DE1255823B - Verfahren zum Herstellen von Kuehlkoerpern fuer elektrische Bauelemente aus auf einem Bolzen senkrecht zur Laengsachse angeordneten Kuehlplatten, insbesondere fuer Halbleiterleistungsgleichrichter und Transistoren - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Kuehlkoerpern fuer elektrische Bauelemente aus auf einem Bolzen senkrecht zur Laengsachse angeordneten Kuehlplatten, insbesondere fuer Halbleiterleistungsgleichrichter und Transistoren

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DE1255823B DEST15123A DEST015123A DE1255823B DE 1255823 B DE1255823 B DE 1255823B DE ST15123 A DEST15123 A DE ST15123A DE ST015123 A DEST015123 A DE ST015123A DE 1255823 B DE1255823 B DE 1255823B
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Description

DEUTSCHES
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PATENTSCHRIFT
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Ausgabetag:
P 12 55 823.5-33 (St 15123)
13. Mai 1959
7. Dezember 1967
11. September 1969
Patentschrift weicht von der Auslegeschrift ab
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern, die zur Ableitung der Wärme dienen, welche elektrische Bauelemente bei ihrem Betriebe entwickeln.
Es ist bereits bekannt, daß viele elektrische Bauelemente während ihres Betriebes Wärmemengen entwickeln, welche die Temperatur des Bauelements unzulässig erhöhen können. Zur Ableitung der entwickelten Wärme kann entweder das betreffende Bauelement so ausgebildet werden, daß es der umgebenden Luft eine möglichst große Oberfläche bietet, oder das Bauelement wird mit einem zusätzlichen Kühlkörper versehen, der die Wärme vom Bauelement ableitet und entweder infolge seiner großen Wärmeaustauschfläche an die umgebende Luft oder eine zirkulierende Flüssigkeit abgibt.
Besonders wichtig sind solche Kühlkörper bei elektrischen Halbleiterbauelementen, wie z. B. bei Leistungsgleichrichtern oder Leistungstransistoren, da diese Bauelemente beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur vollkommen unbrauchbar werden.
Es ist bekannt, elektrische Bauelemente, wie insbesondere Halbleitergleichrichter und Transistoren, hoher Leistung mit Kühlrippen zu versehen oder sie mit einem getrennt hergestellten Kühlkörper zu verbinden, der die Wärme ableitet. Solche Kühlkörper bestehen aus einem Metall guter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, Silber oder Aluminium, und haben infolge ihrer Bauart eine so große Oberfläche, daß die im Betrieb im elektrischen0 Bauelement erzeugte Wärmemenge ohne weiteres an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird. Solche Kühlkörper bestehen meist aus fächerförmig angeordneten Kühlplatten, zwischen welchen die Luft hindurchstreicht und dabei die Wärme von den Kühlplatten aufnimmt.
Bisher wurden solche Kühlkörper aus ihren Einzelteilen unter Verwendung von Schrauben oder Nieten zusammengebaut oder die einzelnen Teile miteinander durch Schweißen oder Löten verbunden. Abgesehen davon, daß bei diesen Herstellungsverfahren mehrere Verfahrensschritte zur Herstellung der Kühlkörper erforderlich sind, werden bei diesen Kühlkörpern oft Wärmestauungen beobachtet, die von Stellen schlechten Wärmeübergangs im Kühlkörper herrühren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung solcher Kühlkörper anzugeben, bei dem die obengenannten Nachteile vermieden werden.
Das Verfahren zum Herstellen von Kühlkörpern für elektrische Bauelemente, insbesondere für HaIb-
Verfahren zum Herstellen von Kühlkörpern
für elektrische Bauelemente aus auf einem Bolzen senkrecht zur Längsachse angeordneten
Kühlplatten, insbesondere für
Halbleiterleistungsgleichrichter und
Transistoren s; ,
Patentiert für ;
Deutsche ITT Industries
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19
Als Erfinder benannt:
Hans Wagner, Nürnberg
leiterleistungsgleichrichter und Transistoren, aus auf einem Bolzen senkrecht zur Längsachse angeordneten Kühlplatten wird erfindungsgemäß in der Weise durchgeführt, daß der Bolzen nach Aufschieben der
as Kühlplatten in axialer Richtung so gestaucht wird, daß die Kühlplatten durch das auftretende Fließen des Bolzenmaterials an den Berührungsstellen eingebettet und dadurch nach dem Erstarren des Bolzenmaterials mechanisch fest und gut wärmeleitend mit dem Bolzen verbunden werden.
Bei diesem Verfahren werden nur ganz einfache Stanz- und Drehteile verwendet, die in einem einzigen Verfahrensschritt zu dem fertigen Kühlkörper verbunden werden; Die Verbindung erfolgt ohne Verwendung von zusätzlichen Elementen, wie Schrauben, Nieten usw., und ohne Verwendung eines Löt- oder Schweißmittels. Da bei der Verbindung der einzelnen Teile keine Erhitzung erfolgt, wird die Struktur des Materials im wesentlichen nicht verändert. Gleichzeitig wird ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem Bolzen und den einzelnen Kühlplatten erzielt, was für die Kühlleistung wesentlich ist. .
Die Kühlkörper können aus jedem geeigneten Material mit guter Wärmeleitung hergestellt werden, wobei jedoch darauf geachtet werden muß, daß das Material des Bolzens sich durch Stauchen verformen läßt, ohne daß Risse im Material auftreten. Zweckmäßig Verwendet man für den Bolzen Weichaluminium und für die Kühlplatten härteres Aluminium. Es ist aber ebenso möglich, ein anderes Metall, beispielsweise Kupfer, zu verwenden.
: 909 637/521
Weitere Einzelheiten des Verfahrens gemäß der Erfindung sollen an Hand der Figuren näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt einen Bolzen zur Herstellung eines Kühlkörpers nach dem Verfahren gemäß der Erfindung im Querschnitt und ^
Fig. 2 eine entsprechende Kühlplatte; in
F i g. 3 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Kühlkörpern nach dem. Verfahren gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt;
F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fi g. 3 längs der Schnittlinie A-A; in
F i g. 5 ist ein Schnitt durch einen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Kühlkörper dargestellt;
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine andere Äusführüngsform eines gemäß der Erfindung hergestellten Kühlkörpers in Verbindung mit einem Leistungsgleichrichter und einer Grundplatte.
Der in Fig. 1 dargestellte Bolzen besteht beispielsweise aus dem Drehkörper 1 aus Aluminium und der eingepreßten Kupfermüffe 2. Das Kupferteil 2 dient dazu, einen guten Wärmeübergang zwischen dem Bolzen 1 und dem wärnieabgebenden Bauelement herzustellen. Die Kupfermuffe wird zweckmäßig vor dem Einpressen in den Aluminiumbolzen versilbert, um einen gujen elektrischen und Wärmeübergang sicherzustellen und Korrosionen zu verhüten. Der in Fig. 1 dargestellte Bolzen ist stufenförmig ausgebildet, und zwar hat das dem wärrheabgebenderi Bauelement zugewandte Ende den größten Durchmesser.
Auf die einzelnen Stufen des Bolzens 1 werden nun Kühlplatten aufgesetzt, die ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z. B. Aluminium, bestehen. In Fig. 2 ist eine solche Kühlplatte dargestellt. Diese besteht beispielsweise aus einem quadratischen Aluminiumblech mit einem zentralen Loch, das dem Durchmesser einer der Stufen des Bolzens 1 entspricht. Entspreqhend der Anzahl der Stufen des Bolzens 1 müssen entsprechende Kühlplatten 3 mit verschiedenem Lochdurchmesser vorgesehen werden. Zweckmäßig haben alle Kühlplatten eines, Kühlkörpers die gleichen äußeren Abmessungen. Wenn der Kühlkörper gleichzeitig den elektrischen Anschluß für einen Pol des Bauelementes bilden soll, wird eine Kühlplatte zweckmäßigerweise mit einem Ansatz versehen, wie dies in Fig. 2 bei,4 dargestellt ist. Die Anschlußfahne 4 hat noch eine kleinere Bolirung zum Anlöten eines Anschlußdrahtes. Die Kühlplätten müssen nicht unbedingt vier-^ eckige Form haben, sondern können auch rund, oval oder yieleckig sein, je nach den Erfordernissen für die Wärmeabführung und dem zur Verfügung stehenden Raum. ,> ι, . ■
Der Bolzen mit den Kühlplatten wird nun in eine Preßvorrichtung eingelegt, die scheinatiscn;in Fig. 3 dargestellt ist. ^Wesentlich ist dabei, daß der Bolzen .1. mit dem Kupferteii 2 nach oben in einen feststehenden Oberstempel,7 eingesetzt wird und dann durch einen beweglichen Stempel 8 von unten her; gestaucht
Wird.'. ;.;':;-.;,;; v. '.;'·. ■■'■„■■-■■V" V .■■'*.-··.,λ ■-,-■■.· ^/.'ihoh'V bdov
Der Bolzen 1 'Μ£;ώ\ή$τμΉύρϊ$ί$φ2':'$τ$;-φς>.:. ihjden feststehender}; iCJbersternpel 7, !eingesetzt, der eine zentrale iBohrung besitzt, damit der, Stjft;8«,desi bewegliehen TJntei$empeis 8 darin gleiten kajin. Die einz^lben Kühipiatten ,3 werden in, entsprechende Abständspiatten eingelegt, die ihrerseits seitlich, auf einer stufenförmigeii Auflage 6 ruhen. Die Abständspiatten dienen dazu, den Abstand zwischen den einzelnen Kühlplatten während des Stauchvorgangs zu sichern und begrenzen gleichzeitig die Verdickung des gestauchten Bolzens. Außerdem verhüten sie ein Verbiegen der Kühlplatten während des Preßvörganges. -' · ; '
Zu,m besseren Verständnis der Preßvorrichtung ist
' in Fig. 4 ein Schnitt längs der Linie /1-/1 durch die Preßvorrichtung nach Fig. 3 dargestellt. Man erkennt dabei, daß jede Abstandsplatte 5 aus zwei Hälften 5 α und 5 b besteht. Die Abstandsplatte hat eine Ausnehmung, die in Ausdehnung und Tiefe genau den zu verwendenden Kühlplatten entspricht. Lediglich an den Ecken sind Bohrungen angebracht, die zum besseren Einlegen und Herausnehmen der Kühlplatten dienen.
In Fig. 3 ist die Preßvorrichtung in ihrer Ausgangsstellung dargestellt. Man erkennt, daß die einzelnen Abständspiatten auf der stufenförmigen Äuf-
ao lage 6 ruhen und die Kühlplatten in die Vertiefungen der Abständspiatten- eingelegt sind. Zwischen den einzelnen Abständspiatten ist noch ein bestimmter Zwischenraum vorhanden. Auch hat die innere Ausnehmung der Abständspiatten, die in Fig. 4 durch
as den gestrichelten Kreis dargestellt ist, einen bestimmten Abstand vom Bolzen, was sgwohl in Fig. 3 als auch in F i g. 4 zu sehen ist. ,"
Nun wird der untere Kolben 8 in der Richtung des Pfeiles nach oben bewegt, wobei gleichzeitig der Stift 8a in der Bohrung des Bolzens 1 gleitet und so verhindert, daß die Bohrung im Bolzen 1 zusammengedrückt wird. Durch den Preßdruck wird der Bolzen zunächst an der untersten Stelle so weit gestaucht, daß er den Zwischenraum zwischen den untersten Abständspiatten vollkommen ausfüllt. Dabei umfließt das Material des Bolzens die unterste Kühlplatte, so daß diese fest in den Bolzen eingebettet wird. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Unterstempels 8 wird schließlich die unterste Abstandsplatte, die nun am Unterstempel anliegt, von ihrer Auflage abgehoben und nach oben gedrückt. Dabei wird das Material des Bolzens 1 zwischen der untersten Kühlplatte und der darauffolgenden Abstandsplatte in gleicher Weise gestaucht Wie im fersten Fall und die zweite Kühlplatte im Material des Bolzens 1 befestigt. . Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Unterstempels 8 werden nun nacheinander die ein^ zeineaÄrjstandsplatten von ihrer Auflage abgehoben, bis schließliph alle Abständspiatten fest aneinahder-
liegen. Öann ist der Preßvorgang beendet, und alle Kühipiatten sind fest und gut wärmeleitend mit dem Bolzen! verbunden. Wesentlich bei dem beschriebenen Preßverfahren ist es, daß von unten nach oben gepreßt wird, damit die einzelnen Abstandsplatten von ihrer Auflage nacheinander abgehoben werden können. , v) r .....
", Ein so hergestellter Kühlkörper ist im Schnitt in Fig. 5 dargestellt. Man erkennt, unschwer, daß die einzelnen Kühlplatten an ihren mittleren Teilen vom Material des Bolzens 1 umflossen wurden und in dieses fest eingebettet sind. Durch geeignete Wahl der Dicke der Abständspiatten kann der Stauchvorgang entsprechend gesteuert werden. Durch die innere Ausnehmung der Äbständsplätten wird der
radiale Fluß des Materials so begrenzt, daß die kühlplätten gut eingebettet werden ,^
Zur vBefestigung des Kühlkörpers auf einer Grundplatte und zur Befestigung der Halbleitervorrichtung
am Kühlkörper wird in die Bohrung des Bolzens zweckmäßig ein Gewinde geschnitten, wie dies in F i g. 5 angedeutet ist. Natürlich können eine oder mehrere Kühlplatten mit Ansätzen zur Befestigung eines elektrischen Anschlusses versehen sein, wie dies beispielsweise in F i g. 2 dargestellt ist.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der zum ' Verfahren gemäß der Erfindung verwendete Bolzen stufenförmig ausgebildet ist. Es kann beispielsweise auch ein glatter zylindrischer Bolzen verwendet werden, wobei sich noch der Vorteil ergibt, daß alle Kühlplatten 3 die gleichen Abmessungen haben.
In Fig. 6 ist ein solcher Kühlkörper im Schnitt dargestellt, und zwar in Verbindung mit einem Leistungsgleichrichter und einer Grundplatte.
Der Kühlkörper nach F i g. 6 hat den gleichen Aufbau wie der in F i g. 5 dargestellte mit dem Unterschied, daß ein zylindrischer Bolzen zur Herstellung des Kühlkörpers verwendet wurde. Der Preßvorgang zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers ist jedoch der gleiche, wie er an Hand von F i g. 3 beschrieben wurde.
Der Leistungsgleichrichter 11 besitzt einen Gewindebolzen, der in das Kupferteil des Kühlkörpers eingeschraubt wird, wodurch sich die untere Fläche as des Gleichrichters 11 plan auf das Kupferteil 2 des Kühlkörpers auflegt, so daß ein sehr guter Wärmeübergang erzielt wird. Der Kühlkörper kann seinerseits mit einer entsprechenden Schraube 10 auf einer geeigneten Unterlage 9, z. B. einem Chassisblech, befestigt werden. Zum Anschluß des Gleichrichters wird einerseits die Litze 12 verwendet, andererseits die Anschlußfahne der oberen Kühlplatte 3, an der beispielsweise ein Draht 13 angelötet wird. Da sich Aluminium im allgemeinen nur schwer löten läßt, wird als oberste Kühlplatte 3 ein Aluminiumblech verwendet, das auf seiner obersten Seite mit einem Kupferblech plattiert ist. Hierdurch ergibt sich ein elektrisch gut leitender Übergang vom Fuß des Gleichrichters 11 über das eingepreßte Kupferteil 2 und die damit in Kontakt stehende Kupferplattierung 14 der obersten Kühlplatte. Es kann vorteilhaft sein, die Kupferteile bzw. die Kupferplattierung noch mit einem dünnen Edelmetallüberzug, beispielsweise aus Silber, zu versehen.
Wenn der Kühlkörper vom Chassis isoliert sein soll, werden zwischen Chassis, Kühlkörper und Befestigungsschraube entsprechende Isolierstücke eingelegt.
Zur Verbesserung der Wärmeabgabe können die Kühlplatten aufgerauht sein und/oder einen gut wärmeabgebenden Überzug, beispielsweise einen mattschwarzen Farbüberzug, besitzen.
Zur Vergrößerung der Kühlwirkung können mittels des Gewindes und entsprechender Bolzen mehrere Kühlkörper miteinander zu einer größeren Einheit verbunden werden. Es können auch Kühlkörper mit mehreren Bolzen und gemeinsamen Kühlplatten nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden, beispielsweise zur Aufnahme von drei Gleichrichtern für eine Sternschaltung.
Die Erfindung' ist jedoch nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Kühlkörpern für elektrische Bauelemente, insbesondere für Halbleiterleistungsgleichrichter und Transistoren, aus auf einem Bolzen senkrecht zur Längsachse angeordneten Kühlplatten, dadurchgekennzeichnet, daß der Bolzen nach Aufschieben der Kühlplatten in axialer Richtung so gestaucht wird, daß die Kühlplatten durch das auftretende Fließen des Bolzenmaterials an den Berührungsstellen eingebettet und dadurch nach dem Erstarren des Bolzenmaterials mechanisch fest und gut wärmeleitend mit dem Bolzen verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konischer, insbesondere stufenförmiger Bolzen verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatten in der Preßvorrichtung durch Abstandsplatten gehalten werden, die auf einer stufenförmigen Auflage ruhen, und daß der Bolzen von unten zusammengepreßt wird und die Abstandsplatten dabei von ihrer Auflage abgehoben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Abstandsplatten die ■' radiale Verformung des Bolzens begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen mindestens an einem Ende mit einer axialen Bohrung versehen wird, in die ein Gewinde geschnitten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufschieben der Kühlplatten an einem Ende ein Kupferteil in den Bolzen eingepreßt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als oberste Kühlplatte eine mit einem lötbaren Metall plattierte Aluminiumplatte verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6.oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferteil vor dem Einpressen mit einem Edelmetallüberzug versehen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kühlplatte mit einer Anschlußfahne versehen wird.
10. Verfahren naen einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper oberflächlich aufgerauht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper mit Ausnahme der zum Wärmeübergang oder zum elektrischen Anschluß Kontaktierten Flächen mit einem gut wärmeabstrahlenden Überzug, beispielsweise mit mattschwarzer Farbe, überzogen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1039 645;
USA.-Patentschrift Nr. 2 751528.
In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 974 683.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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