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Stand der Technik
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Elektronikkomponenten werden in vielen Bereichen der Technik zur Steuerung und Regelung eingesetzt. Bei einigen Anwendungen müssen die Elektronikkomponenten vor den umgebenden Einflussfaktoren geschützt werden. Beispielsweise müssen die Elektronikkomponenten bei Einsatz in einem Getriebe, z.B. vor Getriebeöl geschützt werden. Zum Schutz vor den Einflussfaktoren können die Elektronikkomponenten in ein Gehäuse integriert werden. Allerdings kann die durch den Betrieb der Elektronikkomponenten im Gehäuse entstehende Wärme zu einer hohen Beanspruchung der Elektronikkomponenten führen und ihre Lebensdauer verkürzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten Verpackung für eine Elektronikkomponente bestehen, die es ermöglicht einen Schutz vor Einflussfaktoren zu bieten und gleichzeitig die Lebensdauer der Elektronikkomponente weiter zu erhöhen.
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Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine wärmeabführungsoptimierte Verpackung für ein Elektronikbauelement vorgestellt. Die wärmeabführungsoptimierte Verpackung weist einen Grundkörper auf, der ein elektrisch isolierendes Material aufweist und ausgeführt ist, das Elektronikbauelement aufzunehmen. Ferner weist die Verpackung einen Wärmeableiter auf, der in den Grundkörper integriert ist. Der Wärmeableiter weist dabei ein wärmeleitfähiges Material auf, dessen Wärmeleitfähigkeit besser ist als die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, durch die Integration eines gut wärmeleitfähigen Wärmeableiters in einen elektrisch isolierenden Grundkörper die durch das Elektronikbauelement erzeugte Verlustwärme abzuführen und gleichzeitig ein Eindringen von unerwünschten Stoffen wie z.B. Öl zu verhindern. Die Integration des Wärmeableiters in Kombination mit einem möglichst kleinen Abstand zwischen der Verpackung in dem Elektronikbauelement minimiert den Wärmewiderstand der Verpackung und fördert damit eine optimale Ableitung der erzeugten Wärme. Die wärmeabführungsoptimierte Verpackung kann für die Integration in eine Steuerungseinheit, beispielsweise in eine Getriebesteuerungseinheit eines Kraftfahrzeugs, ausgelegt sein.
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Die Verpackung kann ausgeführt sein, mehrere Elektronikkomponenten aufzunehmen. Alternativ kann die Verpackung ausgeführt sein, genau eine Elektronikkomponente aufzunehmen. Dabei kann die Verpackung speziell für die Abmessungen der Elektronikkomponente ausgeführt sein. Die Verpackung kann dabei so ausgeführt sein, dass das wärmeleitfähige Material sich im geringstmöglichen Abstand zum Elektronikbauelement befindet. Auf diese Weise kann der Weg, den die durch das Elektronikbauelement erzeugte Verlustwärme durch das isolierende Material zurücklegen muss, so kurz wie möglich gestaltet werden. Auf diese Weise ist der Wärmewiderstand des Behälters minimiert. Die wärmeabführungsoptimierte Verpackung kann dabei fluiddicht und insbesondere öldicht ausgeführt sein.
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Ein Elektronikbauelement kann dabei beispielsweise ein Kondensator, eine Diode, ein Transistor, insbesondere ein Halbleitertransistor oder eine Kombination dieser Elemente sein. Das Elektronikbauelement kann als Leistungselektronik bezeichnet werden und kann des Weiteren insbesondere Filterschaltungen und Pufferkondensatoren aufweisen.
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Der Wärmeableiter ist in den Grundkörper integriert. Das heißt, der Wärmeableiter ist Teil des Grundkörpers. Beispielsweise kann das elektrisch isolierende Material auf einer Innenseite des Wärmeableiters aufgetragen, und insbesondere aufgespritzt, sein. Ferner kann das elektrisch isolierende Material sowohl auf der Innenoberfläche als auch auf der Außenoberfläche des Wärmeableiters aufgetragen, beispielsweise aufgespritzt, sein. Der Grundkörper weist eine Montageöffnung auf, durch die das Elektronikbauelement ins Innere der Verpackung eingeführt werden kann. Ferner kann die Verpackung einen Deckel aufweisen, der, nachdem das Elektronikbauelement in die Verpackung eingeführt ist, fluiddicht, insbesondere öldicht, verschlossen werden kann. Hierzu kann der Deckel beispielsweise durch Laserschweißen oder Reibschweißen mit dem Grundkörper der Verpackung verbunden werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das wärmeleitfähige Material ein Metall. Beispielsweise kann das leitfähige Material Eisen, Nickel, Natrium, Wolfram, Magnesium, Zink, Aluminium, Kupfer und/oder Silber aufweisen. Vorteilhafterweise kann das wärmeleitfähige Material Kupfer und insbesondere Kupferblech aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit beispielsweise zwischen 240 und 380 W/mK aufweist und dabei relativ kostengünstig ist. Das wärmeleitfähige Material kann auch als Metallscheibe bezeichnet werden. Alternativ kann das wärmeleitfähige Material als Gewebe ausgeführt sein.
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Das elektrisch isolierende Material ist dabei beispielsweise ein Kunststoff. Der Kunststoff kann dabei z.B. ein Polyethylen, ein Epoxydharz, ein Polyamid und/oder Polyurethan aufweisen. Der Kunststoff hat dabei eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als das Metall des wärmeleitfähigen Materials. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials, und insbesondere des Kunststoffs geringer als 1 W/mK.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Wärmeableiter durch das elektrisch isolierende Material ummantelt. Beispielsweise kann der Wärmeableiter an der Innenfläche durch das isolierende Material ummantelt sein.
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Ferner kann der Wärmeableiter sowohl von innen als auch von außen vom isolierenden Material umgeben sein. Insbesondere kann das isolierende Material auf der Innenseite des Wärmeableiters eine geschlossene Oberfläche bilden, so dass ein Eindringen von Fluiden und insbesondere von Öl verhindert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das isolierende Material an einer Innenseite des Wärmeableiters eine Schichtdicke auf, die kleiner als 0,8 mm ist. Die Schichtdicke kann auch als Wandstärke des isolierenden Materials bezeichnet werden. Dabei kann die Schichtdicke z.B. zwischen 0,5 mm und 2 mm betragen. Vorteilhafterweise beträgt die Schichtdicke weniger als 1,0 mm. Insbesondere beträgt die Schichtdicke weniger als 0,8 mm.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Grundkörper zylinderförmig oder becherförmig ausgeführt. Ferner ist der Wärmeableiter zylinderförmig oder becherförmig ausgeführt. Dabei kann beispielsweise der Grundkörper aus elektrisch isolierendem Material becherförmig ausgeführt sein, so dass das isolierende Material zumindest an der Innenseite des Wärmeableiters eine geschlossene Oberfläche mit einer Montageöffnung an einer Seite bildet. Die wärmeabführungsoptimierte Verpackung kann somit als Behälter ausgeführt sein.
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Dabei kann der Grundkörper becherförmig und der Wärmeableiter zylinderförmig ausgeführt sein. Alternativ kann z.B. der Wärmeableiter teilweise zylinderförmig ausgeführt sein. Das heißt, der Wärmeableiter kann beispielsweise als halbe Zylinderfläche ausgeführt sein. Anders ausgedrückt beschreibt dabei der Querschnitt einer Zylindermantelfläche einen Kreisbogen, der z.B. 180° einschließt. Alternativ kann die Zylindermantelfläche des Wärmeableiters im Querschnitt einen Kreisbogen beschreiben, der einen beliebigen Winkel zwischen 45° und 360° einschließt. Beispielsweise kann der Kreisbogen 90°, 130°, 190°, 270° oder 360° einschließen. Des Weiteren können in den Grundkörper mehrere einzelne Zylindermantelflächen des Wärmeableiters integriert sein. Z.B. können zwei separate Zylindermantelflächen des Wärmeableiters mit jeweils 160° Kreisbogen in den Grundkörper integriert sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wärmeableiter Ausnehmungen auf, in die das elektrisch isolierende Material des Grundkörpers eingefüllt ist. Die Ausnehmungen können z.B. als Vertiefungen im Wärmeableiter ausgeführt sein. Alternativ können die Ausnehmungen als Durchführungen, die die Innenseite mit der Außenseite des Wärmeableiters verbinden, ausgeführt sein. Dabei können die Ausnehmungen länglich ausgeformt sein. Insbesondere können die Ausnehmungen als Schlitze oder Nuten ausgeführt sein. Es können mindestens zwei Ausnehmungen vorgesehen sein. Ferner kann eine Vielzahl von Ausnehmungen vorgesehen sein.
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Das elektrisch isolierende Material kann dabei sowohl an der Innenseite, an der Außenseite als auch an und in den Ausnehmungen des Wärmeableiters aufgetragen sein. Anders ausgedrückt kann das elektrisch isolierende Material durch die Ausnehmungen hindurch verlaufen bzw. in die Ausnehmungen ausfüllen. Hierdurch kann der Wärmeableiter möglichst optimal in den Grundkörper aus isolierendem Material integriert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Delamination bzw. ein Lösen des isolierenden Materials vom Wärmeableiter verhindert werden. Eine Delamination könnte dabei z.B. aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien, nämlich des elektrisch isolierenden Materials und des gut wärmeleitfähigen Materials, stattfinden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wärmeableiter ein Anbindungselement auf, das ausgeführt ist, den Wärmeableiter mit einer Wärmesenke zu verbinden. Beispielsweise kann das Anbindungselement eine große Oberfläche aufweisen und so möglichst viel Wärme an die Wärmesenke abgeben. Das Anbindungselement kann beispielsweise das gleiche Material wie der Wärmeableiter aufweisen. Insbesondere kann das Anbindungselement ein Metall wie z.B. Kupfer, insbesondere Kupferblech, aufweisen. Alternativ kann das Anbindungselement ein anderes Material, beispielsweise ein anderes Metall wie Aluminium, aufweisen. Das Anbindungselement kann z.B. als umlaufender Ring ausgeführt sein, der in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der zylinderförmigen Verpackung verläuft. Die Wärmesenke kann beispielsweise eine Kühlfläche, z.B. aus Aluminium, in einem Getriebe sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein verpacktes Elektronikbauelement vorgestellt. Das Elektronikbauelement ist dabei in eine oben beschriebene wärmeabführungsoptimierte Verpackung integriert. Zwischen dem Elektronikbauelement und einer Innenseite der Verpackung ist ein Montagespalt vorgesehen. Der Montagespalt kann den Abstand zwischen der Innenseite des Grundkörpers bzw. des elektrisch isolierenden Materials des Grundkörpers und dem in der Verpackung befindlichen Elektronikbauelement darstellen. Im Montagespalt kann sich z.B. Luft befinden.
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Der Montagespalt kann insbesondere zwischen 0,2 mm und 1 mm betragen. Je kleiner der Montagespalt dabei ist, desto geringer ist der Wärmewiderstand der Verpackung. Somit kann bei möglichst kleinem Montagespalt die durch das Elektronikbauelement erzeugte Wärme möglichst optimal abgeführt werden. Dabei kann der Montagespalt weniger als 1 mm betragen. Insbesondere kann der Montagespalt weniger als 0,5 mm betragen. Vorzugsweise ist der Montagespalt kleiner als 0,3 mm.
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Die Schichtdicke des elektrisch isolierenden Materials auf der Innenseite des Wärmeableiters ist dabei auch möglichst minimal. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das wärmeleitfähige Material sich im geringstmöglichen Abstand zur Wärmequelle befindet. Auf diese Weise kann der Weg, den die erzeugte Verlustwärme im isolierenden und nicht gut wärmeleitfähigen Material zurücklegen muss, so gering wie möglich gehalten werden. Hierdurch wird der Wärmewiderstand der Verpackung zusätzlich minimiert. Dabei kann die Schichtdicke des isolierenden Materials wie oben beschrieben kleiner als 0,8 mm betragen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer wärmeabführungsoptimierten Verpackung für ein Elektronikbauelement vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Wärmeableiters, der ein wärmeleitfähiges Material aufweist, Umspritzen des Wärmeableiters mit einem elektrisch isolierenden Material. Dabei weist das wärmeleitfähige Material des Wärmeableiters eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das elektrisch isolierende Material auf. Der Grundkörper der Verpackung entsteht dabei durch das Umspritzen des Wärmeableiters mit dem elektrisch isolierenden Material.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt eine plastische Darstellung einer wärmeabführungsoptimierten Verpackung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine wärmeabführungsoptimierte Verpackung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein in eine wärmeabführungsoptimierte Verpackung integriertes Elektronikbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist eine plastische Darstellung einer wärmeabführungsoptimierten Verpackung 1 dargestellt. Die Verpackung ist als becherförmiger Behälter mit einer Montageöffnung 19 ausgeführt. Durch die Montageöffnung 19 kann ein Elektronikbauelement 3 in die Verpackung 1 eingeführt werden. Die Verpackung 1 weist einen Grundkörper 5 auf. Der Grundkörper 5 weist einen Wärmeableiter 7 aus einem gut wärmeleitfähigen Material 11, insbesondere aus Kupferblech, auf. Der Wärmeableiter 7 ist sowohl an der Innenseite 31 als auch an der Außenseite 33 (wie in 2 und 3 gezeigt) umgeben. Beispielsweise kann der Wärmeableiter 7 aus einer gut wärmeleitfähigen Metallscheibe geformt sein. Ferner kann der Wärmeableiter 7 z.B. mit Hilfe eines Kunststoff-Spritzgussverfahrens mit dem elektrisch isolierenden Material 9 ummantelt werden.
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Im Wärmeableiter 7 sind Ausnehmungen 13 vorgesehen, die als längliche Schlitze ausgeführt sind. Das isolierende Material 9 befindet sich auch in den Ausnehmungen 13, so dass eine Delamination des elektrisch isolierenden Materials 9 vom Wärmeableiter 7 aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verhindert wird.
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Wie im Querschnitt in 2 gezeigt, bildet das elektrisch isolierende Material 9 auf der Innenseite 35 des Grundkörpers 5 bzw. auf der Innenseite des Wärmeableiters 31 eine geschlossene Oberfläche, so dass z.B. ein Eindringen von Öl verhindert wird. Die Innenseite 35 des Grundkörpers 5 kann dabei an das zu verpackende Elektronikbauelement 3 angepasst werden, so dass, wie in 3 näher gezeigt, ein minimaler Montagespalt 17 zur Innenseite des Grundkörpers 35 besteht.
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Die der Montageöffnung 19 gegenüberliegende Seite der Verpackung 1 kann im Inneren ein Positionierelement 23 aufweisen. Das Positionierelement 23 kann z.B. als eine Ausnehmung bzw. Vertiefung ausgeführt sein, in die beispielsweise ein Zentrierstecker des Elektronikbauelements 3 eingeführt werden kann. Ferner kann an einem der Montageöffnung 19 gegenüberliegenden Ende der Verpackung 1 ein Anbindungselement 15 angeordnet sein. Das Anbindungselement 15 ist beispielsweise als Teil des Wärmeableiters 7 ausgeführt und kann an eine Wärmesenke angeschlossen werden.
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In 3 ist ein Querschnitt durch eine wärmeabführungsoptimierte Verpackung 1 mit einem darin integrierten Elektronikbauelement 3 dargestellt. Nach dem Einführen des Elektronikbauelements 3 in die Verpackung 1 kann die Verpackung 1 durch Aufsetzen eines Deckels 21 gegen Umwelteinflüsse abgedichtet werden. Der Deckel 21 kann dabei z.B. das gleiche elektrisch isolierende Material 9 wie der Grundkörper 5 aufweisen. Ferner kann der Deckel z.B. mittels Laserschweißen an Laserschweißstellen 29 mit dem Grundkörper 5 verbunden werden. Alternativ kann der Deckel 21 mittels Reibschweißen angebunden werden. Im Deckel 21 können Durchführungen 25 für Kontakte, wie z.B. eingepresste Rundkontakte 27, des Elektronikbauelements 3 vorgesehen sein. Die elektrischen Kontakte 27 können dabei beispielsweise durch Einpressen oder durch Vergießen gegenüber dem Deckel abgedichtet werden.
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In 3 ist gezeigt, dass die Innenseite der Verpackung 1 möglichst optimal an das zu verpackende Elektronikbauelement 3 angepasst ist, so dass ein minimaler Montagespalt 17 von ca. 0,2 bis 1,0 mm entsteht. Ferner ist die Verpackung 1 so ausgeführt, dass eine Schichtdicke 37 des elektrisch isolierenden Materials 9 an der Innenseite 31 des Wärmeableiters 7 möglichst klein ist. Die Schichtdicke 37 kann abhängig vom Herstellungsprozess gewählt werden und kann zwischen 0,1 und 2,0 mm betragen. Die Größe des Montagespalts 17, die Schichtdicke 37 des elektrisch isolierenden Materials 9 sowie die Wärmeleitfähigkeiten des elektrisch isolierenden Materials 9 und des Wärmeableiters 7 bestimmen zusammen den Wärmewiderstand der Verpackung 1. Vorteilhafterweise besteht der Wärmeableiter 7 aus Kupferblech.
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Eine mögliche Verwendung der Verpackung 1 bzw. des Elektronikbauelements 3 mit der Verpackung 1 wird aus dem folgenden Beispiel ersichtlich. In der Getriebetechnik werden immer mehr Hochstromverbraucher integriert. Unter anderem können Elektromotoren zum teilweisen oder vollständigen Ersatz von bisher üblichen mechanischen Ölpumpen eingesetzt werden. Der Elektromotor kann unabhängig von der Verbrennungsmotordrehzahl eine Ölpumpe beispielsweise zur Hydraulikversorgung der Getriebekomponenten antreiben. Hierdurch können Start/Stopp-Funktionen und Hybridisierungen von Antriebssträngen im Verbrennungsmotormanagement ermöglicht werden. Dabei können Situationen auftreten, in denen eine mechanische Ölpumpe keinen Hydraulikdruck aufbauen kann. In diesen Fällen werden die erwähnten Elektromotoren eingesetzt, um einen Zeitraum zu überbrücken, in dem die mechanische Ölpumpe keinen Hydraulikdruck aufbauen kann.
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Beim Betrieb solcher Elektromotoren sind hohe Ströme notwendig. Diese Ströme können getaktet sein, um den Elektromotor bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten betreiben zu können. Die Taktung des Stroms kann elektromagnetische Störungen und Spannungsschwankungen beispielsweise der Betriebsspannung hervorrufen. Diese Störungen und Schwankungen können andere elektrische Verbraucher negativ beeinflussen. Zur Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen können Filterschaltungen eingesetzt werden, die aus Elektronikbauelementen 3 bestehen. Ferner können Spannungsschwankungen durch Elektronikbauelemente 3 wie beispielsweise durch Pufferkondensatoren ausgeglichen werden. Die dabei eingesetzten Elektronikbauelemente 3 müssen z.B. ganz oder teilweise vor eindringendem Getriebeöl geschützt werden. Ferner muss je nach umgesetzter elektrischer Leistung des Elektromotors die in den Elektronikbauelementen 3 erzeugte Verlustwärme abgeführt werden. Beides wird durch die wärmeabführungsoptimierte Verpackung 1 gewährleistet.
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Die wärmeabführungsoptimierte Verpackung 1 verbessert die Abführung der Verlustwärme des Elektronikbauelements 3, indem der Wärmewiderstand minimiert wird.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
