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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung umfassend ein thermisch und elektrisch leitendes Übertragungselement, zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle, wobei das Übertragungselement auf einem ersten elektrischen Potential liegt; eine Wärmesenke, die auf einem zweiten elektrischen Potential liegt; eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen der Wärmesenke und dem Übertragungselement angeordnet ist, um die Wärmequelle mit der Wärmesenke thermisch leitend zu verbinden.
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Hintergrund
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Vorrichtungen der eingangs genannten Art dienen zum Abführen von Wärme von elektronischen Bauteilen, insbesondere zum Abführen und Verteilen von Wärme von Chips oder Schaltungsträgern, insbesondere gedruckten Leiterplatten (Printed-Circuit-Boards, PCB). Üblicherweise sind die Chips oder Schaltungsträger dabei durch eine elektrisch isolierende und thermische leitfähige Schicht, zum Beispiel Wärmeleitpads oder -kleber, von der eigentlichen Wärmesenke, zum Beispiel einer Struktur mit Kühlrippen, getrennt. Die Wärme wird von dem Chip, der Wärmequelle, über ein elektrisch und thermisch leitendes Übertragungselement abgeführt. Da zwischen dem PCB/Chip und der normalerweise auf Erdpotential liegenden Wärmesenke eine erhebliche Potentialdifferenz bestehen kann (höher als 1 kV) , bildet sich zwischen den beiden Bauteilen ein starkes elektrisches Feld aus. Inhomogenitäten in dem elektrischen Feld können dazu führen, dass lokal Teilentladungen auftreten, die das Isolatormaterial und den Chip/PCB schädigen können.
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Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe diese Nachteile zumindest abzumildern.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist eine elektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art geschaffen, wobei das Übertragungselement abgerundete Kanten aufweist.
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In Folge der Potentialdifferenz zwischen dem Übertragungselement, der damit gekoppelten Wärmequelle und der Wärmesenke, bildet sich in dem Zwischenraum zwischen dem Übertragungselement und der Wärmesenke ein elektrisches Feld aus. Die lokale Stärke des elektrischen Feldes hängt dabei vom Abstand der potentialbehafteten Flächen und von der Geometrie der Oberflächen ab, aus der die elektrischen Feldlinien austreten. Der kleinste Radius definiert die maximale Feldstärke, daher treten bei einer Potentialdifferenz zwischen dem Übertragungselement und der Wärmesenke an kleinen Radien der Oberflächengeometrie hohe Feldstärken auf. Die kleinsten Radien treten an scharfen Kanten des Übertragungselements auf, die in Richtung der Wärmesenke orientiert sind und die durch die Fertigung bedingt sind. Daher besteht an den Kanten eine besonders hohe Gefahr von Teilentladungen und daher von Schäden der Isolationsmaterialien. Teilentladungen erfolgen infolge von Feldinhomogenitäten, die bewirken, dass lokal die Durchschlagsfestigkeit eines Isolationsmaterials überstiegen wird und elektrische Ladungsträgerdurch das elektrische isolierende Material der isolierenden Schicht fließen und diese beschädigt. Durch die Abrundung der Kanten des Übertragungselementes, die der Wärmesenke und damit einem anderen elektrischen Potential, zum Beispiel Erdpotential, zugewandt sind, werden die kleinsten Radien vergrößert. Dadurch werden lokale Überhöhungen der elektrischen Feldstärke vermieden und die Gefahr Vorschädigung oder Alterung durch von Isolationsmaterialien zum Beispiel in Form von Teilentladungen reduziert. In Folge dessen ist es auch möglich, eine Mindestdicke der isolierenden Schicht, die sonst notwendig ist, um Teilentladungen sicher zu verhindern, herabzusetzen. Dadurch kann der thermische Widerstand der Schicht verringert und systemseitig Bauraum und Gewicht gespart werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungselement zumindest teilweise innerhalb der isolierenden Schicht angeordnet, und/oder die Kanten des Übertragungselements die innerhalb der isolierenden Schicht angeordnet sind, sind abgerundet.
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Insbesondere sind diejenigen Kanten des Übertragungselementes abgerundet, die der Wärmesenke zugewandt sind und zumindest teilweise in einer Ebene verlaufen die parallel zu einer Fläche der Wärmesenke ist, die dem Übertragungselement gegenüberliegt.
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Mit Vorteil sind die Kanten, die in Richtung des zweiten Potentials, dem elektrischen Potential der Wärmesenke, orientiert sind und die innerhalb der isolierenden Schicht liegen, abgerundet, denn das elektrische Feld bildet sich zwischen dem Übertragungselement und der Wärmesenke aus. Da neben dem Radius der Kanten auch der Abstand der Kanten zum Kühlkörperpotential für die lokale Feldstärke maßgebend ist, ist eine Abrundung der den Kühlkörperpotential am nächsten liegenden Kanten am wirkungsvollsten. Das Übertragungselement kann dabei zumindest teilweise in der isolierenden Schicht angeordnet sein, oder in diese hineinreichen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Übertragungselement ein thermisches Anschlusspad eines PCB und einen Wärmespreizer, wobei der Wärmespreizer zwischen dem thermischen Anschlusspad und der isolierenden Schicht angeordnet ist und die abgerundeten Kanten aufweist.
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Ein zusätzlicher, elektrisch und thermisch leitender Wärmespreizer zwischen dem Anschlusspad (Prepackage) und der isolierenden Schicht (Wärmeleitpad) wirkt als Schirmung zur Abschirmung überhöhter elektrischer Feldstärken, die an den scharfen Kanten des Anschlusspads auftreten. Die scharfen Kanten des Anschlusspads können produktionsbedingt sein. Der Wärmespreizer hat abgerundete Kanten, wobei die Kanten in Richtung der Wärmesenke, d.h. in Richtung des anderen elektrischen Potentials abgerundet sind, um Feldstärkenüberhöhungen abzumildern. In dieser Ausgestaltung kann der Wärmespreizer direkt auf das Anschlusspad des PCB aufgebracht werden, wobei dies dann keine abgerundeten Kanten aufweisen muss. Mit Vorteil können daher die Anschlusspads handelsüblicher PCBs mit den Wämespreizern ausgestattet werden, wodurch eine Nachbearbeitung des PCB entfällt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kanten des Übertragungselementes gemäß Borda- und/oder Rogowski-Profilen gerundet. Borda- und/oder Rogowski Profile haben den Vorteil, dass die elektrische Feldstärkeüberhöhungen im Randbereich vermieden werden. Die Geometrie der Profile erlaubt eine exakte Bestimmung des Verlaufes der Feldlinien und damit eine Voraussage der Feldeigenschaften über eine gewisse Strecke hinweg (in der isolierenden Schicht). Werden Rogowski-Profile eingesetzt, werden elektrische Felder homogen abgebaut, was dazu beiträgt, lokale Feldstärkenspitzen und damit Teilentladungen zu verhindern. Wenn Borda-Profile verwendet werden, wird das elektrische Feld konstant gehalten.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungselement ein thermisch und elektrisch leitendes Anschlusspad eines PCB, und/oder die Kanten sind durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung abgerundet. Insbesondere bildet die elektrisch leitfähige Beschichtung eine abgerundete Kantenstruktur. Die Rundungen der Kanten des Übertragungselements können auch nachträglich mittels einer elektrisch gut leitfähigen Vergussmasse, oder Beschichtung hergestellt werden. Die Wirkungen bezüglich der verminderten Gefahr von Teilentladungen sind dann gleich wie oben beschrieben. Mit weiterem Vorteil kann ein abgerundetes Anschlusspad leichter in die isolierende Schicht eingebracht werden. Anschlusspad und isolierende Schicht (das Wärmeleitpad) werden üblicherweise zumindest teilweise durch Einpressen miteinander verbunden. Beim Einpressen können aber durch die scharfen Kanten Beschädigungen im Wärmeleitpad oder am Anschlusspad entstehen. Die Gefahr dieser Beschädigungen wird durch abgerundete Kanten ebenfalls reduziert. Dies gilt für alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungselement ein thermisch und elektrisch leitendes Anschlusspad eines PCB, und die Kanten des Anschlusspads sind durch eine elektrisch nicht leitfähige Beschichtung abgerundet. Insbesondere bildet die elektrisch nicht leitfähige Beschichtung eine abgerundete Kantenstruktur, die die Kanten des Anschlusspads umschließt, wobei die nicht leitfähige Beschichtung eine hohe Dielektrizitätszahl aufweist.
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Durch das Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials mit erhöhter dielektrischer Festigkeit wird der kritische Radius der Kanten des Anschlusspads umgossen und isoliert. Das dielektrische Material kann gegenüber der isolierenden Schicht eine hohe Dielektrizitätszahl aufweisen. Dadurch kommt es zu einer Verschiebung des elektrischen Feldes in das Material niedrigerer Dielektrizitätszahl hinein, nämlich in die isolierende Schicht hinein. Somit werden die Feldstärkenspitzen von den scharfen Kanten des Anschlusspads „weggeschoben“. Dadurch wird die Gefahr von Feldstärkenüberhöhungen an diesen Kanten gesenkt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Übertragungselement ein Anschlusspad und eine Feldplatte, wobei die Feldplatte auf das Anschlusspad aufgesetzt und zwischen dem Anschlusspad und der isolierenden Schicht angeordnet ist, wobei Enden der Feldplatte so in Richtung des Anschlusspads gebogen sind, dass sich in Richtung der Wärmesenke eine Rundung ergibt.
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Die gerundete Kantenstruktur kann auch durch eine gebogene Feldplatte gebildet sein, die als schirmendes Element auf das Anschlusspad aufgesetzt ist. Der Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsformen besteht darin, dass die Feldplatte einen Wärmespreizer bildet, der eine erheblich verminderte Dicke aufweist und dessen Rundungen nicht durch Abtragen oder Hinzufügen von Material eines Vollkörpers, sondern durch Biegen der Platte gebildet sind. Dadurch wird Material eingespart. Mit weiterem Vorteil ist die Feldplatte leicht nachträglich auf das Anschlusspad auflötbar. Die spitzen Enden der Feldplatte weisen durch die Biegung/Krümmung einen vergrößerten Abstand zum gegenüberliegenden elektrischen Potential der Wärmesenke auf. Die spitzen Enden können auch nach innen gebogen sein und so vom elektrischen Potential der Wärmesenke abgeschirmt sein.
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Weil die elektrische Feldstärke auch eine Funktion des Abstandes zum Referenzpotential, ist, wird hier die Gefahr von Teilentladungen nicht nur durch die Rundung, sondern auch durch den erhöhten Abstand der Enden der Feldplatte zum Referenzpotential gesenkt. Daher ist die vorliegende Ausführungsform besonders gut für sehr hohe Potentialdifferenzen (= hohe Feldstärken) geeignet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmesenke einen Bereich mit einer geometrischen Struktur auf, die dem Spiegelbild einer geometrischen Struktur des Übertragungselementes entspricht und dieser gegenüberliegt, insbesondere wobei der Bereich durch eine der Wärmequelle zugewandte Plattform mit abgerundeten Kanten gebildet ist. Durch die spiegelbildliche Ausbildung der Wärmesenke, bzw. eines Bereichs der Wärmesenke, welcher der Wärmequelle zugewandt ist, von der isolierenden Schicht bedeckt ist und dem Übertragungselement gegenüberliegt, kann das elektrische Feld insgesamt homogenisiert werden. Ein homogeneres elektrisches Feld weist aber weniger Inhomogenitäten und somit weniger Bereiche auf, in denen Teilentladungen auftreten können. Dieses Merkmal ist mit allen Ausführungsformen der Erfindung kompatibel und wirkungsvoll kombinierbar.
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Figurenliste
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Nachfolgend sind anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher beschreiben. Es zeigt
- die 1 eine gattungsgemäße elektronische Vorrichtung aus dem Stand der Technik;
- die 2 eine erste beispielhafte Ausführungsform der Erfindung;
- die 3 eine weitere beispielhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
- die 4,5,6 und 7 weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine gattungsgemäße elektronische Vorrichtung 1 aus dem Stand der Technik. Die elektronische Vorrichtung 1 umfasst ein thermisch und elektrisch leitendes Übertragungselement 2, welches mit einer Wärmequelle 3, hier einem Printed-Circuit-Board, PCB, verbunden ist. Das Übertragungselement 2 ist durch ein Anschlusspad 4 des PCB 3 gebildet. Die elektronische Vorrichtung 1 umfasst eine Wärmesenke 5, die auf GND-Potential liegt. Das Übertragungselement 2 liegt auf einem gegenüber GND erhöhten Potential. Die Wärmesenke 5 und das Übertragungselement 2 sind durch eine elektrisch isolierende Schicht 6 voneinander beabstandet. Das Material der elektrisch isolierenden Schicht ist jedoch thermisch leitfähig, um einen Wärmeübergang von der Wärmequelle 3 durch das Übertragungselement 2 und durch die elektrische isolierende Schicht 6 hindurch zu der Wärmesenke 5 zu ermöglichen. Das Anschlusspad 2 ist innerhalb der isolierenden Schicht 6 angeordnet. Das Anschlusspad weist scharfe Kanten 7 auf. Die Kanten 7 sind der Wärmesenke 5 zugewandt und verlaufen senkrecht zur Bildebene.
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2 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Das Übertragungselement 2 umfasst das Anschlusspad 4 und einen Wärmespreizer 8. Der Wärmespreizer 8 ist aus einem elektrisch leitenden Material und mit den Anschlusspad 4 verbunden. Anschlusspad 4 und Wärmespreizer liegen auf demselben, gegenüber GND erhöhten, elektrischen Potential. Der Wärmespreizer 8 ist zumindest teilweise innerhalb der elektrisch isolierenden Schicht 6 angeordnet und weist abgerundete Kanten 9 auf. Der Wärmespreizer 8 weist zudem eine größere Grundfläche auf als das Anschlusspad 4. Der Wärmespreizer 8 steht daher über das Anschlusspad über. Die überstehenden Kanten 9 des Wärmespreizers 8 sind abgerundet. Nur die zu der Wärmesenke 5 hin orientierten abgerundeten Kanten 9 des Wärmespreizers 8 sind in der elektrisch isolierenden Schicht 6 eingebettet und von dieser umgeben. Die Rundungen der abgerundeten Kanten 9 des Wärmespreizers 8 können die Geometrie von Borda- oder Rogowski-Profilen aufweisen.
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3 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist das Übertragungselement 2 keinen eigenen Wärmespreizer 8 auf, sondern das Anschlusspad 4 des PCB 3 wirkt als Wärmespreizer 8. Das Anschlusspad 4 ist in der isolierenden Schicht 6 angeordnet, und die produktionsbedingt scharfen Kanten 7 des Anschlusspads 4 sind abgerundet, sodass das Anschlusspad 4 nun abgerundete Kanten 9 aufweist. Die abgerundeten Kanten 9 weisen in die Bildebene hinein und sind zu dem Wärmespreizer 8 hin orientiert.
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4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die abgerundeten Kanten 9 des Anschlusspads 4 sind durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung 10 hergestellt, mit der das Anschlusspad 4 vor einem Verbinden mit der elektrisch leitfähigen Schicht 6 überzogen wird. Die so hergestellten abgerundeten Kanten 9 können auch die Geometrie von Borda - oder Rogowski-Profilen aufweisen.
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5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die abgerundeten Kanten 9 des Anschlusspads 4 sind durch eine elektrisch nicht leitfähige Beschichtung 11 hergestellt, mit der das Anschlusspad 4 vor einem Verbinden mit der elektrisch leitfähigen Schicht 6 überzogen wird. Dabei werden die scharfen Kanten 7 des Anschlusspads 4 übergossen und zusätzlich isoliert. Die scharfen Kanten 7 werden von dem Material vollständig umschlossen. Das Material, aus dem die elektrisch nicht leitfähige Beschichtung 11 besteht, weist eine hohe Dielektrizitätszahl auf. Jedenfalls weist es eine höhere Dielektrizitätszahl und somit eine höhere dielektrische Festigkeit auf, als das Material, aus dem die isolierende Schicht 6 besteht.
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6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Das Übertragungselement 2 umfasst das Anschlusspad 4 und eine elektrische Feldplatte 12. Die Feldplatte 12 ist auf das Anschlusspad 4 aufgelötet. Die Enden der Feldplatte 12 sind in Richtung der Wärmequelle 3 (in der Zeichnung „nach oben“) gebogen, sodass sich in Richtung der Wärmesenke 5 eine Rundung ergibt. Diese Rundung hat dieselbe Wirkung wie die gerundeten Kanten 9 des Wärmespreizers 8 oder des Anschlusspads 4. Die so entstehenden Rundungen können ebenfalls gemäß Borda- oder Rogowski-Profilen geformt sein.
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7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der elektronischen Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Wärmesenke 5 weist einen strukturierten Bereich 13 auf, welcher einer Unterseite des Übertragungselementes 2 gegenüberliegt und zu einer Geometrie der Unterseite des Übertragungselementes 2 spiegelbildlich ausgebildet ist. Der strukturierte Bereich 13 ist als erhabene Plattform ausgebildet und weist ebenfalls gerundete Kanten 14 auf. Die gerundeten Kanten 14 sind in der isolierenden Schicht 6 eingebettet. Diese Ausführungsform ist mit allen vorgenannten Ausführungsformen kompatibel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronische Vorrichtung
- 2
- Übertagungselement
- 3
- PCB / Wärmequelle
- 4
- Anschlusspad
- 5
- Wärmesenke
- 6
- elektrisch isolierende Schicht
- 7
- scharfe Kanten des Anschlusspads
- 8
- Wärmespreizer
- 9
- abgerundete Kanten des Übertragungselementes
- 10
- elektrisch leitfähige Beschichtung
- 11
- elektrisch nicht leitfähige Beschichtung
- 12
- Feldplatte
- 13
- strukturierter Bereich
- 14
- gerundete Kanten des strukturierten Bereichs
