-
Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Schalteinrichtung, mit einem zu kühlenden aktiven oder passiven elektronischen Bauteil, wie beispielhaft einem Transistor oder einem Widerstand, wobei die Kühleinrichtung als integraler Bestandteil der Leiterplatte selbst ausgebildet ist.
-
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt auf einer Leiterplatte auch aktive oder passive elektronische Bauteile anzuordnen, die zumindest vorteilhafterweise einer Kühlung bedürfen, die über die normale Wärmeabgabe über ihre eigene Oberfläche hinausgeht. Hierbei ist es allgemein üblich Kühleinrichtungen, meist in Form von Luftkühleinrichtungen auf den Bauteilen selbst direkt anzuordnen. Dies erlaubt eine sehr effiziente Kühlung, da die Wärme unmittelbar dort abgeführt wird wo sie entsteht. Andererseits hat dies den Nachteil, dass diese unmittelbare Anordnung einen gewissen Fertigungsaufwand mit sich bringt, da sie bauteilspezifisch erfolgt.
-
Aus der
US 2016/0014879 ist eine strukturierte Leiterplatte mit einem einem Substrat bekannt, das eine erste Oberfläche und einer dieser gegenüber liegende zweite Oberfläche aufweist. Die strukturierte Leiterplatte weist einen Wärme abstrahlenden Graben auf, der auf der ersten Oberfläche des Substrats ausgebildet ist.
-
In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit einem auf einer Leiterplatte angeordneten zu kühlenden aktiven oder passivem Bauteil und mit einer Leiterplatte vorzustellen, wobei der Herstellungsaufwand reduziert ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine leistungselektronische Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist ausgebildet mit einer Leiterplatte mit einer integriert Kühleinrichtung zur Kühlung eines aktiven oder passiven Bauelements mit einer durchschnittlichen Verlustleistung von mehr als 2 Watt, wobei die Leiterplatte eine erste und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptfläche aufweist, wobei auf der ersten und zweiten Hauptfläche jeweils elektrische voneinander isolierte Leiterbahnen angeordnet sind, wobei auf der zweiten Hauptfläche das Bauelement angeordnet und schaltungsgerecht mit den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Kühleinrichtung ausgebildet ist, indem von der ersten Hauptfläche, gegenüber dem Bauelement, ausgehend eine in das Volumen der Leiterplatte, genauer in deren Isolierstoffkörper, hineinreichende, also nicht hindurchreichende erste Ausnehmung angeordnet ist wodurch in einem Bereich der ersten Hauptfläche eine Oberflächenkontur geschaffen wird, die zumindest teilweise mit einer dicken Metallschicht bedeckt ist wobei die Oberflächenkontur wannenartig mit, aus einem Wannenboden hervorstehenden, mesaartigen Strukturelementen ausgebildet ist und wobei zwei mesaartige Strukturelemente elektrische Kontakteinrichtungen für die Stromversorgung eines Ventilators aufweisen und wobei diese Kontakteinrichtungen und ihre Zuleitungen von der dicken Metallschicht elektrisch isoliert sind. Hierbei soll unter einer durchschnittlichen Verlustleistung verstanden werden, dass eine derartige Verlustleistung im Normalbetrieb bei mehr als 70% Last anfällt.
-
Bevorzugt ist es, wenn oberhalb und beabstandet von der ersten Hauptfläche im Bereich der Oberflächenkontur der Ventilator angeordnet ist.
-
Es kann vorteilhaft sein, wenn die mesaartigen Strukturelementen nicht alle gleichartig, d.h. insbesondere gleich dimensioniert oder geformt ausgestaltet sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die mesaartigen Strukturelementen quadratische, rautenförmige oder runde Querschnitte aufweisen.
-
In einer speziellen nicht zur Erfindung gehörenden Ausgestaltung kann die Oberflächenkontur grabenartig mit einer Mehrzahl von Gräben ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die Gräben in Längsrichtung benachbart zueinander angeordnet.
-
Es kann vorteilhaft sein, wenn eine zweite Ausnehmung angeordnet ist, die von der ersten Hauptfläche oder von dem Wannenboden ausgehend und durch die Leiterplatte bis zur zweiten Hauptfläche hindurchreicht. Vorzugsweise ist die zweite Ausnehmung im Bereich der Oberflächenkontur angeordnet und zumindest teilweise mit der dicken Metallschicht bedeckt.
-
Vorzugsweise weist die dicke Metallschicht ein Dicke von mehr als 5µm, vorzugsweise von mehr als 15µm aber vorzugsweise weniger als 100µm auf und besteht aus galvanisch abgeschiedenem Kupfer. Die dicke Metallschicht kann außer der Kupferschicht noch weiter metallische Schichten, insbesondere eine Passivierungsschicht auf ihrer Oberfläche aufweisen. Diese Passivierungsschicht ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie nur geringfügig mit dem Luftsauerstoff unter Bildung eine Oxidschicht reagiert.
-
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn zwischen dem Bauelement und der zweiten Hauptfläche ein wärmeleitender und elektrisch isolierender Werkstoff, beispielhafte eine fachübliche Wärmeleitpaste, angeordnet ist.
-
Bei dieser Ausgestaltung der Leiterplatte wird erfindungsgemäß zugunsten eines einfachen, aus der Leiterplattenherstellung bekannten und in den Fertigungsprozess einfach integrierbaren Verfahren, explizit in Kauf genommen, dass die Effizienz der thermischen Ankopplung des Bauelements an die Kühleinrichtung und/oder die Wirksamkeit, also der Wirkungsgrad, der Kühleinrichtung selbst, nicht die Werte gemäß dem Stand der Technik erzielt.
-
Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale, insbesondere das Bauteil aber auch die Kühleinrichtung selbst, mehrfach in der Schaltungsanordnung vorhanden sein.
-
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele.
-
1 zeigt einen Ausschnitt einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in dreidimensionaler Schnittansicht.
-
2 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte einer erfindungsmäßen Schaltungsanordnung in Schnittansicht.
-
3 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte einer erfindungsmäßen Schaltungsanordnung in Draufsicht.
-
4 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte einer weiteren die Erfindung erläuternde Schaltungsanordnung in Draufsicht.
-
5 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte einer erfindungsmäßen Schaltungsanordnung in dreidimensionaler Ansicht.
-
1 zeigt einen Ausschnitt einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in dreidimensionaler Schnittansicht. Dargestellt ist hier eine fachübliche, mehrlagige Leiterplatte 1 mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche 10, 20. Auf diesen Hauptflächen 10, 20 sind ebenso fachüblich Leiterbahnen 22, 24 angeordnet, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Auf den jeweiligen Hauptflächen 10, 20 sind schaltungsgerecht mit zugeordneten Leiterbahn 22, 24 elektrisch leitend verbunden aktive und passive elektronische Bauelemente 7 angeordnet. Dargestellt ist hier exemplarisch nur ein Widerstandsbauelement 70, angeordnet auf der zweiten Hauptfläche 20. Weitere fachübliche passive elektronische Bauelemente sind insbesondere als Kondensatoren und Spulen ausgebildet, während fachübliche aktive elektronische Bauteile als Dioden, Transistoren oder integrierte Schaltungen ausgebildet sind.
-
Das Widerstandsbauelement 70 ist mit seinen beiden Anschlusselementen 700, 702 mit zuordnet Leiterbahnen 22, 24 der zweiten Hauptfläche 20 mittels einer nicht dargestellten Lotverbindung elektrisch leitend verbunden. Dieses Widerstandsbauelement 70 bildet hier das zu kühlende elektronische Bauelement 7 aus. Nicht dargestellt, aber gegebenenfalls vorteilhaft, kann zwischen der Leiterplatte 1 und dem Widerstandsbauelement 70 ein wärmeleitender und elektrisch isolierender Werkstoff angeordnet sein. Dieser ist vorzugsweise gelartig oder pastös ausgebildet und weist einen wärmeleitenden Füllstoff, beispielhaft einen keramischen Füllstoff, auf.
-
Weiterhin weist die Leiterplatte 1, aufgrund ihrer mehrlagigen Ausgestaltung, zwei Lagen mit im Inneren der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen 16 auf. Diese sind fachüblich ausgebildet.
-
Die Leiterplatte 1 weist eine dem Widerstandsbauelement 70 zugeordnete Kühleinrichtung 40 auf. Diese Kühleinrichtung 40 ist ausgebildet als eine von der ersten Hauptfläche 10 der Leiterplatte 1 in diese, genauer in derer Isolierstoffkörper, hineinreichende erste Ausnehmung 3. Diese ist wannenartig mit einem Wannenboden 30 ausgebildet, wobei der Wannenboden 30 hier bis in die zweite Lage der mehrlagigen Leiterplatte 1 hineinreicht. Von diesem Wannenboden 30 stehen in Richtung der ersten Hauptfläche mesaartige, oder auch domartige, Strukturelemente 5 hervor.
-
Der Einfachheit halber sind diese Strukturelemente 5 freigestellte Teile der Leiterplatte 1 selbst. Diese werden beispielhaft ausgebildet, indem die Strukturelemente 5 aus dem Leiterplattenkörper mechanischen mittels Fräsen, oder auch chemisch mittels eines Ätzvorgangs, oder in einer Kombination hieraus freigestellt werden. Es handelt sich bei diesen Strukturelementen 5 somit um vom Wannenboden 30 hervorragende Quader aus dem Material der Leiterplatte 1, die eine Höhe aufweisen, die gleich der Tiefe der ersten Ausnehmung 3 ist.
-
Einer dieser Quader, hier der mittlere, weist noch eine zweite, quaderförmige Ausnehmung 9 (vgl. auch 5) auf, die durch diesen Quader zentral von der ersten 10 zur zweiten Hauptfläche 20 hindurchreicht.
-
Die erste Ausnehmung 3 bildet gemeinsam mit den Strukturelementen die Grundform und damit die Oberflächenkontur 4 der Kühleinrichtung 40 aus. Diese Oberflächenkontur 4 ähnelt fachüblichen Kühleinrichtungen, wie hier einem sog. Pin-Fin-Kühler. Der Wirkungsgrad zur Wärmeabgabe einer derartigen Oberflächenkontur 4, der genannten Grundform der Kühleinrichtung, ist nicht ausreichen um das auf der zweiten Hauptfläche 20 angeordnete und der Kühleinrichtung 40 zugeordnete zu kühlende Widerstandsbauelement 70 ausreichend zu kühlen. Daher ist die Grundform, hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit vollständig und auch am Rand überlappend mit einer dicken Metallschicht 6 bedeckt.
-
Diese dicke Metallschicht 6 ist aus einem sehr gut Wärme leitenden Material, hier Kupfer, ausgebildet. Kupfer bietet sich zudem an, weil es ein fachübliches Material der Leiterplattenfertigung ist. Das Kupfer hat hier eine ungefähre Dicke von 25µm. Es kann vorteilhaft sein auf der Oberfläche noch eine weitere Metallschicht, beispielhaft eine dünne Goldschicht mit einer Dicke von weniger als 1µm anzuordnen. Diese Goldschicht dient insbesondere der Verhinderung der Oxidation der Kupferschicht, Eine derartige Oxidschicht könnte die Wärmeabgabe der Kupferschicht verschlechtern. Beide Schichten zusammen bilde also die dicke Metallschicht 6 aus.
-
Die dicke Metallschicht 6 reicht hier auch in die zweite Ausnehmung 9 hinein und bis an die zweite Hauptfläche 20 der Leiterplatte 1, hier direkt unterhalb des zu kühlenden Widerstandsbauelements 70 heran.
-
Erfindungsgemäß wird also das Widerstandsbauelement 70 durch die Leiterplatte 1 hindurch mittels einer Kühleinrichtung 40, die integraler Bestandteil der Leiterplatte 1 selbst ist und die ausschließlich durch in der Herstellung der Leiterplatte 1 übliche Prozesse ausgebildet werden kann, gekühlt.
-
2 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 1 einer erfindungsmäßen Schaltungsanordnung in Schnittansicht. Die grundsätzliche Ausgestaltung der Leiterplatte 1 folgt derjenigen gemäß 1. Im Unterschied hierzu ist hier die dicke Metallschicht 6 nicht vollflächig ausgebildet, sondern weist zwei Unterbrechungen auf.
-
Diese Unterbrechungen weisen eigenen Metallsierungen auf, die als Kontakteinrichtungen 120, 122 für die Stromversorgung 80, 82 eines Ventilators 8, der die Kühleinrichtung 40 mit einer Luftströmung beaufschlagen kann, ausgebildet sind (vgl. auch 3).
-
3 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 1 einer erfindungsmäßen Schaltungsanordnung in Draufsicht. Dargestellt ist die erste Ausnehmung 3 aus der in Richtung der ersten Hauptfläche 10 mesaartig quaderförmige Strukturelemente 50 mit quadratischer Grundfläche hervorstehen. Beispielhaft sind auch noch andere Grundflächen der Strukturelemente dargestellt, die als Raute 52 oder Kreis 54 ausgebildet sind.
-
Ebenfalls beispielhaft ist für ein Strukturelemente eine zweite Ausnehmung 9 dargestellt, die hier, im Gegensatz zu 1, zylinderförmige ausgebildet ist.
-
Weiterhin dargestellt ist sind zwei Strukturelemente 5, die Kontakteinrichtungen 120, 122 für die Stromversorgung eines nicht dargestellten Ventilators 8 (vgl. 2) aufweisen, wobei diese Kontakteinrichtungen 120, 122 und ihre Zuleitungen 124, 126 von der hier ebenfalls nicht explizit dargestellten dicken Metallschicht 6 elektrisch isoliert sind.
-
4 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 1 einer weiteren die Erfindung im Grunde weiter erläuternde Schaltungsanordnung in Draufsicht. Die Kühleinrichtung 40, genauer deren Oberflächenkontur 4 ist hier grabenartig mit einer Mehrzahl von Gräben 300 ausgebildet, die in Längsrichtung zueinander angeordnet sind.
-
5 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 1 einer erfindungsmäßen Schaltungsanordnung in dreidimensionaler Ansicht. Dargestellt ist wiederum die erste Ausnehmung 3 der Leiterplatte 1, die sich von der ersten Hauptfläche 10 der Leiterplatte 1 in diese hinein erstreckt. Durch die oben beschriebenen Verfahren ist hier eine zweidimensionale Matrix von quaderförmigen Strukturelementen 5 ausgebildet. Zwei Reihen dieser Strukturelementen 5 weisen eine geringere Höhe als die übrigen Reihen auf, deren Höhe hier wiederum der Tief der ersten Ausnehmung 3 entspricht.
-
Ebenso beispielhaft ist für ein Strukturelement 5 dargestellt, dass dieses eine zweite Ausnehmung 9 aufweisen kann. Grundsätzlich können sich diese zweiten Ausnehmungen 9 auch von dem Wannenboden 30 aus zur zweiten Hauptfläche hin erstrecken.
