DE102016224232B4

DE102016224232B4 - Leiterplattenvorrichtung

Info

Publication number: DE102016224232B4
Application number: DE102016224232.6A
Authority: DE
Inventors: Gerd Schlager
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: DE102016224232A1

Abstract

Leiterplattenvorrichtung, umfassend eine Leiterplatte (1), wobei die Leiterplatte (1) zumindest an einer Seite der Leiterplatte (1) mit elektronischen Bauteilen (2) bestückt ist, wobei ein Kühlmedium (3) benachbart der Leiterplatte (1), an der zumindest einen mit elektronischen Bauteilen (2) bestückten Seite, angeordnet ist, wobei das Kühlmedium (3) elektrisch leitfähig ist und dass zwischen Kühlmedium (3) und elektronischen Bauteilen (2) eine Trennfolie (4) angeordnet ist, wobei die Trennfolie (4) elektrisch isolierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) eine Oberflächenstruktur zur Verbesserung des Wärmeübergangs aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplattenvorrichtung, umfassend eine Leiterplatte, wobei die Leiterplatte zumindest an einer Seite der Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen bestückt ist.
Stand der Technik
Derartige Leiterplatten die zumindest an einer Seite der Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen bestückt sind, sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, wie insbesondere auch in Steuergeräten, zum Beispiel in Fahrzeugen verwendet.
Im Betrieb erzeugen bestückte Leiterplatten Abwärme, die bekanntermaßen von den elektronischen Bauteilen abgeführt werden kann.
Die Kühlung einer Leiterplatte erfolgt in der Regel durch Ableitung der Wärme über Schraubpunkte an ein Gehäuse und durch konvektive Kühlung des Gehäuses.
Das Innere des Gehäuses ist üblicherweise mit Luft gefüllt, welche als thermischer Isolator eine effektive (großflächige) Wärmeableitung an das Gehäuse verhindert.
Zwar kann durch eine im Gehäuse integrierte Wasserkühlung die Wärme - im Vergleich zu einer konvektiven Kühlung - effizienter von diesem abgeführt werden, der Nachteil der thermischen Isolation zwischen Leiterplatte und Gehäuse durch die dort befindliche Luft kann dadurch nicht behoben werden.
Die DE 100 38 178 A1 offenbart beispielsweise ein Schaltungsmodul, insbesondere Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, mit mindestens einem Halbleiterbauelement, welches auf einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, insbesondere einem Keramiksubstrat befestigt ist, das wiederum an seiner unteren Oberfläche auf einer Bodenplatte insbesondere einer Metallträgerplatte befestigt ist, sowie einem Kühlkörper, auf welchem die Bodenplatte, befestigt ist, wobei der Kühlkörper eine Kühlschiene ist.
Die EP 0 268 081 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen hoher Leistung mit den Merkmalen: die Vorrichtung umfasst einen Kühlkörper mit wenigstens einem Hohlraum; der Hohlraum ist teilweise mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt; und der Hohlraum im Kühlkörper weist zu einer Seite hin eine Öffnung auf, wobei diese Öffnung des Hohlraumes durch einen Wärmeableiter verschlossen ist.
Um die Effizienz der Kühlung zu steigern kann eine dielektrische Flüssigkeit möglichst nahe an die Leiterplatte und die zu kühlenden Flächen herangeführt werden. Um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern müssen dielektrische Flüssigkeiten, mit geringer Wärmekapazität und Wärmeleitung, verwendet werden.
Die DE 10 2012 216 086 A1 offenbart Merkmale, die unter den Oberbegriff des Anspruchs 1 fallen. Die DE 10 2012 218 561 A1 und DE 10 2014 013 958 A1 sind weiterer Stand der Technik.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplattenvorrichtung der genannten Art anzugeben, die eine effiziente und kostengünstige Wärmeableitung ermöglicht. Die Erfindung wird durch Anspruch 1 definiert.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Leiterplattenvorrichtung, umfassend eine Leiterplatte, wobei die Leiterplatte zumindest an einer Seite der Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen bestückt ist, wobei ein Kühlmedium benachbart der Leiterplatte, an der zumindest einen mit elektronischen Bauteilen bestückten Seite, angeordnet ist, wobei das Kühlmedium elektrisch leitfähig ist und wobei zwischen dem Kühlmedium und den elektronischen Bauteilen eine Trennfolie angeordnet ist, wobei die Trennfolie elektrisch isolierend ist.
Erfindungsgemäß ist eine zwischen den elektrischen Bauteilen und der Leiterplatte einerseits und dem Kühlmedium, das elektrisch leitfähig sein kann, andererseits eine elektrisch isolierende Trennfolie angeordnet.
Vorzugsweise ist die Elektronik vom Kühlmedium nur durch die Trennfolie getrennt, ohne dazwischen liegende Luftschichten, und bevorzugt auch ohne sonstige Zwischenlagen.
Durch eine möglichst an der Leistungselektronik anliegende, elektrisch isolierende jedoch thermisch gut leitende Trennschicht, kann ein hoher Überdeckungsgrad des thermischen Interfaces realisiert werden und eine annähernd direkte Kühlung der elektrischen Bauteile und der Leiterplatte, beispielsweise durch Wasser oder Glykol oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, erreicht werden, um so mit deutlich höherer Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit die Elektronik zu kühlen.
Ein Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit der Verwendung von bekannten Kühlmedien mit hoher Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit, insbesondere elektrisch leitfähiger Kühlmedien, wie z.B. Wasser oder Wasser-Glykol-Gemische.
Die Trennfolie ist vorzugsweise dicht für das Kühlmedium und weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf.
Die Trennfolie ist auf die elektronischen Bauteile und bevorzugt auch auf Abschnitte der Leiterplatte zwischen den elektronischen Bauteilen aufgebracht.
Vorzugsweise ist die Trennfolie in flüssiger Form aufgebracht, insbesondere durch Tauchen oder Sprühen, insbesondere mit anschließendem Aushärten zum Beispiel durch Wärmebehandlung und/oder UV-Bestrahlung.
Die Kapselung der Leistungselektronik mit der Trennfolie kann beispielsweise auch durch Aufschrumpfung oder Vakuumierung erfolgen. Ziel ist, die Folie dabei möglichst eng an der Leistungselektronik anliegen zu lassen und sämtliche Lufteinschlüsse zu eliminieren, um einen hochprozentigen Flächen-Überdeckungsgrad am thermischen Interface zwischen Leistungselektronik und Folie zu realisieren. Erschwert wir dies vor allem durch geometrische Hinterschneidungen der elektronischen Bauteile (Widerstände, Kondensatoren, etc) oder scharfkantige oder spitze Oberflächen (z.B. Lötstellen, Pins, etc).
Die thermisch leitfähige Folie kann möglichst dünn ausgeführt werden, um einerseits eine effektive Wärmeabgabe an das Kühlmedium sicherzustellen und andererseits eine hohe Flexibilität (Dehnbarkeit) aufzuweisen, um eine möglichst eng anliegende Kapselung zu gewährleisten.
Die Folie sollte jedoch eine ausreichende Dicke aufweisen, um eine Beschädigung (reißen) während der Kapselung (schrumpfen oder vakuumieren) zu verhindern.
Die Trennfolie weist erfindungsgemäß eine Oberflächenstruktur zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf, insbesondere Turbulatoren und/oder Nanotubes.
Eine erfindungsgemäße Trennfolie kann auch auf beiden Seiten der Leiterplatte aufgebracht sein.
Vorzugsweise ist die Leiterplatte an der zumindest einen, mit elektronischen Bauteilen bestückten Seite zusammen mit dem Kühlmedium von einem ersten Gehäuseteil umgeben. Das Gehäuseteil kann beispielsweise zusammen mit einem oder weiteren Gehäuseteilen das Kühlmedium aufnehmen. Im Bereich der Ränder der Leiterplatte und/oder des Gehäuses kann das Gehäuse gegenüber der Leiterplatte und/oder gegenüber einem zweiten Gehäuseteil abgedichtet sein.
Bevorzugt ist die zweite Seite der Leiterplatte von einem zweiten Gehäuseteil umgeben, wobei bevorzugt der erste und der zweite Gehäuseteil durch eine außen umlaufende Dichtung zueinander abgedichtet sind.
Bevorzugt ist die Leiterplatte auf beiden Seiten mit elektronischen Bauteilen bestückt und das Kühlmedium ist, benachbart der Leiterplatte, an beiden mit elektronischen Bauteilen bestückten Seiten, angeordnet. Zwischen Kühlmedium und elektronischen Bauteilen kann dann auf beiden Seiten der Leiterplatte eine Trennfolie wie zuvor beschrieben angeordnet sein. Es kann beispielsweise durchgehend auf beiden Seiten die selbe Trennfolie verwendet werden oder je eine Trennfolie für jede Seite der Leiterplatte verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. ist eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leiterplattenvorrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der Fig. ist eine erfindungsgemäße Leiterplattenvorrichtung dargestellt, welche eine Leiterplatte 1 umfasst, die an beiden Seiten der Leiterplatte 1 mit elektronischen Bauteilen 2, wie beispielsweise Halbleiterbauteilen, Chips, Transistoren, Widerständen etc. bestückt ist. Ein Kühlmedium 3 ist benachbart der Leiterplatte 1, an zumindest einer der mit elektronischen Bauteilen 2 bestückten Seiten, angeordnet, könnte jedoch auch auf beiden Seiten der Leiterplatte 1 angeordnet sein. Das Kühlmedium 3, beispielsweise Wasser, ist elektrisch leitfähig. Zwischen Kühlmedium 3 und elektronischen Bauteilen 2 ist eine Trennfolie 4 auf die elektronischen Bauteile 2 und auf die Leiterplatte 1 zwischen den elektronischen Bauteilen 2 aufgebracht. Die Trennfolie 4 ist eine dünne, elektrisch isolierende Folie, die vollständig dicht für das Kühlmedium 3 ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.
Die Trennfolie 4 ist auf beide Seiten der Leiterplatte 1 aufgebracht.
Die Trennfolie 4 ist durch Aufschrumpfung auf das Bauteil bestehend aus Leiterplatte 1 und elektrischen Bauteilen 2 aufgebracht.
Die Trennfolie 4 weist eine Oberflächenstruktur zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf oder eine glatte Oberfläche.
Die Leiterplatte 1 ist zusammen mit dem Kühlmedium 3 von einem Gehäuse umgeben, dass aus einem ersten Gehäuseteil 5 und einem zweiten Gehäuseteil 6 besteht. Erster und zweiter Gehäuseteil 5 und 6 weisen an ihren Rändern Flanschbereiche auf, an welchen die Gehäuseteile miteinander verbunden sind. In diesen Flanschbereichen ist die Leiterplatte 1 mit samt der Trennfolie 4 geklemmt. In diesen Flanschbereichen ist ferner eine umlaufende Dichtung 7 angeordnet.
Die erste Gehäusehälfte 5 weist einen Zufluss 8 und einen Abfluss 9 für das Kühlmedium 3 auf. Die Strömungsrichtung am Zufluss 8 und am Abfluss 9 ist jeweils mittels eines Pfeiles dargestellt.
Ein Stromanschluss 10 ist durch die zweite Gehäusehälfte 6 zur Leiterplatte 1 verlegt.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
2: elektronisches Bauteil
3: Kühlmedium
4: Trennfolie
5: erster Gehäuseteil
6: zweiter Gehäuseteil
7: umlaufende Dichtung
8: Zufluss
9: Abfluss
10: Stromanschluss

Claims

Leiterplattenvorrichtung, umfassend eine Leiterplatte (1), wobei die Leiterplatte (1) zumindest an einer Seite der Leiterplatte (1) mit elektronischen Bauteilen (2) bestückt ist, wobei ein Kühlmedium (3) benachbart der Leiterplatte (1), an der zumindest einen mit elektronischen Bauteilen (2) bestückten Seite, angeordnet ist, wobei das Kühlmedium (3) elektrisch leitfähig ist und dass zwischen Kühlmedium (3) und elektronischen Bauteilen (2) eine Trennfolie (4) angeordnet ist, wobei die Trennfolie (4) elektrisch isolierend ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) eine Oberflächenstruktur zur Verbesserung des Wärmeübergangs aufweist.
Leiterplattenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) dicht für das Kühlmedium (3) ist und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.
Leiterplattenvorrichtung nach zumindest einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) auf die elektronischen Bauteile (2) und bevorzugt auch auf Abschnitte der Leiterplatte (1) zwischen den elektronischen Bauteilen (2) aufgebracht ist.
Leiterplattenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) in flüssiger Form aufgebracht ist, insbesondere durch Tauchen oder Sprühen, insbesondere mit anschließendem Aushärten zum Beispiel durch Wärmebehandlung und/oder UV-Bestrahlung.
Leiterplattenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) durch Aufschrumpfung oder Vakuumierung aufgebracht ist.
Leiterplattenvorrichtung nach zumindest einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) Turbulatoren und/oder Nanotubes als Oberflächenstruktur zur Verbesserung des Wärmeübergangs aufweist.
Leiterplattenvorrichtung nach zumindest einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfolie (4) auf beide Seiten der Leiterplatte (1) aufgebracht ist.
Leiterplattenvorrichtung nach zumindest einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) an der zumindest einen mit elektronischen Bauteilen (2) bestückten Seite zusammen mit dem Kühlmedium (3) von einem ersten Gehäuseteil (5) umgeben ist.
Leiterplattenvorrichtung nach zumindest einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite der Leiterplatte von einem zweiten Gehäuseteil (6) umgeben ist, wobei bevorzugt der erste und der zweite Gehäuseteil (5, 6) durch eine außen umlaufende Dichtung (7) zueinander abgedichtet sind.
Leiterplattenvorrichtung nach zumindest einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) auf beiden Seiten mit elektronischen Bauteilen (2) bestückt ist und das Kühlmedium (3) benachbart der Leiterplatte (1), an beiden mit elektronischen Bauteilen (2) bestückten Seiten angeordnet ist, wobei zwischen Kühlmedium (3) und elektronischen Bauteilen (2) auf beiden Seiten der Leiterplatte (1) eine Trennfolie (4) angeordnet ist.