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Die Erfindung betrifft ein Einschubmodul, insbesondere für eine Modulanordnung in einem Fahrzeug. Zudem betrifft die Erfindung eine Modulanordnung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit mindestens einem solchen Einschubmodul sowie ein Verfahren zur Herstellung einer externen thermischen Schnittstelle eines solchen Einschubmoduls.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Entwärmungstechnologien bekannt, um elektrische Baugruppen oder Module, wie beispielsweise Steuergeräte, Leistungsendstufen usw., oder einzelne elektrische Bauteile, wie beispielsweise Leistungshalbleiter, Prozessoren, Mikrocontroller usw., in einem vorgegebenen Temperaturbereich zu betreiben. Hierbei hat die thermische Anbindung der Komponenten als Wärmequellen an eine Wärmesenke, wie beispielsweise eine Kühlvorrichtung, einen hohen Einfluss.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2021 202 654 A1 der Anmelderin ist beispielsweise eine Wärmeableitvorrichtung, insbesondere für eine Steuergeräteanordnung in einem Fahrzeug, mit einem an mindestens einer Seite offenen Aufnahmeraum und mindestens einem in dem Aufnahmeraum angeordneten Mosaiksegment bekannt, welches ein thermisch leitendes und elastisches Ausgleichselement und einen thermisch leitenden adhäsionsarmen Kontaktbereich umfasst. Das mindestens eine Mosaiksegment ist so in dem Aufnahmeraum angeordnet, dass das thermisch leitende und elastische Ausgleichselement des mindestens einen Mosaiksegments an einer inneren Oberfläche eines Bodens des Aufnahmeraums anliegt und zumindest der thermisch leitende adhäsionsarme Kontaktbereich des mindestens einen Mosaiksegments an einer offenen Seite des Aufnahmeraums, welche dem Boden gegenüberliegt, teilweise aus dem Aufnahmeraum übersteht. Hierbei bildet eine äußere Oberfläche des Bodens des Aufnahmeraums eine feste erste Kontaktfläche für eine Wärmequelle oder für eine Wärmesenke aus, und der thermisch leitende adhäsionsarme Kontaktbereich des mindestens einen Mosaiksegments bildet eine flexible zweite Kontaktfläche für die Wärmesenke oder für die Wärmequelle aus.
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Zudem ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2021 203 625 A1 eine Elektronikbaugruppe eines Kraftfahrzeug bekannt, welche zumindest eine Elektronikeinheit mit zumindest einem Elektronikbauteil und zumindest ein Gehäuse umfasst, welches die Elektronikeinheit mit dem Elektronikbauteil umschließt. Das Elektronikbauteil steht mit dem Gehäuse in wärmeleitender Verbindung. Hierbei ist zur Entwärmung des Elektronikbauteils außerhalb des Gehäuses zumindest eine Wärmeableitung bzw. ein Bauteil mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet. Zudem offenbart die
DE 10 2021 203 625 A1 eine Vorrichtung zur Aufnahme austauschbarer Elektronikbaugruppen, mit zumindest einem Gehäuse aus einem wärmeleitenden Material, welches die austauschbaren Elektronikbaugruppen zumindest teilweise umschließt. Zudem ist eine mit dem Gehäuse lösbar verbundene Vorderseite vorgesehen, über welche ein Zugang zu den im Inneren des Gehäuses angeordneten austauschbaren Elektronikbaugruppen möglich ist. Zur Kühlung der austauschbaren Elektronikbaugruppen ist an zumindest einer Außenseite des Gehäuses zumindest ein Kühler angeordnet. Eine rückseitige Gehäuseabdeckung umfasst zumindest eine Durchführung für zumindest einen Stecker und/oder zumindest eine Abschirmung und/oder zumindest eine Aufnahme für eine parallel zu der Gehäuseabdeckung ausgerichtete Rückwandleiterplatte, welche zur Kontaktierung der austauschbaren Elektronikbaugruppen dient.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Einschubmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und die Modulanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 haben jeweils den Vorteil, dass durch mindestens eine externe thermische Schnittstelle größere Anbindungsflächen zu einer externen Wärmsenke möglich sind. Dadurch kann eine höhere Entwärmungsleistung umgesetzt werden. Alternativ kann bei gleicher Entwärmungsleistung die zur Entwärmung erforderliche Kontaktfläche reduziert werden. Zudem können durch mindestens ein thermisch leitendes elastisches Ausgleichselement der mindestens einen externen thermischen Schnittstelle Unebenheiten zwischen einer Wärmeableitvorrichtung und der externen Wärmesenke ausgeglichen werden. Durch den verbesserten Wärmeübertrag kann die Lebensdauer der elektrischen Bauteile als Wärmequellen verlängert werden. Durch mindestens ein thermisch leitendes gleitfähiges Kontaktelement der mindestens einen externen thermischen Schnittstelle kann diese einfach wieder von der korrespondierenden Kontaktfläche der Wärmesenke abgehoben werden, ohne dass Teile des mindestens einen thermisch leitenden elastischen Ausgleichselements auf der Kontaktfläche der Wärmesenke zurückbleiben. Zudem können durch das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement größere Toleranzen bei den Kontaktflächen der Wärmeableitvorrichtung und der externen Wärmesenke zugelassen werden. Dadurch können die Herstellungskosten weiter reduziert werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Einschubmodul, insbesondere für eine Modulanordnung in einem Fahrzeug, mit einem Modulgehäuse, mindestens einer Wärmeableitvorrichtung und mindestens einem auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauteil zur Verfügung. Das Modulgehäuse umgibt die Leiterplatte zumindest teilweise. Die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung weist an einer dem mindestens einen elektrischen Bauteil zugewandten Oberfläche mindestens eine interne thermische Schnittstelle auf, welche ausgeführt ist, das mindestens eine elektrischen Bauteil mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung thermisch zu koppeln. Zudem weist die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung an einer dem mindestens einen elektrischen Bauteil abgewandten Oberfläche mindestens eine externe thermische Schnittstelle auf, welche ausgeführt ist, die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung mit einer externen Wärmesenke thermisch zu koppeln. Hierbei umfasst die mindestens eine externe thermische Schnittstelle mindestens ein thermisch leitendes elastisches Ausgleichselement, welches mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung verbunden und ausgeführt ist, beim Ausbilden der korrespondierenden externen thermischen Schnittstelle komprimiert zu werden, und mindestens ein thermisch leitendes gleitfähiges Kontaktelement, welches auf das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement aufgebracht und ausgeführt ist, eine thermische Kontaktfläche der externen thermischen Schnittstelle zu der externen Wärmsenke auszubilden und das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement zu komprimieren.
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Zudem wird eine Modulanordnung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse, in welchem eine Rückwandleiterplatte, mindestens eine externe Wärmesenke und mindestens ein Steckplatz angeordnet sind, und mit mindestens einem solchen Einschubmodul vorgeschlagen. Hierbei ist das mindestens eine Einschubmodul an einem korrespondierenden Steckplatz so in eine korrespondierende Aufnahmeöffnung des Gehäuses eingeschoben, dass das Einschubmodul zwischen einer ersten Kontaktfläche und einer zweiten Kontaktfläche der Aufnahmeöffnung formschlüssig und kraftschlüssig gehalten ist, wobei das durch die Einschubbewegung komprimierte mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement mit dem mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement die mindestens eine externe thermische Schnittstelle zu der mindestens einen externen Wärmsenke ausbilden, so dass die von dem mindestens einen elektrischen Bauteil des Einschubmoduls erzeugte Wärme über die mindestens eine interne thermische Schnittstelle und die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung und die mindestens eine externe thermische Schnittstelle direkt in die mindestens eine externe Wärmsenke ableitbar ist.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer externen thermischen Schnittstelle eines solchen Einschubmoduls vorgeschlagen, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: Bereitstellen des Einschubmoduls, Aufbringen des mindestens einen thermisch leitenden elastischen Ausgleichselements auf die dem mindestens einen elektrischen Bauteil abgewandten Oberfläche der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung. Verbinden des in Einschubrichtung vorderen ersten Endbereichs des mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelements mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung und Aufbringen des mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelements auf das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement.
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Ausführungsformen der externen thermischen Schnittstelle erlauben es, Unebenheitstoleranzen zu einer externen Wärmesenke auszugleichen und einen guten Wärmeübertrag auch bei Unebenheiten der Oberflächen und bei Partikeln zwischen den Oberflächen aufzunehmen, ohne dass ein bleibender Luftspalt zwischen der Wärmeableitvorrichtung und der externen Wärmesenke entsteht.
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Unter einem Einschubmodul kann nachfolgend eine Elektronikbaugruppe verstanden werden, welche insbesondere rechenintensive Funktionen im Kraftfahrzeugbereich ausführt und beispielsweise für teilautonome oder autonome Fahrfunktionen, Kommunikationsfunktionen, Gateway-Funktionalitäten, Infotainmentfunktionen, Sicherheitsfunktionen usw. eingesetzt werden kann. Die zugehörigen elektrischen Bauteile umfassen leistungsstarke Prozessoren, Multikernprozessoren oder hochintegrierte Schaltungen (SoC, System-on-Chip) oder Leistungshalbleiter, die sich durch hohe Verlustleistungen auszeichnen. Die Ausführung als Einschubmodul ermöglicht eine einfache Austauschbarkeit in der korrespondierenden Modulanordnung und erlaubt auch ein späteres Nachrüsten von aktueller Hardware, indem Elektronikbaugruppen entsprechend ausgetauscht oder eingesetzt werden können.
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Unter einer Wärmeableitvorrichtung wird nachfolgend ein Bauteil mit einer besonders guten Wärmeleitfähigkeit verstanden, welches beispielsweise als Druckgussbauteil, insbesondere Aluminiumdruckgussbauteil, oder als Strangpressteil oder Blechteil ausgebildet sein kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Einschubmoduls und der im unabhängigen Patentanspruch 9 angegebenen Modulanordnung, insbesondere für ein Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine externe thermische Schnittstelle in einem Aufnahmeraums der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung angeordnet werden kann, wobei das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement vollständig und das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement zumindest teilweise aus dem Aufnahmeraum überstehen können. Dadurch kann eine Tiefe des Aufnahmeraums einen Maximalbereich darstellen, über welchen das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement nicht weiter komprimiert werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Einschubmoduls kann das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement unlösbar mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung verbunden sein. Vorzugsweise kann das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement durch Kleben mit der Wärmeableitvorrichtung verbunden sein. Alternativ können auch andere geeignete Verbindungstechniken eingesetzt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Einschubmoduls kann das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement als Gap-Filler ausgeführt sein. So kann beispielsweise eine handelsübliche silikonbasierte, selbstklebende und gut wärmeleitfähige Matte mit einer Stärke von 1,52mm als thermisch leitendes elastisches Ausgleichselement verwendet werden. Dadurch können beispielsweise Unebenheiten in einem Bereich von ca. ±0,2 mm kompensiert. Das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement kann beispielsweise als flächige Matte oder als Streifen ausgeführt sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Einschubmoduls können das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement als Streifen oder Platte ausgeführt sein. Das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement besteht aus einem sehr dünnen, reißfesten und widerstandsfähigen Material, welches aber nicht speziell dafür bearbeitet werden muss. Als Material kann beispielsweise Messing, Kupfer, Aluminium, Kohlenstoff (Karbonfasern), Graphit oder aber auch Federstahl verwendet werden. Das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement kann beispielsweise als sehr dünnes Walzblech oder als Kohlefasermatte mit einer Stärke von ca. 0,02mm bis 0,1mm vorliegen. Um den Ausgleich von Unebenheiten und Partikeln zu verstärken, können alternativ zu einem großflächigen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement auch mehrere Streifen von thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelementen aufgebracht werden. Die Streifen können beispielweise als Stanz- oder Laser-schneidteile hergestellt werden und beispielsweise eine Breite zwischen 5 und 20mm aufweisen. Daher ergibt sich eine hohe geometrische Freiheit, so dass die Streifen in Geometrie und Materialauswahl und Flächenanteil an einer gesamten Kühlfläche einfach an die Anforderungen angepasst werden können. Da das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement von den einzelnen Streifen oder die Platte weitgehend abgedeckt wird, kann das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement leicht von einer Kontaktfläche der Wärmesenke entfernt werden. Hierbei kann sich die externe thermische Schnittstelle aufgrund des kompressiblen mindestens einen thermisch leitenden elastischen Ausgleichselements den Oberflächenunebenheiten anpassen. Damit können auch unebene gefügte Oberflächen großflächig Kontakt bekommen und somit einen guten Wärmeübertrag aufweisen. Des Weiteren kann sich eine hohe Robustheit gegenüber Verschmutzung ergeben, da einzelne Schmutzpartikel im Luftspalt zwischen den einzelnen Streifen der thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente nur das Anliegen eines einzelnen Streifens verhindern können. Damit ist weiterhin ein guter Wärmeübertrag aller anderer Streifen gewährleistet. Zwischenräume zwischen den Streifen können als „Volumenpuffer“ dienen. Im Falle von Partikeln oder lokalen Unebenheiten können diese Räume beispielsweise als Volumenausgleich für ein Klebermedium dienen, welches die Streifen an dem mindestens einen thermisch leitenden elastischen Ausgleichselement hält.
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Zudem sind aber auch weitere Lösungsansätze denkbar, wie beispielsweise Löcher in dem mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement, welche es erlauben, dass das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement direkten Kontakt mit der Wärmesenke bekommt. Idealerweise presst sich das Material erst nach dem Montagevorgang durch die Öffnungen, um diesen nicht zu behindern, oder wird erst durch Abziehen eines Films wirksam. Mit diesem Prinzip wird teilweise ein weiterer Übergangswiderstand eingespart. Allerdings ist dieses Verfahren nur sinnvoll, wenn der thermische Widerstand des Materials des mindestens einen thermisch leitenden elastischen Ausgleichselements kleiner als die Summe des thermischen Widerstands des mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelements und des Übergangswiderstands ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Einschubmoduls kann das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement an einem in Einschubrichtung vorderen ersten Endbereich mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung verbunden sein. Dadurch kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass sich das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement beim Einschieben des Einschubmoduls von dem mindestens einen thermisch leitenden elastischen Ausgleichselement löst. Das bedeutet, dass durch eine erste Verbindung am ersten Endbereich Reibungskräfte beim Einstecken des Einschubmoduls abfangen werden können. Alternativ kann das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement an beiden Endbereichen mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung verbunden sein. Durch eine zusätzliche zweite Verbindung an einem zweiten Endbereich können Reibungskräfte beim Herausziehen des Einschubmoduls abgefangen werden. Als Verbindungstechnik kann vorzugsweise Laserschweißen genutzt werden. Selbstverständlich sind auch andere geeignete Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Schweißen, Toxen, Nieten, Schrauben, Klemmen oder Löten denkbar, die wiederum von der Materialpaarung abhängen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Modulanordnung kann die mindestens eine Wärmesenke als Kühlvorrichtung ausgebildet sein. Hierbei kann die mindestens eine Aufnahmeöffnung in der Kühlvorrichtung ausgebildet sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Modulanordnung kann die mindestens eine Kühlvorrichtung mehrere Kühlelemente aufweisen, wobei zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Aufnahmeöffnungen mindestens ein Kühlelement angeordnet sein kann. Zudem kann das mindestens eine Kühlelement beispielsweise als Metallplatte ausgeführt sein, in welche mindestens ein Kühlkanal eingebracht ist. Durch den mindestens einen Kühlkanal kann beispielsweise Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel geleitet werden, um die von dem mindestens einen elektrischen Bauteil erzeugte Wärme abführen zu können. Alternativ kann das Kühlelement beispielsweise auch als so genannte Vapor Chamber, Heatpipe, Pulsating Heatpipe ausgeführt sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Modulanordnung kann das Einschubmodul mindestens einen Stecker aufweisen, welcher im eingeschobenen Zustand in eine korrespondierende Steckeraufnahme der Rückwandleiterplatte eingesteckt sein kann.
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Das Montageprinzip der erfindungsgemäßen Modulanordnung besteht darin, dass ein Einschubmodul, wie eine Schublade am korrespondierenden Steckplatz in eine zugehörige Aufnahmeöffnung eingeschoben werden kann. Hierbei wird das Einschubmodul so weit in die Aufnahmeöffnung eingeführt, bis der mindestens eine Stecker des Einschubmoduls in die korrespondierende Steckeraufnahme der Rückwandleiterplatte eingesteckt ist. Während des Einschiebevorgangs des Einschubmoduls bewirkt die aufgewandte Schiebekraft eine senkrecht zur Schieberichtung wirkende Kompressionskraft, welche das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement der mindestens einen externen thermischen Schnittstelle komprimiert. Selbstverständlich soll die Kraft, welche erforderlich ist, das Einschubmodul in die Aufnahmeöffnung einzuführen, so klein wie möglich sein, und somit sind die Reibpartner entsprechend auszulegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Modulanordnung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Einschubmoduls.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Einschubmoduls aus 1 von unten.
- 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer externen thermischen Schnittstelle des Einschubmoduls aus 1 und 2.
- 4 bis 6 zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Einschubmoduls aus 1 und 2 während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus 3.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Modulanordnung 1, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Gehäuse 3, in welchem eine Rückwandleiterplatte 5, mindestens eine Wärmesenke 8 und mindestens ein Steckplatz 6 angeordnet sind, und mindestens ein Einschubmodul 10, welches an einem korrespondierenden Steckplatz 6 so in eine korrespondierende Aufnahmeöffnung 9 des Gehäuses 3 eingeschoben ist, dass das Einschubmodul 10 zwischen einer ersten Kontaktfläche 9.1 und einer zweiten Kontaktfläche 9.2 der Aufnahmeöffnung 9 formschlüssig und kraftschlüssig gehalten ist. Hierbei bildet mindestes ein durch die Einschubbewegung komprimiertes thermisch leitendes elastisches Ausgleichselement 18 mit mindestens einem thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement 19 die mindestens eine externe thermische Schnittstelle 17 zu der mindestens einen externen Wärmsenke 8 aus, so dass die von mindestens einem elektrischen Bauteil 15 des mindestens einen Einschubmoduls 10 erzeugte Wärme über mindestens eine interne thermische Schnittstelle 16 und mindestens eine Wärmeableitvorrichtung 12 und die mindestens eine externe thermische Schnittstelle 17 direkt in die mindestens eine externe Wärmsenke 8 ableitbar ist.
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Der in 1 dargestellte Ausschnitt der Modulanordnung 1 zeigt zwei Steckplätze 6a, 6B, in welche jeweils ein Einschubmodul 10 eingeführt werden kann. Zudem sind in 1 zwei Einschubmodule 10 dargestellt, wobei ein erstes Einschubmodul 10A bereits an seinem vorgesehen Steckplatz 6A eingesteckt ist und ein zweites Einschubmodul 10B in seinen vorgesehenen Steckplatz 6B eingeführt wird.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Einschubmodule 10, 10A, 10B jeweils ein Modulgehäuse 11, mindestens eine Wärmeableitvorrichtung 12 und mindestens ein auf einer Leiterplatte 14 angeordnetes elektrisches Bauteil 15, wobei das Modulgehäuse 11 die Leiterplatte 14 zumindest teilweise umgibt. Die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung 12 weist an einer dem mindestens einen elektrischen Bauteil 15 zugewandten Oberfläche mindestens eine interne thermische Schnittstelle 16 auf, welche das mindestens eine elektrischen Bauteil 15 mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 thermisch koppelt. Zudem weist die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung 12 an einer dem mindestens einen elektrischen Bauteil 15 abgewandten Oberfläche mindestens eine externe thermische Schnittstelle 17 auf, welche die mindestens eine Wärmeableitvorrichtung 12 mit einer externen Wärmesenke 8 thermisch koppelt. Hierbei umfasst die mindestens eine externe thermische Schnittstelle 17 mindestens ein thermisch leitendes elastisches Ausgleichselement 18, welches mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden und beim Ausbilden der korrespondierenden externen thermischen Schnittstelle 17 komprimierbar ist, und mindestens ein thermisch leitendes gleitfähiges Kontaktelement 19, welches auf das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 aufgebracht ist und eine thermische Kontaktfläche der externen thermischen Schnittstelle 17 zu der externen Wärmsenke 8 ausbildet und das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 komprimiert.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfassen die Einschubmodule 10A, 10B im dargestellten Ausführungsbeispiel der Modulanordnung 1 jeweils nur eine Wärmeableitvorrichtung 12, welche gleichzeitig einen Gehäuseboden 11A des Gehäuses 11 ausbildet. Im dargestellten Ausschnitt des Einschubmoduls 10A, 10B sind jeweils zwei elektrische Bauteile 15 auf der Leiterplatte 14 angeordnet, welche über mindestens ein Befestigungselement 14.2 mechanisch mit der Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden ist. Hierbei ist ein erstes elektrisches Bauteil 15 als Leistungshalbleiter 15A ausgeführt, welcher über eine erste interne thermische Schnittstelle 16A mit der Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden ist. Ein zweites elektrisches Bauteil 15 ist als Leistungsprozessor 15B ausgeführt, welcher über eine zweite interne thermische Schnittstelle 16B mit der Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden ist. Alternativ kann die Leiterplatte 14 auch wie bei einem „Sandwich“ zwischen zwei Teilen des Gehäuses 11 angeordnet und gehalten werden. Die internen thermischen Schnittstellen 16, 16A, 16B können beispielsweise aus Wärmeleitmaterialen bestehen, die auch als thermische Interfacematerialien (TIM) bezeichnet werden. Bei dem Wärmeleitmaterial kann es sich vorzugsweise um ein thermisch leitendes Elastomer handeln. Zudem umfassen die Wärmeableitvorrichtungen 12 der dargestellten Einschubmodule 10A, 10B jeweils nur eine externe thermische Schnittstelle 17, welche in einem Aufnahmeraums 13 der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 angeordnet ist. Hierbei ist der Aufnahmeraum 13 als Vertiefung ausgeführt, wobei das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement 19 vollständig und das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 zumindest teilweise aus dem Aufnahmeraum 11 überstehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 als Gap-Filler 18A ausgeführt und mittels einer Klebeverbindung unlösbar mit der Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Gap-Filler 18A im Normalzustand eine H1 von ca. 1,52mm auf. Der Aufnahmeraum 13 weist eine Höhe HA von ca.0,9mm zur Auflagekante auf. Diese Höhe HA stellt einen Maximalbereich dar, über welchen der Gap-Filler 18A nicht komprimiert werden kann. Das bedeutet, dass eine Höhe H2 des Gap-Fillers 18A im komprimierten Zustand minimal 0,9mm aufweisen kann. Hieraus ergibt sich ein Toleranzfeld, welches die beiden Oberflächen an Unebenheiten aufweisen dürfen, um diese noch fügen zu können.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weisen die Einschubmodule 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel der Modulanordnung 1 jeweils sechs als Streifen 19A ausgeführte thermisch leitende gleitfähige Kontaktelemente 19 auf, welche jeweils auf einem als Streifen ausgeführten thermisch leitenden elastischen Ausgleichselement 18 angeordnet sind, so dass sechs thermisch leitende gleitfähige Kontaktelemente 19 auf sechs thermisch leitenden elastischen Ausgleichselementen 18 angeordnet sind.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 als flächige Matte ausgeführt, auf welchem die sechs als Streifen 19A ausgeführten thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente 19 angeordnet sind.
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Bei einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist in das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement 19 mindestens ein Loch eingebracht.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, sind die thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente 19 jeweils an einem in Einschubrichtung vorderen ersten Endbereich 19.1 über eine erste Verbindung 20A mit der Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, können die thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente 19 optional auch am zweiten Ende 19.2 jeweils über eine zweite Verbindung mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden werden. Die Verbindungen 20A, 20B werden beispielsweise als Laserschweißverbindungen 20 ausgeführt.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist die mindestens eine Wärmesenke 8 als Kühlvorrichtung 8A mit mehreren Kühlelementen 8.1 ausgebildet. Zudem sind die Aufnahmeöffnungen 9 in der Kühlvorrichtung 8A ausgebildet, wobei zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Aufnahmeöffnungen 9 mindestens ein Kühlelement 8.1 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlelement 8.1 als Metallplatten ausgeführt, wobei die zwischen zwei benachbarten Aufnahmeöffnungen 9 angeordneten Kühlelemente 8.1 im dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich einen in die Metallplatte eingebrachten Kühlkanal 8.2 aufweisen. Die Kühlvorrichtung 8A ist fest mit dem Gehäuse 3 verbunden, so dass die Aufnahmeöffnungen 9 unbeweglich bezüglich der Steckplätze 6, 6A, 6B angeordnet sind. Das bedeutet, dass sich die Aufnahmeöffnungen 9 beim Einschieben der Einschubmodule 10, 10A, 10B nicht bewegen.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, weisen die Einschubmodule 10, 10A, 10B jeweils mehrere Stecker 14.1 auf, welche im eingeschobenen Zustand in eine korrespondierende Steckeraufnahme 5.1 der Rückwandleiterplatte 5 eingesteckt sind, wie das in 1 dargestellte erste Einschubmodul 10A zeigt. Über die Steckeraufnahmen 5.1 der Rückwandleiterplatte 5 werden die eingeschobenen bzw. eingesteckten Einschubmodule 10, hier das erste Einschubmodul 10A, elektrisch kontaktiert. Zudem können mehrere eingesteckte Einschubmodule 10, 10A, 10B über die Rückwandleiterplatte 5 elektrisch miteinander verbunden werden. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist die Kühlvorrichtung 8A so im Gehäuse 3 angeordnet, dass ein Endbereich des eingeschobenen Einschubmoduls 10A, an welchem die Stecker 14.1 angeordnet sind, kraftschlüssig und formschlüssig in der Aufnahmeöffnung 9 gehalten ist. Das Gehäuse 3 umfasst neben einem dargestellten Deckel 3.1 und einer dargestellten Rückwand 3.2 auch nicht näher dargestellte Seitenwände und einen nicht dargestellten Boden.
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Das Montageprinzip der Modulanordnung 1 besteht darin, dass die Einschubmodule 10A, 10B ohne Werkzeuge wie Schubladen in Längsrichtung y in das Gehäuse 3 eingeschoben werden können. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, wird das dargestellte zweite Einschubmodul 10B beim Einführen mittels kleiner Einführschrägen 9.3 an der Aufnahmeöffnung 9 mit einem gewollten Spiel von beispielsweise ca. 0,6mm vorzentriert. Das bedeutet, dass das Gehäuse 11 und die thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente 19 des zweiten Einschubmoduls 10 nach einer kurzen Einführbewegung von beispielsweise ca. 10mm die Einführschrägen 9.3 berühren und somit das zweite Einschubmodul 10B in Hochrichtung z zentrieren, indem die nachfolgenden thermisch leitenden elastischen Ausgleichselemente 18 mit einem Übermaß von beispielsweise ca. 0,3mm anfangen, das zweite Einschubmodul 10B gegen die zweite Kontaktfläche 9.2 zu drücken. Nach Beendigen des Zentrierprozesses fängt das eigentliche Gleiten der thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente 19 an. Hierbei bewirkt die aufgebrachte Schubkraft FS in Längsrichtung y eine in Hochrichtung z wirkende Kompressionskraft FK, welche über die thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelemente 19 die thermisch leitenden elastischen Ausgleichselemente 18 komprimiert. Nun gleitet das zweite Einschubmodul 10 über die erste Kontaktfläche 9.1 der Wärmesenke 8 und die zweite Kontaktfläche 9.2 in Richtung der Steckeraufnahme 5.1 der Rückwandleiterplatte 5. Die Steckeraufnahme 5.1 ist wiederum so ausgelegt bzw. an der Rückwandleiterplatte 5 positioniert und mit der zweiten Kontaktfläche 9.2 abgestimmt, dass keine Verformung in der Leiterplatte 14 oder an den Steckern 14.1 oder der Steckeraufnahme 5.1 verursacht wird. Ist die Endlage erreicht, dann ist eine elektrische Verbindung zwischen der Rückwandleiterplatte 5 und dem zweiten Einschubmodul 10B hergestellt. Diese durch die Kompression um 0,3mm der thermisch leitenden elastischen Ausgleichselemente aufrechterhaltene Kompressionskraft FK wirkt bei dem eingesteckten ersten Einschubmodul 10A, so dass die externe thermische Schnittstelle 17 einen guten thermischen Übergang zwischen der Wärmeableitvorrichtung 12 und der Wärmesenke 8 bewirkt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Modulanordnung 1 umfasst ein thermischer Pfad zwischen dem eingeschobenen ersten Einschubmodul 10A und dem korrespondierenden Kühlelement 8.1 mit dem Kühlkanal einen Übergangswiderstand des aufgeklebten Gap-Fillers 18A, welcher durch die Herstellung der externen thermischen Schnittstelle 17 beeinflusst werden kann, eine Wärmeleitung im Gap-Filler 18A, welche durch die Materialauswahl bestimmt werden kann, einen Wärmeübergang zum thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement 19, welcher durch die Herstellung der externen thermischen Schnittstelle 17 beeinflusst werden kann, eine Wärmeleitung im thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement 19, welcher durch Auswahl eines Werkstoffes jedoch mit Auswirkung auf den Reibungswert beeinflusst werden kann, und einen Wärmeübergang vom thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelement 19 zum Kühlelement 8.1, in welcher durch den Ausgleich von Toleranzen und Unebenheiten positiv beeinflusst werden kann.
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Durch die Kombination der elastischen Ausgleichselements 18 mit den gleitfähigen Kontaktelementen, welches einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten im Bereich von 0,1 bis 0,3 aufweisen, ist durch den guten Toleranzausgleich eine größere Kontaktfläche für den Wärmeübergang erzeugbar.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren 100 zur Herstellung einer externen thermischen Schnittstelle 17 eines Einschubmoduls 10 einen Schritt S100, welcher ein Einschubmodul 10 bereitstellt. In einem Schritt S110 wird das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 auf die dem mindestens einen elektrischen Bauteil 15 abgewandten Oberfläche der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 aufgebracht. Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, wird das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abscherbewegung auf die Wärmeableitvorrichtung 12 aufgebracht und verklebt, wobei Lufteinschlüsse vermieden werden. In einem Schritt S120 wird ein in Einschubrichtung vorderer erster Endbereich 19.1 des mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelements 19 mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden. Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, wird der vordere erste Endbereich 19.1 des mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelements 19 im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Laserschweißen mit der mindestens einen Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden. Anschließend wird im Schritt S130 das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement 19 auf das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 aufgebracht. Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, wird das mindestens eine thermisch leitende gleitfähige Kontaktelement 19 über eine Abscherbewegung auf das mindestens eine thermisch leitende elastische Ausgleichselement 18 aufgebracht und verklebt, wobei Lufteinschlüsse vermieden werden.
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Optional kann im gestrichelt dargestellten Schritt S140 auch der zweite Endbereich 19.2 des mindestens einen thermisch leitenden gleitfähigen Kontaktelements 19 mit der Wärmeableitvorrichtung 12 verbunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021202654 A1 [0003]
- DE 102021203625 A1 [0004]
