DE19808592A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen einer Planarinduktivität - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen einer PlanarinduktivitätInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw.
ein Verfahren zum Kühlen einer Planarinduktivität, insbe
sondere eines Planartransformators, auf einem eine Mehrzahl
von Leitungsschichten aufweisenden, plattenförmigen Träger,
wobei mindestens eine Leitungsschicht des Trägers im Zusam
menwirken mit einem zum Führen eines magnetischen Flusses
ausgebildeten Kernelement die Planarinduktivität darstellt.
Ein typisches Anwendungsgebiet derartiger, gattungsgemäßer
Vorrichtungen sind Schaltnetzteile. Hier werden - durch
zunehmende Miniaturisierung - vermehrt mehrlagige Träger
platinen ("Multilayer") eingesetzt, die eine Mehrzahl von
voneinander elektrisch getrennten oder punktuell verbunde
nen Leiterschichten innerhalb einer konventionellen Leiter
plattenstruktur besitzen. Auch werden beispielsweise in
diesem Anwendungsgebiet herkömmliche, diskrete Induktivitä
ten, wie etwa Transformatoren oder Drosseln, durch die
Planartechnik realisiert, nämlich durch die unmittelbare
Ausnutzung von entsprechend ausgebildeten Leitungsschichten
des Multilayers als Wicklungen dieser Induktivität, wobei
diese üblicherweise dann mit einem Transformatorkern zu
sammenwirken, welcher in geeigneter Weise auf den Multi
layer bzw. in Durchbrüchen desselben plaziert ist.
Der Einsatz derartiger, gattungsgemäßer Planarinduktivitä
ten wird jedoch insbesondere in der Leistungselektronik
durch eine Anzahl von mechanischen und thermischen Proble
men erschwert. So entstehen nämlich beispielsweise in
Schaltnetzteilen auf engstem Raum Kupfer- und Kernverluste,
die ohne besondere Kühlmaßnahmen den mehrschichtigen Lei
tungsträger zu stark erwärmen, so daß selbst etwa mit Über
dimensionierungen der Einsatz dieser neuartigen Technologie
auf Leistungsgrenzen stößt.
Insbesondere bei Vorrichtungen mit höherer (Verlust-)
Leistung wurden daher Versuche unternommen, den Multilayer
durch verschiedene Maßnahmen zusätzlich zu kühlen, wobei
etwa sog. "thermal drains", also Wärmesenken, in Form von
Metallbolzen od. dgl. zu einem Kühlkörper eingesetzt werden.
Eine derartige Anordnung aus dem Stand der Technik ist
einfachheitshalber in Fig. 4 der nachfolgenden Zeichnung
wiedergegeben: Eine Transformatoranordnung oder Drossel in
einem Multilayer 10 mit entsprechend als Transforma
torwindungen ausgebildeten Leitungsschichten weist einen
ersten - im Querschnitt beispielhaft E-förmigen - Trans
formatorkern 12 auf, der sich mit Schenkeln 14 durch ent
sprechende schlitzförmige Durchbrüche des Multilayers 10
erstreckt. Zum Schließen des magnetischen Kreises sitzt auf
dem ersten Transformatorkern 12 ein zweiter, platten
förmiger und im Querschnitt I-förmiger Transformatorkern
16, so daß etwa in den zwischenliegenden Multilayer-Ab
schnitten 18 laufende Windungsschichten von dem Transforma
torkern 12, 16 umschlossen sind. Die Kernelemente 12, 16
sind seitlich oder flächig miteinander verklebt und stellen
so den magnetischen Kreis sicher.
Zum Kühlen dieser - wie gesagt, aus dem Stand der Technik
bekannten - Anordnung ist im linken Bereich der Fig. 4 ein
Distanzbolzen 20 gezeigt, der in die Platine 10 hinein
gepreßt ist und anderenends thermischen Kontakt mit einem
plattenförmigen Kühlkörper 22 herstellt. Eine ebenfalls aus
dem Stand der Technik bekannte Alternative ist im rechten
Bereich der Fig. 4 gezeigt; dort ist ein Kühlbolzen 24 un
mittelbar in die Platine 10 eingelötet und - wie auch der
Distanzbolzen 20 - mittels einer Schraubverbindung mit dem
Kühlkörper 22 verbunden.
Durch eine solche Anordnung entstehen aber eine Reihe von
schadensträchtigen Sicherheits- und Wärmeausdehnungsproble
men, und darüber hinaus wird durch die Wärmeübertragungs-
bzw. Distanzstücke 20, 24 zusätzlich Platz auf der Leiter
platte 10 benötigt. Die entstehende starre Verbindung ist
ferner insbesondere gegenüber Beschleunigungen bzw. bei
starker mechanischer Beanspruchung fehleranfällig und unge
nügend. Nachteilig ist zusätzlich die nur punktuelle Wärme
abführung durch die thermal drains, und darüber hinaus ver
ringern die dafür erforderlichen Durchgangslöcher die nutz
bare Fläche des Multilayers auch für die innenliegenden
Schichten.
Als weiterer Ansatz aus dem Stand der Technik ist gemäß
Darstellung in Fig. 5 der Zeichnung eine thermische Anbin
dung des Transformatorkerns selbst an den Kühlkörper 22
vorgesehen. Dies erfolgt mittels einer elastischen Schicht
26 aus wärmeleitendem Material, die in der in Fig. 5 ge
zeigten Weise zwischen Transformatorkern 16 und Kühlkörper
22 liegt. Die mechanische Verbindung zwischen Kühlkörper 22
und Multilayer 10 ist über Distanzstücke 28 und Schrauben
30 realisiert; die naturgemäß entstehenden Maßtoleranzen
der Kerne und Bolzen benötigen jedoch die Flexibilität des
Materials 26, welches als großflächige, flexible
Wärmeleitmatte auch als "Gap-Pad" oder "Soft-Pad" bezeich
net wird. Neben einer nach wie vor - übertragungsbedingt --
nicht befriedigenden Wärmeableitung zum Kühlkörper verur
sacht daher die Anordnung gemäß Fig. 5 nicht unbeträchtli
chen Herstellungs- und Fertigungsaufwand. Auch gelten die
selben Nachteile wie bei der Ausführung nach Fig. 4.
Schließlich ist in Fig. 6 ein weiterer Ansatz aus dem Stand
der Technik gezeigt, bei dem mittels elastischer Wärmeleit
matten 32 Wärme des Multilayer 10 zum Kühlkörper 22 abge
führt wird; gleichzeitig kann die Transformatoranordnung
durch ein federndes Klammerelement 34 gehalten werden. Hier
erfolgt jedoch keine Kühlung des Kerns.
Sämtliche dieser Anordnungen verursachen jedoch nicht unbe
trächtlichen Aufwand und sind zudem insbesondere nicht für
die Abfuhr leistungsbedingter, größerer Wärmemengen geeig
net. Darüber hinaus ist nach diesem Stand der Technik keine
Fixierung des Kerns vorgesehen; die müßte im Bedarfsfall
gesondert gelöst werden.
Dieses Problem verschärft sich dann, wenn Planar-Transfor
matoren in einer sog. Matrixanordnung verwendet werden;
eine Mehrzahl von auf einem Multilayer verteilt angeordne
ten Transformatoren, die jeweils individuelle, lokale Wär
meableitung benötigen.
Schließlich bestünde grundsätzlich noch die Möglichkeit,
eine Transformatoranordnung auf einem Multilayer mit einer
wärmeleitenden Vergußmasse zu versiegeln, um darüber dann
die Anordnung zu kühlen. Evident ist hier jedoch die
schlechte Prüf- und Reparierbarkeit und die grundsätzlich
eher mangelhafte Eignung von Vergußmassen zur Wärmeleitung;
darüber hinaus werden Kerne und weitere Komponenten mecha
nisch belastet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Multi
layer-Träger der gattungsgemäßen Art mit eingesetzten
Planarinduktivitäten eine Wärmeableitung zu schaffen, die
insbesondere auch für hohe Verlustleistungen geeignet und
mechanisch stabil ist sowie darüber hinaus eine einfache,
kostengünstige und potentiell automatisierbare Fertigung
gestattet.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem Patentan
spruch 1 sowie die Verwendung nach dem Patentanspruch 9
gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen beschrieben.
Vorteilhaft ermöglicht es die Erfindung, eine Planarinduk
tivität in einem Multilayer, insbesondere einer Schaltungs
anordnung der Leistungselektronik, zu schaffen, die äußerst
einfach in der Herstellung ist, sich für automatische Be
stückung bzw. Realisierung eignet und darüber hinaus ein
sehr hohes Maß an Wärmeabfuhr - sowohl von dem wärmeerzeu
genden Abschnitt des Multilayer als auch von dem Transfor
matorkern - gestattet.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß die direkte,
unmittelbare Verbindung des eine planare Kontaktfläche
aufweisenden Kühlelements mit dem Kernelement Anordnungen
hoher Verlustleistung mit entsprechend hoher Wärmeentwick
lung gestattet, ohne daß etwa Schäden an der Anordnung zu
befürchten sind. Erfindungsgemäß werden die Transformator
kerne nicht nur als magnetische bzw. elektrische Komponen
ten, sondern als mechanische Elemente angesehen, die -
durch ihre relativ gute Wärmeleitung, etwa bei Ferrit -
als Wärmebrücken dienen und die Multilayer-Baugruppe
fixieren. Auch realisieren die Kerne bei kürzestem Abstand
eine größtmögliche Fläche zur Wärmeabfuhr am Entstehungs
ort.
Insbesondere bei Multilayern mit einer Mehrzahl von ver
teilten Kernen, bei welchen entsprechend viele unabhängige
Kerne gekühlt werden müssen, ist dieser Ansatz bedeutsam,
da sowohl der mechanische Aufwand gegenüber den mit aufwen
digen Zusatzteilen realisierten Lösungen aus dem Stand der
Technik verringert ist, als auch die Wärmeabfuhr effizien
ter gestaltet werden kann. Großflächige Kühlung wird so
ohne mechanische Zusatzkomponenten ermöglicht, wobei die
Wärme direkt am Entstehungsort (also der Transformator
wicklung bzw. dem Kern) abgeführt wird.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Klebeschicht vor
teilhaft Toleranzprobleme zwischen den verschiedenen Kernen
einer Matrixanordnung und dem plattenförmigen Kühlelement
ausgleichen. Insbesondere spielt dann die Dicke der Mehr
schicht-Leiterplatte und die Dicke der Kerne für die mecha
nische Befestigung keine Rolle mehr.
Vorteilhaft sind zudem die - aus sprödem Material, etwa
Ferrit, realisierten - Kernelemente zuverlässig fixiert,
wodurch die Baugruppe äußerst vibrationsfest ist.
Insbesondere wenn vorteilhaft eine großflächige, durchge
hende metallische Kühlplatte als Kühlelement verwendet
wird, dient diese in geeigneter Weise als Abschirmung gegen
Störfelder der Induktivitäten.
Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, für die erfindungs
gemäßen Verbindungen elektrisch leitfähige Klebstoffe zu
verwenden, die, da elektrisch leitfähig, oft auch eine gute
Wärmeleitfähigkeit besitzen; hinsichtlich der Wärmeablei
tung bestehen dadurch deutliche Vorteile gegenüber isolie
renden Kunststoffen, wie sie etwa für Vergußzwecke einge
setzt werden.
Zudem hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, das er
findungsgemäße Kühlelement zusätzlich zur Kühlung von Halb
leitern oder anderen, wärmeerzeugenden elektronischen Bau
elementen auf der Trägerplatine (Multilayer) zu verwenden,
so daß ein vollständiges, kompaktes und effizientes Kühl-
und Montagesystem für elektrische Leistungsmodule entsteht.
Besonders bevorzugt ist es zudem weiterbildungsgemäß mög
lich, das erfindungsgemäße Kühlelement so gegenüber den
weiteren, zu kühlenden elektronischen Bauelemente zu
plazieren, daß innerhalb eines einzelnen Arbeitsganges bzw.
Montagevorganges sowohl eine Kühlung des Kernelements als
auch des zusätzlich zu kühlenden, elektronischen Bauele
ments erfolgen kann; geeignet kann dies etwa durch entspre
chend bemessene Vorsprünge oder profilierte Abschnitte des
Kühlelements an Angriffs- und Kontaktstellen für einen zu
kühlenden Leistungshalbleiter erfolgen. Im Ergebnis ent
steht dadurch eine insbesondere auch für SMD-bestückte An
ordnungen ein Kühlsystem ohne zusätzlichen Aufwand.
Schließlich ist es ein wesentlicher Vorteil der erfindungs
gemäßen Anordnung, die - teuere - Multilayer-Oberfläche
von zusätzlichen, mechanischen Befestigungselementen frei
zuhalten, und statt dessen Raum für weitere Peripherie-
Elektronik, etwa für SMD-Bestückung, und/oder zusätzliche
Sicherheitsabstände bereitzustellen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele sowie aus den anliegenden Zeichnungen.
Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine er
findungsgemäß zu kühlende Leiterplattenan
ordnung mit einer Mehrzahl von verteilt
angeordneten Transformatoren und Drosseln;
Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht durch eine
zu kühlende Planarinduktivität gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform der Er
findung;
Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht einer weite
ren Ausführungsform der Erfindung mit zu
sätzlichen Halbleiter-Leistungselementen;
Fig. 4 bis Fig. 6 Vorgehensweise zum Kühlen von Planarinduk
tivitäten aus dem Stand der Technik.
Für die Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Fig. 1
bis 3 gelten Bezugszeichen entsprechend den Fig. 4 bis 6,
sofern identische Komponenten betroffen sind.
Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf eine Leistungshalbleiter-
Anordnung mit einer Multilayer-Platine 10 und einem plat
tenförmigen, flächigen Kühlkörper 22 aus gängigem Kühlkör
permaterial, etwa Kupfer oder Aluminium.
Auf der Leiterplatte 10 ist eine Mehrzahl von Transformato
ren (bzw. Drosseln) 38 - teils in Matrixform verteilt -
angeordnet, wobei diese Transformatoren (Kerne und Wick
lung) auf ihrer der in Fig. 1 gezeigten Bestückungsseite
abgewandten Seite durch Kontakt mit dem ganzflächigen Kühl
körper 22 gekühlt und gehalten werden.
Zusätzlich zeigt die Fig. 1 eine Mehrzahl von (SMD-bestück
ten) elektronischen Bauelementen 40 auf der Bestückungs
seite der Platine 10, und es ist eine Mehrzahl von Lei
stungs-Halbleiterelementen 42 erkennbar, die ebenfalls
durch Kontakt mit dem Kühlkörper 22 gekühlt werden.
Fig. 2 zeigt nunmehr in einer schematischen Seitenansicht
das grundsätzliche Prinzip der Erfindung. In der bereits
vorstehend beschriebenen Weise sind der erste Transforma
torkern 12 und der zweite Transformatorkern 16 Abschnitte
18 der Platine 10 umschließend als Planartransformator aus
gebildet. Erfindungsgemäß ist zusätzlich das E-förmige,
erste Transformatorelement 12 mittels einer beispielhaft
elektrisch leitenden, wärmeleitfähigen Klebeverbindung 44
mit der abwärts gerichteten Oberfläche des Multilayer 10
zwischen den Schenkeln 14 verbunden, und es ist die plane
Oberfläche des Transformatorkerns 12 ganz flächig mittels
eines wärme- und elektrisch leitfähigen Klebers 46 mit dem
Kühlkörperblech 22 verbunden. Der für die Klebeverbindungen
44 bzw. 46 eingesetzte Kleber weist bevorzugt Metall
partikel od. dgl. auf, die nicht nur eine elektrische Leit
fähigkeit zwischen den beteiligten Komponenten herstellen,
sondern darüber hinaus auch für eine deutlich überlegene
Wärmeleitfähigkeit sorgen. Bezogen auf die magnetischen
Eigenschaften der auf diese Weise gekühlten Kerne ist je
doch die elektrische Verbindung zwischen Transformatorkern
und Kühlkörper praktisch ohne nachteilige Konsequenz.
Die Fig. 3 verdeutlicht die prinzipielle erfindungsgemäße
Anordnung der Fig. 2 in einem Umfeld eines wärmeerzeugenden
Leistungsmoduls, wie es etwa ein elektronisches Schaltnetz
teil ist. Der Transformatoranordnung 12, 16 benachbart ist
ein Leistungshalbleiter 42, etwa ein isolierter Schalttran
sistor, welcher in der gezeigten Weise ebenfalls über eine
Kleberverbindung 48 mit dem Kühlkörper 22 verbunden ist und
so nicht nur die vorhandene Kühlfläche ausnutzt, sondern
zudem für weitere, mechanische Stabilisierung der Anordnung
sorgt. Entsprechendes gilt für die abschnittsweise, direkte
wärmeableitende Kontaktierung des Multilayer im Bereich des
Vorsprungs 50 des Kühlkörpers 22, sowie für die seitliche
Befestigung und Kühlung des Leistungstransistors 42', der
über eine Zwischenlage (Isolation) 52 mit einem
entsprechend herausgearbeiteten Abschnitt des Kühlkörpers
22 verbunden ist.
Auf die gezeigte Weise kann eine thermisch und mechanisch
optimierte Wärmeableitung für Leistungsmultilayer mit inte
grierten Transformatoren oder Drosseln realisiert werden.
Darüber hinaus ist es möglich, die gezeigten Anordnungen
mittels einer weitgehend automatisierten Produktionsein
richtung zu fertigen, die idealerweise auch in Zusammenhang
mit SMD-Bestückung/Lötung die Automatisierung der Herstel
lung eines vollständigen Leistungsmoduls erlaubt. Insbe
sondere bei größeren Stückzahlen ist damit eine kostengün
stige Produktion, verbunden mit reproduzierbaren
Kühlungseigenschaften, durchführbar.
Ergänzend ermöglicht die Erfindung die zusätzliche Kühlung
von SMD-Leistungskomponenten, etwa in Gehäusen wie D-Pack,
D2-Pack, SOT 223 usw. ohne zusätzlichen Aufwand. Durch den
Multilayer hindurch wird die entstehende Verlustwärme auf
den Außenkühler abgeleitet; dies ist etwa in der Fig. 3
oberhalb des Vorsprungs 50 zu erkennen. Darüber hinaus kann
vorteilhaft zur Verbesserung der Wärmeleitung unterhalb der
Leistungskomponenten Kupfer od. dgl. Wärmeleitmaterial in
den Multilayer eingebracht sein, wobei die Lagen mit Vias
untereinander verbunden sein können.
Zudem paßt sich generell der Klebstoff allen Unebenheiten
an, so daß nicht nur der thermische Übergangswiderstand
durch eingeschlossene Luft zwischen allen beteiligten Kom
ponenten verringert wird; darüber hinaus findet ein effek
tiver Flächenausgleich statt. Nach dem Aushärten können
zudem die Teile gegeneinander nicht mehr verschoben werden;
es entsteht nicht nur eine zuverlässige, dauerhafte
thermische, sondern auch eine entsprechend belastbare und
rüttelfeste mechanische Verbindung.
Zur weiteren Optimierung der Erfindung können bevorzugt die
unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Multilayers
und der Kühlplatte aneinander angepaßt werden. Da ein der
artiger Leistungsmultilayer sehr viel Kupfer enthält, ist
die thermische Längenausdehnung einer solchen Platte unge
fähr gleich der von Kupfer (Multilayer FR 4 : 10-17 10-6/K;
Kupfer: 16,5 10-6/K; Ferrit: 10,5 10-6/K).
Mit einer typischen Klebstoffdicke von etwa 150 Mikrometern
ist diese relativ gering und bietet entsprechend geringen
Wärmeübergangswiderstand. Neben insbesondere flüssig
auftragbaren Klebstoffen ist für eine oder jede der beiden
Klebverbindungen auch eine doppelseitige, thermisch lei
tende Klebfolie möglich.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Kühlen einer Planarinduktivität, insbe
sondere eines Planartransformators, auf einem eine
Mehrzahl von Leitungsschichten aufweisenden, platten
förmigen Träger (10), wobei mindestens eine Leitungs
schicht des Trägers im Zusammenwirken mit einem zum
Führen eines magnetischen Flusses ausgebildeten
Kernelement (12, 16) die Planarinduktivität realisiert,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kernelement auf seiner ersten, einer Oberfläche
des Trägers (10) zugewandten Seite mit dieser mittels
eines wärmeleitenden Klebers (44) verbunden und auf
einer zweiten, planaren Außenfläche bevorzugt i.w.
ganz flächig mit einem eine planare Kontaktfläche auf
weisenden Kühlelement (22) verklebt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement zum zusätzlichen Kühlen eines auf
dem Träger (10) vorgesehenen Leistungshalbleiters
od. dgl. wärmeerzeugenden, elektronischen Bauelements
vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement in einem Kontaktbereich (50) mit
dem Leistungshalbleiter (42) einen Vorsprung bzw. einen
geeignet profilierten Abschnitt aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß auf dem plattenförmigen Träger eine
Mehrzahl von bevorzugt in regelmäßigen Abständen ange
ordneten Planarinduktivitäten vorgesehen ist, die je
weils ein Kernelement aufweisen, wobei ein gemeinsames
Kühlelement mit den Kernelementen verklebt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Kühlelement plattenförmig und
sich i.w. parallel zum Träger (10) erstreckend ausge
bildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement sich i.w. über eine Gesamtfläche
des plattenförmigen Trägers (10) erstreckt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Verklebung zwischen dem
Kernelement und dem Träger und/oder eine Verklebung
zwischen dem Kernelement und dem Kühlelement mit einem
Klebstoff einer Dicke zwischen 100 und 200 Mikrometern
realisiert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Verklebung zwischen dem
Kernelement und dem Träger und/oder zwischen dem
Kernelement und dem Kühlelement mittels einer doppel
seitigen, thermisch leitenden Klebfolie realisiert ist.
9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 8 zur Realisierung eines Schaltnetzteils, eines
Spannungskonverters oder eines Netzteils.
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