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Stand der Technik
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Zahlreiche elektrische Schaltungen umfassen einen oder mehrere Bauteile mit hoher Verlustwärme, so dass ein Mechanismus zur Wärmeabfuhr erforderlich ist, um eine Erhitzung über eine Maximaltemperatur zu vermeiden. Die Wärme wird in die Umgebungsluft abgeführt, wobei hier durch Konvektion oder auch eine aktiv herbeigeführte Luftströmung eine Wärmeabgabefläche eines Kühlkörpers (meist aufgespreizt) mit Luft als Kühlmedium versorgt wird.
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Andererseits ist bei vielen Anwendungen erforderlich, dass die elektrische Schaltung von Außeneinwirkungen (Spritzwasser, Öl, Staub ...) durch Kapselung geschützt wird. Diese Kapselung ist jedoch für eine effiziente Wärmeabfuhr hinderlich.
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Es werden daher gemäß dem Stand der Technik Kühlkörper verwendet, die bei einer gekapselten Schaltung eingegossene wärmeerzeugende elektrische Komponenten verwendet werden, wobei sich die Kühlkörper von einem zu kühlenden elektrischen Bauelement im Inneren der eingegossenen Schaltung durch die Gussschicht hindurch erstrecken und an die Umgebung angrenzen. Ein weiterer, externer Kühlkörper kann mit dem Kühlkörper verbunden sein, der sich durch die Gussschicht hindurch erstreckt.
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Eine vergleichbare Struktur ist in
DE 199 32 442 A1 dargestellt, wobei ein eingegossener Chip über ein wärmeleitendes Medium, das als Kühlkörper bzw. Wärmebrücke aus Metall ausgeführt ist und das sich vom Chip zur Außenseite der Schaltung durch die Gussschicht hindurch erstreckt, Wärme nach außen (d. h. an einen äußeren, mit dem Medium verbundenen Kühlkörper) abgeben werden kann.
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Der Kühlkörper und die Gussschicht, durch die sich der Kühlkörper hindurch erstreckt, weisen jedoch stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass insbesondere bei größeren Schaltungen eine Lücke zwischen Kühlkörper und angrenzende Schutzschicht entsteht, durch beispielsweise Wasser eindringen kann. Dieses stört die innere Schaltung und beeinträchtigt den Wärmekontakt zwischen Kühlkörper und zu kühlender Schaltungskomponente, wodurch die Schaltung anfällig für Umwelteinflüsse wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Schaltungsaufbau sowie ein Herstellungsverfahren vorzusehen, mit dem die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen signifikant verbessert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung und das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung ermöglicht eine effiziente Erhöhung der Resistenz einer zu kühlenden, eingegossenen Schaltung gegenüber Umwelteinflüssen. Insbesondere sind Wärmekontakte (beispielsweise zwischen zu kühlender Schaltungskomponente und Kühlkörper) vor Störeinflüssen geschützt, so dass sich keine punktuellen Erwärmungen bilden und die Verlustwärme wirksam abgeführt wird. Zudem ermöglicht die Erfindung die Verwendung von schlagzähem Gussmaterial zur Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit, ohne dass dadurch eine erhöhte Lückenbildung entstehen würde. Insbesondere können für den Gussmantel und den Kühlkörper Materialien mit stark unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten verwendet werden. Schließlich ermöglicht die Erfindung einen störungsfreien Betrieb in Umgebungen mit häufigen und starken Temperaturschwankungen sowie mit Stoffen (Wasser, Öl), die für die Elektronik der Schaltung oder den Wärmekontakt kritisch sind.
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Gemäß einem allgemeinen Aspekt der Erfindung werden die in einem Kunststoffmantel eingegossenen Komponenten der Schaltung gekühlt über einen Kühlkörper, der gegenüber dem Kunststoffmantel mit einem Dichtungselement abgedichtet ist. Das Dichtungselement umschließt den Kühlkörper durchgehend oder vollumfänglich in einer Höhe innerhalb des Kunststoffmantels oder an der Stelle, an der der Kühlkörper aus dem Kunststoffmantel heraustritt. Das Dichtungselement bildet einen Dichtring um den Querschnitt des Kühlkörpers herum, der in einer Ebene liegen kann oder in einer anderen Fläche, die das Innere der Schaltung (d. h. die zu kühlenden Schaltungskomponente) von der Stelle trennt, an der der Kühlkörper an die Umgebung angrenzt oder in dieser hineinragt. Das Dichtungselement selbst erstreckt sich ferner vorzugsweise um eine Strecke entlang der Erstreckungsrichtung des Kühlkörpers, d. h. in einer Richtung von dem der zu kühlenden Schaltungskomponente zur Außenseite des Kunststoffmantels. Mit anderen Worten bildet das Dichtungselement nicht nur eine umfänglich geschlossene Linie um den Kühlkörper herum, sondern einen Zylinder mit der Querschnittsform des Kühlkörpers. Insbesondere kann sich das Dichtungselement entlang des gesamten Abschnitts des Kühlkörpers befinden, der sich von der zu kühlenden Schaltungskomponente bis zu der Stelle erstreckt, an dem der Kühlkörper an die Umgebung angrenzt bzw. aus dem Kunststoffmantel austritt. Als zu kühlende Schaltungskomponente werden Wärmequellen wie elektrische/elektronische Leistungsbauteile bezeichnet oder Komponenten, die mit den Wärmequellen wärmeübertragend verbunden sind, beispielsweise ein Substrat oder eine Leiterplatte, über die Überschusswärme einer Wärmequelle abgeführt wird. Als Kühlkörper wird ein Element bezeichnet, das Wärme abtransportiert, insbesondere eine Wärmebrücke, die innerhalb des Kunststoffmantels angeordnet ist. Kühlkörper, die nur außerhalb des Kunststoffmantels angeordnet sind, um Wärme an die Umgebung (Umgebungsluft oder andere Kühlmedien) abzugeben, werden als externe Kühlkörper bezeichnet. Als Kühlkörper werden somit alle Wärme abführenden Elemente bezeichnet, unabhängig von ihrer Lage zu dem Kunststoffmantel, wobei außerhalb des Kunststoffmantels befindliche Kühlkörper näher als externe Kühlkörper bezeichnet werden.
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung mit zumindest einer zu kühlenden Schaltungskomponente und einem Kühlkörper, der in wärmeleitender Verbindung mit der Schaltungskomponente steht. Die wärmeleitende Verbindung wird mit einer Wärmeleitpaste, einem wärmeleitenden Kleber oder einem Wärmeleitpad vorgesehen. Die elektrische Schaltung weist ferner einen Kunststoffmantel auf, in dem die elektrische Schaltung eingebettet ist. Der Kunststoffmantel ist vorzugsweise aus spritzgussfähigem Material ausgebildet und wird durch ein Spritzgussverfahren aufgetragen. Es eignen sich schlagzähe Kunststoffe, insbesondere Kunststoffe (oder Kunststoffgemische), deren Verformbarkeit bis zu Temperaturen von 120°C oder 150°C nicht wesentlich ändert. Insbesondere werden als Kunststoff für den Kunststoffmantel ein Duroplast oder ein Thermoplast verwendet.
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Der Kunststoffmantel weist eine (an die Umgebung angrenzende) Außenseite auf, wobei der Kühlkörper einen Abschnitt der Außenseite einnimmt. Der Kühlkörper grenzt an diesem Abschnitt an die Umgebung an. Hierbei kann der Kühlkörper eine Kontaktfläche bilden, die mit der angrenzenden Außenseite des Kunststoffmantels fluchtet, die über die diese hinausgeht, oder die gegenüber dieser vertieft vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß weist die elektrische Schaltung ein Dichtungselement auf. Das Dichtungselement verbindet den Kühlkörper abdichtend mit dem Kunststoffmantel mittels eines Kraftschlusses. Das Dichtungselement trennt die Umgebung der elektrischen Schaltung von der zumindest einen zu kühlenden Schaltungskomponente, die innerhalb des Kunststoffmantels vorgesehen ist (d. h. die vollständig eingegossen ist).
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Die durchgängige Verbindung, die das Dichtungselement zwischen Kühlkörper und Kunststoffmantel vorsieht, ist formschlüssig oder wird von Adhäsion vorgesehen oder wird von Dekompressionskräften des Dichtungselements vorgesehen, oder eine Kombination hiervon. Der Kraftschluss wird vorgesehen von einer elastischen Verbindung zwischen Kunststoffmantel und Kühlkörper. Diese kann von Kunststoffmantel und Kühlkörper vorgesehen werden, oder von einem zusätzlichen elastischen Element.
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Das Dichtungselement kann insbesondere ein Element sein, das von Oberflächenabschnitten des Kunststoffmantels und des Kühlkörpers gebildet wird, oder kann ein individuelles Element bilden, das zwischen Kunststoffmantel und Kühlkörper vorgesehen ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird das Dichtungselement vorgesehen durch Strukturmerkmale eines Oberflächenabschnitts des Kühlkörpers, an den ein dazu komplementärer Oberflächenabschnitt des Kunststoffmantels anstößt. Insbesondere greifen die Strukturmerkmale des Kühlkörpers und angrenzenden Strukturmerkmale des Kunststoffmantels ineinander ein. Die Verbindung ist dadurch belastbar, dass weder Kühlkörper noch Kunststoffmantel aus sprödem Material bestehen sondern aus Materialien gefertigt sind, Verformungen aufnehmen können, ohne dass die strukturelle Integrität geschädigt wird. Insbesondere sind die Strukturmerkmale derart geschaffen, dass diese zumindest eine geringfügige anpassende Verformung erlauben. Die Strukturmerkmale sehen eine deutlich erhöhte Oberfläche vor. Die Strukturmerkmale werden vorgesehen durch eine Vielzahl von Unebenheiten, Erhöhungen und/oder Vertiefungen des Kühlkörpers. Diese erhöhen den Oberflächeninhalt des Oberflächenabschnitts gegenüber einem Oberflächenabschnitt mit gleicher Grundform und ohne Strukturmerkmale in wesentlichem Maße (beispielsweise eine raue oder andersartig strukturierte Oberfläche mit einem durch Rauheit erhöhten Oberflächeninhalt von mindestens 30%, 50% oder 100%). Als Maß für die erhöhte Oberfläche hervorgerufen durch die Strukturmerkmale kann die mittlere Rauheit angenommen werden, bei der Abweichungen gegenüber einer gemittelten Linie (d. h. gegenüber einem Profil) in einer Durchschnittsberechnung summiert werden. Durch die erhöhte Oberfläche wird zumindest die Haftkraft zwischen Kühlkörper und Kunststoffmantel deutlich erhöht; bei Strukturmerkmalen mit Hinterschneidungen ergeben sich (zusätzliche) kraftschlüssige Verbindungen. Die Strukturmerkmale können mikrostrukturelle oder makrostrukturelle Rinnen, Stege, Krägen, Lamellen, oder ähnliches sein, die in der Oberfläche des Kühlkörpers vorgesehen sind (und einteilig mit dem Kühlkörper ausgeführt sind). Da der Kunststoffmantel in fließfähiger Form aufgebracht wird, weist dessen Oberfläche eine Form auf, die komplementär zu der Oberfläche des Kühlkörpers ist. Es bestehen Verzahnungen zwischen Kühlkörper und Kunststoffmantel, die ein belastbares, fluiddichtes Dichtungselement vorsehen. Die Strukturelemente haben eine Größe von einem zehntel Millimeter (beispielsweise bei gezielten Aufrauhungen der Oberfläche des Kühlkörpers) bis zu mehreren Millimetern (beispielsweise bei Auskragungen oder nutenförmigen Strukturelementen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Strukturmerkmale den Querschnitt des Kühlkörpers in der Höhe des Oberflächenabschnitts durchgehend oder vollumfänglich umlaufen. Damit besteht die Verbindung zwischen Kühlkörper und Kunststoffmantel entlang des gesamten Umfangs desjenigen Abschnitts des Kühlkörpers, der in dem Kunststoffmantel eingebettet ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkörper als Dichtungselement einen vollständig umlaufenden Kragen aufweist, der sich von dem Kühlkörper weg erstreckt. Der Kragen bildet zusammen mit einem Kontaktabschnitt des Kunststoffmantels das Dichtungselement. Der Kontaktabschnitt erstreckt sich auch innerhalb eines ringförmigen Innenraums, der von dem Kragen ausgebildet ist. Der Kragen des Kühlkörpers bildet durch seine Hinterschneidung einen offenen, ringförmigen Raum, in den während des Spritzgießens des Kunststoffmantels Material des Kunststoffmantels eingefüllt wird. Dadurch greifen Kragen und der Kontaktabschnitt, der in den Hinterschneidungsraum des Kragens hineinragt, ineinander ein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst diese ferner eine Zwischenschicht, die das Dichtungselement ausbildet. Die Zwischenschicht erstreckt sich in einem Abschnitt zwischen dem Kühlkörper und dem dazu komplementär ausgeformten Abschnitt des Kunststoffmantels. Die Zwischenschicht umläuft einen Querschnitt des Kühlkörpers durchgehend oder vollumfänglich. Die Zwischenschicht ist aus einem elastischen Material ausgebildet. Dadurch können (temperaturbedingte) Verschiebungen zwischen Kühlkörper und Kunststoffmantel ausgeglichen werden, während die Zwischenschicht eine fluiddichte Abdichtung vorsieht; insbesondere schließt die Zwischenschicht sowohl mit dem Kühlkörper als auch mit dem Kunststoffmantel fluiddicht ab. Das elastische Material der Zwischenschicht schließt durch Adhäsion oder aufgrund von kompressionsbedingten Federkräften des komprimierten Dichtelements, sowohl mit dem Kühlkörper als auch mit dem Kunststoffmantel fluiddicht ab. Die Federkräfte sind das Resultat der Kompression der Zwischenschicht durch den Kunststoffmantel und den Kühlkörper. Die Federkräfte sind senkrecht zur Oberfläche des Kühlkörpers ausgerichtet.
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Weiterhin kann die zu kühlende Schaltungskomponente durch eine Leiterplatte vorgesehen sein, auf dem mindestens eine wärmeerzeugende elektrische oder elektronische Komponente montiert ist. Die Leiterplatte kann insbesondere eine Epoxi-Leiterplatte sein, wobei die Leiterplatte nicht nur elektrische Verbindungselemente in Form von Leiterbahnen aufweist, sondern auch wärmeübertragende Elemente wie Wärmespreizer, die sich flächig auf der Leiterplatte erstrecken, um Wärme von der wärmeerzeugenden Komponente u. a. an die Leiterplatte effizient weiterzugeben. Die wärmeübertragende Elemente und die elektrischen Verbindungselemente können in gleicher Weise als Strukturen einer Metallkaschierung (bsp. eine Cu-Schicht) der Leiterplatte ausgebildet sein. Zwischen der Leiterplatte und dem Kunststoffmantel ist eine Zwischenschicht aus einem elastischen Material vorgesehen ist, das einen Querschnitt der Leiterplatte vollständig umläuft und sowohl mit der Leiterplatte als auch mit dem Kunststoffmantel fluiddicht abschließt. Die Leiterplatte kann einen Endabschnitt aufweisen, der an einer Außenseite der Schaltung endet (und mit dem Kunststoffmantel abschließt) oder gegenüber dem Kunststoffmantel herausragt. Dieser Endabschnitt kann insbesondere Kontaktelemente zum Anschluss an externe Schaltungen (insbesondere an zu steuernde Einheiten, an eine Stromversorgung oder an einen Sensor) umfassen. Da auch die Schnittstelle zwischen Leiterplatte und Kunststoffmantel für eindringendes Wasser oder Öl kritisch sein kann, weist auch die Leiterplatte ein umfängliches Dichtungselement auf. Hierbei tritt die Leiterplatte an die Stelle des Kühlkörpers. Das Dichtungselement, das als eine Zwischenschicht ausgebildet ist, kann sowohl einen Abschnitt der Leiterplatte als auch des Kühlkörpers umgreifen, um eine Abdichtung mit dem Kunststoffmantel gegenüber der Umgebung vorzusehen. Alternativ ist die Zwischenschicht nur an der Leiterplatte oder an dem Kühlkörper ausgebildet.
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Der Kühlkörper kann mit der Außenseite des Kunststoffmantels abschließen oder durch diese Außenseite hindurch ragen. Das Dichtungselement kann an einem Oberflächenabschnitt des Kühlkörpers vorgesehen sein, der von dem Kunststoffmantel bedeckt ist und an die Außenseite angrenzt. Dadurch kann kein Wasser oder Öl in die Schnittstelle zwischen Kunststoffmantel und Kühlkörper eintreten, da bereits an der zur Umgebung angrenzenden Stelle das Dichtungselement die (elastische, flexible) fluiddichte Verbindung von Kunststoffhülle und Kühlkörper vorsieht.
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Wenn das Dichtungselement durch Strukturmerkmale der Oberfläche des Kühlkörpers vorgesehen wird, dann wird vorzugsweise der Kühlkörpers mit Strukturmerkmalen versehen, wobei der Kunststoffmantel beim Aufbringen des Mantel sich in die Zwischenräume der Strukturmerkmale hinein begibt und automatisch dazu komplementäre Strukturmerkmale durch fließen (oder plastische Verformung) ausbildet. Daher kann die Erfindung von einem Kühlkörper vorgesehen werden, der die Strukturmerkmale trägt, und der eingerichtet ist, eingebettet zu werden. Daher sind insbesondere Wärmebrücken geeignet, diesen Kühlkörper vorzusehen. Die Erfindung umfasst daher ferner einen Kühlkörper mit einer Wärmequellenkontaktfläche und einem Wärmesenkenkontaktabschnitt, die über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind. Der Verbindungsabschnitt dient zum weiterleiten der Wärme nach außen, wenn der Kühlkörper (und die Schaltungskomponenten) eingegossen sind. Der Verbindungsabschnitt ist hierbei ebenso vorgesehen, eingegossen zu werden. Der Verbindungsabschnitt weist eine Außenfläche aufweist, die mit Strukturmerkmalen versehen ist, welche einen Querschnitt des Verbindungsabschnitt durchgehend oder vollumfänglich umlaufen. Die Strukturmerkmale umfassen eine Vielzahl von Unebenheiten, Erhöhungen und/oder Vertiefungen des Verbindungsabschnitts. Die erfindungsgemäßen Strukturmerkmale erhöhen den Oberflächeninhalt des Oberflächenabschnitts gegenüber einem Oberflächenabschnitt mit gleicher Grundform und ohne Strukturmerkmale in wesentlichem Maße.
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Eine weitere alternative oder hiermit kombinierbare Möglichkeit ist es, dass an dem. Wärmesenkenkontaktabschnitt ein Kragen vorgesehen ist, der den Wärmesenkenkontaktabschnitt durchgehend oder vollumfänglich umläuft. Dieser Kragen ist von dem Verbindungsabschnitt weg geöffnet, und bildet somit einen geöffneten Raum, in dem Material des Kunststoffmantels eingebracht ist. Es ergibt sich eine formschlüssige Verbindung zwischen Kragen des Kühlkörpers und Kunststoffmantel. Der Kragen ist mit dem Kühlkörper fest verbunden, beispielsweise über eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen durch einteilige Ausbildung von Kühlkörper und Kragen.
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Eine weitere alternative oder hiermit kombinierbare Möglichkeit ist es, die Oberfläche mit einer elastischen Zwischenschicht zu versehen, wobei diese den Querschnitt des Verbindungsabschnitts durchgehend oder vollumfänglich umläuft, und die Zwischenschicht an einer Innenseite der Zwischenschicht fluiddicht mit der Oberfläche verbunden ist. Der Kühlkörper ist somit zumindest teilweise mit der elastischen Zwischenschicht umgeben. Wird daraufhin der Kunststoffmantel darauf angebracht, so ergibt sich automatisch eine elastische Dichtung durch die Zwischenschicht, die Relativbewegungen zwischen Kunststoffmantel und Kühlkörper ausgleichen kann.
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Weiterhin wird die Erfindung realisiert durch ein Verfahren zur abgedichteten Einbettung einer elektrischen Schaltung, wobei die Schaltung zumindest eine zu kühlende Schaltungskomponente und einen Kühlkörper umfasst, die in einem Kunststoffmantel eingebettet sind. Es ist vorgesehen, dass der Kühlkörper in wärmeübertragendem Kontakt mit der zu kühlenden Schaltungskomponente angeordnet wird. Der Kunststoffmantel wird mittels eines Spritzgussverfahrens auf Oberflächen der elektrischen Schaltung und des Kühlkörpers aufgebracht. Der Kunststoffmantel wird aufgebracht, während der Kühlkörper in Kontakt mit der Schaltungskomponente angeordnet ist. Der Kunststoffmantel wird ferner über ein Dichtungselement mit dem. Kühlkörper verbunden, das den Kühlkörper fluiddichtend mit dem Kunststoffmantel verbindet. Als ein erster Aspekt wird das Dichtungselement von dem Kunststoffmantel selbst vorgesehen, der auch in ein oder mehrere Strukturmerkmale, insbesondere durchgehend oder vollumfänglich verlaufende Strukturmerkmale, einer Oberfläche des Kühlkörpers eingespritzt. Gemäß eines zweiten Aspekts wird das Dichtungselement von einer elastischen Zwischenschicht vorgesehen. Die Zwischenschicht wird zwischen Kunststoffmantel und Kühlkörper angeordnet, vorzugweise unter Bildung eines fluiddichten Kontakts mit dem Kühlkörper und eines fluiddichten Kontakts mit dem Kunststoffmantel. Die Zwischenschicht wird (unter anderem) zumindest auf einen Abschnitt des Kühlkörpers aufgetragen, bevor der Kunststoffmantel auf die Zwischenschicht aufgetragen wird.
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Wenn das Dichtungselement von dem Kunststoffmantel selbst vorgesehen wird, wird der Kunststoffmantel (bzw. dessen Material in fließfähigem Zustand) auch. in Räume eingebracht, die von Strukturmerkmalen eines durchgehend oder vollumfänglich verlaufenden Oberflächenabschnitts des Kühlkörpers gebildet werden. Der Kunststoffmantel schließt fluiddicht mit den Strukturmerkmalen ab, wenn der Kunststoffmantel als fliessfähiges und danach aushärtendes oder erstarrendes Material aufgebracht ist.
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Wenn das Dichtungselement von der Zwischenschicht vorgesehen wird, wird vor dem Aufbringen des Kunststoffmantels die durchgehende Zwischenschicht auf den durchgehend oder vollumfänglich verlaufenden Oberflächenabschnitt des Kühlkörpers aufgebracht. Der Kunststoffmantel wird auf die Zwischenschicht aufgebracht. Durch das Aufbringen der Zwischenschicht wird diese fluiddicht mit dem Oberflächenabschnitt des Kühlkörpers verbunden. Durch das Aufbringen des Kunststoffmantels wird dieser fluiddicht mit der Zwischenschicht verbunden.
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Das Material des Kunststoffmantels ist beim Aufbringen erwärmt und aufgrund seiner Temperatur fließfähig. Das Material des Kunststoffmantels verfestigt sich nach dem Aufbringen. Die Schaltung kann hergestellt werden durch Verwendung einer Gussform, in der die Schaltungskomponenten und der dazu angeordnete Kühlkörper vorgesehen sind, wenn der Kunststoffmantel in fließfähiger Form in die Gussform eingebracht wird.
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Die Erfindung betrifft insbesondere elektrische Schaltungen für den Automotive-Bereich, d. h. Schaltungen, die an einem Fahrzeug, insbesondere im Motorraum, untergebracht sind oder in einem Karosserie-Außenraum. Die elektrische Schaltungen kann eine elektrische Steuerung für den Betrieb eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise eine Einspritzpumpensteuerung, eine Ventilsteuerung, eine Antriebsstufe für einen Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung ist ferner für Industriesteuerungen jeglicher Art einsetzbar.
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Die Erfindung ermöglicht das Ableiten der Verlustwärme, obwohl der Kunststoffmantel aus einem Material mit relativ geringem Wärmeleitwert ausgestaltet ist, da die Kühlkörper durch den Mantel hindurch brechen, um Wärme nach Außen in die Umgebung abzuleiten, ohne dass der Mantel für kritische Medien wie Wasser oder Öl durchlässig wird. Insbesondere wird verhindert, dass der Wärmekontakt zwischen zu kühlender Komponente nicht zur Wasser oder Öl verschlechtert wird, da ein Kriechweg zwischen Mantel und Kühlkörper (bedingt durch die unterschiedlichen Materialien) mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement verhindert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung im Querschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung im Querschnitt, wobei eine perspektivische Tiefendarstellung gestrichelt dargestellt ist. Die dargestellte Ausführungsform umfasst ein zu kühlendes Bauteil in Form einer Leiterplatte 10, auf der eine Wärmequelle 20 in Form eines elektronischen Leistungsbauteils (schematisch dargestellt) montiert ist. Das Leistungsbauteil ist wärmeübertragend mit der Leiterplatte verbunden. Um die Wärme abzuführen ist ein erster Kühlkörper 30 vorgesehen. Ein Kunststoffmantel 40 in Form einer Kunststoffmasse umgibt Leiterplatte 10 und Wärmequelle 20. Das Leistungsbauteil (Wärmequelle 20) und die Leiterplatte 10 bilden zu kühlende Schaltungskomponenten.
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Der Kühlkörper 30 ist mit seitlichen periodischen Rillen an den Außenseiten versehen, wobei die Rillen dreieckigen oder sinusförmigen Verlauf aufweisen. Durch diese Strukturelemente wird die Oberfläche gegenüber einem ebenen Seitenverlauf deutlich erhöht. Da der Kühlkörper 30 sich bis zu einem Abschnitt 50 der Außenseite der Schaltung erstreckt, kann dort die Wärme unmittelbar an einen externen Kühlkörper (nicht dargestellt) oder die Umgebung. weitergegeben werden. An dem Abschnitt 50 trifft die Umgebung auf die Seite eines flächigen Übergangs von Kunststoffmantel zu Kühlkörper, wobei dies einen Spalt erzeugen kann. Um zu verhindern, dass der Spalt Umgebungsstoffe in das innere der Schaltung leitet, sind die beispielhaften Abschnitte 60 vorgesehen, in denen die Rillen der Kühlkörperoberfläche mit dem Kunststoffmantel in Kontakt sind und aufgrund der hohen Oberfläche den Kriechweg deutlich verlängern und somit ein erfindungsgemäßes Dichtelement vorsehen.
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Zwei weitere Möglichkeiten der Ausgestaltung der Strukturelemente sind anhand des Kühlkörpers 32 dargestellt. Ein Kragen 62 weist eine Oberfläche 52 (in Form eines Wärmesenkenkontaktabschnitts zum Anschluss externer Kühlkörper) an der Außenseite der Schaltung auf sowie sich daran anschließende Flächen, die sich zur Leiterplatte 10 hin neigen. Durch diese Strukturmerkmale wird direkt an der Außenseite der Schaltung ein Dichtelement von dem Kragen 62 und dem Material des Kunststoffmantels 40 gebildet, der sich in dem Innenraum befindet, der von dem. Kragen (teilweise) eingeschlossen wird. Das Strukturelement (d. h. der Kragen 62) bildet neben dem Dichtelement eine Wärmeabgabefläche, d. h. einen Wärmesenkenkontaktabschnitt zur Montage eines externen Kühlkörpers.
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Eine weitere Möglichkeit von Strukturelementen bilden die rechteckigen Lamellen 64 des Kühlkörpers 32, die in den Kunststoffmantel hineinragen. Mit anderen Worten ist Material des Kunststoffmantels 40 in den Zwischenräumen der Strukturelement 64 vorgesehen, das zusammen mit den Strukturelement 64 ein Dichtungselement bildet.
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Im Gegensatz zu Kühlkörper 30 ist der Kühlkörper 32 in direktem Kontakt mit der Wärmequelle 20. Der Kühlkörper 30 ist in direktem Kontakt mit der Leiterplatte 10, auf der die Wärmequelle wärmeübertragend montiert ist.
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Ein Kühlkörper 34 weist ebenso zwei Möglichkeiten für Dichtelemente auf. In einem Abschnitt 66 ist eine erste Möglichkeit dargestellt in Form von Querrinnen, die sich nur über einen Teil der Längserstreckung des Kühlkörpers erstrecken. Eine zweite Möglichkeit stellt die beidseitige Zwischenschicht 68 dar, die auf der Oberfläche des Kühlkörpers vorgesehen ist, welche an den Kunststoffmantel 40 anstößt. Die Zwischenschicht ist aus einem elastischen Material, beispielsweise Silikon, ausgebildet. Insbesondere bei Schrumpfungen während des Spritzprozesses zum Aufbringen des Materials des Kunststoffmantels wird die Zwischenschicht 68 komprimiert und ist daher im Presssitz zwischen Kunststoffmantel und Kühlkörper eingeklemmt. Dies bildet eine effektive Abdichtung. Ferner kann die Zwischenschicht klebende Außenflächen aufweisen, die in Kontakt mit dem angrenzenden Kunststoffmantel 40 sind. Kühlkörper 34 umfasst einen Außenabschnitt 54, die (wie die anderen Kontaktabschnitte der Kühlkörper) mit der Außenseite der Schaltung (d. h. mit der Außenseite des Kunststoffmantels) fluchtet.
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Die Leiterplatte 10 ist zu beiden Seiten mit dem Kunststoffmantel 40 bedeckt. Beispielhaft ist mit Bezugszeichen 69 eine Zwischenschicht dargestellt, die zwischen Leiterplatte 10 und Kunststoffmantel 40 vorgesehen ist. Die Zwischenschicht 69 wird zunächst auf die Leiterplatte 10 aufgetragen, woraufhin der Kunststoffmantel 40 aufgespritzt wird. Die elastische Zwischenschicht 69 bildet ein Dichtungselement zwischen Leiterplatte 10 und Kunststoffmantel 40.
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Die Schaltung ist in 1 mit zweidimensional ausgebildeten (ebenen) Kühlkörpern dargestellt, deren Querschnitt sich in der Tiefe nicht ändert. Das Dichtungselement erstreckt sich durchgehend von einer vorderen Seite zu einer hinteren Seite der Schaltung, entsprechend der Erstreckungsrichtung der Kühlkörper. An der vorderen oder hinteren Seite ist kein erfindungsgemäßes Dichtungselement vorgesehen (da jenseits der Seite kein Kunststoffmantel vorliegt). Daher kann dort eine Abdichtungsschicht vorgesehen sein. Alternativ können auch Strukturelemente vorgesehen sein, die sich (durchgehend) quer zur Erstreckungsrichtung von der hinteren zur vorderen Seite erstrecken. Diese werden zusätzlich zu den erfindungsgemäßen Strukturelementen (oder allgemein Dichtelemente) verwendet, die sich in Richtung zur Leiterplatte hin quer (und durchgehend) erstrecken. Die erfindungsgemäße Anordnung der Strukturelemente kann daher in zwei verschiedenen Richtungen verwendet werden: quer und durchgehend entlang einer Fläche, die sich entlang und versetzt zu der Leiterplatte erstreckt (wie in 1 dargestellt mit Bezugszeichen 60, 62, 64 und 66), sowie quer und durchgehend entlang einer Fläche, die die Leiterplatte schneidet (und die vorzugsweise an oder nahe der vorderen oder hinteren Außenseite liegt). Insbesondere wird die letztgenannte Anordnung verwendet, wenn der Kühlkörper, wie in 1 dargestellt, seitlich an die Außenfläche der gesamten Schaltung stößt. Bei der Verwendung der Zwischenschicht als Dichtelement ist eine derartige spezifische Betrachtung der Erstreckungsrichtung des Kühlkörpers und Orientierung der Abdichtungsmaßnahmen nicht unbedingt notwendig, insbesondere wenn die gesamte Seitenfläche des Kühlkörpers mit der Zwischenschicht überzogen ist wie Zwischenschicht 68.
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Eine vollumfängliche Anordnung des Dichtungselements wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der Kühlkörper nur an der Außenfläche an die Umgebung grenzt, die der Leiterplatte gegenüberliegt, und der Kühlkörper in seitlicher Richtung (in Erstreckungsrichtung des Kühlkörpers) vollständig von dem Kunststoffmantel umgeben ist.
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Wie in 1 dargestellt, kann der Kunststoffmantel stark unterschiedliche Dicken aufweisen und eine allgemein geformte Kunststoffmasse darstellen. Ferner kann eine Schaltung mehrere Kühlkörper (wie Kühlkörper 30, 34) umfassen, die in Abständen auf der Leiterplatte (oder auf den Wärmequellen) angeordnet sind, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen oder in Abständen, die einen Maximalabstand nicht überschreiten. Ferner können die Kühlkörper neben den Wärmequellen mit der Leiterplatte verbunden sein, so dass der Wärmeübertragung über die Leiterplatte nur über eine kurze Strecke erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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