DE102009003934A1 - Heat source e.g. power component, cooling arrangement for e.g. power electronic circuit, has thermoelectric cooling element for dissipating distributed heat to heat sink that is thermally coupled with substrate of electronic circuit - Google Patents

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Abstract

The arrangement has a thermoelectric cooling element (20) for transferring heat dissipated by a heat source (12) to a heat sink coupled with an electronic circuit. The heat source and the cooling element are arranged adjacent to each other on a common substrate (10) of the circuit. The cooling element laterally distributes heat that is locally dissipated to the substrate by the heat source, over a part of a surface of the substrate. The cooling element dissipates the distributed heat to the heat sink that is thermally coupled with the substrate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle einer elektronischen Schaltung, bei der die von der Wärmequelle im Betrieb abgegebene Wärme mit zumindest einem thermoelektrischen Kühlelement zu einer mit der elektronischen Schaltung gekoppelten Wärmesenke transportierbar ist.The The invention relates to an arrangement for cooling a heat source an electronic circuit that uses the heat source Heat emitted during operation with at least one thermoelectric cooling element to one with the electronic circuit coupled heat sink can be transported.

Bei der elektronischen Schaltung handelt es sich im Sinne der vorliegenden Beschreibung um eine hochintegrierte Schaltung und/oder eine optoelektronische Schaltung und/oder eine leistungselektronische Schaltung. Die Wärmequelle der elektronischen Schaltung kann beispielsweise durch ein elektrisches Bauelement, wie z. B. ein Leistungsbauelement, gebildet sein.at the electronic circuit is within the meaning of the present Description of a highly integrated circuit and / or an opto-electronic Circuit and / or a power electronic circuit. The heat source the electronic circuit can, for example, by an electric Component, such. B. a power device, be formed.

Die tendenziell ansteigende elektrische Leistungsdichte elektronischer Schaltungen verursacht zunehmend Probleme durch starke lokale thermische Belastungen. Tritt eine solche thermische Belastung an ausgewählten Stellen oder Punkten der elektronischen Schaltung auf, so ist häufig auch von einem sog. „Hot Spot” die Rede. Um die Funktionsfähigkeit und Lebensdauer der Wärmequelle sowie der elektronischen Schaltung im Gesamten sicherstellen zu können, ist das Vorsehen einer, gegebenenfalls lokalen, Kühlung notwendig. Allgemein besteht bei der Kühlung lokaler Bereiche einer elektronischen Schaltung das Problem im effizienten Abtransport der Wärme aus einem kleinen Raumbereich und in der Abgabe der Wärme an die Umgebung. Es ist somit erforderlich, die lokal sehr hohen Wärmestromdichten abzuführen und derart zu reduzieren, dass eine Abgabe an die Umgebung über einen Wärmetauscher möglich ist.The tends to increase electrical power density electronic Circuits increasingly causes problems due to strong local thermal Charges. If such a thermal load occurs at selected points or points of the electronic circuit on, so is common too from a so-called "Hot Spot "the Speech. To the functionality and life of the heat source as well as the electronic circuit as a whole can, it is necessary to provide an optional local cooling. Generally there is cooling local areas of an electronic circuit the problem in the efficient Removal of heat from a small space area and in the delivery of heat to the Surroundings. It is thus necessary, the locally very high heat flux densities dissipate and to reduce so that a delivery to the environment via a heat exchangers possible is.

Die lokale Kühlung wird bislang unter Verwendung thermisch gut leitender Schichten oder Substrate sowie die Verwendung sog. Heat Pipes und thermoelektrischer Kühlelemente reali siert, um die Wärme von der Wärmequelle zur Wärmesenke transportieren zu können. Das zu Grunde liegende Prinzip besteht jeweils darin, die Wärme im Bereich der Wärmequelle vertikal durch das Substrat oder die Wärme leitende Schicht hindurch an die Wärmesenke zu übertragen, über welche die Wärme dann an die Umgebung abgegeben wird. Die von der Wärmequelle abgegebene Wärme wird somit lokal in die Wärmesenke eingebracht, wobei sie sich je nach Ausgestaltung der Wärmesenke verteilt und dann beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben wird.The local cooling is currently using thermally well conductive layers or substrates and the use of so-called heat pipes and thermoelectric cooling elements Reali siert to the heat from the heat source transport to the heat sink to be able to. The underlying principle is, in each case, the heat in the heat source vertically through the substrate or the heat-conducting layer to the heat sink to transfer over which the heat then delivered to the environment. The from the heat source released heat thus becomes local in the heat sink introduced, depending on the design of the heat sink distributed and then discharged, for example, to the ambient air.

Ein typischer Aufbau einer Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle 12 mittels eines thermoelektrischen Kühlelements 20 ist in 3 dargestellt. Die Wärmequelle 12, z. B. ein Leistungshalbleiterbauelement, ist über das thermoelektrische Kühlelement 20 an eine Wärmesenke 11, z. B. eine Metallplatte, angebunden. Dabei sind die Wärmequelle 12 und die Wärmesenke 11 nicht direkt mit dem thermoelektrischen Kühlelement, sondern über eine Deckplatte 13 sowie eine Bodenplatte 14 aus jeweils isolierendem und gut Wärme leitenden Material mit dem thermoelektrischen Kühlelement 20 verbunden.A typical construction of an arrangement for cooling a heat source 12 by means of a thermoelectric cooling element 20 is in 3 shown. The heat source 12 , z. B. a power semiconductor device, is via the thermoelectric cooling element 20 to a heat sink 11 , z. As a metal plate, connected. Here are the heat source 12 and the heat sink 11 not directly with the thermoelectric cooling element, but via a cover plate 13 and a bottom plate 14 from each insulating and good heat conducting material with the thermoelectric cooling element 20 connected.

Das thermoelektrische Kühlelement 20 umfasst in bekannter Weise eine Anzahl an n- und p-dotierten Halbleiterelementen 22, 23, welche zwischen der Deckplatte 13 und der Bodenplatte 14 nebeneinander angeordnet und durch Kontaktflächen 24, 25 elektrisch seriell miteinander verschaltet und mit einer Spannungsquelle 21 verbunden sind. Das thermoelektrische Kühlelement 20 unterstützt den Wärmeabtransport von der Wärmequelle 12 zu der Wärmesenke 11. Eine Wärmeflussrichtung von der Wärmequelle 12 zu der Wärmesenke 11 ist mit dem Bezugszeichen 36 in 3 gekennzeichnet.The thermoelectric cooling element 20 comprises in a known manner a number of n- and p-doped semiconductor elements 22 . 23 which is between the cover plate 13 and the bottom plate 14 arranged side by side and by contact surfaces 24 . 25 electrically connected in series with one another and with a voltage source 21 are connected. The thermoelectric cooling element 20 supports the heat transfer from the heat source 12 to the heat sink 11 , A heat flow direction from the heat source 12 to the heat sink 11 is with the reference numeral 36 in 3 characterized.

Die in 3 gezeigte Anordnung ermöglicht den aktiv unterstützten Wärmeabtransport bei räumlich kleinen Baumaßen. Allerdings entsteht in der Wärmesenke 11 ein inhomogener Wärmeeintrag, insbesondere wenn entgegen der zeichnerischen Darstellung der 3 die Wärmesenke 11 eine sehr viel größere Breite als die Wärmequelle 12 und das thermoelektrische Kühl element 20 aufweist. Hierdurch können nur Teile der Wärmesenke effektiv an der Wärmeabfuhr beteiligt werden.In the 3 arrangement shown allows the actively supported heat dissipation in spatially small dimensions. However, arises in the heat sink 11 an inhomogeneous heat input, especially when contrary to the graphic representation of the 3 the heat sink 11 a much larger width than the heat source 12 and the thermoelectric cooling element 20 having. As a result, only parts of the heat sink can be effectively involved in the heat dissipation.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle einer elektronischen Schaltung anzugeben, mit der eine effektive Wärmeabfuhr von der Wärmequelle auf einfachere Weise möglich ist.It is therefore an object of the present invention, an arrangement for cooling a heat source specify an electronic circuit with an effective heat dissipation from the heat source in a simpler way possible is.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.These Task is solved by an arrangement with the features of claim 1. Advantageous Embodiments emerge from the dependent claims.

Erfindungsgemäß sind die Wärmequelle und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat der Schaltung angeordnet, wodurch die von der Wärmequelle lokal an das Substrat abgegebene Wärme durch das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement lateral über zumindest einen Teil der Fläche des Substrats verteilbar und an die mit dem Substrat thermisch gekoppelte Wärmesenke abgebbar ist.According to the invention heat source and the at least one thermoelectric cooling element next to each other a common substrate of the circuit, whereby the from the heat source locally delivered to the substrate heat through the at least one thermoelectric cooling element lateral over at least part of the area the substrate distributable and thermally coupled to the substrate heat sink is deliverable.

Durch das seitliche Anordnen des zumindest einen thermoelektrischen Kühlelements neben der Wärmequelle auf dem gemeinsamen Substrat erfolgt eine Wärmestromaufspreizung, welche durch die Pumpwirkung der thermoelektrischen Kühlelemente unterstützt wird. Es wird somit ein thermoelektrischer Wärmespreizer (sog. Heat Spreader) bereitgestellt. Hierdurch kann die Wärme großflächiger (d. h. im Bereich einer Fläche, die größer als die Wärmequelle oder der Hot Spot ist) an die Wärmesenke übertragen werden, so dass durch diese eine effizientere Wärmeabfuhr möglich ist. Insbesondere können dadurch in der Wärmesenke keine lokalen Wärmespitzen mehr entstehen.By arranging the at least one thermoelectric cooling element laterally next to the heat source on the common substrate, there is a heat flow spreading, which is supported by the pumping effect of the thermoelectric cooling elements. It is thus a thermoelectric Heat spreader (so-called. Heat Spreader) provided. As a result, the heat can be transmitted to the heat sink over a larger area (ie in the area of an area which is larger than the heat source or the hot spot), so that a more efficient heat removal is possible through this. In particular, local heat peaks can no longer arise in the heat sink as a result.

Durch den Pumpvorgang des zumindest einen thermoelektrischen Kühlelements erfolgt damit eine verbesserte Kühlwirkung im Bereich der Wärmequelle. Der lokale Wärmeübergangswiderstand im Bereich der Wärmequelle kann durch die seitliche Anordnung des zumindest einen thermoelektrischen Kühlelements verrin gert werden. Damit wird der Wärmesenke bei der Verteilung der Wärme in lateraler Richtung geholfen.By the pumping operation of the at least one thermoelectric cooling element This results in an improved cooling effect in the area of the heat source. The local heat transfer resistance in the area of the heat source can by the lateral arrangement of the at least one thermoelectric cooling element be reduced. This is the heat sink in the distribution the heat helped in a lateral direction.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Wärmequelle und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement auf einer ersten Hauptseite des Substrats und die Wärmesenke auf einer zweiten, der ersten Hauptseite gegenüberliegenden Hauptseite des Substrats angeordnet.According to one appropriate embodiment the heat source and the at least one thermoelectric cooling element on a first Main side of the substrate and the heat sink on a second, the first main page opposite main page of the substrate.

Gemäß einer weiteren, zweckmäßigen Ausgestaltung erstreckt sich die Wärmesenke zumindest über einen Bereich oder eine Fläche des Substrats, in dem die Wärmequelle und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement angeordnet sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Wärmesenke eine Fläche aufweist, welche zumindest den Bereich einnimmt, auf dem die Wärmequelle und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement aufgebracht sind. Gegenüber der einleitend erwähnten und aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle weist die Wärmesenke einer erfindungsgemäßen Anordnung hierdurch eine mindestens um die Fläche der thermoelektrischen Kühlelemente größere Fläche auf. Der größere Flächenbedarf wird jedoch durch die größere funktionelle Zuverlässigkeit wett gemacht, da die Ausbildung lokaler Hot Spots mit der Erfindung auf zuverlässige Weise verhindert werden kann. Hierdurch lässt sich die Zuverlässigkeit der gesamten elektronischen Schaltung verbessern.According to one further, expedient embodiment the heat sink extends at least about an area or area of the substrate in which the heat source and the at least one thermoelectric cooling element are arranged. In other words, this means that the heat sink has an area, which at least occupies the area on which the heat source and that at least one thermoelectric cooling element are applied. Across from the introductory mentioned and Known from the prior art arrangement for cooling a heat source has the heat sink an inventive arrangement thereby at least about the surface of the thermoelectric cooling elements larger area. The larger space requirement However, this is due to the larger functional reliability made up for that since training local hot spots with the invention on reliable Way can be prevented. This allows the reliability improve the overall electronic circuit.

In einer Ausführungsvariante sind die thermoelektrischen Kühlelemente auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten der Wärmequelle angeordnet. Hierdurch lässt sich neben einer guten Wärmeabfuhr eine symmetrische Wärmeverteilung erzielen. Eine besonders gute Wärmeabfuhr von der Wärmequelle ergibt sich dann, wenn die thermoelektrischen Kühlelemente längs des gesamten Umfangs der Wärmequelle angeordnet sind. Je nach Ausgestaltung der thermoelektrischen Kühlelemente ist es auch möglich, ein einziges thermoelektrisches Kühlelement längs eines Abschnitts oder des gesamten Umfangs der Wärmequelle anzuordnen. Ebenso kann jedoch auch eine Vielzahl an unter schiedlich angesteuerten thermoelektrischen Kühlelementen vorgesehen werden, was insbesondere die Steuerung des Wärmeflusses von der Wärmequelle in Richtung der Wärmesenke und damit eine gezielte Wärmeaufspreizung ermöglicht.In an embodiment variant are the thermoelectric cooling elements on at least two opposite Sides of the heat source arranged. This leaves in addition to a good heat dissipation a symmetrical heat distribution achieve. A particularly good heat dissipation from the heat source arises when the thermoelectric cooling elements along the entire circumference of the heat source are arranged. Depending on the configuration of the thermoelectric cooling elements it is also possible a single thermoelectric cooling element along a portion or the entire circumference of the heat source to arrange. Likewise, however, a variety of under differently driven provided thermoelectric cooling elements in particular, controlling the heat flow from the heat source in the direction of the heat sink and thus a targeted heat dissipation allows.

Für den Fall, dass die Wärmesenke aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist oder eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist, ist es zweckmäßig, wenn das Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist. Die Wärmeleitung kann dadurch unterstützt werden, dass das Substrat aus einem gut Wärme leitenden Material besteht. Insbesondere ist vorgesehen, das Substrat aus Siliziumoxid (SiO), Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (AlO) auszubilden. Die Verwendung von Aluminiumnitrid als Substratmaterial weist den Vorteil auf, dass dieses einerseits elektrisch isolierend und andererseits eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.In the case, that the heat sink is formed of an electrically conductive material or an electrical conductive surface has, it is expedient if the substrate consists of an electrically insulating material or provided with an electrically insulating layer. The heat conduction can be supported be that the substrate consists of a good heat conducting material. In particular, it is provided that the substrate made of silicon oxide (SiO), Aluminum nitride (AlN) or aluminum oxide (AlO) form. The Use of aluminum nitride as a substrate material has the advantage on that this on the one hand electrically insulating and on the other hand has a good thermal conductivity.

Je nach Wärmeleitfähigkeit des Substrats ist es zweckmäßig, wenn das Substrat eine im Vergleich zu der Wärmesenke geringe Dicke aufweist. Insbesondere kann das Substrat lediglich als Schicht ausgebildet sein, die auf der Wärmesenke aufgebracht ist.ever after thermal conductivity of the substrate, it is useful if the substrate has a small thickness compared to the heat sink. In particular, the substrate can only be formed as a layer be on the heat sink is applied.

Es versteht sich von selbst, dass die Wärmesenke aus einem gut Wärme leitenden Material zu bilden ist. Insbesondere kann die Wärmesenke aus einem Metall, bevorzugt Kupfer, oder Aluminiumnitrid (AlN) gebildet sein. Die Verwendung von Kupfer oder einem anderen Metall ermöglicht die kostengünstige Bereitstellung einer Wärmesenke. Die Ausgestaltung der Wärmesenke aus Aluminiumnitrid ermöglicht gegebenenfalls das Weglassen des Substrats, da Aluminiumnitrid die geforderte Isolationseigenschaft bereits aufweist.It It goes without saying that the heat sink is made of a good heat conducting Material is to form. In particular, the heat sink may be made of a metal, preferably copper, or aluminum nitride (AlN) may be formed. The Use of copper or another metal allows the cost-effective provision a heat sink. The design of the heat sink made of aluminum nitride optionally omitting the substrate, since the aluminum nitride already required isolation property.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfassen die thermoelektrischen Kühlelemente eine Anzahl an Halbleiterelementen, die über Kontaktflächen elektrisch seriell mit einer jeweiligen Spannungsquelle verschaltet sind, wobei zumindest manche der Kontaktflächen thermisch mit dem Substrat gekoppelt sind. Der Wärmeübergang von dem thermoelektrischen Kühlelement zu der Wärmesenke bzw. der Wärmequelle zu dem thermoelektrischen Kühlelement erfolgt insbesondere über die mit diesen Materialien gekoppelten Kontaktflächen. Die Halbleiterelemente des thermoelektrischen Kühlelements sind als p- und n-dotierte thermoelektrische Kühlelemente ausgebildet, die thermisch parallel und elektrisch seriell geschaltet sind.According to one Another embodiment comprises the thermoelectric cooling elements a number of semiconductor elements electrically via contact surfaces are serially connected to a respective voltage source, wherein at least some of the contact surfaces thermally coupled to the substrate. The heat transfer from the thermoelectric cooling element to the heat sink or the heat source to the thermoelectric cooling element takes place in particular via the contact surfaces coupled with these materials. The semiconductor elements the thermoelectric cooling element are designed as p- and n-doped thermoelectric cooling elements, the thermally connected in parallel and electrically in series.

Die Ausgestaltung, Verschaltung der Halbleiterelemente sowie Anordnung relativ zu der Wärmequelle erfolgt allgemein derart, dass die von der Wärmequelle lokal an das Substrat abgegebene Wärme durch das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement lateral über zumindest einen Teil der Fläche des Substrats verteilt wird und dadurch an die mit dem Substrat thermisch gekoppelte Wärmesenke abgebbar ist.The design, interconnection of Halblei terelemente and arrangement relative to the heat source is generally such that the heat emitted by the heat source locally to the substrate heat is distributed laterally over at least a thermoelectric cooling element over at least a portion of the surface of the substrate and thereby deliverable to the thermally coupled to the substrate heat sink is.

Um die Wärmequelle bzw. den durch die Wärmequelle hervorgerufenen „Hot Spot” der elektronischen Schaltung besonders gut Kühlen oder auf- oder unterhalb ein vorgegebenes Temperaturniveau oder eine vorgegebene Temperaturverteilung bringen zu können, ist es zweckmäßig, wenn jedes thermoelektrische Kühlelement an eine eigene Spannungsquelle angeschlossen ist. Insbesondere ist die Spannungsquelle zur Einstellung der Kühlleistung des angeschlossenen thermoelektrischen Kühlelements regelbar. Je nach anliegender Spannung kann die Kühlwirkung in dem Bereich der Halbleiterelemente reguliert werden.Around the heat source or by the heat source caused "hot Spot "the Electronic circuit particularly good cooling or up or down a predetermined temperature level or a predetermined temperature distribution to be able to bring it is useful if each thermoelectric cooling element connected to its own power source. In particular the voltage source for adjusting the cooling capacity of the connected thermoelectric cooling element adjustable. Depending on the applied voltage, the cooling effect be regulated in the region of the semiconductor elements.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:The Invention will become more apparent below based on an embodiment explained in the drawing. Show it:

1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße, schematische Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle, 1 a plan view of an inventive, schematic arrangement for cooling a heat source,

2 eine perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten Anordnung, und 2 a perspective view of in 1 shown arrangement, and

3 eine bereits beschriebene und aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle. 3 an already described and known from the prior art arrangement for cooling a heat source.

1 zeigt in einer Draufsicht eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle 12. Die Wärmequelle 12, beispielsweise ein elektrisches Bauelement, ist in dem mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichneten Bereich eines Substrates 10 einer elektronischen Schaltung angeordnet. Dieser Bereich wird auch als Hot Spot bezeichnet. Neben dem, die Wärmequelle 12 darstellenden, Bauelement umfasst die elektronische Schaltung typischerweise eine Vielzahl an weiteren Bauelementen, welche in der Figur nicht dargestellt sind. Bei der elektronischen Schaltung kann es sich allgemein um eine hochintegrierte, eine optoelektronische oder eine leistungselektronische Schaltung handeln. Das Bauelement bzw. die Wärmequelle 12 kann eine beliebige Grundfläche aufweisen. Im Ausführungsbeispiel ist die Wärmequelle 12 kreisförmig ausgebildet, was jedoch nicht zwingend ist. 1 shows in a plan view a schematic representation of an inventive arrangement for cooling a heat source 12 , The heat source 12 , For example, an electrical component, is in the reference numeral 12 marked area of a substrate 10 an electronic circuit arranged. This area is also known as a hot spot. Next to that, the heat source 12 illustrative, the electronic circuit typically includes a plurality of other components, which are not shown in the figure. The electronic circuit can generally be a highly integrated, an optoelectronic or a power electronic circuit. The component or the heat source 12 can have any footprint. In the embodiment, the heat source 12 circular, which is not mandatory.

Neben der Wärmequelle 12 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Wärmequelle 12 zwei thermoelektrische Kühlelemente 20, 30 auf demselben Substrat 10 angeordnet. Die Wärmequelle 12 und die zwei thermoelektrischen Kühlelemente 20, 30 sind hierbei auf einer, dem Betrachter zugewandten Hauptseite des Substrats 10 angeordnet. Auf einer dieser Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite ist eine Wärmesenke 11 mit dem Substrat 10 gekoppelt. Dies geht beispielhaft aus der perspektivischen Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in 2 hervor.Next to the heat source 12 are on opposite sides of the heat source 12 two thermoelectric cooling elements 20 . 30 on the same substrate 10 arranged. The heat source 12 and the two thermoelectric cooling elements 20 . 30 are here on a, the viewer facing the main side of the substrate 10 arranged. On one of these main page opposite the second main page is a heat sink 11 with the substrate 10 coupled. This is an example of the perspective view of the inventive arrangement in 2 out.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung der Wärmequelle 12 umfasst im beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei thermoelektrische Kühlelemente 20, 30, die auf gegenüberliegenden Seiten der Wärmequelle 12 vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch eine andere Anzahl an thermoelektrischen Kühlelementen aufweisen. So könnte lediglich ein einzi ges thermoelektrisches Kühlelement benachbart zu der Wärmesenke vorgesehen sein. Ebenso können drei oder vier oder eine beliebige Anzahl an thermoelektrischen Kühlelementen, insbesondere längs des gesamten Umfangs der Wärmequelle angeordnet sein.The inventive arrangement for cooling the heat source 12 includes in the described embodiment, two thermoelectric cooling elements 20 . 30 on opposite sides of the heat source 12 are provided. The arrangement according to the invention can also have a different number of thermoelectric cooling elements. Thus, only a single thermoelectric cooling element could be provided adjacent to the heat sink. Likewise, three or four or any number of thermoelectric cooling elements, in particular be arranged along the entire circumference of the heat source.

Jedes der thermoelektrischen Kühlelemente 20, 30 umfasst eine Anzahl an Halbleiterelementen. Die Halbleiterelemente sind entweder p-dotiert (Bezugszeichen 22 bzw. 32) oder n-dotiert (Bezugszeichen 23 bzw. 33) und über Kontaktflächen 24, 25 bzw. 34, 35 elektrisch seriell geschaltet. Die Halbleiterelemente 22, 23 bzw. 32, 33 sind derart angeordnet, dass diese thermisch parallel geschaltet sind, d. h. p- und n-dotierte Halbleiterelemente sind abwechselnd nebeneinander angeordnet und an wechselnden Endabschnitten durch die Kontaktflächen kontaktiert.Each of the thermoelectric cooling elements 20 . 30 comprises a number of semiconductor elements. The semiconductor elements are either p-doped (reference numeral 22 respectively. 32 ) or n-doped (reference numeral 23 respectively. 33 ) and via contact surfaces 24 . 25 respectively. 34 . 35 electrically connected in series. The semiconductor elements 22 . 23 respectively. 32 . 33 are arranged such that they are thermally connected in parallel, ie p- and n-doped semiconductor elements are arranged alternately side by side and contacted at alternating end portions through the contact surfaces.

Der grundsätzliche Aufbau eines thermoelektrischen Kühlelements ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass eine detailliertere Beschreibung nicht notwendig ist.Of the fundamental Construction of a thermoelectric cooling element is the expert from the prior art known, so a more detailed description is not necessary is.

Die Kontaktflächen 24 und 34 sind jeweils mit einer steuerbaren Spannungsquelle 21 bzw. 31 gekoppelt, wobei durch die von der Spannungsquelle 21 bzw. 31 erzeugten Spannung die Kühlleistung eines jeweiligen thermoelektrischen Kühlelements 20, 30 einstellbar ist. Die Kontaktflächen 25 bzw. 35 sorgen für eine paarweise elektrische Verbindung zwischen den benachbarten Halbleiterelementen 22 und 23 bzw. 32 und 33. Zumindest die Kontaktflächen 24 bzw. 34 sind zumindest abschnittsweise mit dem Substrat gekoppelt.The contact surfaces 24 and 34 are each with a controllable voltage source 21 respectively. 31 coupled, by the from the voltage source 21 respectively. 31 generated voltage, the cooling capacity of a respective thermoelectric cooling element 20 . 30 is adjustable. The contact surfaces 25 respectively. 35 provide a paired electrical connection between the adjacent semiconductor elements 22 and 23 respectively. 32 and 33 , At least the contact surfaces 24 respectively. 34 are at least partially coupled to the substrate.

Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 sind die Kontaktflächen 24, 25 bzw. 34, 35 auf der dem Betrachter zugewandten Seite der Halbleiterelemente 22, 23 bzw. 32, 33 vorgesehen. Da die von den thermoelektrischen Kühlelementen 20, 30 von der Wärmequelle 12 lateral abtransportierte Wärme im Wesentlichen über die Kontaktflächen in das Substrat 10 eingetragen wird, ist es zweckmäßig, wenn die Kontaktflächen 24, 25 bzw. 34, 35 großflächig ausgebildet und/oder zwischen den Halbleiterelementen 22, 23 bzw. 32, 33 und dem Substrat 10 vorgesehen sind.In the embodiment according to the 1 and 2 are the contact surfaces 24 . 25 respectively. 34 . 35 on the viewer facing side of the semiconductor elements 22 . 23 respectively. 32 . 33 intended. Because of the thermoelectric cooling elements 20 . 30 from the heat source 12 Heat removed laterally essentially via the contact surfaces into the substrate 10 is registered, it is useful if the contact surfaces 24 . 25 respectively. 34 . 35 formed over a large area and / or between the semiconductor elements 22 . 23 respectively. 32 . 33 and the substrate 10 are provided.

Wie insbesondere aus der perspektivischen Darstellung der 2 hervorgeht, erstreckt sich die Wärmesenke 11 zumindest über einen Bereich oder eine Fläche des Substrats 10, in dem die Wärmequelle und die thermoelektrischen Kühlelemente 20, 30 angeordnet sind. Die Wärmesenke besteht aus einem gut Wärme leitenden Material, z. B. einem Metall, wie Kupfer. Alternativ kann die Wärmesenke 11 aus Aluminiumnitrid (AlN) gebildet sein, was neben gut Wärme leitenden Eigenschaften auch isolierende Eigenschaften aufweist.As in particular from the perspective view of 2 As can be seen, the heat sink extends 11 at least over a region or area of the substrate 10 in which the heat source and the thermoelectric cooling elements 20 . 30 are arranged. The heat sink consists of a good heat conductive material, eg. As a metal such as copper. Alternatively, the heat sink 11 be formed of aluminum nitride (AlN), which in addition to good heat conducting properties also has insulating properties.

Das im Vergleich zu der Wärmesenke 11 dünnere Substrat 10 besteht bevorzugt ebenfalls aus einem gut Wärme leitenden und isolierenden Material oder ist auf der der Wärmesenke und den thermoelektrischen Kühlelementen 20, 30 zugewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen. Das Substrat kann aus Siliziumoxid (SiO), Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (AlO) gebildet sein. Das Substrat 10 kann hierbei lediglich als Schicht ausgebildet sein, die auf die Wärmesenke aufgebracht ist. Bestehen sowohl das Substrat 10 als auch die Wärmesenke 11 aus beispielsweise Aluminiumnitrid, so brauchen das Substrat 10 und die Wärmesenke 11 nicht aus getrennten Körpern gebildet sein, sondern können einstückig hergestellt sein.That compared to the heat sink 11 thinner substrate 10 preferably also consists of a good heat-conducting and insulating material or is on the heat sink and the thermoelectric cooling elements 20 . 30 facing side provided with an electrically insulating layer. The substrate may be formed of silicon oxide (SiO), aluminum nitride (AlN) or aluminum oxide (AlO). The substrate 10 may be formed here only as a layer which is applied to the heat sink. Pass both the substrate 10 as well as the heat sink 11 made of, for example, aluminum nitride, so need the substrate 10 and the heat sink 11 not be formed of separate bodies, but may be made in one piece.

Die erfindungsgemäße Anordnung sieht somit thermoelektrische Kühlelemente 20, 30 neben der Wärmequelle 12 auf dem gemeinsamen Substrat 10 vor. Die lateral angeordneten thermoelektrischen Kühlelemente unterstützen die Wärmestromaufspreizung der von der Wärmequelle 12 lokal abgegebenen wärme durch ihre Pumpwirkung. Die Wärmeflussrichtung beim Betrieb der Anordnung ist durch die Pfeile 26, 36 gekennzeichnet. Die thermoelektrischen Kühlelemente 20, 30 wirken damit als thermoelektrischer Wärmespreizer (Heat Spreader). Hierdurch kann auf einfache und effiziente Weise die im Bereich der Wärmequelle entstehende Wärme abgeführt, lateral über das Substrat 10 verteilt und großflächig an die Wärmesenke 11 abgegeben werden.The arrangement according to the invention thus provides thermoelectric cooling elements 20 . 30 next to the heat source 12 on the common substrate 10 in front. The laterally disposed thermoelectric cooling elements support the heat flow spread of the heat source 12 locally released heat by their pumping action. The heat flow direction during operation of the arrangement is indicated by the arrows 26 . 36 characterized. The thermoelectric cooling elements 20 . 30 act as a thermoelectric heat spreader. As a result, the heat generated in the region of the heat source can be dissipated in a simple and efficient manner, laterally across the substrate 10 distributed and large area to the heat sink 11 be delivered.

Die laterale Anordnung der thermoelektrischen Kühlelemente 20, 30 ermöglicht durch den Pumpvorgang jeweiliger thermoelektrischer Kühlelemente eine verstärkte Kühlwirkung im Bereich der Wärmequelle 12. Durch die Aufspreizung des Wärmestroms von der Wärmequelle 12 in Richtung der Wärmesenke 11 wird der lokale Wärmeübergangswiderstand im Bereich der Wärmequelle 12 (des sog. Hot Spots) verringert. Die laterale Anordnung der thermoelektrischen Wärmeelemente 20, 30 sorgt damit für eine Verteilung der Wärme in lateraler Richtung.The lateral arrangement of the thermoelectric cooling elements 20 . 30 allows by the pumping operation of respective thermoelectric cooling elements an enhanced cooling effect in the region of the heat source 12 , By spreading the heat flow from the heat source 12 in the direction of the heat sink 11 becomes the local heat transfer resistance in the area of the heat source 12 (the so-called hot spot) reduced. The lateral arrangement of the thermoelectric heating elements 20 . 30 thus ensures a distribution of heat in the lateral direction.

Claims (13)

Anordnung zur Kühlung einer Wärmequelle (12) einer elektronischen Schaltung, bei der die von der Wärmequelle (12) im Betrieb abgegebene Wärme mit zumindest einem thermoelektrischen Kühlelement (20, 30) zu einer mit der elektronischen Schaltung gekoppelten Wärmesenke (11) transportierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (12) und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement (20, 30) nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat (10) der Schaltung angeordnet sind, wodurch die von der Wärmequelle (12) lokal an das Substrat (10) abgegebene Wärme durch das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement (20, 30) lateral über zumindest einen Teil der Fläche des Substrats (10) verteilbar und an die mit dem Substrat (10) thermisch gekoppelte Wärmesenke (11) abgebbar ist.Arrangement for cooling a heat source ( 12 ) an electronic circuit in which the of the heat source ( 12 ) in operation with at least one thermoelectric cooling element ( 20 . 30 ) to a coupled to the electronic circuit heat sink ( 11 ) is transportable, characterized in that the heat source ( 12 ) and the at least one thermoelectric cooling element ( 20 . 30 ) side by side on a common substrate ( 10 ) of the circuit, whereby the heat source ( 12 ) locally to the substrate ( 10 ) discharged heat through the at least one thermoelectric cooling element ( 20 . 30 ) laterally over at least a portion of the surface of the substrate ( 10 ) and to which the substrate ( 10 ) thermally coupled heat sink ( 11 ) is deliverable. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (12) und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement (20, 30) auf einer ersten Hauptseite des Substrats (10) und die Wärmesenke (11) auf einer zweiten, der ersten Hauptseite gegenüberliegenden Hauptseite des Subtrats (10) angeordnet sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that the heat source ( 12 ) and the at least one thermoelectric cooling element ( 20 . 30 ) on a first main side of the substrate ( 10 ) and the heat sink ( 11 ) on a second main page opposite the first main page ( 10 ) are arranged. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmesenke (11) zumindest über einen Bereich oder eine Fläche des Substrats (10) erstreckt, in dem die Wärmequelle (12) und das zumindest eine thermoelektrische Kühlelement (20, 30) angeordnet sind.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the heat sink ( 11 ) at least over a region or area of the substrate ( 10 ), in which the heat source ( 12 ) and the at least one thermoelectric cooling element ( 20 . 30 ) are arranged. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Kühlelemente (20, 30) auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten der Wärmequelle (12) angeordnet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric cooling elements ( 20 . 30 ) on at least two opposite sides of the heat source ( 12 ) are arranged. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Kühlelemente (20, 30) längs des gesamten Umfangs der Wärmequelle (12) angeordnet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric cooling elements ( 20 . 30 ) along the entire circumference of the heat source ( 12 ) are arranged. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10 ) consists of an electrically insulating material or provided with an electrically insulating layer. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus einem gut Wärme leitenden Material besteht.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10 ) be made of a good heat conductive material stands. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus SiO, AlN oder AlO gebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10 ) is formed of SiO, AlN or AlO. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) eine im Vergleich zur der Wärmesenke (11) geringe Dicke aufweist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10 ) one compared to the heat sink ( 11 ) has a small thickness. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (11) aus einem Metall, insbesondere Cu, oder AlN gebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink ( 11 ) is formed of a metal, in particular Cu, or AlN. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Kühlelemente (20, 30) eine Anzahl an Halbleiterelementen (24, 25; 34, 35) umfassen, die über Kontaktflächen (22, 23; 32, 33) elektrisch seriell mit einer jeweiligen Spannungsquelle (21; 31) verschaltet sind, wobei zumindest manche der Kontaktflächen (22, 23; 32, 33) thermisch mit dem Substrat (10) gekoppelt sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric cooling elements ( 20 . 30 ) a number of semiconductor elements ( 24 . 25 ; 34 . 35 ), which have contact surfaces ( 22 . 23 ; 32 . 33 ) electrically in series with a respective voltage source ( 21 ; 31 ), wherein at least some of the contact surfaces ( 22 . 23 ; 32 . 33 ) thermally with the substrate ( 10 ) are coupled. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes thermoelektrische Kühlelement (20, 30) an eine eigene Spannungsquelle (21; 31) angeschlossen ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each thermoelectric cooling element ( 20 . 30 ) to a separate voltage source ( 21 ; 31 ) connected. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (21; 31) zur Einstellung der Kühlleistung des angeschlossenen thermoelektrischen Kühlelements (20; 30) regelbar ist.Arrangement according to claim 12, characterized in that the voltage source ( 21 ; 31 ) for adjusting the cooling capacity of the connected thermoelectric cooling element ( 20 ; 30 ) is controllable.
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