HEAT SINK FOR SEMICONDUCTOR DEVICES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

Abstract: 1. Method of manufacturing a heat sink (10) for semiconductor devices, in particular by extrusion of lightweight metal, with cooling ribs (20) of approximately bar-shaped cross section protruding at a distance from one another from a base plate (11), the base plate (11) being extruded with main grooves (14) and separately manufactured cooling ribs (20) being inserted into the main grooves (14), characterized in that the main grooves (14) are manufactured with ribs (19) flanking them and separating them from intermediate grooves (15) and these ribs (19) are plastically deformed after insertion of the cooling ribs (20) in such a way that the cooling ribs (20) are squeezed-in in the main grooves (14).

Description: SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, CH--3965 Chippis Kühikörper für Halbleiterbauelemente und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Halbleiterbauelemente, insbesondere aus stranggepresstem Leichtmetall, mit in Abstand zueinander von einer Grundplatte abragenden Kühlrippen etwa stabartigen Querschnittes. Zudem erfasst die Erfindung Verfahren zur Herstellung derartiger Kühlkörper und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Kühlkörper dieser Art offenbart die Schrift zu DE-GM 1 959 193 anhand eines im wesentlichen brückenförmigen und vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Formlings, der in entsprechender Breite von stranggepressten Profilstangen durch Schneiden abgetrennt wird, aber auch im Druckgussverfahren hergestellt werden kann. Zur Beseitigung der bekannten Nachteile, dass nach dem seinerzeitigen Stand der Technik eine möglichst schnelle und in tens ive ¯Abs Er ah 1 ung" der sich im Kühl körper speichernden, von Transistoren, Thyristoren, Dioden, Varistoren, Gleichrichter od. dgl. erzeugte Wärme nicht möglich war, hatte der Vorerfinder die Kühl rippen auf ihren Seitenflächen mit zusätzlichen Rippen versehen. Kühlkörper dieser Ausführung haben üblicherweise ein Rippenverhältnis von 5,5:1, höchstens jedoch 8:1. Dieses Rippenverhältnis reicht für eine Vielzahl der Einsatzfälle nicht aus, jedoch scheitert die Entwicklung eines höheren Rippenverhältnisses daran, dass dies bei bisher üblichen Herstellungsverfahren, insbesondere beim Strangpressen von Kühlkörpern, nicht darstellbar ist. Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, einen Kühlkörper der eingangs erwähnten Art sowie Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, dank deren ein hohes Rippenverhältnis erzielt und so ein sogenannter Hochleistungskühlkörper hergestellt zu werden vermag Unter dem Rippenverhältnis wird das Verhältnis der Rippenhöhe zum kleinsten lichten Rippenabstand im Bereich der Rippenspitzen verstanden. Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass die Grundplatte an einer Oberfläche Hauptnuten oder entsprechende Vertiefungen aufweist, in welchen jeweils eine -- gesondert hergestellte - Kühirippe festgelegt, bevorzugt mit einem Sockel formschlüssig angeschlossen, ist. Dank dieser Massgabe ist es möglich, entweder einzelne Kühlrippen gesondert festzulegen oder alle Kühlrippen des spezifischen Kühlkörpers. Durch die Kombination von Grundplatte und Rippen kann mit wenigen Werkzeugen eine Vielzahl von Kühikörpern unterschiedlicher Ausgestaltung hergestellt werden. Dies führt zu einer Verminderung der Kosten sowohl bezüglich der Werkzeuge als auch der Lagerhaltung. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Grundplatte mit seitlichen Rippenwänden versehen sein, welche leicht auf dem Wege des Strangpressens erzeugt werden können. Zwischen diesen Rippenwänden und zu ihnen parallel verlaufen dann die eingesetzten Kühirippen. Bei einer anderen Ausführungsform wechseln sich im Querschnitt des Kühlkörpers gesondert eingesetzte Kühlrippen mit anderen Kühirippen ab, die zusammen mit der Grundplatte einstückig geformt worden sind. Eine derartige Kühlkörperform ermöglicht den Einsatz sowohl bei Zwangsbelüftung als auch bei Konvektionskühlung; während bei Zwangsbelüftung grundsätzlich eine grösstmögliche Oberfläche durch geringen Rippenabstand angestrebt wird, ist dies bei Konvektionskühlung zumindest bei längeren Kühlkörpern wegen der geringen Luftgeschwindigkeit -- und damit Luftmenge (Produkt aus Geschwindigkeit und Kanalquerschnitt) -- kaum wirksam. Diese variable Einsatzmöglichkeit wird noch dadurch vergrössert, dass beispielsweise die eingesetzten Kühlrippen mit an sich bekannten Querrippen versehen sein können, die bei einem relativ breiten Strömungskanal zu einer erheblichen Oberflächenvergrösserung führen. Es wird erkennbar, dass dieser Kühlkörper nicht nur für die Zwangsbelüftung geeignet ist, sondern auch für Konvektionskühlung. Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass jede Hauptnut beidseits von Zwischennuten flankiert ist, wobei bevorzugt die Hauptnut von etwa rechteckigem Querschnitt ist und die Zwischennut von i.w. dreiecksförmigem Querschnitt. Ebenso ist die Tiefe der Hauptnut grösser als jene der Zwischennut, denn letztere dient als Hilfseinrichtung für das Verformen der Grundplatte. Haupt- und Zwischennut erzeugen zwischen sich eine Rippe der Grundplatte, welche beim Einsetzen eines verformenden Werkzeuges in die Zwischennut in den lichten Querschnitt der Hauptnut eingeschoben werden kann. Vor diesem plastischen Verformen jener Rippe der Grundplatte ist in die Hauptnut der Sockel einer gesondert hergestellten Kühlrippe eingesetzt worden, der seitlich mit Retentionen versehen ist, beispielsweise mit ein Sägezahnprofil erzeugenden Parallelnuten, in die ein Teil der verformten Grundplattenmatrix haltend eingreift. Es entsteht so eine sehr Feste und dennoch ohne Probleme herzustellende vorschüssige Verbindung zwischen Grundplatte einerseits und Kühlrippe andererseits. In der Regel wird beim reinen Aluminium-Kühlkörper mit entsprechender Grundplattendicke die Wärmeverteilung in der Grundplatte selbst ausreichend sein. Da jedoch bei gleicher Kühlkörperhöhe die Rippenoberfläche mit zunehmender Grundplattendicke reduziert wird, kann es erforderlich werden, die Wärmeverteilung in der Grundplatte selbst zu verbessern. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Grundplatte mit wenigstens einem Band, einem Draht od. dgl. Ein- oder Auflage aus hochwärmeleitendem Werkstoff versehen ist, bevorzugt mit einem Kupferband oder Kupferdraht. Auch hier zeigt sich der Vorzug der getrennten Herstellung der Grundplatte, da diese problemlos auf dem Wege des Verbundstrangpressens aus Alu miniumkörper und Kupferauflage oder Kupfereinlage hergestellt werden kann und zwar unter metallischem Verbund beider Profilkomponenten. Die beschriebenen Ausführungsformen von erfindungsgemässen Kühlkörpern erlauben ein Rippenverhältnis von mehr als 9:1, sogar mehr als 12:1, wie dies bei einstückig hergestellten Kühlkörpern nicht zu erzielen ist. In diesem Zusammenhang sei ergänzend auf die DE-OS 30 24 748 hingewiesen, mit der für einen einstückigen Kühlkörper vorgeschlagen wird, dessen ein niedriges Rippenverhältnis aufweisende Kühlrippen durch klammerartige Pro fileinsätze zu ergänzen. Im Rahmen der Erfindung liegt ein Verfahren zum Herstellen von Kühikörpern der eingangs erwähnten Art, bei dem die Grundplatte mit Hauptnuten stranggepresst wird, in die Hauptnuten gesondert hergestellte Kühlrippen eingesetzt und durch einen Quetschvorgang mit der Grundplatte verbunden werden. Dazu werden bevorzugt mit den Hauptnuten diese flankierende und von Zwischennuten trennende Rippen hergestellt und letztere nach dem Einsetzen jener Kühl rippen plastisch verformt. Eine Verformung jener Rippen kann durch den einfachen Einsatz von Meisseln erfolgen, was jedoch verhältnismässig hohe Arbeitskosten verursacht. Deshalb wird für diesen Verformungsvorgang ein Wekzeug vorgeschlagen, welches durch von Distanzeinlagen in Abstand gehaltenen Druckscheiben mit sich radial verjüngenden Druckkanten gekennzeichnet ist, wobei die freie radiale Länge der Druckscheiben grösser ist als die freie Höhe der Kühlrippen und der mittlere Abstand der Druckscheiben voneinander dem Abstand eines Paares freier Zwischenrippen der Grundp'latte entspricht. Dank dieses Werkzeuges ist der Verformvorgang automatisierbar, darüberhinaus kann der erfindungsgemässe Rollenkörper auf die jeweilig gewünschte Rasterung der Zwischenrippen eingestellt werden. Es ist erkennbar, dass das Herstellen von Kühlkörpern mit hohem Rippenverhältnis nunmehr ohne das Risiko eines Werkzeugbruches in einfacher Weise möglich wird. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in Fig. 1 eine geschnittene Schrägsicht auf einen Teil eines Kühlkörpers; Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen Kühlkörper; Fig. 3 ein vergrössertes Detail der Fig. 2; Fig. 4 eine Skizze zu einem Herstellungsverfahren für den Kühlkörper nach Fig. 1,2 im schema tisierten Querschnitt; Fig. 5 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 4; Fig. 6 den Querschnitt druch einen anderen Kühl körper; Fig. 7 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 6 nach deren Feld VII; Fig. 8 den Querschnitt durch eine weitere Ausfüh rungsform des Kühlkörpers; Fig. 9 Querschnitte durch unterschiedliche Ausfüh bis Fig. 11 rungsformen eines Teils eines Kühlkörpers. Ein querschnittlich kammartiger Kühikörper 10 aus Leichtmetall für in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellte Halbleiterbauelemente weist gemäss Fig. 1 eine Grundplatte 11 der Dicke i von beispielsweise 15 mm mit von deren Oberfläche 12 aufragenden Kühlrippen 20 auf. Deren freie Länge, nämlich der Abstand h gerundeter freier Rippenkanten 21 von jener Oberfläche 12 der Grundplatte 11, beträgt im ausgewählten Ausführungsbeispiel etwa 56 mm, ihr mittlerer Abstand e voneinander etwa 7 mm. Insbesondere Fig. 2 lässt deutlich werden, dass die Grundplatte 11 getrennt von jenen Kühlrippen 20 hergestellt wird und zwar -- wie auch letztere -- auf dem Wege des Strangpressens von Leichtmetallprofilen. In die Grundplatte 11 sind von deren Oberfläche 12 ausgehende Hauptnuten 14 einer Tiefe a von etwa 5 mm mit einer Weite b von etwa halber Tiefe a eingeformt. In den zwischen jeweils zwei benachbarten Hauptnuten 14 verbleibenden Oberflächenstreifen der Grundplatte 11 ist eine sogenannte Zwischennut 15 dreieckförmigen Quersschnittes eingebracht, deren Tiefe f geringer ist als jene der Hauptnuten 14. Der stegförmigen Kühlrippe 20 ist an ihrem der freien Rippenkante 21 fernen Querschnittsende ein Sockel 22 angeformt, dessen Breite m etwa der Weite b der Hauptnuten 14 entspricht und grösser ist als die Breite n der eigentlichen Kühlrippe 20. Die Höhe q des Sockels 22 ist gleich oder etwas grösser als die Tiefe a jener Hauptnut 14. In den Seitenflächen 23 des Sockels 22 sind Sockelnuten 24 zur Bildung seitlich abragender Zähne 25 zu erkennen. Nach dem Strangpressen der Grundplatte 11 aus einer AlMgSi Legierung werden in deren Haupnuten 14 Kühlrippen 20 mit ihren Sockeln 22 eingesetzt und darin durch plastisches Verformen der Nutenwände 16 festgelegt. Bei diesem Formvorgang werden aus der Nutenwand 16 Werkstoffwülste 17 gegen die Nutenachse A geführt, die in die Sockelnuten 24 der eingesetzten Kühlrippe 20 eingreifen, wie dies vor allem Fig. 5 verdeutlicht. Nach diesem Einquetschen wird der so entstandene Kühlkörper 10 warmausgehärtet. Den Quetschvorgang erleichtern die Zwischennuten 15, in welche entwed-er Meisselspitzen 28 oder sich verjüngende Druckkanten 29 von Scheiben 30 eines Rollenkörpers 31 eingesetzt werden. Gemäss Fig. 4 setzt sich der um eine nicht gezeigte Achse drehbare Rollenkörper 31 aus jenen Scheiben 30, diese in Abstand t haltenden Distanzeinlagen 32 und Endplatten 33 zusammen, die mit ihren schrägen Umfangskanten 34 an der Grundplatte 11 geführt sind. Da die maximale Breite u der sich allmählich erweiternden Meisselspitze 28 oder Druckkante 29 grösser ist als die Weite s der Zwischennut 15 -- oder der Spitzenwinkel w des Quetschwerkzeuges 28,29 grösser als jener des Nutenquerschnittes -- verformen sich die zwischen Haupt- und Zwischennut 14 bzw. 15 stehenden Rippen 19 (Fig. 5) in gewünschter Weise. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6,7 ist an die Grund platte 11 beidseits der Kühikörperachse M eine die Grund a platte 11 seitlich begrenzende Rippenwand 36 mit zur Kühl a körperachse M weisenden Nasen 37 angeformt; letztere bestimmen einen Abstand d von etwa 5 mm. Hier sind in die Hauptnuten 14 die Sockel 22 von Kühlrippen 20 einge a setzt, die sich zu ihren Rippenkanten 21 hin verjüngen und mit -- Abstände d bestimmenden -- Querrippen 38 versehen sind. Die Querrippen 38 der einen Seite der Kühlrippe 20a sind gegenüber jenen der anderen Kühlrippenseite in einem halben Abstand d (also d/2) höhenversetzt; die Nasen 37 und Querrippen 38 einer gemeinsamen Bezugsgeraden H weisen in eine einzige Richtung. So wird bei einem relativ breiten Strömungskanal eine erhebliche Oberflächenvergrösserung durch die Nasen 37 und Querrippen 38 erreicht, weshalb insbesondere dieses Ausführungsbeispiel sowohl für Zwangsbelüftung als auch für Konvektion einsetzbar ist. An die Grundplatte llb der Figur 8 sind beim Strangpressen mehrere Kühlrippen 40 parallel zueinander in Abstand g neben jeweils einer Zwischennut 15 angeformt worden. Zwei Zwischennuten 15 flankieren eine gemeinsame Hauptnut 14. Dieser Kühlkörper 10b bietet ein einfaches Rippenverhältnis an und kann als lange Ausführung für Konvektionskühlung verwendet werden. Wird eine kurze Ausführung gewünscht oder ist der Einsatz bei Zwangsbelüftung vorgesehen, werden in die Hauptnuten 14 gesonderte Kühlrippen 20 eingequetscht. a Da sich bei gleicher Kühlkörperhöhe (i+h) die Rippenoberfläche mit zunehmender Dicke i der Grundplatte 11 redu ziert, ist in die Grundplatte 11 der Fig. 9 ein Band 43 c aus Kupfer eingefügt. Die Grundplatte 11 der Fig. 10 bzw. c 11 weist Runddrähte oder Flachdrähte 44 aus Kupfer auf, die beim Strangpressvorgang im metallischen Verbund in die Leichtmetallmatrix eingebettet worden sind.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Kühlkörper für Halbleiterbauelemente, insbesondere aus stranggepresstem Leichtmetall, mit in Abstand zueinander von einer Grundplatte abragenden Kühlrippen etwa stabar tigen Querschnittes, wobei die Grundplatte an einer Ober fläche Hauptnuten aufweist, in welchen jeweils eine Kühl rippe mit einem Sockel festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptnuten (14) von Zwischennuten (15) flankiert sind und wenigstens ein Teil der Kühl rippen (20) in den Hauptnuten eingequetscht ist. 2. Kühl körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Nutenwand (16) der Hauptnut (14) Werkstoff wülste (17) herausgeformt sind, die in Seitennuten (24) des Sockels (22) der Kühlrippe (20) eingreifen, wobei gegebenenfalls die Hauptnut (14) und die benachbarte Zwi schennut (15) eine Rippe (19) bilden, die durch den Form vorgang wenigstens teilweise in Richtung auf die Achse (A) der Hauptnut ausgeformt ist. 3. Kühl körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Tiefe (a) der Hauptnut (14) grösser ist als die Tiefe (f) der Zwischennut (15), wobei gegebenenfalls die Zwischennut (15) von i. w. dreiecksförmigem Quer schnitt ist. 4. Kühl körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl rippen (40 bzw. 20) wechselweise zum einen mit der Grundplatte (11) ein stückig sowie zum anderen als gesondert hergestell tes Profil in die Grundplatte eingequetscht sind, wo bei gegebenenfalls zwischen jedem Paar angeformter Kühl rippen (40) in der Grundplatte (11) eine Haupt nut (14) verläuft. 5. Kühl körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gesondert hergestellten Kühl rippen (20) mit Querrippen (38) versehen sind, wel che in Strömungsrichtung verlaufen, und/oder die Grund platte (11 ) mit wenigstens einem Band (43), Draht (44) od. dgl. Ein- oder Auflage aus hochwärmeleitendem Werk stoff versehen ist. 6. Kühl körper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (11 mit der Ein- oder Auflage (43,44) im Verbund strang gepresst ist und/oder dass die Grundplatte (11 au mit seitlichen Rippenwänden (36) versehen ist. 7. Kühl körper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Rippenverhältnis von mehr als 9: 1, bevorzugt mehr als 12 : 1. 8. Verfahren zum Herstellen eines Kühl körpers für Halb 1 eiterbauel emente, insbesondere durch Strangpressen von Leichtmetall, mit in Abstand zueinander von ei ner Grundplatte abragenden Kühl rippen etwa stabarti gen Querschnittes, wobei die Grundplatte mit Haupt nuten stranggepresst wird und in die Hauptnuten ge sondert hergestellte Kühl rippen eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Hauptnuten die se flankierende, von Zwischennuten trennende Rippen hergestellt sowie diese Rippen nach dem Einsetzen der Kühl rippen plastisch so verformt werden, dass Tei le der Rippen in Ausnehmungen der Kühl rippen einra gen. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen bzw. die Nutenwand mit einem in Zwi schennuten abrollenden Werkzeug verformt werden, und/oder dass der Kühl körper nach dem Verformvorgang warmausgehärtet wird. 10. Werkzeug zum Herstellen eines Kühl körpers nach wenig stens einem der Ansprüche 1 bis 9, bei Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch von Distanzeinlagen (32) in Abstand gehaltene Druck scheiben (30) mit sich radial verjüngenden Druckkan ten (29), wobei die freie radiale Länge der Druck scheibe grösser ist als die freie Höhe (h) der Kühl rippe (20) und der mittlere Abstand (e) der Druck scheiben voneinander dem Abstand eines Paares freier Zwischenrippen (15) der Grundplatte (11) entspricht.

Inventors: BOCK, UWE
Applicants: ALUSUISSE-LONZA SERVICES AG
Application year: 1986
Main classification: H01L23
IPC codes: B21K25, H05K7, H01L21, B23P11, H01L23