DE4017749C2 - Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers aus elektrisch isolierendem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers aus elektrisch isolierendem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ist ein Zusatz zum Patent 39 08 996.

Ein derartiges Verfahren ist im Hauptpatent beschrieben und ermöglicht die Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers, bei dem vorteilhaft nichtentionisiertes Wasser zur Kühlung von Bauteilen der Leistungselektronik verwendet werden kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei diesem Flüssigkeitskühlkörper ein relativ hoher Druckverlust auftritt.

Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers ist aus der DE 33 29 325 A1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, den Kühlkörper aus zwei plattenartigen Kühlkörperteilen - beispielsweise aus Keramik - zusammenzusetzen und zu verkleben. Dabei kann als Keramik gesintertes Aluminiumoxid oder gesintertes Berylliumoxid verwendet werden, wobei z. B. aus der Beschreibung zu Fig. 1 hervorgeht, daß die beiden keramischen Kühlkörperteile getrennt - d. h. nicht im zusammengesetzten Zustand - gesintert und danach zusammengeklebt werden.

Aus der DE 36 05 554 A1 ist ein verschließbarer Kühlkörper bekannt, bestehend beispielsweise aus einem Aluminiumnitrid- Kühlkörper mit aufgelöteter Platte aus Zirkonoxid. Dem Fachmann wird die technische Lehre gegeben, die Kühlkanäle der bereits verfestigten Keramik mittels einer Ultraschall- Bohrvorrichtung herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers der eingangs genannten Art anzugeben, das zu einem Flüssigkeitskühlkörper mit einem geringem Strömungswiderstand bei gleichzeitig hohem Wärmeübertragungsvermögen führt.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im kennnzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß beim erfindungsgemäß hergestellten Flüssigkeitskühlkörper nur ein geringer Druckverlust auftritt. Die wärmeübertragende innere Oberfläche des Flüssigkeitskühlkörpers wird - zumindestens bei quadratischer oder rautenförmiger Ausbildung der Zapfen - nach Art eines Waffelmusters ausgebildet, was an sich bei Kühldosen aus Metall bereits bekannt ist (DE 26 40 000 C2 und DE 33 19 837 A1). Die bekannten Kühldosen werden jedoch als vorzugsweise einteilige Metallgußstücke hergestellt und benötigen deshalb ein isolierendes Kühlmittel, vorzugsweise Transformatorenöl, während beim vorgeschlagenen Kühlkörper aus elektrisch isolierendem Material vorzugsweise nichtentionisiertes Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Die für die elektrische Isolation erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen dem zu kühlenden potentialbehafteten Halbleiterbauelement und den metallischen, externen Kühlmittelanschlüssen werden durch entsprechend lang ausgebildete thermische Anschlußstutzen des Kühlkörpers gewährleistet, welche ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehen und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kühlkörper,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Kühlkörpers,

Fig. 3, 4 Varianten bei der Ausbildung der Zapfen,

Fig. 5, 6 Varianten bei der Ausbildung der Kühlkörper­ hälften.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Kühlkörper darge­ stellt. Es handelt sich um einen Kühlkörper 1 aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff, beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid. Die Kühlkanäle 2 im Inneren des massiven, in Form einer Kühldose ausgebildeten Kühlkörpers 1 weisen eine waffelmusterförmige Struktur auf, was den Strömungswiderstand erheblich reduziert und gleichzeitig ein sehr gutes Wärmeübertragungsverhalten gewährleistet.

Dabei sind eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender und aufeinander senkrecht stehender oder sich mit stumpfem oder spitzem Winkel schneidender Kühlkanäle 2 vorgesehen, die jeweils durch massive, mit mindestens einem Boden des Kühlkörpers verbundene Zapfen voneinander getrennt werden. Diese Zapfen sind senkrecht zu beiden Böden des Kühlkörpers orientiert, reichen von Boden zu Boden und sind beispielsweise im Querschnitt quadratisch (wie in Fig. 1 gezeigt: Ziffer 15) oder rautenförmig (wie in Fig. 3 gezeigt: Ziffer 16) oder kreisrund (siehe Fig. 4: Ziffer 17) oder oval und vergrößern die wärmeübertragende Oberfläche im Innenraum des Kühlkörpers beträchtlich.

Die Kühlkanäle 2 münden zumindest teilweise in zwei sich gegenüberliegenden Enden 3 bzw. 4, die mit Anschlußstut­ zen 5 bzw. 6 für die externe Kühlmittelzu- und -abfuhr versehen sind. Dabei erfolgt die Kühlmittelzu- und -ab­ fuhr von bzw. nach derselben Seite bezüglich des Kühl­ körpers, d. h. nach oben oder unten oder nach der rechten oder linken Seite, so daß die drei anderen Seiten eines mindestens einen Kühlkörper und ein Halbleiterbauelement enthaltenden Spannverbandes für elektrische Anschlüsse an die mit dem Kühlkörper thermisch zu kontaktierenden Halbleiterbauelemente zur Verfügung stehen.

Diese spezielle Anschlußkonfiguration wird erzielt, in­ dem beide Anschlußstutzen 5, 6 jeweils rechtwinklig abge­ bogen sind, so daß ihre dem Kühlkörper abgewandten, zum externen Anschluß geeigneten Endstücke parallel verlau­ fen und zur gleichen Seite weisen. Diese Endstücke der Anschlußstutzen 5 bzw. 6 sind über angeklebte oder ange­ lötete Metallbälge oder metallische Wellrohre 7 bzw. 8 mit einer metallischen Montageplatte 11 verbunden, die ihrerseits an eine externe Kühlmittelversorgung an­ schließbar ist. Die ringförmig um die Endstücke der An­ schlußstutzen 5 bzw. 6 verlaufenden Löt- oder Klebestel­ len sind mit Ziffer 9 bzw. 10 bezeichnet.

Die Wellrohre 7, 8 sind vorzugsweise mit der Montage­ platte 11 verlötet und gewährleisten vorteilhaft einer­ seits den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und ande­ rerseits eine Beweglichkeit bei der Montage von mehreren Kühlkörpern und Halbleiterbauelementen in einem Spann­ verband. Zur Verbindung zwischen Montageplatte 11 und externer Kühlmittelversorgung sind Montagebohrungen 12 in der Montageplatte 11 vorgesehen (Schraubverbindun­ gen). Nuten 13 in der Montageplatten 11 dienen zur Auf­ nahme von O-Ringen aus Gummi oder geeigneten Kunststof­ fen, die eine Abdichtung zwischen der Montageplatte und der externen Kühlmittelversorgung gewährleistet.

Als Kühlmittel gelangt vorzugsweise nichtentionisiertes Wasser zur Anwendung. Die Länge der ebenfalls aus einem elektrisch gut isolierenden Werkstoff bestehenden und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbundenen Anschluß­ stutzen 5, 6 ist so bemessen, daß die für die elektri­ sche Isolation erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen dem zu kühlenden Halbleiterbauelement und den metallischen Wellrohren 7, 8 eingehalten werden. Das gegen den Kühlkörper 1 mit vorgebbarer Kraft zu pressen­ de Halbleiterbauelement 14 ist gestrichelt angedeutet.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Kühlkörpers darge­ stellt. Insbesondere ist der Anschlußstutzen 5 des Kühl­ körpers 1 zu erkennen. Der Metallbalg 7 ist einerseits an der Löt- oder Klebstelle 9 mit dem Endstück des An­ schlußstutzens 5 und andererseits mit der metallischen Montageplatte 11 verbunden. Gegen beide Böden des Kühl­ körpers 1 sind gestrichelt angedeutete Halbleiterbauele­ mente 14, 14′ eines Spannverbandes gepreßt.

In den Fig. 3 und 4 sind Varianten bei der Ausbildung der Zapfen dargestellt. In Fig. 3 sind im Querschnitt rautenförmige Zapfen 16 gezeigt, deren eine Diagonale ihres Querschnitts parallel zur durch Kühlmittelzu- und -abfuhr vorgegebenen Strömungsrichtung verläuft. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Gleiches gilt auch für die quadratischen Zapfen 15 gemäß Fig. 1. In Fig. 4 sind im Querschnitt kreisrunde Zapfen 17 vorgesehen, wobei die Zapfen be­ nachbarter Zapfenreihen jeweils versetzt angeordnet sind, d. h. bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlmit­ tels folgt auf einen Zapfen eine Lücke zwischen zwei Zapfen. Letzteres gilt auch für die Zapfenreihen der Fig. 1 und 3. Als Abwandlung der kreisrunden Zapfen 17 ist auch eine im Querschnitt ovale Ausbildung der Zapfen möglich.

In den Fig. 5 und 6 sind Varianten bei der Ausbildung der Kühlkörperhälften dargestellt. Gemäß Fig. 5 besteht der Kühlkörper 1 aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufenden Ebene spiegelsymmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften 18 und 19. Die mit der Kühlkörperhälf­ te 18 stoffschlüssig verbundenen Zapfen 15a stützen sich gegen die mit der Kühlkörperhälfte 19 stoffschlüssig verbundenen Zapfen 15b ab. Die zwischen den Zapfen ver­ laufenden Kühlkanäle 2 sind zu erkennen.

Gemäß Fig. 6 besteht der Kühlkörper aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufenden Spiegelebene un­ symmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften 20 und 21. Die mit dem Boden der Kühlkörperhälfte 20 stoffschlüssig verbundenen Zapfen 15c stützen sich gegen den Boden der weiteren Kühlkörperhälfte 21 ab.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff zur Kühlung eines elektrischen Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterbauelementes, das den Kühlkörper thermisch gut leitend kontaktiert, wobei der Kühlkörper aus zwei mindestens einen internen, mit Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal enthaltenden Kühlkörperhälften zusammengesetzt wird und die beiden Kühlkörperhälften im Grünzustand zusammengesetzt und danach gesintert werden, so daß ein einstückiger Kühlkörper entsteht, nach Patent 39 08 996, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Kühlkörpers (1) senkrecht zu beiden Böden orientierte, von Boden zu Boden reichende, mit jeweils mindestens einem Boden stoffschlüssig verbundene, im Strömungsweg des Kühlmittels befindliche Zapfen (15, 16, 17, 15a, 15b, 15c) angeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (15) im Querschnitt quadratisch ausgebildet werden, wobei eine Diagonale ihres Querschnitts parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmittels verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (16) im Querschnitt rautenförmig ausgebildet werden, wobei eine Diagonale ihres Querschnitts parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmittels verläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (17) im Querschnitt kreisrund ausgebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen im Querschnitt oval ausgebildet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufenden Ebene spiegelsymmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften (18, 19) zusammengesetzt wird, wobei die Zapfen (15a, 15b) sich aufeinander abstützen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufenden Spiegelebene unsymmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften (20, 21) zusammengesetzt wird, wobei jeweils ein Zapfen (15c) stoffschlüssig mit dem Boden der einen Kühlkörperhälfte (20) verbunden wird und sich gegen den Boden der weiteren Kühlkörperhälfte abstützt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) zwei sich gegenüberliegende, stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbundene Anschlußstutzen (5, 6) für Kühlmittelzu- und -abfuhr aufweist, deren zum externen Anschluß geeignete Endstücke derart rechtwinklig abgebogen werden, daß sie parallel verlaufen und zur gleichen Seite weisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus Aluminiumnitrid hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus Berylliumoxid hergestellt wird.