DE19960840A1 - Elektronische Schaltung mit Kühlvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung (14) mit Kühlvorrichtung (4) zur Abführung von beim Betrieb der Schaltung entstehender Wärme, insbesondere Umrichterschaltung mit Kühlvorrichtung (4) mit IGBT-(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor)-Treiberbauelementen zur Ansteuerung mindestens eines Umrichters, wobei die Kühlvorrichtung (4) flächig aufgebaut ist und verformbare Flächenbereiche zur Ausbildung von Wärmeaufnahme- (8), Wärmetransport- (10) sowie Wärmeabgabebereichen (11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung mit Kühl­ vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentan­ spruchs 1.

Als Stand der Technik sind elektronische Schaltungen mit Kühlvorrichtungen bekannt, bei denen die beim Betrieb der elektronischen Schaltung entstehende Wärme durch z. B. metal­ lische wärmeleitende Körper abgeführt wird, welche an der elektronischen Schaltung angebracht sind. Zur verbesserten Wärmeabführung sind mit den metallisch wärmeleitenden Kühl­ körpern verbundene Heat-Pipe-Systeme bekannt, um eine erhöhte Wärmemenge abführen zu können. Ein Nachteil derartiger Kühl­ vorrichtungen für elektronische Schaltungen besteht darin, daß diese üblicherweise aus miteinander zu verbindenden Ein­ zelteilen bestehen, die mit erheblichem Fertigungsaufwand hergestellt werden. Ferner können die bekannten Kühlvorrich­ tungen oftmals nur unzureichend an vorgegebene Bauraumgeome­ trien angepaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung mit Kühlvorrichtung anzubieten, welche kostengün­ stig herzustellen und mit geringem Aufwand an unterschiedli­ che Bauraumgeometrien anpaßbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Er­ findung werden in den Unteransprüchen 2-20 beschrieben.

Die Kühlvorrichtung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung ist flächig aufgebaut und besitzt verformbare Flä­ chenbereiche zur Ausbildung von Wärmeaufnahme-, Wärmetrans­ port- sowie Wärmeabgabebereichen. Letztere werden an die jeweils zur Verfügung stehenden Bauräume angepaßt, wodurch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in ihrer Geometrie besonders variabel gestaltbar ist.

Vorteilhafterweise besitzt die Kühlvorrichtung Kanäle und/ oder Hohlräume, die mit zur Wärmeabführung verdampfbaren und bei Wärmeabgabe wieder kondensierbarem Flüssiggas gefüllt wird. Dieser Flüssiggaszyklus kann dabei unter Einwirkung der Gravitation ablaufen, wobei z. B. in der Phase des Verdampfens ein Aufsteigen des verdampfenden Flüssiggases in höher gele­ gene Bereiche der Kühlvorrichtung erfolgt und nach einer dor­ tigen Abkühlung ein Niederschlag des Flüssiggases als Konden­ sat sich in oder an der Kühlvorrichtung bildet, welches unter Einfluß der Gravitation wieder zu tiefer gelegenen Bereichen der Kühlvorrichtung zurückfließt. Ergänzend kann zum Einfluß der Gravitation auch eine zusätzliche Unterstützung z. B. durch eine Umwälzpumpe erfolgen.

Letztere wird insbesondere dann verwendet, wenn statt des Flüssiggases Kühlflüssigkeit verwendet wird, welche nach ei­ nem an sich aus Kühlvorrichtungen (z. B. Kühlschränken, Ge­ friertruhen etc.) bekannten Prinzip eine Wärmeabführung aus dem Bereich der elektronischen Schaltung erzielt.

Vorteilhafterweise besitzt die Kühlvorrichtung einen Träger, der durch an sich bekannte Rollbond- oder Z-Bond-Verfahren herbestellt wird, wodurch im Inneren des Trägers integrierte Kanäle und/oder Hohlräume entstehen. Hierdurch wird eine be­ sonders kostengünstige Herstellung eines Trägers mit inte­ grierten Kanälen erreicht.

Bei Anwendung eines der beiden genannten Bond-Verfahren kön­ nen auch einzelne Materialbereiche des Trägers abgespreizt oder abgerollt werden, so daß mittels Bond-Verbindung ange­ brachte Kühlkörper mit zusätzlicher Kühlwirkung entstehen.

Alternativ oder ergänzend kann der flächige Träger der Kühl­ vorrichtung auch an dessen Oberfläche angebrachte Kanäle und/ oder Hohlräume aufweisen, wodurch der Verlauf der Kanäle an der Oberfläche des Trägers auch verändert werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung in ihrem Wärmeaufnahmebereich - also an oder in der Nähe der elektronischen Schaltung - planar ausgebildet und dient insbesondere als Schaltungsträger der elektroni­ schen Schaltung, wodurch eine besonders vorteilhafte Wärmeab­ führung erreicht wird.

Dabei kann die elektronische Schaltung z. B. über ein Träger­ element mit der Kühlvorrichtung verbunden sein, wobei das Trägerelement aus einem wärmeleitenden Material (z. B. Kupfer oder einer Kupferlegierung) besteht.

Die elektronische Schaltung kann auch ohne zwischenliegendes Trägerelement an der Kühlvorrichtung angebracht sein, wobei letztere elektrisch gegenüber der elektronischen Schaltung z. B. durch Lackieren oder Eloxieren isoliert ist. Hierdurch entsteht eine besonders kompakte Ausbildungsform der erfin­ dungsgemäßen elektronischen Schaltung mit besonders wirkungs­ voller Wärmeabführung.

Die Variabilität der erfindungsgemäßen elektronischen Schal­ tung wird weiter dadurch erhöht, daß die Leiterplatte der elektronischen Schaltung lösbar an der Kühlvorrichtung ange­ bracht ist, wodurch ein aus elektronischer Schaltung und Kühlvorrichtung gebildetes Modulbauelement entsteht.

Die Kühlvorrichtung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung kann im Wärmetransportbereich und/oder im Wärmeab­ gabebereich die unterschiedlichsten Geometrien aufweisen und z. B. mäander-, zickzack-, Wellen- oder spiralförmig gestaltet und/oder gebogen sein, um die jeweils erforderlichen Wärmemengen abzuführen und gleichzeitig an die vorhandenen Raum­ verhältnisse geometrisch angepaßt zu werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung mehrere Wärmeaufnahmebereiche aufweisen, um z. B. die Wärme mehrerer Schaltungsbereiche und/oder benachbarter elektroni­ scher Schaltungen abführen zu können. Diesem Zweck können auch mehrere Wärmetransportbereiche und/oder Wärmeabgabebe­ reiche dienen.

Die einzelnen genannten Bereiche können in verschiedenen Ebe­ nen zueinander angeordnet sein, wodurch die Wärme ebenfalls in verschiedenen Ebenen angeordneter elektronischer Schaltun­ gen abgeführt, vorhandener Bauraum vollständig ausgenutzt und eine 3D-Struktur der Kühlvorrichtung zur nochmals verbesser­ ten Wärmeabführung erzeugt werden.

Wenn die elektronische Schaltung mit integrierter Kühlung von einem Gehäuse umgeben ist, können Bereiche der Kühlvorrich­ tung Teile des Gehäuses ersetzen, wodurch Material eingespart und die Wärmeabführung verbessert werden kann.

Die Kühlvorrichtung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung kann besonders variabel an eine vorhandene elektro­ nische Schaltungsstruktur angepaßt werden, wenn mehrere sepa­ rate Teilkühlvorrichtungen vorgesehen sind, die sich z. B. auf Teilbereiche der elektronischen Schaltung, insbesondere den Logik- und den Leistungsteil, beziehen. Die genannten Teilbe­ reiche der elektronischen Schaltung besitzen oftmals unter­ schiedliche abzuführende Wärmemengen und können durch eine derartige punktgenau wirkende und einstellbare Kühlvorrich­ tung auf dem jeweiligen gewünschten Temperaturniveau gehalten werden.

Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung mit Kühlvorrichtung gehen aus den Ausführungsbei­ spielen in den Zeichnungsfiguren hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Frontansicht der elektronischen Schaltung mit Kühlvorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittansicht A-A der elektronischen Schal­ tung mit Kühlvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Frontansicht nach Fig. 1 der Kühlvorrichtung ohne elektronische Schaltung,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf mehrere elektro­ nische Schaltungen mit gemeinsamer Kühlvorrich­ tung,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren elektronischen Schaltung mit Kühlvorrichtung,

Fig. 6a-f Draufsichten auf elektronische Schaltungen nach Fig. 5 mit verschiedenen Kühlvorrichtungsgeometri­ en,

Fig. 7a, 7b Draufsichten auf elektronische Schaltungen nach Fig. 5, bei denen die Kühlvorrichtung bereichswei­ se als Gehäuseersatz dient sowie

Fig. 8a, 8b Draufsichten auf elektronische Schaltungen nach

Fig. 9a, 9b Fig. 5, bei denen die Kühlvorrichtung als Schal­ tungsträger dient.

Fig. 1 zeigt eine schematische flächige Darstellung einer elektronischen Schaltung 1 mit Kühlvorrichtung 4, wobei die elektronische Schaltung 1 insbesondere eine Umrichterschal­ tung gemäß den hierzu erwähnten Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist. Die elektronische Schaltung 1 weist Lo­ gikteil 2a und einen Leistungsteil 2b auf, welche über Brücken 3 miteinander verbunden sind. Die Kühlvorrichtung 4 ist an der Rückseite der elektronischen Schaltung 1 ange­ bracht und besitzt Bereiche 5 (mit Aussparung 24) und 6 seit­ lich der elektronischen Schaltung 1.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt A-A der Darstellung nach Fig. 1, aus der die räumliche Erstreckung der Kühlvorrichtung 4 hervor­ geht. Nach Fig. 2 ist die elektronische Schaltung 1, von der in Fig. 2 nur der Leistungsteil 2b einsehbar ist, über ein Trägerelement 14 an der Kühlvorrichtung 4 angebracht, und zwar an einem Wärmeaufnahmebereich 8. Im Kanal/Hohlraum 9 der Kühlvorrichtung 4 befindet sich ein Flüssiggas oder eine Kühlflüssigkeit, über welche die in der elektronischen Schal­ tung 1 erzeugte Wärme vom Wärmeaufnahmebereich 8 über Wärme­ transportbereiche 10 in Wärmeabgabebereiche 11 überführt wird.

Die ursprünglich flächig hergestellte Kühlvorrichtung 4 be­ sitzt einen Träger 7 mit (integrierten) Kanälen/Hohlräumen 9 und kann in den in Fig. 2 abgebildeten gefalteten Zustand überführt und hierdurch an vorhandene Bauräume angepaßt und/ oder zur besonders vorteilhaften Wärmeabführung geometrisch flexibel gestaltet werden.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht gemäß Fig. 1 ohne elektronische Schaltung 1 und mit schematischer Abbildung der Kanäle/Hohl­ räume 9 im Inneren oder auf der Oberfläche der Kühlvorrich­ tung 4.

Die Kühlvorrichtung 4 weist Aussparungen 24 auf, die als Wär­ mebarrieren und/oder zur Befestigung oder zum Durchstecken von Bauelementen dienen können. Ferner können Teile der Kühl­ vorrichtung 4 auch mit unterschiedlichen Farbschichten verse­ hen sein, um ein jeweils lokal gewünschtes Wärmeabgabeverhal­ ten zu erreichen (nicht abgebildet).

Bei einem Flüssiggas als Kühlmedium befindet sich das Flüs­ siggas vor der Wärmeaufnahme in tiefer gelegenen Bereichen 12 (auch Wärmeaufnahmebereiche 8), um dann nach Wärmeaufnahme zu verdampfen und über Wärmetransportbereiche 10 in höher gele­ gene Bereiche 13 (auch Wärmeabgabebereiche 11) aufzusteigen. Dort findet eine Kondensation des verdampften Flüssiggases statt und die Kondensationstropfen schlagen sich im Inneren an den Kanälen/Hohlräumen 9 nieder und fließen unter Einfluß der Gravitation von den höher gelegenen Bereichen 13 in die tiefer gelegenen Bereiche 12 zurück, wo eine erneute Wärme­ aufnahme stattfinden kann. Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung 1 mit Kühlvorrichtung 4 wird es ermöglicht, durch entsprechende Faltung/Biegung der Kühlvorrichtung 4 auch bei in verschiedenen Ebenen angeordneten elektronischen Schaltungen 1 eine zuverlässige Wärmeabführung zu erreichen.

Fig. 4 zeigt elektronische Schaltungen 1a, b, c und d, welche über Brücken 3 miteinander verbunden sind. Die genannten elektronischen Schaltungen 1a bis 1d sind über jeweilige Trä­ gerelemente 14a bis 14d an korrespondierenden Wärmeaufnahme­ bereichen 8a bis 8d der Kühlvorrichtung 4 angebracht. Über die Kanäle/Hohlräume 9 wird die Wärme von den elektronischen Schaltungen 1a bis 1d abgeführt und über Wärmetransportberei­ che 10 den Wärmeabgabebereichen 11 zugeführt.

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine elektronische Schaltung 1 mit einem Logikteil 2a und einem Leistungsteil 2b. Am Leistungsteil 2b ist die Kühlvorrichtung 4 angebracht, welche nur schematisch dargestellt ist und deren Träger 7 ei­ nen tiefer gelegenen Bereich 12 sowie einen höheren gelegenen Bereich 13 aufweist. In die Kühlvorrichtung 4 sind nicht nä­ her abgebildete Kanäle/Hohlräume 9 integriert, über welche das in der Kühlvorrichtung 4 aufgenommene Flüssiggas vom tie­ feren Bereich 12 in den höheren Bereich 13 aufsteigen kann, wobei dort eine Wärmeabgabe an die Umwelt erfolgt und durch die Kondensation des Flüssiggases durch Einwirkung der Gravi­ tation die entstehenden Kondensationstropfen wieder in den Kanälen/Hohlräumen 9 (nicht abgebildet) dem tieferen Bereich 12 der Kühlvorrichtung 4 zufließen.

Die folgenden Fig. 6 bis 9 zeigen Draufsichten in Blickrich­ tung 15 auf die Anordnung nach Fig. 5, um verschiedene Ausfüh­ rungsformen der Kühlvorrichtung 4 zu verdeutlichen. Dabei sind identische Bauteile mit identischen Bezugszeichen be­ nannt, ohne daß dies in der Beschreibung nochmals wiederholt wird.

Fig. 6a zeigt eine elektronische Schaltung 1 in einem Gehäuse 18 mit einem Kondensator 16 und einem Leistungsteil 2b, wel­ cher auf einer Leiterplatte 17 angebracht sind. Am Leistungs­ teil 2b ist die Kühlvorrichtung 4 mit Kanälen/Hohlräumen 9 angebracht, welche einen Wärmeaufnahmebereich 8 und ineinan­ derübergehende Wärmetransportbereiche 10 und Wärmeabgabebe­ reiche 11 aufweist, die doppelt wechselseitig gefaltet sind.

Aus Fig. 6b geht eine Kühlvorrichtung 4 mit ähnlicher Geome­ trie hervor, wobei sich zwischen Wärmeabgabebereich 10 und Gehäuse 18 ein zusätzlicher Strömungskanal 19 zur Wärmeabgabe befindet.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 6c und 6d ist die Kühlvor­ richtung 4 wellenförmig gefaltet.

Fig. 6e zeigt eine Ausführungsform mit weiteren Auswölbungen 21 zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberfläche. Aus Fig. 6f gehen Kühlkörper 20 hervor, die z. B. bei einer nach einem der genannten Rollbond- oder Z-Bondverfahren hergestellten Kühlvorrichtung 4 durch Abspreizen oder partielles Abschälen aus der Oberfläche des Trägers 7 der Kühlvorrichtung 4 er­ zeugt werden können.

In den Fig. 7a (doppelt wechselseitige Faltung) und 7b (wel­ lenförmige Faltung) sind Ausführungsformen gezeigt, bei denen Bereiche des Gehäuses 18 entfallen (Gehäusesubstitution) und z. B. durch Wärmeabgabebereiche 11 der Kühlvorrichtung 4 er­ setzt werden.

Nach Fig. 8a und 8b (mit Gehäusesubstitution) ist keine Lei­ terplatte 17 vorhanden; die elektronische Schaltung 1 befin­ det sich auf einem Substrat 22, das über ein Trägerelement 14 (z. B. aus Kupfer) wärmeleitend am Wärmeaufnahmebereich 8 der Kühlvorrichtung 4 (lösbar)befestigt ist.

In den Fig. 9a und 9b (mit Gehäusesubstitution) ist die elek­ tronische Schaltung 1 direkt am Wärmeaufnahmebereich 8 ange­ bracht (durch z. B. Kleben, Laminieren, Löten, Sintern etc.). Eine Schicht des jeweiligen Verbindungsmediums 23 liegt zwi­ schen elektronischer Schaltung 1 und Wärmeaufnahmebereich 8.

Claims (20)

1. Elektronische Schaltung mit Kühlvorrichtung zur Abfüh­ rung von beim Betrieb der Schaltung entstehender Wärme, ins­ besondere Umrichterschaltung mit Kühlvorrichtung mit IGBT- (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) Treiberbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ vorrichtung (4) flächig aufgebaut ist und verformbare Flä­ chenbereiche zur Ausbildung von Wärmeaufnahme-(8), Wärme­ transport-(10) sowie Wärmeabgabebereichen (11) aufweist.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ vorrichtung (4) mit zur Wärmeabführung verdampfbaren und bei Wärmeabgabe wieder kondensierbarem Flüssiggas gefüllte Kanäle und/oder Hohlräume (9) aufweist.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ vorrichtung (4) mit einer Kühlflüssigkeit gefüllte Kanäle und/oder Hohlräume (9) aufweist.

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ vorrichtung (4) einen im Rollbond- oder Z-Bondverfahren her­ gestellten Träger (7) mit integrierten Kanälen und/oder Hohl­ räumen (9) aufweist.

5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ vorrichtung (4) mittels Bondverbindung angebrachte Kühlkörper (20) aufweist.

6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (4) einen flächigen Träger (7) mit daran angebrachten Kanälen und/oder Hohlräumen (9) aufweist.

7. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (4) im Wärmeaufnahmebereich (8) planar ausge­ bildet ist.

8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ vorrichtung (4) im Wärmeaufnahmebereich (8) als Schaltungs­ träger der elektronischen Schaltung (1) ausgebildet ist.

9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ tronischen Schaltung (1) über ein Trägerelement (14) mit der Kühlvorrichtung (4) verbunden ist.

10. Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trä­ gerelement (14) aus einem wärmeleitenden Material besteht.

11. Elektronische Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ terplatte (17) der elektronischen Schaltung (1) an der z. B. durch Lackieren oder Eloxieren elektrisch isolierten Kühlvor­ richtung (4) angebracht ist.

12. Elektronische Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ terplatte (17) der elektronischen Schaltung (1) lösbar an der Kühlvorrichtung (4) angebracht ist.

13. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (4) im Wärmetransportbereich (10) und/oder Wärmeabgabebereich (11) z. B. mäander-, zickzack-, Wellen- oder spiralförmig gefaltet und/oder gebogen ausgebildet ist.

14. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere Bereiche der Kühlvorrichtung (4) als Wärmeaufnahmeberei­ che (8), Wärmetransportbereiche (10) und/oder Wärmeabgabebe­ reiche (11) aus gebildet sind.

15. Elektronische Schaltung nach einem Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ein­ zelnen Bereiche in verschiedenen Ebenen zueinander angeordnet sind.

16. Elektronische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elek­ tronische Schaltung (14) mit integrierter Kühlung von einem Gehäuse (18) umgeben ist.

17. Elektronische Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäu­ se (18) zumindest bereichsweise von der Kühlvorrichtung (4) ersetzt wird.

18. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (4) mehrere separate Teilkühlvorrichtungen aufweist, die jeweils Wärmeaufnahmebereiche (8), Wärmetrans­ portbereiche (10) sowie als Wärmeabgabebereiche (11) aufwei­ sen.

19. Elektronische Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ein­ zelnen Teilkühlvorrichtungen zur Wärmeabführung von Teilbe­ reichen der elektronischen Schaltung (1), insbesondere vom Logikteil (2a) und vom Leistungsteil (2b) der elektronischen Schaltung (1), dienen.

20. Elektronische Schaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die ein­ zelnen Teilkühlvorrichtungen auf unterschiedliche Kühltempe­ raturen einstellbar sind.