WO2007023015A1 - Vorrichtung für eine thermische kopplung - Google Patents

Vorrichtung für eine thermische kopplung Download PDF

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WO2007023015A1
WO2007023015A1 PCT/EP2006/063910 EP2006063910W WO2007023015A1 WO 2007023015 A1 WO2007023015 A1 WO 2007023015A1 EP 2006063910 W EP2006063910 W EP 2006063910W WO 2007023015 A1 WO2007023015 A1 WO 2007023015A1
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recess
film
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temperature
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Dubravko Barkic
Guenther Biberger
Jacek Mendes
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer

Definitions

  • the invention relates to a device, in particular for a motor vehicle, for a thermal coupling of a temperature sensor to an element whose temperature is to be determined according to the O-berbegriff of claim 1, and to a corresponding method for producing a thermal coupling of a temperature sensor to an element, whose temperature is to be determined, according to the preamble of claim 10.
  • the aforementioned apparatus and method are known in the art. For example, it is known to dissipate the high thermal power loss of transistors via heat sink to the environment. To protect the transistors from thermal overload, either protected transistors are used with integrated thermal protection or the temperature protection is realized via an external temperature sensor, which is thermally coupled by means of thermal paste or potting compound to the heat sink and thus to the transistor. If the temperature exceeds a predetermined limit, the power of the transistors is reduced accordingly.
  • This procedure is currently being used in motor vehicles, in particular in linear climate control regulators.
  • the invention proposes that the temperature sensor in a Recess of the element is arranged and the medium is designed as a flexible film which is at least partially in contact with the temperature sensor and with a wall of the recess.
  • the element whose temperature is to be determined is predominantly an element with a low thermal resistance, which heats and cools with the heat-generating component. Since the medium is designed as a flexible film, the thermal connection of the temperature sensor is simple and low-production realized.
  • the film is between the wall of the element and the temperature sensor, a good thermal coupling can be achieved. This is especially true when the temperature sensor sits snugly in the recess with the film.
  • the term of the film is to be understood to mean that this is a solid heat conducting element, wel Ches a predominantly planar expansion and has certain elastic properties. It is not necessary, however, that the film has a negligible thickness.
  • the term "temperature sensor” is to be understood in general as meaning a component which is suitable, if appropriate with the aid of measuring means, to detect a temperature and / or a temperature change.
  • the film is compressible.
  • the thermal coupling can be improved.
  • the film is then compressed, while they remain where there are gaps between the temperature sensor and the wall of the element, for example because the design of the temperature sensor is not flat is only partially compressed and so can fill the gap.
  • the temperature sensor is arranged on a printed circuit board. This is advantageous on the one hand with regard to the electrical connection, but on the other hand also for the mechanical fastening.
  • the temperature sensor is designed as an SMD component.
  • the SMD component may be, for example, a resistor with a positive or a negative temperature coefficient (PTC, NTC).
  • PTC positive or a negative temperature coefficient
  • Semiconductor components are advantageously arranged on the printed circuit board, which are in electrical contact with the printed circuit board and in thermal contact with the element. In this way, the production is further simplified.
  • the printed circuit board can first be manufactured with all electrical components, including the semiconductor components to be cooled (for example power transistors). When assembled, the semiconductor devices then contact the element that cools them, and the temperature sensor is thermally coupled to the element.
  • the film has at least two sides of the wall contact, wherein the film is inserted in particular U-shaped.
  • the thermal coupling can be improved by increasing the effective heat transfer area between the temperature sensor and the element.
  • the aforementioned U-shape can be achieved particularly easily by a method which is shown in the further course of the application.
  • the recess has a U-shaped cross-section. This is generally advantageous for the thermal coupling and in particular for achieving the U-shaped enclosure.
  • the element is a heat sink. With a heat sink, a lot of heat can be dissipated by the components to be cooled.
  • An advantageous embodiment is obtained when the printed circuit board is arranged on a plug holder which is in an at least partially positive connection to the element. This represents a further simplification of the production process, since no further measures are required for the positioning and fastening of the printed circuit board. Since the plug holder in the assembled state regularly has a fixed position to the element, the coupling of the temperature sensor so that is safe and independent of position and is maintained even under vibration load.
  • the invention further relates to a method for producing a thermal coupling of a temperature sensor to an element whose temperature is to be determined, wherein between the temperature sensor and the element, a heat-conducting medium is arranged, further in the element a recess is formed, the recess at least partially covered with a flexible film as a medium and the temperature sensor is pressed into the recess with entrainment of the film. It can be effected depending on the configuration of the dimensions of the film and the recess that the film is completely or only partially pressed into the recess. The procedure is further clarified on the basis of the exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a plug-in device with a heat sink
  • FIG. 2 shows a printed circuit board with transistors on a heat sink
  • Figure 3 is a sectional view at the time before the temperature sensor is inserted into the recess.
  • FIG. 1 shows in a three-dimensional view the elements belonging to the device 10, wherein the temperature sensor 12 is arranged on a printed circuit board 14, which in turn is fastened to a plug holder 16.
  • the temperature sensor 12 is designed here as an SMD resistor 18.
  • the element 20, whose temperature is to be determined, is here a heat sink 22 with cooling ribs 24.
  • a recess 26 is arranged in the heat sink 22 .
  • a flexible film 28 as a heat conducting element, which is positioned over the recess and then at least partially in contact with the temperature sensor and with a wall of the recess 26 in the assembled state.
  • FIG. 2 shows how the semiconductor components 32 to be cooled, in this case power transistors 34, are connected electrically to the printed circuit board 14 and thermally to the heat sink 22.
  • the film 28 is pressed into the recess 26.
  • the device 10 is shown in the figure 3 as a sectional view and at the time before the temperature sensor 12 is inserted into the recess 26. It can be seen that the film 28 is wider than the recess 26 and thus the recess 26 at least partially covered. In this embodiment, small recesses 36 are also provided for the positioning of the film 28.
  • the printed circuit board 14 with the temperature sensor 12 is positioned over the film 28 and the recess 26 and is now moved in the direction of the large arrow 38. When hitting the film 28, this is pressed into the recess 26.
  • FIG. 4 shows the finished device 10 in the assembled state.
  • the film 28 is now in a U-shape on the wall 38 of the recess 26. Since this is a compressible film 28, the film 28 has been strongly compressed in the region of the projections of the temperature sensor 12, while in the other areas only to a lesser extent. It can clearly be seen that there is a very good thermal coupling both between the temperature sensor 12 and the film 28 and between the film 28 and the recess 26.

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Abstract

Vorrichtung (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei der Temperatursensor (12) und das Element (20) mittels eines wärmeleitenden Mediums zumindest thermisch miteinander verbunden sind, wobei der Temperatursensor (12) in einer Ausnehmung (26) des Elements (20) angeordnet ist und das Medium als flexible Folie (28) ausgeführt ist, die mit dem Temperatursensor (12) und mit einer Wandung (38) der Ausnehmung (26) zumindest teilweise in Kontakt steht. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei zwischen dem Temperatursensor (12) und dem Element (20) ein wärmeleitendes Medium angeordnet wird.

Description

VORRICHTUNG FUR EINE THERMISCHE KOPPLUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist gemäß dem O- berbegriff des Anspruchs 1 , sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Stand der Technik
Die zuvor genannte Vorrichtung und das genannte Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, die hohe thermische Verlustleistung von Transistoren über Kühlkörper an die Umgebung abzuführen. Um die Transistoren vor thermischer Überlast zu schützen, werden entweder geschützte Transistoren mit integriertem thermischen Schutz eingesetzt oder wird der Temperaturschutz über einen externen Temperatursensor realisiert, der mittels Wärmeleitpaste oder Vergussmasse thermisch an den Kühlkörper und damit an den Transistor angekoppelt ist. Wenn die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird die Leistung der Transistoren entsprechend reduziert. Dieses Vorgehen wird gerade auch in Kraftfahrzeugen, insbesondere bei linearen Klimagebläsereglern, angewendet. Es hat sich jedoch hinsichtlich der Produktionskosten als nachteilig herausgestellt, dass bei dem bekannten Vorgehen Trocknungszeiten zu beachten sind und/oder spezielle Maßnahmen für die Trocknung der Wärmeleitpaste oder der Vergussmasse getroffen werden müssen. Werden Transistoren mit integriertem thermischen Schutz verwendet, so müssen die mit diesen Transistoren verbundenen Nachteile und hö- here Teilekosten in Kauf genommen werden.
Vorteile der Erfindung
Bei einer Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei der Temperatursensor und das Element mittels eines wärmeleitenden Mediums zumindest thermisch miteinander verbunden sind, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Temperatursensor in einer Ausnehmung des Elements angeordnet ist und das Medium als flexible Folie ausgeführt ist, die mit dem Temperatursensor und mit einer Wandung der Ausnehmung zumindest teilweise in Kontakt steht. Bei dem Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, handelt es sich überwiegend um ein Element mit einem geringen Wärmewiderstand, welches sich mit dem wärmeerzeugenden Bauteil erhitzt und abkühlt. Da das Medium als flexible Folie ausgeführt ist, wird die thermische Anbindung des Temperatursensors einfach und fertigungsgünstig realisiert. Es sind nun keine Trocknungszeiten mehr zu beachten, so dass eine höhere Fertigungsrate erzielt werden kann. Da die Folie zwischen der Wandung des Elements und dem Temperatursensor liegt, ist eine gute thermische Kopplung erzielbar. Dies insbesondere dann, wenn der Temperatursensor satt in der Ausnehmung mit der Folie sitzt. Der Begriff der Folie soll dabei dahingehend verstanden werden, dass es sich hier um ein festes Wärmeleitelement handelt, wel- ches eine überwiegend flächige Ausdehnung und bestimmte elastische Eigenschaften aufweist. Es ist dagegen nicht erforderlich, dass die Folie eine vernachlässigbare Dicke besitzt. Unter dem Begriff des Temperatursensors soll ganz allgemein ein Bauteil verstanden werden, welches geeignet ist, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Messmitteln, eine Temperatur und/oder eine Temperaturänderung zu erfassen.
Vorzugsweise ist die Folie kompressibel. Dadurch kann die thermi- sehe Kopplung verbessert werden. In Bereichen, in denen der Temperatursensor fast unmittelbar an der Wandung anliegt, wird die Folie dann zusammengedrückt, während sie dort, wo zwischen dem Temperatursensor und der Wandung des Elements Zwischenräume bleiben, beispielsweise da die Ausgestaltung des Temperatursen- sors nicht plan ist, nicht oder nur teilweise zusammengedrückt wird und so den Zwischenraum ausfüllen kann.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Temperatursensor auf einer Leiterplatte angeordnet. Dies ist einerseits hinsichtlich der e- lektrischen Anbindung, andererseits aber auch für die mechanische Befestigung vorteilhaft.
Bevorzugt ist der Temperatursensor als SMD-Bauteil ausgeführt. Bei einem solchen Bauteil lässt sich aufgrund seiner Geometrie die thermische Kopplung besonders gut realisieren. Bei dem SMD- Bauteil kann es sich beispielsweise um einen Widerstand mit einem positiven oder einem negativen Temperaturkoeffizienten (PTC, NTC) handeln. Mit Vorteil sind auf der Leiterplatte Halbleiterbauelemente angeordnet, die mit der Leiterplatte in elektrischem Kontakt stehen und mit dem Element in thermischem Kontakt stehen. Auf diese Weise wird die Fertigung weiter vereinfacht. Während der Herstellung kann zu- nächst die Leiterplatte mit allen elektrischen Komponenten hergestellt werden, einschließlich der zu kühlenden Halbleiterbauelemente (zum Beispiel Leistungstransistoren). Im zusammengebauten Zustand liegen die Halbleiterbauelemente dann an dem Element an, das sie kühlt, und der Temperatursensor ist thermisch an das EIe- ment gekoppelt.
Vorteilhafterweise hat die Folie mindestens zu zwei Seiten der Wandung Kontakt, wobei die Folie insbesondere U-förmig eingelegt ist. So kann die thermische Kopplung verbessert werden, indem die wirksame Wärmeübertrittsfläche zwischen dem Temperatursensor und dem Element vergrößert wird. Die genannte U-Form lässt sich besonders einfach durch ein Verfahren erzielen, welches im weiteren Verlauf der Anmeldung aufgezeigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ausnehmung einen U-förmigen Querschnitt auf. Dies ist allgemein für die thermische Kopplung und insbesondere für die Erzielung der U-förmigen Umschließung vorteilhaft.
Es ist vorteilhaft, wenn das Element ein Kühlkörper ist. Mit einem Kühlkörper lässt sich von den zu kühlenden Bauteilen besonders viel Wärme abführen. Man erhält eine vorteilhafte Ausführungsform, wenn die Leiterplatte an einem Steckerhalter angeordnet ist, der in zumindest teilweise formschlüssiger Verbindung zu dem Element steht. Dies stellt eine weitere Vereinfachung des Produktionsprozesses dar, da für die Po- sitionierung und die Befestigung der Leiterplatte keine weiteren Maßnahmen erforderlich sind. Da der Steckerhalter im fertigmontierten Zustand regelmäßig eine feste Position zu dem Element hat, ist die Kopplung der Temperatursensors damit sicher und lageunabhängig und bleibt auch bei Schwingbelastung erhalten.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors an ein Element, dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei zwischen dem Temperatursensor und dem Element ein wärmeleitendes Medium angeord- net wird, ferner in dem Element eine Ausnehmung ausgebildet wird, die Ausnehmung zumindest teilweise mit einer flexiblen Folie als Medium überdeckt wird und der Temperatursensor in die Ausnehmung unter Mitnahme der Folie hineingedrückt wird. Dabei kann je nach Ausgestaltung der Abmessungen von Folie und Ausnehmung bewirkt werden, dass die Folie ganz oder lediglich teilweise in die Ausnehmung hineingedrückt wird. Das Vorgehen wird anhand des Ausführungsbeispiels weiter verdeutlicht.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine Steckvorrichtung mit einem Kühlkörper,
Figur 2 eine Leiterplatte mit Transistoren auf einem Kühlkörper,
Figur 3 eine Schnittansicht zu dem Zeitpunkt bevor der Temperatursensor in die Ausnehmung eingeführt wird, und
Figur 4 eine Schnittansicht der Vorrichtung im zusammenge- fügten Zustand.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht die zur Vorrichtung 10 gehörenden Elemente, wobei der Temperatursensor 12 auf einer Leiterplatte 14 angeordnet ist, die wiederum an einem Steckerhalter 16 befestigt ist. Der Temperatursensor 12 ist hier als SMD- Widerstand 18 ausgeführt. Das Element 20, dessen Temperatur zu bestimmen ist, ist hier ein Kühlkörper 22 mit Kühlrippen 24. In dem Kühlkörper 22 ist eine Ausnehmung 26 angeordnet. Ferner dargestellt ist eine flexible Folie 28 als Wärmeleitelement, die über der Ausnehmung positioniert wird und dann im zusammengebauten Zustand mit dem Temperatursensor und mit einer Wandung der Ausnehmung 26 zumindest teilweise in Kontakt steht. An dem Kühlkör- per 22 ist ein zylinderförmiger Vorsprung 30 gezeigt, der im zusammengebauten Zustand in ein -nicht gezeigtes- Gegenelement im Steckerhalter 16 eingreift, so dass der Steckerhalter 16 am Kühlkörper 22 gehalten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass alle einge- führten Bezugszeichen in allen Figuren mit der gleichen Bedeutung verwendet werden.
In der Figur 2 ist dargestellt, wie die zu kühlenden Halbleiterbauelemente 32, hier Leistungstransistoren 34, elektrisch an der Leiterplat- te 14 und thermisch am Kühlkörper 22 angebunden sind. Außerdem ist zu erkennen, dass nun im zusammengebauten Zustand die Folie 28 in die Ausnehmung 26 hineingedrückt ist.
Die Vorrichtung 10 ist in der Figur 3 als Schnittansicht dargestellt und zwar zu dem Zeitpunkt, bevor der Temperatursensor 12 in die Ausnehmung 26 eingeführt wird. Es ist zu erkennen, dass die Folie 28 breiter ist als die Ausnehmung 26 und damit die Ausnehmung 26 zumindest teilweise überdeckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind für die Positionierung der Folie 28 zudem kleine Vertiefungen 36 vorgesehen. Die Leiterplatte 14 mit dem Temperatursensor 12 ist über der Folie 28 und der Ausnehmung 26 positioniert und wird nun in Richtung des großen Pfeils 38 bewegt. Beim Auftreffen auf die Folie 28 wird diese in die Ausnehmung 26 hineingedrückt.
Figur 4 zeigt schließlich die fertige Vorrichtung 10 im zusammengefügten Zustand. Die Folie 28 liegt nun U-förmig an der Wandung 38 der Ausnehmung 26 an. Da es sich hier um eine kompressible Folie 28 handelt, wurde die Folie 28 im Bereich der Vorsprünge des Temperatursensors 12 stark zusammengedrückt, während dies in der anderen Bereichen nur in einem geringeren Ausmaß der Fall ist. Es ist dabei deutlich zu sehen, dass eine sehr gute thermische Kopplung sowohl zwischen dem Temperatursensor 12 und der Folie 28 als auch zwischen der Folie 28 und der Ausnehmung 26 besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, für eine thermische Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei der Temperatursensor (12) und das Element (20) mittels eines wärmeleitenden Mediums zumindest thermisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) in einer Ausnehmung (26) des Elements (20) angeordnet ist und das Medium als flexible Folie (28) ausgeführt ist, die mit dem Temperatursensor (12) und mit einer Wandung (38) der Ausnehmung (26) zumindest teilweise in Kontakt steht.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (28) kompressibel ist.
3. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) auf einer
Leiterplatte (14) angeordnet ist.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (12) als SMD- Bauteil (18) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatte (14) Halbleiter- bauelemente (32) angeordnet sind, die mit der Leiterplatte (14) in elektrischem Kontakt stehen und mit dem Element (20) in thermischem Kontakt stehen.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (26) mindestens zu zwei Seiten der Wandung (38) Kontakt hat, wobei die Folie (26) insbesondere U-förmig eingelegt ist.
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (26) einen U- förmigen Querschnitt aufweist.
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Element (20) ein Kühlkörper (22) ist.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (14) an einem Steckerhalter (16) angeordnet ist, der in zumindest teilweise formschlüssiger Verbindung zu dem Element (20) steht.
10. Verfahren zur Herstellung einer thermischen Kopplung eines Temperatursensors (12) an ein Element (20), dessen Temperatur zu bestimmen ist, wobei zwischen dem Temperatursensor (12) und dem Element (20) ein wärmeleitendes Medium angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Element (20) eine Ausnehmung (26) ausgebildet wird, die Ausnehmung (26) zumindest teilweise mit einer flexiblen Folie (28) als Medium überdeckt wird und der Temperatursensor (12) in die Ausnehmung (26) unter Mitnahme der Folie (28) hineingedrückt wird.
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