DE102008019797A1

DE102008019797A1 - Kühlanordnung und Umrichter

Info

Publication number: DE102008019797A1
Application number: DE102008019797A
Authority: DE
Inventors: Jürgen BÖCKLE; Ralf Bennerscheidt; Adrian Kniejski
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: DE102008019797B4

Abstract

Kühlanordnung, umfassend einen Kühlkörper, eine Leiterplatte und mindestens ein auf ihr bestücktes wärmeerzeugendes Bauteil, wobei mindestens eine metallische Kontaktfläche des Bauteils mit einem ersten Teilbereich einer auf der Leiterplatte vorgesehenen Kupferfläche lötverbunden ist, wobei ein erster Endbereich eines Metallteils, insbesondere Metallbügels, mit einem zweiten Bereich der Kupferfläche lötverbunden ist und ein zweiter Endbereich mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung und Umrichter.
Es ist allgemein bekannt, dass Elektrogeräte Leiterplatten mit Kupferflächen umfassen, auf denen die elektronischen Bauteile mit ihren Kontaktflächen lötverbunden sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrogerät mit seiner Kühlanordnung weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Kühlanordnung nach den in Anspruch 1 und bei dem Umrichter nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Kühlanordnung sind, dass sie einen Kühlkörper, eine Leiterplatte und mindestens ein auf ihr bestücktes wärmeerzeugendes Bauteil umfasst,
wobei mindestens eine metallische Kontaktfläche des Bauteils mit einem ersten Teilbereich einer auf der Leiterplatte vorgesehenen Kupferfläche lötverbunden ist,
wobei ein erster Endbereich eines Metallteils, insbesondere Metallbügels, mit einem zweiten Bereich der Kupferfläche lötverbunden ist und ein zweiter Endbereich mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.
Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme nicht durch die Leiterplatte hindurch geleitet werden muss sondern auf der dem Bauteil zugewandten Seite über das Metallteil abführbar ist. Somit ist auf der vom Bauteil abgewandten Seite nur ein geringes Bauvolumen notwendig.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil mittels SMD-Technik oder mit seinen Anschlussfüßchen lötverbunden mit dem auf der Leiterplatte vorgesehenen ersten Teilbereich der Kupferfläche. Von Vorteil ist dabei, dass Wärme vom Bauteil direkt in die Kupferfläche abführbar ist. Es sind sogar speziell geeignete Oberflächenbereiche des Bauteils metallisch ausführbar und somit Wärme an die Kupferfläche ableitbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kupferfläche auf einer oder an einer PCB Schicht der Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine handelsübliche Leiterplatte mit Kupferflächen verwendbar ist, insbesondere also auch eine Multi-Layer-Leiterplatte oder auch nur eine Leiterplatte mit Kupferflächeschichten an ihrer dem Bauteil zugewandten Seite.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Teilbereich der Kupferfläche außerhalb des von dem Bauteil abgedeckten Oberflächenbereichs der Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme aus dem abgedeckten Bereich herausgeführt und dann vom Metallteil ableitbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Teilbereich der Kupferfläche von dem von dem Bauteil abgedeckten Oberflächenbereich der Leiterplatte umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme direkt vom Bauteil in einen nächstliegenden Bereich der Kupferfläche hineinleitbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlkörper auf der von der Leiterplatte abgewandten Seite des Bauteils angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass das Metallteil die Wärme auf diese Seite abführt und somit sogar die Wärme auf die von der Leiterplatte abgewandte Seite des Bauteils abführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Metallteil Aluminium auf oder Kupfer. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstige gut wärmeleitfähige Materialien verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Metallteil elastisch ausgeführt zur Erzeugung einer Federkraft zwischen Leiterplatte und Kühlkörper. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte verbindbar ist mit dem Kühlkörper, beispielsweise mittels Schrauben, und dabei dann das zwischen Kühlkörper und Leiterplatte liegende Metallteil gedrückt wird und eine Federkraft erzeugt wird, die den Wärmeübergang zwischen Metallteil und Kühlkörper verbessert. Denn zwischen Metallteil und Leiterplatte ist eine Lötverbindung vorgesehen. Zwischen Kühlkörper und Metallteil ist eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise Andrücken, vorgesehen, wobei der Wärmeübergangswiderstand bei größerer Andrückkraft verringerbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umgibt das Metallteil das Bauteil auf dessen von der Leiterplatte abgewandten Seite mindestens teilweise. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme um das Bauteil zumindest teilweise herumführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil, das Metallteil und/oder der Kühlkörper von Vergussmasse, insbesondere mit Silikon-Vergussmasse, umgeben. Von Vorteil ist dabei, dass die mechanische Stabilität gegen Rüttelschwingungen verbessert ist. Außerdem ist die Wärmedurchleitung zu einem gewissen – wenn auch kleinen Teil – durch die Vergussmasse ermöglicht. Somit wird der wesentliche Teil der Wärme über das Metallteil und ein geringer Anteil über die Vergussmasse ins Metallteil, ein kleiner Teil direkt ins Gehäuseteil und in andere Gehäuseteile abgeleitet. Insbesondere wenn das Metallteil derart ausgeführt ist, dass es das Bauteil teilweise umgibt, wird ein Teil der Wärme vom Bauteil über sein sonstiges Gehäuse abgegeben, aber diese Wärme von der Vergussmasse ans Metallteil geleitet und von dort dann zusammen mit dem großen Anteil der direkt vom Bauteil über die Kupferfläche ins Metallteil geleiteten Wärme an den Kühlkörper abgeführt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Metallteil Anschlussfüßchen auf, mit welchen es mit dem zweiten Teil der Kupferfläche lötverbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein geringer Wärmeübergangswiderstand vom Bauteil über die Kupferfläche zum Metallteil besteht und somit eine gute Entwärmung realisierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Metallteil auf dem zweiten Teil der Kupferfläche SMD-bestückt, insbesondere ist es bei der Bestückung zunächst mit Klebeverbindung verbunden und danach, insbesondere nach Durchlaufen des Lötbades, lötverbunden. Von Vorteil ist dabei, dass bei der Bestückung der Leiterplatte nicht nur das Bauteil sondern auch das Metallteil automatisch bestückbar ist, also in einem Fertigungsschritt. Im nachfolgenden Lötbad wird dann die Lötverbindung geschaffen. Somit ist der Aufwand zur Ausführung der Erfindung gering.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen Kühlkörper und dem Metallteil, insbesondere im Verbindungsbereich, eine Isolierfolie zur elektrischen Isolierung, eine Wärmeleitfolie und/oder Wärmeleitpaste vorgesehen, insbesondere zur Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen. Von Vorteil ist dabei, dass das Bauteil mit hohen Spannungen, beispielsweise mit 1000 Volt und mehr, betreibbar ist und trotzdem eine gute Entwärmung sowie ein hoher Isolationsabstand gewährleistbar ist. Das Bauteil ist also beispielhaft als elektronischer Leistungshalbleiter, wie IGBT oder MOSFET, ausführbar. Vorzugsweise ist das Bauteil als Schalter einer Endstufe eines Umrichters einsetzbar, insbesondere also in einer Halbbrücke, die aus dem Zwischenkreis versorgbar ist, welcher über 750 oder gar über 800 Volt aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Metallteil mit einer lötverbessernden Beschichtung an seiner Oberfläche versehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Lötverbindung einen geringeren Wärmeübergangswiderstand aufweist und ohne Fehler herstellbar ist.
Wichtige Merkmale bei dem Elektrogerät, insbesondere Umrichter, mit einer Kühlanordnung sind, dass der Kühlkörper ein Gehäuseteil des Elektrogeräts ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine direkte Entwärmung in die Umgebung ausführbar ist und gleichzeitig vom Kühlkörper gehäusebildende Funktion ausführbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch skizziert. Dabei ist ein Kühlkörper 1 vorgesehen, an dem ein Metallbügel 3 über eine wärmeleitende Schicht, wie Wärmeleitpaste 2 oder Wärmeleitfolie angeordnet ist. Die wärmeleitende Schicht verbessert den Wärmeübergang zwischen dem Metallbügel 3 und dem Kühlkörper 1. Außerdem kompensiert sie die wegen der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedenen thermisch bedingten Ausdehnungen der Teile, so dass keine mechanischen Verspannungen entstehen.
Auf der Leiterplatte 5 sind Kupferflächen 4 vorgesehen, auf denen die elektrischen Bauteile, wie Widerstände, Kondensatoren, Halbleiter und dergleichen lötverbunden sind. Vorzugsweise sind die Bauteile mittels SMD Technik verbunden. Somit ist die Herstellung und Bestückung einfach und kostengünstig. Bei dieser Art der Verbindung weisen die Bauteile eine metallische Kontaktfläche auf, mit der sie mit den Kupferflächen lötverbunden werden.
Alternativ sind die Bauteile mit ihren Anschlussfüßchen durch die Kupferflächen hindurchgesteckt und angelötet.
Als Bauteile wird auch zumindest ein wärmeerzeugendes Bauteil 7 verwendet, dessen Hauptwärmefluss über die Kontaktflächen bei SMD-Montage oder über die Anschlussfüßchen bei der genannten Alternative in die Kupferfläche 4 fließt.
Mindestens eine Kupferfläche 4 ist derart ausgeführt, dass sie einen ersten Bereich umfasst, der zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil 7 und der Leiterplatte angeordnet ist, und einen zweiten Bereich, der seitlich des Bauteils 7 angeordnet ist, also nicht abgedeckt ist vom Bauteil 7. Mit diesem zweiten Bereich ist der Metallbügel 3, also ein Wärmeleitteil, lötverbunden. Der Metallbügel 3 ist an Auf diese Weise ist die Wärme auf die von der Leiterplatte abgewandte Seite des Bauteils 7 abführbar. Insbesondere ist es ermöglicht, den Wärmefluss 6 um das Bauteil herumzuführen auf den Kühlkörper 1 zu.
Vorzugsweise ist der Metallbügel 3 aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Material gefertigt.
Bei vorteilhafter Ausführung wird zwischen Kühlkörper und Leiterplatte Vergussmasse 8 vorgesehen. Auf diese Weise ist nicht nur eine verbesserte mechanische Haltefunktion, beispielsweise gegen Rüttelschwingungen, sondern auch eine verbesserte Entwärmung erreicht.
Die Kontaktfläche des Metallbügels 3 muss nicht auf der genau dem Bauteil 7 gegenüber liegenden Fläche des Kühlkörpers gemäß 1 angeordnet sein sondern es sind auch andere weiter seitlich liegende Positionen der Kontaktfläche vorteilhaft.
Mittels des Metallbügels 3 ist also der Wärmefluss von derjenigen Seite der Leiterplatte, auf der das Bauteil 7 bestückt ist, direkt wegführbar. Der Hauptwärmefluss muss also nicht durch die Leiterplatte hindurch geleitet werden und erst von dort an einen Kühlkörper.

1: Kühlkörper
2: Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie
3: Metallbügel
4: Kupferfläche,
5: Leiterplatte
6: Wärmefluss
7: wärmeerzeugendes Bauteil
8: Vergussmasse

Claims

Kühlanordnung, umfassend einen Kühlkörper, eine Leiterplatte und mindestens ein auf ihr bestücktes wärmeerzeugendes Bauteil, wobei mindestens eine metallische Kontaktfläche des Bauteils mit einem ersten Teilbereich einer auf der Leiterplatte vorgesehenen Kupferfläche lötverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Endbereich eines Metallteils, insbesondere Metallbügels, mit einem zweiten Bereich der Kupferfläche lötverbunden ist und ein zweiter Endbereich mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mittels SMD-Technik oder mit seinen Anschlussfüßchen lötverbunden ist mit dem auf der Leiterplatte vorgesehenen ersten Teilbereich der Kupferfläche.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferfläche auf einer oder an einer PCB Schicht der Leiterplatte angeordnet ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich der Kupferfläche außerhalb des von dem Bauteil abgedeckten Oberflächenbereichs der Leiterplatte angeordnet ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich der Kupferfläche von dem von dem Bauteil abgedeckten Oberflächenbereich der Leiterplatte umfasst ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper auf der von der Leiterplatte abgewandten Seite des Bauteils angeordnet ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil Aluminium aufweist oder Kupfer.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil elastisch ausgeführt ist zur Erzeugung einer Federkraft zwischen Leiterplatte und Kühlkörper.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil das Bauteil auf dessen von der Leiterplatte abgewandten Seite mindestens teilweise umgibt.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil, das Metallteil und/oder der Kühlkörper von Vergussmasse, insbesondere mit Silikon-Vergussmasse, umgeben ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil Anschlussfüßchen aufweist, mit welchen es mit dem zweiten Teil der Kupferfläche lötverbunden ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil auf dem zweiten Teil der Kupferfläche SMD-bestückt ist, insbesondere bei der Bestückung zunächst mit Klebeverbindung verbunden ist und danach, insbesondere nach Durchlaufen des Lötbades, lötverbunden ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kühlkörper und dem Metallteil, insbesondere im Verbindungsbereich, eine Isolierfolie zur elektrischen Isolierung, eine Wärmeleitfolie und/oder Wärmeleitpaste vorgesehen ist, insbesondere zur Verbesserung des Wärmeübergangs und/oder zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil mit einer lötverbessernden Beschichtung an seiner Oberfläche versehen ist.
Elektrogerät, insbesondere Umrichter, mit einer Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper ein Gehäuseteil des Elektrogeräts ist.