AT507589B1 - Kühlung und isolation für elektrischen bauteil - Google Patents

Abstract

Elektrische Baugruppe umfassend ein zu kühlendes, elektrisches Bauteil (3) und einen Kühlkörper (6), wobei zwischen dem elektrischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (6) ein elektrischer Isolator (1) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der elektrische Isolator (1) auf der dem elektrischen Bauteil (3) zugewandten Seite, sowie auf der dem Kühlkörper (6) zugewandten Seite jeweils mit einer metallischen Beschichtung (2) versehen ist.

Description

österreichisches Patentamt AT507 589B1 2012-11-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe umfassend ein zu kühlendes, elektrisches Bauteil und einen Kühlkörper, wobei zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper ein elektrischer Isolator angeordnet ist.

[0002] In solchen elektrischen Baugruppen liegen der Kühlkörper und das zu kühlende, elektrische Bauteil auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen, sodass sie mithilfe eines Isolators elektrisch von einander isoliert werden müssen. Das Isolationsmaterial muss dabei sowohl gute Isolier- und Kriechstromeigenschaften, als auch eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die meisten Materialien, die diese Anforderungen erfüllen, bestehen aus Silikonkautschuk, der mit Kapton-Folie oder Glasfasern verstärkt und mit einem Pulver (z.B. Al203 oder Glas) zu Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit gefüllt sind.

[0003] Aufbauten zur Kühlung und elektrischen Isolierung elektrischer Bauteile werden etwa in der US 5 258 887, FR 2706730, EP 0751569, im Artikel von D.S. Steinberg „Cooling Techni-ques for Electronic Equipment" (2nd Edition, John Wiley & Sons, 1991, Seiten 222-230), sowie im „Applikationshandbuch IGBT, Thyristor, Power Semiconductor Modules, Chips, Assemblies" (Kapitel 1.4.2.2 Wärmeabfuhrvermögen) beschrieben.

[0004] In manchen Anwendungen ist zusätzlich Silikonfreiheit gefordert, sodass als Isolationsmaterial nur noch eine Kunststofffolie, wie zum Beispiel Kapton oder Mylar, verwendet werden kann. Eine solche Isolierfolie befindet sich zwischen metallisch leitfähigen Flächen des Kühlkörpers sowie des elektrischen Bauteils. Da diese Flächen nicht ideal eben sind, bilden sich zwischen den metallischen Flächen und der Folie immer ungewollte Lufteinschlüsse, die den Wärmeübergang verschlechtern, aber vor allem die dielektrische Belastung erhöhen. Da die elektrische Feldstärke in den Lufteinschlüssen um ein Vielfaches höher als im Isolator ist, kommt es zu Glimmentladungen, die die Lebensdauer des Isoliermaterials erheblich verringern. Zusätzlich kann an den Rändern der Kontaktfläche zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper Plasma austreten. Die freien Ionen des Plasmas können das Zünden von Überschlägen in der Luftstrecke zwischen den zu isolierenden Teilen erleichtern.

[0005] Die handelsüblichen Isolierfolien sind nur im Hinblick auf die Verbesserung des Wärmeüberganges optimiert. Folien auf Silikonkautschukbasis sind so weich, dass sie sowohl die Rauheit der Oberfläche, als auch die mangelnde Ebenheit ausgleichen können. Folien aus z.B. Kapton sind mit einem Wachs beschichtet, das bei der Betriebstemperatur schmilzt. Durch die Kapillarwirkung soll das flüssige Wachs den Luftspalt ausfüllen. In beiden Fällen ist der Übergang aber dennoch nicht vollkommen frei von Lufteinschlüssen, und damit das Problem der Glimmentladungen nicht gelöst.

[0006] Es ist somit das Ziel der Erfindung, das elektrische Bauteil gegenüber dem Kühlkörper bei ausreichender Wärmeleitfähigkeit im Kontaktbereich so zu isolieren, dass Lufteinschlüsse vermieden werden, um auf diese Weise Glimmentladungen zu verhindern und die Lebensdauer der elektrischen Baugruppe zu erhöhen. Die technische Lösung soll dabei kostengünstig sein, um dem zunehmenden Kostendruck in der Fertigung elektrischer Komponenten Rechnung zu tragen.

[0007] Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. 5 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf eine elektrische Baugruppe umfassend ein zu kühlendes, elektrisches Bauteil und einen Kühlkörper, wobei zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper ein elektrischer Isolator angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass es sich bei dem elektrischen Isolator um ein Leiterplatten-Basismaterial, vorzugsweise FR4, handelt, das auf der dem elektrischen Bauteil zugewandten Seite, sowie auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite jeweils mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, die den elektrischen Bauteil, sowie den Kühlkörper jeweils unmittelbar kontaktiert. Das Merkmal der metallischen Beschichtung des elektrischen Isolators wird hier dabei so verstanden, dass der Kontakt zwischen der Metallschicht und dem Isolator sich nicht auf ein bloßes Aufeinander- bzw. Aneinanderliegen beschränkt, sondern durch zusätzliche technische Maßnahmen wie etwa Aufdampfen, Aufpres- 1 /5 österreichisches Patentamt AT507 589 B1 2012-11-15 sen und dergleichen ein Kontakt ohne Lufteinschlüsse sicher gestellt wird. Dadurch wird ein idealer Übergang zwischen metallischem Leiter und Isolator geschaffen.

[0008] Für die Herstellung einer solchen metallischen Beschichtung auf einer Oberfläche sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem elektrischen Isolator um ein Leiterplatten-Basismaterial, vorzugsweise FR4, und bei der metallischen Beschichtung vorzugsweise um eine auf das Basismaterial aufgebrachte Kupferschicht. Verfahren zur Kupferbeschichtung sind hierfür aus der Leiterplattenproduktion hinlänglich bekannt, so wird zum Beispiel eine Kupferfolie auf das noch weiche FR4-Prepreg unter Vakuum aufgepresst und anschließend ausgehärtet.

[0009] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass mehrere elektrische Bauteile am Kühlkörper angeordnet sind, und sich der elektrische Isolator plattenförmig zwischen Kühlkörper und den elektrischen Bauteilen erstreckt, wobei die metallische Beschichtung auf der den elektrischen Bauteilen zugewandten Seite des Isolators lediglich im Bereich der elektrischen Bauteile vorgesehen ist. Die erforderlichen Freistellungen für die Kriechwege, also die unbeschichteten Bereiche außerhalb der Kontaktbereiche zwischen elektrischem Bauteil und Kühlkörper, können durch Ätzen mit konventionellen Verfahren der Leiterplattenproduktion mit gleichbleibend hoher Genauigkeit hergestellt werden. In anderen Worten kann somit für den erfindungsgemäßen Isolator mit Kupferbeschichtung eine herkömmliche Leiterplatte verwendet werden, bei der anstatt der ansonsten bei Leiterplatten üblichen, komplexen Kupferbahnenbeschichtung vergleichsweise einfache Kupferflächenbeschichtungen vorgesehen sind. Erfindungsgemäße Isolator- und Wärmeleitplatten dieser Art sind somit günstig herzustellen, da auf reichhaltiges Know-How der zunehmend kostenoptimierten Leiterplattenproduktion zurückgegriffen werden kann.

[0010] Vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrischen Bauteil um einen Elektrolytkondensator, oder ein anderes, leistungselektronisches Bauteil, wie etwa eine Schraubdiode, bei dem Verlustleistungen von mehreren Watt auftreten.

[0011] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen hierbei die [0012] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Isolators mit metallischer Beschichtung in jenen Bereichen, wo sich im zusammengesetzten Zustand der elektrischen Baugruppe die elektrischen Bauteile befinden, und die [0013] Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Baugruppe mit einem elektrischen Bauteil, einem Kühlkörper, und einem dazwischen liegenden Isolator mit beidseitiger, metallischer Beschichtung.

[0014] In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Isolators 1 mit metallischer Beschichtung 2 gezeigt. Auf der den elektrischen Bauteilen 3 zugewandten Seite des Isolators ist dabei die metallische Beschichtung 2 lediglich in jenen Bereichen vorgesehen, in denen sich im zusammengesetzten Zustand der elektrischen Baugruppe die elektrischen Bauteile 3 befinden. Bei dem elektrischen Isolator 1 handelt es sich um ein Leiterplatten-Basismaterial, vorzugsweise FR4, und bei der metallischen Beschichtung 2 um eine auf das Basismaterial aufgebrachte Kupferschicht. Eine Leiterplatte, auch als Platine oder gedruckte Schaltung bezeichnet (engl, printed Circuit board, PCB), dient in herkömmlicher Weise dem Verbinden von elektronischen Bauteilen ohne die Verwendung von Kabelverbindungen. Einfache Leiterplatten bestehen dabei aus einer Kupferschicht, die auf einen Kunststoffträger aufgebracht ist. Der Kunststoffträger war früher üblicherweise aus Pertinax gefertigt, heute wird meistens ein mit Epoxidharz getränktes Glasfasergewebe verwendet (Laminat). Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt in der Leiterplatten-Produktion, indem lichtempfindlicher Fotolack durch eine Maske belichtet wird. Nach dem Entwickeln bleibt der Lack an jenen Stellen auf der Leiterplatte, an denen das Kupfer verbleiben soll. In weiterer Folge werden die freien Zwischenräume 2/5 österreichisches Patentamt AT507 589B1 2012-11-15 durch nasschemische Prozesse weggeätzt. Ebenso können Kupferschichten verdickt, bzw. zusätzliche metallische Schutzschichten aus Nickel, Gold, u.ä. durch galvanische Prozesse aufgebracht werden. Für eine erfindungsgemäße Baugruppe können diese Technologien angewendet werden, um einfache Kupferflächenbeschichtungen herzustellen, im Beispiel der Fig. 1 etwa kreisflächenförmige Beschichtungen.

[0015] Für das Basismaterial von Leiterplatten werden spezielle Kunststoffe verwendet, die nach Aushärtung nicht mehr schmelzbar sind. Die Kunststoffe müssen meist durch eine Füllung verstärkt werden, um den hohen Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften zu genügen. Als Verstärkungsmaterialien eignen sich Hartpapier, Fasern oder Gewebe aus Glas. Für starre Leiterplatten werden verstärkte Harze, für flexible Leiterplatten unverstärkte Harze eingesetzt. Diese Harze müssen bestimmte Eigenschaften hinsichtlich des Flammschutzes aufweisen. Dies wird meist durch die Verarbeitung sogenannter Additive erreicht. Die gängigsten Basismaterialien für die Herstellung von Leiterplatten werden nach DIN- bzw. NEMA-Normen klassifiziert. Sie legen Mindestanforderungen an die Basismaterialien und die Prüfmethoden fest. Nach dem NEMA-Standard werden die gebräuchlichsten Basismaterialien wegen ihrer flammschützenden Additive „FR-Materialien" (flame retardant) genannt. Hierbei wird zwischen FR-2 (Reaktionsharz Phenol; Verstärkungsmaterial Papier), FR-3 (Reaktionsharz Epoxid; Verstärkungsmaterial Papier) und FR-4 bzw. FR-5 (Reaktionsharz Epoxid; Verstärkungsmaterial Glasgewebe) unterschieden.

[0016] Für den erfindungsgemäßen Isolator 1 mit metallischer Beschichtung 2 wird vorzugsweise FR-4 mit den vom Baugruppen-Hersteller vorgegebenen Flächen metallischer Beschichtung 2 verwendet. Durchbrüche 4 sind für die Befestigungsbolzen 5 der elektrischen Bauteile 3 vorgesehen.

[0017] Die Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einem elektrischen Bauteil 3, einem Kühlkörper 6 zur Kühlung des elektrischen Bauteils 3, und einem dazwischen liegenden Isolator 1 mit beidseitiger, metallischer Beschichtung 2. Bei dem elektrischen Bauteil handelt es sich etwa um einen Elektrolytkondensator („ELKO"), oder ein anderes, leistungselektronisches Bauteil, wie etwa eine Schraubdiode, bei dem Verlustleistungen von mehreren Watt auftreten können. Es können auch mehrere elektrische Bauteile 3 am Kühlkörper 6 angeordnet sein, wobei sich der elektrische Isolator 1 plattenförmig zwischen Kühlkörper 6 und den elektrischen Bauteilen 3 erstreckt. Die metallische Beschichtung 2 ist, wie in der Fig. 1 ersichtlich ist, auf der dem elektrischen Bauteil 3 zugewandten Seite lediglich im Bereich der elektrischen Bauteile 3 vorgesehen, auf der dem Kühlkörper 6 zugewandten Seite kann sie jedoch auch über die gesamte Erstreckung des Isolators 1 aufgebracht sein. Mithilfe eines Befestigungsbolzens 5 ist das elektrische Bauteil 3 fest am Kühlkörper 6 montiert.

[0018] Aufgrund der metallischen Beschichtung 2 des Isolators 1 führen allfällige Lufteinschlüsse zwischen Beschichtung 2 und elektrischem Bauteil 3 zu keiner dielektrischen Belastung mehr. Die aus der Leiterplattenproduktion bekannten, mit Kupfer beschichteten Isolatormaterialien, etwa FR-4, verfügen dabei über ausgezeichnete elektrische und thermische Eigenschaften, sodass sie sich für die Verwendung als elektrischer Isolator 1 zwischen einem Kühlkörper 6 und ein auf dem Kühlkörper 6 angeordnetes, elektrisches Bauteil 3 hervorragend eignen.

[0019] Somit wird mithilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen das elektrische Bauteil 3 gegenüber dem Kühlkörper 6 bei ausreichender Wärmeleitfähigkeit im Kontaktbereich so isoliert, dass Lufteinschlüsse vermieden und Glimmentladungen verhindert werden. Dadurch wird auf einfache und kostengünstige Weise die Lebensdauer der elektrischen Baugruppe erhöht. 3/5

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT507 589B1 2012-11-15 Patentansprüche 1. Elektrische Baugruppe umfassend ein zu kühlendes, elektrisches Bauteil (3) und einen Kühlkörper (6), wobei zwischen dem elektrischen Bauteil (3) und dem Kühlkörper (6) ein elektrischer Isolator (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrischen Isolator (1) um ein Leiterplatten-Basismaterial, vorzugsweise FR4, handelt, das auf der dem elektrischen Bauteil (3) zugewandten Seite, sowie auf der dem Kühlkörper (6) zugewandten Seite jeweils mit einer metallischen Beschichtung (2) versehen ist, die den elektrischen Bauteil (3), sowie den Kühlkörper (6) jeweils unmittelbar kontaktiert.
2. 2. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der metallischen Beschichtung (2) um eine auf das Basismaterial aufgebrachte Kupferschicht handelt.
3. 3. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Bauteile (3) am Kühlkörper (6) angeordnet sind, und sich der elektrische Isolator (1) plattenförmig zwischen Kühlkörper (6) und den elektrischen Bauteilen (3) erstreckt, wobei die metallische Beschichtung (2) auf der den elektrischen Bauteilen (3) zugewandten Seite des Isolators (1) lediglich im Bereich der elektrischen Bauteile (3) vorgesehen ist.
4. 4. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrischen Bauteil (3) um einen Elektrolytkondensator handelt.
5. 5. Verwendung eines Leiterplatten-Basismaterials mit metallischer Beschichtung (2) als elektrischer Isolator (1) zwischen einem Kühlkörper (6) und ein auf dem Kühlkörper (6) angeordnetes, leistungselektronisches Bauteil, bei dem Verlustleistungen von mehreren Watt auftreten. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5