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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Trägersubstrat für einen thermoelektrischen Generator sowie auf eine elektrische Schaltung.
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Eine elektrische Schaltung benötigt eine elektrische Energiequelle. Wird ein Energiespeicher verwendet, so ist der Energiespeicher abhängig vom Leistungsbedarf der Schaltung und einer Speicherkapazität des Energiespeichers in einer endlichen Zeit leer. Als Energiequelle können jedoch auch Energieströme verwendet werden, die an einem Einsatzort der Schaltung natürlicherweise vorkommen. Dadurch kann die Schaltung näherungsweise unbegrenzt eingesetzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Trägersubstrat für einen thermoelektrischen Generator sowie eine elektrische Schaltung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine elektrische Schaltung benötigt einen Unterbau, der mechanische Stabilität und elektrische Verbindungsleitungen bereitstellt. Der Unterbau kann eine Leiterplatte sein. Durch eine thermisch leitende Verbindung der Leiterplattenoberseite mit der Leiterplattenunterseite kann ein Wärmestrom durch die ansonsten thermisch isolierende Leiterplatte geführt werden. Beispielsweise kann so Abwärme eines, auf der Leiterplatte angeordneten thermoelektrischen Generators durch die Leiterplatte abgeleitet werden, um ein möglichst hohes Temperaturgefälle über den Generator zu erreichen. Ebenso kann durch die Leiterplatte die Wärmezufuhr zum thermoelektrischen Generator erfolgen. An diese Verbindung kann auf der vom thermoelektrischen Generator abgewandten Seite der Leiterplatte eine Wärmetauscherfläche thermisch leitend angeschlossen sein, die einen verbesserten Wärmeübergang zwischen der Verbindung und einer Umgebung ermöglicht.
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Es wird ein Trägersubstrat für ein Bauelement, insbesondere einen thermoelektrischen Generator vorgestellt, wobei das Trägersubstrat die folgenden Merkmale aufweist:
eine Wärmeschnittstelle zum thermischen Kontaktieren des thermoelektrischen Generators;
eine Wärmetauscherstruktur zum Abgeben und/oder Aufnehmen von thermischer Energie, wobei die Wärmetauscherstruktur zumindest teilweise auf einer, der Wärmeschnittstelle gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist; und
einen Wärmeleiter zum Leiten der thermischen Energie zwischen der Wärmeschnittstelle und der Wärmetauscherstruktur.
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Weiterhin wird eine elektrische Schaltung mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
einem Trägersubstrat gemäß dem hier vorgestellten Ansatz; und
einem Bauelement, insbesondere einem thermoelektrischen Generator, der thermisch mit der Wärmeschnittstelle gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeschnittstelle und einer, der Wärmeschnittstelle gegenüberliegenden Referenzfläche des Bauelementes, insbesondere des thermoelektrischen Generators ein elektrisches Potenzial zu erzeugen.
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Unter einem Trägersubstrat kann eine Leiterplatte verstanden werden. Ein Bauelement kann eine elektronische Komponente sein, die ansprechend auf einen äußeren Anreiz oder eine äußere Umweltbedingung eine Aktivität entfaltet oder eine Energie und/oder ein Signal bereitstellt. Dabei kann das Bauelement als ein thermoelektrischer Generator ausgebildet sein; das Bauelement kann jedoch auch ein beliebiges anderes elektronisches Bauelement wie beispielsweise ein Prozessor oder ein Sensor sein. Ein thermoelektrischer Generator kann Wärme in Elektrizität umwandeln. Dazu wird der Seebeckeffekt ausgenutzt, der innerhalb eines Leiters, entlang dessen ein Temperaturgradient besteht, eine elektrische Spannung erzeugt. An zwei einseitig miteinander verbundenen Leitern aus unterschiedlichen Metallen kann ein Spannungspotenzial abgegriffen werden. Eine Wärmeschnittstelle kann eine Anlagefläche für den thermoelektrischen Generator sein. Eine Wärmetauscherstruktur kann eine Oberfläche für den Wärmeübergang zwischen dem Wärmeleiter und einer Umgebung bereitstellen. Der Wärmeleiter kann auf mehrere Einzelquerschnitte aufgeteilt sein.
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Die elektrische Schaltung kann ein Sensorelement aufweisen, das auf dem Trägersubstrat angeordnet ist und elektrisch mit dem thermoelektrischen Generator verbunden ist. Der thermoelektrische Generator kann dazu ausgebildet sein, das Sensorelement mit elektrischer Energie zu versorgen. Durch den thermoelektrischen Generator kann das Sensorelement autark betrieben werden.
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Der Wärmeleiter kann als zumindest eine thermisch leitende Durchkontaktierung durch das Trägersubstrat ausgebildet sein. Die Durchkontaktierung kann aus Metall sein. Die Durchkontaktierung kann eine metallgefüllte Bohrung durch das Trägersubstrat sein. Durch zumindest eine Durchkontaktierung kann die thermische Energie besonders gut transportiert werden.
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Die Wärmetauscherstruktur kann als Verlängerung des Wärmeleiters ausgebildet sein. Dabei kann auf dem Wärmeleiter ein über das Trägersubstrat überstehender, thermisch leitender Vorsprung für den Wärmeübergang zu einer Umgebung angeordnet sein. Durch eine direkte Verlängerung des Wärmeleiters kann sehr viel Bauraum gespart werden.
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Die Wärmeschnittstelle kann einem Lötanschlussmuster des thermoelektrischen Generators entsprechen. Die Wärmeschnittstelle kann Kontaktflächen aufweisen, die so angeordnet sind, wie Kontaktflächen des thermoelektrischen Generators. Damit kann die thermische Energie einfach transportiert werden.
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Die Wärmetauscherstruktur kann als Metallfläche auf dem Trägersubstrat ausgeführt sein. Die Metallfläche kann thermisch mit dem Wärmeleiter gekoppelt sein. Eine Metallfläche kann einfach hergestellt werden.
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Die Metallfläche kann vollflächig geschlossen ausgeführt sein. Damit kann eine maximale Oberfläche in der Ebene bereitgestellt werden.
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Die Wärmetauscherstruktur kann eine gegenüber einer ebenen Fläche vergrößerte Oberfläche für den Wärmeübergang aufweisen. Dadurch kann der Wärmeübergang verbessert werden.
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Die Wärmetauscherstruktur kann eine räumliche Struktur aufweisen. Die Struktur kann dreidimensional sein. Durch eine räumliche Struktur kann auf einer vorgegebenen Grundfläche eine vergrößerte Oberfläche für den Wärmeübergang bereitgestellt werden.
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Die Wärmetauscherstruktur kann zumindest teilweise hinter einer Oberfläche des Substrats zurückstehen. Durch ein Zurückstehen ist die Oberfläche weitestgehend geschützt und auf gegenüber der ebenen Ausführung vergrößert.
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Die Wärmetauscherstruktur kann zumindest teilweise über einer Oberfläche des Substrats überstehen. Durch ein Vorstehen kann die Wärme durch Konvektion übertragen werden.
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Die Wärmetauscherstruktur kann zumindest zwei thermisch miteinander gekoppelte Teilflächen aufweisen. Durch mehrere Flächen kann ansonsten ungenutzte Fläche des Trägersubstrats für den Wärmeübergang genutzt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Ansicht eines Trägersubstrats mit mehreren Wärmetauscherstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Ansicht eines Trägersubstrats mit einem Gitter als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit einer durchgehenden Fläche als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Ansicht eines Trägersubstrats mit einer durchgehenden Fläche als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit Vertiefungen als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Ausschnitt aus einer Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit Vertiefungen als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit Vorsprüngen als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit Lotperlen als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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11 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit Hügelstümpfen als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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12 eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats mit Kupfersäulen als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen bzw. elektronischen Schaltung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung 100 weist ein Trägersubstrat 102 und einen thermoelektrischen Generator 104 auf. Das Trägersubstrat 102 weist eine Wärmeschnittstelle 106, eine Wärmetauscherstruktur 108 und einen Wärmeleiter 110 auf. Die Wärmeschnittstelle 106 ist dazu ausgebildet, den thermoelektrischen Generator 104 thermisch zu kontaktieren. Der thermoelektrische Generator 104 ist auf der Wärmeschnittstelle 106 angeordnet und thermisch mit der Wärmeschnittstelle 106 gekoppelt. Der thermoelektrische Generator 104 ist dazu ausgebildet, aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeschnittstelle 106 und einer, der Wärmeschnittstelle 106 gegenüberliegenden Referenzfläche 112 des thermoelektrischen Generators 104 ein elektrisches Potenzial zu erzeugen. Die Wärmetauscherstruktur 108 ist dazu ausgebildet, thermische Energie an eine Umgebung abzugeben und/oder von der Umgebung aufzunehmen. Die Wärmetauscherstruktur 108 ist auf einer, der Wärmeschnittstelle 106 gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats 102 angeordnet. Der Wärmeleiter 110 ist dazu ausgebildet, die thermische Energie zwischen der Wärmeschnittstelle 106 und der Wärmetauscherstruktur 108 zu leiten. Durch die Wärmeleitung über die Wärmeschnittstelle 106, den Wärmeleiter 110 und die Wärmetauscherstruktur 108 wird die Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Generator 104 ermöglicht.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltung 100 ein Sensorelement 114 auf, das auf dem Trägersubstrat 102 angeordnet ist und elektrisch mit dem thermoelektrischen Generator 104 verbunden ist. Der thermoelektrische Generator 104 ist dazu ausgebildet, das Sensorelement 114 unter Verwendung der Temperaturdifferenz mit elektrischer Energie zu versorgen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmeleiter 110 als eine Mehrzahl von thermisch leitenden Durchkontaktierungen 110 durch das Trägersubstrat 102 ausgebildet. Die Durchkontaktierungen 110 sind metallisch und weisen einen geringen Wärmewiderstand auf. Die thermisch leitenden Durchkontaktierungen 110 können als thermische Vias 110 bezeichnet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Durchkontaktierungen 110 aus Kupfer.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Durchkontaktierungen 110 aus Silber.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen die Durchkontaktierungen 110 Einlagerungen aus kubisch angeordneten Kohlenstoffatomen auf.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 102 elektrisch leitende Leiterbahnen auf, die dazu ausgebildet sind, die elektrische Energie von dem Generator 104 zu den Energieverbrauchern der Schaltung 100, insbesondere zu dem Sensorelement 114 zu leiten.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Leiterbahnen über Bonddrähte 116 mit Kontaktflächen des Generators 104 und/oder des Sensorelements 114 verbunden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Schaltung 100 ein Gehäuse 118 auf, das die Referenzfläche 112 des Generators 104 und die Wärmetauscherstruktur 108 des Trägersubstrats 102 freilässt, während insbesondere das Sensorelement 114 durch das Gehäuse 118 geschützt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Trägersubstrat 102 eine Leiterplatte. Die Leiterplatte weist metallisierte Strukturen 106, 108, 110 zur Entwärmung des thermoelektrischen Generators (TEG) 104 auf.
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Mit anderen Worten zeigt 1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Open-Cavity Package 118, das auf einer thermisch isolierenden Leiterplatte 102 mit elektrischen Vias und thermischen Vias 110 angeordnet ist. Durch das Package 118 ist ein Sensor 114 mit Drahtbonds 116 und ein thermoelektrischer Generator 104 geschützt. Dabei ist auf einer Seite des Packages 118 ein Temperaturzugang T1 und auf einer Seite der Leiterplatte 102 eine Metallfläche 108 zur Kühlung und eine Temperatur T2. Der thermoelektrische Generator 104 ist über weitere Drahtbonds 116 elektrisch kontaktiert.
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Die Effizienz des TEGs 104 ist umso höher, je größer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden aktiven Schichten des TEGs 104 ist. Das beruht auf dem Seebeckeffekt. Da die Wärmeleitfähigkeit des TEGs 1041 immer einen endlichen Wert aufweist, würde sich nach einer bestimmten Zeit zwischen den beiden aktiven Schichten die gleiche Temperatur einstellen. In diesem Fall wäre es nicht mehr möglich, aus dem TEG 104 Energie zu gewinnen. Deshalb wird die kühlere Seite des TEG 104 mit einem Kühlkörper 108 aus Metall thermisch verbunden. Hierdurch kann die Wärme aus dem Wärmestrom durch die aktive Schicht direkt an die Umgebung abgegeben werden, sodass eine ausreichend große Temperaturdifferenz im TEG 104 selbst aufrechterhalten wird. Der Kühlkörper 108 ist die Schaltung 100 integriert und nicht angeklebt.
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Für die Funktionsweise des TEG können die wärmere und kältere Seite des TEG prinzipiell vertauscht werden. Dies hat auf die Art der Wärmeübertragung keine Auswirkungen, es wird dann ggf. das Vorzeichen der erzeugten Seebeck-Spannung geändert.
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Dadurch kann eine kleinbauende Integration in ein Sensorsystem 100 bei geringen Kosten erreicht werden, da kein zusätzlicher Aufwand für die Fertigung und das Anbringen des Kühlkörpers erforderlich ist. Alternativ kann das Sensorelement 100 beispielsweise mit Luft durchströmt werden, um die aufgenommene Wärme wieder abzugeben.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein Kühlkörper 108 für einen thermoelektrischen Generator (TEG) 104 kleinbauend und kostengünstig in/an ein insbesondere autonomes Sensorsystem 100 integriert. Dabei kann die Schaltung 100 eine Grundfläche von wenigen cm2 aufweisen. Dabei wird nur auf standardmäßige Prozessschritte zurückgegriffen, die beispielsweise in der Leiterplattentechnologie verwendet werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden metallische Strukturen 108, 110 in lateraler und vertikaler Richtung auf der Leiterplatte 102 verwendet. Die Strukturen 108, 110 werden zur Kühlung eines Sensorsystems 114 oder speziell eines TEG 104 verwendet. Hierfür sind die obere und die untere Leiterplatte 102 bzw. die Oberseite und die Unterseite der Leiterplatte 102 durch thermische Vias 110 miteinander verbunden, sodass die anfallende Wärme auf der Oberseite abgeleitet bzw. aus dem Gehäuse 118 geleitet werden kann.
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Das separate Anbringen eines Kühlkörpers an die Leiterplatte 102 bzw. an das Sensorgehäuse 118 entfällt. Hierdurch wird Material und technologischer Aufwand eingespart. Der Kühlkörper 108 ist direkt über die Leiterplattenmetallisierung mit den thermischen Vias 110 verbunden, sodass es keinen Materialübergang zwischen Kühlkörper 108 und thermischen Vias 110 gibt. Hierdurch wird der thermische Widerstand erheblich reduziert. Der Kühlkörper 108 kann mit gängigen Technologien, wie Galvanisierung, Siebdruck und Lithographie zur Strukturierung und/oder Drahtbonden hergestellt werden, welche bereits kostengünstig und routinemäßig eingesetzt werden. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann eine hohe Zuverlässigkeit durch bekannte Materialgrenzflächen und Standardmaterialien, wie peS-Duroplast, Kupfer, Moldmasse un/oder Silizium erreicht werden. Dabei ist das Zusammenwirken der Materialien über Temperatur und Alterung bekannt.
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Da die anfallende Wärme wesentlich geringer ist, als beispielsweise bei einem PC, ist ein wesentlicher kleinerer Kühlkörper 108 ausreichend.
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Es ist ein typisches Sensorsystem 100 gezeigt. Es beinhaltet mindestens einen TEG 104 und kann weitere Sensoren 114, wie einen Temperatursensor, einen ASIC und/oder Funkmodule beinhalten, welche beispielsweise durch Kleben auf die Leiterplatte 102 aufgebracht sind. Die Leiterplatte 102 kann mehrere Metallisierungsebenen umfassen. Die oberste Metallisierungsebene beinhaltet die Umverdrahtung der Sensoren 114 und des TEG 104 untereinander. Auf der untersten Metallisierungsebene sind die metallischen Strukturen 108 zum Wärmeaustausch angebracht. Auf der Unterseite können sich auch metallische Flächen befinden, um das Sensorsystem 100 elektrisch zu kontaktieren oder um es auf eine weitere Leiterplatte aufzulöten.
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Die metallischen Strukturen 108 auf der Unterseite zum Wärmeaustausch befinden sich mindestens in der horizontalen Ebene, können aber auch vertikal aus dieser Ebene herausragen bzw. in die Leiterplatte 102 hinein, um so die Oberfläche für den Wärmeaustausch zu vergrößern.
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Zur elektrischen Verbindung der einzelnen Signalebenen können elektrische Vias 302 in der Leiterplatte 102 prozessiert sein. Das gesamte Sensorsystem 100 ist beispielsweise durch ein Open-Cavity-Package 118 gehaust, sodass es einen thermischen Zugang zur Seite T1 des TEGs 104 gibt, die übrigen Sensoren 114 aber vor Umwelteinflüssen geschützt sind. Das Material der Verkapselung 118 kann aus einem Duroplastmaterial sein, welches einen hohen thermischen Widerstand aufweist. Dadurch wird ein thermischer Kurzschluss zwischen den Seiten T1 und T2 des TEG 104 vermieden.
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1 somit ein typisches Sensorgehäuse 100 mit verschiedenen Sensoren 114 und mindestens einem TEG 104 auf einer Leiterplatte 102. Auf der Unterseite der Leiterplatte 102 befinden sich metallische Kühlstrukturen 108, die über thermische Vias 110 mit dem TEG 104 verbunden sind.
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Die Unterseite der Leiterplatte 102 kann verschiedene metallische Strukturen 108 zum Wärmeaustausch mit der Umgebung beinhalten, welche in den folgenden Figuren vorgestellt werden. Im Idealfall ist die Oberfläche des Kühlkörpers 108 möglichst groß, sodass die Wärme aus dem TEG 104 möglichst schnell abgezogen und an die Umgebung abgegeben werden kann.
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2 zeigt eine Ansicht eines Trägersubstrats 102 mit einer Wärmetauscherstruktur 108 mit mehreren Teilflächen 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 1. Die Wärmetauscherstruktur 108 ist in sechs Teilflächen 200 aufgeteilt. Die Teilflächen 200 sind Metallflächen und untereinander unter Verwendung von einer Vielzahl von Bonddrähten 116 thermisch miteinander gekoppelt.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Teilflächen 200 unter Verwendung von Bändchen 116 thermisch leitend miteinander verbunden.
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Durch die thermisch leitende Verbindung kann Wärmeenergie von der Teilfläche 200, die direkt mit dem Wärmeleiter verbunden ist, also den thermischen Kontakt zum TEG sicherstellt, zu den anderen Teilflächen 200 abfließen. Effektiv wird so eine Oberfläche der Wärmetauscherstruktur 108 vervielfacht.
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In einem Ausführungsbeispiel sind zwischen den Teilflächen 200 elektrische Leiterbahnen 202 und/oder Strukturen 204 angeordnet, die von den Teilflächen 200 und den Verbindungen 116 thermisch isoliert sind.
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Die Teilflächen 200 sind über eine Seite des Trägersubstrats 102 verteilt angeordnet. Die Teilflächen 200 sind in anderweitig ungenutzten Bereichen der Seite angeordnet.
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Bei einer großflächigen 2D Kühlstruktur 108, wie in 2 gezeigt, werden mehrere freie Flächen 200 auf der Leiterplattenunterseite genutzt. Eine Vergrößerung der Oberfläche wird erreicht, indem die so hergestellten Metallflächen 200 mit den thermischen Kontaktflächen des TEGs verbunden werden. Dies kann beispielsweise über Drahtbonds 116 oder über die aus der Leistungselektronik bekannten Bändchenbonds 116 erfolgen. Natürlich ist auch eine Verbindung mit (metallischen) Leiterbahnen möglich.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Kühlung durch eine Vergrößerung der Oberfläche optimiert. Die Oberfläche wird vergrößert, indem ungenutzte Bereiche auf der Leiterplatte 102 mit Metallflächen 200 versehen werden, welche beispielsweise durch Kupferdrahtbonds/Bändchenbonds 116 aus der Leistungselektronik mit den thermischen Kontaktflächen 200 verbunden werden.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 1. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Trägersubstrat 102 vor einer Montage der Bauteile der Schaltung dargestellt. Die Wärmeschnittstelle 106 ist hier also unkontaktiert. Die Wärmetauscherstruktur 108 ist als Gitter 300 aus metallisierten Bahnen ausgebildet, die über die Wärmeleiter 110 mit der Wärmeschnittstelle 106 verbunden sind. Ferner weist das Trägersubstrat 102 elektrische Durchkontaktierungen 302 auf, die die gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats 102 elektrisch miteinander verbinden.
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4 zeigt eine Ansicht eines Trägersubstrats 102 mit einem Gitter 300 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 3. Die Wärmeleiter 110 sind in einem Raster mit vier Reihen und vier Spalten angeordnet. Damit entspricht die Wärmeschnittstelle einem Lötanschlussmuster des thermoelektrischen Generators, d. h. die Anschlussstellen des thermoelektrischen Generators sind in einem dem Raster angeordnet, die freiliegenden Wärmeleitern 110 an der Wärmeschnittstelle entsprechen. Die Wärmeleiter 110 sind untereinander durch metallische Bahnen 400 thermisch leitend verbunden. Die Bahnen 400 bilden im Bereich der Wärmeleiter 110 ebenfalls ein Gitter aus. Das Gitter 300 der Wärmetauscherstruktur 108 ist benachbart zu den Wärmeleitern 110 angeordnet. Die Bahnen 400 verbinden die Wärmeleiter 110 mit der Wärmetauscherstruktur 108 thermisch leitend.
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Falls eine geringere Kühlleistung ausreichend ist, d. h., falls die Oberfläche des Kühlkörpers 108 auch kleiner sein kann, so sind 2D-Strukturen 208 (links und rechts) denkbar. In diesem Fall wird die Wärme über die thermischen Vias 110 auf die Unterseite der Leiterplatte 102 geführt und dort anschließend verteilt. Als Beispiel sind ein hier Gitternetz 300 und in den 5 und 6 eine vollflächige Metallisierung 500 gezeigt, aber es eignen sich prinzipiell auch andere geometrische Figuren zur Entwärmung (Kreise, 45° verdrehtes Gitternetz, etc.).
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5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit einer durchgehenden Fläche 500 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 3. Im Gegensatz dazu ist die Wärmetauscherstruktur 108 als Metallfläche 500 auf dem Trägersubstrat 102 ausgeführt. Die Metallfläche 500 ist durch die Bahnen 400 thermisch mit den Wärmeleitern 110 gekoppelt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Metallfläche 500 vollflächig geschlossen ausgeführt.
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6 zeigt eine Ansicht eines Trägersubstrats 102 mit einer durchgehenden Fläche 500 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 5. Wie in 4 bilden die Bahnen 400 im Bereich der Wärmeleiter 110 ein Gitter aus, das bis zu der Metallfläche 500 verlängert ist. Über die Bahnen 400 ist die Metallfläche 500 mit den Wärmeleitern 110 thermisch gekoppelt.
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7 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit Vertiefungen 700 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 6. Zusätzlich dazu ist eine Oberfläche für den Wärmeübergang durch eine dreidimensionale Struktur 700 gegenüber einer ebenen Fläche vergrößert. Die Struktur 700 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Vertiefungen 700 in der Leiterplatte 102 ausgeführt. Die Vertiefungen 700 stehen hinter einer Oberfläche des Substrats 102 zurück. Seitenwände der Vertiefungen 700 sind metallisiert.
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In einem Ausführungsbeispiel steht die Wärmetauscherstruktur 108 zumindest teilweise über die Oberfläche des Substrats über.
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8 zeigt ein Ausschnitt aus einer Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit Vertiefungen 700 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 7. Es ist eine der Vertiefungen 700 dargestellt. Ein Boden 800 der Vertiefung 700 steht hinter einer Oberfläche 802 des Trägersubstrats 102 zurück. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vertiefung 700 schräge Seitenflächen 804 auf. Der Boden 800 und die Seitenflächen 804 sind mit einer Metallschicht 500 belegt.
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Weitere Möglichkeiten zur Vergrößerung der Kühloberfläche stellen 3D-Strukturierungen 108 dar.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 102 eine 3D-Kühlstrukur mit einer großen Oberfläche auf, bei der in der Leiterplatte 102 Schlitze 700 durch Tieffräsen oder Lasern erzeugt und anschließend metallisiert (Galvanik) werden. Die Ausrichtung dieser Schlitze 700 kann entlang einer Vorzugsrichtung sein.
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In einem Ausführungsbeispiel bilden die Schlitze 700 eine netzartige Struktur von sich kreuzenden Schlitzen 700 aus.
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Durch eine Laserstrukturierung sind die Seitenwände 804 der Schlitze 700 nicht genau vertikal, sondern laufen schräg zusammen. Dieser Effekt beruht darauf, dass der Laser im Fokuspunkt eine wesentlich höhere Intensität, welche radial nach außen abnimmt. Beim Strukturieren der Leiterplatte 102 werden somit zwei Flanken 804 erzielt, welche dann metallisiert werden. In 8 sind seitliche Flanken 804 dargestellt, wie sie beispielsweise bei einer Laserstrukturierung entstehen können.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit Vorsprüngen 900 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 102 weist hier wie in den vorhergehenden Figuren eine Wärmeschnittstelle 106, eine Wärmetauscherstruktur 108 und mehrere Wärmeleiter 110 auf. Wie in den vorhergehenden Figuren sind die Wärmeleiter 110 als metallische Durchkontaktierungen 110 ausgebildet. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmetauscherstruktur 108 als je eine Verlängerung eines Wärmeleiters 110 ausgebildet. Dabei ist auf dem Wärmeleiter 110 ein über das Trägersubstrat 102 überstehender, thermisch leitender Vorsprung 900 für den Wärmeübergang zu einer Umgebung angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 900 als linsenförmige Lotperle 900 ausgebildet. Die einzelnen Vorsprünge 900 sind beabstandet zueinander angeordnet. Hier sind sieben Durchkontaktierungen 110 in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Die Anzahl der Durchkontaktierungen ist aber nicht auf genau sieben begrenz, sondern es ist auch die Ausbildung von weniger oder deutlich mehr Durchkontaktierungen möglich.
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Die Kühloberfläche 108 kann durch das Aufbringen von Lotperlen 900 (engl. Balling) auf den thermischen Vias 110 vergrößert werden. Dadurch kann eine optimierte Kühlung durch eine Vergrößerung der Oberflache durch Aufbringen von Lötballs 900 auf die thermischen Vias 110 erreicht werden.
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10 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit Lotperlen 900 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 ist die Wärmetauscherstruktur 108 als eine Vielzahl von Vorsprüngen 900 ausgebildet. Im Gegensatz dazu weist das Trägersubstrat 102 nur einen einzelnen Wärmeleiter 110 auf. Der Wärmeleiter weist eine große Querschnittsfläche auf. Die Querschnittsfläche entspricht im Wesentlichen der Fläche der Wärmeschnittstelle 106. Die Vorsprünge 900 sind nebeneinander über die Querschnittsfläche verteilt. Zum Herstellen der Lotperlen 900 wird ein Gitter aus Lötstoplack auf dem Wärmeleiter 110 aufgebracht, der ein Zusammenlaufen des Lots zu einer großen Lotperle verhindert.
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Eine Vergrößerung der Oberfläche durch Lotperlen 900 ist nicht auf die bisher dargestellten thermischen Vias beschränkt. Das Aufbringen von Lotperlen 900 kann prinzipiell auf beliebigen Geometrien erfolgen, wie zum Beispiel auf der großflächigen Kontaktfläche 110. In diesem Fall können die Bereiche zwischen den Lötballs 900 mit geeigneten Strukturen, wie beispielsweise Lötstopplack unterteilt werden, um ein unkontrolliertes Verfließen der Lotperlen 900 während des Lötvorgangs zu verhindern. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine optimierte Kühlung durch eine Vergrößerung der Oberflache durch Aufbringen von Lötballs 900 auf eine thermische Kontaktierungsflache 110 von TEGs erreicht.
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11 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit Hügelstümpfen 1100 als Wärmetauscherstruktur 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 108 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 9. Im Gegensatz dazu sind die Vorsprünge nicht als Lotperlen ausgebildet, sondern zu Hügelstümpfen geformt worden. Dazu ist auf jedem Wärmeleiter 110 ein Bonddraht gebondet und anschließend der Bonddraht am Stud (stud bump) abgerissen worden.
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Ebenso können Copper Pillars, wie in 12 durch geeignete Metallisierungsprozesse, wie Galvanik aufgewachsen werden. In beiden Ansätzen kann die Oberfläche vergrößert werden.
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12 zeigt eine Schnittdarstellung eines Trägersubstrats 102 mit Kupfersäulen 1200 als Wärmetauscherstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Trägersubstrat 108 entspricht im Wesentlichen dem Trägersubstrat in 9. Im Gegensatz dazu sind die Vorsprünge nicht als Lotperlen ausgebildet, sondern als Kupfersäulen 1200. Die Kupfersäulen 1200 sind auf den Durchkontaktierungen 110 elektrochemisch aufgewachsen worden. Durch die Kupfersäulen wird die wirksame Oberfläche der Wärmetauscherstruktur 108 wesentlich vergrößert.
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Durch Aufbringen von beispielsweise galvanisch aufgewachsenen Kupfersäulen 1200 auf die Kupfer Vias 110 kann eine optimierte Kühlung durch eine Vergrößerung der Oberflache erreicht werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
