WO2009033891A2 - Elektronische schaltungsanordnung mit einer von der verbauten lage funktional unabhängigen wärmesenke, sowie wärmesenke dafür - Google Patents

Elektronische schaltungsanordnung mit einer von der verbauten lage funktional unabhängigen wärmesenke, sowie wärmesenke dafür Download PDF

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Andreas Rekofsky
Frank Baur
Josef Käufl
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an electronic circuit comprising having a component, u.a. Power components, assembled circuit carrier and a heat sink for deriving the loss heat generated by the components and a heat sink for such circuits.
  • Such an electronic circuit arrangement 100 has a plate-shaped circuit carrier 102 arranged in a circuit housing 101, with a horizontal plate top side 103 and a plate underside 104 parallel thereto. On the top plate 103 electronic components 105 are attached and connected electrically and thermally conductive. By the circuit carrier 102, the electrical connections between the individual components 105 are produced.
  • the electronic components 105 are, for example, housed or unhoused, wired (not shown) or surface-mounted (FIG. 5) components 105, in particular ICs (integrated circuits) or transistors or power semiconductors or electrolytic capacitors.
  • a heat-dissipating plate 106 is provided on the underside of the plate 104 and is fastened directly thereto.
  • the heat dissipation plate 106 is arranged in a direction perpendicular to the plate bottom 104 in alignment with the component 105 and is fastened with a horizontal heat sink bottom 108 on the inside of a likewise horizontal housing bottom plate 109 of the circuit housing 108.
  • the horizontal extent of the heat dissipation plate 106 also corresponds expediently to the horizontal extent of the component 105.
  • the heat dissipation plate 106 has an inner, horizontal channel 110 which is closed at one end and ends at a townleitplattenseite 107 in a heat dissipation 111 opens.
  • the heat dissipation pipe 111 has an S-shaped profile with a vertical reflux and Dampfaufshausenbe- area 112 and an adjoining, horizontally extending Kondens réelles Scheme 113, which is provided on the outside expediently with heat-dissipating fins 115 and is closed at the pipe end.
  • the condensing region 113 is also arranged outside the circuit housing 101 and the heat dissipation pipe 106 is led out of the circuit housing 101 through an opening 116 provided in a housing side wall 114 of the circuit housing 101.
  • the politiciansableitrohr 111 and the channel 110 are filled with coolant.
  • the dissipation of the heat loss generated by the component 105 during operation now takes place via the circuit carrier 102 onto the heat dissipation plate 106.
  • the liquid coolant in the channel 110 is heated and evaporated.
  • the resulting refrigerant vapor rises due to the vapor pressure through the reflux and DampfaufSteig Scheme 112 upwards in the Kondens réelles Scheme 113.
  • the condensation of the refrigerant takes place and the liquefied refrigerant cooled thereby flows back down into the channel 110 due to gravity through the vertical reflux and steam riser section 112. This cooling circuit runs continuously.
  • the heat dissipation plate 106 is mounted directly on a component housing upper side 116 of the packaged component 105, so that the dissipation of the heat loss takes place directly from the component 105 to the heat dissipation plate 106.
  • Circuitry and in particular the condensation region for example, when climbing uphill and downhill to a horizontal inclined mounting position, so that the condensation condensed in the condensing coolant against gravity flow back into the refrigerant reflux and Dampfaufshausenbe- back and therefore collects in the condensing area, and only flows back when the condensing area is overcrowded. This considerably reduces the cooling capacity and can thus lead to overheating and damage to the components.
  • the object of the present invention is to provide an electronic circuit having a component, u.a. Power components, assembled circuit carrier and at least one heat sink to dissipate the power loss generated by the components, which is simple and inexpensive to produce, and ensures an effective dissipation of the power dissipation regardless of location.
  • Another object is to provide a heat sink for deriving the power loss generated during operation of such circuits, which is simple and inexpensive to produce and can be used independently of location.
  • Figure 1 Schematically a section through a portion of a circuit arrangement according to the invention perpendicular to the extension of a circuit carrier of the inventive circuit arrangement according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 Schematically a section through a portion of the circuit arrangement according to the invention perpendicular to Extension of a circuit carrier of the circuit arrangement according to the invention according to a further embodiment of the invention
  • Figure 3 Schematically a section through part of the circuit arrangement according to the invention perpendicular to the extension of a circuit carrier of the circuit arrangement according to the invention according to a further embodiment of the invention
  • Figure 4 A sectional schematic view of a heat sink of the circuit arrangement according to the invention with loss-heat generating component
  • Figure 5 Schematically a section through a portion of a circuit arrangement according to the prior art perpendicular to the extension of a circuit carrier of the circuit arrangement
  • the electronic circuit arrangement 1 has a circuit carrier 2, electronic components 3 fastened to the circuit carrier 2, i.a. Power components, and a heat sink 4, which serves to derive the heat loss generated by the components 3 of the circuit arrangement 1 (Fig. 1-3).
  • the circuit arrangement 1 expediently has a circuit housing 5, within which the circuit carrier 2 and the heat sink 4 are arranged.
  • the circuit carrier 2 is preferably formed plate-shaped and has a, preferably flat and horizontal,
  • the circuit substrate 2 is preferably made of epoxy resin impregnated glass fiber mats (FR4 or FR5) or Teflon or ceramic, depending on the application or DCB (Direct Bonded Copper) or a flexible printed circuit board, for example a copper foil insulated with an insulator, in particular an acrylic film.
  • the circuit carrier 2 on the carrier plate upper side 6 and / or the carrier slat bottom side 7 conductor tracks, for example in the form of metallizations or applied by thick film technology tracks (not shown), which electrically connect the components 3 together.
  • the components 3 are preferably ICs (integrated circuits) and / or transistors and / or electrolytic capacitors and / or power semiconductors.
  • the components 3 are unhoused (not shown) or housed with a component housing 9 surrounding the components 3, preferably made of plastic.
  • the illustrated SMD components 3 are connected by means of projecting from the component housing 9 connecting legs 8 in a conventional manner with the circuit substrate 2 by soldering.
  • the component housing 9 also has a component housing underside 10 parallel to the carrier plate top 6, which rests flatly on the carrier plate top side 6, wherein if necessary, for compensating for unevenness and for better heat conduction preferably between the carrier plate top side 6 and component housing bottom side 10 known heat conduction. paste or a thermal pad (foil) can be used (not shown).
  • the component 3 is thermally conductively connected to the circuit carrier 2 via the component housing 9.
  • the component housing 9 expediently has a component housing upper side 11 parallel to the component housing bottom 10.
  • the heat sink 4 has a three-dimensional heat dissipation body 14, which is preferably substantially cuboid and expediently plate-shaped.
  • the heat-dissipating body 14 (FIG. 4) has a gas-tight and fluid-tight casing or sheathing 12 and an open capillary pores, in particular micropores, having a core 13 which is gas-tight and fluid-tightly enclosed by the casing 12.
  • the sheath 12 preferably consists of metal, in particular aluminum and / or copper and / or silicon carbide, or of plastic, in particular PA (polyamide) and / or PBT (polybutylene terephthalate).
  • the core 13 is preferably made of metal foam and / or of solid polyurethane foam.
  • the core 13 expediently has a pore size of> 45 ppi (pores per inch), in particular of 60-90 ppi.
  • the core 13 has a three-dimensionally networked webs, which are comparable to the internal structure of a bone, and the individual pores have a shape approximating the spherical shape.
  • the core 13 can also have channels or openings with a different, irregular spatial form. It only has to have capillary openings, ie openings which have capillary forces due to their shape and size.
  • the heat dissipation body 14 is filled with a coolant that is accommodated in the pores of the core 13 and held therein by capillary forces.
  • the shape and size of the pores must be such that the refrigerant is drawn into the pores when filling due to the capillary forces and is then held in the pores and the core thus has a sponge effect.
  • the plate-shaped réelleableitSuper 14 is arranged with a suitably horizontally extending, flat AbleitSuperoberseite 15 on the support plate bottom side 7 and on this by means of gluing and / or screws and / or welding and / or Snapping or latching attached.
  • the Ableit stressesoberseite 15 is in contact with the support plate underside surface 7, the circuit substrate 2 is the heat sink 14, so the heat sink 4 thermally conductive in connection.
  • the Ableit stressesoberseite 15 thus forms a heat receiving surface 21 of theticianableit stresses 14.
  • the in addition, the tennisableit stresses 14 according to the first embodiment, a Gesimousebodenwandung 16 of the circuit housing 5, so that the Ableitoasaoberseite 15 opposite Ableitoasaunterseite 17 is arranged on the outside in relation to the circuit housing 5 and with the environment thermally connected.
  • the discharge body bottom side 17 is therefore cooled by the environment and forms a heat transfer surface 20 of the heat dissipation body 14. From the discharge body bottom 17, heat can therefore be released to the environment and thus be removed from the heat dissipation body 14.
  • the heat dissipation body 14 has cooling fins 18 and / or cooling domes (e.g., round or rectangular or polygonal) disposed on the drain body lower side 17 for increasing the heat dissipation performance.
  • the cooled, condensed, re-liquefied coolant is first displaced through the pores by the vaporous coolant arriving continuously from the discharge body upper side 15 and then forced back again to the discharge body upper side 15 where it evaporates again.
  • the coolant continuously passing through the described circuit effective heat dissipation from the circuit arrangement and delivery of the heat to the environment is ensured.
  • Heat dissipation body 14 is forced in the circuit, but still enough room for evaporation of the coolant is present.
  • the sauceableit stresses 14 to 10 to 90%, preferably 70 to 80% filled with coolant.
  • the poweredableit stresses 14 forms not the entire but only a part of the GeHousebodenwandung 16 of the circuit housing 5.
  • the motherboardableit stresses 14 is then seen aligned in the vertical direction to the component 3 and has expediently in the horizontal direction in Substantially the same extension as the component 3.
  • the heat dissipation body 14 is laterally enclosed by the housing bottom wall 16, so that in this case the lateral sheath 12 of the Heat dissipation body 14 is formed by the adjacent Gescousebodenwandung 16, which encloses the heat dissipation body 14 laterally gas-tight and fluid-tight.
  • the sheathing 12 in the region of the discharge body upper side 15 can also be dispensed with and the heat dissipation body 14 can be connected to the underside of the carrier plate 7 in a gas-tight and fluid-tight manner. Only at the Ableit Economicsunterseite 17 then a cover plate or the like must be provided. The connection of the heat sink 4 with the Geotrousebodenwandung 16 and the circuit substrate 2 then takes place, for example by means of gluing or using suitable sealing materials, such as metal seals or elastomeric E lastomer.
  • the heat dissipation body 14 with the discharge body lower side 17 is arranged on the component housing upper side 11 and fastened thereto by means of gluing and / or soldering and / or welding.
  • the Ableitèveseite 17 is in surface contact with the support plate bottom 7 and forms the heat receiving surface 21.
  • the component housing 9 is so with the heat dissipation body 14, ie with the heat sink 4, directly thermally conductive in connection.
  • the heat dissipation body 14 according to this embodiment, a Gesimousewandung 19 of the circuit housing 5, so that the Ableit stressesunter- side 17 opposite AbleitMechoberseite 15 is located outside with respect to the circuit housing 5 and with the environment to this heat thermally communicating and the heat dissipation surface 20 forms.
  • the Ableit stressesoberseite 15 is thus cooled by the environment.
  • the heat loss generated by the component 3 is passed through the component housing upper side 11 to the Ableitèveseite 17 and cooled by means of the heat sink 4 in the manner described above.
  • the broadbandableitoasa 14 forms in an analogous manner as in the GeHousebodenwandung 16 not the whole, but only a part of the GeHouseswandung 18 of the circuit housing 5.
  • the heat dissipation body 14 is then seen aligned in the vertical direction to the component 3 and in the horizontal direction expediently has substantially the same extent as the component 3.
  • the heat dissipation body 14 is laterally surrounded by the GeHouseswandung 18, so that the lateral sheath 12 of the #1ableit stressess 14 is formed by the adjacent Gekorusewandung 18, the heat dissipation body 14 laterally gastight and fluid-tight surrounds.
  • both the housing base wall 18 and the housing cover wall 16 or the entire housing 5 can be designed as a heat dissipation body 14. It is only important that the politiciansableit stresses 14 with its heat receiving surface 20 with the component housing 9 and the circuit substrate 2 thermally conductive, in particular flat, in conjunction and is thermally conductively connected to the politiciansableit Chemistry 21 with the environment and to this heat can deliver. Furthermore, it is also possible to provide 7 components 3 on the support plate underside.
  • the three-dimensional thoughableit stresses 14 may have any suitable three-dimensional spatial form. It is only the circulation of the coolant from the heat receiving surface 21 to the heat dissipation surface 20 and back with the release of heat to the environment and expediently with change of Aggregate state of liquid to vapor and again be guaranteed to liquid.
  • the heat dissipation by means of the heat sink is position-independent. Because of the open-pore structure of the core and the associated capillary forces of the capillary openings and the correct level, it is ensured that, even if the heat receiving surface is the AbleitMechoberseite or any of 0 ° different inclination to the horizontal, sufficient coolant in the Heat absorption surface is sucked adjacent capillary openings and is held in this. This is extremely important, in particular, for the use of circuit arrangements in the automotive sector. In addition, there is a uniform distribution of heat in the plate-shaped perennialieri, which avoids selective heating.
  • the circuit arrangement according to the invention is very simple and thus easy and inexpensive to produce. Because the heat sink according to the invention is a self-contained system that does not require external connections or energy supply that would have to be routed out of the circuit housing. There is a self-contained coolant circuit within the heat sink instead. The integration of the heat sink in the circuit housing is also particularly simple and also saves space.
  • the casing can be omitted if the heat dissipating body is closed by other suitable means in a gas-tight and fluid-tight manner to the outside.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung (1) aufweisend einen mit elektronischen Bauteilen (3), u.a. Leistungsbauteilen, bestückten Schaltungsträger (2) und zumindest eine Wärmesenke (4) zur Ableitung der von den Bauteilen (3) erzeugten Verlustwärme von der Schaltungsanordnung (1), wobei die Wärmesenke (4) einen dreidimensionalen Wärmeableitkörper (14) aufweist, der nach außen gasdicht und flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist, mit Kühlmittel befüllt ist und innen eine Struktur aus offenen kapillaren Öffnungen aufweist, sowie eine Wärmesenke (4) für eine derartige Schaltungsanordnung.

Description

Beschreibung
Elektronische Schaltungsanordnung mit einer von der verbauten Lage funktional unabhängigen Wärmesenke, sowie Wärmesenke da- für
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung aufweisend einen mit Bauteilen, u.a. Leistungsbauteilen, bestückten Schaltungsträger und eine Wärmesenke zur Ableitung der von den Bauteilen erzeugten Verlustwärme sowie eine Wärmesenke für derartige Schaltungsanordnungen.
Bedingt durch den stetig ansteigenden Einsatz von elektromotorischen Lösungen nimmt die Leistung einzelner Baugruppen immer mehr zu. Hinzu kommt noch dass im Elektronikbereich, insbesondere im Automotivebereich, immer kleiner werdende Applikationen entwickelt werden, weshalb die Packungsdichte der einzelnen Baugruppen immer mehr ansteigt. Dies führt zwangsläufig zum Entstehen hoher Verlustleistungen in Form von Ver- lustwärme, die eine erhöhte Temperaturbelastung der einzelnen Bauteile zur Folge hat. Aus diesem Grund ist es notwendig, Wärmesenken vorzusehen, mittels denen die Verlustwärme von den Baugruppen bzw. den einzelnen Bauteilen effektiv abgeführt wird.
Es ist beispielsweise bekannt, elektronische Schaltungsanordnungen mit Peltier-Elementen (nicht dargestellt) oder Wärmerohrsystemen (Fig. 5) als Wärmesenken zu kombinieren. Eine derartige elektronische Schaltungsanordnung 100 weist einen in einem Schaltungsgehäuse 101 angeordneten plattenförmigen Schaltungsträger 102 mit einer horizontalen Plattenoberseite 103 und einer dazu parallelen Plattenunterseite 104 auf. Auf der Plattenoberseite 103 sind elektronische Bauteile 105 befestigt und elektrisch und thermisch leitend angebunden. Durch den Schaltungsträger 102 werden die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen 105 hergestellt. Bei den elektronischen Bauteilen 105 handelt es sich beispielsweise um gehäuste oder ungehäuste, bedrahtete (nicht dargestellt) oder oberflächenmontierte (Fig. 5) Bauteile 105, insbesondere ICs (Integrierte Schaltkreise) oder Transistoren oder Leistungshalbleiter oder elektrolytische Kondensatoren .
Nach einer ersten bekannten Ausführungsform (Fig.5) ist an der Plattenunterseite 104 eine Wärmeableitplatte 106 vorgesehen und an dieser direkt befestigt. Die Wärmeableitplatte 106 ist in einer Richtung senkrecht zur Plattenunterseite 104 fluchtend zu dem Bauteil 105 angeordnet und ist mit einer ho- rizontalen Wärmeleitplattenunterseite 108 innenseitig an einer ebenfalls horizontalen Gehäusebodenplatte 109 des Schaltungsgehäuses 108 befestigt. Die horizontale Erstreckung der Wärmeableitplatte 106 entspricht zudem zweckmäßigerweise der horizontalen Erstreckung des Bauteils 105. Des Weiteren weist die Wärmeableitplatte 106 einen innen liegenden, horizontalen Kanal 110 auf, der einendig geschlossen ist und andernendig an einer Wärmeleitplattenseite 107 in ein Wärmeableitrohr 111 mündet. Das Wärmeableitrohr 111 weist einen s-förmigen Verlauf mit einem senkrechten Rückfluss- und Dampfaufsteigbe- reich 112 und einem sich daran anschließenden, horizontal verlaufenden Kondensierungsbereich 113 auf, der außenseitig zweckmäßigerweise mit wärmeableitenden Kühlrippen 115 versehen ist und am Rohrende geschlossen ist. Der Kondensierungbereich 113 ist zudem außerhalb des Schaltungsgehäuses 101 an- geordnet und das Wärmeableitrohr 106 dazu durch eine in einer Gehäuseseitenwandung 114 des Schaltungsgehäuses 101 vorgesehene Öffnung 116 nach außen aus dem Schaltungsgehäuse 101 raus geführt. Das Wärmeableitrohr 111 und der Kanal 110 sind mit Kühlmittel befüllt. Die Ableitung der vom Bauteil 105 im Betrieb erzeugten Verlustwärme erfolgt nun über den Schaltungsträger 102 auf die Wärmeableitplatte 106. Dadurch wird das sich im Kanal 110 be- findliche flüssige Kühlmittel erwärmt und verdampft. Der entstandene Kühlmitteldampf steigt aufgrund des Dampfdruckes durch den Rückfluss- und DampfaufSteigbereich 112 nach oben in den Kondensierungsbereich 113 auf. In dem von der Umgebung gekühlten Kondensierungsbereich 113 erfolgt die Kondensation des Kühlmittel und das dadurch abgekühlte, verflüssigte Kühlmittel fließt aufgrund der Schwerkraft durch den senkrechten Rückfluss- und DampfaufSteigbereich 112 wieder nach unten in den Kanal 110 zurück. Dieser Kühlkreislauf läuft kontinuierlich ab.
Nach einer weiteren bekannten Ausführungsform (nicht dargestellt) ist die Wärmeableitplatte 106 direkt auf einer Bauteilgehäuseoberseite 116 des gehäusten Bauteils 105 befestigt, so dass die Ableitung der Verlustwärme direkt vom Bau- teil 105 auf die Wärmeableitplatte 106 erfolgt.
Derartige elektronische Schaltungsanordnungen haben sich bewährt. Allerdings ist beispielsweise die sicherheitsrelevante dichte Durchführung des Wärmeleitrohres durch das Gehäuse der Schaltungsanordnung problematisch und der gesamte Aufbau relativ aufwendig und die Schaltungsanordnungen somit kostenintensiv in der Herstellung. Zudem ist die Leistung und Funktion des Wärmerohrsystems nicht unabhängig von der Lage der Schaltungsanordnung im Betrieb. Bei Einbau einer derartigen Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug weist die gesamte
Schaltungsanordnung und insbesondere der Kondensierungsbereich beispielsweise bei Bergauf- und abfahrt eine zur horizontalen geneigte Einbaulage auf, so dass das im Kondensierungsbereich kondensierte Kühlmittel gegen die Schwerkraft nach oben in den Kühlmittel Rückfluss- und Dampfaufsteigbe- reich zurück fließen muss und sich deshalb im Kondensierungs- bereich sammelt, und erst zurück fließt, wenn der Kondensie- rungsbereich überfüllt ist. Dies verschlechtert die Kühlleis- tung erheblich und kann damit zur Überhitzung und Schädigung der Bauteile führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung aufweisend einen mit Bauteilen, u.a. Leistungsbauteilen, bestückten Schaltungsträger und zumindest eine Wärmesenke zur Ableitung der von den Bauteilen erzeugten Verlustleistung, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, und die eine effektive Ableitung der Verlustleistung lageunabhängig gewährleistet.
Weitere Aufgabe ist die Bereitstellung einer Wärmesenke zur Ableitung der im Betrieb von derartigen Schaltungsanordnungen erzeugten Verlustleistung, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und lageunabhängig einsetzbar ist.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung bei- spielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: Schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung senkrecht zur Erstreckung eines Schaltungsträgers der erfindungs- gemäßen Schaltungsanordnung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung
Figur 2: Schematisch einen Schnitt durch einen Teil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung senkrecht zur Erstreckung eines Schaltungsträgers der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
Figur 3: Schematisch einen Schnitt durch einen Teil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung senkrecht zur Erstreckung eines Schaltungsträgers der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
Figur 4: Eine geschnittene schematische Ansicht einer Wärmesenke der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Verlustwärme erzeugendem Bauteil
Figur 5: Schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik senkrecht zur Erstreckung eines Schaltungsträgers der Schaltungsanordnung
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung 1 weist einen Schaltungsträger 2, an dem Schaltungsträger 2 befestigte elektronische Bauteile 3, u.a. Leistungsbauteile, und eine Wärmesenke 4 auf, die zur Ableitung der von den Bauteilen 3 erzeugten Verlustwärme von der Schaltungsanordnung 1 dient (Fig. 1-3) . Zudem weist die Schaltungsanordnung 1 zweckmäßigerweise ein Schaltungsgehäuse 5 auf, innerhalb dem der Schaltungsträger 2 und die Wärmesenke 4 angeordnet sind.
Der Schaltungsträger 2 ist vorzugsweise plattenförmig ausge- bildet und weist eine, vorzugsweise ebene und horizontale,
Trägerplattenoberseite 6 und eine dazu parallele Trägerplattenunterseite 7 auf. Der Schaltungsträger 2 besteht je nach Anwendungszweck vorzugsweise aus mit Epoxidharz getränkten Glasfasermatten (FR4 oder FR5) oder aus Teflon oder Keramik oder DCB (Direct Bonded Copper) oder einer flexiblen Leiterplatte, z.B. einer mit einem Isolator, insbesondere einer Ac- rylfolie, isolierten Kupferfolie. Zudem weist der Schaltungsträger 2 auf der Trägerplattenoberseite 6 und/oder der Trä- gerlattenunterseite 7 Leiterbahnen z.B. in Form von Metallisierungen oder mittels Dickschichttechnik aufgebrachte Leiterbahnen auf (nicht dargestellt) , die die Bauteile 3 elektrisch miteinander verbinden. Zudem sind auf der Plattenoberseite 6 und/oder der Plattenunterseite 7 Kontaktierungsstel- len, insbesondere Lötpads und/oder Bondpads und/oder Klebe- pads und/oder Presspads und/oder Sinterpads und/oder Schweiß- pads vorgesehen (nicht dargestellt) , die zur elektrisch leitenden und mechanischen Anbindung der Bauteile 3 an den Schaltungsträger 2 dienen. Der Aufbau eines derartigen Schal- tungsträgers 2 ist im Übrigen an sich bekannt.
Bei den Bauteilen 3 handelt es sich vorzugsweise um ICs (Integrierte Schaltkreise) und/oder Transistoren und/oder elektrolytische Kondensatoren und/oder Leistungshalbleiter. Die Bauteile 3 sind zudem in an sich bekannter Weise als bedrahtete Bauteile (nicht dargestellt) und/oder als oberflächenmontierte Bauteile (SMD = Surface Mounted Devices) (Fig. 1-3) ausgeführt. Des Weiteren sind die Bauteile 3 ungehäust (nicht dargestellt) oder gehaust mit einem die Bauteile 3 umgeben- denden Bauteilgehäuse 9 vorzugsweise aus Kunststoff ausgeführt. Die dargestellten SMD-Bauteile 3 sind mittels aus dem Bauteilgehäuse 9 herausragenden Anschlussbeinen 8 in an sich bekannter Weise mit dem Schaltungsträger 2 löttechnisch verbunden. Das Bauteilgehäuse 9 weist zudem eine zur Trägerplat- tenoberseite 6 parallele Bauteilgehäuseunterseite 10 auf, die auf der Trägerplattenoberseite 6 flächig aufliegt, wobei wenn notwendig, zum Ausgleichen von Unebenheiten und zur besseren Wärmeleitung vorzugsweise zwischen Trägerplattenoberseite 6 und Bauteilgehäuseunterseite 10 an sich bekannte Wärmeleit- paste oder ein Wärmeleitpad (Folie) verwendet werden kann (nicht dargestellt) . Dadurch steht das Bauteil 3 über das Bauteilgehäuse 9 thermisch leitend mit dem Schaltungsträger 2 in Verbindung. Außerdem weist das Bauteilgehäuse 9 zweckmäßi- gerweise eine zum Bauteilgehäuseboden 10 parallele Bauteilgehäuseoberseite 11 auf.
Die erfindungsgemäße Wärmesenke 4 weist einen dreidimensionalen Wärmeableitkörper 14 auf, der vorzugsweise im Wesentli- chen quaderförmig und zweckmäßigerweise plattenförmig ausgebildet ist. Der Wärmeableitkörper 14 (Fig.4) weist eine gas- und fluiddichte Hülle bzw. Ummantelung 12 und einen von der Ummantelung 12 gas- und fluiddicht umschlossenen, offene kapillare Poren, insbesondere Mikroporen, aufweisenden Kern 13 auf. Dabei besteht die Ummantelung 12 vorzugsweise aus Metall, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer und/oder Siliziumkarbid, oder aus Kunststoff, insbesondere PA (Polyamid) und/oder PBT (Polybutylenterephtalat) . Der Kern 13 besteht vorzugsweise aus Metallschaum und/oder aus festem Polyu- rethan-Schaumstoff . Zudem weist der Kern 13 zweckmäßigerweise eine Porengröße > 45 ppi (pores per inch) , insbesondere von 60-90 ppi, auf. Insbesondere weist der Kern 13 eine dreidimensional vernetzte Stege auf, die mit dem inneren Aufbau eines Knochens vergleichbar sind, auf und die einzelnen Poren weisen eine der Kugelform angenäherte Form auf. Der Kern 13 kann aber auch Kanäle oder Öffnungen mit einer anderen, unregelmäßigen Raumform aufweisen. Er muss lediglich kapillare Öffnungen aufweisen, also Öffnungen, die aufgrund ihrer Form und Größe Kapillarkräfte aufweisen.
Des Weiteren ist der Wärmeableitkörper 14 mit einem Kühlmittel befüllt, dass in den Poren des Kerns 13 aufgenommen ist und in diesen aufgrund von Kapillarkräften gehalten wird. Die Form und Größe der Poren muss also so beschaffen sein, dass das Kühlmittel beim Befüllen aufgrund der Kapillarkräfte in die Poren hineingezogen wird und danach in den Poren gehalten wird und der Kern somit eine Schwammwirkung hat.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung (Fig.l) ist der plattenförmige Wärmeableitkörper 14 mit einer sich zweckmäßigerweise horizontal erstreckenden, ebenen, Ableitkörperoberseite 15 an der Trägerplattenunterseite 7 angeordnet und an dieser mittels Kleben und/oder Schrauben und/oder Schwei- ßen und/oder Schnappen bzw. Verrasten befestigt. Dadurch, dass die Ableitkörperoberseite 15 mit der Trägerplattenunterseite 7 flächig in Berührung ist, steht der Schaltungsträger 2 mit dem Wärmeableitkörper 14, also der Wärmesenke 4 thermisch leitend in Verbindung. Die Ableitkörperoberseite 15 bildet also eine Wärmeaufnahmefläche 21 des Wärmeableitkörpers 14. Zudem stellt der Wärmeableitkörper 14 nach der ersten Ausführungsform eine Gehäusebodenwandung 16 des Schaltungsgehäuses 5 dar, so dass eine der Ableitkörperoberseite 15 gegenüberliegende Ableitkörperunterseite 17 außenseitig in Bezug zum Schaltungsgehäuse 5 angeordnet ist und mit der Umgebung thermisch in Verbindung steht. Die Ableitkörperunterseite 17 wird also durch die Umgebung gekühlt und bildet eine Wärmeabgabefläche 20 des Wärmeableitkörpers 14. Von der Ableitkörperunterseite 17 ist also Wärme an die Umgebung abgeb- bar und somit von dem Wärmeableitkörper 14 abgeführt werden. Vorzugsweise weist der Wärmeableitkörper 14 dazu an der Ableitkörperunterseite 17 angeordnete Kühlrippen 18 und/oder Kühldome (z.B. rund oder rechteckig oder vieleckig) auf, die die Wärmeabfuhrleistung erhöhen.
Die Ableitung der vom Bauteil 3 im Betrieb erzeugten Verlustwärme erfolgt nun vom Bauteilgehäuse 9 über den Bauteilgehäuseboden 10 und die Trägerplattenoberseite 6 auf den Schaltungsträger 2 und von diesem über die Trägerplattenunterseite 7 auf die Ableitkörperoberseite 15. Dadurch wird das sich in den zur Ableitkörperoberseite 15 benachbarten Poren gehaltene Kühlmittel aufgeheizt und bei Erreichen des Siedepunktes verdampft. Aufgrund des Dampfdruckes wird das dampfförmige Kühlmittel von der Ableitkörperoberseite 15 weg durch die Poren durch in Richtung zur gekühlten Ableitkörperunterseite 17 transportiert, wo es wieder kondensiert und durch die Kondensation Wärme abgibt an die Umgebung. Das gekühlte, kondensierte, wieder verflüssigte Kühlmittel wird durch das konti- nuierlich von der Ableitkörperoberseite 15 ankommende dampfförmige Kühlmittel zunächst durch die Poren durch zur Seite verdrängt und anschließend wieder zurück zur Ableitkörperoberseite 15 gedrängt, wo es wiederum verdampft. Dadurch, dass das Kühlmittel kontinuierlich den beschriebenen Kreis- lauf durchläuft, wird eine effektive Wärmeableitung von der Schaltungsanordnung und Abgabe der Wärme an die Umgebung gewährleistet .
Um die Funktion der erfindungsgemäßen Wärmesenke 4 zu gewährleisten, muss ein ausreichender Füllstand des Kühlmittels vorhanden sein, damit das Kühlmittel zum Durchströmen des
Wärmeableitkörpers 14 im Kreislauf gezwungen wird, aber dennoch genug Raum zum Verdampfen des Kühlmittels vorhanden ist. Insbesondere ist der Wärmeableitkörper 14 zu 10 bis 90 %, bevorzugt zu 70 bis 80 % mit Kühlmittel befüllt.
Nach einer weiteren Ausführungsform (Fig.2) der Erfindung bildet der Wärmeableitkörper 14 nicht die gesamte sondern nur einen Teil der Gehäusebodenwandung 16 des Schaltungsgehäuses 5. Der Wärmeableitkörper 14 ist dann in vertikaler Richtung gesehen fluchtend zum Bauteil 3 angeordnet und hat in horizontaler Richtung zweckmäßigerweise im Wesentlichen die gleiche Erstreckung wie das Bauteil 3. Zudem ist der Wärmeableitkörper 14 von der Gehäusebodenwandung 16 seitlich umschlossen, so dass in diesem Fall die seitliche Ummantelung 12 des Wärmeableitkörpers 14 von der angrenzenden Gehäusebodenwandung 16 gebildet wird, die den Wärmeableitkörper 14 seitlich gasdicht und fluiddicht umschließt. Zudem kann auch die Um- mantelung 12 im Bereich der Ableitkörperoberseite 15 entfal- len und der Wärmeableitkörper 14 mit der Trägerplattenunterseite 7 gas- und fluiddicht verbunden sein. Lediglich an der Ableitkörperunterseite 17 muss dann eine Abdeckplatte oder dergleichen vorgesehen sein. Die Verbindung von der Wärmesenke 4 mit der Gehäusebodenwandung 16 bzw. dem Schaltungsträger 2 erfolgt dann z.B. mittels Kleben oder unter Verwendung von geeigneten Dichtmaterialien, z.B. Metalldichtungen oder E- lastomerdichtungen .
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (Fig. 3) ist der Wärmeableitkörper 14 mit der Ableitkörperunterseite 17 auf der Bauteilgehäuseoberseite 11 angeordnet und an dieser mittels Kleben und/oder Löten und/oder Schweißen befestigt. Die Ableitkörperunterseite 17 ist mit der Trägerplattenunterseite 7 flächig in Berührung und bildet die Wärmeauf- nahmeflache 21. Das Bauteilgehäuse 9 steht so mit dem Wärmeableitkörper 14, also mit der Wärmesenke 4, direkt thermisch leitend in Verbindung. Zudem stellt der Wärmeableitkörper 14 nach dieser Ausführungsform eine Gehäusedeckenwandung 19 des Schaltungsgehäuses 5 dar, so dass die der Ableitkörperunter- seite 17 gegenüberliegende Ableitkörperoberseite 15 außenseitig in Bezug zum Schaltungsgehäuse 5 angeordnet ist und mit der Umgebung an diese Wärme abgebend thermisch in Verbindung steht und die Wärmeableitfläche 20 bildet. Die Ableitkörperoberseite 15 wird also durch die Umgebung gekühlt. Bei dieser Ausführungsform wird die vom Bauteil 3 erzeugte Verlustwärme über die Bauteilgehäuseoberseite 11 an die Ableitkörperunterseite 17 geleitet und mittels der Wärmesenke 4 auf oben beschriebene Weise gekühlt. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet der Wärmeableitkörper 14 in analoger Weise wie bei der Gehäusebodenwandung 16 nicht die gesamte, sondern nur einen Teil der Gehäusedeckenwandung 18 des Schaltungsgehäuses 5. Der Wärme- ableitkörper 14 ist dann in vertikaler Richtung gesehen fluchtend zum Bauteil 3 angeordnet und hat in horizontaler Richtung zweckmäßigerweise im Wesentlichen die gleiche Erstreckung wie das Bauteil 3. Zudem ist der Wärmeableitkörper 14 von der Gehäusedeckenwandung 18 seitlich umschlossen, so dass die seitliche Ummantelung 12 des Wärmeableitkörpers 14 von der angrenzenden Gehäusedeckenwandung 18 gebildet wird, die den Wärmeableitkörper 14 seitlich gasdicht und flu- iddicht umschließt.
Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung mehrere Wärmesenken 4, z.B. für jedes Bauteil 3 eine Wärmesenke 4 vorzusehen und diese in die Gehäusebodenwandung 18 und/oder in die Gehäusedeckenwandung 16 zu integrieren. Zudem können sowohl die Gehäusebodenwandung 18 als auch die Gehäusedecken- wandung 16 oder das gesamte Gehäuse 5 als Wärmeableitkörper 14 ausgeführt sein. Dabei kommt es lediglich darauf an, dass der Wärmeableitkörper 14 mit seiner Wärmeaufnahmefläche 20 mit dem Bauteilgehäuse 9 bzw. dem Schaltungsträger 2 thermisch leitend, insbesondere flächig, in Verbindung steht und mit der Wärmeableitfläche 21 mit der Umgebung thermisch leitend in Verbindung steht und an diese Wärme abgeben kann. Des Weiteren ist es auch möglich, auch auf der Trägerplattenunterseite 7 Bauteile 3 vorzusehen.
Außerdem kann der dreidimensionale Wärmeableitkörper 14 jede geeignete dreidimensionale Raumform aufweisen. Es muss nur der Kreislauf des Kühlmittels von der Wärmeaufnahmefläche 21 zur Wärmeableitfläche 20 und wieder zurück unter Abgabe von Wärme an die Umgebung und zweckmäßigerweise unter Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu dampfförmig und wieder zu flüssig gewährleistet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist insbesonde- re von Vorteil, dass die Entwärmung mittels der Wärmesenke lageunabhängig ist. Denn aufgrund der offenporigen Struktur des Kerns und der damit verbundenen Kapillarkräfte der kapillaren Öffnungen und des richtigen Füllstandes wird sicher gestellt, dass, auch wenn die Wärmeaufnahmefläche die Ableit- körperoberseite darstellt oder irgendeine von 0° verschiedene Neigung zur Horizontalen hat, ausreichend Kühlmittel in die zur Wärmeaufnahmefläche benachbarten kapillaren Öffnungen eingesaugt wird und in diesen gehalten wird. Dies ist insbesondere für den Einsatz von Schaltungsanordnungen im Automo- tivebereich extrem wichtig. Zudem erfolgt eine gleichmäßige Verteilung der Wärme in dem plattenförmigen Wärmeableitkörper, was punktuelle Erwärmungen vermeidet.
Zudem ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sehr ein- fach aufgebaut und somit einfach und kostengünstig herstellbar. Denn die erfindungsgemäße Wärmesenke ist ein in sich abgeschlossenes System, das keine externen Anschlüsse oder E- nergiezufuhr benötigt, die aus dem Schaltungsgehäuse heraus geführt werden müssten. Es findet ein in sich geschlossener Kühlmittelkreislauf innerhalb der Wärmesenke statt. Die Integration der Wärmesenke in das Schaltungsgehäuse ist zudem besonders einfach und zudem Platz sparend.
Außerdem steht aufgrund der Porenstruktur eine sehr große Fläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung. Des Weiteren kann wie bereits oben erläutert die Ummantelung wegfallen, wenn der Wärmeableitkörper durch andere geeignete Mittel gas- und fluiddicht nach außen abgeschlossen ist. Zudem liegt es im Rahmen der Erfindung anstelle des bei Raumtemperatur flüssigen Kühlmittels auch bei Raumtemperatur wachsartige oder gelartige Kühlmittel zu verwenden, die unter hohen Temperaturen verdampfen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Schaltungsanordnung (1) aufweisend einen mit elektronischen Bauteilen (3), u.a. Leistungsbautei- len, bestückten Schaltungsträger (2) und zumindest eine Wärmesenke (4) zur Ableitung der von den Bauteilen (3) erzeugten Verlustwärme von der Schaltungsanordnung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (4) einen dreidimensionalen Wärmeableit- körper (14) aufweist, der nach außen gasdicht und flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist, mit Kühlmittel befüllt ist und innen eine Struktur aus kapillaren Öffnungen aufweist .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillaren Öffnungen Poren und/oder Kanäle sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableitkörper (14) eine, insbesondere ebene, Wärmeaufnahmefläche (20) und eine, insbesondere ebene, Wärmeableitfläche (21) aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmefläche (20) und die Wärmeableitfläche (21) sich gegenüberliegend und vorzugsweise zueinander parallel angeordnet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitfläche (21) thermisch leitend mit der Umgebung in Verbindung steht.
6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmefläche (20), mit dem Schaltungsträger (2) und/oder dem Bauteil (3), insbesondere einem Bauteilgehäuse (9) des Bauteils (3), thermisch leitend in Verbindung steht.
7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteilgehäuse (9) des Bauteils (3) thermisch leitend mit dem Schaltungsträger (2) in Verbindung steht.
8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableitkörper (14) plattenförmig und vorzugsweise quaderförmig ausgebildet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) ein Schaltungsgehäuse (5) aufweist, in dem der bestückte Schaltungsträger (2) und die Wärmesenke (4) aufgenommen sind.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungsgehäuse (5) eine Gehäusebodenwandung (16) und eine Gehäusedeckenwandung (19) aufweist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableitkörper (14) als Gehäusebodenwandung (16) und/oder als Gehäusedeckenwandung (19) ausgebildet ist oder einen Teil derselben bildet.
12. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vor- hergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableitkörper (14) eine gas- und fluiddichte Ummantelung (12) und einen von der Ummantelung (12) gas- und fluiddicht umschlossenen, die kapillaren Öff- nungen aufweisenden, Kern (13) aufweist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (13) aus Metallschaum und/oder aus festem Polyurethan-Schaumstoff besteht.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 und/oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (13) eine Porengröße > 45 ppi (pores per inch) , insbesondere von 60-90 ppi aufweist.
15. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der An- sprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableitkörper (14) derart gestaltet und angeordnet ist, dass das Kühlmittel innerhalb des Wärmeableitkörpers (14) unter Abgabe von Wärme an die Umgebung von der Wärmeaufnahmefläche (20) zur Wärmeableitfläche (21) und wieder zurück im Kreislauf förderbar ist.
16. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ein bei Raumtemperatur flüssiges oder wachsartiges oder gelartiges Kühlmittel ist.
17. Wärmesenke (4) für elektronische Schaltungsanordnungen (1), insbesondere für elektronische Schaltungsanordnungen (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, zur Ableitung der im Betrieb von der Schaltungsanordnung (1) erzeugten Verlustwärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (4) die Merkmale von einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, 8 und/oder 12 bis 16 aufweist.
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