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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements.
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Aus der Veröffentlichung Shubauer, B., Hanson, K.: Compressive Modulus of Elasticity for Gap Pad Materials®, application Note Nr. 16, The Berquist Company, 1999, ist ein wärmeleitendes viskoelastisches Material zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung für eine Anordnung zum Kühlen zumindest eines elektrischen Bauelements bekannt, bei der zwischen dem Bauelement und einer Wärmesenke das wärmeleitende Material angeordnet ist und wobei eine Anpresskraft, deren Wert im Laufe der Zeit von einer hohen Anpresskraft zu einem niedrigen Wert abnimmt, auf das zumindest eine elektrische Bauelement wirkt.
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Aus der
US 2003/0 011 997 A1 ist die Verwendung von Wechselfeldern zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen einem elektrischen Bauelement und einem Kühlkörper bekannt.
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Aus der
DE 600 09 646 T2 ist eine weitere Verwendung von Wechselfeldern zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen einem elektrischen Bauelement und einer Wärmesenke bekannt.
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Aus der
DE 10 2004 046 475 A1 ist eine Kühlanordnung für ein elektrisches Bauelement bekannt, wobei das Bauelement mittels eines Federelements gegen einen Kühlkörper angepresst ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Elektrogeräts weiterzubilden, insbesondere zu beschleunigen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Herstellungsverfahren für eine Anordnung zum Kühlen eines elektrischen Bauelements, das Wärme leitend mit einem Kühlkörper verbunden ist, bei der zwischen dem zu kühlenden elektrischen Bauelement und dem Kühlkörper ein Wärme leitendes Material angeordnet ist und bei der das elektrische Bauelement an den Kühlkörper angepresst ist,
bei dem zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper das Wärme leitende Material als pastöses oder flüssiges Material aufgebracht wird,
bei dem in einem ersten Anpressschritt eine erste Anpresskraft und in einem zweiten Anpressschritt eine zweite Anpresskraft auf das Bauelement ausgeübt wird,
wobei die zweite Anpresskraft geringer ist als der Wert der ersten Anpresskraft,
wobei während des ersten Anpressschritts zusätzlich ein mechanisches Wechselfeld auf das aufgebrachte Wärme leitende Material einwirkt, um in dem Bereich zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper Lufteinschlüsse zu verringern oder Mikroräume aufzufüllen,
wobei das mechanische Wechselfeld in dem Bereich zwischen dem Kühlkörper (6) und dem Bauelement oder in das Wärme leitende Material eingebracht wird,
wobei als mechanisches Wechselfeld akustische Wellen verwendet werden, deren Frequenz im Bereich des hörbaren oder des Ultraschallbereichs liegt.
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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.
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Insbesondere wird während der ersten Zeitspanne ein mechanisches 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.
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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. Im Gegensatz dazu ist unter einem thermischen Wechselfeld beispielsweise ein schwankender Temperaturverlauf an einem von einer Wärmequelle beabstandeten Ort zu verstehen, der durch zeitlich schwankende Wärmeleistung der Wärmequelle erzeugbar ist.
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Unter dem Begriff des mechanischen Wechselfeldes ist auch eine beispielsweise durch ein Werkzeug aufgezwungene periodische Abstandsänderung zwischen Bauelement und Kühlkörper zu verstehen.
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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.
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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 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 Anwendung der genannten mechanischen Wellen ist eine besonders stark ausgeprägte Verkürzung der Anwendungsdauer der notwendigen anfänglich hohen Andrückkraft erreichbar.
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Bei der erfindungsgemäßen 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.
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Erfindungsgemäß 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.
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Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist die Andrückkraft mechanisch erzeugt von der Vorrichtung umfassten Federelementen, insbesondere mit Haltemitteln der Vorrichtung verbundenen Federmitteln. Von Vorteil ist dabei, dass keine speziellen zusätzlichen Mittel notwendig sind.
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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.
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Erfindungsgemäß 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.
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Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist das mechanische Wechselfeld als Körperschall vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass das Wechselfeld auch über den Kuhlkörper hin zum Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kuhlkörper leitbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das mechanische Wechselfeld in den Kuhlkörper, 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.
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Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das mechanische Wechselfeld auch wechselnde Druck- und Zugspannungskomponenten in Richtung der Normale der Berührebene zwischen Kuhlkörper und Bauelement. Von Vorteil ist dabei, dass Lufteinschlüsse herausquetschbar sind.
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Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist das wärmeerzeugende Bauelement ein Leistungshalbleiter, insbesondere der Wechselrichter-Endstufe eines Umrichters. 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.
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Somit ist bei der Erfindung ein mechanisches Wechselfeld beim Herstellen einer Vorrichtung verwendbar, wobei 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.
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Alternativ ist ein mechanisches Wechselfeld verwendbar, wobei 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.
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Erfindungsgemäß 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.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist verwendbar zur Herstellung einer Vorrichtung, welche zumindest ein wärmeerzeugendes Bauelement und einen Kühlkörper umfasst, wobei
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 mechanischen Wechselfeldes ankoppelbar sind.
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Insbesondere ist am Bauelement oder am Kühlkörper eine mechanische Schnittstelle zur Ankoppelung der Mittel vorsehbar. 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung umfasst das Bauelement einen elektromechanischen Wandler als Mittel. Von Vorteil ist dabei, dass ein elektromechanischer Wandler, wie beispielsweise ein Piezoelement, sehr verlustarm elektrische Energie in mechanische Energie umsetzt.
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Bei einer solchen Vorrichtung 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung ist das Bauelement derart ausgeführt und in das Bauelement sind derartige Wechselströme einprägbar, dass ein mechanisches Wechselfeld vom Bauelement abgestrahlt wird, insbesondere Körperschallwellen. 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung ist das Bauelement als Leistungshalbleiter, insbesondere IGBT, oder Modul, umfassend mindestens zwei Leistungshalbleiter, wie IGBT, 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung 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.
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Bei einer solchen Vorrichtung sind die Niederhalter hohl ausgeführt zum Einführen eines Werkzeuges, insbesondere eines eine Andrückkraft 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.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist ein montiertes Bauteil in Schnittansicht gezeichnet.
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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.
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In der 2 ist ein montiertes Bauteil in Schnittansicht gezeichnet.
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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.
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Als Toleranzen sind Vertikaltoleranzen, also in Richtung der Leiterplattenebene, und Horizontaltoleranzen, also in Normalenrichtung der Leiterplattenebene, ausgleichbar.
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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.
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Mittels der Sicke wird ein Ausgleich der Verschiebungstoleranz bewirkbar. Ohne die Sicke könnten schadenverursachende Spannungen am Bauteil und der Leiterplatte entstehen.
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Somit sind sogar komplexe Schaltungen, wie Umrichter, die wärmeerzeugende Leistungselektronik und weniger wärmeerzeugende Signalelektronik umfassen, auf einer Leiterplatte aufbaubar und in einem Bearbeitungsgang bestückbar.
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In der 3 ist für als weiteres Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung in schematischer Schnittansicht dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 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 Kuhlkörper gedrückt werden.
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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.
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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.
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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.
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In der 4 ist ein zentraler, im benachbarten Bereich des Bauelements vorgesehener Bereich der Leiterplatte vom Niederhalter 322 beaufschlagt. Im Gegensatz zur 3 liegt also kein seitliches Andrücken mittels der Niederhalter 322 vor.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt zu 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.
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6 zeigt für ein weiteres 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 3 oder 4.
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Bei allen Ausführungsbeispielen nach den 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 Zwischenbereich zwischen Bauelement und Kühlkörper angeordnet ist.
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Bei der Herstellung der 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 Vorrichtung die hohe Andrückkraft für eine erste Zeitspanne gewährleistbar ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie oben erwähnt, ist nach der ersten Zeitspanne, beispielsweise während der Standzeit des Geräts, also Betriebszeit, eine reduzierte Andrückkraft ausreichend.
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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.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 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.
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Weiter ist das Werkzeug selbst zum Einkoppeln des mechanischen Wechselfeldes verwendbar. Somit werden gleichzeitig eine hohe Andrückkraft und das mechanische Wechselfeld im selben Bereich eingekoppelt.
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Alternativ zur Erfindung wird 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 das thermische 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.
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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.
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Bei weiteren 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.
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Bei weiteren 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 100 μm, insbesondere im Bereich von 10 μm bis 30 μm. Die Frequenz dieser Abstandsänderung ist vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 Hz und 100 Hz.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Anschlussfüße
- 3
- Sicke, also bogenartige Verbiegung
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Lötstelle
- 6
- Kühlkörper
- 7
- Gehäuseteil
- 8
- Gehäuseteil
- 9
- Feder
- 31
- Kühlkörper
- 32
- Schalenteil
- 33
- elektronische Bauelemente
- 34
- Leistungshalbleiter
- 35
- Leiterplatte
- 36
- Schraube
- 321
- Aufnahme
- 322
- Niederhalter, Andrückdom
- 500
- Sicke
- 600
- Hohlraum für Einführen eines Werkzeuges
