DE3605554A1 - Verschiessbarer kuehlkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen verschießbaren Kühlkörper der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Es sind Kühlkörper zur Kühlung von Sensoren und elektro­ nischen, insbesondere aktiven Bauelementen bekannt, die aus Rohrschlangen bestehen oder, bei planarer Anordnung, großflächige, mechanisch nur wenig stabile Komponenten besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verschieß­ baren, also einen möglichst kleinen, sehr stabilen und trotzdem preisgünstig und einfach herstellbaren Kühlkörper anzugeben, der einen guten Wärmekontakt zu den zu küh­ lenden Bauelementen ermöglicht.

Die Aufgabe wird beim Kühlkörper der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Es ist nunmehr möglich, mit wenig Aufwand und Kosten einen verschießbaren Kühlkörper mit einem extrem guten Kälte­ übergang zu den zu kühlenden Bauelementen zu realisieren, wobei der Kühlkörper aus einem Material hoher Wärmeleit­ fähigkeit direkt Träger der Bauelemente ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand von in Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1: Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlkörpers;

Fig. 2: Ansicht des Kühlkörpers nach Fig. 1 von unten;

Fig. 3: Querschnitt des Kühlkörpers nach Fig. 1 mit Aufnahmevorrichtung;

Fig. 4: Perspektivische Darstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels eines Kühlkörpers;

Fig. 5: Draufsicht auf den geöffneten Kühlkörper nach Fig. 4;

Fig. 6: Prinzip der Doppelspirale.

In Fig. 1 ist der Querschnitt eines ersten Ausführungs­ beispiels für einen Kühlkörper dargestellt. Der Kühlkörper 1 besteht aus einer pillenförmigen Keramik z.B. aus Alumi­ niumnitrid (AlN), also vorzugsweise einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit jedoch niedriger elektrischer Leit­ fähigkeit. In seinem Innern weist er einen mit einer Vielzahl von Kühlstegen 2 versehenen Hohlraum 3 auf. Kühlkörper 1 und Stege 2 bilden eine Einheit. Dadurch können die zu kühlenden Bauelemente, wie z.B. IR-Sen­ soren, LASER und/oder weitere aktive und passive elektro­ nische Bauelemente unmittelbar auf die Oberfläche 41 des Kühlkörpers beispielsweise aufgelötet werden.

Die der Aufnahmefläche 41 entgegengesetzte Seite des Kühlkörpers 1 ist mit einer wärmeisolierenden Platte 5 abgeschlossen. Hierzu kann die Platte beispielsweise aus Zirkonoxyd (ZrO₂) bestehen. Ihre Montage kann beispiels­ weise durch Verlöten metallisierter Schichten erfolgen. Die Kühlkanäle lassen sich in vorteilhafter Weise mit der aus der Patentanmeldung P 32 08 196 bekannten, modifizier­ ten Ultraschallbohrvorrichtung herstellen. Hiermit lassen sich die auf den Kühlkörper aufgelötete Platte 5 und die Kanäle 3 in einem Arbeitsgang bohren. Die nach dem Bohr­ vorgang verbleibenden Teile der Platte 5 können zur Be­ festigung des Kühlkörpers benutzt werden.

Die in der Patentanmeldung P 32 08 196 beschriebene Ultra­ schallbohrvorrichtung gestattet es, den Kühlstegen belie­ bige Formen zu geben.

In Fig. 2 ist die Ansicht des Kühlkörpers nach Fig. 1 von unten dargestellt. Wie ersichtlich, haben die Kühlstege 2 hier eine zylindrische Form und gleiche Querschnittsflä­ chen. Es kann unter Umständen vorteilhaft sein, die Quer­ schnittsflächen der Kühlstege unterschiedlich zu wählen, um dadurch eine gleichmäßige Kühlung der die zu kühlenden Bauelemente tragenden Oberfläche 41 zu gewährleisten.

Auch ist es durch eine entsprechende Gestaltung des Bohr­ werkzeugs möglich, die Bohrungen für das Kühlmittel im mittleren Bereich der Fläche 41 tiefer auszuführen.

In Fig. 3 ist der Querschnitt des Kühlkörpers nach Fig. 1 mit einer Aufnahmevorrichtung 8 dargestellt. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Befestigung des Kühlkörpers 1 in der Aufnahmevorrichtung 8 erfolgt durch Auflöten auf einen Träger 6, z.B. aus Zir­ konoxid, der im Zentrum in diesem Ausführungsbeispiel eine Eintrittsöffnung E für das Kühlmittel besitzt. Die Aus­ trittsöffnungen A können in der Aufnahmevorrichtung 8 vorgesehen sein. Durch den Einbau eines schlecht wärme­ leitenden Dichtringes 11 wird das Eintreten des Kühlmit­ tels in den Raum des eigentlichen Sensors verhindert. Außerdem ist auf diese Weise ein thermisch und elektrisch isolierter Aufbau des Sensors gewährleistet.

Der Kühlkörper kann in beliebigen Größen und Ausführungen hergestellt werden und dadurch dem jeweiligen Verwendungs­ zweck angepaßt werden.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Kühlkörpers perspektivisch dargestellt.

Gleiche Bauelemente oder Bauelemente mit gleicher Funktion wie in den vorangegangen Figuren sind wiederum mit glei­ chen Bezugszeichen versehen. Der pillenförmige und planare Kühlkörper 1 mit wärmeisolierender Platte 5 besitzt eine Aufnahmefläche 4, auf das ein Halbleiterchip 22 aufgelötet ist. Das Halbleiterchip trägt insbesondere die zu kühlen­ den Bauelemente. Die Zuleitungen zu dem Halbleiterchip sind mit 22 bezeichnet.

Zur Kühlung wird das Kühlmittel am Stutzen mit der Ein­ trittsöffnung E eingebracht und kann am Stutzen mit der Austrittsöffnung A entweichen.

Fig. 5 zeigt die Innenansicht des Kühlkörpers nach Fig. 4. Es ist praktisch nur ein einziger Kühlsteg vorhanden, der jedoch als ineinandergeschachtelte Doppelspirale ausge­ bildet ist. Der dabei entstehende Hohlraum bildet dadurch für das Kühlmittel einen zum Mittelpunkt M des Kühlkörpers und von dort in entgegengesetzter Richtung einen nach außen spiralförmig verlaufenden Kanal 3. Dadurch wird eine gleichmäßige Kühlung des Kühlkörpers erzielt. Der spiral­ förmig verlaufende Kanal für das Kühlmittel ist in vor­ teilhafter Weise an der Eintrittsöffnung E des Kühlmittels eng und an der Austrittsöffnung A weit. Der spiralförmige Kanal hat im Kühlkörper eine kontinuierliche Querschnitts­ zunahme. Die Erweiterung des Kanalquerschnitts kann sowohl in der Tiefe als auch in der Breite oder auch in beiden Richtungen erfolgen. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 zeigt beispielsweise, daß diese Querschnittsänderung dadurch erzielt wird, daß der Abstand benachbarter Steg­ abschnitte 2 und 21 unterschiedlich ausgebildet ist. Ein gewünschter unterschiedlicher Querschnitt des Kühlkanals kann auch dadurch realisiert werden, daß bei konstanter Breite des Kühlkanals seine Tiefe kontinuierlich zunimmt.

Ist eine besonders starke Kühlung des Zentrums des Kühl­ körpers erwünscht, so kann in vorteilhafter Weise durch Verringerung des Stegabstandes in der Mitte M der Spirale der Kanal für das Kühlmittel zu einer Düse D verengt werden.

In Fig. 6 ist das Prinzip der miteinander verbundenen Doppelspiralen für den Kühlkanal des Kühlmittels schema­ tisch dargestellt, so daß die Querschnittszunahme des Kanals zwischen Eintrittsöffnung E und Austrittsöffnung A deutlich erkennbar ist.

Ist in der Mitte M des Kühlkörpers eine Düse D vorgesehen, so genügt es, den Kanalabschnitt zwischen Eintrittsöffnung E und Düse D mit einem gleichbleibend engeren Querschnitt auszubilden als den Kanalabschnitt zwischen Düse D und Austrittsöffnung A.

Die Herstellung der Kühlkörper erfolgt auch für dieses Ausführungsbeispiel zweckmäßig und kostengünstig mittels der aus der Patentanmeldung P 32 08 196 bekannten Ultra­ schallbohrvorrichtung, in dem ein bandförmiges Werkzeug gewickelt wird und dieses mit der Sonotrode verlötet wird. Die gewünschten Querschnittsänderungen lassen sich durch die Kontur des Werkzeugs bestimmen, das im Fall der Fig. 5 aus einem gegenläufig gewickelten Band mit einer der Aufgabe entsprechenden Querschnittsänderung besteht. Soll die Querschnittsänderung in der Tiefe des Strömungskanals erfolgen, wird das Maß für die Höhe der Niveauänderung durch die Steigung des Werkzeugs gegeben.

Die vorgeschlagene Lösung bietet die Möglichkeit, Kühl­ körper für kryogene Temperaturbereiche unter Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts herzustellen. Hierbei wird das vorlaufende Kühlmittel durch das rücklaufende Kühlmittel gekühlt und dadurch die Effizienz des Kühlkörpers gestei­ gert.

Claims (10)

1. Verschießbarer Kühlkörper zur Kühlung von elektroni­ schen Bauelementen mittels eines den Kühlkörper durch­ fließenden Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus einer pillenförmigen Keramik hoher Wärmeleitfähigkeit besteht,
daß er einen mit mindestens einem Kühlsteg (2) versehenen Hohlraum (3) mit einer Eintrittsöffnung (E) und einer Austrittsöffnung (A) für das Kühlmittel aufweist,
daß der Kühlkörper (1) mit dem(n) Kühlsteg(en) (2) eine Einheit bildet und
daß der Kühlkörper (1) Träger der zu kühlenden Bauelemente ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus Aluminiumnitrid besteht.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die der Aufnahmefläche (41) für die zu kühlenden Bauelemente gegenüberliegende Seite des Kühl­ körpers mit einer wärmeisolierenden Platte (5) abgeschlos­ sen ist.

4. Kühlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Platte (5) auf den Kühlkörper aufgelötet ist und aus Zirkonoxyd besteht.

5. Kühlkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zylinderförmige Kühl­ stege (2) vorgesehen sind.

6. Kühlkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstege (2) unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.

7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein Kühlsteg vorhanden ist, der als ineinandergeschachtelte Doppelspirale ausgebildet ist, derart, daß der Hohlraum für das Kühlmittel einen zum Mittelpunkt (M) des Kühlkörpers und von dort in entgegen­ gesetzter Richtung einen nach außen spiralförmig verlau­ fenden Kanal (3) bildet.

8. Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand benachbarter Stegabschnitte (2; 21) unter­ schiedlich ist, so daß der Querschnitt des Kanals (3) für das Kühlmittel in Richtung Austrittsöffnung (A) zunimmt.

9. Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe benachbarter Stegabschnitte (2; 21) unter­ schiedlich ist, derart, daß bei gleichbleibender Stegdicke der Querschnitt des Kanals (3) für das Kühlmittel in Richtung Austrittsöffnung (A) zunimmt.

10. Kühlkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stegabstand für das Kühlmittel im Mit­ telpunkt (M) des Kühlkörpers eine Düse (D) bildet.