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Stand der Technik
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Für leistungselektronische Anwendungen mit hohen Temperatur- und Stromanforderungen müssen Substrate zwecks Entwärmung auf Kühlkörper fixiert werden. Ein mögliches Substrat ist beispielsweise ein DBC (= Direct bonded copper). Ein DBC besteht aus einem Keramikgrundkörper, der auf beiden Seiten mit Kupfer beschichtet ist. Andere Substrate sind Leiterplatten oder IMS (,Insulated Metallic Substrate'). Hierfür werden oft sogenannte Wärmeleitkleber verwendet. Der Zweck dieser Anwendungen ist durch die Fixierung eine stabile mechanische Verbindung herzustellen, aber auch einen guten Wärmefluss vom Substrat in den Kühlkörper zu ermöglichen. Für Anforderungen mit sehr hohen thermischen Anforderungen kommen sogenannte Wärmeleitpasten zum Einsatz. Diese Pasten haben noch höhere Wärmeleitwerte als Wärmeleitkleber. Um dennoch eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erzeugen, wird nach dem Stand der Technik ein Wärmeleitkleberrahmen aufgebracht. Im Inneren dieses Rahmens wird Wärmeleitpaste verwendet. Hierdurch soll im Kern die hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste zum Wärmetransport der Verlustleistungswärme genutzt werden. Das Substrat und der Kühlkörper sind über den Kleberrahmen starr miteinander verkoppelt. Im Fall von Temperaturwechseln reagieren Materialien üblicherweise mit einer Temperaturausdehnung, die über den sogenannten Temperaturausdehnungskoeffizienten beschrieben sind. Üblicherweise haben unterschiedliche Materialien unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten, weswegen es bei verhältnismäßig starr verkoppelten unterschiedlichen Materialien im Zusammenhang mit Temperaturwechseln zu thermischen Spannungen kommt. Diese Spannungen belasten den Kleberahmen und seine „Kleberaupen“ und in Folge dessen kann es leicht zu Rissen in der Kleberschicht kommen. Diese Risse breiten sich mit steigender Anzahl von Temperaturwechseln aus und gefährden damit mit zunehmender Alterung den Aufbau. Mit steigenden Risslängen steigt der thermische Widerstand, dadurch steigert sich die Höhe der Temperaturhübe, was sich wiederum schädigend auf die Spannungen auswirkt. Damit kann es zu einem sich selbst verstärkenden negativen Effekt kommen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 207 893 B3 ist eine elektronische Baugruppe bekannt, die auf einem Kühlkörper montiert ist. Eine Leiterplatte ist dabei mittels eines punktuellen Klebeauftrages auf einem Kühlkörper befestigt. Um den punktuellen Klebeauftrag ist ein flächenartiges Einlegeteil angeordnet. Dieses Einlegeteil ist federelastisch und weist eine flächenartige Struktur auf. Es vermittelt einen wärmeleitenden Kontakt zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper.
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Demgegenüber soll die Wärmeleitung zwischen Leiterplatte und Kühlkörper verbessert werden.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Vorrichtung mit einem Bauelement, einem Kühlkörper und einer Wärme leitenden Schicht zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper vorgesehen, wobei die Schicht ein Wärme leitendes Befestigungsmittel und ein Wärmeleitmittel aufweist, wobei die Vorrichtung eine Schichtungsrichtung aufweist und das Wärme leitende Befestigungsmittel in Schichtungsrichtung eine Erstreckung in Schichtungsrichtung aufweist und wobei das Wärmeleitmittel in Schichtungsrichtung ebenfalls eine Erstreckung aufweist. Dabei ist ganz besonders vorgesehen, dass das Wärme leitende Befestigungsmittel in Schichtungsrichtung eine größere Erstreckung als die Wärme leitende Schicht aufweist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass eine Schichtungsrichtung senkrecht zu einer Oberfläche des Kühlkörpers orientiert ist, wobei hier besonders bevorzugt die Oberfläche des Kühlkörpers eine Kontaktfläche zu dem Wärmeleitmittel ist. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass sich dadurch für das wärmeleitende Befestigungsmittel eine größere Länge ergibt, über die sich dieses wärmeleitende Befestigungsmittel unter dem Einfluss von Wärme in seiner Form verändern kann. Dies führt durch die erwähnte größere Länge zu beispielsweise geringeren Scherspannungen und damit zu einer verbesserten, längeren Haltbarkeit der Befestigung zwischen Kühlkörper und Bauelement.
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Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärme leitende Schicht zwischen einem Podest und dem Bauelement angeordnet ist. Eine derartige Gestaltung ermöglicht unterschiedliche Längen von Wärmeleitmittel und Wärme leitendem Befestigungsmittel zwischen Kühlkörper und Bauelement. Dabei ist grundsätzlich alternativ möglich, dass die Wärme leitende Schicht zwischen einem Podest am Bauelement und dem beispielsweise ebenen bzw. ebenflächigen Kühlkörper angeordnet ist. Dabei ist weiterhin grundsätzlich alternativ möglich, dass die Wärme leitende Schicht zwischen einem Podest am Bauelement und einem Podest am Kühlkörper angeordnet ist. Mit diesen beiden Alternativen sind die gleichen oben erwähnten Vorteile zu erzielen.
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Eine weitere besondere Gestaltung sieht vor, dass zwischen dem Podest und dem wärmeleitenden Befestigungsmittel ein Freiraum ist. Dieser Freiraum bietet gegebenenfalls den Vorteil, dass sich das Befestigungsmittel aufgrund von wärmebedingten Längenänderungen des Bauelements oder des Kühlkörpers in diesen Freiraum hinein bewegen kann. Eine weitere ähnliche besondere Gestaltung sieht vor, dass auf der von dem Podest abgewandten Seite des wärmeleitenden Befestigungsmittels ein Freiraum ist. Auch dieser Freiraum bietet gegebenenfalls den Vorteil, dass sich das Befestigungsmittel in diesen Freiraum hinein bewegen kann.
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Gemäß einer weiteren Gestaltungsvariante ist vorgesehen, dass das Wärme leitende Befestigungsmittel in einer Nut angeordnet ist, die vorzugsweise eine umlaufende Nut ist. Der Vorteil einer Anordnung des Befestigung mittels in einer Nut besteht darin, dass einerseits die erwähnte größere Erstreckung des Befestigungsmittels in Schichtrichtung durch Anordnung in der erwähnten Nut möglich ist. Gegenüber einer weiteren nachfolgend angegebenen Gestaltungsvariante hat diese den Vorteil, dass der Kühlkörper zwei einander im Wesentlichen gegenüberliegende zueinander parallele, gleich beabstandete Flächen aufweist, wobei die eine Fläche nur durch die Nut unterbrochen ist. D. h. bei der Handhabung dieses Kühlkörpers sind weniger Probleme zu erwarten, da das Podest nicht hervorsteht. Zudem hat ein derartiger Kühlkörper tendenziell eine größere Masse, sodass dieser Kühlkörper eine größere Wärmesenke darstellt. Ähnliche Vorteile gelten, wenn die Nut im Bauelement eingearbeitet ist.
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Besonders bevorzugt ist, dass der Kühlkörper ein Schmiedeteil oder ein Gußteil ist. Dies hat im Zusammenhang mit der Verwendung in einer elektrischen Vorrichtung den Vorteil, dass damit gleichzeitig die Nut durch Schmieden oder Gießen in den Kühlkörper eingearbeitet werden kann. Zudem entstehen dadurch beim Schmieden oder Gießen an den die Nut kennzeichnenden Kanten typischerweise keine Grate, sodass nicht die Gefahr besteht, dass derartige Grate erstens im Zusammenhang mit der Fertigung nicht vollständig beseitigt werden und zweitens diese Grate sich lösen können und diese nicht vorhandenen gelösten Grate nicht eine elektrische Schaltung durch einen Kurzschluss beeinträchtigen können.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Wärmeleitkleber direkt zwischen dem Wärmeerzeuger oder der Wärme durchleitenden Leiterplatte und dem Kühlelement angeordnet ist. Eine derartige direkte Anordnung hat den Vorteil, dass so wiederum Spannungen vermieden werden.
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Diese Anordnung ist ganz besonders dann von Vorteil, wenn das Bauelement eine Leiterplatte und damit ein Träger von Leiterbahnen bzw. Leitern und hier insbesondere ein Keramiksubstrat ist. Ganz besonders Keramiksubstrate sind empfindlich gegenüber thermischen Spannungen, so dass die hier gewählte Anordnung einen besonders positiven Einfluss auf das Keramiksubstrat bzw. eine Leiterplatte hätte.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgend kurz beschriebenen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels parallel zur Schichtrichtung,
- 2 eine Schnittansicht durch die Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels entsprechend der Schnittlinie in 1,
- 3 eine Einzelheit der Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in einer ersten Betriebssituation,
- 4 eine weitere Einzelheit der Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in einer zweiten Betriebssituation,
- 5 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung parallel zur Schichtrichtung,
- 6 eine prinzipielle Abwandlung auf Grundlage des zweiten Ausführungsbeispiels. Diese Abwandlung ist ebenfalls ohne Weiteres auf das erste Ausführungsbeispiel anwendbar.
- 7 zeigt eine weitere prinzipielle Abwandlung auf Grundlage des zweiten Ausführungsbeispiels, welche ebenfalls ohne Weiteres auf das erste Ausführungsbeispiel anwendbar ist.
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1 zeigt in schematisierter Weise einen Kühlkörper 10, auf dem eine Wärme leitende Schicht 13 aufgebracht ist. Diese Wärme leitende Schicht 13 weist ein wärmeleitendes Befestigungsmittel 16 und ein Wärmeleitmittel 19 auf.
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In dieser Schnittdarstellung ist dargestellt, wie auf dem Kühlkörper 10 in einer Schichtung auf einem Podest 22, welches hier im Beispiel einstückig ein Teil des Kühlkörpers 10 ist, zunächst das Wärmeleitmittel 19 und dann darauf das Bauelement 25 gelagert ist. Das Bauelement 25 kann dabei beispielsweise eine Leiterplatte sein, auf der zumindest eine Leiterbahn 28 angeordnet ist. Dieses Bauteil 25 kann aber auch alternativ ein Wärme erzeugendes und Wärme abgebendes Bauelement 25 sein. Weiterhin kann dieses Bauelement 25 aber auch eine Leiterplatte sein, auf der ein Wärme abgebendes Bauelement 31 angeordnet ist, welches Wärme zur Leiterplatte überträgt, welche die Wärme an den Kühlkörper 10 durchleitet. Wie des Weiteren in 1 zu erkennen ist, befindet sich um das Podest 22 herum eine Nut 34. Jedenfalls befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel auf zwei Seiten des Podests 22 je eine Nut 34. In jeder dieser Nuten 34 befindet sich das bereits erwähnte Wärme leitende Befestigungsmittel 16, welches sich von dem hier nicht näher bezeichneten Nutgrund bis zu einer Unterseite 37 des Bauelements 25 erstreckt. Die bereits erwähnte Schichtung aus Podest 22, Wärmeleitmittel 19 und Bauelement 25 erstreckt sich in eine Schichtungsrichtung rS. Die Schichtungsrichtung rS erstreckt sich hier senkrecht zur Oberfläche des Kühlkörpers 10, das heißt hier insbesondere senkrecht zu der Oberfläche des Kühlkörpers 10, auf der das Wärmeleitmittel 19 auf dem Podest 22 aufgebracht ist. Das bereits erwähnte Wärmeleitmittel 19 weist in Schichtungsrichtung rS eine Erstreckung a auf, die insbesondere auch als Materialstärke oder Dicke bezeichnet werden kann. Eine Tiefe der Nut 34 bzw. Höhe des Podests 22 weist eine Erstreckung b auf, die auch als Nuttiefe bezeichnet werden kann. Wie beispielsweise auch aus dieser 1 erkennbar ist, weist das Wärme leitende Befestigungsmittel 16 (Kleberahmen) in Schichtungsrichtung rS eine größere Erstreckung c als die Wärme leitende Schicht 13 auf. Bei der Anordnung nach 1 ist somit erkennbar, dass eine Summe aus der Erstreckung a des Wärmeleitmittels 19 und der Erstreckung b der Tiefe der Nut 34 der Erstreckung c des wärmeleitenden Befestigungsmittels 16 entspricht. Wie klar erkennbar ist, befindet sich die Wärme leitende Schicht 13 zwischen dem Podest 22 und dem Bauelement 25. Das Podest 22 ist hierbei insbesondere gegenüber der hier unmittelbaren Nachbarschaft (Nut 34) erhöht. Wie des Weiteren in 1 erkennbar ist, befindet sich zwischen dem Podest 22 und dem wärmeleitenden Befestigungsmittel 16 ein Freiraum 40. Weiter befindet sich auf der von dem Podest 22 abgewandten Seite des wärmeleitenden Befestigungsmittels 16 ein Freiraum 40. In diesem Fall ist somit beiderseits des Befestigungsmittels 16 je ein Freiraum 40 vorgesehen.
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In 2 ist eine Schnittansicht entsprechend der Schnittlinie II-II in 1 dargestellt. Dementsprechend zeigt die 2 sehr deutlich, dass die Nut 34 eine umlaufende Nut 34 ist. Wie hier auch zu erkennen ist, sind in diesem Fall die beiden Freiräume 40 beiderseits des Befestigungsmittels 16 ebenfalls umlaufend.
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3 zeigt eine Einzelheit entsprechend der Markierung III in 1. Es ist hier dargestellt, wie sich die Anordnung aus 1, insbesondere im Bereich der Nut 34, unter Einwirkung von Wärme verändert. Unter der Annahme, dass sich beispielsweise in der Mitte des Bauelements 25, hier einer Leiterplatte, ein Wärme abgebendes Bauelement 31 befindet, erwärmt dieses Bauelement 31 beispielsweise die Leiterplatte, dadurch wird das Wärmeleitmittel 19 erwärmt und durch dieses Wärmeleitmittel 19 das Podest 22 des Kühlkörpers 10. Dieser Weg der Wärme entspricht in etwa der Schichtenrichtung rS. Des Weiteren erwärmt sich die Leiterplatte (Bauelement 25) auch in eine Richtung, die quer zur Schichtrichtung rS verläuft, in die Querrichtung rQ. Diese Querrichtung rQ verläuft praktisch parallel zur flächigen Erstreckung der Leiterplatte bzw. der flächigen Unterseite des Bauelements 25. Erwärmt sich nun diese Leiterplatte, so dehnt sie sich auch in die Querrichtung rQ aus. Erwärmt sich der Kühlkörper nur verzögert und zudem wegen eines anderen spezifischen Längenausdehnungskoeffizienten weniger stark, so treten Wärme bedingte Unterschiede von Längenänderungen auf, die in 3 und 4 für zwei verschiedene Fälle dargestellt sind. Dies führt beispielsweise dazu, dass durch die Anbindung des Bauelements 25 (Leiterplatte) über das Befestigungsmittel 16 (Wärmeleitkleber) eine Schubkraft auf das Befestigungsmittel 16 ausgeübt wird. Diese hier nicht eingezeichnete Schubkraft bewirkt eine Schubspannung in dem Befestigungsmittel 16 und demzufolge eine über die Länge des Befestigungsmittels 16 in Schichtenrichtung rS zunehmende Verschiebung von Abschnitten des Befestigungsmittels 16. Daraus ergibt sich der in 3 schematisch dargestellte Scherwinkel g. Analog dazu ist die Situation in 4, wenn sich die Leiterplatte bzw. das Bauelement 25 weniger stark gedehnt ist als der Kühlkörper 10, so dass sich ein Scherwinkel g einstellt, der in die andere Richtung gerichtet ist.
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Die in 5 dargestellte Schnittdarstellung zeigt in einer Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel aus 1, dass der Kühlkörper 10 in diesem Fall zwar auch ein Podest 22 aufweist, der hier im Beispiel ebenfalls einstückig ein Teil des Kühlkörpers 10 ist. Allerdings befindet sich rund um das Podest 22 keine Nut. Vielmehr steht in diesem Ausführungsbeispiel das Podest 22 frei über eine umgebende Oberfläche hinaus. Die Höhe des Podests 22 weist die Erstreckung b auf. Wie beispielsweise auch aus dieser 5 erkennbar ist, weist das Wärme leitende Befestigungsmittel 16 in Schichtungsrichtung rS eine größere Erstreckung c als die Wärme leitende Schicht 13 auf. Bei der Anordnung nach 5 ist somit erkennbar, dass eine Summe aus der Erstreckung a des Wärmeleitmittels 19 und der Erstreckung b der Höhe des Podests 22 der Erstreckung c des wärmeleitenden Befestigungsmittels 16 entspricht. Wie klar erkennbar ist, befindet sich die Wärme leitende Schicht 13 zwischen dem Podest 22 und dem Bauelement 25. Das Podest 22 ist hierbei insbesondere gegenüber der hier unmittelbaren Nachbarschaft erhöht. Wie des Weiteren in 5 erkennbar ist, befindet sich zwischen dem Podest 22 und dem wärmeleitenden Befestigungsmittel 16 ein Freiraum 40. Weiter befindet sich auf der von dem Podest 22 abgewandten Seite des wärmeleitenden Befestigungsmittels 16 ein Freiraum 40. Auch in diesem Fall ist somit beiderseits des Befestigungsmittels 16 je ein Freiraum 40 vorgesehen.
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6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsbeispiele 1 und 2. Es wird dabei nur auf den wesentlichen Unterschied eingegangen. Wie gut zu erkennen ist, hat in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur der Kühlkörper 10 ein Podest 22, sondern auch das Bauelement 25 ein Podest 22. Zwischen den beiden Podesten 22 befindet sich das Wärmeleitmittel 19. In diesem Fall entspricht somit eine Höhe bzw. Erstreckung c des wärmeleitenden Befestigungsmittels 16 einer Summe aus der Erstreckung der beiden Podeste 22 und der Erstreckung des Wärmeleitmittels 19 in Schichtrichtung rS.
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7 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführungsbeispiele 1 und 2. Es wird dabei auch hier nur auf den wesentlichen Unterschied eingegangen. Wie gut zu erkennen ist, hat in diesem Ausführungsbeispiel der Kühlkörper 10 kein Podest 22, sondern nur das Bauelement 25 ein Podest 22. Zwischen dem Podest 22 und dem Kühlkörper 10 befindet sich das Wärmeleitmittel 19. In diesem Fall entspricht somit eine Höhe bzw. Erstreckung c des wärmeleitenden Befestigungsmittels 16 einer Summe aus der Erstreckung des Podests 22 und der Erstreckung des Wärmeleitmittels 19 in Schichtrichtung rS.
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Bei der Konstruktion der Vorrichtung ist darauf zu achten, dass die Höhe der Nut 34 eine Mindesthöhe bzw. Mindesttiefe hat, so dass ein Scherwinkel g auftritt, der einen maximal zulässigen Scherwinkel g nicht übersteigt. Die Bauteile mit hoher Verlustleistung sollen in dem Kernbereich platziert werden, sodass die Abwärme der Bauteile gut abgeleitet werden kann. Die Klebenut soll so schmal gewählt werden, dass ein möglichst großer Bereich unter dem thermischen Einfluss der Wärmeleitpaste ist.
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Im Zusammenhang mit Temperaturschwankungen kann es zum sogenannten „Warpage“-Effekt kommen, der einen Verzug beschreibt. Ein DBC, ein Keramiksubstrat, das einseitig mit Kupfer beschichtet ist, kann sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Keramik unter dem Einfluss von Temperaturwechseln biegen. Dieser physikalische Effekt ist z. B. von Bimetallen her bekannt. Die Klebenut muss solche Verbiegungen ausgleichen können. Bei einer größeren Höhe der Klebenut hat der Kleber mehr Masse. Verzieht bzw. verbiegt sich das Bauteil bzw. die Leiterplatte, z. B. DBC-Substrat, so führt dies zum Beispiel zu einer schalenartigen Verbiegung des Bauteils mit einer wenn auch kleinen Konkavität nach oben. Die Ränder biegen sich hoch, so dass das Wärme leitende Befestigungsmittel 16 gestreckt wird. Dabei wird eine Außenkontur des Befestigungsmittels konkav. Bei einem umgekehrten Bimetall-Effekt führt dies zum Beispiel zu einer schalenartigen Verbiegung des Bauteils mit einer wenn auch kleinen Konkavität zum Wärmeleitmittel 19 hin. Dabei wird eine Außenkontur des Befestigungsmittels konvex. Die Krümmung der Biegelinie des Klebers, d. h. der eben erwähnten Außenkontur, ist ein Maß für die Spannung im Befestigungsmittel 16. Je höher die Spannung, desto größer die Gefahr einer potentiellen Schädigung und Rissbildung des Befestigungsmittels. Eine größere Höhe bzw. Tiefe der Nut 34 führt zu einer kleineren Krümmung und ist daher vorteilhaft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015207893 B3 [0002]
