DE102007045418B4 - Manufacturing method for an arrangement for cooling an electrical component - Google Patents
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Abstract
Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements (1), das Wärme leitend mit einem Kühlkörper (6) verbunden ist, bei der zwischen dem zu kühlenden elektrischen Bauelement (1) und dem Kühlkörper (6) ein Wärme leitendes Material angeordnet ist und bei der das elektrische Bauelement (1) an den Kühlkörper (6) angepresst ist,
bei dem zwischen dem Bauelement (1) und dem Kühlkörper (6) das Wärme leitende Material als pastöses oder flüssiges Material aufgebracht wird,
bei dem in einem ersten Anpressschritt eine erste Anpresskraft und in einem zweiten Anpressschritt eine zweite Anpresskraft auf das Bauelement (1) ausgeübt wird,
wobei der Wert der zweiten Anpresskraft geringer ist als der Wert der ersten Anpresskraft,
wobei während des ersten Anpressschritts zusätzlich ein mechanisches Wechselfeld auf das aufgebrachte Wärme leitende Material einwirkt, um in dem Bereich zwischen dem Bauelement (1) und dem Kühlkörper (6) Lufteinschlüsse zu verringern oder Mikroräume aufzufüllen,
wobei das...Manufacturing method for an arrangement for cooling an electrical component (1), the heat conductively connected to a heat sink (6), in which between the electrical component to be cooled (1) and the heat sink (6) a heat conducting material is arranged and at the electrical component (1) is pressed against the heat sink (6),
in which the heat-conducting material is applied as pasty or liquid material between the component (1) and the heat sink (6),
in which a first pressing force is exerted in a first pressing step and a second pressing force is exerted on the component (1) in a second pressing step,
wherein the value of the second contact force is less than the value of the first contact force,
wherein, during the first pressing step, a mechanical alternating field additionally acts on the applied heat-conducting material in order to reduce air pockets in the area between the component (1) and the cooling body (6) or to fill up microspaces,
where the ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements.The invention relates to a manufacturing method for an arrangement for cooling an electrical component.
Aus der Veröffentlichung Shubauer, B., Hanson, K.: Compressive Modulus of Elasticity for Gap Pad Materials®, application Note Nr. 16, The Berquist Company, 1999, ist ein wärmeleitendes viskoelastisches Material zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung für eine Anordnung zum Kühlen zumindest eines elektrischen Bauelements bekannt, bei der zwischen dem Bauelement und einer Wärmesenke das wärmeleitende Material angeordnet ist und wobei eine Anpresskraft, deren Wert im Laufe der Zeit von einer hohen Anpresskraft zu einem niedrigen Wert abnimmt, auf das zumindest eine elektrische Bauelement wirkt.From the publication Shubauer, B., Hanson, K .: Compressive Modulus of Elasticity for Gap Pad material ®, application note no. 16, The Berquist Company, in 1999, a thermally conductive viscoelastic material for producing a thermally conductive connection to an arrangement for cooling at least one electrical component known, in which between the component and a heat sink, the heat-conducting material is arranged and wherein a contact force whose value decreases over time from a high contact pressure to a low value acts on the at least one electrical component.
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Elektrogeräts weiterzubilden, insbesondere zu beschleunigen.The invention is therefore based on the object to further develop the production of an electrical appliance, in particular to accelerate.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention the object is achieved in the manufacturing method for an arrangement for cooling an electrical component according to the features specified in
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements, das Wärme leitend mit einem Kühlkörper verbunden ist, bei der zwischen dem zu kühlenden elektrischen Bauelement und dem Kühlkörper ein Wärme leitendes Material angeordnet ist und bei der das elektrische Bauelement an den Kühlkörper angepresst ist,
bei dem zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper das Wärme leitende Material als pastöses oder flüssiges Material aufgebracht wird,
bei dem in einem ersten Anpressschritt eine erste Anpresskraft und in einem zweiten Anpressschritt eine zweite Anpresskraft auf das Bauelement ausgeübt wird,
wobei die zweite Anpresskraft geringer ist als der Wert der ersten Anpresskraft,
wobei während des ersten Anpressschritts zusätzlich ein mechanisches Wechselfeld auf das aufgebrachte Wärme leitende Material einwirkt, um in dem Bereich zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper Lufteinschlüsse zu verringern oder Mikroräume aufzufüllen,
wobei das mechanische Wechselfeld in dem Bereich zwischen dem Kühlkörper (
wobei als mechanisches Wechselfeld akustische Wellen verwendet werden, deren Frequenz im Bereich des hörbaren oder des Ultraschallbereichs liegt.Important features of the invention in the manufacturing method for an arrangement for cooling an electrical component, the heat conductively connected to a heat sink, in which between the electrical component to be cooled and the heat sink a heat conducting material is arranged and in which the electrical component to the Heat sink is pressed,
in which the heat-conducting material is applied as pasty or liquid material between the component and the heat sink,
in which a first pressing force is exerted in a first pressing step and a second pressing force is exerted on the component in a second pressing step,
wherein the second contact pressure is less than the value of the first contact force,
wherein, during the first pressing step, a mechanical alternating field additionally acts on the applied heat-conducting material in order to reduce air pockets in the area between the component and the heat sink or to fill up microspaces,
wherein the alternating mechanical field in the area between the heat sink (
wherein as a mechanical alternating field acoustic waves are used, whose frequency is in the range of the audible or ultrasonic range.
Von Vorteil ist dabei, dass mittels der größeren Andrückkraft zu Beginn Lufteinschlüsse herausgedrückt werden aus dem Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper. Außerdem werden Mikroräume und Mikrovertiefungen in der Oberfläche des Bauelements und/oder des Kühlkörpers besser ausgefüllt von der Wärmeleitpaste oder vom Wärmeleitklebstoff. Auf diese Weise ist die Gesamtberührfläche vergrößert und der Wärmeübergangswiderstand gut. Auch wenn dann später der Wert der Andrückkraft unter den ersten Wert absinkt, bleiben die Einschlüsse herausgedrückt und die Mikroräume gut ausgefüllt. Somit bleibt dann auch der Wärmeübergang unverändert gut, also der Wärmeübergangswiderstand im Wesentlichen gleich gut.The advantage here is that are pressed out by means of the greater pressure force at the beginning of air pockets from the intermediate region between the component and heat sink. In addition, microspaces and microwells in the surface of the device and / or the heat sink are better filled by the thermal paste or the thermal adhesive. In this way, the total contact surface is increased and the heat transfer resistance is good. Even if the value of the pressing force then drops below the first value later, the inclusions are pushed out and the microspaces are well filled. Thus, the heat transfer remains good, so the heat transfer resistance is essentially the same.
Insbesondere wird während der ersten Zeitspanne ein mechanisches Wechselfeld zusätzlich eingebracht und/oder eingeleitet, insbesondere in den Zwischenbereich zwischen Kühlkörper und Bauelement oder in den Kontaktbereich des Kühlkörpers zum Bauelement oder in das zwischengeordnete Medium.In particular, a mechanical alternating field is additionally introduced and / or introduced during the first period, in particular in the intermediate region between the heat sink and the component or in the contact region of the heat sink to the component or in the intermediate medium.
Unter einem solchen mechanischen Wechselfeld ist beispielsweise Körperschall zu verstehen, wobei die Frequenz je nach Art des Mediums, beispielsweise abhängig von dessen Viskosität und/oder den geometrischen Abmessungen des Zwischenbereichs, niedrig, wie beispielsweise im Infraschallbereich, oder hoch wählbar ist, wie beispielsweise im Ultraschallbereich. Im Gegensatz dazu ist unter einem thermischen Wechselfeld beispielsweise ein schwankender Temperaturverlauf an einem von einer Wärmequelle beabstandeten Ort zu verstehen, der durch zeitlich schwankende Wärmeleistung der Wärmequelle erzeugbar ist.Under such an alternating mechanical field, for example, to understand structure-borne noise, the frequency depending on the type of medium, for example, depending on its viscosity and / or the geometric dimensions of the intermediate region, low, such as in the infrasonic range, or highly selectable, such as in the ultrasonic range , In contrast, an alternating thermal field is to be understood, for example, as meaning a fluctuating temperature profile at a location which is at a distance from a heat source and which can be generated by temporally fluctuating heat output of the heat source.
Unter dem Begriff des mechanischen Wechselfeldes ist auch eine beispielsweise durch ein Werkzeug aufgezwungene periodische Abstandsänderung zwischen Bauelement und Kühlkörper zu verstehen.The term "mechanical alternating field" also means a periodic change in distance between the component and the heat sink imposed, for example, by a tool.
Von Vorteil ist bei diesem Einkoppeln eines Wechselfeldes, dass das genannte Herausdrücken und die Vergrößerung der Gesamtberührfläche schneller und sogar verbessert erreichbar ist, insbesondere in einer verkürzten ersten Zeitspanne, und somit eine Beschleunigung der Fertigung erreichbar ist. It is advantageous in this coupling of an alternating field that said pushing out and the enlargement of the total contact surface is faster and even improved reachable, in particular in a shortened first period of time, and thus an acceleration of the production can be achieved.
Alternativ sind wichtige Merkmale der Erfindung, dass bei dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung,
welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, insbesondere zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands,
wobei während einer ersten Zeitspanne ein mechanisches Wechselfeld eingebracht und/oder eingeleitet wird, insbesondere in den Zwischenbereich zwischen Kühlkörper und Bauelement oder in den Kontaktbereich des Kühlkörpers zum Bauelement oder in das zwischengeordnete Medium. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders schnelle Herstellung eines guten Wärmeübergangs erreichbar ist. Eine langandauernde Aufbringung einer hohen Andrückkraft ist daher verzichtbar und die Fertigung der Kühlanordnung oder der diese umfassenden Vorrichtung, wie Elektrogerät, elektrischer Antrieb, ist besonders schnell ausführbar. Bei Anwendung der genannten mechanischen Wellen ist eine besonders stark ausgeprägte Verkürzung der Anwendungsdauer der notwendigen anfänglich hohen Andrückkraft erreichbar.Alternatively, important features of the invention are that, in the method of manufacturing a device,
which comprises at least one heat-generating component and a heat sink, the component is pressed onto the heat sink with a pressing force, in particular for achieving a low heat transfer resistance,
wherein a mechanical alternating field is introduced and / or introduced during a first period of time, in particular in the intermediate region between the heat sink and the component or in the contact region of the heat sink to the component or in the intermediate medium. The advantage here is that a particularly rapid production of a good heat transfer can be achieved. A long-lasting application of a high pressure force is therefore dispensable and the production of the cooling arrangement or this comprehensive device, such as electrical appliance, electric drive, is particularly fast executable. When using the mechanical waves mentioned a particularly pronounced shortening of the period of application of the necessary initial high pressure force can be achieved.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist während der ersten Zeitspanne der Betrag der Andrückkraft größer als ein erster Wert und danach kleiner ist als der erste Wert. Von Vorteil ist dabei, dass ein Absinken der Andrückkraft nach Ablauf der ersten Zeitspanne den Wärmeübergang nicht verschlechtert. Vorteiligerweise ist also in einem ersten Ausführungsbeispiel während der Fertigung des Elektrogeräts eine Andrückkraft mittels eines speziellen Werkzeuges einleitbar in das Bauelement. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Andrückkraft von einem alternden Federelement aufbringbar. Beispielsweise ist hierzu ein Kunststoffteil verwendbar, das unter Wärmeeinwirkung oder aufgrund der Alterung ein während der Betriebszeit, insbesondere also nach Ablauf der ersten Zeitspanne, ein absinkendes Elastizitätsmodul aufweist.In the embodiment according to the invention during the first period of time, the amount of the pressing force is greater than a first value and then smaller than the first value. The advantage here is that a decrease in the pressing force after the first period of time does not deteriorate the heat transfer. Advantageously, therefore, in a first embodiment during the manufacture of the electrical appliance, a pressing force by means of a special tool can be introduced into the component. In another embodiment, the pressing force of an aging spring element can be applied. For example, for this purpose, a plastic part is used, which has a decreasing elastic modulus under the action of heat or due to the aging during the operating time, in particular after the expiry of the first time period.
Erfindungsgemäß ist zwischen Bauelement und Kühlkörper ein Medium, wie Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber oder ein wärmeleitendes elektrisch isolierendes flüssiges Medium vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Mikroräume gut ausfüllbar sind und die Einwirkung von hohen Andrückkräften oder mechanischen Wechselfeldern das Ausfüllen der Mikroräume oder das Herausdrücken der Lufteinschlüsse besonders leicht ausführbar ist. Insbesondere ist hierbei eine anisotrope Kraftverteilung vorteilhaft.According to the invention, a medium, such as heat-conducting paste, heat-conducting adhesive or a thermally conductive, electrically insulating liquid medium, is provided between the component and the cooling body. The advantage here is that the microspaces are easy to fill and the effect of high pressure forces or mechanical alternating fields, the filling of the microspaces or the squeezing out of the air bubbles is particularly easy to carry out. In particular, an anisotropic force distribution is advantageous here.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist die Andrückkraft mechanisch erzeugt von der Vorrichtung umfassten Federelementen, insbesondere mit Haltemitteln der Vorrichtung verbundenen Federmitteln. Von Vorteil ist dabei, dass keine speziellen zusätzlichen Mittel notwendig sind.In a further advantageous embodiment, the pressing force is mechanically generated by the device comprising spring elements, in particular with holding means of the device connected spring means. The advantage here is that no special additional funds are necessary.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Andrückkraft mechanisch erzeugt von zusätzlichen nur bei der Herstellung während der ersten Zeitspanne mit der Vorrichtung verbundenen oder diese berührenden Mitteln. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Kraftbeträge anwendbar sind und die Vorrichtung trotzdem kompakt ausführbar ist.In an advantageous embodiment, the pressing force is mechanically generated by additional only during manufacture during the first time period connected to the device or these touching means. The advantage here is that high amounts of force are applicable and the device is still compact executable.
Erfindungsgemäß umfasst das mechanische Wechselfeld akustische Wellen, insbesondere Infraschall-, Ultraschall oder hörbare Schallwellen. Von Vorteil ist dabei, dass abhängig von der Viskosität des Mediums im Zwischenbereich Infraschall-, Ultraschall oder hörbare Schallwellen anwendbar sind und somit ein optimiert schnelles Herausdrücken der Lufteinschlüsse oder ein Ausfüllen der Mikroräume ausführbar ist.According to the invention, the mechanical alternating field comprises acoustic waves, in particular infrasound, ultrasound or audible sound waves. The advantage here is that depending on the viscosity of the medium in the intermediate range infrasound, ultrasonic or audible sound waves are applicable and thus an optimized fast squeezing out the air bubbles or filling the micro rooms is executable.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist das mechanische Wechselfeld als Körperschall vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass das Wechselfeld auch über den Kuhlkörper hin zum Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kuhlkörper leitbar ist.In a further advantageous embodiment, the mechanical alternating field is provided as structure-borne sound. The advantage here is that the alternating field is also on the Kuhlkörper towards the intermediate region between the component and Kuhlkörper be conducted.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das mechanische Wechselfeld in den Kuhlkörper, in das Medium und/oder in den Leistungshalbleiter eingekoppelt oder darin erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass insbesondere bei der direkten Einkoppelung wenig Energie verloren geht oder sogar die gesamte Energie des Wechselfeldes in Wirkung bringbar ist in den Zwischenbereich. Ebenso ist auch ein Erzeugen oder Durchleiten des Wechselfeldes im oder durch den Leistungshalbleiter ausführbar und somit eine ortsnahe und somit wirkungsgradoptimale Verwendung des Wechselfeldes ausführbar.In an advantageous embodiment, the mechanical alternating field is coupled into the cooling body, in the medium and / or in the power semiconductor or generated therein. The advantage here is that, especially in the direct coupling little energy is lost or even the entire energy of the alternating field is brought into effect in the intermediate area. Likewise, generating or passing through the alternating field in or through the power semiconductor can also be carried out, and thus a location-proximate and thus efficiency-optimal use of the alternating field can be carried out.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das mechanische Wechselfeld auch wechselnde Druck- und Zugspannungskomponenten in Richtung der Normale der Berührebene zwischen Kuhlkörper und Bauelement. Von Vorteil ist dabei, dass Lufteinschlüsse herausquetschbar sind.In a further advantageous embodiment, the mechanical alternating field also includes alternating pressure and tensile stress components in the direction of the normal of the contact plane between the cooling body and the component. The advantage here is that air pockets are herausquetschbar.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist das wärmeerzeugende Bauelement ein Leistungshalbleiter, insbesondere der Wechselrichter-Endstufe eines Umrichters. Alternativ ist statt des Leistungshalbleiters ein Modul als wärmeerzeugendes Bauelement vorsehbar, das den mindestens einen Leistungshalbleiter und einen Piezowandler umfasst zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen mechanischen Wechselfeldes.In a further advantageous embodiment, the heat-generating component is a power semiconductor, in particular the inverter output stage of an inverter. Alternatively, instead of the power semiconductor, a module is used as a heat-generating Component providable, comprising the at least one power semiconductor and a piezoelectric transducer for generating a mechanical alternating field according to the invention.
Somit ist bei der Erfindung ein mechanisches Wechselfeld beim Herstellen einer Vorrichtung verwendbar, wobei diese zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, wobei das Wechselfeld während einer ersten Zeitspanne wirksam ist in einem Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper. Von Vorteil ist dabei, dass anstatt der in der Anfangszeitspanne, also in der ersten Zeitspanne, notwendigen hohen Andrückkraft kleinere Werte ausreichen, wenn das zusätzliche Feld gleichzeitig einwirkt. Alternativ oder zusätzlich ist eine Reduzierung der Anfangszeitspanne ermöglicht, da das Wechselfeld zusätzlich wirkt.Thus, in the invention, a mechanical alternating field can be used in the manufacture of a device, which comprises at least one heat-generating component and a heat sink, wherein the component is pressed onto the heat sink with a pressing force, wherein the alternating field during a first period of time is effective in an intermediate region between component and heat sink. The advantage here is that instead of the necessary in the initial period, ie in the first period, high pressing force smaller values are sufficient if the additional field acts simultaneously. Alternatively or additionally, a reduction of the initial time period is made possible because the alternating field additionally acts.
Alternativ ist ein mechanisches Wechselfeld verwendbar, wobei das Wechselfeld während einer ersten Zeitspanne in einen Bereich zwischen Bauelement und Kühlkörper eingekoppelt und/oder eingestrahlt wird. Von Vorteil ist dabei, dass keine veränderliche zusätzliche Andrückkraft sondern eine konstante Andrückkraft mit beispielsweise kleinem Betragswert genügt. Somit sind zusätzliche Mittel zur Einbringung einer Andrückkraft entbehrlich.Alternatively, a mechanical alternating field can be used, wherein the alternating field is coupled and / or irradiated during a first period of time in a region between the component and the heat sink. The advantage here is that no variable additional pressing force but a constant pressure with, for example, small amount value is sufficient. Thus, additional means for introducing a pressing force are unnecessary.
Erfindungsgemäß ist während der ersten Zeitspanne der Betrag einer Andrückkraft größer als ein erster Wert und nach der ersten Zeitspanne kleiner als der erste Wert. Von Vorteil ist dabei, dass in der Vorrichtung alternde Werkstoffe verwendbar sind zum Erzeugen und/oder Übertragen der Andrückkraft an das Bauelement.According to the invention during the first period of time, the amount of a pressing force is greater than a first value and after the first time period smaller than the first value. The advantage here is that aging materials can be used in the device for generating and / or transmitting the pressing force to the component.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist verwendbar zur Herstellung einer Vorrichtung, welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, wobei
ein Federelement zum Andrücken des Bauelementes auf den Kühlkörper hin vorgesehen ist,
wobei, insbesondere zumindest während einer ersten Zeitspanne, der Kühlkörper und/oder das Bauelement derart ausgeführt sind, dass Mittel zur Erzeugung eines mechanischen Wechselfeldes ankoppelbar sind.The method according to the invention can be used to produce a device which comprises at least one heat-generating component and a heat sink, wherein
a spring element is provided for pressing the component onto the heat sink,
wherein, in particular, at least during a first time period, the heat sink and / or the component are designed such that means for generating an alternating mechanical field can be coupled.
Insbesondere ist am Bauelement oder am Kühlkörper eine mechanische Schnittstelle zur Ankoppelung der Mittel vorsehbar. Von Vorteil ist dabei, dass bei der Herstellung ein Werkzeug heranführbar ist und an der Vorrichtung in Berührung bringbar ist zur Einkoppelung des Wechselfeldes. Die Schnittstelle umfasst insbesondere Zentriermittel, Einfädelmittel und/oder eine fein bearbeitete Kontaktfläche.In particular, a mechanical interface for coupling the means can be provided on the component or on the heat sink. The advantage here is that in the manufacture of a tool is approachable and can be brought to the device in contact for coupling the alternating field. In particular, the interface comprises centering means, threading means and / or a finely worked contact surface.
Bei einer solchen Vorrichtung sind die Mittel im Bauelement oder im Kühlkörper vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind und außerdem das Wechselfeld möglichst nahe am Zwischenbereich erzeugbar ist und somit ein hoher Nutzungsgrad der ins Wechselfeld eingeleiteten Energie vorgesehen ist.In such a device, the means are provided in the component or in the heat sink. The advantage here is that no additional components are necessary and also the alternating field as close to the intermediate region can be generated and thus a high degree of utilization of the introduced into the alternating field energy is provided.
Bei einer solchen Vorrichtung umfasst das Bauelement einen elektromechanischen Wandler als Mittel. Von Vorteil ist dabei, dass ein elektromechanischer Wandler, wie beispielsweise ein Piezoelement, sehr verlustarm elektrische Energie in mechanische Energie umsetzt.In such a device, the device comprises an electromechanical transducer as a means. The advantage here is that an electromechanical transducer, such as a piezoelectric element, converts very little electrical energy loss into mechanical energy.
Bei einer solchen Vorrichtung ist als Mittel ein Piezowandler vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass ein sehr weiter Bereich von Frequenzen erzeugbar ist, insbesondere vom hörbaren Schall zum Ultraschallbereich.In such a device, a piezoelectric transducer is provided as means. The advantage here is that a very wide range of frequencies can be generated, in particular from the audible sound to the ultrasonic range.
Bei einer solchen Vorrichtung ist das Bauelement derart ausgeführt und in das Bauelement sind derartige Wechselströme einprägbar, dass ein mechanisches Wechselfeld vom Bauelement abgestrahlt wird, insbesondere Körperschallwellen. Von Vorteil ist dabei, dass die zumindest kurzzeitig auftretenden Spitzenamplituden der Andrückkraft hohe Werte erreichen und außerdem ein mechanisches zeitlich wechselndes Kraftfeld mit nichtverschwindendem anisotropem Feldstärkegradient vorgesehen ist, das Lufteinschlüsse aus dem Zwischenbereich heraustreibt.In such a device, the component is designed in such a way and in the component such alternating currents are einprägbar that a mechanical alternating field is radiated from the device, in particular structure-borne sound waves. The advantage here is that the peak amplitudes of the contact force occurring at least briefly reach high values and, in addition, a mechanical time-varying force field with a non-disappearing anisotropic field strength gradient is provided which drives out air inclusions from the intermediate region.
Bei einer solchen Vorrichtung ist das Bauelement als Leistungshalbleiter, insbesondere IGBT, oder Modul, umfassend mindestens zwei Leistungshalbleiter, wie IGBT, Dioden oder dergleichen, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Ansteuerung und Leistungsversorgung dieses Bauelements auf jeden Fall vorgesehen ist uns somit nur die Ansteuerung während der ersten Zeitspanne derart ausgeführt werden muss, dass das gewünschte Wechselfeld entsteht.In such a device, the device as a power semiconductor, in particular IGBT, or module, comprising at least two power semiconductors, such as IGBT, diodes or the like, executed. The advantage here is that the control and power supply of this device is provided in any case, thus only the control during the first period must be carried out such that the desired alternating field is formed.
Bei einer solchen Vorrichtung ist das Federelement als Kunststoffteil ausgeführt, in welchem eine Leiterplatte eingelegt vorgesehen ist, die mit dem Bauelement bestückt ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Kunststoff derart elastisch wählbar ist, dass eine elastische Auslenkung des Kunststoffteils die Andrückkraft erzeugt. Vorteiligerweise hat ein später, also nach Ablauf der ersten Zeitspanne statt findender Alterungsprozess oder Ermüdungsprozess, der die Federkraft reduziert, keinen Einfluss auf den in der ersten Zeitspanne erreichten Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauelement und Kühlkörper.In such a device, the spring element is designed as a plastic part, in which a printed circuit board is provided inserted, which is equipped with the component. The advantage here is that the plastic is so elastically selectable that an elastic deflection of the plastic part generates the pressing force. Advantageously, a later, so after the expiry of the first time period instead of aging process or fatigue process that reduces the spring force, has no effect on the achieved in the first period heat transfer resistance between the component and heat sink.
Bei einer solchen Vorrichtung ist das Kunststoffteil an den Kühlkörper mit Schrauben derart verbunden, dass es elastisch ausgelenkt ist, wobei die so erzeugte Federkraft über Niederhalter, insbesondere Andrückdome, auf die Leiterplatte übertragen wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Andrückkraft in sehr einfacher und kostengünstiger Weise von einem sowieso notwendigen Bauteil erzeugbar ist, das als Funktion das Positionieren der Leiterplatte innerhalb der Vorrichtung aufweist.In such a device, the plastic part to the heat sink with screws is so connected, that it is elastically deflected, wherein the spring force thus generated via retainer, in particular Andrückdome, is transmitted to the circuit board. The advantage here is that the pressing force can be generated in a very simple and cost-effective manner of an anyway necessary component that has a function of positioning the circuit board within the device.
Bei einer solchen Vorrichtung sind die Niederhalter hohl ausgeführt zum Einführen eines Werkzeuges, insbesondere eines eine Andrückkraft und/oder ein mechanisches Wechselfeld einkoppelndes Werkzeug. Von Vorteil ist dabei, dass das Werkzeug direkt an diejenige Stelle eingefädelt wird, an welcher die Einbringung der Andrückkraft vorgesehen ist. Außerdem wird die Kraft nicht längs der Oberfläche des die Niederhalter aufweisenden Schalenteils sondern nur quer durch die Wand des Schalenteils geleitet.In such a device, the hold-down are made hollow for insertion of a tool, in particular a coupling force and / or a mechanical alternating field tool. The advantage here is that the tool is threaded directly to the point at which the introduction of the pressing force is provided. In addition, the force is not guided along the surface of the holding member having the blank portion but only across the wall of the shell part.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:The invention will now be explained in more detail with reference to figures:
In der
Das Bauteil
In der
Das Bauteil
Als Toleranzen sind Vertikaltoleranzen, also in Richtung der Leiterplattenebene, und Horizontaltoleranzen, also in Normalenrichtung der Leiterplattenebene, ausgleichbar.As tolerances are vertical tolerances, ie in the direction of the circuit board level, and horizontal tolerances, ie in the normal direction of the circuit board level, compensated.
Die Leiterplatte
Mittels der Sicke wird ein Ausgleich der Verschiebungstoleranz bewirkbar. Ohne die Sicke könnten schadenverursachende Spannungen am Bauteil und der Leiterplatte entstehen.By means of the bead compensation of the displacement tolerance can be effected. Without the bead could cause damage to the component and the circuit board.
Somit sind sogar komplexe Schaltungen, wie Umrichter, die wärmeerzeugende Leistungselektronik und weniger wärmeerzeugende Signalelektronik umfassen, auf einer Leiterplatte aufbaubar und in einem Bearbeitungsgang bestückbar.Thus, even complex circuits, such as converters, which include heat-generating power electronics and less heat-generating signal electronics, can be built on a circuit board and be equipped in a machining operation.
In der
Die Vorrichtung ist als Elektrogerät ausgebildet, welches zumindest eine Leiterplatte
Die Leistungshalbleiter
Die Leiterplatte ist als Multilayer-Leiterplatte ausgeführt und weist somit nicht nur äußere sondern auch innere Lagen auf. Auf diese Weise ist eine hohe Integrationsdichte auf der Leiterplatte erzielbar. Außerdem sind Bereiche der Lagen, insbesondere auch der Innenlagen, zur Aufspreizung der Wärme verwendbar. Hierzu werden in Bereichen, wo hohe Wärme-Spitzenströme in räumlich beschränkten Bereichen auftreten, elektrisch leitfähige Teilbereiche der Außen- und/oder Innenlagen vorgesehen, um eine Aufspreizung der Wärme zu erreichen oder eine erhöhte Wärmekapazität zu bilden zur Bedämpfung auftretender Temperaturspitzen. Diese Lagen sind insbesondere auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite der Leistungshalbleiter vorgesehen und mittels Durchkontaktierungen wärmeleitend miteinander verbunden. Insbesondere ist der Leistungshalbleiter auf seiner der Leiterplatte zugewandten Seite metallisch ausgeführt und lötverbunden mit der äußeren Lage der Leiterplatte. Auf diese Weise ist eine besonders gute Ankoppelung an diese Lagenbereiche der Leiterplatte
Vorteiligerweise weist der Leistungshalbleiter auch zum vorzugsweise aus Metall oder Keramik ausgeführten Kühlkörper hin einen metallischen Bereich auf, um einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand zu diesem hin zu ermöglichen.Advantageously, the power semiconductor also has a metallic region for the heat sink, which is preferably made of metal or ceramic, in order to enable a low heat transfer resistance to this end.
Die Leiterplatte ist in einem Schalenteil
Das Schalenteil
Zwischen Leistungshalbleiter
Statt der genannten Wärmeleitpaste zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper ist in allen Ausführungsbeispielen auch ein Wärmeleitklebstoff einbringbar. Vorteiligerweise härtet dieser nach einer gewissen Zeitspanne aus und erhält somit den Wärmeübergangswiderstand auf dem erreichten niedrigen Wert oder zumindest unterhalb eines kritischen Wertes.Instead of said thermal paste between the power semiconductor and the heat sink, a heat-conducting adhesive can be introduced in all embodiments. Advantageously, this hardens after a certain period of time and thus receives the heat transfer resistance at the low value reached or at least below a critical value.
In der
Bei allen Ausführungsbeispielen nach den
Bei der Herstellung der Vorrichtung wird die auf die Leistungshalbleiter wirkende Andrückkraft auf einen hohen Wert zwischen 10 und 200 N festgelegt, beispielsweise 50 N. Hierzu sind zusätzliche krafterzeugende Mittel, wie beispielsweise die genannten Werkzeuge, verwendbar oder die Komponenten, wie beispielsweise das genannte Schalenteil, sind derart dimensioniert, dass beim Verbinden der Komponenten der Vorrichtung die hohe Andrückkraft für eine erste Zeitspanne gewährleistbar ist.In the manufacture of the device, the force acting on the power semiconductors pressing force is set to a high value between 10 and 200 N, for example, 50 N. For this purpose, additional force-generating means, such as the tools mentioned, used or the components, such as said shell part, are dimensioned such that when connecting the components of the device, the high pressure force for a first period of time can be ensured.
Die erste Zeitspanne beträgt einige Minuten, insbesondere zwischen einer und hundert Minuten. Danach wird die Andrückkraft reduziert, indem entweder das Werkzeug zur Krafterzeugung entfernt wird oder eine Alterung des krafterzeugenden Kunststoffteil, beispielsweise ein Verfließen, auftritt. Die Andrückkraft darf hierbei 10% bis 60%, insbesondere 50% des Wertes in der ersten Zeitspanne unterschreiten.The first period of time is a few minutes, especially between one and one hundred minutes. Thereafter, the pressing force is reduced by either the tool for power generation is removed or an aging of the force-generating plastic part, such as a flow occurs. The pressing force may be below 10% to 60%, in particular 50% of the value in the first period.
Die hohe Andrückkraft bewirkt, dass der über die Wärmeleitpaste oder das Medium vermittelte Wärmeübergangswiderstand sehr niedrig wird. Hierzu trägt eine Verdrängung von Mikro-Luftbläschen und Luft-Einschlüssen bei und außerdem fügt sich die Wärmeleitpaste in die im Mikrobereich raue Oberfläche des Leistungshalbleiters und des Kühlkörpers möglichst gut ein. Hierbei ist wichtig, dass die Kraftverteilung im Bereich des Mediums nicht konstant ist und somit die Luftbläschen in eine jeweilige Richtung getrieben werden.The high contact pressure causes the heat transfer resistance imparted via the thermal paste or the medium to become very low. For this purpose, a displacement of micro-air bubbles and air inclusions contributes and also blends the thermal paste as possible in the micro-rough surface of the power semiconductor and the heat sink as well. Here it is important that the force distribution in the medium is not constant and thus the air bubbles are driven in a respective direction.
Erfindungsgemäß wird dieser Vorgang beschleunigt, indem ein zusätzliches mechanisches Spannungswechselfeld einwirkt im Bereich der Wärmeleitpaste. Hierzu wird Ultraschall von außen zugeführt oder in eine Komponente des Geräts, wie beispielsweise den Kühlkörper, Körperschall eingekoppelt. Auf diese Weise ist die notwendige erste Zeitspanne verkürzbar und auch der hohe Betrag der Andrückkraft während der ersten Zeitspanne reduzierbar.According to the invention, this process is accelerated by an additional mechanical voltage change field acts in the thermal paste. For this purpose, ultrasound is supplied from the outside or into a component of the device, such as For example, the heat sink, structure-borne noise coupled. In this way, the necessary first period of time can be shortened and also the high amount of the pressing force can be reduced during the first time span.
Besonders vorteilhaft hat sich ein innerhalb der Wärmeleitpaste anisotrop eingebrachtes Schallfeld erwiesen. Bei ausgeprägtem Feldstärkegradienten des Ultraschallfeldes ist eine weitere Verkürzung der ersten Zeitspanne und eine Reduzierung des Betrages der Andrückkraft zulässig.A sound field introduced anisotropically within the thermal paste has proved to be particularly advantageous. With a pronounced field strength gradient of the ultrasonic field, a further shortening of the first time span and a reduction of the amount of the pressing force is permissible.
Wie oben erwähnt, ist nach der ersten Zeitspanne, beispielsweise während der Standzeit des Geräts, also Betriebszeit, eine reduzierte Andrückkraft ausreichend.As mentioned above, after the first period of time, for example during the life of the device, ie operating time, a reduced pressing force is sufficient.
Das Schalenteil ist aus Kunststoff ausführbar, da die bei Montage aufgebrachte hohe Andrückkraft eine derart gute Anbindung des Bauelements an den Kühlkörper bewirkt, dass auch bei während der Betriebszeit reduzierter Andrückkraft, beispielsweise infolge Verfließens des Kunststoffes und somit Reduzierung der vom Schalenteil erzeugten Federkraft, ein sehr niedriger Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauelement und Kühlkörper erhalten bleibt.The shell part is made of plastic executable because the force applied during assembly high pressing force causes such a good connection of the device to the heat sink, even with reduced during operation operating pressure, for example due to flow of the plastic and thus reducing the spring force generated by the shell part, a very low heat transfer resistance between the component and heat sink is maintained.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach
Weiter ist das Werkzeug selbst zum Einkoppeln des mechanischen Wechselfeldes verwendbar. Somit werden gleichzeitig eine hohe Andrückkraft und das mechanische Wechselfeld im selben Bereich eingekoppelt.Furthermore, the tool itself can be used for coupling the mechanical alternating field. Thus, at the same time a high pressure force and the mechanical alternating field are coupled in the same area.
Alternativ zur Erfindung wird zusätzlich zum mechanischen Wechselfeld ein thermisches Wechselfeld eingekoppelt. Die Einkoppelung wird dabei direkt in den Zwischenbereich zwischen wärmeerzeugendes Bauelement und Kühlkörper ausgeführt oder über den Kühlkörper eingebracht. Alternativ ist auch das thermische Wechselfeld über geeignete Bestromung der Leistungshalbleiter einbringbar. Die Frequenz des thermischen Wechselfeldes liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0.01 Hz und 10 Hz. Es sind aber auch andere Frequenzen vorteilhaft anwendbar. Weiterer Vorteil des thermischen Wechselfeldes ist auch, dass gleichzeitig eine Erwärmung ausführbar ist, die zu einem Aushärten eines in den Zwischenbereich eingebrachten Wärmeleitklebstoffes führt, und andererseits wechselnde mechanische Spannungen eingebracht werden in den Zwischenbereich, die zu einer Verbesserung des Wärmeübergangswiderstandes führen.As an alternative to the invention, a thermal alternating field is coupled in addition to the mechanical alternating field. The coupling is carried out directly in the intermediate region between the heat generating component and heat sink or introduced via the heat sink. Alternatively, the thermal alternating field can be introduced via suitable energization of the power semiconductors. The frequency of the thermal alternating field is preferably in the range between 0.01 Hz and 10 Hz. However, other frequencies are also advantageously applicable. Another advantage of the alternating thermal field is that at the same time a heating is carried out, which leads to a hardening of an introduced into the intermediate region Wärmeleitklebstoffes, and on the other hand changing mechanical stresses are introduced into the intermediate region, which lead to an improvement of the heat transfer resistance.
Wie auch bei Einbringen eines mechanischen Wechselfeldes werden Lufteinschlüsse in der Wärmeleitpaste oder im Wärmeleitklebstoff und/oder Lufteinschlüsse zwischen Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und Kühlkörper einerseits sowie Bauelement andererseits verdrängt und somit die wärmeübertragende Gesamtberührfläche zwischen Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und Kühlkörper einerseits sowie zwischen Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und Bauelement andererseits vergrößert. Hierfür ist eine erste Zeitspanne notwendig. Auch bei späterem Abfallen der Andrückkraft bleibt dann diese große Gesamtfläche der Berührung des Mediums mit dem Bauelement und des Mediums mit dem Kühlkörper erhalten. Die genannten Wärmewellen ermöglichen, dass ein verwendeter Wärmeleitklebstoff am Ende der ersten Zeitspanne ausgehärtet ist und somit ein Reduzieren der Andrückkraft, beispielsweise mittels eines Zurückziehens des Werkzeuges aus dem hohlen Niederhalter
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird die Andrückkraft anstatt über die Niederhalter und das Schalenteil an die Leiterplatte und von dort an die Leistungshalbleiter direkt an die Leiterplatte oder die Leistungshalbleiter übertragen. Hierzu sind auch Ausnehmungen im Schalenteil vorsehbar, durch welche das Werkzeug hindurchführbar und somit direkt in Berührung bringbar ist mit der Leiterplatte.In further embodiments, the pressing force is transmitted to the circuit board and from there to the power semiconductor directly to the circuit board or power semiconductors instead of the hold-down and the shell part. For this purpose, recesses in the shell part are providable, through which the tool can be passed and thus directly brought into contact with the circuit board.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird als mechanisches Wechselfeld eine beispielsweise durch ein Werkzeug aufgezwungene periodische Abstandsänderung zwischen Bauelement und Kühlkörper vorgesehen währen der ersten Zeitspanne. Vorzugsweise ist die Amplitude dieser Abstandsänderung geringer als 100 μm, insbesondere im Bereich von 10 μm bis 30 μm. Die Frequenz dieser Abstandsänderung ist vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 Hz und 100 Hz.In further exemplary embodiments, a periodic change in distance between the component and the heat sink imposed, for example, by a tool is provided as the mechanical alternating field during the first period of time. Preferably, the amplitude of this change in distance is less than 100 .mu.m, in particular in the range of 10 .mu.m to 30 .mu.m. The frequency of this change in distance is preferably in the range between 0.1 Hz and 100 Hz.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bauteilcomponent
- 22
- Anschlussfüßeterminal legs
- 33
- Sicke, also bogenartige VerbiegungBeading, so bow-like bending
- 44
- Leiterplattecircuit board
- 55
- Lötstellesoldered point
- 66
- Kühlkörperheatsink
- 77
- Gehäuseteilhousing part
- 88th
- Gehäuseteilhousing part
- 99
- Federfeather
- 3131
- Kühlkörperheatsink
- 3232
- Schalenteilshell part
- 3333
- elektronische BauelementeElectronic Components
- 3434
- LeistungshalbleiterPower semiconductor
- 3535
- Leiterplattecircuit board
- 3636
- Schraubescrew
- 321321
- Aufnahmeadmission
- 322322
- Niederhalter, AndrückdomDownholder, Andrückdom
- 500500
- SickeBeading
- 600600
- Hohlraum für Einführen eines WerkzeugesCavity for insertion of a tool
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