EP4710737A1 - Elektrogerät - Google Patents

Abstract

Elektrogerät, aufweisend - eine zumindest mit Wärme erzeugenden Bauteilen bestückte Leiterplatte, - einen Kühlkörper, - ein Wärmeleitelement - ein Plattenteil und - Befestigungsmittel, wobei an einer ersten Seite der Leiterplatte der Kühlkörper an der Leiterplatte anliegt, wobei das Wärmeleitelement zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte zwischengeordnet ist, wobei die Bauteile auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte bestückt sind und ein Ausgleichsteil zwischen dem Plattenteil und der vom Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet ist, wobei das das Ausgleichselement zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen angeordnet ist.

Description

Elektrogerät

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Elektrogerät.

Es ist allgemein bekannt, dass die von Bauteilen erzeugte Verlustwärme an die Umgebung abzuführen ist.

Aus der DE 10 2015200 548 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Anordnung zum Entwärmen von zumindest einem elektronischen Bauteil bekannt.

Aus der DE 603 19 523 T2 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauteilen auf Leiterplatten bekannt.

Aus der DE 10 2014 012 349 A1 ist eine Kühlanordnung bekannt.

Aus der US 2009 / 0 116 194 A1 ist eine Leiterplattenanordnung bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrogerät weiterzubilden, wobei eine hohe Standzeit erreicht sein soll, insbesondere durch eine effiziente Wärmeableitung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Elektrogerät nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Elektrogerät sind, dass das Elektrogerät eine zumindest mit Wärme erzeugenden Bauteilen, insbesondere Leistungshalbleitern, bestückte Leiterplatte, insbesondere wärmeleitfähige Leiterplattenstruktur, einen Kühlkörper, ein Wärmeleitelement ein Plattenteil und

Befestigungsmittel aufweist, wobei an einer ersten Seite, insbesondere Oberseite, der Leiterplatte der Kühlkörper an der Leiterplatte anliegt, insbesondere wobei der Kühlkörper mit einem planen Oberflächenbereich an der Leiterplatte anliegt, wobei das Wärmeleitelement zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte, insbesondere zwischen dem Kühlkörper und der Oberseite der Leiterplatte, zwischengeordnet ist, insbesondere wobei der Kühlkörper von der Leiterplatte mittels des Wärmeleitelements beabstandet ist, wobei die Bauteile auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite, insbesondere Unterseite, der Leiterplatte bestückt sind und ein Ausgleichsteil zwischen dem Plattenteil und der vom Kühlkörper abgewandten Seite, insbesondere Unterseite, der Leiterplatte angeordnet ist, wobei das das Ausgleichselement zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen angeordnet ist, insbesondere wobei das Plattenteil von der Leiterplatte mittels des Ausgleichselements beabstandet ist.

Von Vorteil ist dabei, dass die beim Betätigen, insbesondere Schrauben, der Befestigungsmittel erzeugte Druckkraft über die Bauteile zur Leiterplatte geleitet wird und von der Leiterplatte dann durch das Wärmeleitelement zum Kühlkörper, wobei die Befestigungsmittel bei ihrer Betätigung den Kühlkörper und das Plattenteil aufeinander zu bewegen. Somit spreizt das Plattenteil die Druckkräfte auf und das Ausgleichselement gleicht die Toleranzen der Bauteile aus.

Insbesondere sind die maximalen Abstände zwischen der Oberfläche der Bauteile und der Leiterplatte abhängig von den Toleranzen, welche bei der Bestückung der Leiterplatte mit den Bauteilen eingebracht werden. Die Toleranzen bewirken unterschiedliche Abstände zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen.

Die Verlustwärme der Bauteile wird insbesondere durch thermal vias, welche in der Leiterplatte angeordnet sind, von der den Bauteilen zugewandten Seite der Leiterplatte auf die andere insbesondere gegenüberliegende Seite der Leiterplatte transportiert und dann über das Wärmeleitelement an den Kühlkörper. Dabei ist wichtig, dass nicht das Plattenteil direkt an die Bauteile angedrückt wird sondern ein Ausgleichselement zwischengeordnet ist, welches die Toleranzen, also die unterschiedlichen Abstände zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen ausgleicht.

Die Bauteile, insbesondere Leistungshalbleiter, insbesondere MOSFET, Dioden, Lastwiderstände oder IGBT, sind im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit und der dadurch bewirkten Fertigungstoleranzen zueinander identisch ausgeführt, aber bei der Bestückung der Bauteile treten Positionier-Toleranzen auf. Außerdem werden hier unter die Toleranzen auch die unterschiedlichen Positionen der Bauteile subsummiert, welche durch die Elastizität und das Durchbiegen der mit Druckkraft beaufschlagten Leiterplatte bewirkt sind.

Die Bauteile sind insbesondere Leistungshalbleiter und weisen daher ein stabiles Gehäuse auf. Elektrische Leiterbahnen der Leiterplatte sind stoffschlüssig, insbesondere lötverbunden, mit elektrischen Anschlusskontaktflächen der Bauteile, insbesondere Leistungshalbleiter.

Das Ausgleichselement weist eine höhere Elastizität auf als das Wärmeleitelement.

Insbesondere ist also das Ausgleichselement weicher als das Wärmeleitelement. Eigentlich wäre diese Eigenschaft ein Nachteil, da der Wärmekontakt dadurch sich verschlechtern kann. Erfindungsgemäß wird aber über das Plattenteil die durch das Einschrauben der Schrauben erzeugte Kraft aufgespreizt und dann über das Ausgleichselement an die auf der Leiterplatte bestückten Bauteile geleitet. Durch das so durchgeführte Einleiten der Kraft, also durch das Einleiten der Kraft über das Plattenteil und das Ausgleichselement, verschlechtern Wölbungen oder Verformungen die Berührsituation bzw. den thermischen Kontakt nicht.

Bei einer besonderen Ausführungsform ist eine einzige Schraube vorgesehen, die mittig zwischen drei zu kühlenden Bauteilen angeordnet ist. In Weiterbildung ist ebenfalls eine einzige Schraube vorgesehen und die zu kühlenden Bauteile sind punktsymmetrisch zur Schraube angeordnet, insbesondere wobei mehr als drei Schrauben vorgesehen sind.

Bei einer anderen Ausführungsform wird zur Erreichung einer einfachen Montage vorzugsweise eine Mehrzahl von zu kühlenden Bauteilen vorgesehen. Diese sind weiter bevorzugt beidseitig von Schrauben platziert, insbesondere um ein Kippeln des Plattenteils beim Anziehen der ersten von diesen Schrauben zu unterbinden. Die Wandstärke des Ausgleichselements ist außerdem größer als die Wandstärke des Wärmeleitelements, welche bei beispielhafter Ausführung des Wärmeleitelements als Paste auch im Wesentlichen verschwindet. Vorzugsweise ist die Wandstärke des Ausgleichselements mindestens fünfmal größer als die Wandstärke Wärmeleitelements.

Dass der Kühlkörper mit der Leiterplatte mittels des Wärmeleitelements thermisch und/oder wärmeleitend verbunden ist, ist gleichbedeutend damit, dass der Wärmeübergangswiderstand des Wärmepfades vom Kühlkörper über das Wärmeleitelement zur Leiterplatte einen geringeren Wärmeleitwiderstand aufweist als jeder andere Wärmepfad vom Kühlkörper über die sonstige Umgebung insbesondere des Kühlkörpers zur Leiterplatte.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind, insbesondere fertigungstoleranzbedingt, die Abstände zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen jeweils unterschiedlich, insbesondere wobei ein erstes der Bauteile von der Leiterplatte aus gesehen mehr zum Plattenteil hervorragt als ein zweites der Bauteile, wobei das Material des Ausgleichselements ein derartiges Relaxationsverhalten aufweist, dass ein derartiger Materialanteil des Ausgleichselements plastisch verformt ist, dass der zwischen dem Plattenteil und dem jeweiligen Bauteil jeweils verbleibende elastische Rest derart, insbesondere durch die Druckkraft des Plattenteils, elastisch ausgelenkt ist, dass die von dieser jeweiligen Auslenkung des jeweiligen elastischen Rests erzeugte Federdruckkraft im Wesentlichen jeweils gleich groß ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Material des Ausgleichelementsein derartig plastisch verformt und/oder weist ein derartiges Relaxationsverhalten auf, dass jedes Bauteil mit dem vom Plattenteil über das Ausgleichselement geleiteten, im Wesentlichen gleich großen Druck belastet, insbesondere obwohl die Abstände infolge der Fertigungstoleranzen verschieden groß sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Bauteile im Rahmen der Fertigungstoleranzen zueinander baugleich und/oder identisch ausgeführt und/oder die Bauteile weisen jeweils denselben Gehäusetyp auf, wobei die Bauteile zum Plattenteil jeweils unterschiedliche Abstände aufweisen, insbesondere welche durch Fertigungstoleranzen beim Bestücken der Leiterplatte mit den Bauteilen bewirkt sind. Von Vorteil ist dabei, dass das Ausgleichelement die durch die beim Bestücken erzeugten geometrischen Abweichungen auffüllt und somit die Kraftübertragung vom Plattenteil an alle Bauteile vergleichmäßigt. Ohne Ausgleichselement würde die Druckkraft des Plattenteils nur auf dasjenige Bauteil wirken, welches den geringsten Abstand zum Plattenteil hat.

Erfindungsgemäß ist aber das elastisch und plastisch verformte Ausgleichselement zwischengeordnet, sodass eine Vergleichmäßigung der an die jeweiligen Bauteile übertragenen Druckkräfte bewirkbar ist. Besonders bevorzugt ist daher das Ausgleichselement aus Kunststoff ausgeführt. Das Ausgleichelement muss hohe Kräfte übertragen, Temperatur- und alterungsbeständig sein und ein schwach ausgeprägtes Relaxationsverhalten aufweisen und hohe Flammschutzanforderungen erfüllen sowie elektrisch isolationsfest sein.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Befestigungsmittel Schrauben oder sind als Gewindebolzen mit aufgeschraubter Mutter ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass beim Anschrauben der Kühlkörper in Richtung auf die Leiterplatte gedrückt wird und das Plattenteil auf die Bauteile.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Wärmeleitelement eine Wärmeleitpaste, eine Phasen-Übergangs-Paste, insbesondere phase change paste, eine mit Phasen-Übergangs-Paste, insbesondere phase change paste, beschichtete Metallfolie, insbesondere Aluminiumfolie oder Kupferfolie, ein Leiterplatten-Basismaterial, insbesondere faserverstärktes Epoxidharz, ein Leiterplatten-Basismaterial eine Silikonfolie, eine beschichtete Metallfolie, ein Keramikmaterial und/oder eine Keramikfolie, insbesondere also silikonfreie Folie, auf oder ist als solche ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass bei Ausführung mit Wärmeleitpaste eine kostengünstige Herstellung ermöglicht ist, wobei zwar ein sehr geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen Kühlkörper und Leiterplatte samt thermal vias realisiert ist, aber ein erhöhter Aufwand bei der Fertigung notwendig ist. Bei Ausführung mit Silikonfolie ist eine Beabstandung sicher gewährleistbar, da die Silikonfolie zwischengeordnet ist; jedoch ist Silikon verwendet. Bei Ausführung als Keramikfolie ist eine Beabstandung sicher gewährleistbar und auch kein Silikon verwendet, insbesondere wobei dieses Nicht-Vorhandensein von Silikon beispielsweise für die Automobilfertigung entscheidend relevant ist.

Das Wärmeleitelement gleicht Toleranzen der unterschiedlich ebenen Flächen aus und sorgt für einen vollflächigen thermischen Kontakt. Der thermische Leitwert des Wärmeleitelementes ist Druck-abhängig. Durch höheren Anpressdruck verbessert sich die Wärmeleitfähigkeit für den Wärmeleitpfad vom Wärme erzeugenden Bauteil über das Wärmeleitelement bis zum Kühlkörper. Sind die Kontaktflächen des Wärmeleitelements uneben, kann sich ein Luftspalt ausbilden, welcher eine effektive Wärmeableitung über das Wärmeleitelement verschlechtert oder unterbindet.

Der erfindungsgemäße Anpressdruck verhindert die Ausbildung eines solchen Luftspaltes. Der Anpressdruck wird an der Stelle der punktuellen Hitzeerzeugung möglichst maximiert, wodurch dort der thermische Übergangswiderstand-Widerstand minimal wird.

Zusätzlich kann je nach Einsatzzweck eine elektrische Isolations-Eigenschaft des Wärmeleitelementes erforderlich sein. Um die Isolationseigenschaften zu erhalten, darf der Druck den spezifizierten Maximalwert nicht überschreiten. Der erfindungsgemäße gleichmäßige Anpressdruck verhindert lokale Drucküberhöhungen, welche zur Zerstörung der Isolationseigenschaften des Wärmeleitelementes führen würden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ragen die Befestigungsmittel durch Ausnehmungen des Kühlkörpers, der Leiterplatte und des Ausgleichselements hindurch. Von Vorteil ist dabei, dass beim Betätigen, insbesondere Einschrauben, der Befestigungsmittel das Plattenteil zum Kühlkörper hingedrückt wird und dabei die zwischengeordneten Elemente eingeklemmt werden. Ein seitliches Herauswandern der Elemente, des Kühlkörpers oder des Plattenteils ist dadurch verhindert, dass die Befestigungsmittel durch das jeweilige Element hindurchragen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Betätigen der Befestigungsmittel der Abstand zwischen dem Kühlkörper und dem Plattenteil verringert, insbesondere sodass der Kühlkörper zur Leiterplatte hingedrückt wird und das Plattenteil ebenfalls zur Leiterplatte hingedrückt wird.

Von Vorteil ist dabei, dass die zwischen Plattenteil und Kühlkörper angeordneten zwischengeordneten Elemente festgeklemmt werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ausgleichselement aus Polypropylen oder Teflon oder Hartgummi gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass das Ausgleichselement als Polster ausführbar ist und somit die vom Plattenteil her einwirkende, auf die Bauteile aufgespreizte Druckkraft durchleitet, wobei die unterschiedlichen Abstände der Bauteile zum Plattenteil mittels des Ausgleichselements überbrückt werden, insbesondere also die Toleranzen ausgeglichen werden. Als besonders vorteilhaft hat sich als Ausgleichselement ein aus Polypropylen gefertigtes Polster erwiesen, da somit eine geeignete thermische Beständigkeit, ein geeigneter Flammschutz, eine geeignete Druckbeständigkeit, ein geeigneter Druckverformungsrest und ein geeignetes E-Modul erreichbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ausgleichselement eine extrudierte Folie, insbesondere aus Polypropylen. Insbesondere ist eine solche Folie kostengünstig herstellbar und die Wandstärke mit hoher Präzision herstellbar, weshalb die Folie zum Ausgleichen der vorhandenen Toleranzen einsetzbar ist, ohne dass sie selbst noch weitere Toleranzen einbringt.

Bei einer alternativen Ausgestaltung weist das Ausgleichelement, insbesondere im Mikrobereich oder Nanobereich, Lufteinschlüsse auf oder ist porös ausgebildet. Zwar ist die Druckbeständigkeit dann geringer und der Flammschutz schwerer erreichbar, jedoch ist die Ausführung des Ausgleichselements als Polster vorteilhaft, um den Ausgleich von Toleranzen zu erreichen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Befestigungsmittel mit dem Plattenteil schraubverbunden, insbesondere in ein Innengewinde des Plattenteils oder in ein Innengewinde einer mit dem Plattenteil verbundenen Einpressmutter eingeschraubt ist. Von Vorteil ist dabei, dass durch Schrauben der als Schraubteile, wie Gewindebolzen oder Schrauben, ausgeführten Befestigungsmittel das Plattenteil zum Kühlkörper hin drückbar ist und somit die zwischengeordneten Elemente eingeklemmt werden, wobei die Klemmkraft vom Plattenteil über das Ausgleichselement in die Bauteile eingeleitet wird und nicht in die Leiterplatte. Denn das Plattenteil beziehungsweise die zur Leiterplatte hin hervorstehenden Einpressmuttern ist oder sind von der Leiterplatte beabstandet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Befestigungsmittel an ihrem von dem

Plattenteil abgewandten Endbereich einen Schraubenkopf oder eine Mutter auf, welche auf den

Kühlkörper drückt. Von Vorteil ist dabei, dass beim Einschrauben, also Betätigen, der Befestigungsmittel der Kühlkörper hin zur Leiterplatte gedrückt wird, wobei das Wärmeleitelement zwischengeordnet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist oder sind mittels der Bauteile das Plattenteil und/oder die am Plattenteil zur Leiterplatte hin hervorragenden Einpressmuttern von der Leiterplatte beabstandet. Von Vorteil ist dabei, dass der Kraftfluss durch die Bauteile geleitet wird und somit ein guter Wärmekontakt erreicht wird. Außerdem wird ein durch ein Durchbiegen der Leiterplatte verursachtes Beabstanden der Bauteile vom Plattenteil verhindert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiterplatte beidseitig bestückt, insbesondere nicht im Bereich der Kontaktfläche zum Wärmeleitelement oder Kühlkörper. Von Vorteil ist dabei, dass die Bauteile auf der Unterseite der Leiterplatte bestückt sind und weitere elektronische Bauelemente auf der Oberseite der Leiterplatte bestückt sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ragen die Einpressmuttern durch Ausnehmungen des Ausgleichselements hindurch, insbesondere und sind beabstandet von der Leiterplatte, insbesondere mittels der Bauteile. Von Vorteil ist dabei, dass das Ausgleichselement insbesondere bei der Montage am seitlichen Herauswandern gehindert ist. Trotzdem sind die Einpressmuttern von der Leiterplatte beabstandet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlkörper eine durchgehende Ausnehmung aufweist und/oder hohl ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine effiziente Kühlung ermöglicht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper in die Ausnehmung hineinragende Kühlrippen auf. Von Vorteil ist dabei, dass ein vom Lüfter durch die Ausnehmung geförderter Luftstrom effizient gekühlt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der äußere Umfang des Kühlkörpers quaderförmig ausgebildet. Von Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper flächig an der Leiterplatte anliegt, da eine Seitenfläche parallel zur Leiterplatte ausrichtbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am Kühlkörper ein Lüftermotor derart angeordnet, dass der vom Lüfter geförderte Luftstrom durch die Ausnehmung des Kühlkörpers durchströmt. Von Vorteil ist dabei, dass eine effiziente Kühlung erreichbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leiterplatte ein Wärmeleitmittel, insbesondere thermal via array auf, wobei an dem Wärmeleitmittel einerseits die Bauteile anliegen und andererseits, also am von den Bauteilen abgewandten Ende des Wärmeleitmittels, das Wärmeleitelement, welches den Kühlkörper berührt, wobei das Wärmeleitmittel als Durchkontaktierung ausgeführt ist und/oder als in die Leiterplatte eingepresstes Metall-Inlay. Von Vorteil ist dabei, dass eine möglichst gute thermische Anbindung der Bauteile durch die Leiterplatte hindurch an den Kühlkörper bewirkt ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als elektrisch isolierende Schicht in der Leiterplatte ein Basismaterial der Leiterplatte ein Material vorgesehen, welches eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W / (m K), insbesondere also mehr als 1 Watt pro Meter und pro Kelvin, aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass das Basismaterial der Leiterplatte selbst als thermisch hochleitfähige Verbindung ausführbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist eine bestückte Leiterplatte 3 insbesondere eine wärmeleitfähige Leiterplattenstruktur, eines erfindungsgemäßen Elektrogeräts explodiert in Schrägansicht dargestellt.

In der Figur 2 ist ein Längsschnitt des zugehörigen Zusammenbaus dargestellt.

In der Figur 3 ist eine zugehörige Draufsicht dargestellt.

Wie in den Figuren dargestellt, weist das Elektrogerät eine vorzugsweise beidseitig bestückte Leiterplatte 3 auf.

In Figur 2 sind die an der Unterseite der Leiterplatte 3, insbesondere wärmeleitfähige Leiterplattenstruktur, bestückten Wärme erzeugenden Bauteile 20, insbesondere Leistungshalbleiter, sichtbar dargestellt.

Auf der Oberseite der Leiterplatte 3 liegt ein hohl ausgeführter Kühlkörper 1 auf, wobei zwischen dem Kühlkörper 1 und der Leiterplatte 3 ein Wärmeleitelement 2 zwischengeordnet ist.

Das Wärmeleitelement 2 ist beispielweise als Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie ausgeführt. Beispielsweise ist die Wärmeleitfolie als Silikonfolie oder als Keramikfolie, insbesondere also als silikonfreie Folie, ausgeführt oder als eine mit Phasen-Übergangs-Paste, insbesondere phase change paste, beschichtete Kupferfolie.

Die Leiterplatte 3 weist Durchkontaktierungen auf, an welchen einerseits die Wärme erzeugenden Elemente anliegen und andererseits, also am von dem jeweiligen Wärme erzeugenden Element abgewandten Ende der Durchkontaktierungen, das Wärmeleitelement 2. Somit wird die Wärme des jeweiligen Wärme erzeugenden Elements effizient über die jeweilige Durchkontaktierung und über das Wärmeleitelement 2 zum Kühlkörper 1 abgeleitet.

Der Kühlkörper 1 ist hohl ausgeführt, weist also eine durchgehende Ausnehmung auf, insbesondere welche parallel zur Leiterplatte 3 ausgerichtet ist. Stirnseitig ist am Kühlkörper 1 ein Lüfter 9 angeordnet, wobei der vom Lüfter 9 geforderte Luftstrom durch die Ausnehmung strömt.

Der Kühlkörper 1 weist nach innen gerichtete Kühlrippen auf, welche in den Luftstrom hineinragen.

Vorzugsweise ist der Kühlkörper 1 als Strangpressprofil hergestellt. Dadurch ist die Verwendung von langen Schrauben 8 ermöglicht, die durch Durchgangsbohrungen hindurchgesteckt sind oder in Gewindebohrungen des Kühlkörpers 1 eingeschraubt sind, welche sich im vollen Material über die gesamte Ausdehnung des Kühlkörpers in Normalenrichtung zur Leiterplattenebene erstrecken. Somit ist eine hohe mechanische Stabilität erreichbar.

Insbesondere ist der äußere Umfang des Kühlkörpers quaderförmig ausgeführt.

Vorteiligerweise ist also ein Lüfter mit quadratischem Gehäuse mit dem Kühlkörper 1 verbindbar, sodass der vom Lüfter geförderte Luftstrom vollständig im Kühlkörper 1 geführt ist.

Schrauben 8 ragen durch den Kühlkörper 1, das Wärmeleitelement 2 und die Leiterplatte 3 hindurch und sind mit ihrem Gewindebereich jeweils in einen jeweiligen Innengewindebereich einer jeweiligen Einpressmutter 5 eingeschraubt, welche in ein Plattenteil 7, insbesondere Druckverteilungsplatte, eingelassen sind.

Die Einpressmuttern 5 sind von der Leiterplatte 3 beabstandet.

Die Schraubenköpfe der Schrauben 8 drücken auf der von der Leiterplatte 3 abgewandten Seite des Kühlkörpers 1 auf den Kühlkörper.

Das Plattenteil 7 ist vorzugsweise aus Stahl ausgeführt. Alternativ wäre aber auch eine Ausführung des Plattenteils 7 aus einem anderen Metall, wie Aluminium, vorteilhaft oder sogar aus Keramik oder CFK, insbesondere also aus Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.

Die Leiterplatte 3 ist vorzugsweise als mehrlagige Leiterplatte ausgeführt. Zwischen dem Plattenteil 7 und der Unterseite der Leiterplatte 3 samt der darauf bestückten wärmeerzeugenden Elemente 20, insbesondere Leistungshalbleiter, ist ein Ausgleichselement 6, insbesondere Polster, angeordnet.

Beim Anschrauben der Schrauben 8 vermindert sich der Abstand zwischen Plattenteil 7 und Kühlkörper 1, sodass einerseits der Kühlkörper 1 über das Wärmeleitelement 2 auf die Oberseite der Leiterplatte 3 drückt und andererseits das Plattenteil 7 über das Ausgleichselement 6 auf die wärmeerzeugenden Bauteile 20, insbesondere Leistungshalbleiter drückt.

Insbesondere ragen die Einpressmuttern 5 am Plattenteil 7 zur Leiterplatte 3 hin hervor, insbesondere durch Ausnehmungen 4 des Ausgleichselements 6. Jedoch sind die Einpressmuttern 5 stets beabstandet von der Leiterplatte 3.

Das Plattenteil 7 ist parallel zur Leiterplatte 3 ausgerichtet.

Das Ausgleichselement 6 ist aus elektrisch isolierendem, insbesondere isolationsfestem, Material gefertigt.

Als Material des Ausgleichselements 6 ist besonders bevorzugt Polypropylen ausgewählt, da ein daraus gefertigtes Polster die geometrischen Toleranzen bei der Bestückung der Bauteile 20, insbesondere Leistungshalbleiter, ausgleicht, insbesondere also die unterschiedlichen Abstände zwischen dem Plattenteil 7 und den Bauteilen 20, insbesondere Leistungshalbleitern.

Alternativ ist aber auch als Material des Ausgleichselements 6 PTFE, insbesondere Teflon, oder sogar Hartgummi verwendbar.

Insbesondere weist das Ausgleichselement 6 eine niedrigere Steifigkeit aufweist als das Plattenteil 7. Insbesondere weist das Ausgleichselement ein niedrigeres Elastizitätsmodul auf als das Plattenteil.

Die Leiterplatte 3 weist optional eine elektrische Isolierschicht auf; alternativ oder zusätzlich ist das Wärmeleitelement 2 elektrisch isolierend ausgeführt, so dass der Kühlkörper 1 zwar mit den Schrauben 8 und dem metallischen Plattenteil 7 elektrisch verbunden ist, aber auf anderem Potential als die Leiterbahnen der Leiterplatte 3. Alternativ ist das Wärmeleitelement 2 elektrisch leitfähig ausgeführt, so dass der Kühlkörper 1 auf gleichem elektrischen Potential angeordnet ist wie die Oberseite der Leiterplatte oder wie die Durchkontaktierungen der Leiterplatte.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt der jeweiligen Schraube 8 ein gleichwirkendes Befestigungselement, wie beispielsweise eine Niete oder ein Gewindebolzen mit Muttern, verwendet. In jedem Fall wird aber beim Befestigen des Befestigungselements der Abstand zwischen dem Kühlkörper 1 und dem Plattenteil 7 verringert.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen den Bauteilen 20 und dem Wärmeleitelement 2 statt der Durchkontaktierung oder zusätzlich zur Durchkontaktierung ein in die Leiterplatte 3 eingepresstes Metall-Inlay verwendet und/oder das Material der Leiterplatte 3 wärmeleitend ausgeführt.

Der Kühlkörper 1 ist als Aluminium-Stranggussprofilteil ausführbar, sodass die Ziehrichtung oder Stranggussrichtung parallel zur Leiterplatte 3 ausgerichtet ist.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Kühlkörper 1 anstatt aus Aluminium vorzugsweise aus wärmeieifähiger Keramik oder aus wärmeleitfähigem CFK ausgeführt. Somit sind hohe Isolationsabstände einfacher einhaltbar. Außerdem sind die ggf. aus sprödem Material ausgeführten Kühlrippen im Kühlkörper 1 geschützt angeordnet.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Plattenteil 7 anstatt aus Stahl oder Aluminium vorzugsweise aus Keramik oder CFK ausgeführt. Somit sind hohe Isolationsabstände einfacher einhaltbar.

Bei der Bestückung der Leiterplatte sind fertigungsbedingt die Abstände zwischen dem Plattenteil 7 und den Bauteilen 20 nicht identisch, sondern jeweils unterschiedlich. Manche Bauteile ragen also etwas mehr zum Plattenteil 7 hervor als andere. Die Kraftübertragung vom Plattenteil 7 zu den Bauteilen 20 erfolgt durch das Ausgleichselement hindurch, welches ein derartiges Relaxationsverhalten aufweist, dass sich jeweils derart viel Material des Ausgleichselements 6 plastisch verformt, dass schließlich der jeweils verbleibende elastische Rest derart durch die Druckkraft des Plattenteils 7 elastisch ausgelenkt wird, dass die von der jeweiligen Auslenkung des jeweiligen elastischen Rests erzeugte Federkraft im Wesentlichen jeweils gleich groß ist.

Auf diese Weise wird infolge dieses geeigneten Relaxationsverhaltens jedes Bauteil mit dem vom Plattenteil 7 über das Ausgleichselement 6 geleiteten im Wesentlichen gleich großen Druck belastet, obwohl die Abstände infolge der Fertigungstoleranzen verschieden groß sind.

Insbesondere ist die plastische Verformung des Ausgleichselements zwischen dem Plattenteil 7 und dem jeweiligen Bauteil 20 unterschiedlich groß ist und zwar derart, dass trotz der unterschiedlichen Abstände zwischen jeweiligem Bauteil 20 und Plattenteil 7 der auf das jeweilige Bauteil 20 vom Plattenteil 7 ausgeübte Federkraftanteil gleich groß ist.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weist das Ausgleichselement 6 vorzugsweise Lufteinschlüsse auf, so dass der vom Plattenteil 7 eingeleitete Druck nicht nur das Material des Ausgleichselements 6 elastisch auslenkt, sondern auch die Lufteinschlüsse, was die Elastizität des Ausgleichselements 6 wesentlich beeinflusst. Wichtig ist dabei, dass als Material des Ausgleichselements 6 ein Material ausgewählt wird, das eine hohe Druckbelastung erträgt. Alternativ hierzu ist das Ausgleichselement 6 porös ausgeführt, sodass die Elastizität des Ausgleichselements 6 im Wesentlichen nur durch das Material des Ausgleichselements 6 bewirkt ist. Die Porengröße des Materials ist hierbei aber auch sehr klein wählbar.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weist das Ausgleichselement unterschiedliche Wandstärken auf. Insbesondere sind somit von der Leiterplatte aus gesehen unterschiedlich hohe Bauteile vom Ausgleichselement berührbar. Das Ausgleichselement überbrückt also die unterschiedlich großen Abstände zwischen Plattenteil und Bauteilen. Dadurch ist es möglich, verschiedene, parallel zur Leiterplattenebene nebeneinander angeordnete Bereiche mit unterschiedlich hohen Bauteilen, aber innerhalb eines Bereichs jeweils gleich hohen Bauteilen zu bestücken und alle Bauteile gemeinsam mit dem gleichen Plattenteil in Richtung zum Kühlkörper hin zu drücken.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Plattenteil gleichzeitig Gehäuseteil oder zumindest derart geformt, dass es die Leiterplatte umgibt, insbesondere und den Kühlkörper. Vorteilhaft ist hierbei, dass keine separate Komponente benötigt wird, sondern die Steifigkeit des Gehäuses mit verwendet wird. In einer alternativen Ausführung sind die Einpressmuttern 5 nicht beabstandet von der Leiterplatte 3. Dies ist insbesondere von Vorteil bei einer Verbindung des Plattenteils mit einem Gehäuse. Hierdurch wird eine mechanische Überbestimmung vermieden. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist, dass die Schrauben 8 einen definierten Anschlag haben, indem die Einpressmuttern 5 einen Kraftschluss mit der Leiterplatte und dem Kühlkörper bilden.

Vorteilhaft daran ist, dass das Ausgleichselement, sowie die Bauteile geringerer mechanischer Belastung ausgesetzt sind, da ein Teil der von den Schrauben erzeugten Kraft über das Ausgleichselement und ein weiterer Teil über die Einpressmuttern an die Leiterplatte geleitet wird. Der Anpressdruck auf die Bauteile muss nur so groß ausgelegt werden, wie dieser thermisch notwendig ist. Darüber hinaus gehende Kräfte, welche für eine mechanische Stabilität der Verbindung, insbesondere Schraubverbindung notwendig sind, werden auf den mechanischen Anschlag geleitet.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt des hohlen Kühlkörpers 1 ein offener Kühlkörper verwendbar, der aus einem plattenförmigen Grundbereich besteht, an den

Kühlrippen angeformt sind. Durch die hohe Wärmekapazität des Grundbereichs ist eine effiziente Aufspreizung der Wärme erreichbar.

Bezugszeichenliste

1 Kühlkörper, hohl 2 Wärmeleitelement

3 Leiterplatte

4 Ausnehmung

5 Einpressmutter

6 Ausgleichselement, insbesondere Polster 7 Plattenteil, insbesondere Druckverteilungsplatte

8 Schraube

9 Lüfter

20 Wärmeerzeugendes Bauteil, insbesondere Leistungshalbleiter

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrogerät, aufweisend eine zumindest mit Wärme erzeugenden Bauteilen, insbesondere Leistungshalbleitern, bestückte Leiterplatte, insbesondere wärmeleitfähige Leiterplattenstruktur, einen Kühlkörper, ein Wärmeleitelement ein Plattenteil und

Befestigungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Seite, insbesondere Oberseite, der Leiterplatte der Kühlkörper an der Leiterplatte anliegt und/oder angeordnet ist, wobei das Wärmeleitelement zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte, insbesondere zwischen dem Kühlkörper und der Oberseite der Leiterplatte, zwischengeordnet ist, insbesondere wobei der Kühlkörper mit der Leiterplatte mittels des Wärmeleitelements thermisch und/oder wärmeleitend verbunden ist, wobei die Bauteile auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite, insbesondere Unterseite, der Leiterplatte bestückt sind und ein Ausgleichsteil zwischen dem Plattenteil und der vom Kühlkörper abgewandten Seite, insbesondere Unterseite, der Leiterplatte angeordnet ist, wobei das das Ausgleichselement zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen angeordnet ist, insbesondere wobei das Plattenteil von der bestückten Leiterplatte, insbesondere von den auf der Leiterplatte bestückten, Wärme erzeugenden Bauteilen, mittels des Ausgleichselements beabstandet ist insbesondere wobei der Kühlkörper von der Leiterplatte mittels des Wärmeleitelements beabstandet ist.

2. Elektrogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere fertigungstoleranzbedingt, die Abstände zwischen dem Plattenteil und den Bauteilen jeweils unterschiedlich sind, insbesondere wobei ein erstes der Bauteile von der Leiterplatte aus gesehen mehr zum Plattenteil hervorragt als ein zweites der Bauteile, wobei das Material des Ausgleichselements ein derartiges Relaxationsverhalten aufweist, dass ein derartiger Materialanteil des Ausgleichselements plastisch verformt ist, dass der zwischen dem Plattenteil und dem jeweiligen Bauteil jeweils verbleibende elastische Rest derart, insbesondere durch die Druckkraft des Plattenteils, elastisch ausgelenkt ist, dass die von dieser jeweiligen Auslenkung des jeweiligen elastischen Rests erzeugte Federdruckkraft im Wesentlichen jeweils gleich groß ist. und/oder dass das Material des Ausgleichelementsein derartig plastisch verformt ist und/oder ein derartiges Relaxationsverhalten aufweist, dass jedes Bauteil mit dem vom Plattenteil über das Ausgleichselement geleiteten, im Wesentlichen gleich großen Druck belastet, insbesondere obwohl die Abstände infolge der Fertigungstoleranzen verschieden groß sind.

3. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile im Rahmen der Fertigungstoleranzen, insbesondere in der Höhe, zueinander baugleich und/oder identisch ausgeführt sind und/oder die Bauteile jeweils denselben Gehäusetyp aufweisen, wobei die Bauteile zum Plattenteil jeweils unterschiedliche Abstände aufweisen, insbesondere welche durch Fertigungstoleranzen beim Bestücken der Leiterplatte mit den Bauteilen bewirkt sind, und/oder dass unterschiedlich hohe Bauteile in verschiedene Regionen der Leiterplatte mit innerhalb einer Region gleich hohen Bauteilen verteilt angeordnet werden, wobei dabei das Ausgleichselement aus mehreren unterschiedlich dicken Materialien, passend zur Bauteilhöhe der jeweiligen Region besteht, und/oder dass die Befestigungsmittel Schrauben sind oder als Gewindebolzen mit aufgeschraubter Mutter ausgeführt sind, und/oder dass das Ausgleichselement eine niedrigere Steifigkeit aufweist als das Plattenteil und/oder dass das Ausgleichselement ein niedrigeres Elastizitätsmodul aufweist als das Plattenteil.

4. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement eine Wärmeleitpaste, eine Phasen-Übergangs Paste, ein Leiterplatten-Basismaterial, eine beschichtete Metallfolie, ein Keramikmaterial, eine Silikonfolie und/oder eine Keramikfolie, insbesondere also silikonfreie Folie, aufweist oder ist.

5. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper durchgehende Ausnehmungen, insbesondere Durchgangslöcher, aufweist und dass die Befestigungsmittel durch die Ausnehmungen des Kühlkörpers, der Leiterplatte und des Ausgleichselements hindurchragen.

6. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betätigen, insbesondere Schrauben, der Befestigungsmittel der Abstand zwischen dem Kühlkörper und dem Plattenteil verringert wird, insbesondere sodass der Kühlkörper zur Leiterplatte hingedrückt wird und das Plattenteil ebenfalls zur Leiterplatte hingedrückt wird.

7. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel mit dem Plattenteil schraubverbunden sind, insbesondere in ein Innengewinde des Plattenteils oder in ein Innengewinde einer mit dem Plattenteil verbundenen Einpressmutter eingeschraubt sind, und/oder die Befestigungsmittel an ihrem von dem Plattenteil abgewandten Endbereich jeweils einen Schraubenkopf oder eine Mutter aufweisen, welcher jeweils auf den Kühlkörper drückt.

8. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel in ein Innengewinde des Kühlkörpers oder in ein Innengewinde einer mit dem Kühlkörper verbundenen Einpressmutter eingeschraubt sind, und/oder dass die Befestigungsmittel jeweils einen Schraubenkopf aufweisen, der jeweils auf das Plattenteil drückt, insbesondere auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite des Plattenteils.

9. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Bauteile das Plattenteil und/oder die am Plattenteil zur Leiterplatte hin hervorragenden Einpressmuttern von der Leiterplatte beabstandet ist oder sind.

10. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte beidseitig bestückt ist.

11 . Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpressmuttern durch Ausnehmungen des Ausgleichselements hindurchragen, insbesondere und beabstandet sind von der Leiterplatte, insbesondere mittels der Bauteile.

12. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine durchgehende Ausnehmung aufweist und/oder hohl ausgeführt ist, und/oder dass der Kühlkörper in die Ausnehmung hineinragende Kühlrippen aufweist, und/oder dass der äußere Umfang des Kühlkörpers quaderförmig ausgebildet ist, und/oder dass der Kühlkörper auf seiner der Leiterplatte zugewandten Seite eine plane und/oder ebene Oberfläche aufweist, und/oder dass das Wärmeleitelement als eine mit Phasen-Übergangs-Paste, insbesondere phase change paste, beschichtete Kupferfolie ausgeführt ist.

13. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kühlkörper ein Lüftermotor derart angeordnet ist, dass der vom Lüfter geförderte Luftstrom durch die Ausnehmung des Kühlkörpers durchströmt, insbesondere wobei der Lüfter und/oder Lüftermotor am Kühlkörper befestigt ist, sodass mittels der Befestigungsmittel der Kühlkörper samt Lüfter und/oder Lüftermotor an der Leiterplatte und/oder am Plattenteil befestigt ist, und/oder dass das Plattenteil als Gehäuseteil ausgeführt ist, welches die Leiterplatte, den Kühlkörper und/oder den Lüfter einhaust und/oder gehäusebildend umgibt.

14. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte ein Wärmeleitmittel, insbesondere thermal via aufweist, wobei an dem Wärmeleitmittel einerseits die Bauteile anliegen und andererseits, also am von den Bauteilen abgewandten Ende des Wärmeleitmittels, das Wärmeleitelement, welches den Kühlkörper berührt, wobei das Wärmeleitmittel als Durchkontaktierung ausgeführt ist und/oder als in die Leiterplatte eingepresstes Metall-Inlay und/oder dass die Leiterplatte eine elektrisch isolierende Schicht als Basismaterial der Leiterplatte aufweist, welches eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W / (m K), insbesondere 1 Watt pro Meter und pro Kelvin, aufweist.

15. Elektrogerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement aus Polypropylen, insbesondere aus porösem expandiertem Polypropylen, insbesondere PEPP, oder aus Teflon oder aus Gummi gefertigt ist, und/oder dass das Ausgleichelement Lufteinschlüsse aufweist oder porös ausgebildet ist, und/oder dass die Einpressmuttern nicht von der Leiterplatte beabstandet sind und das Plattenteil einen Kraftschluss mit der Leiterplatte und dem Kühlkörper bildet, wobei der durch die Befestigungsmittel verursachte Druck zwischen dem Kraftschluss und dem Druck auf die Bauteile über das Ausgleichselement aufgeteilt wird, wobei der Druck auf die Bauteile dadurch auf das thermisch notwendige Maß reduziert wird.