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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von elektrischen Bauelementen sowie einen Umrichter und einen Kompaktantrieb damit.
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Aus der
DE 26 14 917 A1 ist ein elastisch deformierbarer Füllkörper bekannt.
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Aus der
DE 18 03 395 A ist eine Baueinheit für Geräte der Fernmeldetechnik bekannt.
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Aus der US 2007 / 0 177 356 A1 ist eine dreidimensionale Kühlplatte und ein Herstellverfahren für dieselbe bekannt.
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Aus der
FR 2 586 510 A1 ist eine Anordnung zum Kühlen eines Halbleitermoduls bekannt.
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Aus der
JP 2005-197 601 A ist Silikon zur Entwärmung von Halbleitern bekannt.
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Aus der
DE 41 02 350 A1 ist ein Zwischenelement zum Wärmetransfer zwischen integrierten Schaltungen und Kühlkörper in Multi-Chip-Modulen oder Chip-On-Board-Einheiten bekannt.
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Aus der
DE 100 33 848 A1 ist ein elektrisches Gerät mit einer Flüssigkeit zur Wärmeableitung bekannt.
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Aus der
DE 103 43 429 A1 ist eine Anordnung zum Kühlen eines auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelements bekannt.
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Aus der
DE 196 24 475 A1 ist eine Vorrichtung zum Temperieren elektronischer Bauteile bekannt.
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Aus der
DE 197 39 591 A1 ist eine recyclingfähige Leiterplatte, bestehend aus einem Folien- und Trägersystem, bekannt.
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Aus der
DE 198 33 131 C2 ist eine Anordnung zur Kontaktierung von elektronischen Bauelementen auf flexiblen Substraten bekannt.
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Aus der
DE 691 09 624 T2 ist ein Herstellverfahren einer elektronischen Karte mit Wärmeabführung bekannt.
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Aus der
EP 1 122 991 A2 ist eine gekapselte elektrische Versorgungseinheit bekannt, die ein hoch wärmeleitfähiges Einschubteil umfasst.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Kühlen von auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelementen weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung nach dem Anspruch 1, einem Umrichter nach dem Anspruch 16 und einem Kompaktantrieb nach dem Anspruch 17 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist bei der Anordnung zum Kühlen von auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelementen mittels eines Kühlkörpers
zwischen den zu kühlenden elektrischen Bauelementen und dem Kühlkörper ein dreidimensional geformtes Kissen aus wärmeleitendem Material angeordnet ist,
wobei auf der dem Kissen abgewandten Seite der Leiterplatte zumindest ein elektrisches Bauelement angeordnet ist und
wobei die Leiterplatte im Bereich des zumindest eines Bauelements eine Ausnehmung aufweist, in welche das Kissen eindringt und an dem zumindest einem Bauelement wärmeleitend anliegt.
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Von Vorteil ist dabei, dass kein Verguss notwendig ist, sondern ein Kissen lösbar und wiederverwendbar angewendet wird. Mittels der dreidimensionalen Formgebung, die abweicht von einer bloßen Matte, ist die Kühlung der verschieden großen Bauelemente auf der Leiterplatte gewährleistbar. Somit ist also die Topologie der Wärmequellen berücksichtigbar, da die Formgebung des Kissens entsprechend ausgeführt ist.
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Es ist somit ermöglicht, dass das Kissen vorgefertigt wird und im Lager bevorratet wird. Die Fertigung des Gerätes ist somit in äußerst geringer Zeit ausführbar, da nicht das Aushärten von Vergussmasse oder dergleichen notwendig ist.
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Von Vorteil ist bei der Erfindung auch, dass auch Bauelemente der vom Kissen abgewandten Seite der Leiterplatte entwärmbar sind mittels des Kissens. Da das Kissen dreidimensional geformt ist und somit im Bereich der Ausnehmung eine zur Leiterplatte hin gewandte Erhebung aufweist, wird das auf der anderen Seite, insbesondere über die Ausnehmung hinweg sich erstreckende Bauelement, einfach vom Kissen berührt und somit die Wärme abgeführt. Vorteiligerweise wird das Bauelement in SMD Technik montiert und liegt somit über der Ausnehmung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weicht das Kissen ab von der Form eines flachen Quaders. Von Vorteil ist dabei, dass je nach Topologie der Wärmequellen, also Bauelemente der Leiterplatte und des Kühlkörpers das Kissen formbar ist. Somit ist eine einfache und optimale Entwärmung ohne Wärmeleitpaste ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die dreidimensionale Formung derart ausgeführt, dass ein Negativabbild eines umgebenden Bereiches in der Vorrichtung zwischen bestückter Leiterplatte und Kühlkörper oder Kühlblech vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Kissen optimal in seiner Form an die Wärmequellen anpassbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kissen im Wesentlichen gleich stark elastisch deformiert, insbesondere in Richtung der Dicke des Kissens, an jedem Punkt seiner dem Kühlkörper zugewandten Oberfläche. Von Vorteil ist dabei, dass die Dichte des deformierten Kissens im Wesentlichen gleich ist und auch die elastische Auslenkung und vom Kissen erzeugte Kraft im Wesentlichen gleich groß ist in jedem Punkt. Somit werden empfindliche Bauelemente geschützt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kissen in Bereichen von zum Kühlkörper oder Kühlblech hin zugewandten Bauelementen dünner ausgeführt als in diese Bereiche umgebenden Bereichen. Von Vorteil ist dabei, dass die elastischen Kräfte im Wesentlichen gleich stark sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kissen an der dem Kühlkörper zugewandten Seite eben ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass das Kissen also durch Gießen in nur einer Form herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält das Kissen Silikon und Aluminiumoxid oder Quartzsand. Von Vorteil ist dabei, dass gute Wärmeleiter in eine viskose Masse einbindbar sind und somit ein nichtverfließendes Kissen herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Masseanteil von Silikon zwischen 30 und 70 %. Von Vorteil ist dabei, dass das Kissen nicht flüssig ist, sondern seine Form beibehält.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Masseanteil von Quartzsand und/oder Aluminiumoxid zwischen 70 und 30 %. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärmeleitung sehr gut ist und trotzdem das Kissen elektrisch isolierend ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kissen selbstklebend, insbesondere ist also das Material derart gut stoffschlüssig bei Andrücken an den Kühlkörper oder das Kühlblech, dass die Klebekraft bis zum Zehnfachen des Gewichts des Kissens zu halten vermag. Von Vorteil ist dabei, dass kein Vergießen oder Verkleben notwendig ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kissen aus elektrisch isolierend, insbesondere mit mehr als 5000 Vac. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Isolierabstand erreichbar ist und somit auch Leistungshalbleiter, die eine hohe Potentialdifferenz zum Kühlkörper aufweisen, entwärmbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine seitliche Umgebung des im Kühlkörper vorgesehenen Kissens offen. Von Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper also nicht als Schale ausgebildet sein muss, was beim Vergießen erforderlich wäre.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiterplatte mittels eines Steckverbinders mit einer weiteren Leiterplatte elektrisch verbunden, wobei diese weitere Leiterplatte an den Kühlkörper lösbar verbunden, insbesondere mit einer Schraubverbindung, ist. Von Vorteil ist dabei, dass auf der Leiterplatte niedrige Spannungen, beispielsweise der Steuerelektronik, und auf der weiteren Leiterplatte hohe Spannungen, beispielsweise der Leistungselektronik, führbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kissen zwischen Leiterplatte und Kühlblech angeschraubt, das an den Kühlkörper lösbar verbunden, insbesondere mit einer Schraubverbindung, ist. Von Vorteil ist dabei, dass beim Schraubverbinden das Kissen etwas elastisch zusammengedrückt wird und somit ein geringer Wärmeübergangswiderstand erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auf die weitere Leiterplatte bestückte Leistungshalbleiter an den Kühlkörper lösbar verbunden, insbesondere mit einer Schraubverbindung, ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine weitere Leiterplatte an den selben Kühlkörper sehr gut zur Entwärmung verbindbar ist, insbesondere seine Leistungshalbleiter, und dass die Leiterplatte parallel vorsehbar ist und ebenfalls über ein Kühlblech an diesen Kühlkörper entwärmbar ist. Somit ist es ermöglicht, dass die Leiterplatte Steuerelektronik und die weitere Leiterplatte Leistungselektronik trägt und ein sehr kompakter Aufbau der gesamten Vorrichtung ausführbar ist. Denn sind zwei parallel angeordnete kleine Leiterplatten verwendbar statt einer langen und großen Leiterplatte.
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Mit der Erfindung ist ein Verfahren ausführbar, das zur Fertigung einer Vorrichtung vorgesehen ist, wobei bei der Fertigung in einem ersten Schritt das Kissen auf den Kühlkörper oder das Kühlblech angedrückt wird und in einem zweiten Schritt die Leiterplatte an den Kühlkörper oder das Kühlblech angeschraubt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Kissen vorgefertigt wird und im Lager bevorratbar ist. Somit ist die Fertigung der Vorrichtung schnell und einfach ermöglicht. Außerdem ist mittels der Selbstklebeeigenschaften nach dem Andrücken ein Haften des Kissens am Kühlkörper während der Montage bewirkt, so dass der Kühlkörper mit dem anhaftenden Kissen einfach und schnell transportierbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Schnittansicht schematisch skizziert.
- In 2 ist ein Teil bei einer ähnlichen Ausführung gezeigt, wobei die Komponente anders geformt sind.
- In der 3 sind Gießformen (30, 31) zur Herstellung des in 4 gezeigten Kissens 40 gezeigt. Dabei ist die obere Gießform 30 und die untere Gießform 31 nebeneinander positioniert. Das Kissen 40 wird mittels Gießverfahren erzeugt.
- In 5 ist das Kühlblech 50 gezeigt.
- In 6 ist das auf das Kühlblech 50 aufgesetzte und mittels selbstklebender Eigenschaft des Kissens 40 stoffschlüssig gehaltene Kissen 40 gezeigt.
- In 7 ist die darauf aufzusetzende zugehörige Leiterplatte 5 gezeigt.
- In 8 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kompaktantrieb gezeigt.
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In 1 ist gezeigt, das die mit den Leistungshalbleitern 3 bestückte oder zumindest elektrisch verbundene Leiterplatte 2 am Kühlkörper 1 verschraubt ist. Dabei sind die Leistungshalbleiter (3) jeweils angeschraubt und/oder mittels einer Feder angepresst an den Kühlkörper 1, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Zusätzlich kann Wärmeleitpaste verwendet sein. Die Leiterplatte 2 ist insbesondere vorgesehen, um mit Leistungshalbleitern (3) einer Endstufe eines Umrichters bestückt zu werden.
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Die Leiterplatte 2 ist mittels Steckverbindung 4 mit einer weiteren Leiterplatte 5 verbunden, auf welcher die Signalelektronik vorgesehen ist. Jedoch sind auch von der Signalelektronik Bauelemente (6, 7) umfasst, deren Wärme abgeführt werden muss, da die Entwärmung über umgebende Luft und Anschlussfüßen zur Leiterplatte 2 hin ungenügend ist.
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Die Leiterplatte 5 ist beidseitig bestückt und umfasst Bauelemente 6 auf der oberen Seite der Leiterplatte 5 und Bauelemente 7 auf der unteren Seite der Leiterplatte 5. Zwischen einem am Kühlkörper 1 mit Schrauben 10 angeschraubten Kühlblech 9, das insbesondere aus Stahlblech gefertigt ist, und der Leiterplatte 5 ist ein Kissen 8 angeordnet, das elastisch deformiert wird beim Einbau.
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Außerdem hat das Kissen 8 sozusagen die Negativform eines Teiles der bestückten Leiterplatte 5 mit den zum Kühlkörper 1 hin gewandten unteren Bauelementen (6, 7). Bei dicken und hohen Bauteilen weist also das Kissen 8 zum Kühlkörper 1 hin eine geringere Dicke auf als bei niedrigen und kleinen Bauelementen (6, 7).
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Zumindest aber ist die Dicke des Kissens 8 abhängig von der räumlichen Position der zu kühlenden Halbleiter (6,7), wobei die Dicke in den Bereichen der Halbleiter (6,7) geringer ist als in den diese Bereiche umgebenden Bereiche.
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Mittels des Kühlbleches 9 ist nicht nur ein Befestigen der Leiterplatte 5 ermöglicht, sondern auch ein Herausleiten der Wärme zum Kühlkörper 1 hin.
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In der Leiterplatte 5 ist auch eine Ausnehmung 11 vorgesehen, durch die Kissenmaterial hindurchdringt und sogar auf der anderen Seite herausquillt, wenn das Kissen 8 zwischen Leiterplatte 5 und Kühlblech 9 eingepresst wird beim Herstellen der Schraubverbindung 10 mit den Schrauben 10. Somit wird das Kissen 8 dabei elastisch deformiert. Mittels des Durchdringens und sogar Herausquillens auf der anderen Seite der Leiterplatte 5 sind Leistungshalbleiter (3) dieser anderen Seite, also der vom Kühlblech 9 abgewandten Seite, entwärmbar.
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Das Kissen 8 ist aus einem elastisch verformbaren Stoffgemisch. Das Stoffgemisch umfasst zumindest Silikon und wärmeleitende Körner, beispielsweise aus, Aluminiumoxid, wie Korund, und/oder Quartzsand. Das Kissen 8 wird mittels Aushärten in einer Gießform (30, 31) hergestellt.
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Der Masseanteil des Silikons liegt zwischen 30 und 70%, vorzugsweise um 50% herum. Der Masseanteil der Körner beträgt vorzugsweise ebenfalls 70% bis 30%, vorzugsweise um 50% herum.
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Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kissens 8 beträgt zwischen 0,8 und 1,2 W/mK, vorzugsweise 1,0 W/mK. Das Material ist also gut wärmeleitend. Darüber hinaus ist es elektrisch isolierend.
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In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Kühlkörper 1 allerdings Kühlvorrichtungen, wie Kühlrippen und/oder Kühlfinger aufweist und nur die Leiterplatte 5 gezeigt ist. In den bereichen der dem Kühlkörper 1 zugewandt bestückten zu entwärmenden Halbleiter 7 ist das Kissen 8 sehr dünn ausgeführt. In den diese Bereiche umgebenden Bereichen ist das Kissen 8 sehr viel dicker ausgeführt.
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Die Halbleiter 6 sind auf der vom Kühlkörper 1 abgewandten Seite positioniert, wobei sie jeweils direkt über einer Ausnehmung 11 der Leiterplatte 5 vorgesehen sind. Somit ist es ermöglicht, dass das Kissen 8 durch diese Ausnehmung 11 hindurchdringt und die Halbleiter 6 zur Entwärmung berührt.
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Vorteiligerweise sind die Halbleiter 6 und 7 in SMD-Technik montiert. Auf diese Weise ist eine besonders genaue räumliche Positionierung gewährleistet und das Kissen 8 ist ebenso präzise herstellbar.
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Der Kühlkörper 1 stellt keine in einer Richtung, insbesondere in Richtung der Normale der Leiterplatte 5, offene Wanne dar, in welche ein Eingießen von wärmeleitender Vergussmasse ermöglicht wäre. Denn der Kühlkörper 1 ist nach einer Seite offen, so dass Vergussmasse herausfließen würde und nicht im gewünschten Bereich um die Leiterplatte 5 herum haltbar wäre.
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Vorteil der Erfindung ist also, dass zur Seite hin eine offene Umgebung oder ein freier Luftbereich vorgesehen sein darf. Das Kissen 8 ist in seiner dreidimensionalen Ausformung, die vorzugsweise von einem flachen Quader abweicht, schon bei der Herstellung festgelegt und wird beim Einbau ins Gerät nur elastisch verformt.
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Außerdem weist es eine gewisse Eigenklebrigkeit auf, die es ermöglicht bei der Montage diese Klebekraft zum stoffschlüssigen Halten des Kissens 8 zu verwenden. Vorzugsweise ist das Kissen 8 selbstklebend ausgeführt, aber nur mit einer derart starken Klebekraft, dass das Eigengewicht des Kissens 8 oder bis zum Zehnfachen des Eigengewichtes gehalten werden kann mittels der Selbstklebekraft. Bei noch höherer Klebekraft ist das Entfernen des Kissens 8 zunehmend erschwert.
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In 3 ist eine obere und untere Gießform (30, 31) gezeigt, in der das flüssige Material aushärtbar ist. Somit ist eine dreidimensionale Ausformung herstellbar, die nach oben und unten eine nicht-ebene Ausformung erlaubt.
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In Fällen, bei denen beispielsweise zum Kühlkörper 1 hin eine ebene Ausformung und zur Leiterplatte 5 hin eine unebene Ausformung erwünscht ist, ist auch ein Eingießen in nur eine der Gießformen (30, 31) nützlich, wobei dann die obere Seite nach Aushärten eben ausgeführt ist.
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Somit sind zwar schalenartige Gießformen (30, 31) bei der Herstellung des Kissens 8 notwendig, jedoch ist es nicht notwendig, dass am Gerät schalenartig ausgeformte Teile vorhanden sind.
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Außerdem ist im Gegensatz zu einem Verguss der Leiterplatte 5 vermieden, dass Kapillarwirkung auftritt in feinen Spalten oder dergleichen, in die das Material dann sozusagen hineingezogen wird.
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Außerdem ist die Wiederverwendbarkeit vereinfacht. Bei einer Demontage oder einem Austausch der Leiterplatte 5 ist ein einfaches Entfernen der Leiterplatte 5 vom Kissen 8 ermöglicht. Hingegen ist ein Entfernen einer ausgehärteten Vergussmasse von einer Leiterplatte 5 sehr schwierig oder unmöglich. Beim Einbau einer neuen Leiterplatte 5 ist zudem wiederum ein Vergießen auszuführen. Hingegen ist bei der Erfindung das Kissen 8 mehrfach wiederverwendbar.
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Im Gegensatz zum Vergießen ist aber auch die Herstellzeit des Geräts viel geringer, da keine Aushärtezeit beachtet werden muss. Bei der Erfindung ist das Aushärten beim Produzieren der im Lager einlagerbaren Kissen 8 notwendig. Wenn das Gerät also, beispielsweise in vielen Varianten zu produzieren ist, ist ein schnelles flexibles Reagieren auf den unterschiedlichen Fertigungsauftrag und ein entsprechend schnelles Produzieren ermöglicht. Das Kissen 8 ist als Lagerteil schnell verfügbar.
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Ein weiterer wichtigerer Vorteil der Erfindung ist auch, dass in der Produktionshalle für das Herstellen des Geräts keine Silikonverarbeitung stattfindet, da das Kissen 8 als ganzes Teil zugeliefert wird und somit das Problem der Silikonverschmutzung verhindert ist.
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Die als Antriebe gefertigten Geräte sind somit auch in Anlagen zum Herstellen eines Automobils, wie Lackieranlagen oder dergleichen, oder auch in der Nahrungsmittelindustrie problemlos einsetzbar. Denn es ist Silikonfreiheit des Geräts sicher und einfach gewährleistbar.
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In der 4 ist das erfindungsgemäß dreidimensional ausgeformte Kissen 8 gezeigt.
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Es darf sogar runde oder kugelförmige Anteile aufweisen.
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Da die Wärmeleitfähigkeit sehr hoch ist, ist ein nur geringfügiges Deformieren beim Einbau ins Gerät notwendig und trotzdem ein guter Wärmeübergang, also ein geringer Wärmeübergangswiderstand, ermöglicht.
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Das Kühlblech 50 ist in 5 gezeigt und weist Befestigungsmöglichkeiten 51 für die Schrauben 10 auf.
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In 6 ist das Kühlblech 50 nach Aufkleben des Kissens 40 gezeigt. Dabei ist es durch seine selbstklebende Haltekraft gehalten.
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In 7 ist zusätzlich die Leiterplatte 5 vor dem Aufsetzen und nachfolgendem Anschrauben der Verbindungsschrauben 10 in die Befestigungsmöglichkeiten 51 gezeigt.
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In 8 ist ein Gerät gezeigt, bei dem die Leiterplatte 2 Leistungshalbleiter (3) aufweist und am Kühlkörper 1 angeschraubt ist. Die Leistungshalbleiter (3) sind dabei angedrückt vorgesehen und befestigt mit einem eigenen metallischen Oberflächenbereich an den Kühlkörper 1.
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Außerdem ist die Leiterplatte 5 am Kühlblech 50 angeschraubt, das selbst wiederum angeschraubt ist am Kühlkörper 1, um die von der Leiterplatte 5 stammende und mittels des Kissens 40 ans Kühlblech 50 abgeführte Wärme an weiterzuleiten an den Kühlkörper 1 und von dort an die Umgebung oder ein umgebendes Medium.
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Vorzugsweise ist das Gerät eine Antriebskomponente, wie beispielsweise ein Steuergerät, ein Umrichter oder ein Sanftanlaufgerät oder ein Motorschalter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlelement, Kühlkörper
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Leistungshalbleiter
- 4
- Steckverbindung
- 5
- Leiterplatte
- 6
- Bauelemente auf der oberen Seite der Leiterplatte, Halbleiter
- 7
- Bauelemente auf der unteren Seite der Leiterplatte, Halbleiter
- 8
- Kissen
- 9
- Kühlelement, Kühlblech
- 10
- Schraubverbindung
- 11
- Ausnehmung
- 30
- obere Gießform
- 31
- untere Gießform
- 40
- Kissen
- 50
- Kühlblech
- 51
- Befestigungsmöglichkeiten
