindertemperaturen von 170°C unter einem Druck von 105 MPa mit einem Nachdruck im Profil von 75 MPa (5 s), 55 MPa (3 s) 25 MPa (2 s) in eine auf 70°C temperierte Form eingebracht. Die Innenkontur der Form weist die Negativstrukturierung der Außenkontur der Kühlelementhälfte zuzüglich des Schwindungsmaßes auf. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entformt. Anschließend werden zwei derartige Formkörper entbindert, wobei sich sein Gewicht um ca 20% verringert. Die beiden Formkörper werden an den Verbindungsstellen mit einer 50gew.-%igen Suspension, bestehend aus Aluminiumnitrid, Yttriumoxid und einem Lösungsmittel bestrichen, spiegelsymmetrisch zusammengesetzt und nach dem Trocknen des Lösungsmittels bei 1850°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Anschließend ist das erfindungsgemäße Kühlelement fertig.

Beispiel 4

Durch ein Druckgußverfahren wird ein Kern, der die Positivstrukturierung der vorgesehenen Kanalanordnung aufweist, aus einer niedrigschmelzenden Zinnlegierung hergestellt. Dieser Kern wird in eine Form, die die Negativstrukturierung der Außenkontur des Kühlelementes aufweist eingebracht.

1000 g Aluminiumnitridpulver mit einer spezifischen Pulveroberfläche von 3 m²/g und einem Zusatz von 30 g Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zur Ausbildung einer Flüssigphase beim Sintern, werden mit 300 g thermoplastischen Bindemittel (220 g Paraffin, 80 g Stearinsäure) bei 100°C in einer beheizten Kugelmühle compoundiert. Die erhaltene thermoplastische Masse wird in einer Heißgießanlage bei einer Temperatur von 110°C unter einem Druck von 0,6 MPa in die Form, die den Kern enthält, eingebracht. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Formkörper aus der Form entnommen. Anschließend wird der Formkörper entbindert, wobei sich sein Gewicht um ca 20% verringert und eine temperaturstabile Festigkeit erreicht wird.

Bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der Zinnlegierung wird diese aus dem Formkörper herausgegossen. Der Formkörper wird anschließend bei 1750°C unter Stickstoffatmosphäre gesintert, wobei eine isotrope Schwindung von ca. 20% auftritt. Anschließend ist das erfindungsgemäße Kühlelement fertig.

Claims (16)

1. Keramisches Kühlelement, bestehend aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff, zur Kühlung mindestens eines elektrischen Bauelementes, mit mindestens einem internen, mit mindestens zwei Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal, wobei der Strömungsweg des Kühlmittels durch im Innenraum des Kühlelementes befindliche Hohlräume bestimmt wird, bei dem das Kühlelement einstückig ist und die Anschlußstutzen aus dem gleichen Material wie das Kühlelement bestehen oder nicht, und ohne oder mit Verwendung von Fügetechniken an das Kühlelement geformt oder angebracht sind, oder bei dem das Kühlelement aus zwei Kühlelementhälften zusammengesetzt ist, und die Anschlußstutzen ganz oder geteilt aus dem gleichen Material wie das Kühlelement bestehen und unmittelbar an ein oder beide Kühlelementhälften geformt sind.

2. Keramisches Kühlelement nach Anspruch 1, bei dem Aluminiumnitrid als elektrisch isolierender und thermisch gut leitender keramischer Werkstoff eingesetzt ist.

3. Keramisches Kühlelement nach Anspruch 1, bei dem die beiden Anschlußstutzen parallel zueinander verlaufen und/oder zur gleichen Seite des Kühlelementes weisen und/oder in ihrer gemeinsamen Anordnung die Breite des Kühlelementes nicht überschreiten.

4. Keramisches Kühlelement nach Anspruch 1, bei dem die Hohlräume sich verzweigend und mehrfach sich kreuzend oder mäanderartig sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kühlelementes nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein sinterfähiges keramisches Pulver für eine elektrisch isolierende und thermisch gut leitende Keramik mit einem thermoplastischen Bindemittel gemischt wird, die erhaltene thermoplastische Masse bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des thermoplastischen Bindemittels in eine Form eingebracht wird, wobei die Form die Negativstrukturierung einer Kühlelementhälfte aufweist, oder die Form die Negativstrukturierung der Außenkontur des einstückigen Kühlelementes aufweist und mit einem Kern aus einem Hilfswerkstoff, der die Positivstrukturierung der Kühlkanalanordnung aufweist, versehen ist und wobei die Form die Negativstrukturierung der ganzen oder geteilten Anschlußstutzen oder keinen Anschlußstutzen aufweist, anschließend das Bindemittel und der Kern entfernt werden und danach eine Sinterung erfolgt, wobei annähernd eine isotrope Schwindung eingehalten wird, und wobei die Sinterung der Kühlelementhälften getrennt oder von zwei zusammengesetzten Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als thermoplastisches Bindemittel ein Polymer- Wachs-Gemisch eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Hilfswerkstoff für den Kern ein zersetzbarer Kunststoff eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Hilfswerkstoff für den Kern eine niedrig schmelzende Metallegierung eingesetzt wird, wobei der Schmelzpunkt der Metallegierung oberhalb der jeweiligen Einsatztemperatur des thermoplastischen Bindemittels liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Hilfswerkstoff für den Kern eine Pulver- Bindemittel-Mischung eingesetzt wird, wobei das Bindemittel und das Pulver aus dem Grünkörper entfernt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Anschlußstutzen ohne Stoffübergang gleichzeitig mit dem Kühlelement geformt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird, wobei die Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementhälften mit einer arteigenen Folie oder einer Suspension beschichtet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird, wobei die beiden Kühlelementhälften zusammengesetzt werden und einem Druck von 0 bis 10 MPa und einer Temperatur von 0,5 bis 50 K über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindemittels ausgesetzt und anschließend gesintert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, bei dem die Sinterung von zwei Kühlelementhälften gemeinsam durchgeführt wird, wobei die Verbindungsstellen zwischen den Kühlelementhälften mit einer arteigenen Folie oder einer Suspension beschichtet, anschließend die beiden Kühlelementhälften zusammengesetzt werden und einem Druck von 0 bis 10 MPa und einer Temperatur von 0,5 bis 50 K über der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Bindemittels ausgesetzt und anschließend gesintert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem aus zwei unter der Bedingung der isotropen Schwindung gesinterte Kühlelementhälften zusammengelötet oder an den Verbindungsstellen mit einem Klebstoff versehen und zusammengesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zu dem keramischen Pulver und dem thermoplastischen Bindemittel Sinterhilfsmittel und Formgebungshilfsmittel zugegeben werden und diese gemeinsam zu der thermoplastischen Masse gemischt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Form beheizt wird.