DE19808592C2 - Vorrichtung zum Kühlen einer Planarinduktivität - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer Planarinduktivität, insbesondere 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.

Aus der DE 37 21 759 A1 ist ein auf einer Leiterplatte an­ gebrachter Transformator bekannt, der auf der Leiterplatte spiralförmig ausgebildete Leiterbahnen sowie einen durch Öffnungen in der Leiterplatte durchgesteckten Kern auf­ weist. Insbesondere auch derartige Planarinduktivitäten bilden die Ausgangslage für die Notwendigkeit, leistungsbe­ dingte thermische Probleme zu lösen.

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 Leiterplatte 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 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 wärmeerzeugenden 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 ensteht.

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 vorteilhafte 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 ganzflächig 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 (10)

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 ei­ ner zweiten, planaren Außenfläche mit einem eine planare Kontaktfläche aufweisenden Kühlelement (22) verklebt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Außenfläche des Kernelementes (10) ganzflächig mit der planaren Kontaktfläche des Kühlele­ ments (22) verklebt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kühlelement zum zusätzlichen Kühlen eines auf dem Träger (10) vorgesehenen wärmeerzeugen­ den, elektronischen Bauelements (42), insbesondere ei­ nes Leistungshalbleiters, vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement in einem Kontaktbereich (50) mit dem wärmeerzeugenden Bauelement (42) einen Vorsprung bzw. einen geeignet profilierten Abschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem plattenförmigen Träger (10) eine Mehrzahl von bevorzugt in regelmäßigen Abständen angeordneten Planarinduktivitäten vorgesehen ist, die jeweils ein Kernelement aufweisen, wobei ein gemeinsa­ mes Kühlelement mit den Kernelementen verklebt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement plattenförmig und sich parallel zum Träger (10) erstreckend ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement sich über die Gesamtfläche des plattenförmigen Trägers (10) erstreckt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die 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.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Realisierung eines Schaltnetzteils, eines Spannungskonverters oder eines Netzteils.