DE102021202686A1 - Printed circuit board cooler combination, circuit arrangement with a printed circuit board cooler combination - Google Patents
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Abstract
Offenbart wird ein Leiterplatte-Kühler-Verbund (LV), aufweisend:- eine PCB-Leiterplatte (LP) mit einer ersten löt- oder sinterfähigen Kontaktoberfläche (KF1);- einen Kühler (KL) mit einer zweiten löt- oder sinterfähigen Kontaktoberfläche (KF2);- wobei die PCB-Leiterplatte (LP) über die erste Kontaktoberfläche (KF1) auf der zweiten Kontaktoberfläche (KF2) aufliegt;- wobei die erste (KF1) und die zweite (KF2) Kontaktoberfläche miteinander über eine Lot- oder Sinterverbindungsschicht (VS) gelötet oder gesintert sind.Ferner wird eine Schaltungsanordnung mit einem genannten Leiterplatte-Kühler-Verbund beschrieben.Disclosed is a printed circuit board cooler combination (LV), comprising: - a PCB printed circuit board (LP) with a first solderable or sinterable contact surface (KF1); - a cooler (KL) with a second solderable or sinterable contact surface (KF2 );- the PCB circuit board (LP) resting on the second contact surface (KF2) via the first contact surface (KF1);- the first (KF1) and the second (KF2) contact surface being connected to one another via a solder or sintered connection layer (VS ) are soldered or sintered. Furthermore, a circuit arrangement with a circuit board-cooler combination is described.
Description
Technisches Gebiet:Technical field:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leiterplatte-Kühler-Verbund sowie eine Schaltungsanordnung mit einem Leiterplatte-Kühler-Verbund, insb. für die Anwendung in einem Leistungselektronikbereich, speziell in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen.The present invention relates to a printed circuit board/cooler combination and a circuit arrangement with a printed circuit board/cooler combination, in particular for use in a power electronics area, specifically in electrically driven motor vehicles.
Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
- PCB-Leiterplatten, insb. FR4-PCB-Leiterplatten, werden aufgrund deren geringen Herstellungskosten nach wie vor in vielen elektrischen Vorrichtungen, insb. im Leistungselektronikbereich, verwendet, die beim Betrieb hohe Verlustleistungen erzeugen. Die Kühlung der PCB-Leiterplatten erfolgt dabei mittels Kühler, mit denen die PCB-Leiterplatten thermisch verbunden sind. Dabei besteht weiterhin die Anforderung, die PCB-Leiterplatten möglichst effizienter zu kühlen.
- Due to their low manufacturing costs, PCB circuit boards, especially FR4 PCB circuit boards, are still used in many electrical devices, especially in the field of power electronics, which generate high power losses during operation. The PCB circuit boards are cooled by means of coolers with which the PCB circuit boards are thermally connected. There is still the requirement to cool the PCB circuit boards as efficiently as possible.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit zur effizienten und zuverlässigen Kühlung für eine PCB-Leiterplatte bereitzustellen.The object of the present application is therefore to provide a possibility for efficient and reliable cooling for a PCB circuit board.
Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leiterplatte-Kühler-Verbund bereitgestellt.According to a first aspect of the invention, a printed circuit board cooler assembly is provided.
Der Leiterplatte-Kühler-Verbund weist eine PCB-Leiterplatte mit einer ersten lötfähigen oder einer ersten sinterfähigen Kontaktoberfläche und einen Kühler mit einer zweiten lötfähigen oder einer zweiten sinterfähigen Kontaktoberfläche auf. Die PCB-Leiterplatte liegt über die erste Kontaktoberfläche auf der zweiten Kontaktoberfläche auf, wobei die erste Kontaktoberfläche und die zweite Kontaktoberfläche miteinander über eine Lotverbindungsschicht gelötet bzw. über eine Sinterverbindungsschicht gesintert sind. The printed circuit board/cooler composite has a PCB printed circuit board with a first solderable or a first sinterable contact surface and a cooler with a second solderable or a second sinterable contact surface. The PCB circuit board lies on the second contact surface via the first contact surface, the first contact surface and the second contact surface being soldered to one another via a solder connection layer and sintered via a sintered connection layer, respectively.
Dabei ist die oben beschriebene PCB-Leiterplatte keine DCB-Leiterplatte (DCB auf Englisch: „Direct copper bonded“). Bspw. ist die PCB-Leiterplatte ist eine Leiterplatte mit, insb. faserverstärktem, Kunststoff als Isoliermaterial oder mit vorimprägnierten Fasern (Prepreg, auf Englisch: „preimpregnated fibers“). Insb. ist die PCB-Leiterplatte mit einem für deren Anwendung insb. im Leistungselektronikbereich mit einer Betriebs- bzw. Nennspannung von 48 Volt oder von weit über 60 Volt, wie z. B. bei 400 Volt, 800 Volt oder höher, geeigneten Kunststoff als Isoliermaterial ausgeführt.The PCB circuit board described above is not a DCB circuit board (DCB in English: "Direct copper bonded"). For example, the PCB circuit board is a circuit board with, especially fiber-reinforced, plastic as the insulating material or with pre-impregnated fibers (prepreg, in English: “preimpregnated fibers”). In particular, the PCB circuit board with a for their application esp. B. at 400 volts, 800 volts or higher, suitable plastic as insulating material.
Die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht ermöglicht durch ihre flächig durchgehend homogene stoffschlüssige Verbindung sowohl zur PCB-Leiterplatte als auch zum Kühler eine effiziente Wärmeübertragung von der PCB-Leiterplatte an den Kühler.The solder or sintered connection layer enables efficient heat transfer from the PCB circuit board to the cooler thanks to its surface, continuous, homogeneous material connection both to the PCB circuit board and to the cooler.
Die Wärmeübertragung über die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht ist wesentlich effizienter als eine Wärmeübertragung über eine Wärmeleitpaste oder ein vergleichbares thermisch leitfähiges Material zwischen der PCB-Leiterplatte und dem Kühler. Das liegt darin, dass die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht anders als die Wärmeleitpaste oder das vergleichbare Material mit den Komponenten, sprich der PCB-Leiterplatte bzw. dem Kühler, direkt stoffschlüssig verbunden ist und somit zwischen der Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht einerseits und den Komponenten andererseits kein bzw. nur ein vernachlässigbar geringer thermischer Widerstand vorliegt. Dagegen weist die thermische Kontaktierung über die Wärmeleitpaste oder das vergleichbare Material vergleichsweise hohe thermische Widerstände an den Übergängen zwischen der Wärmeleitpaste bzw. dem vergleichbaren Material einerseits und den Komponenten andererseits, welche sich negativ die Wärmeübertragung zwischen den Komponenten auswirken.The heat transfer via the solder or sintered connection layer is much more efficient than heat transfer via a thermally conductive paste or a comparable thermally conductive material between the PCB circuit board and the cooler. This is due to the fact that the solder or sintered connection layer, unlike the thermal paste or the comparable material, is directly connected to the components, i.e. the PCB circuit board or the cooler, and thus between the soldered or sintered connection layer on the one hand and the components on the other hand, there is no or only a negligibly low thermal resistance. On the other hand, the thermal contact via the thermal paste or the comparable material has comparatively high thermal resistances at the transitions between the thermal paste or the comparable material on the one hand and the components on the other hand, which have a negative effect on the heat transfer between the components.
Darüber hinaus bildet die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht auch eine nicht-zerstörungsfrei lösbare körperliche Verbindung zwischen den beiden Komponenten, sodass eine zusätzliche mechanische Verbindung, wie z. B. eine kraftschlüssige Verbindung bspw. mittels Schrauben, zwischen den beiden Komponenten entfällt.In addition, the solder or sintered connection layer also forms a non-destructively detachable physical connection between the two components, so that an additional mechanical connection, such as e.g. B. a non-positive connection, for example. Using screws, between the two components is omitted.
Damit ist eine Möglichkeit zur effizienten und zuverlässigen Kühlung für eine PCB-Leiterplatte bereitgestellt.A possibility for efficient and reliable cooling for a PCB circuit board is thus provided.
Dabei können die genannte Lotverbindungsschicht bzw. die genannte Sinterverbindungsschicht jeweils als eine flächig ausgedehnte, insb. über die gesamten Kontaktoberflächen spannende bzw. die gesamten Kontaktoberflächen bedeckende Verbindungsfläche ausgeführt sein. Alternativ können die Lotverbindungsschicht bzw. die Sinterverbindungsschicht jeweils eine Ansammlung von mehreren kleinflächigen Verbindungsflächen sein, welche die beiden Kontaktoberflächen in regelmäßigen Abständen und mit Unterbrechungen miteinander (punktuell) körperlich wie thermisch verbinden.In this case, the mentioned solder connection layer or the mentioned sintered connection layer can each be designed as a two-dimensionally extended connection surface, in particular stretching over the entire contact surfaces or covering the entire contact surfaces. Alternatively, the soldered connection layer or the sintered connection layer can each be an accumulation of several small-area connection surfaces, which connect the two contact surfaces to one another (punctually) physically and thermally at regular intervals and with interruptions.
Ferner können die Sinterverbindungsschicht bei einer Auswahl von einem geeigneten elektrisch gut leitenden Sintermaterial bzw. die Lotverbindungsschicht aus einem elektrisch leitenden Lot die PCB-Leiterplatte zusätzlich mit dem Kühler direkt elektrisch verbinden, wodurch die erste Kontaktoberfläche als Masseanschluss der PCB-Leiterplatte zur elektrischen Masse dient. Dient der Kühler als elektrische Masse (auf Englisch „Ground“) des Leiterplatte-Kühler-Verbunds, so wird dank der direkten elektrischen Verbindung der PCB-Leiterplatte mit dem Kühler als Masse über die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht der elektromagnetische Abschirmeffekt bei der PCB-Leiterplatte und somit auch bei dem Verbund verbessert.Furthermore, the sintered compound layer can be electrically well conductive sintered material or the solder joint layer made of an electrically conductive solder, the PCB circuit board also directly electrically connect to the cooler, whereby the first contact surface serves as a ground connection of the PCB circuit board to the electrical ground. If the cooler serves as an electrical ground (in English "ground") of the circuit board-cooler combination, then thanks to the direct electrical connection of the PCB circuit board with the cooler as a ground via the solder or sintered connection layer, the electromagnetic shielding effect on the PCB Printed circuit board and thus also improved in the network.
Bspw. ist die Lot- oder Sinterverbindungsschicht derart ausgeführt, dass diese die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der PCB-Leiterplatte und des Kühlers ausgleicht.For example, the solder or sintered connection layer is designed in such a way that it compensates for the different thermal expansions of the PCB circuit board and the cooler.
Bedingt durch deren Materialeigenschaften ist die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht elastisch. Dadurch kann die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht unterschiedliche thermische Ausdehnungen der PCB-Leiterplatte und des Kühlers ausgleichen, ohne dabei Schaden zu nehmen bzw. ohne, dass dabei sich die Wärmeübertragung über die Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht verschlechtert.Due to their material properties, the solder or sintered compound layer is elastic. As a result, the solder or sintered connection layer can compensate for different thermal expansions of the PCB circuit board and the cooler without being damaged or without the heat transfer via the soldered or sintered connection layer deteriorating.
Bspw. weist die PCB-Leiterplatte Halbleiterbauelemente, insb. gehäuselose Halbleiterbauelemente (auf Englisch „bare die“) auf, die in der PCB-Leiterplatte eingebettet sind.For example, the PCB circuit board has semiconductor components, in particular bare die semiconductor components, which are embedded in the PCB circuit board.
Durch das Einbetten der Halbleiterbauelemente, die in der Regel beim Betrieb des Verbundes hohe Verlustleistungen erzeugen und somit vorrangig gekühlt werden müssen, liegen diese näher an der Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht und somit an dem Kühler als diese auf einer von dem Kühler abgewandten Oberseite der Leiterplatte angeordnet wären. Dadurch ist der Wärmeübertragungsweg von den Halbleiterbauelementen zum Kühler kürzer und liegt auch weniger Leiterplatten-Material zwischen den Halbleiterbauelementen und der Lot- bzw. Sinterverbindungsschicht bzw. dem Kühler, welches die effiziente Wärmeübertragung verhindern würde (Verbesserung des thermischen Widerstandes zwischen den Halbleiterbauelementen einerseits und dem Kühler andererseits).By embedding the semiconductor components, which usually generate high power losses during operation of the assembly and therefore have to be primarily cooled, they are closer to the solder or sintered compound layer and thus to the cooler than they are on an upper side of the circuit board facing away from the cooler would be arranged. As a result, the heat transfer path from the semiconductor components to the cooler is shorter and there is also less printed circuit board material between the semiconductor components and the solder or sintered connection layer or the cooler, which would prevent efficient heat transfer (improvement of the thermal resistance between the semiconductor components on the one hand and the cooler on the other hand).
Bspw. ist die PCB-Leiterplatte als eine FR4-PCB-Leiterplatte bzw. eine Leiterplatte der Klasse FR4 ausgeführt. Bspw. ist die PCB-Leiterplatte als eine Leiterplatte einer Klasse höher als FR4 mit einem, insb. schwer entflammbaren bzw. flammenhemmenden, Verbundwerkstoff ausgeführt.For example, the PCB circuit board is designed as an FR4 PCB circuit board or a class FR4 circuit board. For example, the PCB circuit board is designed as a circuit board of a class higher than FR4 with a composite material, in particular a flame-retardant or flame-retardant one.
Bspw. weist die PCB-Leiterplatte als Isoliermaterial ein Verbundwerkstoff bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe auf, der insb. schwer entflammbar bzw. flammenhemmend ist.For example, the PCB circuit board has a composite material consisting of epoxy resin and glass fiber fabric as the insulating material, which is particularly flame-retardant or flame-retardant.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung, insb. eine Leistungsschaltungsanordnung, speziell für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie z. B. ein Leistungsmodul eines Inverters oder eines Gleichspannungswandlers, bereitgestellt.According to a second aspect of the invention, a circuit arrangement, esp. A power circuit arrangement, especially for an electrically powered motor vehicle, such as. B. a power module of an inverter or a DC-DC converter provided.
Die Schaltungsanordnung weist einen zuvor beschriebenen Leiterplatte-Kühler-Verbund sowie Stromanschlüsse zum Anschließen der Schaltungsanordnung mit einer externen Schaltungsvorrichtung auf. Dabei ist die PCB-Leiterplatte des Leiterplatte-Kühler-Verbundes bzw. sind die Halbleiterbauelemente in der PCB-Leiterplatte mit den Stromanschlüssen elektrisch verbunden.The circuit arrangement has a printed circuit board/cooler combination as described above, as well as power connections for connecting the circuit arrangement to an external circuit device. In this case, the PCB circuit board of the circuit board/cooler combination or the semiconductor components in the PCB circuit board are electrically connected to the power connections.
Beschreibung der Zeichnung:Description of the drawing:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige
Der Leiterplatte-Kühler-Verbund LV ist bspw. als ein Leistungsmodul (oder Teil davon) eines Inverters oder eines Gleichspannungswandlers gebildet.The printed circuit board cooler combination LV is formed, for example, as a power module (or part thereof) of an inverter or a DC voltage converter.
Der Leiterplatte-Kühler-Verbund LV weist PCB-Leiterplatte LP auf, die ihrerseits eine erste löt- oder sinterfähigen Kontaktoberfläche KF1 und eine von der Kontaktoberfläche KF1 abgewandt liegende Bestückungsoberfläche aufweist. Dabei ist die PCB-Leiterplatte LP bspw. als eine FR4-PCB-Leiterplatte ausgeführt.The circuit board/cooler combination LV has a PCB circuit board LP, which in turn has a first contact surface KF1 that can be soldered or sintered and an assembly surface that faces away from the contact surface KF1. In this case, the PCB circuit board LP is designed, for example, as an FR4 PCB circuit board.
Der Leiterplatte-Kühler-Verbund LV weist ferner eine Anzahl von Halbleiterbauelementen HB, wie z. B. Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs auf, die in der Leiterplatte LP bzw. zwischen der ersten Kontaktoberfläche KF1 und der Bestückungsoberfläche eingebettet sind.The printed circuit board cooler assembly LV also has a number of semiconductor components HB, such as. B. semiconductor switches such as MOSFETs or IGBTs, which are embedded in the printed circuit board LP or between the first contact surface KF1 and the assembly surface.
Der Leiterplatte-Kühler-Verbund LV weist zudem einen Kühler KL auf, die seinerseits eine zweite löt- oder sinterfähige Kontaktoberfläche KF2 aufweist. Auf der zweiten Kontaktoberfläche KF2 liegt die Leiterplatte LP über deren erste Kontaktoberfläche KF1 auf. Der Kühler KL besteht aus bspw. einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder Kupfer oder einer Kupferlegierung.The printed circuit board/cooler assembly LV also has a cooler KL, which in turn has a second contact surface KF2 that can be soldered or sintered. The printed circuit board LP rests on the second contact surface KF2 via its first contact surface KF1. The cooler KL consists of, for example, a metal or a metal alloy, such as. B. aluminum or an aluminum alloy, or copper or a copper alloy.
Der Leiterplatte-Kühler-Verbund LV weist zwischen der Leiterplatte LP und dem Kühler KL bzw. zwischen der ersten und der zweiten Kontaktoberfläche KF1, K2 eine Sinterverbindungsschicht VS auf, die die beiden Kontaktoberflächen KF1, K2 und somit die Leiterplatte LP und den Kühler KL miteinander stoffschlüssig verbindet.The printed circuit board cooler combination LV has between the printed circuit board LP and the cooler KL or between the first and the second contact surface KF1, K2 a sintered connection layer VS, which connects the two contact surfaces KF1, K2 and thus the printed circuit board LP and the cooler KL with one another in a materially bonded manner.
Die Sinterverbindungsschicht VS bildet einerseits eine nicht-zerstörungsfrei lösbare körperliche Verbindung zwischen der Leiterplatte LP und dem Kühler KL, und stellt andererseits eine effiziente und zuverlässige Wärmeübertragung von der Leiterplatte LP bzw. den Halbleiterbauelementen HB an den Kühler KL sicher.On the one hand, the sintered connection layer VS forms a non-destructively detachable physical connection between the circuit board LP and the cooler KL, and on the other hand it ensures efficient and reliable heat transfer from the circuit board LP or the semiconductor components HB to the cooler KL.
Dabei weist die Sinterverbindungsschicht VS eine ausreichende Schichtstärke auf, sodass diese beim Betrieb des Inverters bzw. des Gleichspannungswandlers unterschiedliche thermische Ausdehnungen der PCB-Leiterplatte LP und des Kühlers KL ausgleicht, ohne dabei Schaden zu nehmen bzw. ohne dass dabei sich die Wärmeübertragung verschlechtert.The sintered compound layer VS has a sufficient layer thickness so that it compensates for different thermal expansions of the PCB circuit board LP and the cooler KL during operation of the inverter or the DC voltage converter without being damaged or without the heat transfer deteriorating.
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