DE102005039764A1

DE102005039764A1 - Vorrichtung für eine thermische Kopplung und Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung

Info

Publication number: DE102005039764A1
Application number: DE102005039764A
Authority: DE
Inventors: Dubravko Barkic; Guenther Biberger; Jacek Mendes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-24
Also published as: DE102005039764B4; WO2007023015A1; KR20080047362A; US20080212647A1; US7775708B2; KR101119480B1

Abstract

Vorrichtung (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei der Temperatursensor (12) und das Element (20) mittels eines wärmeleitenden Mediums zumindest thermisch miteinander verbunden sind, wobei der Temperatursensor (12) in einer Ausnehmung (26) des Elements (20) angeordnet ist und das Medium als flexible Folie (28) ausgeführt ist, die mit dem Temperatursensor (12) und mit einer Wandung (38) der Ausnehmung (26) zumindest teilweise in Kontakt steht. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei zwischen dem Temperatursensor (12) und dem Element (20) ein wärmeleitendes Medium angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Die zuvor genannte Vorrichtung und das genannte Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, die hohe thermische Verlustleistung von Transistoren über Kühlkörper an die Umgebung abzuführen. Um die Transistoren vor thermischer Überlast zu schützen, werden entweder geschützte Transistoren mit integriertem thermischen Schutz eingesetzt oder wird der Temperaturschutz über einen externen Temperatursensor realisiert, der mittels Wärmeleitpaste oder Vergussmasse thermisch an den Kühlkörper und damit an den Transistor angekoppelt ist. Wenn die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird die Leistung der Transistoren entsprechend reduziert. Dieses Vorgehen wird gerade auch in Kraftfahrzeugen, insbesondere bei linearen Klimagebläsereglern, angewendet. Es hat sich jedoch hinsichtlich der Produktionskosten als nachteilig herausgestellt, dass bei dem bekannten Vorgehen Trocknungszeiten zu beachten sind und/oder spezielle Maßnahmen für die Trocknung der Wärmeleitpaste oder der Vergussmasse getroffen werden müssen. Werden Transistoren mit integriertem thermischen Schutz verwendet, so müssen die mit diesen Transistoren verbundenen Nachteile und höhere Teilekosten in Kauf genommen werden.

Vorteile der Erfindung

Bei einer Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei der Temperatursensor und das Element mittels eines wärmeleitenden Mediums zumindest thermisch miteinander verbunden sind, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Temperatursensor in einer Ausnehmung des Elements angeordnet ist und das Medium als flexible Folie ausgeführt ist, die mit dem Temperatursensor und mit einer Wandung der Ausnehmung zumindest teilweise in Kontakt steht. Bei dem Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, handelt es sich überwiegend um ein Element mit einem geringen Wärmewiderstand, welches sich mit dem wärmeerzeugenden Bauteil erhitzt und abkühlt. Da das Medium als flexible Folie ausgeführt ist, wird die thermische Anbindung des Temperatursensors einfach und fertigungsgünstig realisiert. Es sind nun keine Trocknungszeiten mehr zu beachten, so dass eine höhere Fertigungsrate erzielt werden kann. Da die Folie zwischen der Wandung des Elements und dem Temperatursensor liegt, ist eine gute thermische Kopplung erzielbar. Dies insbesondere dann, wenn der Temperatursensor satt in der Ausnehmung mit der Folie sitzt. Der Begriff der Folie soll dabei dahingehend verstanden werden, dass es sich hier um ein festes Wärmeleitelement handelt, welches eine überwiegend flächige Ausdehnung und bestimmte elastische Eigenschaften aufweist. Es ist dagegen nicht erforderlich, dass die Folie eine vernachlässigbare Dicke besitzt. Unter dem Begriff des Temperatursensors soll ganz allgemein ein Bauteil verstanden werden, welches geeignet ist, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Messmitteln, eine Temperatur und/oder eine Temperaturänderung zu erfassen.

Vorzugsweise ist die Folie kompressibel. Dadurch kann die thermische Kopplung verbessert werden. In Bereichen, in denen der Temperatursensor fast unmittelbar an der Wandung anliegt, wird die Folie dann zusammengedrückt, während sie dort, wo zwischen dem Temperatursensor und der Wandung des Elements Zwischenräume bleiben, beispielsweise da die Ausgestaltung des Temperatursensors nicht plan ist, nicht oder nur teilweise zusammengedrückt wird und so den Zwischenraum ausfüllen kann.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Temperatursensor auf einer Leiterplatte angeordnet. Dies ist einerseits hinsichtlich der elektrischen Anbindung, andererseits aber auch für die mechanische Befestigung vorteilhaft.

Bevorzugt ist der Temperatursensor als SMD-Bauteil ausgeführt. Bei einem solchen Bauteil lässt sich aufgrund seiner Geometrie die thermische Kopplung besonders gut realisieren. Bei dem SMD-Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Widerstand mit einem positiven oder einem negativen Temperaturkoeffizienten (PTC, NTC) handeln.

Mit Vorteil sind auf der Leiterplatte Halbleiterbauelemente angeordnet, die mit der Leiterplatte in elektrischem Kontakt stehen und mit dem Element in thermischem Kontakt stehen. Auf diese Weise wird die Fertigung weiter vereinfacht. Während der Herstellung kann zunächst die Leiterplatte mit allen elektrischen Komponenten hergestellt werden, einschließlich der zu kühlenden Halbleiterbauelemente (zum Beispiel Leistungstransistoren). Im zusammengebauten Zustand liegen die Halbleiterbauelemente dann an dem Element an, das sie kühlt, und der Temperatursensor ist thermisch an das Element gekoppelt.

Vorteilhafterweise hat die Folie mindestens zu zwei Seiten der Wandung Kontakt, wobei die Folie insbesondere U-förmig eingelegt ist. So kann die thermische Kopplung verbessert werden, indem die wirksame Wärmeübertrittsfläche zwischen dem Temperatursensor und dem Element vergrößert wird. Die genannte U-Form lässt sich besonders einfach durch ein Verfahren erzielen, welches im weiteren Verlauf der Anmeldung aufgezeigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ausnehmung einen U-förmigen Querschnitt auf. Dies ist allgemein für die thermische Kopplung und insbesondere für die Erzielung der U-förmigen Umschließung vorteilhaft.

Es ist vorteilhaft, wenn das Element ein Kühlkörper ist. Mit einem Kühlkörper lässt sich von den zu kühlenden Bauteilen besonders viel Wärme abführen.

Man erhält eine vorteilhafte Ausführungsform, wenn die Leiterplatte an einem Steckerhalter angeordnet ist, der in zumindest teilweise formschlüssiger Verbindung zu dem Element steht. Dies stellt eine weitere Vereinfachung des Produktionsprozesses dar, da für die Positionierung und die Befestigung der Leiterplatte keine weiteren Maßnahmen erforderlich sind. Da der Steckerhalter im fertigmontierten Zustand regelmäßig eine feste Position zu dem Element hat, ist die Kopplung der Temperatursensors damit sicher und lageunabhängig und bleibt auch bei Schwingbelastung erhalten.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei zwischen dem Temperatursensor und dem Element ein wärmeleitendes Medium angeordnet wird, ferner in dem Element eine Ausnehmung ausgebildet wird, die Ausnehmung zumindest teilweise mit einer flexiblen Folie als Medium überdeckt wird und der Temperatursensor in die Ausnehmung unter Mitnahme der Folie hineingedrückt wird. Dabei kann je nach Ausgestaltung der Abmessungen von Folie und Ausnehmung bewirkt werden, dass die Folie ganz oder lediglich teilweise in die Ausnehmung hineingedrückt wird. Das Vorgehen wird anhand des Ausführungsbeispiels weiter verdeutlicht.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine Steckvorrichtung mit einem Kühlkörper,
2 eine Leiterplatte mit Transistoren auf einem Kühlkörper,
3 eine Schnittansicht zu dem Zeitpunkt bevor der Temperatursensor in die Ausnehmung eingeführt wird, und
4 eine Schnittansicht der Vorrichtung im zusammengefügten Zustand.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht die zur Vorrichtung 10 gehörenden Elemente, wobei der Temperatursensor 12 auf einer Leiterplatte 14 angeordnet ist, die wiederum an einem Steckerhalter 16 befestigt ist. Der Temperatursensor 12 ist hier als SMD-Widerstand 18 ausgeführt. Das Element 20, dessen Temperatur zu bestimmen ist, ist hier ein Kühlkörper 22 mit Kühlrippen 24. In dem Kühlkörper 22 ist eine Ausnehmung 26 angeordnet. Ferner dargestellt ist eine flexible Folie 28 als Wärmeleitelement, die über der Ausnehmung positioniert wird und dann im zusammengebauten Zustand mit dem Temperatursensor und mit einer Wandung der Ausnehmung 26 zumindest teilweise in Kontakt steht. An dem Kühlkörper 22 ist ein zylinderförmiger Vorsprung 30 gezeigt, der im zusam mengebauten Zustand in ein – nicht gezeigtes – Gegenelement im Steckerhalter 16 eingreift, so dass der Steckerhalter 16 am Kühlkörper 22 gehalten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass alle eingeführten Bezugszeichen in allen Figuren mit der gleichen Bedeutung verwendet werden.
In der 2 ist dargestellt, wie die zu kühlenden Halbleiterbauelemente 32, hier Leistungstransistoren 34, elektrisch an der Leiterplatte 14 und thermisch am Kühlkörper 22 angebunden sind. Außerdem ist zu erkennen, dass nun im zusammengebauten Zustand die Folie 28 in die Ausnehmung 26 hineingedrückt ist.
Die Vorrichtung 10 ist in der 3 als Schnittansicht dargestellt und zwar zu dem Zeitpunkt, bevor der Temperatursensor 12 in die Ausnehmung 26 eingeführt wird. Es ist zu erkennen, dass die Folie 28 breiter ist als die Ausnehmung 26 und damit die Ausnehmung 26 zumindest teilweise überdeckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind für die Positionierung der Folie 28 zudem kleine Vertiefungen 36 vorgesehen. Die Leiterplatte 14 mit dem Temperatursensor 12 ist über der Folie 28 und der Ausnehmung 26 positioniert und wird nun in Richtung des großen Pfeils 38 bewegt. Beim Auftreffen auf die Folie 28 wird diese in die Ausnehmung 26 hineingedrückt.
4 zeigt schließlich die fertige Vorrichtung 10 im zusammengefügten Zustand. Die Folie 28 liegt nun U-förmig an der Wandung 38 der Ausnehmung 26 an. Da es sich hier um eine kompressible Folie 28 handelt, wurde die Folie 28 im Bereich der Vorsprünge des Temperatursensors 12 stark zusammengedrückt, während dies in der anderen Bereichen nur in einem geringeren Ausmaß der Fall ist. Es ist dabei deutlich zu sehen, dass eine sehr gute thermische Kopplung sowohl zwischen dem Temperatursensor 12 und der Folie 28 als auch zwischen der Folie 28 und der Ausnehmung 26 besteht.

Claims

Vorrichtung (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei der Temperatursensor (12) und das Element (20) mittels eines wärmeleitenden Mediums zumindest thermisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) in einer Ausnehmung (26) des Elements (20) angeordnet ist und das Medium als flexible Folie (28) ausgeführt ist, die mit dem Temperatursensor (12) und mit einer Wandung (38) der Ausnehmung (26) zumindest teilweise in Kontakt steht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (28) kompressibel ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) auf einer Leiterplatte (14) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) als SMD-Bauteil (18) ausgeführt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (14) Halbleiter bauelemente (32) angeordnet sind, die mit der Leiterplatte (14) in elektrischem Kontakt stehen und mit dem Element (20) in thermischem Kontakt stehen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (26) mindestens zu zwei Seiten der Wandung (38) Kontakt hat, wobei die Folie (26) insbesondere U-förmig eingelegt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (26) einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (20) ein Kühlkörper (22) ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (14) an einem Steckerhalter (16) angeordnet ist, der in zumindest teilweise formschlüssiger Verbindung zu dem Element (20) steht.
Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei zwischen dem Temperatursensor (12) und dem Element (20) ein wärmeleitendes Medium angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Element (20) eine Ausnehmung (26) ausgebildet wird, die Ausnehmung (26) zumindest teilweise mit einer flexiblen Folie (28) als Medium überdeckt wird und der Temperatursensor (12) in die Ausnehmung (26) unter Mitnahme der Folie (28) hineingedrückt wird.