WO2013167322A1 - Anordnung zur wärmeableitung für ein kunststoffgehäuse mit darin angeordneten elektronischen bauelementen - Google Patents

Anordnung zur wärmeableitung für ein kunststoffgehäuse mit darin angeordneten elektronischen bauelementen Download PDF

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Markus HARTINGER
Joerg Brandes
Detlef Prahl
Rolf Falliano
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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for heat dissipation for a plastic housing with electronic components arranged therein, in which at least one housing wall of the plastic housing at least partially
  • the relatively low thermal conductivity may be sufficient to meet the requirements in certain applications, but the comparatively poor heat dissipation leads in many cases to a much more inhomogeneous temperature distribution than metals and thus to a much more inefficient use of the available cooling surface than when using of metallic inserts in the plastic housing.
  • the use of metallic inserts as a heat sink in plastic housings with low thermal conductivity is typically done so that by completely encapsulating a portion of the heat sink it is firmly connected to the plastic housing, wherein a non-molded portion of the heat sink is available as a component mounting surface available, compare for example DE 102 47 828 B4.
  • a not completely encapsulated plate-shaped metallic heat dissipation element which forms a part of the housing wall.
  • the non-extrusion-coated front side of the metal plate facing away from the components forms part of the outer surface of the bottom of the plastic housing.
  • Component side the metal plate is partially over-injected with plastic material, while other areas are in direct contact with components, so that a channeled heat flow to the heat sink, so the mounting surface on which the bottom of the housing or the metal plate are arranged is allowed.
  • the substantially plate-shaped heat dissipation element forms a part of the inner surface of the housing wall with its non-encapsulated front side facing the interior of the housing, the other sides of the plate-shaped heat dissipation element being encapsulated.
  • the invention is based on the idea, a (apart from minor deviations) plate or cuboid heat dissipation element, that is, a good heat-conducting material, by encapsulation so in one
  • Housing wall to be integrated so that it is completely covered with plastic on the edge and outwards, ie on five sides, and thus no (accessible from the outside) transition area, which can lead to cracking and thus leaks.
  • the resulting thermal contact resistance is an addition of the individual thermal resistances of metal plate and plastic, which opens up the possibility, the (thermal) disadvantage of a plastic with low thermal conductivity due to the high thermal conductivity of the metal and consequent better utilization of the available Overcompensate surface.
  • Compared to a pure (good heat-conducting) plastic housing results in addition to the cost advantage, the advantage of increased mechanical stability of the plastic parts by .Arm ist'des plastic, especially with metal.
  • the plate-shaped heat dissipation element made of metal, wherein advantageously simple stamping plates can be used without special surface treatment or contour.
  • the metal plate is electrically connected to ground and forms due to the electrical conductivity of the metal, in particular together with other electrically connected to the metal plate ground guide members, a screen for arranged in the housing components.
  • the insert practices a double function, on the one hand in the context of heat dissipation according to the invention, on the other hand as a shield, from.
  • the housing consists of a low thermal conductivity, in particular about 0.1 to 0.3 W / mK, having plastic.
  • the thickness (d) of the plate-shaped heat dissipation element and the thickness (Dd) covered by the heat dissipation element housing wall in connection with the associated varnishleitschreib- be chosen so that the resulting from the material combination total thermal contact resistance smaller or the same as a housing wall, which consists throughout only of a high thermal conductivity costly plastic.
  • the housing from a plastic having a high thermal conductivity, in particular approximately 1 to 2 W / mK, for example, with a particularly high power loss of the heat-carrying components.
  • the combination with the very low thermal contact resistance of the heat dissipation element results in a particularly good heat dissipation.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a housing wall with heat dissipation according to the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the invention with a housing part designed as a flange in a perspective view.
  • FIG. 1 shows a section through a housing wall 1 of a plastic housing.
  • a serving as a heat dissipation element metal plate 2 is encapsulated on the edge sides and on the side facing away from the housing interior face with the cheap material with low thermal conductivity of the plastic housing.
  • a printed circuit board 3 With his the electrical components facing not Recognizable is furthermore a printed circuit board 3, are arranged on the heat-carrying electronic components 4, and by means of a gap filler 5 to compensate for unevenness, for example, a thermal grease and / or an adhesive, is arranged flat on the upper end face 7 of the metal plate 2.
  • a cooling of electrical components 4 is known to be possible through a printed circuit board 3 through.
  • the heat flow from the component 4 to the bottom of the housing wall 1 is indicated in Figure 1 with arrows.
  • the heat-introducing components 4 can also be arranged without a printed circuit board inside the housing with a defined distance to the metal plate 2 or be mounted and fastened directly on the metal plate 2.
  • the thermal contact resistance R th is calculated as known, analogous to the electrical resistance, as a quotient of the length or thickness of the heat conductor and the product of the thermal conductivity of the material and the cross-sectional area of the heat conductor.
  • the thickness d of the metal plate 2 is 1 mm in the illustrated embodiments, its surface 10 cm 2 and the thickness D of the housing wall 1 2 mm. From this, for an aluminum plate 2, with an area of the component 4 of 1 cm 2 , a thermal contact resistance of only 0.043 KW is calculated, while for the 1 mm thick plastic layer underneath (thermal conductivity 0.2 W / mK) a contact resistance of 5 K / W results. Added results in a much smaller thermal contact resistance than in a 2 mm thick conventional housing wall of good heat conducting material (1 W / mK), which is calculated to 20 K / W.
  • Figure 2 shows the front of a flange 8 which forms part of a plastic housing which houses the electronics of a fan motor.
  • a known electric flat motor with stator, tails (rotor) and motor shaft can be arranged on the back of the flange 8.
  • a metal plate 2 insert (shown here without the components to be arranged thereon), which functions on the one hand in the sense of the heat-dissipating arrangement according to the invention and on the other hand, in the case of electrical connection to ground, as electrical shielding.

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Abstract

Bei einer Anordnung, bei der mindestens eine Gehäusewand (1) eines Kunststoffgehäuses mindestens ein teilweise umspritztes, ein Teil der Gehäusewand (1) bildendes plattenförmiges Wärmeabführungselement (2) aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das plattenförmige Wärmeabführungselement (2) mit seiner dem Gehäuseinneren zugewandten nicht umspritzten Stirnseite (7) einen Teil der inneren Fläche der Gehäusewand (1) bildet, wobei die anderen Seiten des plattenförmigen Wärmeableitungselements (2) umspritzt sind. Dadurch wird ein Gehäuse mit guter Wärmeableitung und hohe Dichtigkeit geschaffen.

Description

Beschreibung Titel
Anordnung zur Wärmeableitung für ein Kunststoffgehäuse mit darin
angeordneten elektronischen Bauelementen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wärmeableitung für ein Kunststoffgehäuse mit darin angeordneten elektronischen Bauelementen, bei der mindestens eine Gehäusewand des Kunststoffgehäuses mindestens ein teilweise
umspritztes, ein Teil der Gehäusewand bildendes im Wesentlichen plattenförmi- ges Wärmeabführungselement aufweist.
Eine gattungsgemäße Anordnung ist beispielsweise aus der DE 39 16 899 C2 bekannt.
Aufgrund des geringeren Gewichts und der günstigeren Herstellungsweise werden insbesondere in Kraftfahrzeugen Metallgehäuse zunehmend durch Kunststoffgehäuse ersetzt. Zur Kühlung der wärmeeintragenden Bauelemente ist unter anderem die Verwendung von gut wärmeleitenden Kunststoffen für das Gehäuse bekannt. Derartige Werkstoffe können zwar die Dichtheit der entsprechenden Gehäuse sichern, bringen jedoch erhebliche Kostennachteile mit sich und haben eine um den Faktor 100 bis 300 schlechtere Wärmeleitfähigkeit (circa 1 -2 W/mK) als Aluminium (circa 230 W/mK) beziehungsweise Kupfer (circa 350 W/mK). Zwar kann die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit ausreichend sein, um in bestimmten Anwendungen die Vorgaben zu erfüllen, allerdings führt die vergleichsweise schlechte Wärmeableitung in vielen Fällen zu einer deutlich inhomogeneren Temperaturverteilung als bei Metallen und damit zu einer deutlich ineffizienteren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Kühlfläche als bei Verwendung von metallischen Einlegeteilen im Kunststoffgehäuse. Die Verwendung von metallischen Einlegeteilen als Kühlkörper bei Kunststoffgehäusen mit geringer Wärmeleitfähigkeit geschieht typischerweise so, dass durch vollständiges Umspritzen eines Teils des Kühlkörpers dieser fest mit dem Kunststoffgehäuse verbunden ist, wobei ein nicht umspritzter Abschnitt des Kühlkörpers als Bauelemente-Montagefläche zur Verfügung steht, vergleiche beispielsweise DE 102 47 828 B4.
Aus der gattungsgemäßen DE 39 16 899 C2 ist ein nicht vollständig umspritztes plattenförmiges metallisches Wärmeabführungselement bekannt, welches ein Teil der Gehäusewand bildet. Dabei bildet die von den Bauelementen abgewandte nicht umspritzte Stirnseite der Metallplatte einen Teil der Außenfläche des Bodens des Kunststoffgehäuses. Bauelementeseitig ist die Metallplatte bereichsweise mit Kunststoffmaterial überspritzt, während andere Bereiche in direktem Kontakt mit Bauelementen stehen, so dass ein kanalisierter Wärmefluss zur Wärmesenke, also der Befestigungsfläche, auf der der Boden des Gehäuses beziehungsweise die Metallplatte angeordnet sind, ermöglicht wird.
Derartige Einlegeteile aus Metall, die mit Kunststoff teilumspritzt werden, haben jedoch generell den Nachteil, dass an den Übergängen zwischen Kunststoff und Metall durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten Risse, insbesondere durch Schrumpfen des Kunststoffs beim Abkühlen, entstehen können. Die Un- dichtheit führt zu Feuchtigkeitseintritt oder gar Wassereintritt und kann somit die Elektronik zerstören. Durch eine insbesondere kostenaufwändige Formgebung der Metallteile im Übergangsbereich (Verrippung, Verdünnung, spezielle Oberflächenbehandlung) kann die Gefahr der Undichtheit minimiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Wärmeableitungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere eine sichere Abdichtung der Elektronik gewährleistet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Wärmeableitungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Bei der erfindungsgemäßen Wärmeableitungsanordnung bildet das im Wesentlichen plattenförmige Wärmeabführungselement mit seiner dem Gehäuseinneren zugewandten nicht umspritzten Stirnseite einen Teil der inneren Fläche der Gehäusewand, wobei die anderen Seiten des plattenförmigen Wärmeableitungs- elements umspritzt sind.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, ein (abgesehen von kleineren Abweichungen) platten- beziehungsweise quaderförmiges Wärmeabführungselement, das heißt ein gut wärmeleitendes Material, durch Umspritzen so in eine
Gehäusewand zu integrieren, dass es randseitig und nach außen hin, also an fünf Seiten, vollständig mit Kunststoff bedeckt ist und dadurch keinerlei (von außen zugänglicher) Übergangsbereich entsteht, der zu Rissbildung und damit Un- dichtheit führen kann. Der sich dann ergebende thermische Übergangswiderstand ist eine Addition der einzelnen Wärmewiderstände von Metall platte und Kunststoff, wodurch sich die Möglichkeit eröffnet, den (wärmetechnischen) Nachteil eines Kunststoffs mit geringer Wärmeleitfähigkeit durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls und der dadurch bedingten besseren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche überzukompensieren. Es ergibt sich somit eine kostengünstige und vor allem prozesssichere Möglichkeit, um Leistungselektroniken in Gehäusen aus leicht erhältlichen Standard-Kunststoffen ausreichend zu kühlen und gleichzeitig sicher abzudichten. Gegenüber einem reinen (gut wärmeleitenden) Kunststoffgehäuse ergibt sich, neben dem Kostenvorteil, der Vorteil einer erhöhten mechanischen Stabilität der Kunststoffteile durch .Armierung'des Kunststoffs, insbesondere mit Metall.
Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung besteht das plattenförmige Wärmeabführungselement aus Metall, wobei vorteilhafterweise einfache Stanzbleche ohne besondere Oberflächenbehandlung oder Kontur verwendet werden können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der letztgenannten Weiterbildung der Erfindung ist die Metallplatte elektrisch an Masse angebunden und bildet aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Metalls, insbesondere zusammen mit weiteren elektrisch an die Metallplatte angebundenen Masseführungsteilen, eine Schir- mung für im Gehäuse angeordnete Bauelemente. Auf diese Weise übt das Insert eine Doppelfunktion, einerseits im Rahmen der erfindungsgemäßen Wärmeableitung, andererseits als Schirmung, aus.
Bei einer als besonders vorteilhaft angesehenen weiteren Weiterbildung der Er- findung besteht das Gehäuse aus einem eine geringe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere circa 0,1 bis 0,3 W/mK, aufweisenden Kunststoff. Damit kann, gemäß einer weiteren Ausgestaltung, die Dicke (d) des plattenförmigen Wärmeabführungselements und die Dicke (D-d) der vom Wärmeabführungselement überdeckten Gehäusewand im Zusammenhang mit den zugehörigen Wärmeleitfähig- keiten so gewählt sein, dass der sich aus der Materialkombination ergebende gesamte thermische Übergangswiderstand kleiner oder gleich wie bei einer Gehäusewand ist, die durchgängig nur aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden kostenaufwändigen Kunststoff besteht. Andererseits besteht, gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung, auch die Möglichkeit, beispielsweise bei besonders hoher Verlustleistung der wärmeeintragenden Bauelemente, das Gehäuse aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere circa 1 bis 2 W/mK, aufweisenden Kunststoff herzustellen. Durch die Kombination mit dem sehr geringen thermischen Übergangswider- stand des Wärmeableitungselementes ergibt sich eine besonders gute Wärmeableitung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Gehäusewand mit erfindungsgemäßer Wärmeableitung,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem als Flansch ausgebilde- ten Gehäuseteil in perspektivischer Ansicht.
In Figur 1 ist ein Schnitt durch eine Gehäusewand 1 eines Kunststoffgehäuses dargestellt. Eine als Wärmeabführungselement dienende Metallplatte 2 ist an den Randseiten und an der vom Gehäuseinneren abgewandten Stirnseite mit dem günstigen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffgehäuses umspritzt. Mit seiner den elektrischen Bauelementen zugewandten nicht umspritzten Stirnseite 7 fluchtet das Wärmeabführungselement 2 mit der Innenfläche der Gehäusewand 1. Erkennbar ist weiterhin eine Leiterplatte 3, auf der wärmeeintragende elektronische Bauelemente 4 angeordnet sind, und die mittels eines Gap-Fillers 5 zum Ausgleich von Unebenheiten, zum Beispiel einer Wärmeleitpaste und/oder einem Kleber, flächig auf der oberen Stirnseite 7 der Metallplatte 2 angeordnet ist. Eine Entwärmung elektrischer Bauelemente 4 ist bekanntlich auch durch eine Leiterplatte 3 hindurch möglich. Der Wärmefluss vom Bauelement 4 zur Unterseite der Gehäusewand 1 ist in Figur 1 mit Pfeilen angedeutet. Die wärmeeintragenden Bauelemente 4 können im Übrigen auch ohne Leiterplatte im Gehäuseinneren mit definiertem Abstand zur Metallplatte 2 angeordnet oder direkt auf der Metallplatte 2 montiert und befestigt sein.
Der thermische Übergangswiderstand Rth errechnet sich bekanntlich, analog zum elektrischen Widerstand, als Quotient aus der Länge beziehungsweise Dicke des Wärmeleiters und dem Produkt aus der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Querschnittfläche des Wärmeleiters. Die Dicke d der Metallplatte 2 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispielen 1 mm, ihre Fläche 10 cm2 und die Dicke D der Gehäusewand 1 2 mm. Daraus errechnet sich für eine Aluminiumsplatte 2, mit einer Fläche des Bauelementes 4 von 1 cm2, ein thermischer Übergangswiderstand von nur 0,043 K W, während sich für die 1 mm starke Kunststoffschicht darunter (thermische Leitfähigkeit 0,2 W/mK) ein Übergangswiderstand von 5 K/W ergibt. Addiert ergibt sich ein wesentlich kleinerer thermischer Übergangswiderstand als bei einer 2 mm dicken konventionellen Gehäusewand aus gut wärmeleitenden Material (1 W/mK), der sich zu 20 K/W berechnet.
Figur 2 zeigt die Vorderseite eines Flansch 8, der einen Teil eines Kunststoffgehäuses bildet, das die Elektronik eines Gebläsemotors aufnimmt. Auf der Rückseite des Flansch 8 kann beispielsweise (nicht dargestellt) ein an sich bekannter elektrischer Flachmotor mit Statoreinheit, Ausläufer (Rotor) und Motorwelle angeordnet sein. Außerdem erkennbar in Figur 2 ist eine Metallplatte 2 (Insert) (hier dargestellt ohne die darauf anzuordnenden Bauelemente), die einerseits im Sinne der erfindungsgemäßen wärmeableitenden Anordnung und andererseits, bei elektrischer Anbindung an Masse, als elektrische Schirmung fungiert.

Claims

Ansprüche
1 . Anordnung zur Wärmeableitung für ein Kunststoffgehäuse mit darin angeordneten elektronischen Bauelementen (4), bei der mindestens eine
Gehäusewand (1 ) des Kunststoffgehäuses mindestens ein teilweise umspritztes, ein Teil der Gehäusewand (1 ) bildendes im Wesentlichen plat- tenförmiges Wärmeabführungselement (2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das im Wesentlichen plattenförmige Wärmeabführungselement (2) mit seiner dem Gehäuseinneren zugewandten nicht umspritzten Stirnseite (7) einen Teil der inneren Fläche der Gehäusewand (1 ) bildet, wobei die anderen Seiten des plattenförmigen Wärmeableitungselements (2) umspritzt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabführungselement (2) aus Metall besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) elektrisch an Masse angebunden ist und, insbesondere zusammen mit weiteren elektrisch an die Metallplatte angebundenen Masseführungsteilen, eine Schirmung für im Gehäuse angeordnete Bauelemente (4) bildet.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem eine geringe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere circa 0,1 bis 0,3 W/mK, aufweisenden Kunststoff besteht.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des plattenförmigen Wärmeabführungselements (2) und die Dicke (D-d) der vom Wärmeabführungselement (2) überdeckten Gehäusewand (1 ) im Zusammenhang mit den zugehörigen Wärmeleitfähigkeiten so gewählt ist, dass der sich aus der Materialkombination ergebende gesamte thermische Übergangswiderstand kleiner oder gleich wie bei einer Gehäusewand (1 ) st, die durchgängig nur aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoff besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabführungselement (2) aus Metall besteht, und dass die Dicke (d) der Metallplatte (2) und die Dicke (D-d) der von ihr überdeckten Gehäusewand (1 ) jeweils in der Größenordnung von 1 mm liegt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeeintragenden Bauelemente (4) auf eine Leiterplatte (3) angeordnet sind, wobei die Leiterplatte (3) über ein Dielektrikum (5) direkt auf der nicht umspritzten Stirnseite (7) des Wärmeabführungselements (2) angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere circa 1 bis 2 W/mK, aufweisenden Kunststoff besteht.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (1 ) als Flansch (8) eines Elektromotors, insbesondere eines Gebläsemotors, mit integrierter Elektronik ausgebildet ist.
PCT/EP2013/057000 2012-05-09 2013-04-03 Anordnung zur wärmeableitung für ein kunststoffgehäuse mit darin angeordneten elektronischen bauelementen WO2013167322A1 (de)

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