DE102015118146B4

DE102015118146B4 - Kühlmittelanschlusselement und Leiterplatte mit Kühlkanal

Info

Publication number: DE102015118146B4
Application number: DE102015118146.0A
Authority: DE
Inventors: Rainer Jäckle; Josef Maier
Original assignee: Schweizer Electronic AG
Current assignee: Schweizer Electronic AG
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-10-24
Also published as: DE102015118146A1

Abstract

Kühlmittelanschlusselement (10; 110) für eine Leiterplatte (LP), mit einem Grundkörper (12; 112), der eine zentrale durchgehende Bohrung (14; 114) aufweist, und mit einer im wesentlichen plan ausgebildeten leiterplattenseitigen Auflagefläche (18; 118), die eine Mehrzahl von im wesentlichen senkrecht von der Auflagefläche (18; 118) abstehenden Einpressstiften (20; 120) sowie mindestens eine um eine Mündung (15; 115) der durchgehenden Bohrung (14; 114) angeordnete Dichtung (22) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlmittelanschlusselement für eine Leiterplatte oder dergleichen Schichtaufbauten mit einem Kühlkanal sowie eine Leiterplatte mit einem Kühlkanal.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, Leiterplatten zur Ableitung von Wärme aus den leitenden Metallschichten der Leiterplatte und/oder von auf bzw. in der Leiterplatte angeordneten Leistungselementen erzeugte Wärme in dem Leiterplattenaufbau einen oder mehrere Kühlkanäle vorzusehen, durch die ein Kühlmittel (auch als Kühlmedium oder Kühlfluid bezeichnet) zirkuliert und so zu einem möglichst guten Kühlkonzept der Leiterplatte beiträgt. Das Kühlmittel kann flüssig oder gasförmig sein. Eine derartige Leiterplatte ist beispielsweise aus der DE 20 2010 017 772 U1 bekannt.
Auch die DE 197 11 533 A1 und die DE 38 058 51 A1 beschreiben Leiterplattenstrukturen bzw. -anordnungen mit Kühlfluidkanälen. Keine der zitierten Druckschriften erwähnt jedoch, wie ein dichter Anschluss von Kühlmittelzu- und -ableitungen mit dem Kühlkanal hergestellt werden kann.
Aus der DE 10 2004 062 441 B3 ist ein Mehrschichtaufbau mit einem Temperierfluidkanal bekannt. Dieses Patent beschreibt das Anbringen eines Anschlussstutzens für das Temperierfluid mittels Dichtlötens.
Der Anmelderin sind aus ihrer Praxis weitere Möglichkeiten der Anbringung von Kühlmittelanschlussstutzen an Leiterplatten bekannt, wie bspw. Verkleben oder Verschrauben. Allen bekannten Methoden ist gemein, dass sie relativ aufwendig in der Montage und somit zeit- und kostenintensiv sind, und – insbesondere im Falle des Verklebens – die Zuverlässigkeit der Verbindung zu wünschen übrig lässt.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird demgegenüber ein Kühlmittelanschlusselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Der Erfindungsgedanke beruht auf der Erkenntnis, die an und für sich aus dem Bereich der elektrischen Ankontaktierung bekannte Einpresstechnik zu nutzen, um eine einfache, schnell herstellbare und dichte Fluidanbindung an eine Leiterplatte zu bewerkstelligen.
Die besagte Einpresstechnik ist aus dem Bereich der Hochstromanschlüsse für Leiterplatten bekannt. Es handelt sich hierbei um massive, bspw. aus Kupfer oder Kupferlegierungen gefertigte Hochstromanschlüsse zur Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen Leiterplatte und z. B. flexiblen Anschlussleitungen oder Steckkontakten. Diese Hochstromanschlüsse bestehen typischerweise aus einem massiven Bolzen, der mit einem Bund versehen ist, an dem die Einpressstifte angeordnet sind. Der massive Anschluss wird mittels der Einpressstifte in die Leiterplatte eingepresst, wobei die Einpressstifte (oder auch Einpresspfosten) in entsprechenden Löchern der Leiterplatte verpresst werden und so den mechanischen und elektrischen Kontakt mit der Leiterplatte herstellen. Im eingepressten Zustand stützt sich der massive Anschluss mit dem Bund auf der Oberseite der Leiterplatte ab.
Das erfindungsgemäße Kühlmittelanschlusselement weist einen Grundkörper auf, der eine zentrale durchgehende Bohrung hat. Dabei kann es sich insb. um eine Gewinde- oder Teilgewindebohrung handeln. Des weiteren umfasst der Grundkörper eine im wesentlichen plan ausgebildete leiterplattenseitige Auflagefläche zur Anlage auf einer Oberseite einer mit dem Kühlmittelanschlusselement zu bestückenden Leiterplatte. Von dieser Auflagefläche erstreckt sich eine Mehrzahl von Einpressstiften, die im wesentlichen senkrecht von der Auflagefläche abstehen und in an sich bekannter Weise zum Einpressen in dazu vorgesehene Öffnungen bzw. Löcher (Einpresslöcher) der Leiterplatte dienen. Schließlich ist an der Auflagefläche mindestens eine um eine Mündung der durchgehenden Bohrung angeordnete Dichtung vorgesehen.
Das vorgeschlagene Kühlmittelanschlusselement lässt sich schnell und einfach (ggf. automatisiert) ohne aufwendige Montageschritte in dazu vorgesehene Leiterplatten unter Ausbildung eines dichten Übergangs zwischen dem Anschlusselement und einem in der Leiterplatte ausgebildeten Kühlkanalanschluss einpressen.
Eine Leiterplatte bzw. ein Mehrschichtstruktur mit einem mindestens einen Kühlkanal zum Durchfließen mit Kühlmittel bzw. Kühlfluid aufweisenden Schichtaufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 11 wird ebenfalls beansprucht.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht nur im Zusammenhang mit Leiterplatten im engeren Sinne möglich ist, sondern auch Anwendung bei anderen bzw. ähnlichen Schichtaufbauten bzw. Mehrschichtstrukturen mit einem Kühlkanal, wie Inserts, Interposern, Mehrschichtkeramiken u. dgl. finden kann.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1a bis 1c zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmittelanschlusselements in Draufsicht (1a), in seitlicher Teilschnittdarstellung (1b) sowie in Unteransicht auf die leiterplattenseitige Auflagefläche (1c).
2 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte mit einem darin eingepressten Kühlmittelanschlusselement gemäß 1b.
Ausführliche Beschreibung
Die 1a bis 1c zeigen in stark schematischer und nicht maßstabsgerechter Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmittelanschlusselements 10 in Draufsicht (1a) in seitlicher Teilschnittdarstellung (1b) sowie in einer Unteransicht (1c).
Das erfindungsgemäße Kühlmittelanschlusselement 10 (im folgenden kurz als Anschlusselement bezeichnet) umfasst einen Grundkörper 12 mit einer zentralen durchgehenden Bohrung 14. Der Grundkörper 12 verfügt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen im wesentlichen kreisrunden Außenquerschnitt; es sind jedoch auch andere geometrische Ausgestaltungen des Grundkörpers 12 (wie bspw. Dreikant- oder Vierkantgestaltungen o. a.) möglich.
Die durchgehende Bohrung 14 im Inneren des Grundkörpers 12 (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel konzentrisch mit dem Außenumfang ausgerichtet) ist eine sich durch den gesamten Grundkörper 12 kanalartig erstreckende Bohrung mit einer leiterplattenseitigen Mündung 15 (vgl. 1b).
Der Grundkörper 12 weist an einem leiterplattenseitigen Ende eine Abkragung 16 auf, die sich scheibenförmig über den Außendurchmesser des Grundkörpers 12 hinaus erstreckt.
Die Abkragung 16 bildet an ihrer zu einer bestückenden Leiterplatte weisenden Seite eine Auflagefläche 18 auf, die im wesentlichen plan ausgebildet ist, um ein gutes Anliegen auf der Oberfläche der zu bestückenden Leiterplatte zu gewährleisten. Die Abkragung 16 kann auch als Bund bezeichnet werden.
An der leiterplattenseitigen Auflagefläche 18 sind eine Mehrzahl von Einpressstiften 20 ausgebildet, die sich im wesentlichen senkrecht von der Auflagefläche 18 abstehend erstrecken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf Einpressstifte dargestellt; es erschließt sich dem Fachmann jedoch ohne weiteres, dass auch eine hiervon abweichende Anzahl von Einpressstiften (weniger als fünf/mehr als fünf) möglich ist.
Außerdem verfügt die leiterplattenseitige Auflagefläche 18 über eine Dichtung 22. Die Dichtung 22 umgibt die Mündung 15 der durchgehenden Bohrung 14, so dass bei einem Aufliegen auf einer Oberfläche einer zu bestückenden Leiterplatte ein dichter Abschluss der durchgehenden Bohrung gegenüber der Leiterplattenoberfläche erzielt wird.
Bei der Dichtung kann es sich bspw. um eine ringförmige Silikondichtung o. dgl. handeln. Die Dichtung 22 kann in eine dazu vorgesehene Ringnut 24 in der Auflagefläche 18 eingesetzt sein. Die spezifische Ausgestaltung der Dichtung erschließt sich dem Fachmann im Einzelfall ohne weiteres aus seinem Fachwissen.
Das erfindungsgemäße Anschlusselement kann beispielsweise massiv aus Metall oder einer geeigneten Metalllegierung bestehen. Das erfindungsgemäße Anschlusselement kann einstückig oder auch mehrteilig ausgebildet sein.
Das Einpressen eines erfindungsgemäßen Anschlusselements 10 in eine dazu vorgesehene Leiterplatte LP bzw. auf eine Oberfläche 32 dieser Leiterplatte LP erfolgt in an sich bekannter Art und Weise, indem die Einpressstifte 20 in dazu vorgesehene Öffnungen bzw. Löcher (Einpresslöcher) 40 in der Leiterplatte LP eingesetzt und in diese eingepresst werden (vgl. auch 2). Die Geometrie der Einpressstifte 20 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als zylinderförmig dargestellt; es sind jedoch auch andere Geometrien (Dreikant, Vierkant o. a.) denkbar und möglich. Es liegt im Bereich des fachmännischen Könnens und zumutbarer Versuche, eine Ausgestaltung der Einpressstifte zu definieren, die eine als ausreichend angesehene Verbindungsfestigkeit mit der Leiterplatte erzielt.
Das Einpressen erfolgt mittels einer geeigneten und ebenfalls an sich bekannten Presse und kann sehr gut automatisiert werden, beispielsweise mittels hydraulischer Pressen.
Ein Beispiel einer mit einem erfindungsgemäßen Anschlusselement 10 versehenen Leiterplatte LP ist in 2 in seitlicher Schnittdarstellung dargestellt.
Die Leiterplatte LP umfasst einen Schichtaufbau 30 mit einer Oberfläche 32 und einen in dem Schichtaufbau eingebrachten Kühlkanal K. Der Kühlkanal K ist zur zirkulierenden Aufnahme von geeignetem Kühlmittel bzw. Kühlfluid (wie bspw. Wasser o. dgl.) ausgebildet.
Wie bereits zuvor beschrieben, ist das Anschlusselement 10 mit seinen Einpressstiften 20 in dazu vorgesehene Öffnungen bzw. Löcher 40, die in die Oberfläche 32 der Leiterplatte LP eingebracht sind, eingesetzt und eingepresst. Das Einpressen erfolgt derart, dass die durchgehende Bohrung 14 mit ihrer leiterplattenseitigen Mündung 15 über einer Anschlussöffnung bzw. Mündung 34, die sich zur Oberfläche 32 der Leiterplatte LP erstreckt, fluchtend angeordnet ist. Durch das Einpressen mit hoher Druckkraft (ca. 300 N bis 500 N) wird in an sich bekannter Art und Weise eine enge und extrem gute Kraftschlussverbindung erreicht, so dass aufgrund der planen Auflagefläche 18 und der in der Auflagefläche 18 vorgesehenen Dichtung 22 ein kühlmitteldichter bzw. kühlfluiddichter Übergang zwischen dem Anschlusselement 10 und dem Kühlkanal K der Leiterplatte LP erzeugt wird.
Eine Kühlfluidleitung, wie bspw. eine Wasserleitung, (nicht dargestellt) kann mit einem passenden Schraubgewinde in ein dazu vorgesehenes Innengewinde der durchgehenden Bohrung 14 eingeschraubt werden. Damit ist die Wasserzufuhr bzw. Kühlfluidzufuhr zu dem Kühlkanal K hergestellt. Zur Kühlfluidabfuhr wird an einer anderen geeigneten Stelle der Leiterplatte LP an eine weitere Öffnung des Kühlkanals K ein entsprechend zweites Anschlusselement eingepresst.
Das erfindungsgemäße Kühlmittelanschlusselement kann auch als kombiniertes Anschlusselement zur elektrischen Ankontaktierung ausgestaltet sein. Hierzu kann eine elektrisch isolierende Innenbeschichtung des metallischen massiven Grundkörpers vorgesehen sein, die eine elektrische Verbindung zwischen einem Außenbereich des Anschlusselements zum Leiten von elektrischem Strom und dem kühlfluidführenden Innenbereich und somit einen möglichen Kurzschluss verhindert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung als derart kombiniertes Anschlusselement ist in der 3 dargestellt. 3 zeigt ähnlich der 1b in seitlicher (Teil-)Schnittdarstellung ein Anschlusselement 110, das als kombiniertes Anschlusselement für elektrischen Strom sowie Kühlfluid verwendbar ist. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen, erhöht um „100” bezeichnet.
Das kombinierte Anschlusselement 110 verfügt zusätzlich zu den voranstehend in Verbindung mit den 1a bis 1c beschriebenen Merkmalen über eine Beschichtung 117 im Innenbereich der durchgehenden Bohrung 114, d. h. die Bohrung 114 weist eine beschichtete Innwandung auf. Die Beschichtung ist aus einem geeigneten elektrisch isolierenden Material, wie bspw. Gummi, Kautschuk, o. dgl.
Die Darstellung der 3 zeigt eine vollständige Beschichtung der Innwandung der Bohrung 114. Es ist jedoch auch möglich, nur eine Teilbeschichtung vorzusehen desjenigen Abschnitts der Innenwandung, der mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt (bspw. ist ein oberer Abschnitt der Innenwandung wie bereits beschrieben mit einem Innengewinde (zum Einschrauben eines Leitungsanschlusses) versehen und ein unterer Abschnitt unterhalb des Innengewindes weist die elektrisch isolierende Beschichtung auf). Es kann jedoch auch der gesamte Bereich einschließlich des Gewindebereichs beschichtet sein.
Der Außenbereich 113 des Grundkörpers kann ebenfalls ein (nicht dargestelltes) Außengewinde aufweisen, um einen elektrischen Anschluss aufzuschrauben.
Schließlich kann, wie dargestellt, auch die Auflagefläche 118 zumindest teilweise, bspw. in dem Bereich zwischen Dichtung 122 und Bohrungsmündung 115, eine entsprechende elektrisch isolierende Beschichtung 119 aufweisen.

Claims

Kühlmittelanschlusselement (10; 110) für eine Leiterplatte (LP), mit einem Grundkörper (12; 112), der eine zentrale durchgehende Bohrung (14; 114) aufweist, und mit einer im wesentlichen plan ausgebildeten leiterplattenseitigen Auflagefläche (18; 118), die eine Mehrzahl von im wesentlichen senkrecht von der Auflagefläche (18; 118) abstehenden Einpressstiften (20; 120) sowie mindestens eine um eine Mündung (15; 115) der durchgehenden Bohrung (14; 114) angeordnete Dichtung (22) aufweist.
Anschlusselement (110) nach Anspruch 1, das des weiteren eine elektrisch isolierende Beschichtung (117, 119) zumindest der in Kontakt mit Kühlfluid bzw. Kühlmittel kommenden Bereiche des Anschlusselements (110) aufweist.
Anschlusselement (110) nach Anspruch 2, bei dem die Auflagefläche (118) zumindest teilweise eine elektrisch isolierende Beschichtung (119) aufweist.
Anschlusselement (110) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, das ein (Teil-)Außengewinde (113) aufweist.
Anschlusselement (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die durchgehende Bohrung (14; 114) ein (Teil-)Innengewinde aufweist.
Leiterplatte (LP) mit einem mindestens einen Kühlmittelkanal (K) zum Durchfließen mit Kühlmittel aufweisenden Schichtaufbau (30) und einer Oberfläche (32) mit einer eine Mündung (34) des Kühlmittelkanals (K) darstellenden Öffnung, wobei mindestens ein Kühlmittelanschlusselement (10; 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 derart in die Oberfläche (32) der Leiterplatte (LP) eingepresst ist, dass sich die Mündungen (15, 34) der durchgehenden Bohrung (14; 114) und des Kühlmittelkanals (K) gegenüberliegen und ein kühlmitteldichter Übergang bereitgestellt ist.