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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung und ein System umfassend eine elektronische Vorrichtung und eine Kühlvorrichtung.
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Leiterplatten werden genutzt, um komplexe elektronische Vorrichtungen mit mehreren Teilkomponenten (im Folgenden: Bauteile) bereitzustellen. Die Bauteile werden dabei ausgehend von der Bestückungsseite der Leiterplatte auf der Leiterplatte angeordnet und anschließend fixiert, beispielsweise mittels SMT- oder THT-Montageverfahren (SMT: surface-mounting technology; THT: through-holetechnology).
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Zumindest einige der aufgebrachten Bauteile verursachen während des Betriebs signifikante Wärmemengen, die die Funktionalität der Bauteile oder der gesamten elektronischen Vorrichtung negativ beeinflussen können. Um die Funktionalität der Bauteile und der elektronischen Vorrichtung zu gewährleisten, muss deshalb eine Kühlvorrichtung vorgesehen werden, die eingerichtet ist, um die entstehenden Wärmemengen abzutransportieren. Die Kühlung muss dann aus Richtung der Bestückungsseite der Leiterplatte erfolgen. Zudem weisen unterschiedliche Bauteile oftmals teils stark abweichende Abmessungen auf.
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Einerseits können dann mehrere einzelne Kühlvorrichtungen vorgesehen sein, die jeweils zur Kühlung eines spezifischen Bauteils der elektronischen Vorrichtung eingerichtet sind. Ein solche Anordnung weist jedoch viele Einzelteile und daher eine hohe Komplexität auf.
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Andererseits kann auch eine einzelne Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die zur Kühlung mehrerer Bauteile der elektronischen Vorrichtung eingerichtet ist. Aufgrund der variierenden Abmessungen der individuellen Bauteile muss die Kühlvorrichtung dann jedoch strukturiert sein, um den verschiedenen Abmessungen der Bauteile Rechnung zu tragen, beispielsweise unterschiedlichen Höhenabmessungen senkrecht zur Oberfläche der Bestückungsseite der Leiterplatte. Somit ist eine komplex strukturierte Kühlvorrichtung notwendig, die einen hohen Herstellungsaufwand erfordert. Zudem ist eine derartig strukturierte Kühlvorrichtung lediglich zur Verwendung mit einer spezifischen Kombination von Bauteilen geeignet. Wird beispielsweise ein Bauteil gegen ein anderes Bauteil mit geänderten (Höhen-)Abmessungen ausgetauscht, beispielsweise im Rahmen einer Revision oder bei Wartungsarbeiten, muss auch die Kühlvorrichtung entsprechend angepasst werden. Die Kompatibilität der elektronischen Vorrichtung ist abhängig von den einzelnen Bauteilen also auf die Verwendung mit einer bestimmten strukturierten Kühlvorrichtung beschränkt.
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Dadurch wird ein hoher Herstellungsaufwand verursacht und nur eine limitierte Verwendbarkeit bereitgestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Vorrichtung und ein System bereitzustellen, die eine verbesserte Nutzbarkeit bei geringem Herstellungsaufwand ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Erfindung darstellen kann.
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Gemäß einem Aspekt wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die zumindest eine Leiterplatte und zumindest ein elektrisches oder elektronisches Bauteil umfasst. Die Leiterplatte weist eine Bestückungsseite und eine entgegengesetzte Lötseite auf und umfasst zumindest eine zu dem zumindest einen Bauteil korrespondierende, in Dickenrichtung der Leiterplatte durchgehende Aussparung. Das zumindest eine Bauteil grenzt an die Aussparung an oder ragt in sie hinein, so dass das Bauteil von der Lötseite aus freiliegt und mittels einer der Lötseite zugewandten Kühlvorrichtung kühlbar ist.
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Das elektrische oder elektronische Bauteil ist insbesondere ein bedrahtetes Bauteil, also eines, das für THT-Lötverbindungen und/oder SMT-Lötverbindungen oder dergleichen zum Zweck der Montage auf Leiterplatten vorgesehen ist.
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Durch die Aussparung in der Leiterplatte kann das Bauteil in der Aussparung positioniert werden, und zwar derart, dass zumindest eine für die Kopplung mit einer Kühlvorrichtung vorgesehene Bauteiloberfläche des Bauteils in einer definierten Lage relativ zur Leiterplatte angeordnet ist. Dennoch ist die Leiterplatte in Bezug auf das Bauteil von der Bestückungsseite aus bestückbar, so dass Bestückungsvorrichtungen nicht aufwendig angepasst werden müssen. Die Bauteiloberfläche des Bauteils wird durch die Aussparung relativ zur Leiterplatte derart angeordnet, dass sie auf der Lötseite der Leiterplatte freiliegt. Für die Kühlung des Bauteils braucht die Kühlvorrichtung daher nicht mehr auf der Bestückungsseite angeordnet werden, sondern kann vorteilhafterweise auf der Lötseite vorgesehen sein. Somit kann die Strukturierung der Kühlvorrichtung vereinfacht werden, da sie nicht an das Höhenprofil der Bauteile auf der Bestückungsseite der Leiterplatte angepasst sein muss. Außerdem kann ein Austausch eines Bauteils gegen ein anderes Bauteil mit abweichender Höhenabmessung ermöglicht werden, und zwar derart, dass das Austauschbauteil in gleicher Weise auf der Lötseite der Leiterplatte freiliegt. Das eine abweichende Höhenabmessung aufweisende Austauschbauteil ist also in gleicher Weise durch dieselbe Kühlvorrichtung kühlbar. Lediglich eine Anpassung der Fixierung des Austauschbauteils relativ zur Leiterplatte kann notwendig sein.
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In einer Ausgestaltung kann die Leiterplatte mehrere elektrische oder elektronische Bauteile und jeweils zugeordnete Aussparungen aufweisen. In den Aussparungen ist zumindest jeweils ein Bauteil derart angeordnet, dass es ebenfalls von der Lötseite aus freiliegt und mittels der Kühlvorrichtung von der Lötseite aus kühlbar ist. Somit können mehrere und insbesondere alle Bauteile, die mittels einer Kühlvorrichtung gekühlt werden müssen, von der Lötseite aus gekühlt werden, wenn entsprechende Aussparungen in der Leiterplatte vorgesehen werden. Dass diese Bauteile (und andere nicht zu kühlende Bauteile) auf der Bestückungsseite der Leiterplatte ein variierendes Höhenprofil aufweisen, kann dann vorteilhaft unbeachtlich bleiben.
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Vorzugsweise können zumindest einige der in den jeweiligen Aussparungen angeordneten Bauteile fluchtende, zur Lötseite weisende Bauteiloberflächen aufweisen, die der Kühlvorrichtung zugewandt sind. Vorzugsweise weisen alle Bauteile, die einer Aussparung zugeordnet sind, fluchtende, zur Lötseite weisende Bauteiloberflächen auf. Folglich wird durch die fluchtenden Bauteiloberflächen eine Kühlebene der Bauteile geschaffen, die parallel zur Oberfläche der Lötseite der Leiterplatte angeordnet ist. Diese Kühlebene kann dann mit einer Kühlvorrichtung gekoppelt werden, die keine aufwendige Strukturierung aufweisen muss. Vielmehr kann die Kühlvorrichtung eine ebene Kühlfläche zur Kopplung mit den fluchtenden Bauteiloberflächen der Bauteile aufweisen. Dadurch ist der Herstellungsaufwand reduziert. Zudem ist die Kompatibilität der elektronischen Vorrichtung verbessert, da Bauteile, die unterschiedliche Höhenabmessungen aufweisen, dennoch derart in den Aussparungen angeordnet werden können, dass sie mit übrigen Bauteilen fluchtende Bauteiloberflächen aufweisen.
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Das zumindest eine Bauteil kann mit der zumindest einen Leiterplatte lediglich mittels Lötverbindungen gekoppelt sein. Insbesondere können die Lötverbindungen in gewohnter Weise zur Bestückungsseite weisen. Alternativ können die Lötverbindungen zur Lötseite weisen. Da das Bauteil in der Aussparung in der Ebene der Leiterplatte fixiert ist, erfolgt dann die mechanische Verbindung zur Leiterplatte rein über den Lötprozess. Es werden also keine weiteren mechanischen Montagekomponenten benötigt. Dann brauchen die Bestückungsvorrichtungen nicht angepasst werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann das zumindest eine Bauteil mit zumindest einer Leiterbahn der zumindest einen Leiterplatte mittels Wellenlöten gekoppelt sein. Wellenlöten ist eine besonders effiziente Verbindungstechnik, weshalb der Montageaufwand und der Herstellungsaufwand sowie die Kosten reduziert sind.
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Zumindest ein in einer Aussparung angeordnetes Bauteil kann eine Spule oder ein Halbleiterbauteil umfassen. Das vorliegende Montagekonzept kann allgemein auf eine Vielzahl verschiedener Bauteiltypen angewendet werden. Diese können vorteilhafterweise alle Wärmeleitpfade aufweisen, die parallel orientiert sind.
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Die Spule kann eingerichtet sein, um als stromkompensierte Drossel zu wirken. Insbesondere kann die Spule als EMV-Filterdrossel wirken. Derartige Spulen müssen üblicherweise gekühlt werden. Die Aussparung der Leiterplatte ermöglicht eine Realisierung der Kühlung aus Richtung der Lötseite.
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Gemäß einem weiteren Aspekt werden ein System mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung und eine Kühlvorrichtung bereitgestellt. Die Kühlvorrichtung weist zumindest eine Kühlfläche auf, die parallel zur Lötseite der Leiterplatte angeordnet ist. Insbesondere kann die Kühlfläche der Kühlvorrichtung eben sein. Folglich kann eine Strukturierung der Kühlfläche der Kühlvorrichtung vermieden werden. Somit ist der Herstellungsaufwand reduziert. Dennoch ist die Kühlvorrichtung zur Verwendung mit fluchtenden Bauteiloberflächen von zu kühlenden Bauteilen eingerichtet.
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Gemäß einer Ausgestaltung steht die Kühlfläche der Kühlvorrichtung in wärmeleitendem Kontakt mit mehreren Bauteilen der elektronischen Vorrichtung, die in jeweiligen Aussparungen der Leiterplatte angeordnet sind. Der Kontakt (thermische Kontakt) kann jeweils direkt (unmittelbar) sein oder mithilfe einer Festkörper-Wärmebrücke (mittelbar) bereitgestellt werden. Die Festkörper-Wärmebrücke kann eingerichtet sein, um geringe Unebenheiten zwischen Bauteiloberflächen der zu kühlenden Bauteile und der Kühlfläche der Kühlvorrichtung auszugleichen. Also ist die Kühlvorrichtung zur Kopplung mit verschiedenen Bauteilen eingerichtet, die jeweiligen Aussparungen der Leiterplatte zugeordnet sind. Selbst variierende Höhenabmessungen der Bauteile erfordern keine Strukturierung der Kühlfläche der Kühlvorrichtung.
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Optional kann zwischen der Kühlfläche der Kühlvorrichtung und zumindest einer Bauteiloberfläche von zumindest einem in einer Aussparung der Leiterplatte angeordneten Bauteil ein Wärmeleitpad und/oder ein Wärmeleitmedium angeordnet sein. Selbst geringe Abweichungen bezüglich der Parallelität der Bauteiloberfläche des zu kühlen Bauteils und der Kühlfläche der Kühlvorrichtung können dadurch kostengünstig derart ausgeglichen werden, dass dennoch ein guter thermischer Wärmeleitpfad bereitgestellt wird.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Teils einer elektronischen Vorrichtung in Richtung der Bestückungsseite einer Leiterplatte,
- - 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Teils einer elektronischen Vorrichtung in Richtung der Lötseite der Leiterplatte, und
- - 3 eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines Systems umfassend eine elektronische Vorrichtung und eine Kühlvorrichtung.
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Teils einer elektronischen Vorrichtung 10 in Richtung der Bestückungsseite 14 der Leiterplatte 12. Die Elektronische Vorrichtung 10 umfasst die Leiterplatte 12.
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Die Leiterplatte 12 hat eine Bestückungsseite 14 und eine entgegengesetzte Lötseite 16. Ein Bauteil 18 ist an der Leiterplatte 12 angeordnet. Dazu umfasst die Leiterplatte 12 eine Aussparung 20, die in Dickenrichtung der Leiterplatte 12 entlang der z-Richtung 6 durch die Leiterplatte 12 durchgehend ausgebildet ist. Das Bauteil 18 und die Aussparung 20 sind einander zugeordnet. Das Bauteil 18 ist in der Aussparung 20 angeordnet, so dass ein Bauteilabschnitt 19a des Bauteils 18 auf der Bestückungsseite 14 und ein anderer Bauteilabschnitt 19b des Bauteils 18 auf der Lötseite 16 angeordnet ist, wobei das Bauteil überwiegend auf der Bestückungsseite 14 liegt.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Teils einer elektronischen Vorrichtung 10 in Richtung der Lötseite 16 der Leiterplatte 12.
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Die Aussparung 20 weist eine Querschnittskontur 22 auf, die zur Bauteilkontur 24 korrespondierend ist. Entlang der x-Richtung 2 und der y-Richtung 4 ist das Bauteil 18 daher in der Aussparung 20 durch die korrespondierenden Abmessungen fixiert. Geringe Abstände zwischen der Bauteilkontur 24 und der Querschnittskontur 22 können zu Montagezwecken vorgesehen sein. Das Bauteil 18 ist mit der Leiterplatte 12 lediglich mittels Lötverbindungen 25 gekoppelt. Dazu sind Zuleitungen des Bauteils 18 mittels der Lötverbindungen 25 mit Leiterbahnen der Leiterplatte 12 gekoppelt.
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Vorzugsweise können die Lötverbindungen 25 mittels Wellenlöten bereitgestellt werden. Da das Bauteil in x-y-Richtung 2,4 in der Aussparung 20 fixiert ist, wird die Positionierung des Bauteils 18 in z-Richtung 6 durch die Lötverbindungen 25 festgelegt. Das bedeutet, dass die Lötverbindungen 25 derart ausgeführt werden, dass die gewünschten Bauteilabschnitte 19a, 19b beidseits der Bestückungsseite 14 und der Lötseite 16 bereitgestellt werden. Obwohl ein Bauteilabschnitt 19b des Bauteils 18 auf der Lötseite 16 der Leiterplatte 12 angeordnet ist, kann das Bauteil 18 in herkömmlicher Weise ausgehend von der Bestückungsseite 14 auf der Leiterplatte 12 angeordnet werden.
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Der Bauteilabschnitt 19b des Bauteils 18, der auf der Lötseite 16 der Leiterplatte 12 angeordnet ist, weist eine zur Lötseite 16 weisende Bauteiloberfläche 26 auf, die generell zur Kopplung mit einer Kühlvorrichtung vorgesehen ist. Das bedeutet, dass der Wärmeleitpfad in z-Richtung 6 in Richtung der Lötseite 16 vorgesehen ist. Das Bauteil 18 wird also nicht aus Richtung der Bestückungsseite 14 gekühlt, wie es im Stand der Technik üblich ist.
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Seitenansicht eines Systems 30 umfassend eine elektronische Vorrichtung 10 und eine Kühlvorrichtung 32.
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An der Leiterplatte 12 der elektronischen Vorrichtung 10 sind mehrere elektrische oder elektronische Bauteile angeordnet. Einige der Bauteile müssen nicht gekühlt werden. Für die Bauteile 18a, 18b, 18c ist jedoch eine Kühlung vorgesehen. Beispielsweise ist das Bauteil 18a eine stromkompensierte Spule, insbesondere eine EMV-Filterdrossel.
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Das Bauteil 18b ist ein Halbleiterbauteil. Jedes der Bauteile 18a, 18b, 18c ist jeweils einer Aussparung 20a, 20b, 20c der Leiterplatte 12 zugeordnet. Wie zuvor beschrieben, sind die Bauteile 18a, 18b, 18c in der jeweiligen Aussparung 20a, 20b, 20c derart angeordnet, dass sie zur Lötseite 16 der Leiterplatte 12 weisende Bauteiloberflächen 26a, 26b, 26c aufweisen. Die Bauteile 18a, 18b, 18c sind in z-Richtung 6 derart mit der Leiterplatte 12 mittels Lötverbindungen 25 gekoppelt, dass die Bauteiloberflächen 26a, 26b, 26c miteinander fluchten und eine Kühlebene 27 ausbilden. Die Kühlebene 27 ist dabei parallel zur Lötseite 16 der Leiterplatte 12 angeordnet und weist dieser gegenüber eine Distanz d in z-Richtung 6 auf. Obwohl die Bauteile 18a, 18b, 18c abweichende Höhenabmessungen in z-Richtung 6 aufweisen, wird also dennoch eine einheitliche Kühlebene 27 in Richtung der Lötseite 16 bereitgestellt. Die Höhenabweichungen zwischen den Bauteilen 18a, 18b, 18c auf der Bestückungsseite 14 der Leiterplatte 12 können also im Hinblick auf die Kühlung vernachlässigt werden. In x-y-Ebene 2, 4 sind die Bauteile 18a, 18b, 18c in den jeweiligen Aussparungen 20a, 20b, 20c durch zueinander korrespondierende Querschnittskonturen 22 und Bauteilkonturen 24 fixiert.
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Die Kühlvorrichtung 32 des Systems 30 umfasst eine Kühlfläche 34, die parallel zur Lötseite 16 der Leiterplatte 12 angeordnet ist. Die Kühlfläche 34 ist zur Kopplung mit den Bauteiloberflächen 26a, 26b, 26c vorgesehen. Die Kühlfläche 34 braucht entlang der z-Richtung 6 nicht strukturiert sein, da die Kühlebene 27 flach ist. Folglich kann auch die Kühlfläche 34 eben sein. Somit ist die Kühlvorrichtung 32 mit geringem Herstellungsaufwand produzierbar. Die Kühlvorrichtung 32 ist mittels eines Kühlmittelanschlusses 36 an einen Kühlmittelkreislauf gekoppelt, um ein Kühlmedium umzuwälzen, wodurch ein Wärmeabtransport ermöglicht wird.
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Selbstverständlich kann die Kühlvorrichtung auch passiv sein und beispielsweise auf einer der Kühlfläche 34 entgegengesetzten Oberfläche Kühlrippen aufweisen.
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Vorliegend sind zwischen den Bauteiloberflächen 26a, 26b, 26c und der Kühlfläche 34 der Kühlvorrichtung 32 Wärmeleitpads 38a, 38b, 38c angeordnet, die geringfügige Unebenheiten ausgleichen können. Die Wärmeleitpads 38a, 38b, 38c stellen insofern Festkörper-Wärmebrücken dar. Diese sind aber optional. Der Wärmeleitpfad kann auch durch einen direkten (unmittelbaren) wärmeleitenden Kontakt zwischen den Bauteiloberflächen 26a, 26b, 26c und der Kühlfläche 34 hergestellt werden.
