DE102022101511A1 - Performance switching device with optimized pressure plate - Google Patents
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Abstract
Eine Schalteinrichtung weist ein Substrat (1) mit einer Oberseite (2) und einer Unterseite (3) auf. Auf der Oberseite (2) des Substrats (1) sind elektronische Leistungsbauelemente (5) angeordnet, an der Unterseite (3) des Substrats (1) liegt direkt oder über einen Zwischenkörper (9) ein Kühlkörper (8) an. Die Schalteinrichtung weist eine Andrückeinrichtung (11) auf, die mittels mindestens eines Andrückelements (16) an die Leistungsbauelemente (5) angedrückt wird. Die Andrückeinrichtung (11) weist einen plattenförmigen Druckkörper (12) mit einer dem Substrat (1) zugewandten Unterseite (13) und einer von dem Substrat (1) abgewandten Oberseite (14) auf. An der Unterseite (13) des Druckkörpers (12) sind im Bereich der elektronischen Leistungsbauelemente (5) verformbare Druckelemente (15) angeordnet. Von der Oberseite (14) und/oder der Unterseite (13) des Druckkörpers (12) aus sind Vertiefungen (17, 19) in den Druckkörper (12) eingebracht, so dass der Druckkörper (12) an den korrespondierenden Stellen seiner jeweils gegenüberliegenden Seite (13, 14) korrespondierende Wölbungen (18, 20) aufweist. Die Vertiefungen (17, 19) sind in Bereiche des Druckkörpers (12) eingebracht, an denen sich Druckelemente (15) befinden.A switching device has a substrate (1) with an upper side (2) and an underside (3). Electronic power components (5) are arranged on the upper side (2) of the substrate (1), and a heat sink (8) rests directly on the underside (3) of the substrate (1) or via an intermediate body (9). The switching device has a pressing device (11) which is pressed against the power components (5) by means of at least one pressing element (16). The pressing device (11) has a plate-shaped pressure body (12) with an underside (13) facing the substrate (1) and an upper side (14) facing away from the substrate (1). Deformable pressure elements (15) are arranged on the underside (13) of the pressure body (12) in the area of the electronic power components (5). Indentations (17, 19) are made in the pressure body (12) from the upper side (14) and/or the underside (13) of the pressure body (12), so that the pressure body (12) at the corresponding points on its opposite side (13, 14) has corresponding curvatures (18, 20). The indentations (17, 19) are made in areas of the pressure body (12) on which pressure elements (15) are located.
Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Schalteinrichtung,
- - wobei die Schalteinrichtung ein Substrat mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist,
- - wobei auf der Oberseite des Substrats elektronische Leistungsbauelemente angeordnet sind,
- - wobei ein Kühlkörper direkt oder über einen zwischen dem Substrat und dem Kühlkörper angeordneten Zwischenkörper an der Unterseite des Substrats anliegt,
- - wobei die Schalteinrichtung eine Andrückeinrichtung aufweist, die mittels mindestens eines Andrückelements an die Leistungsbauelemente angedrückt wird,
- - wobei die Andrückeinrichtung einen plattenförmigen Druckkörper mit einer dem Substrat zugewandten Unterseite und einer von dem Substrat abgewandten Oberseite aufweist,
- - wobei an der Unterseite des Druckkörpers im Bereich der elektronischen Leistungsbauelemente verformbare Druckelemente angeordnet sind.
- - wherein the switching device has a substrate with a top and a bottom,
- - wherein electronic power components are arranged on the upper side of the substrate,
- - wherein a heat sink rests directly on the underside of the substrate or via an intermediate body arranged between the substrate and the heat sink,
- - wherein the switching device has a pressing device which is pressed against the power components by means of at least one pressing element,
- - wherein the pressing device has a plate-shaped pressure body with an underside facing the substrate and an upper side facing away from the substrate,
- - Deformable pressure elements being arranged on the underside of the pressure body in the area of the electronic power components.
Derartige Schalteinrichtungen sind allgemein bekannt. Rein beispielhaft kann auf die
Derartige Schalteinrichtungen werden oftmals in Umrichtern eingesetzt. Die mittels der Schalteinrichtungen geschalteten Spannungen können mehrere 100 V, manchmal sogar etwas über 1 kV betragen. Die geschalteten Ströme können mehrere 100 A betragen. Dementsprechend fallen in den elektronischen Leistungsbauelementen hohe Verlustleistungen an (oftmals 100 W und mehr), die rasch von den Leistungsbauelementen auf den Kühlkörper abgeführt werden müssen. Daher ist eine gute thermische Ankopplung der Leistungsbauelemente und des Substrats an den Kühlkörper erforderlich.Such switching devices are often used in converters. The voltages switched by means of the switching devices can amount to several 100 V, sometimes even a little over 1 kV. The switched currents can be several 100 A. Accordingly, high power losses occur in the electronic power components (often 100 W and more), which have to be dissipated quickly from the power components to the heat sink. Good thermal coupling of the power components and the substrate to the heat sink is therefore required.
Die thermische Ankopplung wird insbesondere dadurch unterstützt, dass über die Leistungsbauelemente das Substrat an den Kühlkörper angedrückt wird. Dies erfolgt mittels der Andrückeinrichtung. Trotz aller Bemühungen des Standes der Technik ist es bis jetzt jedoch noch nicht gelungen, die Leistungsbauelemente mit einem im wesentlichen einheitlichen Druck an das Substrat anzudrücken. Insbesondere wird der plattenförmige Druckkörper in der Regel entweder mittels einer zentral angeordneten Schraube oder mit außen angeordneten Klammern an die Leistungsbauelemente angedrückt. In einem Fall wird der Druckkörper aufgrund der zentralen Krafteinwirkung durchgebogen, so dass die Druckkraft im Mittelbereich des Druckkörpers am größten ist und zu den Rändern des Druckkörpers hin abnimmt. In einem anderen Fall erfolgt ebenfalls ein Durchbiegen des Druckkörpers, wobei jedoch in diesem Fall die Druckkraft im Bereich der Klammern am größten ist und mit zunehmendem Abstand von den Klammern - insbesondere zum Mittelbereich des Druckkörpers hin - abnimmt. Dadurch ergibt sich eine ortsabhängige thermische Ankopplung der Leistungsbauelemente an das Substrat und des Substrats an den Kühlkörper.The thermal coupling is supported in particular by the fact that the substrate is pressed against the heat sink via the power components. This is done by means of the pressing device. However, despite all the efforts made in the prior art, it has not yet been possible to press the power components onto the substrate with an essentially uniform pressure. In particular, the plate-shaped pressure body is generally pressed against the power components either by means of a centrally arranged screw or with clamps arranged on the outside. In one case, the pressure hull is deflected due to the central effect of the force, so that the pressure force is greatest in the central region of the pressure hull and decreases towards the edges of the pressure hull. In another case, the pressure body also bends, but in this case the pressure force is greatest in the area of the clamps and decreases as the distance from the clamps increases, particularly towards the central area of the pressure body. This results in a location-dependent thermal coupling of the power components to the substrate and of the substrate to the heat sink.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer die auf die einzelnen Leistungsbauelemente wirkenden Druckkräfte so weit wie möglich vereinheitlicht werden können.The object of the present invention is to create possibilities by means of which the compressive forces acting on the individual power components can be standardized as far as possible.
Die Aufgabe wird durch eine Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.The object is achieved by a switching device with the features of claim 1. Advantageous configurations of the switching device according to the invention are the subject matter of
Erfindungsgemäß wird eine Schalteinrichtung der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- - dass von der Oberseite und/oder der Unterseite des Druckkörpers aus Vertiefungen in den Druckkörper eingebracht sind, so dass der Druckkörper an den korrespondierenden Stellen seiner jeweils gegenüberliegenden Seite korrespondierende Wölbungen aufweist, und
- - dass die Vertiefungen in Bereiche des Druckkörpers eingebracht sind, an denen sich Druckelemente befinden.
- that depressions are made in the pressure body from the top and/or the bottom of the pressure body, so that the pressure body has corresponding bulges at the corresponding points on its opposite side, and
- - That the indentations are made in areas of the pressure hull where there are pressure elements.
Dadurch können die auf die einzelnen Leistungsbauelemente wirkenden Druckkräfte nach Bedarf eingestellt werden. Als zusätzlicher positiver Nebeneffekt ergibt sich eine Versteifung des Druckkörpers.As a result, the compressive forces acting on the individual power components can be adjusted as required. An additional positive side effect is a stiffening of the pressure hull.
Vorzugsweise sind die Vertiefungen kegelartig oder teilkugelartig. Diese Ausgestaltung ist einfach und zuverlässig.Preferably, the indentations are conical or part-spherical. This configuration is simple and reliable.
Es ist möglich, dass die in den Druckkörper eingebrachten Vertiefungen eine einheitliche Tiefe aufweisen und/oder die korrespondierenden Wölbungen eine einheitliche Höhe aufweisen. Auch in diesem Fall ergibt sich noch eine relativ große Flexibilität bei der Einstellung der Druckkräfte, sofern ein Teil der Vertiefungen von der Oberseite des Druckkörpers aus und ein Teil der Vertiefungen von der Unterseite des Druckkörpers aus in den Druckkörper eingebracht ist. Zu noch besseren Ergebnissen führt es jedoch, wenn die in den Druckkörper eingebrachten Vertiefungen verschiedene Tiefen aufweisen und/oder die korrespondierenden Wölbungen verschiedene Höhen aufweisen. Dadurch können die auf die einzelnen Leistungsbauelemente wirkenden Druckkräfte nahezu individuell eingestellt werden. Oftmals werden die Tiefen von Vertiefungen und/oder die Höhen von Wölbungen bei einem größeren Abstand vom Andrückelement größer sein als bei einem kleineren Abstand vom Andrückelement. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.It is possible for the indentations made in the pressure body to have a uniform depth and/or for the corresponding bulges to have a uniform height. In this case, too, there is still a relatively large degree of flexibility in the setting of the pressure forces, provided some of the depressions enter the pressure body from the top side of the pressure body and some of the depressions from the underside of the pressure body is introduced. However, even better results are obtained if the indentations made in the pressure body have different depths and/or the corresponding bulges have different heights. As a result, the compressive forces acting on the individual power components can be adjusted almost individually. Often the depths of indentations and/or the heights of bulges will be greater at a greater distance from the pressing element than at a smaller distance from the pressing element. However, this is not absolutely necessary.
In vielen Fällen ist das Andrückelement als Gewindeschraube ausgebildet. In diesem Fall kann das Andrückelement alternativ in den Kühlkörper oder den Zwischenkörper eingeschraubt sein.In many cases, the pressing element is designed as a threaded screw. In this case, the pressing element can alternatively be screwed into the heat sink or the intermediate body.
Der Druckkörper weist im Falle der Ausbildung des Andrückelements als Gewindeschraube für den Durchtritt der Gewindeschraube durch den Druckkörper eine Ausnehmung auf. Vorzugsweise ist auch im Bereich der Ausnehmung von der Oberseite oder der Unterseite des Druckkörpers aus eine Vertiefung in den Druckkörper eingebracht, so dass der Druckkörper an der korrespondierenden Stelle seiner gegenüberliegenden Seite eine korrespondierende Wölbung aufweist. Diese Ausgestaltung verbessert die Steifigkeit des Druckkörpers.If the pressing element is designed as a threaded screw, the pressure body has a recess for the passage of the threaded screw through the pressure body. A depression is preferably also made in the pressure body in the area of the recess from the top or bottom of the pressure body, so that the pressure body has a corresponding curvature at the corresponding point on its opposite side. This configuration improves the rigidity of the pressure body.
Es ist möglich, dass die Druckelemente voneinander separiert sind. Vorzugsweise sind jedoch zumindest einige der Druckelemente über eine Verbindungsstruktur miteinander verbunden. Dies bietet insbesondere fertigungstechnische Vorteile. Die Verbindungsstruktur kann nach Bedarf netzartig, gitterartig oder flächig sein. Sie besteht in der Regel aus demselben Material wie die Druckelemente selbst.It is possible that the printing elements are separated from each other. However, at least some of the pressure elements are preferably connected to one another via a connecting structure. This offers manufacturing advantages in particular. The connection structure can be net-like, lattice-like or flat, as required. It is usually made of the same material as the printing elements themselves.
Im Falle der Verbindungsstruktur weist die Verbindungsstruktur in den Bereichen zwischen den Druckelementen eine geringere Dicke auf als die Druckelemente. Die Verbindungsstruktur dient also, wie bereits der Name besagt, lediglich der Verbindung der Druckelemente miteinander. Über die Verbindungsstruktur wird hingegen kein Druck auf das Substrat ausgeübt. Die Druckelemente ragen somit aus der Verbindungsstruktur hervor. In der Regel werden die Druckelemente in Richtung auf die Leistungsbauelemente zu aus der Verbindungsstruktur hervorragen. Im Einzelfall - insbesondere dann, wenn die Verbindungsstruktur nachgiebig genug ist - kann es aber auch umgekehrt sein.In the case of the connection structure, the connection structure has a smaller thickness than the pressure elements in the areas between the pressure elements. As the name suggests, the connection structure is only used to connect the printing elements to one another. In contrast, no pressure is exerted on the substrate via the connecting structure. The pressure elements thus protrude from the connection structure. As a rule, the pressure elements will protrude out of the connection structure in the direction of the power components. In individual cases - especially when the connection structure is flexible enough - it can also be the other way round.
Es ist möglich, dass die Druckelemente eine einheitliche Dicke aufweisen. Alternativ können zumindest einige der Druckelemente voneinander verschiedene Dicken aufweisen. Dadurch kann - insbesondere im Zusammenwirken mit individuellen Tiefen der Vertiefungen und/oder individuellen Höhen der Wölbungen - eine sehr flexible Einstellung des lokal jeweils aufgebrachten Druckes erfolgen. Oftmals werden die Dicken der Druckelemente bei einem größeren Abstand vom Andrückelement größer sein als bei einem kleineren Abstand vom Andrückelement. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich.It is possible for the printing elements to have a uniform thickness. Alternatively, at least some of the pressure elements can have different thicknesses from one another. As a result, the locally applied pressure can be adjusted very flexibly, particularly in conjunction with individual depths of the depressions and/or individual heights of the bulges. The thicknesses of the pressure elements will often be greater at a greater distance from the pressing element than at a smaller distance from the pressing element. However, this is not absolutely necessary.
Vorzugsweise umfasst der Druckkörper ein plattenförmiges Hauptteil und ein plattenförmiges Verstärkungsteil, wobei das Hauptteil aus Kunststoff und das Verstärkungsteil aus Metall, insbesondere aus Stahl, besteht. Dadurch kann der Druckkörper kostengünstig hergestellt werden und dennoch eine hohe Steifigkeit aufweisen. In der Regel ist in diesem Fall das Verstärkungsteil an der von den Leistungsbauelementen abgewandten Seite das Hauptteils an dem Hauptteil angeordnet.The pressure body preferably comprises a plate-shaped main part and a plate-shaped reinforcement part, the main part being made of plastic and the reinforcement part being made of metal, in particular steel. As a result, the pressure body can be produced inexpensively and still have a high level of rigidity. In this case, the reinforcement part is generally arranged on the main part on the side facing away from the power components.
In der Regel sind die Vertiefungen, bezogen auf das jeweilige Druckelement, exakt oder in etwa mittig angeordnet.As a rule, the indentations are arranged exactly or approximately in the center in relation to the respective printing element.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in schematischer Prinzipdarstellung:
-
1 eine Schaltungsanordnung, -
2 eine Draufsicht auf einen Druckkörper, -
3 einen Schnitt durchden Druckkörper von 2 längs einer Linie III-III in2 , -
4 eine perspektivische Darstellung eines Schnitts durchden Druckkörper von 2 und -
5 ein Detail einer Druckplatte.
-
1 a circuit arrangement, -
2 a plan view of a pressure hull, -
3 a section through the pressure hull of2 along a line III-III in2 , -
4 a perspective view of a section through the pressure hull of2 and -
5 a detail of a printing plate.
Gemäß
An der Unterseite 3 des Substrats 1 liegt ein Kühlkörper 8 an. In manchen Ausgestaltungen kann der Kühlkörper 8 direkt an der Unterseite 3 des Substrats 1 anliegen. Gemäß der Ausgestaltung von
Zur Optimierung der thermischen Anbindung der Leistungsbauelemente 5 an das Substrat 1 ist eine Andrückeinrichtung 11 vorhanden. Die Andrückeinrichtung 11 weist einen plattenförmigen Druckkörper 12 mit einer dem Substrat 1 zugewandten Unterseite 13 und einer von dem Substrat 1 abgewandten Oberseite 14 auf. Der Druckkörper 12 kann beispielsweise aus Metall (insbesondere Stahl oder Aluminium) oder aus einem hinreichend temperaturbeständigen Kunststoff bestehen. Ein Beispiel eines geeigneten Kunststoffs ist Polypheylensulfid. Auch ist es entsprechend der Darstellung in
An der Unterseite 13 des Druckkörpers 12 sind im Bereich der elektronischen Leistungsbauelemente 5 verformbare Druckelemente 15 angeordnet. Die Druckelemente 15 können beispielsweise aus einem Silikonkautschuk bestehen, insbesondere aus sogenanntem Flüssig-Silikon. Sie können alternativ eine einheitliche Dicke oder nach Bedarf voneinander verschiedene Dicken aufweisen. Weiterhin können sie nach Bedarf über eine Verbindungsstruktur (ohne Bezugszeichen) miteinander verbunden sein. Die Verbindungsstruktur weist, falls sie vorhanden ist, in den Bereichen zwischen den Druckelementen 15 eine geringere Dicke auf als die Druckelemente 15. Die Verbindungsstruktur dient also lediglich der Verbindung der Druckelemente 15 miteinander, nicht aber dem Ausüben eines Druckes auf das Substrat 1.On the
Die Andrückeinrichtung 11 wird mittels (mindestens) eines Andrückelements 16 an die Leistungsbauelemente 5 angedrückt. Dadurch werden im Ergebnis über die Leistungsbauelemente 5 die entsprechenden Stellen des Substrats 1 an den Kühlkörper 8 angedrückt. Das Andrückelement 16 kann entsprechend der Darstellung in
Kerngegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Ausgestaltung des Druckkörpers 12. Sie wird nachstehend in Verbindung mit den
Gemäß den
Die Vertiefungen 17, 19 können - siehe insbesondere
Der Druckkörper 12 weist gemäß den
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere kann auf einfache Weise der Druck, der mittels der Andrückeinrichtung 11 auf die Leistungsbauelemente 5 ausgeübt wird, nach Bedarf eingestellt werden, beispielsweise vergleichmäßigt werden. Eine Durchbiegung des Druckkörpers 12 kann durch die zusätzlich bewirkte Versteifung des Druckkörpers verringert werden, die verbleibende Durchbiegung kompensiert werden.The present invention has many advantages. In particular, the pressure that is exerted on the
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.The above description is only intended to explain the present invention. The scope of the present invention, however, is to be determined solely by the appended claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Substratsubstrate
- 2, 142, 14
- Oberseitentops
- 3, 133, 13
- Unterseitensubpages
- 44
- GehäuseHousing
- 55
- Leistungsbauelementepower components
- 66
- Anschlüsseconnections
- 77
- Leiterbahnentraces
- 88th
- Kühlkörperheatsink
- 99
- Zwischenkörperintermediate body
- 1010
- Wärmeleitpastethermal paste
- 1111
- Andrückeinrichtungpressing device
- 1212
- Druckkörperpressure hull
- 1515
- Druckelementeprinting elements
- 1616
- Andrückelementpressing element
- 17, 19, 2217, 19, 22
- Vertiefungenindentations
- 18, 20, 2318, 20, 23
- Wölbungenbulges
- 2121
- Ausnehmungrecess
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102013104949 B3 [0002]DE 102013104949 B3 [0002]
- DE 102014106570 A1 [0002]DE 102014106570 A1 [0002]
- DE 102016123697 A1 [0002]DE 102016123697 A1 [0002]
- DE 102017126716 A1 [0002]DE 102017126716 A1 [0002]
Claims (10)
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WO2023083823A1 (en) | Circuit board assembly |
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