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Der vorliegende Ansatz bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines aktiven Kühlelements für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs, auf ein aktives Kühlelement für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs und auf eine Leiterplatte mit einem aktiven Kühlelement.
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Bei Leiterplatten für Leistungshalbleiter ist es erforderlich, Verlustwärme schnell von Bauelementen und der Leiterplatte abzuführen. Bestehende Steuerungen für Fahrzeuge wie Getriebesteuerungen basieren in der Regel auf einem Einsatz von FR4/FR5-Systemen. Die darauf bestückten Leistungshalbleiter werden u.a. durch die Leiterplatte hindurch gekühlt. Am Markt erhältliche Lösungen zur Entwärmung sind ein Einsatz von thermischen Vias, Inlays, eingebetteten Metallteilen und/oder Sonderbauten mit Kühlkanälen.
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Vor diesem Hintergrund schafft der vorliegende Ansatz ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines aktiven Kühlelements für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs, weiterhin ein verbessertes aktives Kühlelement für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs und letztlich eine verbesserte Leiterplatte mit einem aktiven Kühlelement gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines aktiven Kühlelements für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs umfasst zumindest einen Schritt des Bereitstellens und einen Schritt des dreidimensionalen Herstellens. Im Schritt des Bereitstellens wird ein Material bereitgestellt, das zumindest teilweise Kupfer umfasst. Im Schritt des dreidimensionalen Herstellens wird das aktive Kühlelement unter Verwendung zumindest des Materials hergestellt.
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Bei der Steuerung kann es sich um eine Getriebesteuerung oder eine Steuerung für eine Elektromobilität des Fahrzeugs handeln. Die Verwendung eines kupferhaltigen Materials für das aktive Kühlelement ermöglicht vorteilhafterweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Der Schritt des dreidimensionalen Herstellens kann beispielsweise durch einen Drucker erfolgen, der dazu ausgebildet ist, um dreidimensional zu drucken. Dies ermöglicht eine schnelle und günstige Herstellung des aktiven Kühlelements. Ein Kühlmittel für das aktive Kühlelement kann hierbei durch einen bereits bestehenden Kühlkreislauf des Fahrzeugs bereitgestellt und durch das aktive Kühlelement genutzt werden, wenn das aktive Kühlelement in der Leiterplatte der Steuerung des Fahrzeugs angeordnet ist.
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Das Verfahren kann gemäß einer Ausführungsform aber auch zusätzlich oder alternativ einen Schritt des Einfüllens eines Kühlmittels umfassen, in dem ein Kühlmittel in das aktive Kühlelement eingefüllt wird, insbesondere wobei im Schritt des Einfüllens ein Kühlmittel eingefüllt werden kann, das elektrisch isolierend ist. So kann der Kühlkreislauf direkt in dem aktiven Kühlelement angeordnet sein. Das Kühlmittel ist vorteilhafterweise elektrisch isolierend, da verschiedene Potentiale in einem elektrischen Schaltkreis vorhanden sein können.
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Im Schritt des dreidimensionalen Herstellens kann ein aktives Kühlelement hergestellt werden, das eine Höhe von höchstens 400 µm aufweist. Eine solche Höhe überschreitet eine herkömmliche Höhe einer Dickkupferschicht von 210 µm bis 400 µm nicht. Das aktive Kühlelement kann demnach eine Höhe zwischen 210 µm und 400 µm aufweisen und somit vorteilhafterweise anstelle einer solchen Dickkupferschicht in der Leiterplatte aufgenommen werden.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn im Schritt des dreidimensionalen Herstellens eine innenliegende Struktur des aktiven Kühlelements hergestellt wird, die zumindest ein im Querschnitt dreieckig ausgeformtes Ableitelement aufweist. Ein solches Ableitelement kann wie ein Wärmetauscher wirken und ermöglichen, dass Wärme schnell in ein anderes Medium übergeht.
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Ein aktives Kühlelement für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs ist zumindest teilweise aus Kupfer ausgeformt. Ein solches aktives Kühlelement kann durch eine Variante des zuvor vorgestellten Verfahrens hergestellt worden sein. So kann das aktive Kühlelement zumindest teilweise mittels eines dreidimensionalen Herstellungsverfahrens hergestellt worden sein. Ein solches aktives Kühlelement kann als Ersatz für bekannte aktive Kühlelemente dienen, mit dem Vorteil, dass das hier vorgestellte aktive Kühlelement durch das zumindest teilweise Kupfer aufweisende Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und dadurch, dass es sich um ein aktives Kühlelement handelt, schnell und effektiv kühlen kann.
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Das aktive Kühlelement kann eine Höhe von höchstens 400 µm aufweist, um anstelle einer Dickkupferschicht in der Leiterplatte aufnehmbar zu sein.
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Wenn das aktive Kühlelement gemäß einer Ausführungsform eine innenliegende Struktur aufweist, die zumindest ein im Querschnitt dreieckig ausgeformtes Ableitelement aufweist, kann das Ableitelement wie ein Wärmetauscher wirken und ermöglichen, dass Wärme schnell durch das aktive Kühlelement in ein anderes Medium übergeht.
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Eine Leiterplatte weist zumindest eines der vorgestellten aktiven Kühlelemente auf. Bei der Leiterplatte kann es sich um eine Leiterplatte handeln, die zur Aufnahme von zumindest einem Leistungshalbleiter ausgeformt ist. Eine solche Leiterplatte kann als Ersatz für bekannte Leiterplatten dienen, mit dem Unterschied, dass die hier vorgestellte Leiterplatte die bereits beschriebenen Vorteile des aktiven Kühlelementes bzw. des Verfahrens realisiert. Die Leiterplatte weist zudem eine hohe Lebensdauer auf, da eine Temperatur der Leiterplatte durch das zumindest eine aktive Kühlelement gering ist.
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Das aktive Kühlelement kann hierbei zumindest teilweise in die Leiterplatte einlaminiert sein. In einem einlaminierten Zustand kann das aktive Kühlelement sicher in der Leiterplatte aufgenommen sein.
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Wenn zumindest ein Teil des aktiven Kühlelements aus der Leiterplatte hervorsteht, kann dieser Teil ein elektrisches Verbinden des aktiven Kühlelements mit einem elektrischen Schaltkreis außerhalb der Leiterplatte ermöglichen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das aktive Kühlelement zwischen einem zumindest teilweise aus Kupfer ausgeformten Kern der Leiterplatte und/oder einem zumindest teilweise aus Kupfer ausgeformten Durchkontaktierungselement, das auch als Via bezeichnet werden kann, der Leiterplatte und/oder einer Lage, die auch als Prepreg, deutsch: vorimprägnierte Faser, bezeichnet werden kann, der Leiterplatte angeordnet sein.
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Das aktive Kühlelement kann über zumindest eine Öffnung in der Leiterplatte elektrisch an einen elektrischen Schaltkreis kontaktiert sein. Die Öffnung kann eine Laserbohrung in zumindest einer Komponente der Leiterplatte sein. So kann das aktive Kühlelement innerhalb der Leiterplatte an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen sein.
- 1 eine Querschnittdarstellung einer Leiterplatte mit einem aktiven Kühlelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Querschnittdarstellung eines aktiven Kühlelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine Querschnittdarstellung einer Leiterplatte mit einem aktiven Kühlelement gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines aktiven Kühlelements für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des vorliegenden Ansatzes 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 eine Querschnittdarstellung einer Leiterplatte 100 mit einem aktiven Kühlelement 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Leiterplatte 100 ist zur Verwendung für eine Steuerung eines Fahrzeugs ausgeformt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das aktive Kühlelement 105 vollständig in der Leiterplatte 100 aufgenommen. Das aktive Kühlelement 105 ist zumindest teilweise aus Kupfer ausgeformt.
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Es folgt eine detaillierte Beschreibung des Ansatzes: Die hier vorgestellte Leiterplatte 100 mit dem aktiven Kühlelement 105 kann engl. auch als PCB-active-cooling bezeichnet werden. Ermöglicht wird durch den hier vorgestellten Ansatz eine kompakte kostengünstige Leiterplatte 100 mit integriertem aktiven Kühlelement 105 für den Bereich Automotive, wie z.B. für integrierte Getriebesteuerungen und/oder Steuerungen für eine E-Mobilität des Fahrzeugs. Bei Leiterplatten 100 für Leistungshalbleiter ist es zwingend erforderlich, Verlustwärme schnell von Bauelementen und der Leiterplatte 100 abzuführen. Um dies zu realisieren, wird zumindest das eine aktive Kühlelement 105 in die Leiterplatte 100 bestückt und einlaminiert. Das aktive Kühlelement 105 ist aus Kupfer, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu nutzen. Weiterhin ist das aktive Kühlelement 105 so geformt, dass ein Anschluss an einen Kühlkreislauf gegeben ist.
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2 zeigt eine Querschnittdarstellung eines aktiven Kühlelements 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um das anhand von 1 beschriebene aktive Kühlelement 105 handeln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das aktive Kühlelement 105 im Querschnitt rechteckig ausgeformt und weist eine innenliegende Struktur auf, die zumindest ein im Querschnitt dreieckig ausgeformtes Ableitelement 200 aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das aktive Kühlelement 105 vier der Ableitelemente 200 auf, die sich alternierend in eine entgegengesetzte Richtung erstrecken. Zwischen den Ableitelementen 200 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Kühlmittel 205 angeordnet. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Kühlmittel 205 auch außerhalb des aktiven Kühlelements 105 angeordnet sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das aktive Kühlelement 105 durch ein dreidimensionales Herstellungsverfahren hergestellt und mit einem elektrisch isolierenden Kühlmittel 205 befüllt worden.
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3 zeigt eine Querschnittdarstellung einer Leiterplatte 100 mit einem aktiven Kühlelement 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 1 beschriebene Leiterplatte 100 mit dem in 2 beschriebenen aktiven Kühlelement 105 handeln, mit dem Unterschied, dass ein Teil 300 des aktiven Kühlelements 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus der Leiterplatte 100 hervorsteht.
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Das aktive Kühlelement 105 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen einem zumindest teilweise aus Kupfer ausgeformten Kern 305 der Leiterplatte 100 und einem zumindest teilweise aus Kupfer ausgeformten Durchkontaktierungselement 310 der Leiterplatte 100 und einer das Durchkontaktierungselement 310 umschließenden Lage 315 der Leiterplatte 100 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das aktive Kühlelement 105 zumindest teilweise in die Leiterplatte 100 einlaminiert worden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das aktive Kühlelement 105 eine Höhe 320 von 210 µm auf. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist das aktive Kühlelement 105 eine Höhe von höchstens 400 µm auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Leiterplatte 100 auf einer Oberseite und auf einer Unterseite Außenschichten 325 auf, die zumindest teilweise Kupfer aufweisen. Die Leiterplatte 100 weist weiterhin über und unter dem mittig in der Leiterplatte 100 angeordneten Kern 305, den Kern 305 kontaktierende Kupferschichten 330 auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Höhe von 210 µm aufweisen. Das aktive Kühlelement 105 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Teilbereich einer Kupferschicht 330 ersetzend in der Leiterplatte 100 aufgenommen.
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Das aktive Kühlelement 105 kann über den aus der Leiterplatte 100 hervorstehenden Teil 300 elektrisch an einen elektrischen Schaltkreis kontaktiert werden. Wenn das aktive Kühlelement 105 wie in 1 dargestellt vollständig in die Leiterplatte aufgenommen ist, ist das aktive Kühlelement 105 über zumindest eine Öffnung in einer Komponente der Leiterplatte 100 elektrisch an den elektrischen Schaltkreis kontaktierbar.
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Im Folgenden werden bereits beschriebene Details von Ausführungsbeispielen der Erfindung noch einmal genauer ausgeführt:
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Das aktive Kühlelement 105 weist eine Bauhöhe auf, die nicht höher ist als eine Dickkupferschicht, hier als die Kupferschicht 330. In der Regel sind Dickkupferschichten ca. 210 µm bis 400µm hoch. Innerhalb des aktiven Kühlelements 105 ist eine Struktur vorhanden, die so ausgestaltet ist, dass Wärme wie bei einem Wärmetauscher zügig in ein anderes Medium übergeht. Neuartige Verfahren wie z.B. 3D-Drucken von Metallen machen dies möglich. Des Weiteren kann das aktive Kühlelement 105 elektrisch an den elektrischen Schaltkreis kontaktiert werden, der auch als Schaltung bezeichnet werden kann, um zusätzlich Strom von A nach B zu führen, dies kann unter anderem durch galvanische Prozesse erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch die Leiterplatte 100 gekühlt wird, die auch als Leiterbahn bezeichnet werden kann, und dadurch kleiner gestaltet werden kann, d.h., delta T wird geringer. Zu beachten ist, dass das Kühlmittel des aktiven Kühlelements 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise nicht elektrisch leitend ist, da verschiedene Potentiale in dem elektrischen Schaltkreis vorhanden sind.
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Zusammengefasst ermöglicht der vorgestellte Ansatz im Gegensatz zu bekannten Kühlvorrichtungen eine höhere Leistungsdichte, eine Verwendung von Leiterplatten 100 mit geringer Komplexität, bei denen eine Lagenanzahl reduziert ist, da ein höherer Stromtransport möglich ist. Der Ansatz ermöglicht weiterhin eine kompakte Bauweise und eine höhere Lebensdauer der Leiterplatte 100, da eine Temperatur auf der bestückten Leiterplatte 100 geringer ist, als bei bekannten Leiterplatten.
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Die Kühlung erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel über einen eigenen Kühlkreislauf oder gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel über einen bestehenden Kühlkreislauf im Fahrzeug. Das aktive Kühlelement 105 kann als Leiter so wie eine Kupferbahn betrachtet werden. Eine Anbindung an den elektrischen Schaltkreis erfolgt über Laserbohrungen/Galvanikprozess, beispielsweise durch einen µVia-Locher bei einem HDI-PCB-Aufbau der Leiterplatte 100.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen eines aktiven Kühlelements für eine Leiterplatte für eine Steuerung eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um ein Verfahren 400 zum Herstellen eines der anhand einer der vorangegangenen Figuren beschriebenen aktiven Kühlelemente handeln. Das Verfahren 400 umfasst zumindest einen Schritt 405 des Bereitstellens und einen Schritt 410 des dreidimensionalen Herstellens. Im Schritt 405 des Bereitstellens wird ein Material bereitgestellt, das zumindest teilweise Kupfer umfasst. Im Schritt 410 des dreidimensionalen Herstellens wird das aktive Kühlelement unter Verwendung zumindest des Materials hergestellt.
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Optional wird im Schritt 310 des dreidimensionalen Herstellens gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein aktives Kühlelement hergestellt, das eine Höhe von höchstens 400 µm aufweist. Zudem wird optional im Schritt 310 des dreidimensionalen Herstellens gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine innenliegende Struktur des aktiven Kühlelements hergestellt, die zumindest ein im Querschnitt dreieckig ausgeformtes Ableitelement aufweist. Optional weist das Verfahren 400 gemäß diesem Ausführungsbeispiel weiterhin einen Schritt 415 des Einfüllens auf, in dem ein Kühlmittel in das aktive Kühlelement eingefüllt wird, das elektrisch isolierend ist. Im Schritt 415 des Einfüllens kann gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel auch ein Kühlmittel in das aktive Kühlelement eingefüllt werden, das nicht elektrisch isolierend ist.
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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 kann dies so gelesen werden, 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.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leiterplatte
- 105
- aktives Kühlelement
- 200
- Ableitelement
- 205
- Kühlmittel
- 300
- Teil
- 305
- Kern
- 310
- Durchkontaktierungselement
- 315
- Lage
- 320
- Höhe
- 325
- Außenschicht
- 330
- Kupferschicht
- 400
- Verfahren
- 405
- Schritt des Bereitstellens
- 410
- Schritt des dreidimensionalen Herstellens
- 415
- Schritt des Einfüllens
