用于电子部件的冷却体及其制造方法与流程

本发明涉及用于电子部件的冷却体以及制造具有用于电子部件的安装侧(装配侧)的冷却体的方法。

众所周知，电子部件优选地设有被动冷却元件，以便引走在电子部件工作期间产生的热量损失。由电子部件转换的功率的逐渐增加在使用的结构元件的同时小型化的情况下导致了电子部件的每一可用面积单元(单位面积)必须传输越来越大的热量。在这种情况下，作为热源的电子部件与所使用的冷却体(或称为散热器)或介质之间的接触面越来越小，这使电子部件的有效散热变得困难。另一方面，可靠的散热是使用电子部件产生的电路的正常功能的先决条件。

在传统的冷却体技术中，使用例如由铝制成的冷却体，其提供安装侧，通过该安装侧可将其安置在电子部件的界面上。所使用的冷却体通常具有肋条以增加散热表面，并且可例如以铝以成本有效的方式作为挤压型材来制造。然而，这种被动冷却器的可能的热量排放与物理极限相关联，使得在散热期间传统的冷却元件达到其效率极限。也可选择导热更好的金属例如铜来代替铝。然而，由于较高的材料和生产成本，这种类型的冷却体是不经济的。

另一种可能性包括借助冷却介质例如空气的强制对流实现的主动冷却，所述冷却介质例如为通过风扇来移动的空气或者为可在例如所谓的热管中使用的液体。这种类型的散热解决方案也比被动冷却更加昂贵，并且另外也更不可靠，从而期望省去主动冷却解决方案。

因此，本发明的目的是提供一种用于制造冷却体的方法或冷却体，使用该冷却体可以相对简单和可靠的方式实现较高的散热效率。

根据本发明，通过在引言中阐述的冷却体来实现该目的，至少一个冷却烟囱(kühlkamin)在该冷却体中延伸，所述冷却烟囱远离安装侧延伸并且通向冷却体表面中的排出口。由于冷却体以其安装侧向下安装在待冷却的电子部件的上侧，因而冷却烟囱远离该安装侧延伸意味着冷却烟囱相对于冷却体的表面向上延伸。冷却烟囱的这种特性形成了其技术功能的先决条件，即使用了烟囱效应，使得位于冷却烟囱中的热空气上升并在冷却烟囱底部产生负压。根据本发明，在冷却体中还延伸有多个(或大量的)冷却通道，这些冷却通道具有比冷却烟囱更小的横截面并且从冷却体表面中的进入口通向冷却烟囱。冷却烟囱下部区域中的负压导致经由进入口流入该冷却通道中的空气被抽吸穿过冷却通道。该空气冷却了冷却体的围绕冷却通道的冷却体结构，从而有利地不仅仅通过热传导冷却体，而且还通过处于冷却体中的空气的对流来支持冷却体中的冷却效果。由此有利地增加了被动冷却体的冷却效率或散热效率。由于冷却体的被动操作方法，这有利地在操作上也是可靠的。

冷却通道的较小的横截面有利地导致由冷却通道提供的用于从冷却体材料传热的表面增加。因此，空气可有利地被相对强地加热，由此增加了冷却烟囱中产生的烟囱效应。由此又可实现更快速的空气交换，这优化了冷却效率。

冷却体可用来冷却任何电子部件。在本申请的上下文中的电子部件应被理解为是指电子元器件，而且也被理解为整个电子组件，特别地功率电子器件的部件，所述功率电子器件的功能与强烈的发热(热量形成)相关联。冷却体的安装侧通常以平面的方式构造。然而，也可以想到的是，安装侧的几何形状适应电子部件的拓扑结构。这特别适用于如下情况：待冷却的电子组件不是装配在平面电路载体上，而是装配在具有更复杂的几何形状的电路载体例如壳体上。

在冷却体中，可使用一个冷却烟囱，备选地也可使用多个冷却烟囱。当提供多个冷却烟囱时，根据本发明的有利的实施方式，它们可在冷却体中彼此平行地延伸。其优点在于，冷却通道在其中延伸的、冷却烟囱之间的材料在冷却烟囱之间形成恒定的壁厚，并且冷却通道可均匀地分布在该材料中。至少一个冷却烟囱垂直于安装侧的取向延伸是特别有利的。通过该取向可使烟囱效应最大化，原因是经加热的空气可以无阻碍的方式垂直向上地上升。

本发明的另一实施方式设成，冷却通道由开孔材料形成。材料的开孔特性确保了冷却空气可通过冷却体表面的孔进入冷却烟囱。在这种情况下，在开孔中有利地提供相对大的表面，经由该表面可进行从冷却体的材料到冷却空气中的热传递。开孔材料被设计(构造)成多层是特别有利的。在这种情况下设成，更靠近安装侧的层具有比更远离安装侧的层更高的热导率。特别地，开孔材料可被构造成双层，使得下层形成更接近安装侧的层并且直接邻接于作为更远离安装侧的层的上层上。这种设计的优点在于，具有较高热导率的层非常适合于将由电子部件引入冷却体中的热量迅速引导至冷却通道。由此，冷却通道中的冷却空气被相对强烈地加热。相反，冷却烟囱中上升的空气应尽可能少地冷却，由此可以最佳方式使用烟囱效应。因此，在冷却体的远离安装侧的区域中，材料的较低的导热性是有利的。这则可较少地被加热，其中在冷却体区域中的冷却通道额外地确保其一定的冷却程度。

有利地，开孔材料可由金属泡沫体形成。这具有足够的热稳定性和机械稳定性，并且特别地作为靠近安装侧的材料具有足够的导热性，以便将热量从安装侧传递至冷却通道。此外，可有利地设成，安装侧由冷却器的实心的底板形成。由此可提供冷却体这样的热沉，该冷却体热沉由于其热容量而即使在负载峰值的情况下也确保电子部件的充分冷却。底板可例如由铜形成，其中由该材料而产生的热量可有利地以相对快速的方式被引导出并且被传送至冷却通道(散热的效果)。剩余的冷却体在这种情况下可由另一种更具成本效益的材料形成，例如铝。备选地，底板也可与剩余的冷却体以一体化的方式制造。在这种情况下，可示例性地使用增材制造方法(对此，更多地参见下文)。

根据本发明的一种具体的实施方式，还可以设成，至少一个冷却烟囱借助固定在排出口上的管道附件延长。由此能够在同时相对低的材料成本的情况下制造具有更高高度的冷却烟囱，其中管道附件使冷却烟囱的烟囱井(kaminschacht)延长，方法是将其固定在排出口上。管道附件可有利地为标准化的部件或者也可例如为被切割成一定长度的管件。所述管道附件可焊接、粘合、钎焊或压制到冷却体上。这些连接方法有利地以一个简单的装配步骤进行。

此外，所指定的目的通过引言中阐述的方法来实现，即通过增材制造方法来制造具有中空内部结构的冷却体。在这种情况下，作为内部结构产生至少一个冷却烟囱，该冷却烟囱远离安装侧延伸并通向冷却体表面中的排出口。此外，形成多个具有比冷却烟囱小的横截面的冷却通道，其中所述冷却通道从冷却体表面中的进入口通向所述冷却烟囱。使用增材制造方法具有明显的优点，即内部结构的几何形状可适应相应的应用情况。在生产成本保持不变的情况下，可制造任何复杂的通道结构，所述通道结构也可有利地彼此交联或者可具有不同的横截面。例如，可以这样的方式构造冷却通道，使得它们形成为树状的。从冷却体表面开始，各个冷却通道逐渐合并成一个主通道，该主通道然后通入到冷却烟囱中。为了将没有明显加热的冷却空气引入冷却体内的区域，冷却通道的树状结构也可以相反的方式构造。大的冷却通道从冷却体的表面引导至冷却体的待冷却的区域中，并且在冷却体的待冷却部分(部段)的区域中分岔，以随后通入到冷却烟囱中。

根据本发明方法的一种实施方式设成，在底板上制造冷却体，该底板在增材制造方法结束之后形成冷却体的一部分。如上所述，冷却体具有可用于散热效果的实心的基板是有利的。这意味着，由于热传导的作用，由待冷却的电子部件发出的热迅速地分布在底板中(散热)，其中有利的是，冷却通道的较大表面可用于传热。直接在底板上制造冷却体还具有以下优点：实心的底板不必以增材方式制造，其中在这种情况下可节省相对高的生产成本。而且，对于底板可使用适于散热的材料，例如铜。另一个优点是制造之后的部件不必与建造平台分离，因为底板本身用作待制造的冷却体的基础，并因此可保持与其连接。

根据该方法的另一种实施方式可设成，冷却通道作为开孔结构来制造。开孔结构是开孔的，也就是说，冷却空气可流动穿过形成通道系统的、相互连接的孔。在这种情况下，这些孔有利地为传热提供相当大的表面。为了制造开孔结构，可有利地使用选择性激光烧结。在这种情况下，通过激光仅将粉末状的材料加热至粉末颗粒彼此烧结的程度，其中在颗粒之间形成展示出开孔结构的通道系统。有利的是，选择性激光烧结还可与选择性激光熔化相结合，其可用更大的激光功率来进行，使得粉末颗粒熔化。以这种方式，可在用于组合式激光烧结和激光熔化的设备中制造冷却体，其中既包含实心的区域例如底板又包含用于形成冷却通道的开孔区域。

另一种可能性有利地涉及将冷却通道制造成三维栅格。三维栅格有利地具有较低的对流过该栅格的冷却空气的流动阻力。在这种情况下，冷却通道由在栅格结构之间彼此连接的间隙形成。栅格可由在节点中汇合的栅格条形成。栅格本身适用于在栅格条中将热量引导至冷却通道中，其中所述热量通过栅格杆的表面排出至冷却空气。

特别有利的情形是，在冷却体的增材制造中，使用具有不同热导率的材料，其中在冷却体靠近安装侧的区域中使用具有较高热导率的材料，而在远离安装侧的冷却体的区域中使用具有较低热导率的材料。以这种方式形成的结构的优点已被描述，因此可以参考这一点。

下面参考附图来描述本发明的进一步细节。相同或相应的附图元件在各个附图中分别设置相同的附图标记，并且只有在各附图之间存在差异的情况下才解释几次。附图示出了：

图1至3示出了根据本发明的冷却体的不同实施例的示意性横截面，

图4和5示出了烟囱的排出口的不同布置的平面图，和

图6和7以截面的方式示出了根据本发明的方法的实施例的选定的生产步骤。

图1中示出了电子组件11，其具有安装在电路载体13上的以结构元件形式的两个电子部件12。根据图1的电路载体13是印刷电路板。然而，也可想到其它形式的电路载体，其可例如通过mid壳体(未示出，mid是指模制互连器件)形成。

冷却体14以其安装侧15放置并固定在电子部件12上。安装侧15由底板16形成，该底板占据冷却体14的一部分。此外，在底板16上形成下层17，并在其上形成上层18。两个层均由开孔材料例如金属泡沫体制成，其中开孔19在图1中示出。

孔19形成冷却通道20，其中一个在图1中被示例性地示出。该冷却通道20从冷却体14的表面22中的进入口21朝向冷却烟囱23延伸。除了所示出的冷却通道20之外，由开孔材料形成的多个另外的冷却通道(图1中未示出)也通向其中以及另外的冷却烟囱23中。冷却烟囱23远离安装侧15延伸。由于安装侧15水平地定向且向下面向电子部件12，因而冷却烟囱23垂直向上定向。它们通入到形成冷却体上侧的表面22中的排出口24中，使得因烟囱效应而上升的冷却空气可从冷却体逸出。冷却空气的流动由图1(以及图2和3)中的箭头表示。

在图2中示出了冷却体14的另一种变体。这是通过增材制造方法(激光熔化和激光烧结，也参见图6和7的说明)来制造的。因此，整个冷却体25以一体化的方式构成。它由不同的区域组成，即底板16、位于其上方的具有孔19的区域、以及管道附件26，所述管道附件26将冷却烟囱23可比较地延长一个烟道。如果将该实施例与图1进行比较，则可清楚地看出，在由上层18形成的冷却烟囱23的区域中可节省材料。该区域被管道附件26取代。

冷却体25在其尺寸上精确地适配于电子部件12并被置于其上。由于单个电子部件的空间尺寸相对较小，因而冷却体14仅需要一个冷却烟囱23。必须设置在冷却体14中的冷却烟囱的数量基本上取决于如下的要求，即冷却通道(根据图2，由孔19形成)必须不超过特定长度。

图3示出了冷却体14的一种变体，其中使用了多个管道附件26以及因此多个冷却烟囱23。根据图3的冷却体14是通过激光熔化制造的。其具有作为底板16的实心的区域，其中在冷却体14的相反(相对)的上侧上还形成有盖板27。底板16和盖板27以一体化的方式制造，其中这些结构通过三维栅格28(在图3中通过交叉影线表示)在冷却体内部相互连接。这种三维栅格同时提供通道结构，因为冷却空气可在栅格的各个支柱(streben)之间流动并且在这种情况下冷却栅格条。

可以看出，在选择增材制造方法时，冷却烟囱可以构造有不同的横截面。因此，例如如图3所示，中央冷却烟囱可具有瓶状扩展部(erweiterung)29以影响周围的冷却通道的长度。由此，有利地可有效地冷却底板16的上侧。布置在中央冷却通道23旁边的两个冷却烟囱23没有如此深地延伸到冷却体14中，使得来自表面22的冷却空气也可通过栅格28向中央冷却烟囱23延伸。

除了稳定栅格28之外，盖板27还用于容纳管道附件26。这些管道附件通过压配合(或过盈配合)插入冷却体14中并且以其前端直接触及栅格28。

在图4和5中示出了冷却烟囱的横截面的规则布置的不同可能性，其中所示的布置可从冷却体的俯视图中看到。根据图4，冷却烟囱具有圆形的横截面，其中这些横截面以正方形网栅30(由点划线表示)布置。在图5中，已经选择了三角形网栅30以布置冷却通道。这些具有对应于正六边形的横截面。因此，相邻的冷却烟囱之间的壁厚总是具有相同的尺寸，使得位于其间的冷却通道具有相对恒定的长度。

在图6和图7中示出了用于制造冷却体14的增材制造方法的两个选定的步骤。在根据图6的制造步骤中，进行激光烧结，而在根据图7的制造步骤中，使用不同的粉末进行激光烧结(然后形成与图1相当的部件)或激光熔化(然后形成与图3相当的部件)。这两个处理步骤可在相同的装置中进行，其中例如可以看到只有一个用于粉末床31的具有可降低的建造平台32的保持装置，并且可以看到侧边界33。粉末床相应地形成了待制造的冷却体14上的结构层(baulage)，其按照图6用激光束34加热到粉末颗粒发生烧结的程度。因此，根据图1的层17由多个结构层依次形成，其中在图6中仅能看到已经完成的第一层和正在产生的第二层。

为了制造冷却体14，建造平台32依次降低一个结构层厚度，其中，根据图6，建造平台32不直接用于制造冷却体，而是仅用作用于底板16的衬底(基底层)，粉末材料在其上熔化。因此，在部件完成之后，可在不需要分离步骤(否则，该步骤是必要的)的情况下将其从建造板32上移除。

在图7中可以看出，完成了下层17(由多个未示出的烧结结构层组成)。如图7所示，此时正在形成用于冷却体的上层18(参见例如图1)的第一结构层。如果意图制造根据图1的部件，则还通过激光烧结来制造该层，其中对孔隙率进行调节并且由于材料的选择而赋予上层18以比下层17更低的热导率。根据图7的方法的修改(未示出)设成，下层17通过激光熔化而形成为根据图3的栅格28。当前待产生的层同样可通过激光熔化来制造，以制造盖板27。

另一种可能性涉及以多孔方式制造下层17，如关于图6所描述的。然后，图7中所示的制造步骤可通过将方法从激光烧结改变为激光熔化来用于在开孔的下层17上制造盖板27(参见图3)(未示出)。

在本申请的上下文中,增材制造方法应理解为是指如下的方法，其中将待由其制造部件的材料在生产期间添加到部件中。在这种情况下，部件已经以其最终形式或至少近似于这种形式制造。例如，建造材料可以是粉末状或液态的，其中通过增材制造方法以化学或物理的方式固化用于制造部件的材料。

为了能够制造部件，为选定的增材制造方法准备描述部件的数据(cad模型)。数据被转换成用于生产设备的指令，从而可在其中执行用于连续生产部件的适当的工艺步骤。

可提及的增材制造的实例包括选择性激光烧结(selectivelasersintering,sls)、选择性激光熔化(slectivelasermelting,slm)、电子束熔化(electronebeammelting，ebm)、激光焊接(lmd，激光金属沉积)、气体动态冷喷涂(gasdynamiccoldspray，gdcs)。这些方法特别地适用于处理粉末形式的金属材料，借助于这些材料可制造结构部件。

在slm、sls和ebm的情况下，部件在粉末床中逐层地制造。因此，这些方法也被描述为基于粉末床的增材制造方法。分别在粉末床中产生一层粉末，随后将所述粉末通过能量源(激光或电子束)在其中应当产生部件的那些区域中局部地熔化或烧结。因此该部件依次以逐层的方式制造，并且可在完成之后从粉末床中移除。

在lmd和gdcs的情况下，将粉末颗粒直接供应到在其上应当进行材料施加的表面上。在lmd的情况下，粉末颗粒通过激光直接在表面上的冲击位置中熔化，并且在这种情况下形成待制造的部件的层。在gdcs的情况下，粉末颗粒被强劲地加速，使得它们主要由于其动能而在形变的同时保持粘附在部件的表面上。

gdcs和sls的共同特征在于，这些方法中的粉末颗粒没有完全熔化。在gdcs的情况下，最多在粉末颗粒的边缘区域中进行熔化，所述粉末颗粒由于剧烈形变而能够在其表面处熔化。在sls的情况下，当选择烧结温度时，确保其低于粉末颗粒的熔化温度。相比之下，在slm、ebm和lmd的情况下，能量输入在数量上有意地高到使粉末颗粒完全熔化的程度。