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Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zum Austauschen von Wärme zwischen zwei Körpern.
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Ein elektrisches Gerät kann eine Leiterplatte aufweisen, die zwischen zwei Körpern angeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Austausch von Wärme zwischen den beiden Körpern zuzulassen.
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Die Druckschrift
KR 20020086000 A zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte.
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Ein Kühlsystem für ein Datenzentrum ist aus der Druckschrift
US 2019/0166715 A1 bekannt.
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In der Druckschrift
US 2019/0215948 A1 ist ein Verfahren zum Realisieren einer thermischen Dissipation beschrieben.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, zwischen zwei Körpern einen Transport von Wärme zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen der Anordnung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist zum Austauschen und/oder Transportieren von Wärme zwischen zwei bspw. thermischen Körpern bzw. Bauteilen ausgebildet bzw. vorgesehen. Diese Anordnung weist eine Leiterplatte mit mindestens einem ersten Via und mit mindestens einem zweiten Via auf. Dabei ist in die Leiterplatte mindestens eine Wärmetauscherstruktur integriert, die wiederum mindestens zwei Wärmetauscherschichten und eine zwischen den beiden Wärmetauscherschichten angeordnete Zwischenschicht aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Wärmetauscherschichten über die Zwischenschicht einerseits miteinander thermisch verbunden und andererseits voneinander elektrisch isoliert sind. Weiterhin ist eine erste Wärmetauscherschicht der beiden Wärmetauscherschichten dem ersten Körper zugeordnet und mit diesem thermisch in Kontakt bringbar. Eine zweite Wärmetauscherschicht der Wärmetauscherstruktur ist dagegen dem zweiten Körper zugeordnet und mit diesem thermisch in Kontakt bringbar. Dabei ist das mindestens eine erste Via nur mit der ersten Wärmetauscherschicht einer jeweiligen Wärmetauscherstruktur in Kontakt und von der zweiten Wärmetauscherschicht dieser Wärmetauscherstruktur isoliert. Umgekehrt befindet sich das mindestens eine zweite Via nur mit der zweiten Wärmetauscherschicht der Wärmetauscherstruktur in Kontakt und ist von der ersten Wärmetauscherschicht dieser Wärmetauscherstruktur isoliert.
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Jedes Via ist bspw. als thermische Durchkontaktierung ausgebildet und/oder kann als solche bezeichnet werden. In Ausgestaltung sind das mindestens eine erste Via und das mindestens eine zweite Via jeweils durch die zwei Wärmetauscherschichten und die zwischen den beiden Wärmetauscherschichten angeordnete Zwischenschicht geführt.
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Die beiden Wärmetauscherschichten und die dazwischen befindliche Zwischenschicht sind je nach Definition übereinander angeordnet und somit entsprechend geschichtet. Dabei ist vorgesehen, dass jede der beiden Wärmetauscherschichten der Wärmetauscherstruktur dazu ausgebildet ist, Wärme in einer Fläche der Wärmetauscherschicht der Leiterplatte zu transportieren und somit entsprechend zweidimensional zu spreizen.
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In einer Ausgestaltung weist die Leiterplatte mindestens zwei Wärmetauscherstrukturen und mindestens einen zwischen den mindestens zwei Wärmetauscherstrukturen angeordneten Kern auf, der bspw. als Platine ausgebildet bzw. zu bezeichnen ist. Dabei sind die Wärmetauscherstrukturen und der mindestens eine Kern übereinander angeordnet bzw. geschichtet. Jedes Via ist durch den mindestens einen Kern geführt. Die Vias sind dazu konfiguriert bzw. ausgebildet, die Wärme durch den Kern, durch den sie geführt sind, zu transportieren. Somit leiten die Vias die Wärme durch den mindestens einen Kern. Außerdem ist die Zwischenschicht durch ihre relativ dünne Ausprägung bereits wärmeleitend. Die Vias stehen mit jeweils nur einer der beiden Wärmetauscherschichten einer Wärmetauscherstruktur elektrisch und thermisch in Kontakt und übertragen entsprechend Wärme. Durch Vorsehen von unterschiedlichen Vias, d. h. dem mindestens einen ersten Via und dem mindestens einen zweiten Via, die sich dadurch voneinander unterscheiden, dass sie entweder dem ersten oder dem zweiten thermischen Körper zugeordnet sind, ist ein Transport von Wärme durch den Kern möglich. Außerdem wird somit eine vorzusehende elektrische Isolierung bereitgestellt. Die jeweilige Zwischenschicht ist aus dem gleichen Material wie der Kern und deshalb entsprechend nur gering wärmeleitfähig. Allerdings ist sie viel dünner als der Kern, weshalb sie sich für einen Wärmeaustausch zwischen den jeweils zwei Wärmetauscherschichten einer jeweiligen Wärmetauscherstruktur eignet.
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Dabei weist die Leiterplatte bspw. folgenden Aufbau auf: eine erste Wärmetauscherschicht, eine erste Zwischenschicht und eine zweite Wärmetauscherschicht, die alle die erste Wärmetauscherstruktur bilden, den Kern, eine dritte Wärmetauscherschicht, eine zweite Zwischenschicht und eine vierte Wärmetauscherschicht, die die zweite Wärmetauscherstruktur bilden. In diesem Fall ist die Leiterplatte vierlagig ausgebildet und weist vier Wärmetauscherschichten auf. Dabei ist jedes Via bzw. eine thermische Durchkontaktierung quer und/oder senkrecht durch die Leiterplatte geführt.
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Durch Vorsehen von ersten Vias und somit von ersten thermischen Durchkontaktierungen sowie weiterhin von zweiten Vias bzw. von zweiten thermischen Durchkontaktierungen wird zwischen zweierlei Arten von Vias unterschieden, die jedoch alle durch die Leiterplatte und somit durch die Wärmetauscherschichten und den Kern geführt sind, wobei sich derartige unterschiedliche Vias dadurch voneinander unterscheiden, mit welchen weiteren Komponenten der Anordnung sie jeweils elektrisch verbunden und von welchen sie jeweils elektrisch getrennt sind.
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Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Wärmetauscherschichten durch die zwischen den Wärmetauscherschichten befindliche Zwischenschicht elektrisch voneinander isoliert sind. Weiterhin wird die elektrische Isolierung eines Vias innerhalb einer jeweiligen Wärmetauscherschicht durch bspw. ringförmige Freistellungen bzw. entsprechende Isolierelemente erreicht.
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Die vorgestellte Anordnung ist zum Austauschen bzw. Transportieren von Wärme zwischen einer Wärmequelle als bspw. erstem Körper und einer Wärmesenke als bspw. zweitem Körper ausgebildet, wobei die beiden Körper unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
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Die Vias, über die die jeweils eine der beiden Wärmetauscherschichten der jeweiligen Wärmetauscherstruktur mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke verbunden ist, sind dazu ausgebildet, die Wärme durch weitere Schichten der Leiterplatte, bspw. den Kern, zu transportieren, ohne dabei die elektrische Isolierung zwischen den beiden Wärmetauscherschichten zu beeinträchtigen. Dabei ist es möglich, dass die ersten Vias als sogenannte warme Vias lediglich mit dem ersten Körper, bspw. mit einer Wärmequelle, elektrisch verbunden sind, wohingegen die zweiten Vias als sogenannte kalte Vias lediglich mit dem zweiten Körper, bspw. mit einer Wärmesenke, elektrisch verbunden sind.
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In Ausgestaltung ist die erste Wärmetauscherschicht einer oberen Wärmetauscherstruktur über ein erstes thermisches Interface bzw. eine erste thermische Schnittstelle mit dem ersten der beiden Körper und die zweite Wärmetauscherschicht der oberen Wärmetauscherstruktur über Vias bzw. thermische Durchkontaktierungen und über eine zweite thermische Schnittstelle bzw. ein zweites thermisches Interface mit dem zweiten der beiden Körper thermisch kontaktiert. Außerdem ist die erste Wärmetauscherschicht der unteren Wärmetauscherstruktur über die erste thermische Schnittstelle und über Vias bzw. thermische Durchkontaktierungen mit dem ersten der beiden Körper und die zweite Wärmetauscherschicht des unteren Wärmetauschers über die zweite thermische Schnittstelle mit einem zweiten der beiden Körper thermisch kontaktiert.
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In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, dass jeweils ein erstes bzw. warmes Via über die erste thermische Schnittstelle elektrisch mit der Wärmequelle verbunden ist, wohingegen ein zweites kaltes Via über die zweite thermische Schnittstelle mit der Wärmesenke elektrisch verbunden ist. Hierbei ist es möglich, dass die Leiterplatte zumindest bereichsweise über die erste thermische Schnittstelle mit dem ersten Körper und zumindest bereichsweise über die zweite thermische Schnittstelle mit dem zweiten Körper verbunden ist.
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Üblicherweise weist die Leiterplatte mehrere Bohrungen auf, wobei jeweils eine Bohrung für ein Via gebildet ist, das durch die jeweilige Bohrung geführt ist. Dementsprechend weisen auch die Wärmetauscherschichten, die Zwischenschichten und der Kern mehrere parallel angeordnete Bohrungen für jeweils ein Via auf. Das Via, das durch jeweils eine Bohrung einer Wärmetauscherschicht geführt ist, ist innerhalb dieser Bohrung einer Wärmetauscherschicht, mit der es sich in Kontakt befindet, mit dieser Wärmetauscherschicht direkt verbunden. Dagegen ist dieses Via innerhalb der Bohrung einer Wärmetauscherschicht, von der es isoliert ist, über die Freistellung, bspw. Isolierung, von dieser Wärmetauscherschicht getrennt.
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Innerhalb einer Wärmetauscherstruktur, die zwei Wärmetauscherschichten aufweist, zwischen denen sich die Zwischenschicht befindet, ist vorgesehen, dass jedes Via sich nur mit einer der beiden Wärmetauscherschichten, durch die es geführt ist, in thermischem und elektrischem Kontakt befindet. Dagegen ist es von der anderen Wärmetauscherschicht der jeweiligen Wärmetauscherstruktur, durch die es geführt ist, thermisch und elektrisch isoliert. Eine elektrische Isolierung wird dadurch erreicht, dass das Via von der umgebenden Wärmetauscherschicht, die bspw. als Kupferfläche ausgebildet ist, ringförmig freigestellt und somit isoliert bzw. thermisch und elektrisch getrennt wird.
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Die Wärmetauscherschichten einer jeweiligen Wärmetauscherstruktur sind als Komponenten der Leiterplatte, bspw. einer Standard-Leiterplatte, aus Kupfer gebildet. Die durch die Wärmetauscherschichten, die Zwischenschichten und den Kern der Leiterplatte geführten Vias bzw. entsprechende thermische Durchkontaktierungen sind aus einem thermisch leitfähigen Material, bspw. aus Kupfer, gebildet und können zur Optimierung mit einem weiteren thermisch leitfähigen Material, bspw. Zinn, gefüllt sein. Eine jeweilige thermische Schnittstelle zwischen der Leiterplatte und einem jeweiligen Körper ist aus einem beliebigen thermischen Schnittstellenmaterial gebildet. Bei der Anordnung ist vorgesehen, dass die üblicherweise notwendige elektrische Isolierung bzw. Isolation in die Leiterplatte, bspw. in eine sog. Leiterkarte, verlagert wird, wobei das thermische Schnittstellenmaterial bezüglich seiner thermischen Eigenschaften optimiert werden kann. Es ist somit nicht notwendig, thermisches Schnittstellenmaterial einzusetzen, das zwar thermisch leitfähig ist, aber elektrisch isoliert.
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Außerdem ist die Zwischenschicht der mindestens einen Wärmetauscherstruktur aus Isolationsmaterial gebildet. Der eventuell vorgesehene Kern ist ebenfalls aus Isolationsmaterial. Dagegen sind die Vias sowohl thermisch als auch elektrisch leitfähig.
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Die Leiterplatte weist eine erste, obere Seite und eine zweite untere Seite auf, wobei die erste Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte an der oberen Seite und die zweite Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte an der zweiten Seite endet bzw. durch eine jeweilige Seite begrenzt bzw. abgeschlossen ist. Weiterhin ist die Leiterplatte über ihre obere Seite mit dem ersten Körper und über ihre untere Seite mit dem zweiten Körper direkt oder indirekt verbunden.
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Die Leiterplatte weist in Ausgestaltung an bzw. auf der oberen Seite eine erste Region und an bzw. auf der unteren Seite eine zweite Region auf, wobei eine jeweilige Region an einer jeweiligen Seite angeordnet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die beiden Regionen zueinander versetzt angeordnet sind. Hierbei ist die erste Region an der oberen Seite dem ersten Körper zugeordnet und/oder zugewandt sowie üblicherweise mit diesem direkt oder indirekt verbunden und die zweite Region an der unteren Seite dem zweiten Körper zugeordnet und/oder zugewandt sowie üblicherweise mit diesem direkt oder indirekt verbunden.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Anordnung ist es möglich, dass die Leiterplatte, die zwischen den beiden Körpern angeordnet ist, an ihren beiden Seiten jeweils zwei Bereiche aufweist, wobei ein erster Bereich einen zweiten Bereich teilweise umschließt. Dabei ist der erste Bereich an der oberen Seite mit dem ersten Körper und an der unteren Seite mit dem zweiten Körper verbunden. Dabei sind nur durch den ersten Bereich Vias geführt. Dabei sind die beiden Körper zueinander parallel angeordnet.
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Weiterhin sind die beiden Körper relativ zu der Anordnung in Ausgestaltung versetzt angeordnet, wobei die vorgesehene Anordnung mit der Leiterplatte zwischen den beiden zueinander versetzen Körpern angeordnet ist bzw. sich zwischen diesen befindet.
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In Ausgestaltung ist einer der beiden üblicherweise thermischen Körper als Wärmequelle ausgebildet bzw. zu bezeichnen und der zweite üblicherweise thermische Körper als Wärmesenke ausgebildet bzw. zu bezeichnen, wobei bei einem Betrieb der Anordnung diese dazu ausgebildet ist, die Wärme von dem als Wärmequelle ausgebildeten Körper zu dem als Wärmesenke ausgebildeten Körper zu transportieren. Es ist hierbei denkbar, dass je nach Funktionsweise der Körper und abhängig von einer jeweils aktuellen Temperatur der Körper, der eine höhere Temperatur aufweist, als Wärmequelle ausgebildet bzw. zu bezeichnen ist und der andere Körper, der eine niedrige Temperatur aufweist, als Wärmesenke ausgebildet bzw. zu bezeichnen ist. Unabhängig davon ist die Anordnung dazu ausgebildet, die Wärme entweder von dem ersten zu dem zweiten Körper oder umgekehrt von dem zweiten zu dem ersten Körper zu übertragen bzw. zu transportieren. Dabei ist die Wärme von der Anordnung durch die Vias senkrecht und durch die Wärmetauscherschichten in der Ebene der Leiterplatte zu übertragen bzw. zu transportieren.
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In weiterer Ausgestaltung weist die Anordnung zwei elektrisch leitende und somit elektrisch nicht isolierende thermische Schnittstellen bzw. Interfaces auf, wobei die Leiterplatte zumindest bereichsweise über die erste thermische Schnittstelle mit dem ersten Körper indirekt verbunden ist. Außerdem ist mindestens die Leiterplatte zumindest bereichsweise über die zweite thermische Schnittstelle mit dem zweiten Körper indirekt verbunden. Hierbei ist eine jeweilige thermische Schnittstelle zwischen einem jeweiligen Körper und der Seite, bspw. der beschriebenen Region, der Leiterplatte angeordnet.
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In weiterer Ausgestaltung der Anordnung ist mindestens ein Via, das durch die mindestens eine Zwischenschicht geführt ist, als Befestigungselement, bspw. als Schraube oder Bolzen, ausgebildet, das zumindest abschnittsweise stabförmig ist. Dabei ist es möglich, dass die Leiterplatte über das Befestigungselement mit mindestens einem der Körper verbunden ist.
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Außerdem ist es möglich, dass die Zwischenschicht zwischen zwei Wärmetauscherschichten aus Kunststoff, aus einem Faserverbundwerkstoff bzw. einem sogenannten Prepreg und/oder aus Gießharz gebildet ist.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung.
- 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in schematischer Darstellung.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung Details zu einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
- 4 zeigt in schematischer Darstellung Details zu einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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Die anhand von 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 200 ist aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Vorrichtung 200 umfasst eine Wärmequelle 202 und eine Wärmesenke 204. Zwischen der Wärmequelle 202 und der Wärmesenke 204 sind hier eine erste thermische Schnittstelle 206, die elektrisch nicht isolierend ist, und eine zweite thermische Schnittstelle 208, die elektrisch isolierend ist, angeordnet. Zwischen diesen beiden thermischen Schnittstellen 206, 208 ist hier eine Leiterplatte 210 angeordnet. Dabei weist die Leiterplatte 210 einen Kern 212 auf, der zwischen zwei Strukturen angeordnet ist, wobei jede Struktur eine erste Kupferschicht 214 und eine zweite Kupferschicht 216 aufweist, wobei zwischen beiden genannten Kupferschichten 214, 216 ein Prepreg 218 angeordnet ist.
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Außerdem sind durch die Leiterplatte 210 Vias 220a, 220b bzw. thermische Durchkontaktierungen geführt. 1 zeigt weiterhin mögliche Probleme in der Umsetzung der elektrischen Isolierung der thermischen Schnittstelle 208, wie bspw. Kriechstrecken am Rand, Fehlstellen 222 oder eingeschlossene elektrisch leitfähige Partikel 226.
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Diese Vorrichtung 200 weist einen konventionellen Aufbau von Vias 220a, 220b auf. Hierbei ist weiterhin vorgesehen, dass die thermische Schnittstelle 208 an der Wärmesenke 204 elektrisch isolierend ausgebildet sein muss. Hierdurch ergeben sich jedoch an Mindestkriechstrecken innerhalb dieser Schnittstelle 208 diverse Anforderungen. Demnach sind keine Fehlstellen in der thermischen Schnittstelle 208 zulässig. Außerdem ist ein seitlicher Überstand der thermischen Schnittstelle 208 erforderlich. Falls diese beiden voranstehend genannten Bedingungen nicht erfüllt sind, ist die thermische Schnittstelle 208 hinreichend dick auszubilden, um die Mindestkriechstrecke zu realisieren. Dies wirkt sich jedoch negativ auf die thermische Leitfähigkeit der Schnittstelle 208 aus.
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Falls die thermische Schnittstelle 208 bei ihrer Herstellung durch metallische Partikel 226 verunreinigt werden sollte, besteht die Gefahr, dass diese die thermische Schnittstelle 208 durchdrücken. Deshalb sind hier bei der Herstellung hohe Anforderungen an die technische Sauberkeit gestellt. Ein Durchdrücken von metallischen Partikeln 226 kann üblicherweise nur durch ein thermisches Interface in Form einer Folie, jedoch nicht mit einer Paste, verhindert werden, da die thermische Schnittstelle 208 bei Ausführung als Paste gegen ein derartiges Durchdrücken nicht robust genug ist. Die hier gezeigte Vorrichtung 200 weist zwei Vias 220a, 220b zwischen der Wärmequelle 202 und der Wärmesenke 204 auf. Hierbei können sich weiterhin am Rand der thermischen Schnittstelle 208, aber auch in einer Fläche der thermischen Schnittstelle 208, Fehlstellen 224 bzw. Lunker ergeben. Falls sich metallische Partikel 226 durch die thermische Schnittstelle 208 durchdrücken, besteht die Gefahr, dass diese einen Kurzschluss verursachen können.
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Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2 ist in 2a von der Seite bzw. in Schnittdarstellung schematisch dargestellt. In 2b sind einige Details der Anordnung 2 aus 2a nochmal vergrößert dargestellt. Dabei ist diese Anordnung 2 zwischen zwei thermischen Körpern, hier einem ersten thermischen Körper, der als Wärmequelle 4 ausgebildet bzw. zu bezeichnen ist, und einem zweiten thermischen Körper, der als Wärmesenke 6 ausgebildet bzw. zu bezeichnen ist, angeordnet, wobei diese beiden Körper hier zueinander versetzt angeordnet sind. Weiterhin ist an der Wärmequelle 4 hier eine erste thermische Schnittstelle 8 angeordnet, die elektrisch nicht isolierend bzw. elektrisch leitend ist. An der Wärmesenke 6 ist eine zweite thermische Schnittstelle 8 angeordnet, die ebenfalls elektrisch nicht isolierend bzw. elektrisch leitend ist.
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Außerdem weist die Anordnung 2 eine Leiterplatte 12 mit einem Kern 14 auf, der wiederum zwischen zwei Wärmetauscherstrukturen angeordnet ist. Dabei weist eine erste Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte 12 eine erste Wärmetauscherschicht 16, eine als Prepreg ausgebildete Zwischenschicht 18 aus Gießharz und/oder Faserverbundmaterial und eine zweite Wärmetauscherschicht 20 auf, wobei das Prepreg bzw. die Zwischenschicht 18 zwischen den beiden Wärmetauscherschichten 16, 20 angeordnet ist. Eine zweite Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte 12 weist eine dritte Wärmetauscherschicht 22, eine als Prepreg ausgebildete Zwischenschicht 24 und eine vierte Wärmetauscherschicht 26 auf. Dabei sind die Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 aus Kupfer, wobei hier die einzelnen Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 der Leiterplatte 12, die übereinander angeordnet sind, schematisch nebeneinander dargestellt sind. Die Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 sind je nach Definition zueinander deckungsgleich oder leicht versetzt angeordnet.
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Weiterhin weist die Leiterplatte 12 neben dem Kern 14, den Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 und den Zwischenschichten 18, 24, die alle zueinander parallel angeordnet, bspw. geschichtet, sind, hier neun warme Vias 36 und neun kalte Vias 38 auf. Dabei sind hier die kalten Vias 38 elektrisch an die Wärmesenke 6 angeschlossen bzw. angebunden. Die warmen Vias 36 sind elektrisch an die Wärmequelle 4 angeschlossen bzw. angebunden. Die warmen Vias 36 und die kalten Vias 38 sind hier wie die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 6 zueinander versetzt.
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Innerhalb der Leiterplatte 12 sind die erste Wärmetauscherstruktur, der Kern 14 bzw. eine entsprechende Platine und die zweite Wärmetauscherstruktur zueinander parallel angeordnet bzw. geschichtet und weiterhin nebeneinander, hier bspw. vertikal übereinander, angeordnet. Innerhalb einer jeweiligen ersten Wärmetauscherstruktur sind die erste Wärmetauscherschicht 16, die Zwischenschicht 18 und die zweite Wärmetauscherschicht 20 zueinander parallel geschichtet und nebeneinander, hier bspw. vertikal übereinander, angeordnet. Weiterhin sind bei einer jeweiligen zweiten Wärmetauscherstruktur die dritte Wärmetauscherschicht 22, die Zwischenschicht 24 und die vierte Wärmetauscherschicht 26 zueinander parallel geschichtet und nebeneinander, hier bspw. vertikal übereinander, angeordnet. Die Vias 36, 38 bzw. thermische Durchkontaktierungen sind hier senkrecht zu der Leiterplatte 12 orientiert bzw. ausgerichtet und durch Löcher bzw. Bohrungen innerhalb der Leiterplatte 12, also durch Löcher innerhalb der Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26, innerhalb der Zwischenschichten 18, 24 und innerhalb des Kerns 14, geführt.
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Aus den anhand von 2a gezeigten vergrößerten Darstellungen der hier vier Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26, die auch in 2b vergrößert gezeigt sind, geht hervor, dass die erste Wärmetauscherschicht 16 und die dritte Wärmetauscherschicht 22 jeweils mit warmen Vias 36, die durch die Wärmetauscherschichten 16, 22 geführt sind, direkt verbunden bzw. kontaktiert sind, jedoch von kalten Vias 38, die durch die Wärmetauscherschichten 16, 22 geführt sind, getrennt sind, was hier durch ringförmige Freistellungen 39 um die kalten Vias 38 herum angedeutet ist. Außerdem ist jeweils die zweite Wärmetauscherschicht 20 und die vierte Wärmetauscherschicht 26 von warmen Vias 36, die durch diese Wärmetauscherschicht 20, 26 geführt sind, getrennt (ringförmige Freistellungen 39 um die warmen Vias 36 herum) und mit kalten Vias 38, die durch diese Wärmetauscherschicht 20, 26 geführt sind, verbunden. Dabei ist hier vorgesehen, dass sich die warmen Vias 36 über die erste thermische Schnittstelle 8 mit der Wärmequelle 4 in Kontakt befinden. Außerdem befinden sich die kalten Vias 38 über die zweite thermische Schnittstelle 8 mit der Wärmesenke 6 in thermischem Kontakt.
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Außerdem zeigt 2a erste Pfeile 44, die hier senkrecht zu der Leiterplatte 12 bzw. vertikal nach unten orientiert sind und einen Wärmestrom durch die Wärmetauscherstrukturen und die Vias 36, 38 der Leiterplatte 12 andeuten. Dabei fließt die Wärme hier ausgehend von der ersten Wärmetauscherschicht 16 oder der dritten Wärmetauscherschicht 22 durch eine jeweilige Zwischenschicht 18, 24 zu jeweils einer zweiten Wärmetauscherschicht 20 bzw. einer vierten Wärmetauscherschicht 26.
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Weiterhin zeigt 2a Pfeile 46, 48, die hier parallel zu den Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 bzw. horizontal orientiert sind, wobei die Pfeile 46, 48 hier jeweils einen Wärmestrom durch eine Wärmetauscherschicht 16, 20, 22, 26 in Richtung eines kalten Vias 38 und weg von einem warmen Via 36 andeuten. Diese Pfeile 46, 48 deuten ein flächige Spreizung der Wärme innerhalb einer jeweiligen Wärmetauscherschicht 16, 20, 22, 26 an.
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Bei der ersten Ausführungsform der Anordnung 2 sind die übereinander angeordneten Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 in zwei Bereiche aufgeteilt, die zueinander versetzt sind. Dabei ist hier vorgesehen, dass ein erster Bereich jeder Wärmetauscherschicht 16, 20, 22, 26 der Wärmequelle 4 zugeordnet bzw. zugewandt sind. Außerdem ist ein zweiter Bereich einer jeweiligen Wärmetauscherschicht 16, 20, 22, 26, der zu dem ersten Bereich versetzt angeordnet ist, der Wärmesenke 6 zugeordnet bzw. zugewandt. Hierbei ist vorgesehen, dass jeder erste Bereich jeder Wärmetauscherschicht 16, 20, 22, 26 dieselbe Anzahl an warmen Vias 36 aufweist. Eine Positionierung der Vias 36, 38 kann innerhalb der Bereiche der Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26 beliebig gewählt werden. Die anhand von 2a und 2b vorgesehene Positionierung bzw. Struktur der Vias 36, 38 ist nur eine von verschiedenen denkbaren Varianten.
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Diesbezüglich wird auch auf weitere Varianten verwiesen, wie sie anhand der weiteren 3 und 4 gezeigt sind. Die beiden unterschiedlichen Vias 36, 38 bilden hier bspw. ein viereckiges, insbesondere quadratisches, Feld aus mehreren hier jeweils drei Reihen und Spalten.
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Neben der anhand von 2 vorgestellten Ausführungsform der Anordnung 2 sind zwei weitere Ausführungsformen vorgesehen, wobei für die zweite Ausführungsform in 3 lediglich Wärmetauscherschichten 56, 60, 62, 66 von oben schematisch dargestellt sind. Für die dritte Ausführungsform der Anordnung sind in 4 ebenfalls lediglich Wärmetauscherschichten 96, 100, 102, 106 von oben schematisch dargestellt.
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Es ist vorgesehen, dass die zweite und die dritte Ausführungsform der Anordnung ebenfalls jeweils eine Leiterplatte aufweist, die entsprechend der Leiterplatte 12 der ersten Ausführungsform der Anordnung 2 zum Transport von Wärme zwischen einer Wärmequelle 4 und einer Wärmesenke 6 konfiguriert ist, wobei die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 6 bei der dritten Anordnung (4) entsprechend der Darstellung aus 2a zueinander beabstandet und weiterhin auch zueinander versetzt und somit entsprechend beabstandet sind. Dagegen sind bei der zweiten Anordnung (3) die Wärmequelle 4 und die Wärmesenke 6 direkt nebeneinander bzw. übereinander angeordnet, wobei dazwischen eine Leiterplatte angeordnet ist.
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Zur Realisierung der zweiten Ausführungsform der Anordnung gemäß 3 weist die Leiterplatte eine erste Wärmetauscherschicht 56, eine erste Zwischenschicht 18, eine zweite Wärmetauscherschicht 60, einen Kern 14, eine dritte Wärmetauscherschicht 62, eine zweite Zwischenschicht 24 und eine vierte Wärmetauscherschicht 66 auf.
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Im Fall der dritten Ausführungsform der Anordnung gemäß 4 weist die Leiterplatte eine erste Wärmetauscherschicht 96, eine Zwischenschicht 18, eine zweite Wärmetauscherschicht 100, einen Kern 14, eine dritte Wärmetauscherschicht 102, eine Zwischenschicht 24 und eine vierte Wärmetauscherschicht 106 auf.
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Eine erste Variante für Wärmetauscherschichten 56, 60, 62, 66 für thermische Wärmetauscherstrukturen der alternativen Leiterplatte der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind in 3 schematisch dargestellt. Diese weisen warme Vias 76 und kalte Vias 78 auf, die die erste Wärmetauscherschicht 56 mit der dritten Wärmetauscherschicht 62 verbinden und durch den dazwischen angeordneten Kern 14 geführt sind. Außerdem verbinden hier die Vias 76, 78 die zweite Wärmetauscherschicht 60 mit der vierten Wärmetauscherschicht 66, wobei sie durch den dazwischen angeordneten Kern 14 geführt sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform der Anordnung gemäß 3 ist hier vorgesehen, dass eine jeweilige Wärmetauscherschicht 56, 60, 62, 66 einen ersten Bereich aufweist, der bohrungsfrei ist und lediglich aus einem jeweiligen Wärmetauscherschichtmaterial, wie bspw. Kupfer besteht. Dieser erste Bereich ist von einem zweiten hier je nach Definition U-förmigen Bereich zumindest teilweise umschlossen, wobei der zweite Bereich Bohrungen für Vias aufweist. Dies bedeutet bei der zweiten Ausführungsform der Anordnung, dass jeweils ein erster hier viereckiger Bereich an drei Seiten jeweils von dem zweiten Bereich umschlossen ist. Es ist hier vorgesehen, dass jeweils nur durch den zweiten Bereich Vias 76, 78 geführt sind, wobei die Vias 76, 78 innerhalb des zweiten Bereichs hier ebenfalls U-förmig angeordnet sind und den ersten Bereich an drei Seiten umschließen. Dabei sind die warmen Vias 76 nur mit der ersten und dritten Wärmetauscherschicht 56, 62 thermisch verbunden bzw. kontaktiert und von der zweiten und vierten Wärmetauscherschicht 60, 66 thermisch getrennt bzw. isoliert (ringförmige Freistellungen 77 um die warmen Vias 76 herum). Außerdem sind die kalten Vias 78 nur mit der zweiten und vierten Wärmetauscherschicht 60, 66 thermisch verbunden bzw. kontaktiert und von der ersten und dritten Wärmetauscherschicht 56, 62 thermisch getrennt bzw. isoliert (ringförmige Freistellungen 77 um die kalten Vias 78 herum).
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Weiterhin ist der erste Bereich der ersten Wärmetauscherschicht 56 der ersten Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte der Wärmequelle 4 zugeordnet. Für die vierte Wärmetauscherschicht 66 einer zweiten Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte ist vorgesehen, dass hier der erste Bereich der Wärmesenke 6 zugeordnet bzw. zugewandt ist.
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Die zweite Variante für Wärmetauscherschichten 96, 100, 102, 106 für thermische Wärmetauscherstrukturen der Leiterplatte der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung sind in 4 schematisch dargestellt. Diese weisen warme Vias 116 und kalte Vias 118 auf, die die erste Wärmetauscherschicht 96 mit der dritten Wärmetauscherschicht 102 verbinden und durch die dazwischen angeordnete Zwischenschicht 18 geführt sind. Außerdem verbinden die Vias 116, 118 die zweite Wärmetauscherschicht 100 mit der vierten Wärmetauscherschicht 106, wobei sie durch die dazwischen angeordnete Zwischenschicht 24 geführt sind. Dabei sind die warmen Vias 116 nur mit der ersten und dritten Wärmetauscherschicht 96, 102 thermisch verbunden bzw. kontaktiert und von der zweiten und vierten Wärmetauscherschicht 100, 106 thermisch und elektrisch getrennt bzw. isoliert (ringförmige Freistellungen 117 um die warmen Vias 116 herum). Außerdem sind die kalten Vias 118 nur mit der zweiten und vierten Wärmetauscherschicht 100, 106 thermisch verbunden bzw. kontaktiert und von der ersten und dritten Wärmetauscherschicht 96, 102 thermisch und elektrisch getrennt bzw. isoliert (ringförmige Freistellungen 119 um die kalten Vias 118 herum).
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Bei der dritten Ausführungsform der Anordnung sind die nebeneinander angeordneten Wärmetauscherschichten 96, 100, 102, 106 in zwei Bereiche aufgeteilt, die zueinander versetzt sind. Dabei ist hier vorgesehen, dass ein erster Bereich jeder Wärmetauscherschicht 96, 100, 102, 106 der ersten Wärmetauscherstruktur der Leiterplatte der Wärmequelle 4 zugeordnet bzw. zugewandt ist. Außerdem ist ein zweiter Bereich einer jeweiligen Wärmetauscherschicht 96, 100, 102, 106, der zu dem ersten Bereich versetzt angeordnet ist, der Wärmesenke 6 zugeordnet bzw. zugewandt.
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Dabei ist hier zusätzlich vorgesehen, dass jeweils der zweite Bereich einer Wärmetauscherschicht 96, 100, 102, 106 eine Bohrung 132 für eine Schraube als Befestigungselement aufweist, von der hier ein Schraubenkopf 130 gezeigt ist. Dabei umschließen die kalten Vias 118 die Bohrung 132 kreisförmig.
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Im Vergleich zu der Vorrichtung 200, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist nunmehr vorgesehen, dass bei allen drei hier vorgestellten Ausführungsformen der Anordnung 2 die elektrische Isolierung in die Leiterplatte 12 (PCB) verlagert bzw. darin angeordnet wird. Dabei wird die elektrische Isolierung durch die jeweils zwei Wärmetauscherstrukturen, zwischen denen der Kern 14 angeordnet ist, innerhalb der Leiterplatte 12 bereitgestellt. Dabei umfasst jeweils eine Wärmetauscherstruktur zwei Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26, 56, 60, 62, 66, 96, 100, 102, 106 mit einer jeweils dazwischen angeordneten Zwischenschicht 18, 24, durch die jeweils die Vias 36, 38, 76, 78, 116, 118 geführt sind. Somit ist es möglich, das Material einer jeweiligen thermischen Schnittstelle 8 auf eine optimale thermische Leitfähigkeit auszulegen. Hierdurch wird eine schlechtere thermische Leitfähigkeit der Wärmetauscherstrukturen, die in die Leiterplatte 12 integriert sind, gegenüber herkömmlichen thermischen Vias kompensiert.
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Dabei ist es möglich, dass eine jeweilige Ausführungsform der Anordnung 2 mit einer Standard-Leiterplattentechnologie umsetzbar bzw. umzusetzen ist. Außerdem ist es möglich, dass auf Metalleinlageteile bzw. entsprechende metallische Partikel sowie Blind-Vias oder eingebettete bzw. Buried-Vias verzichtet werden kann. Zum Herstellen der Leiterplatte 12 einer jeweiligen Ausführungsform der Anordnung ist es möglich, etablierte und sichere Verfahren zum Herstellen von Leiterplatten 12 einzusetzen, wodurch für zuverlässige elektrische Isolationseigenschaften gesorgt wird. Die Zwischenschichten 18, 24 bzw. Prepregs sind relativ dünn und weisen eine Dicke von bspw. 100 µm auf, wobei in Kombination mit der flächigen Ausprägung der Wärmetauscherstrukturen trotz der nicht optimalen Wärmeleiteigenschaften der besagten Zwischenschichten 18, 24 hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit gute Ergebnisse erreicht werden können. Gleichzeitig wird Wärme über die durch den relativ dicken Kern 14 geführten thermischen Durchkontaktierungen bzw. Vias 36, 38, 76, 78, 116, 118 übertragen. Dabei sind warme Vias 36, 76, 116 nur mit der ersten und dritten Wärmetauscherschicht 16, 22, 56, 62, 96, 102 thermisch und elektrisch verbunden bzw. kontaktiert und von der zweiten und vierten Wärmetauscherschicht 20, 26, 60, 66, 100, 106 thermisch und elektrisch getrennt bzw. isoliert (ringförmige Freistellungen 39, 77, 117 bzw. Isolationselemente um die warmen Vias 36, 76, 116 herum). Außerdem sind kalte Vias 38, 78, 118 nur mit der zweiten und vierten Wärmetauscherschicht 20, 26, 60, 66, 100, 106 thermisch und elektrisch verbunden bzw. kontaktiert und von der ersten und dritten Wärmetauscherschicht 16, 22, 56, 62, 96, 102 thermisch und elektrisch getrennt bzw. isoliert (ringförmige Freistellungen 39, 77, 119 bzw. Isolationselemente um die kalten Vias 38, 78, 118 herum).
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In Ausgestaltung ist es gegenüber dem Stand der Technik möglich, aktive Flächen in den hier vorgesehenen Wärmetauscherstrukturen bei mehrlagigen Leiterplatten 12 durch Vergrößerung und/oder durch Erhöhung der Anzahl an jeweils vorgesehenen Wärmetauscherstrukturen zu vervielfachen. Falls die Leiterplatte 12, wie hier gezeigt, jeweils zwei Wärmetauscherstrukturen mit insgesamt vier Wärmetauscherschichten 16, 20, 22, 26, 56, 60, 62, 66, 96, 100, 102, 106 aufweist, ist es möglich, die aktive Fläche zu verdoppeln. Dabei ist es möglich, dass die aktive Fläche eines Wärmetauschers, der in die Leiterplatte 12 integriert ist, größer als eine Kontaktfläche der Wärmesenke 6 ist. Eine Wärmeableitung durch den vergleichsweise dicken Kern 14 der jeweiligen Leiterplatte 12 wird hier durch die Vias 36, 38, 76, 78, 116, 118 bereitgestellt, die durch die Leiterplatte 12 geführt sind. Außerdem wird innerhalb einer jeweiligen Wärmetauscherschicht 16, 20, 22, 26, 56, 60, 62, 66, 96, 100, 102, 106 Wärme gespreizt bzw. flächig ausgebreitet, und dann flächig auf eine jeweils benachbarte Schicht übertragen.
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Wie für die Wärmetauscherschichten 96, 100, 102, 106 der dritten Ausführungsform der Anordnung (4) gezeigt, ist es auch möglich, vorhandene Anschraubpunkte der Leiterplatte in ein Entwärmungskonzept mit einzubinden, wobei eine Auflagefläche einer jeweiligen äußersten Wärmetauscherschicht 96, 106 auf dem Anschraubpunkt gleichzeitig zur Wärmeübertragung genutzt wird. Hierbei ist es möglich, die mechanische Anbindung der jeweiligen äußersten Wärmetauscherschicht 96, 106 bzw. Platine elektrisch nicht isolierend zu gestalten, was die Konstruktion wesentlich vereinfacht.
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Bei allen drei vorgestellten Ausführungsformen der Anordnung 2 ist es möglich, einen Konflikt zwischen einer elektrischen Isolierung und einer thermischen Leitfähigkeit aufzulösen. Dabei ist hier vorgesehen, dass die elektrische Isolierung in der bzw. innerhalb der Leiterplatte 12 bereitgestellt wird. Die thermischen Schnittstellen 8 sind jeweils nur für eine thermische Kopplung zwischen der Wärmequelle 4 bzw. eines entsprechenden Wärmekörpers und der jeweiligen Anordnung und der Wärmesenke 6 bzw. eines entsprechenden Kühlkörpers vorgesehen bzw. ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Anordnung
- 4
- Wärmequelle
- 6
- Wärmesenke
- 8
- Schnittstelle
- 12
- Leiterplatte
- 14
- Kern
- 16
- Wärmetauscherschicht
- 18
- Zwischenschicht
- 20,22
- Wärmetauscherschicht
- 24
- Zwischenschicht
- 26
- Wärmetauscherschicht
- 36, 38
- Via
- 39
- Freistellung
- 44, 46, 48
- Pfeil
- 56,60,
- Wärmetauscherschicht
- 62, 66
-
- 76
- Via
- 77
- Freistellung
- 78
- Via
- 96, 100,
- Wärmetauscherschicht
- 102, 106
-
- 116
- Via
- 117
- Freistellung
- 118
- Via
- 119
- Freistellung
- 130
- Schraubenkopf
- 132
- Bohrung
- 200
- Vorrichtung
- 202
- Wärmequelle
- 204
- Wärmesenke
- 206, 208
- Schnittstelle
- 210
- Leiterplatte
- 212
- Kern
- 214, 216
- Kupferschicht
- 218
- Prepreg
- 220a, 220b
- Via
- 222,224
- Fehlstelle
- 226
- Partikel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 20020086000 A [0003]
- US 2019/0166715 A1 [0004]
- US 2019/0215948 A1 [0005]
