-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe, insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, die sich durch besonders gute thermomechanische Eigenschaften im Zusammenhang mit wärmeerzeugenden Bauteilen der Baugruppe auszeichnet.
-
Stand der Technik
-
Elektronische Baugruppen, bei denen wärmeerzeugende Bauelemente durch eine Kühleinrichtung gekühlt werden, sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. So ist es beispielsweise aus der
EP 0 191 419 B1 bekannt, ein wärmeerzeugendes Bauteil über ein zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil und der Kühleinrichtung angeordnetes Ausgleichselement in Wirkverbindung mit einem in der Kühleinrichtung vorhandenen Kühlmedium anzuordnen.
-
Aus der
EP 2 259 308 A1 ist es darüber hinaus bekannt, einen Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper über ein der Wärmeleitung dienendes Metallteil mit einem Leistungsbauelement thermisch zu koppeln.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie bei kompakter und herstellungstechnisch günstiger Ausbildung eines wenigstens ein wärmeerzeugendes Bauelement aufnehmenden Modulgehäuses derart mit einer Kühleinrichtung zusammenwirkt, dass Thermospannungen, die beispielsweise zur Rissbildung im Verbindungsbereich zwischen dem wärmeerzeugenden Bauelement und dem Modulgehäuse führen, vermieden bzw. zumindest reduziert werden.
-
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein Kühlgehäuse auf der dem Modulgehäuse zugewandten Seite derart auszubilden, dass in das Modulgehäuse im Bereich des oder der wärmeerzeugenden Bauelemente eingeleitete Thermospannungen von der mit dem Modulgehäuse verbundenen Kühleroberseite des Kühlgehäuses aufgenommen werden. Insbesondere ermöglicht es die spezielle Ausbildung des Kühlgehäuses, dass dieses im Vergleich zum Modulgehäuse eine sehr hohe Strukturstreitigkeit aufweist. Weiterhin lassen sich im Verbindungsbereich zwischen dem Modulgehäuse und dem Kühlgehäuse im Bereich einer Lötverbindung auftretende Scherspannungen deutlich reduzieren. Dies lässt sich dadurch erzielen, dass die eine relativ geringe Wanddicke aufweisende Kühleroberseite des Kühlgehäuses im Zusammenhang mit einer eine relativ große Wanddicke aufweisenden Kühlerunterseite und mit der mechanischen Verbindung bzw. Kopplung von Kühlerunterseite und Kühleroberseite für die benötigte Struktursteifigkeit des Kühlergehäuses sorgt.
-
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einer elektronischen Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass diese wenigstens ein in einem Modulgehäuse angeordnetes, wärmeerzeugendes Bauelement aufweist, sowie eine ein Kühlgehäuse aufweisende Kühleinrichtung, wobei das Kühlgehäuse auf der dem Modulgehäuse zugewandten Seite zumindest im Wesentlichen starr und wärmeleitend mit dem Modulgehäuse verbunden ist, wobei das Kühlgehäuse auf der dem Modulgehäuse zugewandten Seite eine Kühleroberseite und auf der dem Modulgehäuse abgewandten Seite eine Kühlerunterseite aufweist, wobei die Kühleroberseite und die Kühlerunterseite im Überdeckungsbereich mit dem Modulgehäuse mechanisch zumindest mittelbar miteinander verbunden sind, wobei die Kühlerunterseite zumindest im Überdeckungsbereich mit dem wenigstens einen wärmeerzeugenden Bauelement eine gegenüber der Wanddicke der Kühleroberseite vergrößerte Wanddicke aufweist, und wobei das Verhältnis der Wanddicke der Kühleroberseite und der Wanddicke der Kühlerunterseite zwischen 1:4 und 1:10, vorzugsweise zwischen 1:5,3 und 1:8 beträgt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der elektronischen Baugruppe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Im Zusammenhang mit den erwähnten Wanddicken der Kühlerunterseite und der Kühleroberseite, welche beispielsweise für die Kühleroberseite zwischen 0,5mm und 0,75mm und für die Kühlerunterseite etwa 4,0mm beträgt, ist es insbesondere vorgesehen, dass das Material der Kühleroberseite eine höhere Fließgrenze aufweist als das Material der Kühlerunterseite, und zwar bevorzugt eine in etwa doppelt so hohe Fließgrenze. Diese beträgt beispielsweise bei der Verwendung von AL 6063 für die Kühleroberseite ca. 60MPa und bei Verwendung von AL 3003 für die Kühlerunterseite ca. 30MPa. Durch eine derartige Wahl der unterschiedlichen Fließgrenzen wird ein zyklisches plastisches Verformen der Kühleroberseite verhindert.
-
Um die im Vergleich zur Kühleroberseite vergrößerte Wanddicke an der Kühlerunterseite auszubilden, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten Variante ist es vorgesehen, dass die Kühlerunterseite aus zwei, stoffschlüssig miteinander verbundenen Blechbauteilen besteht, einem mit der Kühleroberseite verbundenen, insbesondere wannenförmigen Kühlerboden, und einem mit dem Kühlerboden auf der der Kühleroberseite abgewandten Seite verbundenen Verstärkungselement. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es zum einen, für das Verstärkungselement und den wannenförmigen Kühlerboden gegebenenfalls unterschiedliche Materialien zu verwenden, welche vorzugsweise mittels einer (Hartlot-)Verbindung miteinander verbunden sind. Darüber hinaus hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass durch die relativ geringe Wanddicke des Kühlerbodens ein Tiefziehprozess zur Ausbildung des wannenförmigen Kühlerbodens vereinfacht wird.
-
Im Zusammenhang mit dem angesprochenen Verstärkungselement ist es darüber hinaus besonders vorteilhaft, wenn das Verstärkungselement in einer senkrecht zur Ebene des Verstärkungselements verlaufenden Richtung das Modulgehäuse zumindest im Wesentlichen überdeckt. Dadurch wird eine großflächige Verstärkung der Kühlerunterseite erzielt.
-
Alternativ zu der letztgenannten Variante ist es auch möglich, dass das Verstärkungselement die Kühlerunterseite lediglich bereichsweise überdeckt, vorzugsweise derart, dass das Verstärkungselement in Überdeckung zu dem wenigstens einen wärmeerzeugenden Bauelement angeordnet ist und dieses vorzugsweise seitlich etwas überragt. Eine derartige Ausgestaltung bietet sich insbesondere für den Fall an, dass relativ wenige wärmeerzeugende Bauelemente im Bereich des Modulgehäuses angeordnet sind, die lokal einen Wärmeeintrag in das Kühlergehäuse bewirken. In diesem Fall lässt sich somit durch die eine relativ geringe Fläche aufweisenden Verstärkungselemente eine Material- bzw. Gewichtsersparnis erzielen. Ergänzend wird hierzu erläutert, dass kritische, von dem Verstärkungselement zu egalisierende Bereiche nicht zwangsläufig unterhalb bzw. fluchtend zu dem wärmeerzeugenden Bauelement verlaufen müssen. Hier sind ggf. insbesondere bei tiefen Temperaturen entstehende Risse in der Moldmasse kritisch, die zu elektrischen Überschlägen führen können, wobei die Risse ggf. außerhalb der Bauelemente auftreten können.
-
Alternativ zu der Ausbildung einer Kühlerunterseite, bei der dieses aus zwei Bauteilen besteht, ist es auch möglich, dass die Kühlerunterseite als einstückig ausgebildetes Tiefziehteil ausgebildet. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll bzw. möglich, wenn die erforderlichen Umformungen zur Ausbildung des wannenförmigen Kühlerunterteils relativ gering sind.
-
Wie bereits im Rahmen der grundsätzlichen Erläuterung des Erfindungsgedankens erwähnt, ist es darüber hinaus wesentlich, dass die Kühleroberseite mit der Kühlerunterseite mechanisch verbunden ist. Die Verbindung dient dabei der Übertragung einerseits von Thermospannungen und andererseits der Versteifung der Kühleroberseite. Besonders bevorzugt ist dabei eine Variante, bei der die Kühleroberseite mit der Kühlerunterseite mittels sich senkrecht zur Ebene der Kühlerunterseite und/oder der Kühleroberseite erstreckender Lamellenelemente verbunden ist. Die Lamellenelemente füllen somit den zwischen der Kühleroberseite und der Kühlerunterseite der Führung eines Kühlmediums (beispielsweise Wasser mit Gefrierschutz) dienenden Raum aus. Sie dienen gleichzeitig als Strömungselement bzw. vergrößern die Oberfläche zur Kühlung. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Lamellenelemente aus dem gleichen Material bestehen wie das Material der Kühlerunterseite, wobei die Lamellenelemente insbesondere durch eine Hartlotverbindung mit der Kühlerunterseite verbunden sind, ebenso wie mit der Kühleroberseite. Alternativ können die Lamellenelemente auch aus einem anderen Material bestehen wie die Kühlerunterseite, insbesondere aus AL1050.
-
Auch hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung des Modulgehäuses gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das Modulgehäuse auf der dem Kühlgehäuse zugewandten Seite eine aus Metall bestehende Grundplatte bzw. ein Substrat aufweist, mit der das wenigstens eine wärmeerzeugende Bauelement mittelbar verbunden ist, und dass die Grundplatte und das wenigstens eine wärmeerzeugende Bauelement auf der dem Kühlgehäuse abgewandten Seite von einer Moldmasse umgeben sind. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht einerseits einen optimierten Wärmeübergang von dem Modulgehäuse zu dem Kühlgehäuse durch die aus Metall bestehende Grundplatte, und andererseits einen guten Schutz der eine elektronische Schaltung ausbildenden Bauelemente gegenüber äußeren Einflüssen bzw. Feuchtigkeit durch die Moldmasse.
-
Bevorzugt ist darüber hinaus, wenn die Grundplatte aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung besteht, dass das Kühlgehäuse aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht, dass die Kühleroberseite mit einer Kupferschicht (beispielsweise eine Dicke von 100µm aufweisend) versehen ist, und dass die Verbindung zwischen der Grundplatte und der Kühleroberseite durch eine Weichlotverbindung oder eine Sinterverbindung erfolgt. Die Verwendung einer Weichlotverbindung zwischen der Grundplatte und dem Kühlgehäuse hat den Vorteil, dass einerseits die beim Lötvorgang auftretende thermische Belastung in die Bauelemente in dem Modulgehäuse reduziert werden, und dass andererseits aufgrund der vorzugsweise verwendeten Hartlotverbindung der Bauteile des Kühlgehäuses die dort ausgebildeten (Hart-) Lotverbindungen nicht beschädigt bzw. vorgeschädigt werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
- 1a zeigt in einem vereinfachten Längsschnitt eine aus einem Modulgehäuse und einem Kühlgehäuse bestehende elektronische Baugruppe,
- 1b die Verwendung eines einteiligen Bauteils als Kühlerunterseite für das Kühlgehäuse und
- 1c die Verwendung eines lokalen Verstärkungselements an der Kühlerunterseite.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In der 1a ist eine elektronische Baugruppe 100 dargestellt, wie sie beispielsweise, und nicht einschränkend, als Bestandteil einer Leistungssteuerung für einen Antrieb in einem Elektrofahrzeug dient.
-
Die elektronische Baugruppe 100 weist ein Modulgehäuse 10 auf, das eine aus Metall, insbesondere aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung bestehende, ebene Grundplatte 12 in Form eines Substrats umfasst. Die Dicke a der Grundplatte 12 beträgt typischerweise zwischen 0,5mm und 1,0mm. Die Grundplatte 12 bzw. das Substrat besteht vorzugsweise aus einem Cu/Si3N4/Cu-Verbund. Auf der Grundplatte 12 sind eine Vielzahl von elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen 14, 16 angeordnet, von denen lediglich einige Bauelemente 14, 16 dargestellt sind. Wesentlich dabei ist, dass beispielsweise die Bauelemente 14 als wärmeerzeugende Bauelemente 14 beim Betrieb Wärme erzeugen, während die Bauelemente 16 dies nicht bzw. nur in einem unwesentlichen Maße tun. Die Bauelemente 14, 16 sind darüber hinaus Bestandteil einer im Einzelnen nicht dargestellten elektronischen Schaltung.
-
Die Grundplatte 12 ist auf der den Bauelementen 14, 16 zugewandten Seite von einer Moldmasse 18 umgeben, die in bekannter Art und Weise die elektronischen Bauelemente 14, 16 bzw. die elektronische Schaltung gegenüber Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, schützen.
-
Zur Kühlung der Bauelemente 14 ist das soweit beschriebene Modulgehäuse 10 thermisch mit einem Kühlgehäuse 20 gekoppelt. Das Kühlgehäuse 20 weist auf der dem Modulgehäuse 10 bzw. der Grundplatte 12 zugewandten Seite eine im Bereich der Grundplatte 12 ebene, als Kühlerdeckel 21 ausgebildete Kühleroberseite 22 auf. Die thermische und mechanische Kopplung der Kühleroberseite 22 mit der Grundplatte 12 des Modulgehäuses 10 erfolgt dadurch, dass auf der dem Modulgehäuse 10 zugewandten Oberseite der Kühleroberseite 22 eine aus Kupfer bestehende Verbindungsschicht 24, die beispielsweise eine Dicke von 100µm aufweist, auf bekannte Art und Weise aufgebracht wurde. Die Verbindungsschicht 24 dient im Zusammenhang mit der aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung bestehenden Grundplatte 12 dazu, die Grundplatte 12 bzw. das Modulgehäuse 10 mittels einer Weichlotschicht 26 (alternativ mittels einer Sinterschicht) mit der Kühleroberseite 22 zumindest im Wesentlichen starr zu verbinden.
-
Das Kühlgehäuse 20 umfasst neben der Kühleroberseite 22 mit seinem Kühlerdeckel 21 zumindest einen wannenförmigen Kühlerboden 28, welcher als Tiefziehteil aus einem Blechbauteil besteht. Parallel zum Der mit dem Kühlerdeckel 21 bzw. der Kühleroberseite 22 beispielhaft über ein Zwischenblech 29 und nicht dargestellte Hartlotverbindungen verbundene Kühlerboden 28 bildet auf der der Kühleroberseite 22 abgewandten Seite einen Teil einer Kühlerunterseite 30 aus. Der die Kühlerunterseite 30 ausbildende Abschnitt des Kühlerbodens 28 und die Kühleroberseite 22 bzw. der Kühlerdeckel 21 sind parallel zueinander angeordnet. Durch den wannenförmig ausgebildeten Kühlerboden 28 ist zwischen der Kühleroberseite 22 und der Kühlerunterseite 30 ein Hohlraum 32 ausgebildet, der der Führung eines nicht dargestellten Kühlmediums, beispielsweise Wasser mit Gefrierschutz enthaltend, dient. Das Kühlgehäuse 20 ist somit Teil einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Modulgehäuses 10.
-
Weiterhin ist der Kühlerdeckel 21 bzw. die Kühleroberseite 22 mit dem Kühlerboden 28 über eine Vielzahl von sich senkrecht zur Ebene der Kühleroberseite 22 und/oder der Kühlerunterseite 30 bzw. dem Kühlerboden 28 sich erstreckender Lamellenelemente 34 verbunden. Die Lamellenelemente 34 bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie der Kühlerboden 28. Die Verbindung zwischen den Lamellenelementen 34, welche als einstückiges Bauteil bzw. miteinander verbunden ausgebildet sein können, und dem Kühlerboden 28 und dem Kühlerdeckel 21 erfolgt mittels Hartlotverbindungen 36, 38.
-
Sowohl der Kühlerdeckel 21 bzw. die Kühleroberseite 22 als auch der Kühlerboden 28 bestehen jeweils aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, wobei der Kühlerdeckel 21 beispielsweise aus Al6063 besteht, während der Kühlerboden 28 aus AI3003 besteht. Weiterhin ist erkennbar, dass auf der der Kühleroberseite 22 abgewandte Seite des Kühlerbodens 28 ein plattenförmiges Verstärkungselement 40 aus Blech mit dem Kühlerboden 28 verbunden sind, derart, dass der Kühlerboden 28 zusammen mit dem Verstärkungselement 40 die Kühlerunterseite 30 ausbilden. Das Verstärkungselement 40 besteht insbesondere aus demselben Material wie der Kühlerboden 28, wobei zwischen den Verstärkungselementen 40 und dem Kühlerboden 28 ebenfalls eine Hartlotverbindung 42 ausgebildet ist. Weiterhin überdeckt das Verstärkungselement 40 in einer senkrecht zur Ebene des Verstärkungselements 40 verlaufenden Ebene das Modulgehäuse 10 zumindest im Wesentlichen, ggf. mit Ausnahme von seitlichen Randbereichen des Modulgehäuses 10.
-
Alternativ ist es auch denkbar, dass das Verstärkungselement 40 aus einem anderen Material besteht als der Kühlerboden 28. Hier kommen insbesondere Materialien mit einem relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten infrage, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verstärkungselements 40 vorzugsweise dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Modulgehäuses 10 bzw. der Grundplatte 12 entspricht bzw. angepasst ist. So sei beispielhaft Edelstahl, Alloy42, AISiC-9, Nickel, Molybdän oder ein Metall/Keramik/Metall-Schichtverbund genannt.
-
Wesentlich ist darüber hinaus, dass die Wanddicke d der Kühleroberseite 22 wesentlich geringer ist als die Wanddicke D der Kühlerunterseite 30. So beträgt die Wanddicke d beispielsweise zwischen 0,5mm und 0,75mm, während die Wanddicke D insgesamt ca. 4,0mm beträgt, wobei die Wanddicke des Kühlerbodens 28 im Bereich des Verstärkungselements 40 vorzugsweise in etwa gleich groß, d.h. jeweils etwa 2,0mm beträgt. Dadurch ergibt sich ein Verhältnis der Wanddicke d der Kühleroberseite 22 und der Kühlerunterseite 30 zwischen 1:5,3 und 1:8, wobei es je nach Anwendungsfall auch zwischen 1:4 und 1:10 betragen kann.
-
Alternativ zu einer Kühlerunterseite 30, die aus dem Kühlerboden 28 und dem Verstärkungselement 40 besteht, ist es entsprechend der Darstellung der 1b auch möglich, die Kühlerunterseite 30 durch einen Kühlerboden 28a auszubilden, dessen Wanddicke D von beispielhaft etwa 4,0mm alleine durch das Material des Kühlerbodens 28a erzielt wird.
-
Auch ist es denkbar, insbesondere wenn lediglich einige wenige wärmeerzeugende Bauelemente 14 im Modulgehäuse 10 angeordnet sind, dass sich ein Verstärkungselement 40a entsprechend der Darstellung der 1c lediglich über einen Teilbereich des Kühlerbodens 28 erstreckt und dort mit diesem über die Hartlotverbindung 42 verbunden ist. Insbesondere ist anhand der 1c erkennbar, dass die in der Zeichenebene und senkrecht zur Zeichenebene vorhandene laterale Erstreckung L des Verstärkungselements 40a in Überdeckung mit dem beispielhaft einen wärmeerzeugenden Bauelement 14 angeordnet ist, das eine laterale Erstreckung I aufweist, wobei das Verstärkungselement 40a das wärmeerzeugende Bauelement 14 seitlich überragt.
-
Die soweit beschriebene elektronische Baugruppe 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann das Verstärkungselement 40, 40a anstelle aus Aluminium auch aus einem anderen Material bestehen, wie beispielsweise Edelstahl, Molybdän, einem Metall/Keramik/Metall-Verbundmaterial oder ähnlichem.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0191419 B1 [0002]
- EP 2259308 A1 [0003]
