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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärme ableitende Anordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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1 zeigt ein geöffnetes Leistungshalbleitermodul bzw. Steuergerät, das einen Kühlkörper 10 zur Wärmeableitung von zu kühlenden Komponenten, z.B. von Leistungselektronik-Bauteilen oder Strukturen auf der Leiterplatte 30 aufweist. Die von einem solchen Kühlkörper 10 umgebene Elektronik auf der Leiterplatte 30 wird in vielen Anwendungen mediendicht mit einer Moldmasse 20 umspritzt, um empfindliche Elektronikkomponenten gegen Umwelteinflüsse zu schützen. An Stellen des Schaltungsträgers bzw. der Leiterplatte 30 mit besonders heißen Bauteilen wird die Dicke der Moldmasse 20 relativ gering gehalten, um eine Entwärmung der Leiterplatte 30 bzw. der Bauteile über den Kühlkörper 10 zu erleichtern, da eine dünne Umspritzung auch einen besseren Wärmeübergang zum Kühlkörper 10 ermöglicht. Die Spritzkontur wird über die Form des Kühlkörpers10 bestimmt. Besonders heiße Stellen sollen so möglichst direkt am Kühlkörper 10, also an der entsprechenden erhabenen Kontur bzw. Kühlkörperausformung 11 des Kühlkörpers 10, anliegen.
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Im Herstellungsprozess wird die bestückte Leiterplatte 30 mit dem Kühlkörper 10 teilweise bedeckt. In einer Öffnung zwischen Kühlkörper 10 und Leiterplatte 30 wird die Moldmasse 20 mit hohen Druck eingepresst. Dabei kommt es häufig zu Fehlstellen in der Moldmasse 20, auch Lunker genannt. Da der Kühlkörper 10 mit einer großen Fläche relativ nah an den heißen, d.h. kritischen Stellen 11 der Leiterplatte 30 anliegt, kann sich die Moldmasse 20 zwischen Leiterplatte 30 und Kühlkörper 10 an diesen Stellen 11 schlecht verteilen. Zudem ist die Moldmasse 20 an diesen Stellen 11 ohnehin sehr dünn. Wenn nun aufgrund der schlechten Verteilung der Moldmasse 20 offene Kontaktstellen und elektrische Bauteile auf der Leiterplatte 30 nicht mehr abgedichtet sind, besteht das Problem, dass diese aufgrund des fehlenden Schutzes anfällig auf äußere Einflüsse sind, was zu Ausfällen des Leistungshalbleitermoduls bzw. Steuergeräts führen kann.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Wärme ableitende Anordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung bereitzustellen, durch welche die genannten Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bereitgestellt wird eine Wärme ableitende Anordnung zur Kühlung von Komponenten einer Leiterplatte eines Leistungshalbleitermoduls, wenn darauf montiert, wobei die Wärme ableitende Anordnung zumindest eine Kühlkörperausformung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörperausformung an einem der Leiterplatte zugewandten Bereich zumindest einen daran angeordneten Wärme ableitenden Strömungskanal aufweist.
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In einer Ausführung ist zumindest einer der Wärme ableitenden Strömungskanäle als Ausnehmung in der Kühlkörperausformung der Wärme ableitenden Anordnung angeordnet. Durch Bereitstellen einer Ausnehmung wird die Stabilität der Wärme ableitende Anordnung nicht beeinträchtigt.
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Vorteilhafterweise weist jeder der Wärme ableitenden Strömungskanäle eine runde oder eine eckige oder eine keilförmige Form in zumindest eine der x-Achse, der y-Achse oder der z-Achse auf. Durch entsprechende Anordnung und Wahl der Form der Ausnehmungen können unterschiedlichen Fließeigenschaften der Moldmasse berücksichtigt werden und unterschiedliche Tiefen und Breiten realisiert werden.
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In einer Ausführung ist zumindest einer der Wärme ableitenden Strömungskanäle als Durchgangsloch in der Wärme ableitenden Anordnung angeordnet. Somit kann auch die gegenüber liegende Seite der Wärme ableitenden Anordnung bzw. des Kühlkörpers mit Moldmasse bedeckt werden. Dies kann in einigen Anwendungen vorteilhaft sein, wenn der Kühlkörper selbst oder auf dieser Seite vorhandene Komponenten durch die Moldmasse geschützt werden sollen.
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In einer Ausführung ist zumindest einer der Wärme ableitenden Strömungskanäle in der Wärme ableitenden Anordnung derart angeordnet, dass er diese in Richtung der x-Achse oder y-Achse durchquert.
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In einer Ausführung sind mehrere der Wärme ableitende Strömungskanäle vorgesehen, welche die Kühlkörperausformung in einem oder mehreren Bereichen in Richtung der x-Achse und/oder y-Achse zumindest teilweise durchqueren.
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In einer Ausführung ist zumindest einer der Wärme ableitenden Strömungskanäle derart gebildet, dass er in einen Bereich der Wärme ableitenden Anordnung hineinragt und an einem im Bereich der Wärme ableitenden Anordnung befindlichen Ende davon eine Verbreiterung aufweist.
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Vorteilhafterweise ist die Verbreiterung in Form eines Kreises oder eines Rechtecks oder Quadrats gebildet.
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Durch Bereitstellen eines einzelnen oder mehrerer Strömungskanäle in unterschiedlichen Bereichen der Kühlkörperausformung können unterschiedliche zu kühlende Komponenten optimal gekühlt werden, da die Form und Führung der Strömungskanäle auf die entsprechende Komponente auf der Leiterplatte angepasst ist. Die Kühlkörperausformung ist vorteilhafterweise als eine Erhöhung oder Vertiefung in der Wärme ableitenden Anordnung gebildet.
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Ferner wird ein Leistungshalbleitermodul bereitgestellt, aufweisend eine Leiterplatte mit zumindest auf einer seiner Seiten angeordneten zu kühlenden Komponenten. Die beschriebene Kühlkörperausformung ist dabei derart über den zu kühlenden Komponenten angeordnet, dass der zumindest eine Wärme ableitende Strömungskanal über zumindest einem Bereich der zu kühlenden Komponenten angeordnet ist. Eine Moldmasse ist zwischen die Leiterplatte und die Wärme ableitenden Anordnung und in den zumindest einen Wärme ableitenden Strömungskanal zur Abdichtung und Wärmeableitung einbringbar.
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Durch Bereitstellen der Strömungskanäle kann eine optimierte fehlstellenfreie Umspritzung vor allem heißer, kritischer Komponenten mit Moldmasse sichergestellt werden.
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Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls, wobei in einem ersten Schritt die beschriebene Kühlkörperausformung derart über vorgegebene zu kühlenden Komponenten angeordnet wird, dass der zumindest eine Wärme ableitende Strömungskanal über zumindest einem Bereich der vorgegebenen zu kühlenden Komponenten angeordnet ist. In einem zweiten Schritt wird eine Moldmasse zwischen die Leiterplatte und die Wärme ableitende Anordnung und in den zumindest einen Wärme ableitenden Strömungskanal zur Abdichtung und Wärmeableitung derart eingebracht, dass die vorgegebenen zu kühlenden Komponenten durch die Moldmasse mediendicht abgedichtet werden.
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Für das Verfahren ergeben sich dieselben Vorteile wie für die Anordnung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 zeigt eine Ansicht eines geöffneten Leistungshalbleitermoduls mit Leiterplatte, Moldmasse und Wärme ableitender Anordnung gemäß dem Stand der Technik.
- 2a bis 2g zeigen jeweils eine Detailansicht einer Kühlkörperausformung der Wärme ableitenden Anordnung mit unterschiedlichen Wärme ableitenden Strömungskanälen gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine Schnittansicht mit unterschiedlichen Formen für Wärme ableitende Strömungskanäle gemäß unterschiedlichen Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die oben beschriebenen Stellen der Kühlkörperausformung 11 der Wärme ableitenden Anordnung bzw. des Kühlkörpers 10, welche über den vorgegebenen zu kühlenden kritischen (Elektronik-)Komponenten der Leiterplatte 30 angeordnet werden, sind mit erfindungsgemäßen zur Wärme Ableitung optimierten Strömungskanälen 111, 112, 113, 114 versehen, wie schematisch als unterschiedliche Ausführungsformen in 2a bis 2g gezeigt. Diese Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 sind in die Kühlkörperausformung 11 des als Wärme ableitende Anordnung dienenden Kühlkörpers 10 eingebracht, entweder nur bis zu einer gewissen Tiefe in dem Gehäuse, wie in 3 für unterschiedliche Formen gezeigt, oder als Durchgangsloch durch das Gehäuse.
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Diese Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 dienen dazu, die bei der Herstellung des Leistungshalbleitermoduls zwischen Leiterplatte 30 und Kühlkörper 10 eingespritzte Moldmasse 20 gleichmäßig zu verteilen. Dies geschieht unter anderem dadurch, dass die Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 unterschiedlichste Formen aufweisen können, die z.B. an die Fließeigenschaften der Moldmasse 20 angepasst sind, wie in 3 gezeigt. So können sie z.B. die Form einer Rille, einer Einkerbung oder einer Nut aufweisen. Durch die entsprechend gewählte Form stellen sie eine optimale Symbiose aus Einspritzvorgang, Entwärmung, Stressfreiheit und Gussverteilung dar.
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Der Kühlkörper 10, genauer die Kühlkörperausformung 11, kann also direkt an heißen Bauteilen bzw. heißen Stellen der Leiterplatte 30 anliegen, wobei die Kühlkörperausformungen 11 über offenen Leiterbahnen, z.B. Testpunkten, oder über elektrischen Bauteilen angeordnet sind und über die erfindungsgemäßen zur Wärme Ableitung optimierten Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 verfügen. Dadurch können diese kritischen Stellen durch Moldmasse 20 mediendicht abgedichtet werden.
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Durch diese entweder als Aussparungen oder Durchgangslöcher gebildeten Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 im Kühlkörper 10 kann die Moldmasse 20 direkt die kritischen, heißen Stellen unter anderem über Kapillareffekte abdichten. Gleichzeitig liegt der Kühlkörper 10 direkt an den heißen Stellen der Leiterplatte 30 an und sorgt so für eine optimale Entwärmung.
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Auch ist in einer weiteren Ausführung möglich, nur die Bauteile bzw. Leiterplattenabschnitte wie z.B. Testpunkte, die besonders abgedichtet werden müssen, direkt über einen solchen Kanal mit Moldmasse 20 zu befüllen, abzudichten oder diese damit unterlaufen zu lassen. Andere Stellen, an denen keine kritischen Bauteile vorhanden sind, können mit einer dünneren Schicht der Moldmasse 20 umspritzt werden, da eine kleine Fehlbildung hier keine (für die gewünschten Eigenschaften relevante) Auswirkung hat. Entscheidend ist der relativ geringe Abstand des Kühlkörpers 10 zu der Leiterplatte 30 bzw. zu den kritischen, heißen Bauteile, um die Wärme an diesen kritischen Stellen abzuleiten. Deshalb werden über diesen kritischen Stellen die Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 im Kühlkörper 10 gebildet, wobei die Form und Anordnung der Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 abhängig vom zu kühlenden Bauteil gewählt wird.
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Die Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 sind nicht auf einen einzelnen Kanal in der Kühlkörperausformung 11 beschränkt, welcher in einer definierten Richtung, z.B. wie in den 2a bis 2g gezeigt, in Richtung der x-Achse oder der y-Achse führt. Vielmehr kann ein Netzwerk davon in allen Achsenrichtungen, also x-, y- und z-Achse eingebracht werden, um einen spaltlosen Übergang zu gewährleisten.
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2a bis 2g zeigen unterschiedliche Arten von erfindungsgemäßen Strömungskanälen 111, 112, 113, 114. 2a zeigt eine Form, bei der zwei durch eine sehr schmale Wand getrennte Kanäle 111 die Kühlkörperausformung 11 des Kühlkörpers 10 in y-Richtung durchschneiden. In 2e ist ein einzelner breiterer Kanal 111 gezeigt, der die Kühlkörperausformung 11 des Kühlkörpers 10 in y-Richtung durchschneidet, und in 2c durchschneiden zwei breitere Kanäle 111 die Kühlkörperausformung 11 des Kühlkörpers 10 in y-Richtung. In 2b sind zusätzlich zu den in 2a gezeigten Kanälen 111 zwei weitere durch eine dünne Trennwand voneinander getrennte Kanäle 112 in x-Richtung gezeigt. 2d zeigt einen Kanal 111 in y-Richtung und ein Kanal 112 in x-Richtung, welche am gemeinsamen Schnittpunkt miteinander enden, sich also nur dort treffen, aber nicht schneiden. Dabei ist einer der Kanäle 112 weniger breit als der andere Kanal 111. Die in 2f gezeigte Ausführung, bei der ein Kanal 112 in x-Richtung bis zu einem Bereich in etwa in der Mitte der Kühlkörperausformung 11 reicht und dann in einem Kreis 113 endet, bzw. die in 2g gezeigte Ausführung, bei der zur Umrandung eines unter dem Kühlkörper 10 liegenden Bauteils eine Aussparung 114 bereitgestellt wird, sind weitere vorteilhafte Formen für erfindungsgemäße Strömungskanäle 111, 112, 113, 114. Allerdings sind die Formen der Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 nicht auf die gezeigten Formen beschränkt. Vielmehr können Formen gewählt werden, welche für die jeweiligen zu kühlenden kritischen, heißen Bauteile oder andere Komponenten wie Leiterbahnen geeignet bzw. optimiert sind, was wiederum von der Anwendung abhängt.
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Die Kanalform kann dabei für jeden Kanal und sogar innerhalb jedes Kanals unterschiedlich gewählt werden, z.B. rund 1A, eckig 1B bzw. 1D oder keilförmig 1C, oder eine Kombination dieser, wie in 3 gezeigt. Die Tiefe (in z-Richtung) und Breite (in x- bzw. y-Richtung) der Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 sowie die Kanalformen 1A-1D hängen von der jeweiligen Anwendung, den Materialien, dem Herstellungsverfahren und anderen Faktoren ab und können vom Fachmann entsprechend gewählt werden.
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Nicht gezeigt ist, dass auch ein Kanal durch die Kühlkörperausformung 11 durchgängig gebildet sein kann, entweder nur punktuell oder in seiner gesamten Ausdehnung, d.h. Länge und/oder Breite, wobei in dieser Beschreibung beide Möglichkeiten als Durchgangsloch bezeichnet werden.
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Somit kann abhängig von zumindest den Fließ- und Wärmeableiteigenschaften der Moldmasse 20 und des Kühlkörpers 10 das bestmögliche Ergebnis erzielt werden. Durch die entsprechende Formgebung als Durchgangsloch wird das Durchfließen der Moldmasse 20 durch die Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 ermöglicht, so dass die der Leiterplatte 30 abgewandte Fläche und auch dort befindliche Bauteile vollständig benetzt und abgedichtet werden können.
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In der Regel müssen kritische, also heiße Komponenten, meist (Leistungs-) Elektronikkomponenten durch die Kühlkörperausformung 11 des Kühlkörpers 10 gekühlt werden. Diese sind also vorgegebene zu kühlende Komponenten. Allerdings können auch andere Komponenten wie Leiterbahnen vorgegebene zu kühlende Komponenten sein, je nach Anwendung.
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Durch die in der Kühlkörperausformung 11 des Kühlkörpers 10 gebildeten Strömungskanäle 111, 112, 113, 114 wird auch die Stressbelastung aufgrund unterschiedlicher Druckzustände deutlich verringert und der Zwiespalt zwischen Abstand und Sicherstellung der Umspritzung gelöst.
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Zur Herstellung des Leistungshalbleitermoduls 10, 20, 30 wird einem ersten Schritt S1 die beschriebene Wärme ableitende Anordnung 10 derart über vorgegebenen zu kühlenden Komponenten angeordnet, dass der zumindest eine Wärme ableitende Strömungskanal 111, 112, 113, 114 über zumindest einem Bereich der vorgegebenen zu kühlenden Komponenten angeordnet ist. In einem zweiten Schritt S2 wird eine Moldmasse 20 zwischen die Leiterplatte 30 und die Wärme ableitenden Anordnung 10 und in den zumindest einen Wärme ableitenden Strömungskanal 111, 112, 113, 114 zur Abdichtung und Wärmeableitung derart eingebracht, dass die vorgegebenen zu kühlenden Komponenten durch die Moldmasse 20 mediendicht abgedichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlkörper
- 20
- Moldmasse
- 30
- Leiterplatte
- 11
- Kühlkörperausformung
- 111-114
- Strömungskanäle
- 1A-1D
- unterschiedliche Formen der Strömungskanäle
- x, y, z
- x-Achse, y-Achse, z-Achse
