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Die Erfindung betrifft eine kühlbare elektronische Baueinheit und eine elektromotorische Antriebseinrichtung mit der elektronischen Baueinheit.
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Zur Anpassung an eine komplexe Bauraumgeometrie und/oder an im Raum verteilte Anschlüsse zur Kühlung elektronischer Bauelemente ist es oftmals notwendig, eine ein jeweiliges elektronisches Bauelement tragende Leiterplatte zu teilen bzw. mehrere Leiterplatten vorzusehen. Dies erfordert die Verbindung der einzelnen Leiterplatten untereinander durch Leitungselemente und Steckverbindungen. Diese Steckverbindungen haben einen nicht unerheblichen Bauraumbedarf und führen darüber hinaus zu weitergehenden Restriktionen hinsichtlich der Anordnung und Ausrichtungsmöglichkeiten der Leiterplatten.
Zudem erhöhen sie je nach Ausführungsform den Montageaufwand.
Des Weiteren sind die einzelnen Leiterplatten separat zu befestigen, was weiterhin den Bauraumbedarf sowie den Montageaufwand erhöht.
Üblicherweise werden elektronische Bauelemente auf Leiterplatten angeschlossen, die die zu kühlenden Bauelemente über ein sogenanntes Thermal Interface Material, also ein wärmeleitfähiges Material bzw. einen wärmeleitfähigen Körper an eine Kühlungseinheit wärmeleitfähig ankoppeln.
Weiter zum Stand der Technik: Insbesondere bei Integration von elektronischen Bauelementen in Fahrzeugen bestehen oftmals komplex geformte Bauräume bzw. starke Restriktionen hinsichtlich der Positionierungsmöglichkeiten der elektronischen Bauelemente sowie ihrer Ausrichtung im Raum. Aufgrund der hohen Leistungsanforderung ist es weiterhin oftmals notwendig, die verwendeten elektronischen Bauelemente zu kühlen, um ihre Lebensdauer zu erhöhen und/oder um ihren Wirkungsgrad zu verbessern.
Bei der Verwendung von Leitungselementen zwischen einzelnen Leiterplatten ist zudem eine derartige Verlegung zu beachten, dass es bei Betrieb nicht zu einer Beschädigung der Leitungselemente kommen kann.
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Insbesondere eine Steckverbindung interferiert dabei häufig mit Kühlungseinrichtungen.
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1 zeigt diesbezüglich in schematischer Seitenansicht zwei herkömmlich miteinander gekoppelte Leiterplatten 1, die über ein Leitungselement 70 und an beiden Leiterplatten 1 ausgeführte Steckverbindungen 71 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Die Steckverbindungen 71 realisieren die Kontakte an der Leiterplatte 1. Es ist ersichtlich, dass die Steckverbindungen 71 einen relativ großen Bauraumbedarf haben, der die Möglichkeiten der Anordnung der Leiterplatten 1 eingrenzt. An einer der Leiterplatten 1 ist über ein wärmeleitfähiges Material 50 eine Kühleinheit 40 angeschlossen. Diese Kühleinheit 40 dient zur Kühlung eines an der Leiterplatte 1 angeordneten, hier nicht dargestellten elektronischen Bauteils. Über Wärmeleitung kann die Wärme von der Leiterplatte 1 bzw. von dem elektronischen Bauteil auf der Leiterplatte 1 über das wärmeleitfähige Material 50 an die Kühleinheit 40 abgeleitet werden und von dieser an die Umgebung abgegeben werden.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kühlbare elektronische Baueinheit sowie eine damit ausgestattete elektromotorische Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig die Integration von zu kühlenden elektronischen Bauelementen in komplexe Einbauverhältnisse ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße kühlbare elektronische Baueinheit nach Anspruch 1 sowie die erfindungsgemäße kühlbare elektromotorische Antriebseinrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der kühlbaren elektronischen Baueinheit sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine kühlbare elektronische Baueinheit, umfassend zumindest eine Leiterplatte mit wenigstens einem mit der Leiterplatte elektrisch leitfähig verbundenen elektronischen Bauelement sowie einer mit dem elektronischen Bauelement wärmeleitfähig verbundenen Kühleinheit, insbesondere einem Kühlkörper. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterplatte zumindest abschnittsweise als eine flexible Leiterplatte ausgeführt ist.
Die Kühleinheit dient der Wärmeabfuhr aus dem elektronischen Bauelement.
Das bedeutet, dass die zumindest abschnittsweise als flexible Leiterplatte ausgeführte Leiterplatte einen Bereich aufweist, in dem sie eine Biegefestigkeit und/ oder Torsionsfestigkeit aufweist, die gegenüber der Biegefestigkeit und/ oder Torsionsfestigkeit einer starren Leiterplatte der gleichen Dicke maximal ¼ beträgt.
Eine derartige, insbesondere relativ dünn ausgeführte sogenannte Flexleiterplatte kann z. B. auf Basis von Polyimid-Folien realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung der flexiblen Leiterplatte hat den Vorteil, dass die Leiterplatte unter zumindest abschnittsweiser Verformung in eine dreidimensionale Struktur, wie z.B. durch Faltung, optimal an komplexe räumliche Restriktionen und/ oder an Positionen fest installierter Kühleinheiten angepasst werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühleinheit an einem starren Abschnitt der flexiblen Leiterplatte angeschlossen ist. In diesem Fall ist die flexible Leiterplatte als eine sogenannte starrflexible oder auch semiflexible Leiterplatte ausgestaltet. Hier wird ein hinsichtlich Biegung und/ oder Torsion flexibler Bereich realisiert durch Materialwegnahme. Der derart verjüngte Bereich wird typischerweise mit einer dauerflexiblen Lackschicht versehen und lässt sich in ausreichendem Maße umformen. Dabei sollen aber auch Ausführungsformen nicht von der Erfindung ausgeschlossen sein, in der die Kühleinheit an einem flexiblen Abschnitt der flexiblen Leiterplatte angeschlossen ist, bzw. bei der die Leiterplatte vollständig als eine flexible Leiterplatte ausgeführt ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kühleinheit an einem ersten starren Abschnitt der flexiblen Leiterplatte angeschlossen ist, dieser erste starre Abschnitt der flexiblen Leiterplatte an einen flexiblen Abschnitt der flexiblen Leiterplatte angeschlossen ist und dieser flexible Abschnitt der flexiblen Leiterplatte an einen zweiten starren Abschnitt der flexiblen Leiterplatte angeschlossen ist. Durch die Verwendung des flexiblen Abschnittes kann entsprechend ein starrer Abschnitt der Leiterplatte räumlich flexibel positioniert werden bei verringertem Bauraumbedarf, da zwischen den einzelnen Abschnitten der Leiterplatte kein Raum für Steckverbindungen vorzuhalten ist.
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Die flexible Leiterplatte kann mehrere Abschnitte aufweisen, an denen die Leiterplatte wärmeleitfähig mit wenigstens einer Kühleinheit verbunden ist.
So kann die flexible Leiterplatte mehrere Abschnitte aufweisen, an denen die Leiterplatte wärmeleitfähig mit lediglich einer Kühleinheit verbunden ist.
In dieser Ausführungsform ist die Kühleinheit gegebenenfalls dreidimensional ausgestaltet, so dass die einzelnen, mit der Kühleinheit wärmeleitfähig gekoppelten Leiterplatte-Abschnitte in unterschiedlichen räumlichen Ausrichtungen an die Kühleinheit bzw. deren Außenflächen angeschlossen sind.
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In einer alternativen Ausgestaltung weist die flexible Leiterplatte mehrere Abschnitte auf, an denen die Leiterplatte wärmeleitfähig mit jeweils einer Kühleinheit verbunden ist. In dieser Ausführungsform sind somit mehrere, insbesondere räumlich versetzt und/ oder räumlich unterschiedlich ausgerichtete Kühleinheiten vorgesehen, wobei mit jeweils einer Kühleinheit ein Abschnitt der flexiblen Leiterplatte wärmeleitfähig verbunden ist.
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Die Kühleinheit ist vorteilhafterweise zumindest mittelbar mechanisch an der Leiterplatte fixiert. Das heißt, dass die Kühleinheit mittelbar über das elektronische Bauelement oder unmittelbar an der Leiterplatte fixiert ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein flexibler Abschnitt der flexiblen Leiterplatte wenigstens bereichsweise mit einer Vergussmasse beschichtet. Insbesondere kann ein flexibler Abschnitt der flexiblen Leiterplatte mit der Vergussmasse umschlossen bzw. gekapselt sein, gegebenenfalls über seine gesamte Länge. Dadurch wird die mechanische Stabilität des flexiblen Abschnitts und somit die Biege- und/ oder Torsionssteifigkeit der gesamten Leiterplatte erhöht. Dies eröffnet zudem mehr Freiheitsgrade, die damit steifer ausgeführte Leiterplatte an einer umgebenden bzw. benachbarten Struktur zu befestigen. Weiterhin wird dadurch die Gefahr der Beschädigung der Leiterplatte verringert.
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Gemäß einer Ausführungsalternative ist die Kühleinheit dazu eingerichtet, von dem elektronischen Bauelement aufgenommene Wärme an Umgebungsluft abzuführen.
In einer weiteren Alternative ist die Kühleinheit dazu eingerichtet, mit einem Kühlfluid angeströmt und/ oder durchströmt zu werden, zwecks Übertragung von von dem elektronischen Bauelement aufgenommener Wärme an das Kühlfluid.
Im erstgenannten Fall ist die Kühleinheit in einfacher Ausgestaltung ein Kühlkörper, der eine relativ große Oberfläche an der Umgebungsluft realisiert.
In der zweiten genannten Ausgestaltung ist die Kühleinheit Bestandteil eines Kühlsystems, welches die Leitung von Wärme vom elektronischen Bauelement unmittelbar auf die Kühleinheit über Wärmeleitung und mittelbar über Konvektion im Kühlfluid gewährleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem elektronischen Bauelement und der Kühleinheit zumindest eine Schicht wärmeleitfähigen Materials angeordnet.
Diese Schicht wärmeleitfähigen Materials kann auch als „TIM“ (Thermal Interface Material) bezeichnet werden und dient der effizienten Wärmeabfuhr von dem elektronischen Bauelement an die Kühleinheit. Weiterhin kann dadurch auch Wärme von der Leiterplatte selbst an die Kühleinheit übertragen werden.
Diese wärmeleitende Schicht kann insbesondere ein Klebstoff oder auch eine Paste sein.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektromotorische Antriebseinrichtung, welche zumindest eine erfindungsgemäße kühlbare elektronische Baueinheit aufweist. Insbesondere ist die elektromotorische Antriebseinrichtung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingerichtet.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere darin, dass aufgrund der Flexibilität der Leiterplatte eine Anpassung an komplexe Bauraum-Geometrien und/oder an komplexe Kühlkörper-Geometrien erfolgen kann. Des Weiteren sind keine bauraum intensiven Steckverbindungen an einzelnen Leiterplatten bei deren Verteilung im Raum bzw. an Strukturen notwendig.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: eine herkömmliche kühlbare elektronische Baueinheit;
- 2: eine kühlbare elektronische Baueinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Seitenansicht;
- 3: die erfindungsgemäße kühlbare elektronische Baueinheit in einer ersten Variante der Anordnung, und
- 4: die erfindungsgemäße kühlbare elektronische Baueinheit in einer zweiten Variante der Anordnung.
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Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße kühlbare elektronische Baueinheit in schematischer Ansicht von der Seite. Diese umfasst eine Leiterplatte 1, die einen ersten starren Abschnitt 21 sowie einen zweiten starren Abschnitt 22 aufweist.
Die zwei starren Abschnitte 20 sind über einen flexiblen Abschnitt 10 miteinander elektrisch leitfähig verbunden.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist lediglich an den zweiten starren Abschnitt 22 über ein wärmeleitfähiges, in einer Schicht ausgebildetes Material 50 eine Kühleinheit 40 angeschlossen, sodass von dem zweiten starren Abschnitt 22 bzw. von einem daran, hier nicht im Detail gezeigten elektronischen Bauelement 30, Wärme über das wärmeleitfähige Material 50 an die Kühleinheit 40 übertragbar ist.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist der flexible Abschnitt 10 zwischen den beiden starren Abschnitten 20 im Wesentlichen linear bzw. zweidimensional ausgestaltet. Im Sinne der Erfindung kann jedoch dieser flexible Abschnitt 10 eine Krümmung aufweisen, sodass die beiden starren Abschnitte 20 außerhalb einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein können und derart optimal an räumliche Restriktionen bzw. an die Positionen von im Raum angeordneten Kühleinheiten 40 angepasst sein können.
Die 3 und 4 zeigen Ausgestaltungen der kühlbaren elektronischen Baueinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Leiterplatte 1 einen ersten starren Abschnitt 21, einen zweiten starren Abschnitt 22 sowie einen dritten starren Abschnitt 23 umfasst. Zwischen dem ersten starren Abschnitt 21 und dem zweiten starren Abschnitt 22 ist ein erster flexibler Abschnitt 11 der Leiterplatte 1 angeordnet, und zwischen dem zweiten starren Abschnitt 22 und dem dritten starren Abschnitt 23 ist ein zweiter flexibler Abschnitt 12 der Leiterplatte angeordnet.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind dabei alle drei starren Abschnitte 21,22,23 bzw. die daran angeordneten wärmeleitfähigen Materialien 50 an eine gemeinsame Kühleinheit 40 angeschlossen.
Gemäß der Ausführungsform, wie sie in 4 dargestellt ist, ist jedem der starren Abschnitte 21,22,23 jeweils eine Kühleinheit zugeordnet, nämlich dem ersten starren Abschnitt 21 eine erste Kühleinheit 41, den zweiten starren Abschnitt 22 eine zweite Kühleinheit 42 und dem dritten starren Abschnitt 23 eine dritte Kühleinheit 43.
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Es ist ersichtlich, dass durch die flexibel ausgestaltete Leiterplatte 1 diese weitgehend an die Positionen von Kontaktflächen von Kühleinheiten und deren Verteilung sowie Ausrichtung im Raum angepasst werden kann. In 4 ist weiterhin angedeutet, dass ein flexibler Abschnitt 10 von einer Vergussmasse 60 umschlossen sein kann, um die Stabilität dieses flexiblen Abschnitts 10 zu erhöhen und vor Beschädigungen zu schützen. Dadurch werden ebenfalls die Stabilität der gesamten, dreidimensional geformten Leiterplatte 1 erhöht und die Freiheitsgrade hinsichtlich des mechanischen Anschlusses und der Fixierung der Leiterplatte 1 erhöht.
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Die erfindungsgemäße kühlbare elektronische Baueinheit weist den Vorteil auf, dass sie kostengünstig mit geringem Bauraumbedarf in flexibler Weise an bauliche Restriktionen bei Gewährleistung optimaler Kühlung von elektronischen Bauelementen anpassbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 10
- flexibler Abschnitt
- 11
- erster flexibler Abschnitt
- 12
- zweiter flexibler Abschnitt
- 20
- starrer Abschnitt
- 21
- erster starrer Abschnitt
- 22
- zweiter starrer Abschnitt
- 23
- dritter starrer Abschnitt
- 30
- elektronisches Bauelement
- 40
- Kühleinheit
- 41
- erste Kühleinheit
- 42
- zweite Kühleinheit
- 43
- dritte Kühleinheit
- 50
- wärmeleitfähiges Material
- 60
- Vergussmasse
- 70
- Leitungselement
- 71
- Steckverbindung
