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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Kühlelemente für elektrische und elektronische Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterschalter.
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Technischer Hintergrund
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Um in Wärme umgesetzte Verlustleistung von elektrischen und elektronischen Bauelementen abzuführen, werden in der Regel Kühlelemente verwendet. Die Kühlelemente werden mit einem möglichst geringen thermischen Widerstand, z.B. unter Zuhilfenahme einer Wärmeleitpaste, mit dem zu kühlenden Bauelement gekoppelt, so dass in dem Bauelement entstehende Wärme möglichst in das Kühlelement abgeleitet wird.
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Das Kühlelement ist vorzugsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Metall, insbesondere Aluminium oder Kupfer, ausgebildet und weist eine große Oberfläche auf, die man in der Regel durch das Ausbilden von Kühllamellen erreicht.
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Zur Befestigung des Bauelements an dem Kühlelement wird häufig eine Öffnung bzw. Bohrung in dem Bauelement vorgesehen, so dass das Bauelement an dem Kühlkörper mit Hilfe einer Rohrniet oder einer Schraube angebracht werden kann. Dieses Befestigungsverfahren ist jedoch aufwändig und kann zu einer reduzierten Zuverlässigkeit der thermischen Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Kühlelement sowie hohen Toleranzen führen.
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Alternative Befestigungsarten zwischen dem Bauelement und dem Kühlelement sehen Federelemente vor, die in Form von Klammern oder dergleichen an dem Kühlelement befestigt werden und eine Wärmeaufnahmefläche des Kühlelements mit einer Anpresskraft auf das zu kühlende Bauelement pressen. Dies erfordert jedoch eine separate Bereitstellung des Klemmelements und einen zusätzlichen Verfahrensschritt bei der Montage des Kühlelements an dem Bauelement.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlelement zur Verfügung zu stellen, das in besonders einfacher Weise hergestellt werden kann und zudem eine zuverlässige Montage des elektrischen bzw. elektronischen Bauelements ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Kühlelement nach Anspruch 1 sowie durch die Kühlanordnung eines Kühlelements und eines Bauelements und das Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Kühlelement zum Abführen einer in Wärme umgesetzten Verlustleistung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements vorgesehen, umfassend:
- – einen Kühlkörper mit einer Wärmeaufnahmefläche
- – mindestens ein Klemmelement zum Beaufschlagen eines auf die Wärmeaufnahmefläche aufsetzbaren Bauelements mit einer Haltekraft;
wobei der Kühlkörper und das mindestens eine Klemmelement einstückig ausgebildet sind.
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Eine Idee des obigen Kühlelements besteht darin, dass dieses einstückig ausgebildet ist und einen Kühlkörper mit einer Wärmeaufnahmefläche aufweist und ein oder mehrere einstückig mit dem Kühlkörper verbundene Klemmelemente aufweist. Dadurch kann ein elektrisches bzw. elektronisches Bauelement an dem Kühlkörper gehalten werden, so dass dieses mit einer Wärmeableitfläche an einer Wärmeaufnahmefläche des Kühlkörpers gehalten wird. Durch die Verwendung eines Klemmelements kann insbesondere eine mechanische Belastung des Bauelements zur Fixierung im Bauelement durch einen Nietprozess oder Schraubbefestigungsprozess vermieden werden.
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Die einstückige Ausbildung des Kühlkörpers mit den einen oder mehrere Klemmelementen ermöglicht weiterhin eine besonders einfache Herstellung des Kühlelements. Weiterhin kann durch das einstückige Bereitstellen des Klemmelements mit dem Kühlkörper die separate Bereitstellung eines Klemmelements und ein entsprechender aufwändiger Montageschritt des Klemmelements an dem Kühlkörper entfallen.
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Weiterhin können der Kühlkörper und das Klemmelement bezüglich einer Erstreckungsrichtung einen nicht-variierenden Querschnitt aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Wärmeaufnahmefläche in einer Basisfläche einer U-förmigen Ausnehmung in dem Kühlkörper angeordnet sein, wobei sich das mindestens eine Klemmelement von einer Schenkelfläche, insbesondere von einem Ende der Schenkelfläche des U-förmigen Ausnehmung, erstreckt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Klemmelement sich über die Ausnehmung erstreckt und bezüglich einer Biegerichtung zur Wärmeaufnahmefläche biegeelastisch ausgebildet ist.
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Weiterhin kann das mindestens eine Klemmelement einen u-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei ein Ende eines Schenkelabschnitts des Klemmelements an der Schenkelfläche der Ausnehmung und ein weiterer Schenkelabschnitt des Klemmelements ein freies Ende aufweist und eine Klemmfläche ausbildet, die zum Beaufschlagen des Bauelements mit der Haltekraft dient.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das mindestens eine Klemmelement sich stegartig schräg in die Ausnehmung in Richtung der Basisfläche erstreckt und biegeelastisch ausgebildet sein, so dass ein in die Ausnehmung eingesetztes Bauelement das mindestens eine Klemmelement in Richtung der entsprechenden Schenkelfläche verformt und so das Bauelement an einer oder beiden Schenkelflächen zugewandten Seiten mit der Haltekraft beaufschlagt wird.
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Insbesondere kann die der Schenkelfläche der U-förmigen Ausnehmung abgewandte Seite des Kühlkörpers mit einer oder mehreren Kühllamellen versehen sein.
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Weiterhin kann eine der Basisfläche der U-förmigen Ausnehmung gegenüberliegende Seite des Kühlkörpers mit einer Befestigungsstruktur versehen sein, um das Kühlelement an einer Leiterplatte zu halten.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Kühlelement aus einem homogenen metallischen Material ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Kühlanordnung umfassend das obige Kühlelement und ein Bauelement vorgesehen, das auf der Wärmeaufnahmefläche aufliegt und durch die Klemmelement gehalten ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung des obigen Kühlelements vorgesehen, wobei ein Kühlelementeprofil durch ein Strangpressverfahren hergestellt wird und anschließend das Kühlelement durch Abtrennen von dem Kühlelementeprofil erhalten wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Kühlanordnung umfassend ein Kühlelement und ein zu kühlendes Bauelement;
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2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Kühlanordnung mit einem Kühlelement und einem zu kühlenden Bauelement; und
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3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Kühlanordnung mit einem Kühlelement und einem zu kühlenden Bauelement.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Kühlanordnung 1 mit einem Kühlelement 2, in dem ein zu kühlendes Bauelement 3 angeordnet ist. Das Bauelement 3 kann als elektrisches bzw. elektronisches Bauelement 3, z.B. in Form eines Leistungshalbleiterschalters, ausgebildet sein.
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Das Kühlelement 2 weist einen Kühlkörper 21 auf, der bezüglich einer Erstreckungsrichtung E eine U-förmige Ausnehmung 22 aufweist, dessen Basisfläche einer Wärmeaufnahmefläche B entspricht. Auf die Wärmeaufnahmefläche B der U-förmigen Ausnehmung 22 ist das Bauelement 3 aufgelegt. Das Bauelement 3 weist dazu eine Wärmeableitfläche auf, die auf der Wärmeaufnahmefläche B möglichst flächig aufliegt.
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Insbesondere kann zwischen dem Bauelement 3 und der Wärmeaufnahmefläche B des Kühlkörpers 21 ein Wärmeleitmedium, z.B. in Form einer Wärmeleitpaste, vorgesehen sein, um eine Wärmeübertragung von dem Bauelement 3 zu der Wärmeaufnahmefläche B der U-förmigen Ausnehmung 22 zu ermöglichen.
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Der Kühlkörper 21 kann an der der Ausnehmung 22 gegenüberliegenden Seite einer oder beider Schenkelflächen S mit einer oder mehreren Kühllamellen 27 versehen sein, die im Wesentlichen senkrecht von der Schenkelfläche S nach außen hin abstehen.
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Weiterhin kann der Kühlkörper 21 an einer der Wärmeaufnahmefläche B gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 21 mit Befestigungsstrukturen 28 versehen sein, um den Kühlkörper 21 an einer Leiterplatte 4 zu halten. Über die Leiterplatte 4 kann das Bauelement 3 mit Hilfe von Kontaktstiften 31, die in Lötöffnungen 41 der Leiterplatte 4 reichen, elektrisch kontaktiert werden. Beispielsweise können die Befestigungsstrukturen 28 zwei an gegenüberliegenden Rändern des Kühlelements 2 senkrecht von der Basisfläche B abstehende Stege umfassen, die die Leiterplatte 4 umgreifen.
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Einstückig mit dem Kühlkörper 21 ist eine Anzahl von Klemmelementen 23 vorgesehen. Ein solches Klemmelement 23 kann sich, wie in 1 gezeigt, stegartig quer von einem abstehenden Ende einer Schenkelfläche S der U-förmigen Ausnehmung 22 über die U-förmige Ausnehmung erstrecken und eine Klemmfläche 26 und/oder ein freies Ende 28 aufweisen, die so biegeelastisch relativ zu dem Kühlkörper 21 beweglich sind, so dass eine Klemmraft in Richtung der Wärmeaufnahmefläche B bewirkt wird. Dazu kann die Klemmfläche 26 im Wesentlichen der Wärmeaufnahmefläche B gegenüberliegen und einen Aufnahmebereich, in dem das Bauelement 3 aufgenommen werden soll, definieren.
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Das Klemmelement 23 kann einen im wesentlichen u-förmigen Querschnitt bezüglich der Erstreckungsrichtung E aufweisen, wobei ein Ende eines Schenkelabschnitts des Klemmelements 23 an dem abstehenden Ende der Schenkelfläche S angeordnet ist. Das Klemmelement 23 ist mit einer verminderten Dicke ausgebildet, so dass es eine Biegeelastizität erhält, um eine Klemmkraft auszuüben. Um die Klemmfähigkeit weiter zu erhöhen, kann das Klemmelement 23 optional eine Umbiegung 25 aufweisen, so dass der freie Schenkelabschnitt des Klemmelements 23 elastisch gegen das Ende der Schenkelfläche S der Uförmigen Ausnehmung 22 des Kühlkörpers 21 gehalten wird. Der Abstand zwischen dem unbelasteten Klemmelement 23 und der Wärmeaufnahmefläche ist so gewählt, dass nach Einsetzen des Bauelements 3 das freie Ende des Klemmelements 23 von der Wärmeaufnahmefläche B weggedrückt wird und so eine elastische Kraft auf das Bauelement 3 ausgeübt wird, die das Bauelement 3 an die Wärmeaufnahmefläche B drückt.
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Wie aus 1 ersichtlich, kann mehr als ein Klemmelement 23 vorgesehen sein, insbesondere können an den Enden beider Schenkelflächen S einander zugewandte abstehende Klemmelemente 23 vorgesehen sein, die den Aufnahmebereich überdecken. Dadurch kann ein Schutz des Bauelements 3 gegenüber mechanischer Beschädigung gewährleistet werden.
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Das Klemmelement 23 kann in vielfältiger Weise ausgebildet sein, wobei die Klemmfläche 26 bzw. das freie Ende 28 an einer stegartigen Federfläche 27 angeordnet ist, um das Bauelement 3 mit einer Anpresskraft in der Ausnehmung 22 zu halten.
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Das Material des Kühlelements 2 kann vorzugsweise ein wärmeleitfähiges Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer sein, und insbesondere ein metallisches Material, das in einem Strangpressverfahren hergestellt werden kann.
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Alle Teile des Kühlelements sind in Erstreckungsrichtung E mit nicht variierendem Querschnitt ausgebildet, so dass es sich für die Herstellung in einem Strangpressverfahren besonders eignet. Ein Strangpressverfahren entspricht einem Druckumformverfahren zum Herstellen von unregelmäßig geformten Profilen. Wird das Kühlelement 3 in dem Strangpressverfahren hergestellt, wird ein Kühlelementeprofil mit einem Querschnitt des Kühlelements 3 gebildet. Durch Schneiden des so extrudierten Kühlelementeprofils in Stücke vorbestimmter Länge können die Kühlelemente 2 hergestellt werden, ohne dass anschließend ein weiterer Fertigungsschritt notwendig ist.
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Dadurch, dass das Klemmelement 23 zum Befestigen des Bauelements 3 bereits gleichzeitig mit dem Kühlkörper 21 durch das Strangpressverfahren hergestellt wird, entfällt das zusätzliche Vorsehen von Klammern und dergleichen, um das Bauelement 3 in dem Kühlelement 2 zu halten.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der von den Schenkelflächen S ausgehend weitere Klemmelemente 51 abstehen. Die weiteren Klemmelemente 51 weisen jeweils ein biegeelastisch abstehendes Ende 52 auf, das seitlich an dem Bauelement anliegt und dabei verformt sind, um aufgrund der Biegeelastizität der weiteren Klemmelemente 51 das Bauelement 3 seitlich mit einer Anpresskraft zu beaufschlgaen.
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Die weiteren Klemmelemente 51 halten so das Bauelement 3 an deren den Schenkelflächen S zugewandten Seiten und beaufschlagen insbesondere nicht eine der Wärmeabgabefläche des Bauelements 3 gegenüberliegenden Seite.
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Die weiteren Klemmelemente 51 sind stegförmig schräg von der Schenkelfläche S des Kühlkörpers 21 abstehend, insbesondere von einem abstehenden Ende der Schenkelflächen S des Kühlkörpers 21 abstehend angeordnet und verlaufen schräg in Richtung der Wärmeaufnahmefläche.
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Durch die stegförmige Ausbildung der weiteren Klemmelemente 51 und deren reduzierte Dicke weisen diese eine Biegeelastizität auf, so dass diese jeweils gegen die Schenkelfläche S gebogen werden können. Dadurch ergibt sich eine sich eine Querschnittskontur in der Ausnehmung 22, die sich verjüngt, so dass das Bauelement 3 durch Drücken eingesteckt werden kann. Dabei können sich die weiteren Klemmelemente 51 in Richtung der Schenkelflächen S der Ausnehmung 22 verbiegen und so die Klemmkraft zum Halten des Bauelements 3 ausüben.
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Um bei Herausnehmen des Bauelements 3 aus der Ausnehmung 22 ein Verkanten der Enden der weiteren Klemmelemente 51 an dem Bauelement 3 zu vermeiden, können die abstehenden Enden der weiteren Klemmelemente 51 in Richtung der Schenkelflächen S umgebogen sein, um eine abgerundete Kontur auszubilden, mit der die weiteren Klemmelemente 51 an dem Bauelement 3 anliegen.
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Weiterhin kann, wie in 3 dargestellt, auch eine Kombination der Klemmelemente 23, 51 der Ausführungsformen der 1 und 2 an einem Kühlelement 3 vorgesehen sein.
