DE10327530A1 - Vorrichtung mit wenigstens einer von einem zu kühlenden Funktionselement gebildeten Wärmequelle, mit wenigstens einer Wärmesenke und mit wenigstens einer Zwischenlage aus einer thermischen leitenden Masse zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke sowie thermische leitende Masse, insbesondere zur Verwendung bei einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung mit wenigstens einer von einem zu kühlenden Funktionselement gebildeten Wärmequelle, mit wenigstens einer Wärmesenke und mit wenigstens einer Zwischenlage aus einer thermischen leitenden Masse zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke sowie thermische leitende Masse, insbesondere zur Verwendung bei einer solchen Vorrichtung Download PDF

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ELECTROVAC GESMBH KLOSTERNEUBU
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Vorrichtung mit einer, beispielsweise von wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauelement gebildeten oder ein derartiges Bauelement aufweisenden Wärmequelle, mit einer Wärmesenke sowie mit einer zwischen Wärmequelle und Wärmesenke vorgesehenen Zwischenlage aus einem wärmeleitenden Material.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung oder Vorrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine thermisch leitende Masse für die Zwischenlage einer solchen Vorrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 36.
  • Unter „Wärmequelle" ist im Sinne der Erfindung generell ein Teil der Vorrichtung oder Anordnung zu verstehen, welcher wenigstens ein Wärme erzeugendes Funktionselement, beispielsweise ein entsprechendes Bauteil oder eine Bauteilgruppe enthält. Im Speziellen sind unter „Wärmequelle" im Sinne der Erfindung insbesondere ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, eine Gruppe aus mehreren derartigen Bauteilen, ein integrierter Schaltkreis oder aber auch eine elektrische oder elektronische Schaltung zu verstehen, die ein oder mehrere derartige Bauteile, integrierte Schaltkreise usw. enthält.
  • Unter „Wärmesenke" ist im Sinne der Erfindung generell ein Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Anordnung zu verstehen, an welches die Wärme der Wärmequelle beispielsweise zum Kühlen möglichst optimal übertragen werden soll. Im Speziellen ist unter „Wärmesenke" im Sinne der Erfindung insbesondere auch ein Teil der erfindungsgemäßen Anordnung zu verstehen, welcher zum Kühlen der elektrischen oder elektronischen Komponenten bzw. Bauteile dient.
  • „Thermisch leitende Masse" ist im Sinne der Erfindung insbesondere ein Material im flüssigen, zähflüssigen, pastösen oder festen Zustand zu verstehen, welches als Zwischenlage zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke eine optimale Wärmeübertragung auf möglichst großer Fläche sicherstellt, und zwar auch dann, wenn die entsprechenden, für die Wärmeübertragung vorgesehenen Flächen (Wärmeübertragungsflächen) zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke beispielsweise produktionsbedingt nicht völlig plan ausgeführt sind und/oder eine nicht erhebliche Rauheit aufweist.
  • Bei elektrischen oder elektronischen Bauelementen, speziell auch bei solchen für hohe Leistungen oder aber bei derartige Bauelemente aufweisenden Schaltkreisen oder Modulen ist eine möglichst optimale Kühlung und Ableitung von Verlustwärme unerläßlich. Eine nicht ausreichende Kühlung führt u.a. zu einer Zerstörung der Bauelemente und damit zu einer Reduzierung der Lebensdauer des betreffenden Schaltkreises oder Moduls. Um eventuelle Unebenheiten und/oder Rauheiten an den einander benachbarten Wärmeübertragungsflächen, beispielsweise Boden- oder Kühlfläche eines Bauelementes, eines elektrischen oder elektronischen Schaltkreises oder eines Moduls und einer Wärmesenke (beispielsweise passiver oder aktiver Kühler) auszugleichen, ist es üblich und bekannt, zwischen diesen Wärmeübertragungsflächen eine Zwischenlage aus einer Wärmeleitpaste vorzusehen. Nachteilig hierbei ist aber u.a., daß bekannte Wärmeleitpasten vielfach nach einer gewissen Betriebsdauer eine nicht unerhebliche Reduzierung ihrer ursprünglichen Wärmeleitfähigkeit aufweisen, so daß die angestrebte Kühlwirkung des betreffenden Bauelementes, Schaltkreises oder Moduls verloren geht. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei solchen Anwendungen, bei denen während des Betriebes eine ständige Änderung der Verlustleistung und damit ein ständiger Temperaturwechsel eintreten, wie dies beispielsweise beim Schalten eines elektrischen Antriebs der Fall ist. In diesem Fall führt nach einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis der Temperaturwechsel am Übergang zwischen der Wärmequelle (Bauelement, Schaltkreis oder Modul) und der Wärmesenke offenbar zu einem mechanischen Pumpeffekt, mit der Wirkung, daß die Wärmeleitpaste, insbesondere auch die die Wärmeleitfähigkeit dieser Paste bewirkenden Komponenten zunehmend in einem reduzierten Flächenbereich, beispielsweise im Randbereich der Wärmeübertragungsflächen zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke konzentriert werden, so daß eine starke Reduzierung der tatsächlich für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Fläche und somit eine Verschlechterung der Kühlwirkung eintreten.
  • Dieses Problem wird noch durch die Miniaturisierung und durch die damit einhergehende Erhöhung der Leistungsdichte insbesondere bei Leistungsmodulen verstärkt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung aufzuzeigen, die diese Nachteile vermeidet und eine auch über eine lange Betriebsdauer stabile Wärmeübertragung zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Anordnung oder Vorrichtung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine thermisch leitende Masse, die insbesondere auch für die Zwischenlage der erfindungsgemäßen Anordnung geeignet ist, ist entsprechend dem Patentanspruch 36 ausgebildet.
  • Allein schon durch die in der organischen Matrix enthaltenden Nanofasern weist die zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke vorhandene Zwischenlage bzw. die thermisch leitende Masse dieser Zwischenlage eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Weiterhin ist diese Zwischenlage durch die Verwendung der Nanofasern auch über eine lange Betriebszeit stabil, d.h. speziell selbst bei häufigen Temperaturwechseln im Bereich dieser Zwischenlage ergibt sich keine, zumindest aber keine merkliche Veränderung dieser Schicht. Nach einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis wirken die Nanofasern also auch stabilisierend für die Zwischenlage.
    •
  • Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in vereinfachter schematischer Darstellung den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
  • 2 in Prinzipdarstellung eine Vorrichtung zum Testen der Wärmeleitfähigkeit der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Zwischenlage bzw. des für diese Zwischenlage verwendeten Materials (Wärmeleitpaste);
  • 3 in einer graphischen Darstellung die Änderung der Temperatur einer über die erfindungsgemäße Zwischenlage beheizten Probe, zusammen mit dem Temperaturverlauf bei Vergleichsmessungen
  • 4–6 in vergrößerter Darstellung die Zwischenlage bei der Vorrichtung gemäß 1 zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, und zwar bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung;
  • 7–11 verschiedene Ausführungen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • In der 1 ist 1 eine Wärmequelle, deren thermische Energie über eine Wärmesenke 2 abgeleitet werden soll. Die Wärmequelle 1 ist beispielsweise ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, vorzugsweise ein elektrisches oder elektronisches Leistungs-Bauelement, beispielsweise ein Halbleiterbauelement, wie z.B. Transistor, Mosfet, Diode, auch Laserdiode, integrierter Schaltkreis, Thyristor, Laserdiode oder dergleichen, oder aber ein elektrischer oder elektronischer Schaltkreis (auch Modul), welcher einen oder mehrere elektrische oder elektronische Bauelemente aufweist, die während des Betriebes Verlustleistung erzeugen und daher gekühlt werden müssen.
  • Die Wärmesenke 2 kann ebenfalls beliebig ausgebildet sein, und zwar in der Weise, daß sie zum Abführen der von der Wärmequelle 1 gelieferten thermischen Leistung geeignet ist. Die Wärmequelle 1 und Wärmesenke 2 sind in geeigneter Weise miteinander verbunden, so daß sie an zwei im wesentlichen planen Oberflächenseiten 1.1 bzw. 2.1 (Wärmeübertragungsflächen) einander unmittelbar benachbart sind. Beispielsweise sind die Wärmequelle 1 und Wärmesenke 2 miteinander verschraubt oder aber auf andere Weise miteinander verbunden und verspannt.
  • Um u.a. trotz unvermeidlicher, beispielsweise produktionsbedingter Rauheiten oder Unebenheiten der Oberflächenseiten 1.1 und 2.1 möglichst deren gesamte Fläche für eine optimale Wärmeübertragung zu nutzen, d.h. den Wärmeübergangswiderstand klein zu halten, ist zwischen der Wärmequelle 1 und der Wärmesenke 2 eine Zwischenlage oder -schicht 3 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Die Zwischenlage 3 bzw. das diese Zwischenlage bildende Material sind so gewählt, daß es zumindest im Betrieb der die Wärme erzeugenden Bauelemente eine Wärmeleitverbindung mit geringem Widerstand zwischen der Wärmequelle 1 und der Wärmesenke 2 herstellt, und zwar auch im Bereich von Unebenheiten der Wärmeübertragungsflächen. Weiterhin ist die Dicke der Zwischenlage 3 möglichst klein gewählt, und zwar beispielsweise so, daß mit dieser Zwischenlage 3 Unebenheiten der Oberflächenseiten 1.1 und 2.1 gerade egalisiert bzw. ausgeglichen werden.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform liegt die Dicke der Zwischenlage 3 im Bereich zwischen 0,01 und 0,5 mm.
  • Das für die Zwischenlage 3 verwendete Material besteht im einfachsten Fall aus wenigstens einer organischen Komponente als Matrix und aus in dieser organischen Komponente eingelagerten Carbon-Nanofasern, die in unterschiedlichster Form vorliegen können, beispielsweise Nanotubes mit einfacher Wandung (single-walled Nanotubes) als Nanotubes mit doppelter oder mehrfacher Wandung (multi-walled Nanotubes) oder aber in einer anderen Form, beispielsweise solche mit fischgrätenartigen Oberflächenstrukturen, die eine optimale Einbindung in die organische Matrix gewährleisten.
  • Die Nanofasern besitzen dabei eine Länge im Bereich zwischen 1 und 100 μm und eine Dicke im Bereich von etwa 1,3 nm bis 300 nm, wobei das Verhältnis von Länge zu Dicke mindestens 10 beträgt. Bei einer bevorzugten Ausführung des für die Zwischenlage 3 verwendeten Materials besitzt zumindest ein Großteil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern eine Länge größer 10 μm. Die Nanofasern sind mit ihrer Längserstreckung beispielsweise willkürlich in der Zwischenlage orientiert.
  • Der Anteil an Nanofasern in der organischen Matrix liegt im Bereich zwischen 1 bis 70 Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials bzw. der thermisch leitenden Masse, wobei mit einem Anteil zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent sehr gute Eigenschaften, insbesondere auch hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und der Stabilität erzielt werden können.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Zwischenlage 3 besteht darin, daß durch die Verwendung der Nanofasern eine stabile Struktur für die Zwischenlage erreicht ist, d.h. selbst dann, wenn die organische Matrix zumindest während des Betriebes der Wärmequelle 1 sich im flüssigen oder pastösen Zustand befindet, bleibt die die Zwischenlage 3 bildende Masse stabil bleibt, d.h. ein Entmischen oder Verdrängen der Nanofasern z.B. aus der Mitte der Oberflächenseiten 1.1 und 2.1 an deren Randbereich usw., wie dies z.B. bei bekannten Wärmeleitpasten insbesondere bei wechselnden Temperaturen an der Wärmequelle zu beobachten ist, tritt nicht ein. Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß sich die Nanofasern in der Matrix gegenseitig halten bzw. fixieren, aber auch evtl. weitere, der organischen Matrix beigemischte Zuschläge oder Komponenten.
  • Für die organische Matrix eignen sich unterschiedliche Stoffe oder Stoffgemische, die bereits bei Raumtemperatur oder in der Umgebung der Raumtemperatur, d.h. bei Temperaturen zwischen 10 und 30°C flüssig sind. Als Stoff für die organische Matrix eignen sich in diesem Fall beispielsweise Öle, wie z.B. Siliconöl. Für die organische Matrix eignen sich u.a. auch Stoffe oder Stoffgemische, die zumindest in einem Temperaturbereich, den die Wärmequelle 1 während ihres Betriebes aufweist, d.h. in einem Temperaturbereich von etwa 40 bis 80° flüssig ist. Als organische Matrix eignen sich in diesem Fall z.B. Wachse oder thermoplastische Kunststoffe.
  • Wie in der 1 mit den Pfeilen P angedeutet ist, liegen die Wärmequelle 1 und die Wärmesenke 2 über die Zwischenlage 3 angepreßt gegeneinander an, und zwar mit einem Flächendruck im Bereich zwischen etwa 0,1 bis 100 bar.
  • Die Verwendung der Nanofasern aus Kohlenstoff bzw. Carbon in der organischen Matrix hat den Vorteil, daß für die Zwischenlage 3 eine hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht ist. Bei entsprechender Wahl des Anteils an Nanofasern, beispielsweise im Bereich bis zu 10 Gewichtsprozent weist das für die Zwischenlage 3 verwendete Material auch noch elektrisch isolierende Eigenschaften auf, und zwar trotz einer Wärmeleitfähigkeit, die annähernd der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium entspricht.
  • Anstelle der vorgenannten Stoffe können auch andere organische Verbindungen, insbesondere auch elastomere organische Verbindungen als Matrixkomponente Verwendung finden, beispielsweise elastomere Kunststoffe, wie z.B. Siliconkautschuk, oder aber Polymere, beispielsweise Polycarbonat, Polypropylen, Polyäthylen usw.. Speziell die Verwendung einer Matrix aus einem elastomeren Material den Vorteil hat, daß durch die elastische Ausbildung der Zwischenlage 3 Änderungen in der Anpreßkraft P zumindest in gewissen Grenzen derart ausgeglichen werden, daß die Zwischenlage 3 innerhalb dieser Grenzen stets vollflächig gegen beide Oberflächenseiten 1.1 und 2.2 anliegt und dadurch die angestrebte großflächige Wärmeübertragung erhalten bleibt. Derartige Änderungen in der Anpreßkraft P können beispielsweise aus Änderungen der Temperatur der Wärmequelle 1 und aus hieraus resultierenden Längenänderungen der die Wärmequelle und die Wärmesenke gegeneinander verspannenden Elemente resultieren.
  • Mit der in der 2 dargestellten Versuchsanordnung wurde die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenlage 3 bestehend aus einer Matrix aus Siliconöl mit einem Anteil an Nanofasern von 10 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse getestet. Die in dieser Figur allgemein mit 4 bezeichnete Versuchsanordnung besteht im wesentlichen aus zwei quadratischen Platten 5.1 und 5.2 aus Metall, nämlich aus Aluminium. Die beiden Platten weisen jeweils eine Kantenlänge von 5 cm und eine Dicke von 0,2 cm auf und sind parallel zueinander und voneinander beabstandet vorgesehen, und zwar mit einem Spalt 6 von 150 μm. An der der Platte 5.2 abgewandten Oberflächenseite der Platte 5.1 ist eine elektrische Heizvorrichtung 5.3 vorgesehen, und zwar mit einer Leistung von 1,2 Watt. Die Platte 5.2 ist an ihrer der Platte 5.1 abgewandten Oberflächenseite eingeschwärzt, und zwar derart, daß mit Hilfe einer Infrarotkamera 7 die Temperatur der Platte 5.2 berührungslos gemessen werden kann.
  • In der 3 ist der zeitliche Verlauf der mit der Infrarotkamera 7 gemessenen Temperatur wiedergegeben, und zwar mit der dortigen Kurve a für den Fall eines Luftspaltes 6 von 150 μm zwischen den beiden Platten 5.1 und 5.2, mit der Kurve b für den Fall, daß der Spalt 6 mit reinem Aluminium ausgefüllt ist, und mit der Kurve c für den Fall, daß der Spalt 6 mit dem Material der Zwischenlage 3, d.h. mit einer Paste bestehend aus der organischen Matrix aus Siliconöl mit einem Anteil von Carbon-Nanofasern von 10 Gewichtsprozent überbrückt ist.
  • Wie die 3 zeigt, ist die Kurve c in ihrem Verlauf deutlich an die Kurve b angenähert und verläuft auch deutlich oberhalb der Kurve a, was den vorteilhaften hohen Wärmeleitkoeffizienten der Masse bestehend aus der organischen Matrix und den Nanofasern bestätigt.
  • Durch eine entsprechende Behandlung der Nanofasern, nämlich durch einen Graphitisierungsschritt bei einer Prozeßtemperatur im Bereich zwischen etwa 2700 und 3100 °C können die thermische Leitfähigkeit der Nanofasern und damit die thermische Leitfähigkeit der diese Nanofasern enthaltenen Masse noch weiter verbessert werden.
  • Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß die die Zwischenlage 3 bildende Masse lediglich aus der organischen Matrix und den beigemischten Nanofasern besteht. Weitere Komponenten oder Zusätze sind denkbar, beispielsweise wärmeleitende Keramiken in Pulverform, beispielsweise Al2O3, Aln, BN, Si3N4SiC, BeO, ZrO usw. sind denkbar. Anstelle hiervon oder aber zusätzlich hierzu sind weitere Zuschläge oder Komponenten möglich, beispielsweise in Form von Metallpartikeln, wie z.B. solche aus Silber, Kupfer, Gold oder aus Legierungen dieser Metalle. Speziell können als Zusätze auch Metallpartikel oder Partikel aus Metall-Legierungen verwendet sein, die (Partikel) bei Temperaturen größer 50° C in den schmelzflüssigen Zustand übergehen.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform sind die in der organischen Matrix enthaltenen Nanofasern zumindest teilweise mit wenigstens einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet, beispielsweise elektrisch bzw. elektrolytisch und/oder chemisch.
  • Die 4 zeigt nochmals in vergrößerter Teildarstellung die Zwischenlage 3 bestehend aus der organischen Matrix und den in dieser Matrix eingelagerten Nanofasern 8 und ggf. weiteren Zusätzen oder Komponenten. Die in der 4 mit 8 bezeichneten Nanofasern sind so dargestellt, daß sie zerkneult oder zerknüllt in der Matrix eingelagert sind.
  • Die 5 zeigt in einer Darstellung wie 4 die Zwischenschicht 3 bei einer weiteren möglichen Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind die Nanofasern 8 zumindest zum größten Teil mit ihrer Längserstreckung senkrecht oder annähernd senkrecht zu den Oberflächenseiten 1.1 und 2.1 ausgerichtet. Dies ist beispielsweise dadurch erreicht, daß an den aus elektrisch leitendem Material bestehenden bzw. als Elektroden wirkenden Oberflächenseiten 1.1 und 2.1 eine elektrische Spannung, beispielsweise die Spannung einer Gleichspannungsquelle 9 anliegt. Die Spannung ist dabei so gewählt, daß sich innerhalb der Zwischenlage 3 eine elektrische Feldstärke von etwa 1 Volt pro μm ergibt. Durch die Ausrichtung der Nanofasern 8 wird die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenlage 3 wesentlich verbessert. Weiterhin ergibt sich durch die anliegende Spannung auch eine zusätzliche Stabilisierung. Bei einer praktischen Ausführung kann diese geringe elektrische Feldstärke innerhalb der Zwischenlage 3 z.B. problemlos durch einen entsprechenden Potentialunterschied zwischen der Wärmequelle 1 und der Wärmesenke 2 realisiert werden.
  • Die 6 zeigt als weitere Ausführung in einer Darstellung ähnlich 4 die Zwischenlage 3, bei der die Nanofasern 8 mit ihrer Längserstreckung parallel zu den Oberflächenseiten 1.1 und 2.1 orientiert sind.
  • Abweichend von den 4–6 können die in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern zumindest zu einem Großteil auch miteinander zu einer zwei- oder dreidimensionalen Struktur verbunden sein, beispielsweise in einer Art Gewebe oder zu einem Nonwoven-Material (Vlies) oder aber zu einer dreidimensionalen porösen Struktur oder einem dreidimensionalen Netz- oder Gitterwerk.
  • In den nachfolgenden 7–10 sind verschiedene mögliche Ausführungen für die Wärmesenke 2 dargestellt. So zeigt die 7 nochmals in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit der Wärmequelle 1 und einer Wärmesenke 2a, die von einem Kühlelement oder passiven Kühler 10 mit einer Vielzahl von Kühlrippen oder Pins bzw. stiftartigen Vorsprüngen an der der Wärmequelle 1 abgewandten Seite gebildet ist. Der Kühler 10 ist zum Abführen der Wärme in dem Luftstrom eines Gebläses oder Ventilators 11 angeordnet.
  • Die 8 zeigt die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer von einem aktiven Kühler 12 gebildeten Wärmesenke. Der aktive Kühler 12 ist beispielsweise ein Mikrokühler, wie er z.B. in der DE 197 10 783 A1 beschrieben ist. Dieser Kühler 12 wird von einem Kühlmedium, beispielsweise von Wasser oder einem Wasser enthaltenen Kühlmedium durchströmt und ist hierfür in einem Kühlmittelkreislauf angeordnet, der eine Umwälzpumpe 13, einen äußeren Rückkühler 14 mit Gebläse 15 und einem Ausgleichs- oder Sammelbehälter 16 für das Kühlmedium aufweist.
  • Die 9 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Wärmesenke von einer Heat-Pipe 16 gebildet ist. Dieser Heat-Pipe 17 besitzt in ihrem langgestreckten, nach außen hin hermetisch verschlossenen Gehäuse ein durch Erwärmen verdampfbares Kühlmedium, beispielsweise Alkohol oder ein anderes verdampfbares organisches Medium. Weiterhin sind in dem geschlossenen, langgestreckten Gehäuse wenigstens zwei parallele Strömungswege vorgesehen, die zumindest an den beiden Enden des Gehäuses miteinander in Verbindung stehen, und zwar ein kanalartiger Strömungsweg für das verdampfte Kühlmedium und ein kapillarartiger Strömungsweg für die flüssige Phase des Kühlmediums. An einem Ende der Heat-Pipe 17 ist über die Zwischenlage 3 die Wärmequelle 1 angeschlossen. Am anderen Ende der Heat-Pipe 17 befindet sich ein beispielsweise eine Vielzahl von Kühlrippen oder entsprechende Vorsprünge oder Pins aufweisender Kühler 18, der im Luftstrom eines Gebläses 19 angeordnet ist.
  • Die 10 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die Wärmesenke 2 von einer als Wärmespreizer dienenden Heat-Pipe 20 und von einem dem Kühler 10 entsprechenden Kühler 21 gebildet ist. Der Kühler 21 befindet sich wiederum im Luftstrom eines nicht dargestellten Gebläses oder aber der Kühler 21 ist entsprechend dem Kühler 12 als aktiver, d.h. von einem Kühlmittel durchströmter Kühler, beispielsweise als Mikrokühler ausgebildet. Die Heat-Pipe 20 entspricht in ihrer Wirkungsweise der Heat-Pipe 17, allerdings mit dem Unterschied, daß der Bereich, an dem die Wärmequelle 1 vorgesehen ist, sich in der Mitte des Gehäuses der Heat-Pipe 20 befindet, diese also zumindest bezogen auf eine senkrecht zur Oberflächenseite 1.1 der Wärmequelle 1 orientierten Ebene symmetrisch ausgebildet ist.
  • Sowohl zwischen der Wärmequelle 1 und der Oberseite der Heat-Pipe 20, als auch zwischen der Unterseite dieser Heat-Pipe und der benachbarten Fläche des Kühlers 21 ist jeweils eine der Zwischenlage 3 entsprechende Zwischenlage oder Zwischenschicht vorgesehen. Weiterhin sind bei allen in den 7–10 dargestellten Ausführungsformen selbstverständlich die beidseitig von der jeweiligen Zwischenlage 3 angeordneten Komponenten in der oben beschriebenen Weise gegeneinander verspannt, und zwar mit einem Flächendruck im Bereich zwischen 0,1 bis 100 bar.
  • Die 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf der in dieser Figur wieder allgemein mit 2 bezeichneten Wärmesenke eine unter Verwendung eines Keramik- Metall-Substrates, vorzugsweise eines Kupfer-Keramik-Substrates hergestellter elektronischer Schaltkreis 23 vorgesehen ist. Dieser ist wenigstens ein elektrisches bzw. elektronisches Leistungs-Bauelement 24, beispielsweise eine Diode, ein Halbleiter-Schalt- oder Steuerelement, wie Transistor (auch Mosfet), Thyristor usw. oder eine Laserdiode. Das Substrat 22 besteht in an sich bekannter Weise aus einer Keramikschicht, beispielsweise aus einer Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik und ist beidseitig z.B. unter Verwendung des ebenfalls bekannten DCB- oder Aktivlöt-Prozesses mit einer von einer Metallfolie, beispielsweise Kupferfolie gebildeten Metallisierung versehen. Die obere Metallisierung 22.2 ist in Leiterbahnen, Kontaktflächen usw. strukturiert. Auf dieser Metallisierung ist auch das Leistungsbauelement 24 beispielsweise durch Auflöten befestigt. Die untere Metallisierung 22.3 dient der Wärmespreizung und Kühlung und ist über die Zwischenlage 3 mit der Wärmesenke 2 verbunden, die wiederum beliebig und dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend ausgestaltet sein kann, beispielsweise auch in einer Weise, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den 7–10 beschrieben wurde.
  • Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
    • 1
    Wärmequelle
    1.1
    Wärmeübertragungsfläche oder Oberflächenseite
    der Wärmequelle
    2
    Wärmesenke
    2.1
    Wärmeübertragungsfläche bzw. Oberflächenseite
    der Wärmesenke
    3
    Zwischenlage oder Zwischenschicht
    4
    Meß- oder Prüfanordnung
    5.1, 5.2
    Platte aus Aluminium
    5.3
    elektrische Heizvorrichtung an Platte 5.1
    6
    Zwischenraum
    7
    Infrarot-Kamera zur berührungslosen
    Temperaturmessung
    8
    Nanofaser
    9
    Spannungsquelle
    10
    passives Kühlelement
    11
    Gebläse
    12
    aktiver Kühler
    13
    Umwälzpumpe
    14
    Rückkühler
    15
    Gebläse
    16
    Ausgleichsbehälter
    17
    Heat-Pipe
    18
    Kühlelement
    19
    Gebläse
    20
    Heat-Pipe als Wärmespreizer
    21
    Kühler
    22
    Metall-Keramik-Substrat
    22.1
    Keramikschicht
    22.2, 22.3
    Metallisierung
    23
    elektrischer bzw. elektronischer Schaltkreis
    24
    elektrisches bzw. elektronisches
    Leistungsbauelement
    a, b, c
    zeitlicher Temperaturverlauf

Claims (58)

  1. Vorrichtung mit einer, beispielsweise von wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauelement gebildeten oder ein derartiges Bauelement aufweisenden Wärmequelle (1), mit einer Wärmesenke (2) sowie mit einer zwischen Wärmequelle und Wärmesenke vorgesehenen Zwischenlage (3) aus einem wärmeleitenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (3) aus einer organischen Matrix mit eingelagerten Nanofasern besteht, und daß die Wärmequelle (1) und die Wärmesenke (2) mit wärmeübertragenden Flächen (1.1, 2.1) gegen die Zwischenlage (3) mit einem Flächendruck im Bereich von etwa 0,1 bis 100 bar angepreßt anliegen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix zumindest bei der Betriebstemperatur der Vorrichtung bzw. der Wärmequelle (1) einen pastösen oder flüssigen, beispielsweise zähflüssigen Zustand aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix bereits bei Raumtemperatur d.h. bei einer Temperatur im Bereich zwischen 10 bis 30°C den pastösen oder flüssigen Zustand aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix in einem Temperaturbereich größer als 30°C, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 40 bis 80°C den pastösen oder flüssigen Zustand aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix wenigstens ein Öl, beispielsweise ein synthetisches Öl, wie Siliconöl enthält.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix zumindest teilweise ein Elastomer, beispielsweise ein vollständig oder nur teilweise vernetztes Elastomer, z.B. Kunststoff-Elastomer, beispielsweise Siliconkautschuk enthält.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix zumindest teilweise ein Polymer, z.B. Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Nanofasern in der Matrix 1 bis 70 Gewichtsprozent bezogen auf die gesamte Masse der Zwischenlage (3) beträgt, vorzugsweise etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern eine Dicke im Bereich von etwa 1,3 nm bis 300 nm aufweisen, wobei das Längen/Dicken-Verhältnis bei einem Großteil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern größer als 10 ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Nanofasern zumindest bei einem Großteil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern im Bereich zwischen 1–100 μm beträgt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenlage (3) im Bereich zwischen 0,01–0,5 mm liegt.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest zum Teil solche aus Kohlenstoff sind.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest zum Teil solche aus Bornitrid und/oder Wolframkarbid sind.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern (8) in der organischen Matrix bezüglich ihrer Längserstreckung willkürlich orientiert und/oder verknäult angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern (8) in der organischen Matrix zumindest zum Großteil mit ihrer Längserstreckung gleichsinnig orientiert sind, beispielsweise senkrecht oder quer zu den benachbarten Wärmeübertragungsflächen (1.1, 2.1) oder parallel oder annähernd parallel zu den Wärmeübertragungsflächen (1.1, 2.1).
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel (9) zur Orientierung und/oder zur Aufrechterhaltung der Orientierung der Nanofasern in der organischen Matrix, beispielsweise durch Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Feldstärke in der organischen Matrix.
  17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern eine zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur bilden, in der die Nanofasern miteinander verknüpft sind, beispielsweise in Form eines Gewebes und/oder einer gewebeartigen Struktur, einer Nonwoven-Material-Struktur und/oder einer netz- oder gitterartigen Struktur.
  18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix weitere Komponenten oder Zusätze, beispielsweise in einem gegenüber dem Anteil an Nanofasern geringeren Anteil enthält.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix als Zusatz wenigstens eine wärmeleitende Keramik in feinen Partikeln oder Pulverform enthält, beispielsweise Al2O3, AlN, BN, Si3N4, SiC, BeO, ZrO.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix als Zusatz wenigstens ein Metall und/oder eine Metallverbindung und/oder -legierung in Form von feinen Partikeln oder in Pulverform enthält, beispielsweise wenigstens ein Metall der Gruppe Silber, Kupfer, Gold.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix als Zusatz in Form von feinen Partikeln oder in Pulverform wenigstens ein Material und/oder einer Materialverbindung und/oder -legierung enthält, die wärmeleitend ist und bei Temperaturen größer 50°C in den schmelzflüssigen Zustand übergeht.
  22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest teilweise Nanotubes, beispielsweise einwandige und/oder mehrwandige Nanotubes sind.
  23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest teilweise mit wenigstens einem Metall beschichtet sind.
  24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kohlenstoff bestehenden Nanofasern solche sind, die vor dem Einlagern in die organischen Matrix eine Hitzebehandlung bzw. einem Graphitisierungsschritt bei einer Temperatur von 2700–3100°C unterzogen wurden.
  25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (1) von wenigstens einem elektronischen Bauelement, z.B. Diode, Halbleiterschalt- oder Steuerelement (Transistor, Mosfet), oder von einem integrierten Bauteil gebildet ist.
  26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (1) von wenigstens einem Schaltkreis oder Modul mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (24) gebildet ist, das auf einem Metall-Keramik-Substrat (22) angeordnet ist, welches unter Verwendung des DCB-Prozesses oder des Aktivlötverfahrens hergestellt ist, wobei die Zwischenlage (3) zwischen einer Metallisierung (22.3) des Substrates und einer dieser Metallisierung benachbarten Wärmeübertragungsfläche (2.1) angeordnet ist.
  27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (1) von einem Mikroprozessor gebildet ist.
  28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (1) wenigstens eine Laserdiode oder ein Laserdiodenbarren ist.
  29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (2) von einem passiven Kühler (10) mit Kühlrippen, Kühlstiften oder ähnlichen Strukturen gebildet ist.
  30. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (2) wenigstens einen von einem Kühlmedium, beispielsweise von Wasser durchströmten aktiven Kühler (12) aufweist.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kühler (12) Teil eines Kühlmittelkreislaufs ist.
  32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke wenigstens eine Heat-Pipe (17, 20) aufweist, und daß zumindest zwischen der Wärmequelle (1) und einer von der Heat-Pipe gebildeten Kühlfläche die Zwischenlage (3) vorgesehen ist.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß an der Heat-Pipe ein Kühler oder Wärmetauscher (18, 21) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise zwischen der Heat-Pipe und diesem Wärmetauscher oder Kühler wenigstens eine Zwischenlage vorgesehen ist.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Heat-Pipe (17) als Wärmepumpe wirkt.
  35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32–34, dadurch gekennzeichnet, daß die Heat-Pipe (20) als Wärmespreizer wirkt.
  36. Thermisch leitende Masse, z.B. Wärmeleitpaste zur Bildung einer Zwischenlage (3) zwischen einer Wärmequelle (1) und einer Wärmesenke (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus einer organischen Matrix mit eingelagerten Nanofasern besteht.
  37. Thermisch leitende Masse nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix zumindest bei der Betriebstemperatur der Vorrichtung bzw. der Wärmequelle (1) einen pastösen oder flüssigen, beispielsweise zähflüssigen Zustand aufweist.
  38. Thermisch leitende Masse nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix bereits bei Raumtemperatur d.h. bei einer Temperatur im Bereich zwischen 10 bis 30°C den pastösen oder flüssigen Zustand aufweist.
  39. Thermisch leitende Masse nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix in einem Temperaturbereich größer als 30°C, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 40 bis 80°C den pastösen oder flüssigen Zustand aufweist.
  40. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix wenigstens ein Öl, beispielsweise ein synthetisches Öl, wie Siliconöl enthält.
  41. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix zumindest teilweise ein Elastomer, beispielsweise ein vollständig oder nur teilweise vernetztes Elastomer, z.B. Kunststoff-Elastomer, beispielsweise Siliconkautschuk enthält.
  42. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix zumindest teilweise ein Polymer, z.B. Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen ist.
  43. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Nanofasern in der Matrix 1 bis 70 Gewichtsprozent bezogen auf die gesamte Masse der Zwischenlage (3) beträgt, vorzugsweise etwa 5 bis 20 Gewichtsprozent.
  44. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern eine Dicke im Bereich von etwa 1,3 nm bis 300 nm aufweisen, wobei das Längen/Dicken-Verhältnis bei einem Großteil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern größer als 10 ist.
  45. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Nanofasern zumindest bei einem Großteil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern im Bereich zwischen 1–100 μm beträgt.
  46. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenlage (3) im Bereich zwischen 0,01–0,5 mm liegt.
  47. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest zum Teil solche aus Kohlenstoff sind.
  48. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest zum Teil solche aus Bornitrid und/oder Wolframkarbid sind.
  49. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern (8) in der organischen Matrix bezüglich ihrer Längserstreckung willkürlich orientiert und/oder verknäult angeordnet sind.
  50. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern (8) in der organischen Matrix zumindest zum Großteil mit ihrer Längserstreckung gleichsinnig orientiert sind, beispielsweise senkrecht oder quer zu den benachbarten Wärmeübertragungsflächen (1.1, 2.1) oder parallel oder annähernd parallel zu den Wärmeübertragungsflächen (1.1, 2.1).
  51. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der in der organischen Matrix eingelagerten Nanofasern eine zweidimensionale oder dreidimensionale Struktur bilden, in der die Nanofasern miteinander verknüpft sind, beispielsweise in Form eines Gewebes und/oder einer gewebeartigen Struktur, einer Nonwoven-Material-Struktur und/oder einer netz- oder gitterartigen Struktur.
  52. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix weitere Komponenten oder Zusätze, beispielsweise in einem gegenüber dem Anteil an Nanofasern geringeren Anteil enthält.
  53. Thermisch leitende Masse nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix als Zusatz wenigstens eine wärmeleitende Keramik in feinen Partikeln oder Pulverform enthält, beispielsweise Al2O3, AlN, BN, Si3N4, SiC, BeO, ZrO.
  54. Thermisch leitende Masse nach Anspruch 52 oder 53, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix als Zusatz wenigstens ein Metall und/oder eine Metallverbindung und/oder -legierung in Form von feinen Partikeln oder in Pulverform enthält, beispielsweise wenigstens ein Metall der Gruppe Silber, Kupfer, Gold.
  55. Thermisch leitende Masse nach einem der Ansprüche 52–54, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix als Zusatz in Form von feinen Partikeln oder in Pulverform wenigstens ein Material und/oder einer Materialverbindung und/oder -legierung enthält, die wärmeleitend ist und bei Temperaturen größer 50°C in den schmelzflüssigen Zustand übergeht.
  56. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest teilweise Nanotubes, beispielsweise einwandige und/oder mehrwandige Nanotubes sind.
  57. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanofasern zumindest teilweise mit wenigstens einem Metall beschichtet sind.
  58. Thermisch leitende Masse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kohlenstoff bestehenden Nanofasern solche sind, die vor dem Einlagern in die organischen Matrix eine Hitzebehandlung bzw. einem Graphitisierungsschritt bei einer Temperatur von 2700–3100°C unterzogen wurden.
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