AT9303U1

AT9303U1 - Anordnung mit zumindest einem elektronischen bauteil

Info

Publication number: AT9303U1
Application number: AT0800607U
Authority: AT
Original assignee: B2 Electronic Gmbh
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2007-07-15

Abstract

Anordnung mit zumindest einem elektronischen Bauteil (1) und einem diesem zugeordneten Kühlkörper (3) sowie einem räumlich zwischen dem elektronischen Bauteil (1) und dem Kühlkörper (3) angeordneten Trägerkörper, welcher zumindest eine Schicht (2) mit zumindest einem Material mit einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 10 kV/mm und einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/mK aufweist, wobei in und/oder an der genannten Schicht (2) des Trägerkörpers zumindest eine Ausnehmung (5) und/oder zumindest ein vorstehendes Element angeordnet ist, die und/oder das so ausgebildet ist, dass sie und/oder es entlang der Oberfläche der Schicht (2) des Trägerkörper, vorzugsweise alle, elektrisch möglichen Wegsamkeiten zwischen dem elektronischen Bauteil (1) und dem Kühlkörper gegenüber dem Zustand der Schicht (2) des Trägerkörpers ohne die Ausnehmung (5) und/oder ohne das vorstehende Element verlängert(n).

Description

2 AT 009 303 U1

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einem elektronischen Bauteil und einem diesem zugeordneten Kühlkörper sowie einem räumlich zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper angeordneten Trägerkörper, welcher zumindest eine Schicht mit zumindest einem Material mit einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 10 kV/mm und 5 einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/mK aufweist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Schicht, einen Trägerkörper und/oder eine Einheit aus Trägerkörper und Kühlkörper, welche für eine solche Anordnung geeignet sind. io Bei zahlreichen elektronischen Bauteilen besteht das Problem, dass einerseits beim Betrieb des elektronischen Bauteils entstehende Wärme abgeführt werden muss, andererseits aber auch die nötige Durchschlagsfestigkeit, also elektrische Isolierung zur Verhinderung von ungewollten elektrischen Entladungen bzw. Kurzschlüssen sichergestellt werden muss. Bei den meisten Materialien mit hohen elektrischen Widerständen, also guter Durchschlagsfestigkeit sind die 15 spezifischen Wärmeleitfähigkeiten so gering, sodass die Wärme nur unzureichend vom elektrischen Bauteil abtransportiert werden kann. Beim Stand der Technik ist es bereits bekannt, Trägerkörper zwischen dem elektronischen Bauteil und einem zugeordneten Kühlkörper zu verwenden, die gleichzeitig eine hohe Durchschlagsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm und eine relativ hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/mK aufweisen. Durch 20 diese Maßnahme wird zwar die Wärme gut durch den Trägerkörper hindurch zum Kühlkörper transportiert und gleichzeitig eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit gewährleistet, es stellt sich aber immer noch das Problem, dass es durch Kriechströme außerhalb des Trägerkörpers zu ungewollten elektrischen Entladungen bzw. Kurzschlüssen kommen kann. Dies gilt vor allem für den so genannten Hochspannungsbereich mit elektrischen Betriebsspannungen im 25 kV(Kilovolt)-Bereich.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem der beim Stand Technik bekannten gattungsgemäßen Anordnungen zu beseitigen. 30 Dies wird erreicht, indem in und/oder an der genannten Schicht des Trägerkörpers zumindest eine Ausnehmung und/oder zumindest ein vorstehendes Element angeordnet ist, die und/oder das so ausgebildet ist, dass sie und/oder es entlang der Oberfläche der Schicht des Trägerkörpers, vorzugsweise alle, elektrisch möglichen Wegsamkeiten zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper gegenüber dem Zustand der Schicht des Trägerkörpers ohne die 35 Ausnehmung und/oder ohne das vorstehende Element verlängeren).

Es ist also vorgesehen, die Oberflächen der Schicht des Trägerkörpers mittels zumindest einer Ausnehmung und/oder zumindest eines vorstehenden Elementes zumindest so zu vergrößern, dass die Kriechwege in der Weise verlängert werden, dass es außerhalb des Trägerkörpers 40 bzw. der Schicht entlang der Oberflächen nicht mehr zu Spannungsentladungen oder Kurzschlüssen kommen kann. Dabei ist es günstig, wenn alle elektrisch möglichen Wegsamkeiten verlängert werden. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Ausnehmung und/oder das vorstehende Element umlaufend bezüglich der Schicht des Trägerkörpers und/oder des elektronischen Bauteils und/oder des Kühlkörpers ausgebildet ist. 45

Grundsätzlich ist es nicht so sehr entscheidend, ob die Kriechwegverlängerung durch mikroskopische Ausnehmungen und/oder vorstehende Elemente, wie Aufrauung oder dergleichen, oder durch eher makroskopische Ausnehmungen oder vorstehende Elemente erreicht wird. Fertigungstechnisch ist es dabei aber besonders einfach, wenn die Ausnehmung nut- oder so grabenförmig und/oder das vorstehende Elemente wandförmig ausgebildet ist. Letztendlich kommt es aber unabhängig von der Art der Realisierung hauptsächlich auf eine entsprechend große Verlängerung der Kriechwege an. In der Regel ist es dabei günstig, wenn die Ausnehmung und/oder das vorstehende Element so ausgebildet ist (sind), dass sie und/oder es die elektrisch möglichen Wegsamkeiten zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper 55 um mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 100 %, verlängert. 3 AT 009 303 U1

Fertigungstechnisch einfach ist es wiederum, wenn die gesamte Schicht, vorzugsweise der gesamte Trägerkörper, und/oder das mindestens eine gegebenenfalls vorhandene vorstehende Element aus ein und demselben Material gefertigt ist (sind). Dabei kann eine einstückige Ausbildung der gesamten Schicht bzw. des gesamten Trägerkörpers und der (des) gegebenenfalls 5 vorstehenden Elemente(s) vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich die gesamte Schicht bzw. den Trägerkörper und die gegebenenfalls vorstehenden Elemente, vorzugsweise durch Verkleben, aus miteinander verbundenen Einzelteilen aufzubauen.

Besonders günstige Materialien für die Schicht bzw. den Trägerkörper und die (das) gegebe-io nenfalls vorhandenen vorstehende(n) Elemente) weisen neben der Durchschlagsfestigkeit von mindestens 10 kV/mm (Kilovolt pro Millimeter) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mK (Watt pro Meter Kelvin) auf. Besonders bevorzugte Materialien sind Keramiken wie Aluminiumoxid (ALO) mit einer Durchschlagsfestigkeit von ca. 10 kV/mm und einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von ca. 25 W/mK oder Aluminiumnitrid (ALN) mit Durchschlagsfestig-15 keiten von ca. 25 kV/mm und spezifischen Wärmeleitfähigkeiten von ca. 150 W/mK.

Besonders bevorzugt kommen die erfindungsgemäßen Anordnungen dann zum Einsatz, wenn es sich bei den elektronischen Bauteilen um Hochspannungsbauteile, welche für Betriebsspannungen von mindestens 5 kV bzw. zwischen 5 kV und 400 kV vorgesehen sind. Die als Wärme 20 abzuführenden Verlustleistungen solcher Bauteile liegen meist bei mindestens 10 W (Watt) bzw. zwischen 10 W und 10 kW (Kilowatt).

Um nicht nur Kurzschlüsse bzw. Entladungen entlang der Kriechwege an den Oberflächen der Schicht bzw. des Trägerkörpers sondern auch entlang anderer Wegsamkeiten außerhalb der 25 Schicht- bzw. des Trägerkörpers zu verhindern, kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das elektronische Bauteil und/oder die Schicht, vorzugsweise der Trägerkörper, mit der (den) Ausnehmungien) und/oder dem (den) vorstehenden Element(en) in ein elektrisch isolierendes Medium, vorzugsweise in ein Isolieröl oder ein Isoliergas oder ein Gießharz, vorzugsweise vollständig, eingebettet ist (sind). 30

Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigen: 35 40

Fig. 1 und 2 Fig.3 Fig. 4 und 5 Fig. 6 bis 8 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einer nutförmigen umlaufenden Ausnehmung in geschnittener und perspektivischer Darstellung, ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem der Trägerkörper einstückig aufgebaut ist. weitere Varianten von erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit nutförmigen Ausnehmungen in Schnittdarstellungen und ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einer grabenförmigen Ausnehmung.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen kombinierte Kühl- und Isolationssysteme, insbesondere für Hochspannungsapplikationen, bei denen als elektronische Bauteile 1 zum Bei-45 spiel Hochspannungsverstärker, steuerbare Hochspannungs- und Hochleistungswiderstände, Transistoren, Triacs, Dioden oder ähnliche Applikationen, welche zum einen gut gekühlt und zum anderen gegen, insbesondere sehr hohe, Spannungen isoliert werden müssen. Gezeigt sind mögliche Aufbauten, bei denen die Trägerkörper aus zumindest einer Schicht 2, bestehend aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, aufgebaut sind. Verwendbar sind auch andere Materi-50 alien mit entsprechend guter spezifischer Wärmeleitfähigkeit und hoher Spannungsfestigkeit. Bei den verschiedenen gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Trägerkörper bzw. die ihn bildende Schicht 2 von der Grundstruktur her, also ohne die gezeigten Ausnehmungen 5 im Wesentlichen quaderförmig in Form einer Platte ausgeführt. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind zur Verlängerung der Kriechwege an der Oberfläche der Schicht 2 bzw. des Trä-55 gerkörpers rundum verlaufende nutförmige Ausnehmungen 5 vorgesehen. Die Tiefe und die 4 AT 009 303 U1

Breite der Ausnehmung(en) 5 bzw. der Nut(en) ist abhängig von der geforderten Spannungsfestigkeit und der entsprechend anvisierten Verlängerung des Kriechweges. Das zu kühlende elektronische Bauelement 1 kann auf den Trägerkörper bzw. die Schicht 2 zum Beispiel aufgeklebt oder aufgespannt werden. Das Gleiche gilt für den Kühlkörper 3 auf der gegenüber lie-5 genden Seite. Der Kühlkörper 3 weist in allen Ausführungsbeispielen Kühlrippen auf. Er kann dasselbe Material wie die Schicht 2 aber auch Aluminium oder andere gut wärmeableitende Materialien aufweisen.

Alle gezeigten Anordnungen werden mit einem isolierenden Medium 4, wie zum Beispiel Iso-io lieröl oder Isoliergas oder Gießharz, ausgegossen bzw. umgeben. Dabei werden die Ausnehmungen 5 mit dem isolierenden Material 4 gefüllt. Die Temperaturübertragung vom elektronischen Bauteil 1 zum Kühlkörper erfolgt über den Trägerkörper bzw. die Schicht 2. Dieser bzw. diese sorgt auch für die entsprechende Spannungsfestigkeit auf dem direkten Weg zwischen elektronischen Bauelement 1 und Kühlkörper 3. Zur Verhinderung von Kriechströmen dient die 15 erfindungsgemäße Wegverlängerung mittels der Ausnehmung(en) 5 bzw. der (des) hier nicht explizit gezeigten aber auch möglichen vorstehenden Elemente(s). Mittels des isolierenden Materials 4 wird darüber hinaus verhindert, dass es zu elektrischen Entladungen zwischen dem elektronischen Bauteil 1 und dem Kühlkörper 3 durch das die Anordnung umgebende Medium, wie zum Beispiel Luft, kommen kann. Bevorzugt wird der Kriechweg durch die erfindungsgemä-20 ßen Maßnahmen mindestens verdoppelt oder verdreifacht. Vor allem bei der Verwendung von Ausnehmungen 5 ist eine besonders kompakte und leichte Bauform möglich.

Zur Anordnung der Leiterbahnen zum elektrischen Kontaktieren der elektronischen Bauteile kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen auf oder in dem Trägerkörper, zum Beispiel durch 25 Aufdampfen, angeordnet werden. Günstiger Weise ist jedoch vorgesehen, dass die elektrische Kontaktierung und/oder die elektrischen Zu- oder Ableitungen zum elektronischen Bauteil außerhalb der Schicht 2 und/oder des Trägerkörpers angeordnet sind. In diesem Fall handelt es sich bei der Schicht 2 bzw. dem Trägerkörper also nicht um einen Träger für Leiterbahnen oder dergleichen. Die elektrischen Anschlüsse können anderweitig - hier nicht dargestellt - zum 30 Beispiel durch direkt zum elektronischen Bauteil 1 führende Kabel oder oberhalb des Bauteils 1, also gegenüber dem Träger angeordnete, hier ebenfalls nicht dargestellte Leiterbahnen oder Platinen erfolgen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 ist eine nutförmige Ausnehmung 5 in der Schicht 2 vollständig umlaufend vorhanden. Es werden dadurch alle elektrisch möglichen Wegsamkeiten zwischen dem elektronischen Bauteil 1 und dem Kühlkörper 3 ent-35 lang der Kriechwege verlängert. Fig. 2 zeigt die im Schnitt in Fig. 1 dargestellte Anordnung in einer perspektivischen Darstellung. Während in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Schicht 2 bzw. der Trägerkörper aus miteinander verbundenen, vorzugsweise verklebten, Einzelteilen 2a, 2b, 2c aufgebaut ist, zeigt 40 Fig. 3 im Schnitt ein ansonsten gleiches Ausführungsbeispiel, bei dem die Schicht 2 aber einstückig ausgebildet ist. Hier ist die nutförmige Ausnehmung 5 in die ursprünglich quaderförmige, die Schicht 2 bildende Platte eingeschnitten worden. Dasselbe gilt für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zeigt, dass grundsätzlich auch eine Abfolge von mehreren Nuten zum Erreichen der gewünschten Kriechwegverlängerung 45 möglich sind. Genauso kann natürlich auch eine Abfolge von mehreren vorstehenden Elementen alleine oder in Kombination mit Ausnehmungen verwendet werden. Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausnehmung 5 nicht seitlich sondern auf der Seite, auf der auch das elektronische Bauteil 1 aufsitzt, grabenförmig in die Schicht 2 bzw. den Trägerkörper eingeschnitten ist. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht, bei der die Haube aus isolierendem Meso dium 4 weggelassen ist. Fig. 7 zeigt einen Schnitt entlang der Geraden AA. Fig. 8 zeigt einen Schnitt entlang der Geraden BB.

Die erfindungsgemäßen Durchschlagfestigkeiten können am Material gemäß IEC 60672-2 bestimmt werden. Die spezifischen Wärmeleitfähigkeiten könnten gemäß der EN 821-3 be-55 stimmt werden. Auch wenn bei den gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen der

Claims

5 AT 009 303 U1 Trägerkörper ausschließlich aus der Schicht 2 besteht, so kann dieser neben dieser Schicht 2 durchaus auch weitere Schichten aufweisen. Auch die Schicht 2 kann aus verschiedenen Materialien und auch geschichtet aufgebaut sein. Natürlich können auch mehrere elektronische Bauteile auf einem Trägerkörper angebracht sein. Werden Trägerkörper bzw. Schicht 2 aus mehreren Einzelbauteilen zusammengesetzt, so ist ihre Verbindung besonders günstig mittels eines Klebers mit geeigneten Eigenschaften vorzunehmen. Ansprüche: 1. Anordnung mit zumindest einem elektronischen Bauteil und einem diesem zugeordneten Kühlkörper sowie einem räumlich zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper angeordneten Trägerkörper, welcher zumindest eine Schicht mit zumindest einem Material mit einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 10 kV/mm und einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/mK aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an der genannten Schicht (2) des Trägerkörpers zumindest eine Ausnehmung (5) und/oder zumindest ein vorstehendes Element angeordnet ist, die und/oder das so ausgebildet ist, dass sie und/oder es entlang der Oberfläche der Schicht (2) des Trägerkörpers, vorzugsweise alle, elektrisch möglichen Wegsamkeiten zwischen dem elektronischen Bauteil (1) und dem Kühlkörper gegenüber dem Zustand der Schicht (2) des Trägerkörpers ohne die Ausnehmung (5) und/oder ohne das vorstehende Element verlängeren).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) und/oder das vorstehende Element umlaufend bezüglich der Schicht (2) des Trägerkörpers und/oder des elektronischen Bauteils (1) und/oder des Kühlkörpers (3) ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) nut- oder grabenförmig ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vorstehende Element wandförmig ausgebildet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) und/oder das vorstehende Element so ausgebildet ist (sind), dass sie und/oder es die elektrisch möglichen Wegsamkeiten zwischen dem elektronischen Bauteil (1) und dem Kühlkörper (3) um mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 100 %, verlängert.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Schicht (2), vorzugsweise der gesamte Trägerkörper, und das gegebenenfalls vorhandene vorstehende Element aus ein und demselben Material gefertigt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Schicht (2), vorzugsweise der gesamte Trägerkörper, und/oder das gegebenenfalls vorhandene vorstehende Element einstückig ausgebildet ist (sind).
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Schicht (2), vorzugsweise der gesamte Trägerkörper, und das gegebenenfalls vorhandene vorstehende Element aus, vorzugsweise durch Verkleben, miteinander verbundenen Einzelteilen (2a, 2b, 2c) aufgebaut ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schicht (2) ein Aluminiumnitrid oder ein Aluminiumoxid aufweist oder ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro- 6 AT 009 303 U1 nische Bauteil (1) ein Hochspannungsbauteil ist, welches für Betriebsspannungen zwischen 5 kV und 400 kV vorgesehen ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als 5 Wärme abzuführende Verlustleistung des elektronischen Bauteils (1) zwischen 10 W und 10 kW liegt.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (1) und/oder die Schicht (2), vorzugsweise der Trägerkörper, mit der Aus- io nehmung (5) und/oder dem vorstehenden Element in ein elektrisch isolierendes Medium (4), vorzugsweise in ein Isolieröl oder ein Isoliergas oder ein Gießharz, vorzugsweise vollständig, eingebettet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund- 15 form der Schicht (2) und/oder des Trägerkörpers ohne die gegebenenfalls vorhandene Ausnehmung (5) und ohne das gegebenenfalls vorhandene vorstehende Element im Wesentlichen quaderförmig ist.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- 20 körper (3) Kühlrippen aufweist.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) Aluminium oder dasselbe Material wie die Schicht aufweist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektri sche Kontaktierung und/oder die elektrischen Zu- oder Ableitungen zum elektronischen Bauteil (1) außerhalb der Schicht (2) und/oder des Trägerkörpers angeordnet sind.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem 30 Trägerkörper oder der Schicht (2) mehrere elektronische Bauteile (1) angeordnet sind.
18. Schicht geeignet für eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
19. Trägerkörper geeignet für eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17. 35
20. Einheit aus Trägerkörper und Kühlkörper geeignet für eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17. 40 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 45 50 55