EP0985218B1 - Vorrichtung und verfahren zum kühlen einer planarinduktivität - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum kühlen einer planarinduktivität Download PDF

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EP0985218B1
EP0985218B1 EP98932086A EP98932086A EP0985218B1 EP 0985218 B1 EP0985218 B1 EP 0985218B1 EP 98932086 A EP98932086 A EP 98932086A EP 98932086 A EP98932086 A EP 98932086A EP 0985218 B1 EP0985218 B1 EP 0985218B1
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core element
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Power One AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/22—Cooling by heat conduction through solid or powdered fillings

Definitions

  • the present invention relates to a device or a method of cooling a planar inductance, in particular a planar transformer, according to the preamble of claim 1, as is known from EP 0 564 315 A1.
  • Multilayer multilayer carrier boards
  • a transformer core which suitably on the multilayer or is placed in openings of the same.
  • planar inductors it is used particularly in power electronics through a number of mechanical and thermal problems difficult.
  • the multi-layer cable carrier without special cooling measures heat up too much so that even with oversizing the use of this new technology encounters performance limits.
  • a transformer arrangement or choke in a multilayer 10 with corresponding as transformer windings trained line layers has a first - in cross-section, E-shaped example - transformer core 12 on, with legs 14 by appropriate slot-shaped openings of the multilayer 10 extends.
  • a second, plate-shaped and I-shaped transformer core in cross section 16 so that in the intermediate multilayer sections 18 running winding layers from the transformer core 12, 16 are enclosed.
  • the core elements 12, 16 are glued to each other or flat and put so the magnetic circuit sure.
  • FIG. 5 Another approach from the prior art is according to 5 of the drawing shows a thermal connection of the transformer core itself to the heat sink 22 intended. This is done using an elastic layer 26 made of heat-conducting material, that shown in FIG Way between transformer core 16 and heat sink 22 lies.
  • the mechanical connection between the heat sink 22 and multilayer 10 is over spacers 28 and screws 30 realized; the naturally occurring dimensional tolerances however, the cores and bolts require the flexibility of the Material 26, which as a large, flexible Thermal pad also referred to as a "gap pad” or "soft pad” becomes.
  • the arrangement according to FIG. 5 is not insignificant Manufacturing and manufacturing expenses. The same applies Disadvantages as in the embodiment according to FIG. 4.
  • FIG. 6 shows the technology in which by means of elastic thermal mats 32 dissipated heat of the multilayer 10 to the heat sink 22 becomes; at the same time the transformer arrangement are held by a resilient bracket element 34.
  • the core is not cooled.
  • planar transformers be used in a so-called matrix arrangement; a plurality of arranged on a multilayer Transformers, each with individual, local heat dissipation need.
  • the object of the present invention is therefore for multilayer carriers of the generic type with used Planar inductors to provide heat dissipation that especially suitable for high power losses and is mechanically stable as well as a simple, inexpensive and potentially automatable production allowed.
  • the invention advantageously enables a planar inductance in a multilayer, in particular a circuit arrangement of power electronics, to create that extremely is easy to manufacture, opting for automatic assembly or implementation and beyond very high level of heat dissipation - both from the heat-generating Section of the multilayer as well as from the transformer core - allowed.
  • the transformer cores not just as magnetic or electrical components, but viewed as mechanical elements that - due to their relatively good heat conduction, for example with ferrite - serve as thermal bridges and the multilayer assembly fix.
  • the cores also implement at the shortest distance the largest possible area for heat dissipation at the point of origin.
  • the adhesive layer according to the invention can be advantageous Tolerance problems between the different cores a matrix arrangement and the plate-shaped cooling element compensate.
  • the thickness of the multilayer printed circuit board then plays and the thickness of the cores for mechanical Attachment no longer a role.
  • brittle material for example Ferrite
  • realized - core elements reliably fixed, which makes the assembly extremely vibration-resistant.
  • a large, continuous metallic cooling plate used as a cooling element is used in a suitable manner as a shield against Interference fields of the inductors.
  • Cooling element in addition to cooling semiconductors or other heat-generating electronic components to be used on the carrier board (multilayer) so that a complete, compact and efficient cooling and mounting system for electrical power modules.
  • the cooling element according to the invention further electronic components to be cooled place that within a single operation or Assembly process both cooling the core element and also of the electronic component to be cooled in addition can be done; this can be done appropriately dimensioned projections or profiled sections of the Cooling element at points of attack and contact for one too cooling power semiconductors. The result arises this makes it particularly suitable for SMD-equipped arrangements a cooling system with no additional effort.
  • FIG. 1 to 3 For the description of the exemplary embodiments in FIG. 1 to 3 apply reference numerals corresponding to FIGS. 4 to 6, if identical components are affected.
  • FIG. 1 shows the top view of a power semiconductor arrangement with a multilayer board 10 and a plate-shaped, flat heat sink 22 made of common heat sink material, such as copper or aluminum.
  • transformers there is a plurality of transformers on the printed circuit board 10 (or chokes) 38 - partly distributed in matrix form - arranged, these transformers (cores and winding) on their assembly side shown in FIG. 1 side facing away from contact with the entire heat sink 22 cooled and kept.
  • FIG. 1 shows a plurality of (SMD-equipped) electronic components 40 on the component side board 10, and it is a plurality of power semiconductor elements 42 recognizable, also be cooled by contact with the heat sink 22.
  • the E-shaped, first transformer element 12 by means of an example electrically conductive, thermally conductive adhesive connection 44 with the downward-facing surface of the multilayer 10 connected between the legs 14 and it is the plane Surface of the transformer core 12 by means of the entire surface a heat and electrically conductive adhesive 46 with the Heatsink plate 22 connected.
  • the one for the adhesive connections Adhesive 44 or 46 used preferably has metal particles or the like. on that is not just electrical conductivity between the components involved, but also for a clearly superior one Ensure thermal conductivity.
  • properties of the cores cooled in this way is the electrical connection between the transformer core and heat sink with practically no disadvantageous consequence.
  • FIG. 3 illustrates the principle of the invention Arrangement of Fig. 2 in an environment of a heat-generating Power module, such as an electronic switching power supply is.
  • the transformer arrangement 12, 16 is adjacent a power semiconductor 42, such as an insulated switching transistor, which in the manner shown also has a Adhesive connection 48 is connected to the heat sink 22 and not only uses the available cooling surface, but also also for further mechanical stabilization of the arrangement worries.
  • the invention enables the additional cooling of SMD power components, for example in housings such as D-Pack, D 2 -Pack, SOT 223 etc. without additional effort.
  • the resulting heat loss is dissipated to the external cooler through the multilayer; this can be seen in FIG. 3 above the projection 50.
  • copper or the like can advantageously be used to improve heat conduction below the power components.
  • Thermally conductive material can be introduced into the multilayer, wherein the layers can be connected to one another with vias.
  • the adhesive generally fits all unevenness so that not only the thermal contact resistance by trapped air between all components involved is reduced; it also finds an effective one Area adjustment instead.
  • the parts can no longer be moved against each other; it not only creates a reliable, lasting one thermal, but also a correspondingly resilient and vibration-proof mechanical connection.
  • the different expansion coefficients of the multilayer and the cooling plate can preferably be matched to one another. Since such a power multilayer contains a lot of copper, the thermal linear expansion of such a plate is approximately equal to that of copper (multilayer FR 4: 10 - 17 10 - 6 / K; copper: 16.5 10 -6 / K; ferrite: 10, 5 10 -6 / K).

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Kühlen einer Planarinduktivität, insbesondere eines Planartransformators, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der EP 0 564 315 A1 bekannt ist.
Ein typisches Anwendungsgebiet sind Schaltnetzteile. Hier werden -- durch zunehmende Miniaturisierung -- vermehrt mehrlagige Trägerplatinen ("Multilayer") eingesetzt, die eine Mehrzahl von voneinander elektrisch getrennten oder punktuell verbundenen Leiterschichten innerhalb einer konventionellen Leiterplattenstruktur besitzen. Auch werden beispielsweise in diesem Anwendungsgebiet herkömmliche, diskrete Induktivitäten, 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 zusammenwirken, welcher in geeigneter Weise auf den Multilayer bzw. in Durchbrüchen desselben plaziert ist.
Der Einsatz solcher Planarinduktivitäten wird jedoch insbesondere in der Leistungselektronik durch eine Anzahl von mechanischen und thermischen Problemen erschwert. So entstehen nämlich beispielsweise in Schaltnetzteilen auf engstem Raum Kupfer- und Kernverluste, die ohne besondere Kühlmaßnahmen den mehrschichtigen Leitungsträger zu stark erwärmen, so daß selbst etwa mit Überdimensionierungen 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 Transformatorwindungen ausgebildeten Leitungsschichten weist einen ersten -- im Querschnitt beispielhaft E-förmigen -- Transformatorkern 12 auf, der sich mit Schenkeln 14 durch entsprechende schlitzförmige Durchbrüche des Multilayers 10 erstreckt. Zum Schließen des magnetischen Kreises sitzt auf dem ersten Transformatorkern 12 ein zweiter, plattenförmiger und im Querschnitt I-förmiger Transformatorkern 16, so daß etwa in den zwischenliegenden Multilayer-Abschnitten 18 laufende Windungsschichten von dem Transformatorkern 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 Distänzbolzen 20 gezeigt, der in die Platine 10 hineingepreßt 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 unmittelbar 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 Wärmeausdehnungsproblemen, 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 ungenügend. Nachteilig ist zusätzlich die nur punktuelle Wärmeabführung durch die thermal drains, und darüber hinaus verringern die dafür erforderlichen Durchgangslöcher die nutzbare 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 Anbindung des Transformatorkerns selbst an den Kühlkörper 22 vorgesehen. Dies erfolgt mittels einer elastischen Schicht 26 aus wärmeleitendem Material, die in der in Fig. 5 gezeigten 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" bezeichnet wird. Neben einer nach wie vor -- übertragungsbedingt - - nicht befriedigenden Wärmeableitung zum Kühlkörper verursacht daher die Anordnung gemäß Fig. 5 nicht unbeträchtlichen Herstellungs- und Fertigungsaufwand. Auch gelten dieselben 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 Wärmeleitmatten 32 Wärme des Multilayer 10 zum Kühlkörper 22 abgeführt 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 unbeträchtlichen Aufwand und sind zudem insbesondere nicht für die Abfuhr leistungsbedingter, größerer Wärmemengen geeignet. 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-Transformatoren in einer sog. Matrixanordnung verwendet werden; eine Mehrzahl von auf einem Multilayer verteilt angeordneten Transformatoren, die jeweils individuelle, lokale Wärmeableitung 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 mechanisch belastet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Multilayer-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 Patentanspruch 1 sowie die Verwendung nach dem Patentanspruch 7 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorteilhaft ermöglicht es die Erfindung, eine Planarinduktivität in einem Multilayer, insbesondere einer Schaltungsanordnung der Leistungselektronik, zu schaffen, die äußerst einfach in der Herstellung ist, sich für automatische Bestückung bzw. Realisierung eignet und darüber hinaus ein sehr hohes Maß an Wärmeabfuhr -- sowohl von dem wärmeerzeugenden Abschnitt des Multilayer als auch von dem Transformatorkern -- 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 Wärmeentwicklung gestattet, ohne daß etwa Schäden an der Anordnung zu befürchten sind. Erfindungsgemäß werden die Transformatorkerne nicht nur als magnetische bzw. elektrische Komponenten, 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 Entstehungsort.
Insbesondere bei Multilayern mit einer Mehrzahl von verteilten Kernen, bei welchen entsprechend viele unabhängige Kerne gekühlt werden müssen, ist dieser Ansatz bedeutsam, da sowohl der mechanische Aufwand gegenüber den mit aufwendigen Zusatzteilen realisierten Lösungen aus dem Stand der Technik verringert ist, als auch die Wärmeabfuhr effizienter gestaltet werden kann. Großflächige Kühlung wird so ohne mechanische Zusatzkomponenten ermöglicht, wobei die Wärme direkt am Entstehungsort (also der Transformatorwicklung bzw. dem Kern) abgeführt wird.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Klebeschicht vorteilhaft Toleranzprobleme zwischen den verschiedenen Kernen einer Matrixanordnung und dem plattenförmigen Kühlelement ausgleichen. Insbesondere spielt dann die Dicke der Mehrschicht-Leiterplatte und die Dicke der Kerne für die mechanische 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, durchgehende 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 erfindungsgemäßen Verbindungen elektrisch leitfähige Klebstoffe zu verwenden, die, da elektrisch leitfähig, oft auch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen; hinsichtlich der Wärmeableitung bestehen dadurch deutliche Vorteile gegenüber isolierenden Kunststoffen, wie sie etwa für Vergußzwecke eingesetzt werden.
Zudem hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, das im Rahmen der Erfindung erfindungsgemäße Kühlelement zusätzlich zur Kühlung von Halbleitern oder anderen, wärmeerzeugenden elektronischen Bauelementen auf der Trägerplatine (Multilayer) zu verwenden, so daß ein vollständiges, kompaktes und effizientes Kühl- und Montagesystem für elektrische Leistungsmodule ensteht.
Besonders günstig ist es erfindungsgemäß möglich, 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 Bauelements erfolgen kann; geeignet kann dies durch entsprechend bemessene Vorsprünge oder profilierte Abschnitte des Kühlelements an Angriffs- und Kontaktstellen für einen zu kühlenden Leistungshalbleiter erfolgen. Im Ergebnis entsteht dadurch eine insbesondere auch für SMD-bestückte Anordnungen ein Kühlsystem ohne zusätzlichen Aufwand.
Schließlich ist es ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, die -- teuere -- Multilayer-Oberfläche von zusätzlichen, mechanischen Befestigungselementen freizuhalten, 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 erfindungsgemäß zu kühlende Leiterplattenanordnung 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 Erfindung;
Fig. 3:
eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zusätzlichen Halbleiter-Leistungselementen;
Fig. 4 bis Fig. 6:
Vorgehensweise zum Kühlen von Planarinduktivitäten 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 plattenförmigen, flächigen Kühlkörper 22 aus gängigem Kühlkörpermaterial, etwa Kupfer oder Aluminium.
Auf der Leiterplatte 10 ist eine Mehrzahl von Transformatoren (bzw. Drosseln) 38 -- teils in Matrixform verteilt -- angeordnet, wobei diese Transformatoren (Kerne und Wicklung) auf ihrer der in Fig. 1 gezeigten Bestückungsseite abgewandten Seite durch Kontakt mit dem ganzflächigen Kühlkörper 22 gekühlt und gehalten werden.
Zusätzlich zeigt die Fig. 1 eine Mehrzahl von (SMD-bestückten) elektronischen Bauelementen 40 auf der Bestückungsseite der Platine 10, und es ist eine Mehrzahl von Leistungs-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 Transformatorkern 12 und der zweite Transformatorkern 16 Abschnitte 18 der Platine 10 umschließend als Planartransformator ausgebildet. 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 Metallpartikel od.dgl. auf, die nicht nur eine elektrische Leitfähigkeit 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 jedoch 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 Schaltnetzteil ist. Der Transformatoranordnung 12, 16 benachbart ist ein Leistungshalbleiter 42, etwa ein isolierter Schalttransistor, 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 integrierten Transformatoren oder Drosseln realisiert werden.
Darüber hinaus ist es möglich, die gezeigten Anordnungen mittels einer weitgehend automatisierten Produktionseinrichtung zu fertigen, die idealerweise auch in Zusammenhang mit SMD-Bestückung/Lötung die Automatisierung der Herstellung eines vollständigen Leistungsmoduls erlaubt. Insbesondere bei größeren Stückzahlen ist damit eine kostengünstige 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 Komponenten verringert wird; darüber hinaus findet ein effektiver 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 derartiger Leistungsmultilayer sehr viel Kupfer enthält, ist die thermische Längenausdehnung einer solchen Platte ungefähr 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 leitende Klebfolie möglich.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Kühlen einer Planarinduktivität mit einem eine Mehrzahl von Leitungsschichten aufweisenden, plattenförmigen Träger (10), einem Kernelement (12, 16) und einem Kühlelement (22), wobei mindestens eine Leitungsschicht des Trägers im Zusammenwirken mit dem zum Führen eines magnetischen Flusses ausgebildeten Kernelement die Planarinduktivität realisiert,
    wobei das Kernelement zur Fixierung des Trägers und als Wärmebrücke auf seiner ersten, einer Oberfläche des Trägers (10) zugewandten Seite mit der Oberfläche mittels eines Klebers (44) verbunden und auf einer zweiten, planaren Außenfläche mit dem eine planare Kontaktfläche aufweisenden Kühlelement (22) wärmeleitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kleber wärmeleitend ist, das Kernelement mit dem Kühlelement verklebt ist, das Kühlelement zum zusätzlichen Kühlen eines auf dem Träger vorgesehenen Leistungshalbleiters ausgebildet ist und in einem Kontaktbereich (50) mit dem Leistungshalbleiter einen Vorsprung bzw. einen geeignet profilierten Abschnitt aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem plattenförmigen Träger eine Mehrzahl von Planarinduktivitäten vorgesehen ist, die jeweils ein Kernelement aufweisen, wobei ein gemeinsames Kühlelement mit den Kernelementen verklebt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement plattenförmig und sich i.w. parallel zum Träger (10) erstreckend ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement sich i.w. über eine Gesamtfläche des plattenförmigen Trägers (10) erstreckt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verklebung zwischen dem Kernelement und dem Träger und/oder die Verklebung zwischen dem Kernelement und dem Kühlelement mit einem Klebstoff einer Dicke zwischen 100 und 200 Mikrometern realisiert ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung zwischen dem Kernelement und dem Träger und/oder zwischen dem Kernelement und dem Kühlelement mittels einer doppelseitigen, thermisch leitenden Klebfolie realisiert ist.
  7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Realisierung eines Schaltnetzteils, eines Spannungskonverters oder eines Netzteils.
EP98932086A 1997-05-27 1998-05-27 Vorrichtung und verfahren zum kühlen einer planarinduktivität Expired - Lifetime EP0985218B1 (de)

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