WO2009039921A1 - Vefahren zur herstellung einer vorrichtung, verwendung eines mechanischen wechselfeldes beim herstellen einer vorrichtung und vorrichtung - Google Patents

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WO2009039921A1
WO2009039921A1 PCT/EP2008/006796 EP2008006796W WO2009039921A1 WO 2009039921 A1 WO2009039921 A1 WO 2009039921A1 EP 2008006796 W EP2008006796 W EP 2008006796W WO 2009039921 A1 WO2009039921 A1 WO 2009039921A1
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heat sink
component
heat
thermal
alternating field
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PCT/EP2008/006796
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Hubert Ermel
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Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a device, a use of an alternating mechanical field in the manufacture of a device and a device.
  • the invention is therefore based on the object to further develop the production of an electrical appliance, in particular to accelerate.
  • the object is achieved in the method for producing a device according to claim 1 or 3, when using an alternating mechanical field in the manufacture of a device according to claim 14 and in the device, according to the features indicated in claim 17.
  • Important features of the invention in the method for producing a device are that it comprises at least one heat-generating component and a heat sink,
  • the amount of the pressing force is greater than a first value and thereafter less than the first value.
  • the advantage here is that are pressed out by means of the greater pressure force at the beginning of air pockets from the intermediate region between the component and heat sink.
  • micro spaces and microwells in the surface of the device and / or the heat sink are better filled by the thermal paste or from sautklebstoff.
  • the total contact surface is increased and the heat transfer resistance is good.
  • the value of the pressing force then drops below the first value later, the inclusions are pushed out and the microspaces are well filled.
  • the heat transfer resistance is essentially the same.
  • a mechanical and / or thermal alternating field is additionally introduced and / or introduced during the first time period, in particular in the intermediate region between the heat sink and component or in the contact region of the heat sink to the device or in the intermediate medium.
  • alternating mechanical field for example, to understand structure-borne noise, the frequency depending on the type of medium, for example, depending on its viscosity and / or the geometric dimensions of the intermediate region, low, such as in the infrasonic range, or highly selectable, such as in the ultrasonic range .
  • alternating thermal field for example, to understand a fluctuating temperature profile at a distance from a heat source location, which is generated by temporally fluctuating heat output of the heat source.
  • mechanical alternating field also means a periodic change in distance between the component and the heat sink imposed, for example, by a tool.
  • important features of the invention are that, in the method of manufacturing a device,
  • the component is pressed onto the heat sink with a pressing force, in particular for achieving a low heat transfer resistance, wherein a mechanical and / or thermal alternating field is introduced and / or introduced during a first period of time, in particular in the intermediate region between the heat sink and component or in the contact region of the heat sink to the device or in the intermediate medium.
  • a pressing force in particular for achieving a low heat transfer resistance
  • a mechanical and / or thermal alternating field is introduced and / or introduced during a first period of time, in particular in the intermediate region between the heat sink and component or in the contact region of the heat sink to the device or in the intermediate medium.
  • the amount of the pressing force is greater than a first value and then smaller than the first value.
  • a pressing force by means of a special tool can be introduced into the component.
  • the pressing force of an aging spring element can be applied.
  • a plastic part is used, which has a decreasing elastic modulus under the action of heat or due to the aging during the operating time, in particular after the expiry of the first time period.
  • a medium such as thermal paste, thermal adhesive or a thermally conductive electrically insulating liquid medium is provided between the component and the heat sink.
  • the pressing force is mechanically generated by the device comprised of spring elements, in particular with holding means of the device connected spring means.
  • the pressing force is mechanically generated by additional only during manufacture during the first time period connected to the device or these touching means.
  • the advantage here is that high amounts of force are applicable and the device is still compact executable.
  • the mechanical alternating field comprises acoustic waves, in particular infrasound, ultrasound or audible sound waves.
  • acoustic waves in particular infrasound, ultrasound or audible sound waves.
  • the mechanical alternating field is provided as structure-borne sound.
  • the advantage here is that the alternating field can also be conducted via the heat sink to the intermediate region between the component and the heat sink.
  • the mechanical and / or thermal alternating field is coupled into the heat sink, in the medium and / or in the power semiconductor or generated therein.
  • the advantage here is that, especially in the direct coupling little energy is lost or even the entire energy of the alternating field is brought into effect in the intermediate area.
  • generating or passing through the alternating field in or through the power semiconductor can also be carried out, and thus a location-proximate and thus efficiency-optimal use of the alternating field can be carried out.
  • the mechanical alternating field also includes alternating pressure and tensile stress components in the direction of the normal of the contact plane between the heat sink and the component.
  • the alternating thermal field is generated by the heat-generating component, in particular its electrical power consumption according to the temporal course controlled controlled alternately.
  • the advantage here is that the alternating field can be generated locally and directly.
  • the heat-generating component is a power semiconductor, in particular the inverter output stage of an inverter.
  • the power semiconductor can be acted upon with alternating currents such that an inventive mechanical and / or thermal alternating field can be generated without additional means for generating the alternating field are necessary.
  • a module can be provided as a heat-generating component, which comprises the at least one power semiconductor and a piezo-transducer for generating an alternating mechanical field according to the invention.
  • this comprises at least one heat-generating component and a heat sink
  • alternating field during a first period of time is effective in an intermediate region between the component and the heat sink.
  • the advantage here is that instead of the necessary in the initial period, ie in the first period, high pressing force smaller values are sufficient if the additional field acts simultaneously. Alternatively or additionally, a reduction of the initial time period is made possible because the alternating field additionally acts.
  • a thermal and / or mechanical alternating field in a production of a cooling arrangement comprising heat-generating component and heat sink, that the alternating field is coupled during a first period of time in a region between the component and the heat sink and / or irradiated.
  • the advantage here is that no variable additional pressing force but a constant pressure with, for example, small amount value is sufficient. Thus, additional means for introducing a pressing force are unnecessary.
  • the amount of a pressing force is greater than a first value and after the first time period smaller than the first value.
  • the advantage here is that aging materials can be used in the device for generating and / or transmitting the pressing force to the component.
  • the device which comprises at least one heat-generating component and a heat sink, are that
  • a spring element is provided for pressing the component onto the heat sink
  • the heat sink and / or the component are designed such that means for generating a thermal and / or mechanical alternating field can be coupled.
  • a mechanical and / or heat-conducting interface for coupling the means is provided on the component or on the heat sink.
  • the advantage here is that in the manufacture of a tool is approachable and can be brought to the device in contact for coupling the alternating field.
  • the interface comprises centering means, threading means and / or a finely worked contact surface.
  • the means are provided in the component or in the heat sink.
  • the component comprises an electromechanical and / or electrical-thermal converter as a means.
  • an electromechanical transducer such as a piezoelectric element, very low loss electrical energy converts into mechanical energy and that an electrical-thermal converter, such as an ohmic resistance or electrical lines of a power semiconductor can be realized in a very simple and cost-effective manner.
  • a piezoelectric transducer is provided as the means. The advantage here is that a very wide range of frequencies can be generated, in particular from the audible sound to the ultrasonic range.
  • the component is designed in such a way and in the component such alternating currents are einconcegbar that a thermal and / or mechanical alternating field is radiated from the device, in particular structure-borne sound waves and / or thermal waves.
  • alternating currents are einconcegbar that a thermal and / or mechanical alternating field is radiated from the device, in particular structure-borne sound waves and / or thermal waves.
  • the advantage here is that the peak amplitudes of the contact force occurring at least briefly reach high values and, in addition, a mechanical time-varying force field with a non-disappearing anisotropic field strength gradient is provided which drives out air inclusions from the intermediate region.
  • the component is designed as a power semiconductor, in particular IGBT, or module, comprising at least two power semiconductors, such as IGBT 1 diodes or the like.
  • the spring element is designed as a plastic part, in which a printed circuit board is provided inserted, which is equipped with the component.
  • the plastic is so elastically selectable that an elastic deflection of the plastic part generates the pressing force.
  • Fatigue process which reduces the spring force, does not affect the heat transfer resistance between the component and heat sink achieved in the first period.
  • the plastic part is connected to the heat sink with screws such that it is elastically deflected, wherein the spring force thus generated via downholder, in particular Andrückdome, is transferred to the circuit board.
  • the pressing force can be generated in a very simple and cost-effective manner of an anyway necessary component that has a function of positioning the circuit board within the device.
  • the hold-down are made hollow for insertion of a tool, in particular a coupling force and / or a thermal and / or a mechanical alternating field einkoppelndes tool.
  • the tool is threaded directly to the point at which the introduction of the pressing force is provided.
  • the force is not guided along the surface of the holding member having the blank portion but only across the wall of the shell part.
  • connection feet 2 which lie in one plane and rest on the printed circuit board 4 and are soldered there by means of the solder joints 5.
  • FIG. 2 shows a component mounted according to the invention in a sectional view.
  • connection feet 2 which lie in one plane and rest on the printed circuit board and are soldered there.
  • the connection feet 2 have a bead 3, so an arc-like bending, which makes tolerances compensated.
  • tolerances are vertical tolerances, ie in the direction of the circuit board level, and horizontal tolerances, ie in the normal direction of the circuit board level, compensated.
  • the printed circuit board 4 is installed in the surrounding housing in such a way that the cooling body 6 connected to the housing part 7 of the housing is brought into contact with the underside of the component 1.
  • the contact should be as good as possible, so executable with vanishing tolerance.
  • a spring which is also supported on a housing part 8 of the surrounding housing, on the top of the component 1 and causes by means of the pressure force generated by it the best possible contact between the bottom of the component 1 and heat sink 6.
  • the spring also causes a shift in the normal direction of the circuit board.
  • FIG. 3 shows a device in a schematic sectional view for a further exemplary embodiment according to the invention.
  • the device is designed as an electrical appliance which has at least one printed circuit board 35 which is equipped with electronic components 33.
  • heat-generating components in particular power semiconductors 34, are equipped on the board whose heat is dissipated to the heat sink 31.
  • the power semiconductors 34 and components 33 are equipped by SMD mounting technology and thus quickly and easily electrically and mechanically connectable.
  • the connection feet of the power semiconductors are provided with a bead, in particular for compensation of mechanical or thermally induced voltages.
  • the circuit board is designed as a multilayer printed circuit board and thus has not only outer but also inner layers. In this way, a high integration density on the circuit board can be achieved.
  • areas of the layers, in particular the inner layers are used to spread the heat.
  • electrically conductive portions of the outer and / or inner layers are provided in order to achieve a spreading of the heat or to form an increased heat capacity for damping occurring temperature peaks.
  • These layers are provided in particular on the side facing away from the heat sink side of the power semiconductors and thermally conductively connected to each other by means of plated-through holes.
  • the power semiconductor is made metallic on its side facing the printed circuit board and soldered to the outer layer of the printed circuit board. In this way, a particularly good coupling to these layer regions of the printed circuit board 35 is achieved and the spreading of peak heat flows is easily possible.
  • the power semiconductor also has a metallic region for the heat sink, which is preferably made of metal or ceramic, in order to enable a low heat transfer resistance to this end.
  • the circuit board is provided in a shell part 32 made of plastic, on the one hand has correspondingly shaped areas for lateral, ie perpendicular to the normal direction of the circuit board level, limiting the mobility of the circuit board. These regions thus formed are shown in FIG. 3 as a receptacle 321. On the other hand, that indicates Shell part used as hold-down Andrückdome 322, which pass on the heat sink directed towards pressing forces and pass in touch areas with the circuit board 35 to this. These contact areas are provided laterally offset from the area of the power semiconductors 34. The pressing forces are thus transmitted by means of the somewhat elastically deflectable printed circuit board 35 to the power semiconductors, which are thereby pressed onto the heat sink.
  • the shell part 32 is screwed by means of screws 36, which are also provided laterally offset from the covered area of the power semiconductor 34, against the heat sink or a housing part connected thereto.
  • pressing force can be generated and transferred by means of Andrückdome to the circuit board.
  • the pressing force or a part thereof can be transferred by means of a tool acting on the shell part or directly on the printed circuit board.
  • thermal paste is provided between power semiconductor 34 and heat sink 31.
  • the high pressure forces allow a good heat transfer, ie a low heat transfer resistance from the power semiconductor to the heat sink. Because when the high forces are applied over a certain period of time, the microspaces are well filled by the paste and air pockets are reduced.
  • a heat-conducting adhesive can be introduced in all embodiments.
  • this hardens after a certain period of time and thus receives the heat transfer resistance at the low value reached or at least below a critical value.
  • FIG. 4 a central area of the printed circuit board provided in the adjacent region of the component is acted upon by the hold-down element 322. In contrast to FIG. 3, there is thus no lateral pressing by means of the hold-downs 322.
  • FIG. 5 shows an enlarged detail of FIGS. 3 and 4.
  • the power semiconductor 34 has beads 500 at its connection legs, whereby the solder connection of the legs is relieved with printed conductors of the printed circuit board 35, in particular with thermally induced alternating voltages.
  • FIG. 6 shows a hollow embodiment of a hold-down 322 in a sectional view for a further exemplary embodiment according to the invention. By inserting a tool in the cavity 600 pressing force can be introduced. The inserted tool then causes a direct transfer of the pressing force in the region of the circuit board, which is covered by the device.
  • the other embodiment in this arrangement corresponds to the figures 3 or 4.
  • Component in particular power semiconductor, presses against the heat sink, wherein the thermal paste, heat-conducting adhesive or a similarly good heat-conducting, electrically insulating medium in the intermediate region between the component and the heat sink is arranged.
  • the force acting on the power semiconductor pressing force is set to a high value between 10 and 200 N, for example, 50 N.
  • additional force-generating means such as the tools mentioned, used or the components, such as said shell part , Are dimensioned such that when connecting the components of the device according to the invention, the high pressure force for a first period of time can be ensured.
  • the first period of time is a few minutes, especially between one and one hundred minutes. Thereafter, the pressing force is reduced by either the tool for power generation is removed or an aging of the force-generating plastic part, such as a flow occurs.
  • the pressing force may be below 10% to 60%, in particular 50% of the value in the first period.
  • the high contact pressure causes the heat transfer resistance imparted via the thermal paste or the medium to become very low.
  • a displacement of micro-air bubbles and air inclusions contributes and also blends the thermal paste as possible in the micro-rough surface of the power semiconductor and the heat sink as well.
  • this process is accelerated by an additional mechanical voltage change field acts in the thermal paste.
  • ultrasound is supplied from the outside or coupled into a component of the device, such as the heat sink, structure-borne noise. In this way, the necessary first period of time can be shortened and also the high amount of the pressing force can be reduced during the first time span.
  • a sound field introduced anisotropically within the thermal paste has proved to be particularly advantageous. With a pronounced field strength gradient of the ultrasonic field, a further shortening of the first time span and a reduction of the amount of the pressing force is permissible.
  • the shell part is made of plastic executable because the force applied during assembly high pressing force causes such a good connection of the device to the heat sink, even with reduced during operation operating pressure, for example due to flow of the plastic and thus reducing the spring force generated by the shell part, a very low heat transfer resistance between the component and heat sink is maintained.
  • the hold-down 322 is not provided laterally beside but in the region of the heat-generating components. In this way, the elasticity of the shell part is not effective but the - for example, introduced by an external tool - pressing force is transmitted directly from the downholder 322 on the circuit board and from this to the device, in particular power semiconductors.
  • the tool itself is used for coupling the mechanical alternating field.
  • a high pressure force and the mechanical alternating field are coupled in the same area.
  • a thermal alternating field is coupled in.
  • the coupling is carried out directly in the intermediate region between the heat generating component and heat sink or introduced via the heat sink.
  • a thermal alternating field can be introduced via suitable energization of the power semiconductors.
  • the frequency of the thermal alternating field is preferably in the range between 0.01 Hz and 10 Hz. However, other frequencies are also advantageously applicable.
  • Another advantage of the alternating thermal field is that at the same time a heating is carried out, which leads to a hardening of an introduced into the intermediate region politiciansleitklebstoffes, and on the other hand changing mechanical stresses are introduced into the intermediate region, which lead to an improvement of the heat transfer resistance.
  • Said heat waves allow a used varnish cured at the end of the first period and thus reducing the pressing force, for example by means of a withdrawal of the tool from the hollow hold-down 322 or a flow of the plastic, not to a deterioration of the heat transfer resistance between the component and the heat sink leads.
  • the pressing force is transmitted to the circuit board and from there to the power semiconductor directly to the circuit board or power semiconductors instead of the hold-down and the shell part.
  • recesses in the shell part are providable, through which the tool can be passed and thus directly brought into contact with the circuit board.
  • the mechanical alternating field is a periodic change in distance imposed, for example, by a tool between the component and the heat sink provided during the first period.
  • the amplitude of this change in distance is preferably less than 100 ⁇ m, in particular in the range from 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the frequency of this change in distance is preferably in the range between 0.1 Hz and 100 Hz.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, Verwendung eines mechanischen Wechselfeldes beim Herstellen einer Vorrichtung und Vorrichtung, welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, insbesondere zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands, wobei während einer ersten Zeitspanne der Betrag der Andrückkraft größer ist als ein erster Wert und danach kleiner ist als der erste Wert.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, Verwendung eines mechanischen Wechselfeldes beim Herstellen einer Vorrichtung und Vorrichtung
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, eine Verwendung eines mechanischen Wechselfeldes beim Herstellen einer Vorrichtung und eine Vorrichtung.
Aus der DE 10 2004 046 475 A1 ist bekannt, einen Leistungshalbleiter mittels eines Federelements gegen einen Kühlkörper anzupressen. Hierbei ist das Federelement Komponente der Vorrichtung und wirkt daher auch im Betrieb derselben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Elektrogeräts weiterzubilden, insbesondere zu beschleunigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach den in Anspruch 1 oder 3, bei der Verwendung eines mechanischen Wechselfeldes beim Herstellen einer Vorrichtung nach den in Anspruch 14 und bei der Vorrichtung, nach den in Anspruch 17 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung sind, dass sie zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, insbesondere zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands,
wobei während einer ersten Zeitspanne der Betrag der Andrückkraft größer ist als ein erster Wert und danach kleiner ist als der erste Wert.
Von Vorteil ist dabei, dass mittels der größeren Andrückkraft zu Beginn Lufteinschlüsse herausgedrückt werden aus dem Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper. Außerdem werden Mikroräume und Mikrovertiefungen in der Oberfläche des Bauelements und/oder des Kühlkörpers besser ausgefüllt von der Wärmeleitpaste oder vom Wärmeleitklebstoff. Auf diese Weise ist die Gesamtberührfläche vergrößert und der Wärmeübergangswiderstand gut. Auch wenn dann später der Wert der Andrückkraft unter den ersten Wert absinkt, bleiben die Einschlüsse herausgedrückt und die Mikroräume gut ausgefüllt. Somit bleibt dann auch der Wärmeübergang unverändert gut, also der Wärmeübergangswiderstand im Wesentlichen gleich gut.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während der ersten Zeitspanne ein mechanisches und/oder thermisches Wechselfeld zusätzlich eingebracht und/oder eingeleitet, insbesondere in den Zwischenbereich zwischen Kühlkörper und Bauelement oder in den Kontaktbereich des Kühlkörpers zum Bauelement oder in das zwischengeordnete Medium.
Unter einem solchen mechanischen Wechselfeld ist beispielsweise Körperschall zu verstehen, wobei die Frequenz je nach Art des Mediums, beispielsweise abhängig von dessen Viskosität und/oder den geometrischen Abmessungen des Zwischenbereichs, niedrig, wie beispielsweise im Infraschallbereich, oder hoch wählbar ist, wie beispielsweise im Ultraschallbereich. Unter thermischem Wechselfeld ist beispielsweise ein schwankender Temperaturverlauf an einem von einer Wärmequelle beabstandeten Ort zu verstehen, der durch zeitlich schwankende Wärmeleistung der Wärmequelle erzeugbar ist.
Unter dem Begriff des mechanischen Wechselfeldes ist auch eine beispielsweise durch ein Werkzeug aufgezwungene periodische Abstandsänderung zwischen Bauelement und Kühlkörper zu verstehen.
Von Vorteil ist bei diesem Einkoppeln eines Wechselfeldes, dass das genannte Herausdrücken und die Vergrößerung der Gesamtberührfläche schneller und sogar verbessert erreichbar ist, insbesondere in einer verkürzten ersten Zeitspanne, und somit eine Beschleunigung der Fertigung erreichbar ist.
Alternativ sind wichtige Merkmale der Erfindung, dass bei dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung,
welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, insbesondere zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands, wobei während einer ersten Zeitspanne ein mechanisches und/oder thermisches Wechselfeld eingebracht und/oder eingeleitet wird, insbesondere in den Zwischenbereich zwischen Kühlkörper und Bauelement oder in den Kontaktbereich des Kühlkörpers zum Bauelement oder in das zwischengeordnete Medium. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders schnelle Herstellung eines guten Wärmeübergangs erreichbar ist. Eine langandauernde Aufbringung einer hohen Andrückkraft ist daher verzichtbar und die Fertigung der Kühlanordnung oder der diese umfassenden Vorrichtung, wie Elektrogerät, elektrischer Antrieb, ist besonders schnell ausführbar. Bei Einleitung der genannten thermischen Wellen ist bei Verwendung von Wärmeleitklebstoff im Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper ein besonders schnelles Aushärten erreichbar. Bei Anwendung der genannten mechanischen Wellen ist eine besonders stark ausgeprägte Verkürzung der Anwendungsdauer der notwendigen anfänglich hohen Andrückkraft erreichbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist während der ersten Zeitspanne der Betrag der Andrückkraft größer als ein erster Wert und danach kleiner ist als der erste Wert. Von Vorteil ist dabei, dass ein Absinken der Andrückkraft nach Ablauf der ersten Zeitspanne den Wärmeübergang nicht verschlechtert. Vorteiligerweise ist also in einem ersten Ausführungsbeispiel während der Fertigung des Elektrogeräts eine Andrückkraft mittels eines speziellen Werkzeuges einleitbar in das Bauelement. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Andrückkraft von einem alternden Federelement aufbringbar. Beispielsweise ist hierzu ein Kunststoffteil verwendbar, das unter Wärmeeinwirkung oder aufgrund der Alterung ein während der Betriebszeit, insbesondere also nach Ablauf der ersten Zeitspanne, ein absinkendes Elastizitätsmodul aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen Bauelement und Kühlkörper ein Medium, wie Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber oder ein wärmeleitendes elektrisch isolierendes flüssiges Medium vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Mikroräume gut ausfüllbar sind und die Einwirkung von hohen Andrückkräften oder mechanischen Wechselfeldern das Ausfüllen der Mikroräume oder das Herausdrücken der Lufteinschlüsse besonders leicht ausführbar ist. Insbesondere ist hierbei eine anisotrope Kraftverteilung vorteilhaft.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Andrückkraft mechanisch erzeugt von von der Vorrichtung umfassten Federelementen, insbesondere mit Haltemitteln der Vorrichtung verbundenen Federmitteln. Von Vorteil ist dabei, dass keine speziellen zusätzlichen Mittel notwendig sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Andrückkraft mechanisch erzeugt von zusätzlichen nur bei der Herstellung während der ersten Zeitspanne mit der Vorrichtung verbundenen oder diese berührenden Mitteln. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Kraftbeträge anwendbar sind und die Vorrichtung trotzdem kompakt ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das mechanische Wechselfeld akustische Wellen, insbesondere Infraschall-, Ultraschall oder hörbare Schallwellen. Von Vorteil ist dabei, dass abhängig von der Viskosität des Mediums im Zwischenbereich Infraschall-, Ultraschall oder hörbare Schallwellen anwendbar sind und somit ein optimiert schnelles Herausdrücken der Lufteinschlüsse oder ein Ausfüllen der Mikroräume ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mechanische Wechselfeld als Körperschall vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass das Wechselfeld auch über den Kühlkörper hin zum Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper leitbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das mechanische und/oder thermische Wechselfeld in den Kühlkörper, in das Medium und/oder in den Leistungshalbleiter eingekoppelt oder darin erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass insbesondere bei der direkten Einkoppelung wenig Energie verloren geht oder sogar die gesamte Energie des Wechselfeldes in Wirkung bringbar ist in den Zwischenbereich. Ebenso ist auch ein Erzeugen oder Durchleiten des Wechselfeldes im oder durch den Leistungshalbleiter ausführbar und somit eine ortsnahe und somit wirkungsgradoptimale Verwendung des Wechselfeldes ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das mechanische Wechselfeld auch wechselnde Druck- und Zugspannungskomponenten in Richtung der Normale der Berührebene zwischen Kühlkörper und Bauelement. Von Vorteil ist dabei, dass Lufteinschlüsse herausquetschbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das thermische Wechselfeld erzeugt von dem wärmeerzeugenden Bauelement, insbesondere wird dessen elektrische Leistungsaufnahme entsprechend mit dem zeitlichen Verlauf wechselnd gesteuert vorgegeben. Von Vorteil ist dabei, dass das Wechselfeld ortsnah und direkt erzeugbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das wärmeerzeugende Bauelement ein Leistungshalbleiter, insbesondere der Wechselrichter-Endstufe eines Umrichters. Von Vorteil ist dabei, dass der Leistungshalbleiter mit Wechselströmen derart beaufschlagbar ist, dass ein erfindungsgemäßes mechanisches und/oder thermisches Wechselfeld erzeugbar ist, ohne dass zusätzliche Mittel zur Erzeugung des Wechselfeldes notwendig sind. Alternativ ist statt des Leistungshalbleiters ein Modul als wärmeerzeugendes Bauelement vorsehbar, das den mindestens einen Leistungshalbleiter und einen Piezowandler umfasst zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen mechanischen Wechselfeldes.
Wichtige Merkmale bei der Verwendung eines thermischen und/oder mechanischen Wechselfeldes beim Herstellen einer Vorrichtung sind, dass
diese zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft,
wobei das Wechselfeld während einer ersten Zeitspanne wirksam ist in einem Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper.
Von Vorteil ist dabei, dass anstatt der in der Anfangszeitspanne, also in der ersten Zeitspanne, notwendigen hohen Andrückkraft kleinere Werte ausreichen, wenn das zusätzliche Feld gleichzeitig einwirkt. Alternativ oder zusätzlich ist eine Reduzierung der Anfangszeitspanne ermöglicht, da das Wechselfeld zusätzlich wirkt.
Alternativ sind wichtige Merkmale bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines thermischen und/oder mechanischen Wechselfeldes bei einer Herstellung einer Kühlanordnung, umfassend wärmeerzeugendes Bauelement und Kühlkörper, dass das Wechselfeld während einer ersten Zeitspanne in einen Bereich zwischen Bauelement und Kühlkörper eingekoppelt und/oder eingestrahlt wird. Von Vorteil ist dabei, dass keine veränderliche zusätzliche Andrückkraft sondern eine konstante Andrückkraft mit beispielsweise kleinem Betragswert genügt. Somit sind zusätzliche Mittel zur Einbringung einer Andrückkraft entbehrlich. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist während der ersten Zeitspanne der Betrag einer Andrückkraft größer als ein erster Wert und nach der ersten Zeitspanne kleiner als der erste Wert. Von Vorteil ist dabei, dass in der Vorrichtung alternde Werkstoffe verwendbar sind zum Erzeugen und/oder Übertragen der Andrückkraft an das Bauelement.
Wichtige Merkmale bei der Vorrichtung, welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, sind, dass
ein Federelement zum Andrücken des Bauelementes auf den Kühlkörper hin vorgesehen ist,
wobei, insbesondere zumindest während einer ersten Zeitspanne, der Kühlkörper und/oder das Bauelement derart ausgeführt sind, dass Mittel zur Erzeugung eines thermischen und/oder mechanischen Wechselfeldes ankoppelbar sind.
Insbesondere ist am Bauelement oder am Kühlkörper eine mechanische und/oder wärmeleitende Schnittstelle zur Ankoppelung der Mittel vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass bei der Herstellung ein Werkzeug heranführbar ist und an der Vorrichtung in Berührung bringbar ist zur Einkoppelung des Wechselfeldes. Die Schnittstelle umfasst insbesondere Zentriermittel, Einfädelmittel und/oder eine fein bearbeitete Kontaktfläche.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel im Bauelement oder im Kühlkörper vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind und außerdem das Wechselfeld möglichst nahe am Zwischenbereich erzeugbar ist und somit ein hoher Nutzungsgrad der ins Wechselfeld eingeleiteten Energie vorgesehen ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Bauelement einen elektromechanischen und/oder elektrisch-thermischen Wandler als Mittel. Von Vorteil ist dabei, dass ein elektromechanischer Wandler, wie beispielsweise ein Piezoelement, sehr verlustarm elektrische Energie in mechanische Energie umsetzt und dass ein elektrisch-thermischer Wandler, beispielsweise ein Ohmscher Widerstand oder elektrische Leitungen eines Leistungshalbleiters in sehr einfacher und kostengünstiger Weise realisierbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als Mittel ein Piezowandler vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass ein sehr weiter Bereich von Frequenzen erzeugbar ist, insbesondere vom hörbaren Schall zum Ultraschallbereich.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauelement derart ausgeführt und in das Bauelement sind derartige Wechselströme einprägbar, dass ein thermisches und/oder mechanisches Wechselfeld vom Bauelement abgestrahlt wird, insbesondere Körperschallwellen und/oder thermische Wellen. Von Vorteil ist dabei, dass die zumindest kurzzeitig auftretenden Spitzenamplituden der Andrückkraft hohe Werte erreichen und außerdem ein mechanisches zeitlich wechselndes Kraftfeld mit nichtverschwindendem anisotropem Feldstärkegradient vorgesehen ist, das Lufteinschlüsse aus dem Zwischenbereich heraustreibt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauelement als Leistungshalbleiter, insbesondere IGBT, oder Modul, umfassend mindestens zwei Leistungshalbleiter, wie IGBT1 Dioden oder dergleichen, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Ansteuerung und Leistungsversorgung dieses Bauelements auf jeden Fall vorgesehen ist uns somit nur die Ansteuerung während der ersten Zeitspanne derart ausgeführt werden muss, dass das gewünschte Wechselfeld entsteht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Federelement als Kunststoffteil ausgeführt, in welchem eine Leiterplatte eingelegt vorgesehen ist, die mit dem Bauelement bestückt ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Kunststoff derart elastisch wählbar ist, dass eine elastische Auslenkung des Kunststoffteils die Andrückkraft erzeugt. Vorteiligerweise hat ein später, also nach Ablauf der ersten Zeitspanne statt findender Alterungsprozess oder
Ermüdungsprozess, der die Federkraft reduziert, keinen Einfluss auf den in der ersten Zeitspanne erreichten Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauelement und Kühlkörper.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kunststoffteil an den Kühlkörper mit Schrauben derart verbunden, dass es elastisch ausgelenkt ist, wobei die so erzeugte Federkraft über Niederhalter, insbesondere Andrückdome, auf die Leiterplatte übertragen wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Andrückkraft in sehr einfacher und kostengünstiger Weise von einem sowieso notwendigen Bauteil erzeugbar ist, das als Funktion das Positionieren der Leiterplatte innerhalb der Vorrichtung aufweist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Niederhalter hohl ausgeführt zum Einführen eines Werkzeuges, insbesondere eines eine Andrückkraft und/oder ein thermisches und/oder ein mechanisches Wechselfeld einkoppelndes Werkzeug. Von Vorteil ist dabei, dass das Werkzeug direkt an diejenige Stelle eingefädelt wird, an welcher die Einbringung der Andrückkraft vorgesehen ist. Außerdem wird die Kraft nicht längs der Oberfläche des die Niederhalter aufweisenden Schalenteils sondern nur quer durch die Wand des Schalenteils geleitet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Bauteil 5 2 Anschlussfüße
3 Sicke, also bogenartige Verbiegung
4 Leiterplatte
5 Lötstelle
6 Kühlkörper 10 7 Gehäuseteil
8 Gehäuseteil
9 Feder
31 Kühlkörper 15 32 Schalenteil
33 elektronische Bauelemente
34 Leistungshalbleiter
35 Leiterplatte
36 Schraube 20 321 Aufnahme
322 Niederhalter, Andrückdom
500 Sicke
600 Hohlraum für Einführen eines Werkzeuges 25 Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 1 ist ein montiertes Bauteil in Schnittansicht gezeichnet.
Das Bauteil 1 weist Anschlussfüße 2 auf, die in einer Ebene liegen und auf der Leiterplatte 4 aufliegen und dort mittels der Lötstellen 5 angelötet sind.
In der Figur 2 ist ein erfindungsgemäß montiertes Bauteil in Schnittansicht gezeichnet.
Das Bauteil 1 weist Anschlussfüße 2 auf, die in einer Ebene liegen und auf der Leiterplatte aufliegen und dort angelötet sind. Die Anschlussfüße 2 weisen eine Sicke 3, also eine bogenartige Verbiegung, auf, die Toleranzen ausgleichbar macht.
Als Toleranzen sind Vertikaltoleranzen, also in Richtung der Leiterplattenebene, und Horizontaltoleranzen, also in Normalenrichtung der Leiterplattenebene, ausgleichbar.
Die Leiterplatte 4 wird derart in das umgebende Gehäuse eingebaut, dass der mit dem Gehäuseteil 7 des Gehäuses verbundene Kühlkörper 6 in Berührung mit der Unterseite des Bauteils 1 gebracht ist. Der Kontakt sollte möglichst gut, also mit verschwindender Toleranz ausführbar sein. Dazu drückt eine Feder, die sich ebenfalls an einem Gehäuseteil 8 des umgebenden Gehäuses abstützt, auf die Oberseite des Bauteils 1 und bewirkt mittels der von ihr erzeugten Andrückkraft einen möglichst guten Kontakt zwischen Unterseite des Bauteils 1 und Kühlkörper 6. Allerdings wird durch die Feder auch eine Verschiebung in Normalenrichtung der Leiterplatte bewirkt.
Mittels der erfindungsgemäßen Sicke wird ein Ausgleich der Verschiebungstoleranz bewirkbar. Ohne die Sicke könnten schadenverursachende Spannungen am Bauteil und der Leiterplatte entstehen.
Somit sind sogar komplexe Schaltungen, wie Umrichter, die wärmeerzeugende
Leistungselektronik und weniger wärmeerzeugende Signalelektronik umfassen, auf einer Leiterplatte aufbaubar und in einem Bearbeitungsgang bestückbar. In der Figur 3 ist für als weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung in schematischer Schnittansicht dargestellt.
Die Vorrichtung ist als Elektrogerät ausgebildet, welches zumindest eine Leiterplatte 35 aufweist, die mit elektronischen Bauelementen 33 bestückt ist. Außerdem sind wärmeerzeugende Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter 34, auf der Platine bestückt, deren Wärme an den Kühlkörper 31 abgeführt wird.
Die Leistungshalbleiter 34 und Bauelemente 33 sind mittels SMD-Montage-Technik bestückt und somit schnell und einfach elektrisch und mechanisch verbindbar. Hierbei sind die Anschlussfüßchen der Leistungshalbleiter mit einer Sicke, insbesondere zum Ausgleich mechanischer oder thermisch bedingter Spannungen, versehen.
Die Leiterplatte ist als Multilayer-Leiterplatte ausgeführt und weist somit nicht nur äußere sondern auch innere Lagen auf. Auf diese Weise ist eine hohe Integrationsdichte auf der Leiterplatte erzielbar. Außerdem sind Bereiche der Lagen, insbesondere auch der Innenlagen, zur Aufspreizung der Wärme verwendbar. Hierzu werden in Bereichen, wo hohe Wärme-Spitzenströme in räumlich beschränkten Bereichen auftreten, elektrisch leitfähige Teilbereiche der Außen- und/oder Innenlagen vorgesehen, um eine Aufspreizung der Wärme zu erreichen oder eine erhöhte Wärmekapazität zu bilden zur Bedämpfung auftretender Temperaturspitzen. Diese Lagen sind insbesondere auf der vom Kühlkörper abgewandten Seite der Leistungshalbleiter vorgesehen und mittels Durchkontaktierungen wärmeleitend miteinander verbunden. Insbesondere ist der Leistungshalbleiter auf seiner der Leiterplatte zugewandten Seite metallisch ausgeführt und lötverbunden mit der äußeren Lage der Leiterplatte. Auf diese Weise ist eine besonders gute Ankoppelung an diese Lagenbereiche der Leiterplatte 35 erreicht und die Aufspreizung von Spitzenwärmeströmen leicht ermöglicht.
Vorteiligerweise weist der Leistungshalbleiter auch zum vorzugsweise aus Metall oder Keramik ausgeführten Kühlkörper hin einen metallischen Bereich auf, um einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand zu diesem hin zu ermöglichen.
Die Leiterplatte ist in einem Schalenteil 32 aus Kunststoff vorgesehen, das einerseits entsprechend geformte Bereiche zur seitlichen, also senkrecht zur Normalenrichtung der Leiterplattenebene, Begrenzung der Bewegbarkeit der Leiterplatte aufweist. Diese so geformten Bereiche sind in der Figur 3 als Aufnahme 321 dargestellt. Andererseits weist das Schalenteil als Niederhalter eingesetzte Andrückdome 322 auf, die auf den Kühlkörper hin gerichtete Andrückkräfte durchleiten und in Berührbereichen mit der Leiterplatte 35 an diese weitergeben. Diese Berührbereiche sind seitlich versetzt vorgesehen vom Bereich der Leistungshalbleiter 34. Die Andrückkräfte werden also mittels der etwas elastisch auslenkbaren Leiterplatte 35 an die Leistungshalbleiter weitergegeben, die hierdurch auf den Kühlkörper gedrückt werden.
Das Schalenteil 32 wird mittels Schrauben 36, die ebenfalls seitlich versetzt vom überdeckten Bereich der Leistungshalbleiter 34 vorgesehen sind, verschraubt gegen den Kühlkörper oder ein mit diesem verbundenes Gehäuseteil. Auf diese Weise ist hierbei Andrückkraft erzeugbar und mittels der Andrückdome an die Leiterplatte übertragbar. Alternativ oder zusätzlich ist die Andrückkraft oder ein Teil hiervon mittels eines in das Schalenteil oder direkt an die Leiterplatte angreifenden Werkzeuges übertragbar.
Zwischen Leistungshalbleiter 34 und Kühlkörper 31 ist Wärmeleitpaste vorgesehen. Die hohen Andrückkräfte ermöglichen einen guten Wärmeübergang, also einen geringen Wärmeübergangswiderstand vom Leistungshalbleiter zum Kühlkörper. Denn bei Einwirkung der hohen Kräfte über eine gewisse Zeitspanne werden die Mikroräume von der Paste gut ausgefüllt und Lufteinschlüsse verringert.
Statt der genannten Wärmeleitpaste zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper ist in allen Ausführungsbeispielen auch ein Wärmeleitklebstoff einbringbar. Vorteiligerweise härtet dieser nach einer gewissen Zeitspanne aus und erhält somit den Wärmeübergangswiderstand auf dem erreichten niedrigen Wert oder zumindest unterhalb eines kritischen Wertes.
In der Figur 4 ist ein zentraler, im benachbarten Bereich des Bauelements vorgesehener Bereich der Leiterplatte vom Niederhalter 322 beaufschlagt. Im Gegensatz zur Figur 3 liegt also kein seitliches Andrücken mittels der Niederhalter 322 vor.
Figur 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt zu Figur 3 und 4. Hier ist verdeutlicht, dass der Leistungshalbleiter 34 an seinen Anschlussbeinchen Sicken 500 aufweist, wodurch die Lötverbindung der Beinchen mit Leiterbahnen der Leiterplatte 35 entlastet wird, insbesondere bei thermisch bedingten wechselnden Spannungen. Figur 6 zeigt für ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eine hohle Ausführung eines Niederhalters 322 in Schnittdarstellung. Durch Einführen eines Werkzeuges in den Hohlraum 600 ist Andrückkraft einbringbar. Das eingeführte Werkzeug bewirkt dann ein direktes Übertragen der Andrückkraft in den Bereich der Leiterplatte, welcher vom Bauelement überdeckt ist. Die sonstige Ausführung bei dieser Anordnung entspricht den Figuren 3 oder 4.
Bei allen Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 6 wird in dieser ersten Zeitspanne nach dem Verbinden der Schrauben eine hohe Andrückkraft zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstandes vorgesehen, die das jeweilige wärmeerzeugende
Bauelement, insbesondere Leistungshalbleiter, gegen den Kühlkörper drückt, wobei die Wärmeleitpaste, Wärmeleitklebstoff oder ein ähnlich gut wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Medium im Zwischen bereich zwischen Bauelement und Kühlkörper angeordnet ist.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die auf die Leistungshalbleiter wirkende Andrückkraft auf einen hohen Wert zwischen 10 und 200 N festgelegt, beispielsweise 50 N. Hierzu sind zusätzliche krafterzeugende Mittel, wie beispielsweise die genannten Werkzeuge, verwendbar oder die Komponenten, wie beispielsweise das genannte Schalenteil, sind derart dimensioniert, dass beim Verbinden der Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung die hohe Andrückkraft für eine erste Zeitspanne gewährleistbar ist.
Die erste Zeitspanne beträgt einige Minuten, insbesondere zwischen einer und hundert Minuten. Danach wird die Andrückkraft reduziert, indem entweder das Werkzeug zur Krafterzeugung entfernt wird oder eine Alterung des krafterzeugenden Kunststoffteil, beispielsweise ein Verfließen, auftritt. Die Andrückkraft darf hierbei 10 % bis 60 %, insbesondere 50% des Wertes in der ersten Zeitspanne unterschreiten.
Die hohe Andrückkraft bewirkt, dass der über die Wärmeleitpaste oder das Medium vermittelte Wärmeübergangswiderstand sehr niedrig wird. Hierzu trägt eine Verdrängung von Mikro-Luftbläschen und Luft-Einschlüssen bei und außerdem fügt sich die Wärmeleitpaste in die im Mikrobereich raue Oberfläche des Leistungshalbleiters und des Kühlkörpers möglichst gut ein. Hierbei ist wichtig, dass die Kraftverteilung im Bereich des Mediums nicht konstant ist und somit die Luftbläschen in eine jeweilige Richtung getrieben werden. Erfindungsgemäß wird dieser Vorgang beschleunigt, indem ein zusätzliches mechanisches Spannungswechselfeld einwirkt im Bereich der Wärmeleitpaste. Hierzu wird Ultraschall von außen zugeführt oder in eine Komponente des Geräts, wie beispielsweise den Kühlkörper, Körperschall eingekoppelt. Auf diese Weise ist die notwendige erste Zeitspanne verkürzbar und auch der hohe Betrag der Andrückkraft während der ersten Zeitspanne reduzierbar.
Besonders vorteilhaft hat sich ein innerhalb der Wärmeleitpaste anisotrop eingebrachtes Schallfeld erwiesen. Bei ausgeprägtem Feldstärkegradienten des Ultraschallfeldes ist eine weitere Verkürzung der ersten Zeitspanne und eine Reduzierung des Betrages der Andrückkraft zulässig.
Wie oben erwähnt, ist nach der ersten Zeitspanne, beispielsweise während der Standzeit des erfindungsgemäßen Geräts, also Betriebszeit, eine reduzierte Andrückkraft ausreichend.
Das Schalenteil ist aus Kunststoff ausführbar, da die bei Montage aufgebrachte hohe Andrückkraft eine derart gute Anbindung des Bauelements an den Kühlkörper bewirkt, dass auch bei während der Betriebszeit reduzierter Andrückkraft, beispielsweise infolge Verfließens des Kunststoffes und somit Reduzierung der vom Schalenteil erzeugten Federkraft, ein sehr niedriger Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauelement und Kühlkörper erhalten bleibt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist der Niederhalter 322 nicht seitlich neben dem sondern im Bereich der wärmeerzeugenden Bauelemente vorgesehen. Auf diese Weise ist nicht die Elastizität des Schalenteils wirksam sondern die - beispielsweise von einem externen Werkzeug eingebrachte - Andrückkraft wird direkt vom Niederhalter 322 auf die Leiterplatte und von dieser an das Bauelement, insbesondere Leistungshalbleiter, übertragen.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist das Werkzeug selbst zum Einkoppeln des mechanischen Wechselfeldes verwendet. Somit werden gleichzeitig eine hohe Andrückkraft und das mechanische Wechselfeld im selben Bereich eingekoppelt. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt oder zusätzlich zum mechanischen Wechselfeld ein thermisches Wechselfeld eingekoppelt. Die Einkoppelung wird dabei direkt in den Zwischenbereich zwischen wärmeerzeugendes Bauelement und Kühlkörper ausgeführt oder über den Kühlkörper eingebracht. Alternativ ist auch ein thermisches Wechselfeld über geeignete Bestromung der Leistungshalbleiter einbringbar. Die Frequenz des thermischen Wechselfeldes liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0.01 Hz und 10 Hz. Es sind aber auch andere Frequenzen vorteilhaft anwendbar. Weiterer Vorteil des thermischen Wechselfeldes ist auch, dass gleichzeitig eine Erwärmung ausführbar ist, die zu einem Aushärten eines in den Zwischenbereich eingebrachten Wärmeleitklebstoffes führt, und andererseits wechselnde mechanische Spannungen eingebracht werden in den Zwischenbereich, die zu einer Verbesserung des Wärmeübergangswiderstandes führen.
Wie auch bei Einbringen eines mechanischen Wechselfeldes werden Lufteinschlüsse in der Wärmeleitpaste oder im Wärmeleitklebstoff und/oder Lufteinschlüsse zwischen Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und Kühlkörper einerseits sowie Bauelement andererseits verdrängt und somit die wärmeübertragende Gesamtberührfläche zwischen Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und Kühlkörper einerseits sowie zwischen Wärmeleitpaste oder Wärmeleitklebstoff und Bauelement andererseits vergrößert. Hierfür ist eine erste Zeitspanne notwendig. Auch bei späterem Abfallen der Andrückkraft bleibt dann diese große Gesamtfläche der Berührung des Mediums mit dem Bauelement und des Mediums mit dem Kühlkörper erhalten. Die genannten Wärmewellen ermöglichen, dass ein verwendeter Wärmeleitklebstoff am Ende der ersten Zeitspanne ausgehärtet ist und somit ein Reduzieren der Andrückkraft, beispielsweise mittels eines Zurückziehens des Werkzeuges aus dem hohlen Niederhalter 322 oder ein Verfließen des Kunststoffs, nicht zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangswiderstandes zwischen Bauelement und Kühlkörper führt.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird die Andrückkraft anstatt über die Niederhalter und das Schalenteil an die Leiterplatte und von dort an die Leistungshalbleiter direkt an die Leiterplatte oder die Leistungshalbleiter übertragen. Hierzu sind auch Ausnehmungen im Schalenteil vorsehbar, durch welche das Werkzeug hindurchführbar und somit direkt in Berührung bringbar ist mit der Leiterplatte.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird als mechanisches Wechselfeld eine beispielsweise durch ein Werkzeug aufgezwungene periodische Abstandsänderung zwischen Bauelement und Kühlkörper vorgesehen währen der ersten Zeitspanne. Vorzugsweise ist die Amplitude dieser Abstandsänderung geringer als 100μm, insbesondere im Bereich von 10μm bis 30μm. Die Frequenz dieser Abstandsänderung ist vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 Hz und 100 Hz.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung,
welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, insbesondere zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands,
dadurch gekennzeichnet, dass
während einer ersten Zeitspanne der Betrag der Andrückkraft größer ist als ein erster Wert und danach kleiner ist als der erste Wert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Zeitspanne ein mechanisches und/oder thermisches Wechselfeld zusätzlich eingebracht und/oder eingeleitet wird, insbesondere in den Zwischenbereich zwischen Kühlkörper und Bauelement oder in den Kontaktbereich des Kühlkörpers zum Bauelement oder in das zwischengeordnete Medium.
3. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung,
welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft, insbesondere zur Erreichung eines geringen Wärmeübergangswiderstands,
dadurch gekennzeichnet, dass
während einer ersten Zeitspanne ein mechanisches und/oder thermisches Wechselfeld eingebracht und/oder eingeleitet wird, insbesondere in den Zwischenbereich zwischen Kühlkörper und Bauelement oder in den Kontaktbereich des Kühlkörpers zum Bauelement oder in das zwischengeordnete Medium.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Zeitspanne der Betrag der Andrückkraft größer ist als ein erster Wert und danach kleiner ist als der erste Wert.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Bauelement und Kühlkörper ein Medium, wie Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber oder ein wärmeleitendes elektrisch isolierendes flüssiges Medium vorgesehen ist. 5
6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Andrückkraft mechanisch erzeugt ist von von der Vorrichtung umfassten Federelementen, insbesondere mit Haltemitteln der Vorrichtung verbundenen Federmitteln. 10
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Andrückkraft mechanisch erzeugt ist von zusätzlichen nur bei der Herstellung während der ersten Zeitspanne mit der Vorrichtung verbundenen oder diese berührenden Mitteln. 15
8. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Wechselfeld akustische Wellen umfasst, insbesondere Infraschall-, Ultraschall oder hörbare Schallwellen. 20
9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Wechselfeld als Körperschall vorgesehen ist.
25 10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische und/oder thermische Wechselfeld in den Kühlkörper, in das Medium und/oder in den Leistungshalbleiter eingekoppelt wird oder darin erzeugt wird.
30 11. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Wechselfeld auch wechselnde Druck- und Zugspannungskomponenten in Richtung der Normale der Berührebene zwischen Kühlkörper und Bauelement umfasst.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Wechselfeld erzeugt ist von dem wärmeerzeugenden Bauelement, insbesondere indem dessen elektrische Leistungsaufnahme entsprechend mit dem zeitlichen Verlauf wechselnd gesteuert vorgegeben wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeerzeugende Bauelement ein Leistungshalbleiter, insbesondere der Wechselrichter-Endstufe eines Umrichters, ist.
14. Verwendung eines thermischen und/oder mechanischen Wechselfeldes beim Herstellen einer Vorrichtung,
welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
wobei das Bauelement auf den Kühlkörper hin gedrückt wird mit einer Andrückkraft,
wobei das Wechselfeld während einer ersten Zeitspanne wirksam ist in einem Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper.
15. Verwendung eines thermischen und/oder mechanischen Wechselfeldes bei einer Herstellung einer Kühlanordnung, umfassend wärmeerzeugendes Bauelement und Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselfeld während einer ersten Zeitspanne in einen Bereich zwischen Bauelement und Kühlkörper eingekoppelt und/oder eingestrahlt wird.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Zeitspanne der Betrag einer Andrückkraft größer ist als ein erster Wert und nach der ersten Zeitspanne kleiner ist als der erste Wert.
17. Vorrichtung, welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Federelement zum Andrücken des Bauelementes auf den Kühlkörper hin vorgesehen ist,
wobei, insbesondere zumindest während einer ersten Zeitspanne, der Kühlkörper und/oder das Bauelement derart ausgeführt sind, dass Mittel zur Erzeugung eines thermischen und/oder mechanischen Wechselfeldes ankoppelbar sind.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauelement oder am Kühlkörper eine mechanische und/oder wärmeleitende Schnittstelle zur Ankoppelung der Mittel vorgesehen ist. 5
19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel im Bauelement oder im Kühlkörper vorgesehen sind.
10 20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement einen elektromechanischen und/oder elektrisch-thermischen Wandler als Mittel umfasst.
15 21. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel ein Piezowandler vorgesehen ist.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, 20 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement derart ausgeführt ist und in das Bauelement derartige Wechselströme einprägbar sind, dass ein thermisches und/oder mechanisches Wechselfeld vom Bauelement abgestrahlt wird, insbesondere Körperschallwellen und/oder thermische Wellen.
25 23. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als Leistungshalbleiter, insbesondere IGBT, oder Modul, umfassend mindestens zwei Leistungshalbleiter, wie IGBT, Dioden oder dergleichen, ausgeführt ist.
30 24. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Kunststoffteil ausgeführt ist, in welchem eine Leiterplatte eingelegt vorgesehen ist, die mit dem Bauelement bestückt ist.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil an den Kühlkörper mit Schrauben derart verbunden ist, dass es elastisch ausgelenkt ist, wobei die so erzeugte Federkraft über Niederhalter, insbesondere Andrückdome, auf die Leiterplatte übertragen wird.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederhalter hohl ausgeführt sind zum Einführen eines Werkzeuges, insbesondere eines eine Andrückkraft und/oder ein thermisches und/oder ein mechanisches Wechselfeld einkoppelndes Werkzeug.
PCT/EP2008/006796 2007-09-21 2008-08-19 Vefahren zur herstellung einer vorrichtung, verwendung eines mechanischen wechselfeldes beim herstellen einer vorrichtung und vorrichtung WO2009039921A1 (de)

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