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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung mit mindestens einer Leiterplatte und einer Anzahl von mit Bauelementekontaktierungen versehener elektrischer Bauelemente, wobei die Leiterplatte mit einer Leiterplattenoberseite und einer Leiterplattenunterseite versehen ist und einen Kontaktierungsbereich und zumindest einen Kühlungsbereich aufweist, wobei der Kontaktierungsbereich eine Anzahl von Leiterplattenkontaktierungen aufweist, mit denen die Bauelementekontaktierungen verbunden sind, wobei der Kühlungsbereich einem in dem Kontaktierungsbereich montierten elektrischen Bauelement, insbesondere einem Leistungshalbleiter zugeordnet ist, und wobei der Kühlungsbereich dazu ausgebildet ist, Wärme abzuführen, die an dem beim Betrieb der elektrischen Schaltung von einem elektrischen Strom durchflossenen elektrischen Bauelement entsteht.
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Gattungsgemäße elektrische Schaltungen werden eingesetzt, wenn beim Betrieb einer elektrischen Schaltung solch ein elektrischer Strom durch ein in der Schaltung verbautes elektrisches Bauelement fließen wird, der in diesem Bauelement zu einer solch hohen Verlustleistung und einer daraus resultierenden starken Erwärmung dieses Bauelementes führt, bei der ohne Kühlung des Bauelementes seine Funktion beeinträchtigt oder es gar zerstört werden würde. Dadurch, dass die in der elektrischen Schaltung verbaute Leiterplatte einen dem sich stark erwärmenden elektrischen Bauelement zugeordneten Kühlungsbereich aufweist, kann die an diesem Bauelement entstehende Wärme abgeleitet werden. Folglich kann eine Überhitzung des elektrischen Bauelementes und somit eine Beeinträchtigung seiner Funktion oder gar seine Beschädigung vermieden werden.
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Zum Einsatz kommen solche elektrische Schaltungen beispielsweise bei der Ansteuerung elektrischer Motoren. Hierbei kann es sich beispielsweise um als Frequenzumrichter oder als Wechselrichter ausgebildete elektrische Schaltungen handeln. Diese Schaltungen werden beispielsweise zur Ansteuerung von Asynchronmotoren eingesetzt. Mit einem Frequenzumrichter wird eine erste Wechselspannung, die eine erste Frequenz aufweist, in eine zweite Wechselspannung umgewandelt. Die zweite Wechselspannung weist eine von der ersten Frequenz verschiedene und für den Betrieb des Motors benötigte zweite Frequenz auf. Mit einem Wechselrichter wird eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt, wobei die Wechselspannung eine für den Betrieb des Motors benötigte Frequenz aufweist.
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Zur Erzeugung der Wechselspannung werden bei diesen Schaltungen vorzugsweise Leistungshalbleiter eingesetzt. Beim Betrieb der elektrischen Motoren fließen durch deren Motorwicklungen teilweise sehr große elektrische Ströme. Diese Ströme führen zu einer großen Verlustleistung in den Halbleitern, wodurch sich diese stark erwärmen. Um eine Überhitzung der Leistungshalbleiter und somit die vorstehend genannten Folgen zu vermeiden, werden die Leistungshalbleiter gekühlt.
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In der Regel sind industriell gefertigte elektrische Schaltungen als gedruckte Schaltungen ausgeführt. Dies gilt auch für elektrische Schaltungen, die für die Ansteuerung elektrischer Motoren eingesetzt werden. Gedruckte Schaltungen können unter Verwendung unterschiedlicher Montagetechniken gefertigt werden. Bei der sogenannten Durchsteckmontage (Through-Hole Technology, THT) weisen die verwendeten elektrischen Bauelemente Drahtanschlüsse auf. Diese Drahtanschlüsse werden bei der Montage der elektrischen Bauelemente durch in der Leiterplatte vorhandene Kontaktlöcher gesteckt und anschließend durch entsprechende Lötprozesse mit den Kontaktlöchern verbunden. Bei der sogenannten Oberflächenmontage (Surface-Mounted Technology, SMT) werden elektrische Bauelemente verwendet, die anstelle von Drahtanschlüssen lötfähige Anschlussflächen aufweisen, die direkt auf entsprechende Kontaktflächen der Leiterplatte gelötet werden.
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Bei gedruckten Schaltungen gestaltet sich die Kühlung elektrischer Bauelemente schwierig. Dies gilt insbesondere für Leistungshalbleiter. Dabei ist bei gedruckten Schaltungen, die in der Oberflächenmontagtechnik gefertigt sind, der Aufwand für die Kühlung von Leistungshalbleitern prinzipbedingt größer, als bei gedruckten Schaltungen, die in der Durchsteckmontagetechnik gefertigt sind.
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Unabhängig von der Montagetechnik, die für die Fertigung der elektrischen Schaltung eingesetzt wird, ist die Kühlung von Leistungshalbleitern aus folgenden Gründen aufwändig. Zum einen sind bei der Fertigung der elektrischen Schaltung neben den eigentlichen Montagearbeitsschritten auch zusätzliche Montagearbeitsschritte erforderlich. Die eigentlichen Montagesarbeitschritte umfassen dabei Arbeitsschritte für das Herrichten der Leiterplatte und Arbeitsschritte für das Montieren der elektrischen Bauelemente auf der Leiterplatte. Bei den Arbeitsschritten für das Herrichten der Leiterplatte handelt es sich beispielsweise um Fräs- und/oder Bohrvorgänge, mit denen beispielsweise Leiterplattenkontaktierungen erzeugt werden. Bei den Arbeitsschritten für das Montieren der elektrischen Bauelemente handelt es sich beispielsweise um das Verbinden von Bauelementekontaktierungen mit Leiterplattenkontaktierungen und das ggf. erforderliche Fixieren elektrischer Bauelemente auf der Leiterplatte. Die zusätzlichen Montagearbeitsschritte sind dagegen erforderlich, um an einem zu kühlenden elektrischen Bauelement einen ausreichenden thermischen Übergang von diesem Bauelement zu einer für dessen Kühlung eingesetzten Kühlungskomponente zu erzielen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um das Anbringen einer Kühlungskomponente an dem zu kühlenden elektrischen Bauelement. Die zusätzlichen Montagearbeitsschritte erfordern meist sehr komplexe Bewegungsabläufe bei den für die Fertigung elektrischer Schaltungen eingesetzten Bestückungsautomaten. Insgesamt führen diese zusätzlichen Montagearbeitsschritte zu einer Erhöhung der Fertigungskosten für gedruckte Schaltungen. Zum anderen verursachen die Kühlungskomponenten selbst nicht unerhebliche zusätzliche Materialkosten, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Kosten für eine elektrische Schaltung führt. Bei den Kühlungskomponenten kann es sich beispielsweise um Kühlkörper oder um Heatpipes handeln, die an dem zu kühlenden elektrischen Bauelement angebracht werden.
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Die eingangs genannte
DE 10 2005 063 281 A1 beschreibt eine elektrische Schaltung, bei der elektrische Bauelemente auf einer Leiterplatte montiert sind. Die Leiterplatte weist einen Kühlungsbereich auf, in dem zumindest ein Bauelementekörper angeordnet ist. Unterhalb des Bauelementekörpers sind Kontaktöffnungen angeordnet. Diese Kontaktöffnungen sind entweder als Durchgangsbohrungen oder als Sacklöcher ausgebildet. Bei den als Durchgangsbohrungen ausgeführten Kontaktöffnungen ist jeweils ein Ende durch das zu kühlende elektrische Bauelement verschlossen. Somit kann beim Betrieb der elektrischen Schaltung, wenn also ein Strom durch das elektrische Bauelement fließt und sich dieses erwärmt, die Wärme von diesem Bauelement nicht durch ein durch die Kontaktöffnung durchströmendes Fluid abgeführt werden. Stattdessen wird über diese Kontaktöffnungen die an dem elektrischen Bauelement entstehende Wärme in Innenlagen der Leiterplatte eingeleitet. Über diese Innenlagen wiederum wird die Wärme an den Rand der Leiterplatte abgeführt. Vom Rand wird die Wärme in ein die Leiterplatte umgebendes Gehäuse abgeleitet. Hierzu ist ein Klemmrand vorgesehen, in den der Rand der Leiterplatte bei der Montage einzuführen ist. Der Klemmrand weist dabei von der Oberseite und der Unterseite der Leiterplatte der Wärmestrahlung dienende abstehende freie Schenkel auf. Zur Optimierung der Wärmeeinleitung in das Gehäuse kann in dem Bereich des Leiterplattenrandes, der in den Klemmrand eingeführt wird, eine Kontaktöffnung vorgesehen sein. Auch diese Kontaktöffnung kann entweder als Durchgangsbohrung oder als Sackloch ausgestaltet sein. Im Fall einer Durchgangsbohrung sind im montierten Zustand der Leiterplatte beide Enden durch den Klemmrand verschlossen. Somit kann auch hier beim Betrieb der elektrischen Schaltung die Wärme nicht durch ein durch die Kontaktöffnung durchströmendes Fluid abgeführt werden.
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Nachteilig an dieser elektrischen Schaltung ist der zusätzlich erforderliche Montagearbeitsschritt, der für das Einführen der Leiterplatte in den Klemmrand erforderlich ist, um die Wärmeableitung von der Leiterplatte in das Gehäuse und somit die Kühlung des elektrischen Bauelements zu ermöglichen. Hinzu kommt, dass ein speziell hergerichtetes Gehäuse benötigt wird. Nämlich ein Gehäuse welches einen zum Zweck der Kühlung vorzusehenden oder hierfür ausgestalteten Klemmrand aufweist. Somit ist der Einsatz von in Großserie hergestellten Gehäusen nicht möglich. Stattdessen müssen eigens konzipierte und speziell angefertigte Gehäuse eingesetzt werden. Sowohl der zusätzlich erforderliche Montagearbeitsschritt als auch der Einsatz speziell gefertigter Gehäuse erhöhen die Kosten für die Herstellung einer elektrischen Schaltung.
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Die Verwendung eines Gehäuses für die Wärmeabstrahlung und somit die Kühlung eines elektrischen Bauelementes hat einen weiteren Nachteil. Eine beliebige Skalierung der Kühlungskomponente, d. h. Auslegung und somit Anpassung der Kühlungskomponente an die in der spezifischen elektrischen Schaltung jeweils zu erbringende Kühlleistung ist nur bedingt oder gar nicht möglich. Beispielsweise kann es aufgrund von sehr restriktiven Bauraumvorgaben nicht möglich sein, ein Gehäuse in der Größe zu dimensionieren, die zur Erzielung der benötigten Kühlleistung erforderlich wäre.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Schaltung der eingangs genannten Art mit Blick auf die Kühlung von in der elektrischen Schaltung verbauten elektrischen Bauelementen dahingehend weiterzubilden und zu verbessern, dass eine kostengünstige und wenig aufwändige Fertigung der elektrischen Schaltung und gleichzeitig ein einfaches Anpassen der für die Kühlung eingesetzten Komponenten an die für die spezifische elektrische Schaltung erforderliche Kühlleistung ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art gelöst, die in dem Kühlungsbereich zumindest ein Kühlungsloch aufweist, wobei das Kühlungsloch so ausgebildet ist, dass zum Abführen der Wärme ein den Kühlungsbereich umgebendes Fluid das Kühlungsloch von der Leiterplattenunterseite zur Leiterplattenoberseite durchströmen kann.
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Der neuen elektrischen Schaltung liegt die Idee zugrunde, zum Abführen der Wärme, die beim Betrieb der elektrischen Schaltung an einem von einem elektrischen Strom durchflossenen elektrischen Bauelement entsteht, ein Kühlungsloch in der Leiterplatte vorzusehen. Das Kühlungsloch ist dabei so ausgebildet, dass ein den Kühlungsbereich umgebendes Fluid das Kühlungsloch von der Leiterplattenunterseite zur Leiterplattenoberseite durchströmen kann. Der Kühlungsbereich ist dabei derjenige Bereich der Leiterplatte, in dem das Kühlungsloch angeordnet ist.
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Durch den Einsatz eines Kühlungslochs zur Kühlung eines elektrischen Bauelements kann auf den Einsatz zusätzlicher Bauelemente verzichtet werden. Bei diesen zusätzlichen Bauelementen handelt es sich um die bereits erwähnten Kühlungskomponenten, also um Bauelemente, die in einer elektrischen Schaltung ausschließlich zum Zweck der Kühlung eines elektrischen Bauelements verbaut sind und die für die Realisierung der eigentlichen elektrischen Funktionalität der elektrischen Schaltung nicht benötigt werden. Diese zusätzlichen Bauelemente können als passive Kühlungskomponenten oder als aktive Kühlungskomponenten ausgeführt sein. Passive Kühlungskomponenten sind beispielsweise auf dem zu kühlenden elektrischen Bauelement anzubringende Kühlkörper oder im Bereich der Leiterplatte anzubringende Kühlbleche. Als ein Beispiel für eine aktive Kühlungskomponente sei ein Peltierelement genannt. Demzufolge ist die neue elektrische Schaltung aus einer Leiterplatte und aus solchen elektrischen Bauelementen aufgebaut, die ausschließlich für die Realisierung der eigentlichen elektrischen Funktionalität, also der Funktionalität, die der elektrischen Schaltung innewohnt, benötigt werden. Bei diesen elektrischen Bauelementen handelt es sich beispielsweise um Halbleiter, Widerstände, Kondensatoren oder Spulen. Dadurch, dass eine elektrische Schaltung ohne besagte zusätzliche Bauelemente realisiert werden kann, fallen außer denjenigen Kosten, die aufzuwenden sind für die Leiterplatte und die besagten elektrischen Bauelemente, keine weitere Kosten für Bauelemente an. Da besagte zusätzliche Bauelemente in der Regel sehr teuer sind, können somit die bauteilbedingten Kosten für eine elektrische Schaltung deutlich gesenkt werden.
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Die Tatsache, dass die neue elektrische Schaltung ohne besagte zusätzliche Bauelemente realisiert werden kann, führt zudem zu einer weiteren Kosteneinsparung. Bei einer elektrischen Schaltung, bei der besagte zusätzliche Bauelemente verbaut sind, sind für die Fertigung der elektrischen Schaltung neben den bereits erwähnten eigentlichen Montagearbeitsschritten auch die bereits erwähnten zusätzlichen Montagearbeitsschritte erforderlich. Diese zusätzlichen Montagearbeitsschritte erhöhen die Kosten für die Fertigung einer elektrischen Schaltung. Da die neue elektrische Schaltung ohne besagte zusätzliche Bauelemente auskommt, sind somit auch besagte zusätzliche Montagearbeitsschritte nicht erforderlich. Folglich können die Kosten für die Fertigung elektrischer Schaltungen deutlich gesenkt werden.
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Insgesamt ermöglicht die neue elektrische Schaltung somit in zweierlei Hinsicht eine Kosteneinsparung bei Schaltungen, bei denen eine Kühlung eines elektrischen Bauelements erforderlich ist. Zum einen eine bauteilbedingte Kosteneinsparung, da auf besagte zusätzliche Bauelemente verzichtet werden kann. Und zum anderen eine montagebedingte Kosteneinsparung, da besagte zusätzliche Montagearbeitsschritte nicht erforderlich sind.
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Die Verwendung eines Kühlungsloches als Kühlungskomponente ermöglicht darüber hinaus ein einfaches Skalieren, d. h. Anpassen der Kühlungskomponente an die in der konkreten elektrischen Schaltung für das Kühlen des elektrischen Bauelements benötigte Kühlleistung. Das Skalieren ist beispielsweise durch die Auswahl einer geeigneten Lochform oder bei einer für verschiedene elektrische Schaltungen einheitlich verwendeten Lochform durch ein Verändern der Lochgröße möglich. Somit kann bei der Fertigung der neuen elektrischen Schaltung durch ein Modifizieren der Arbeitsschritte für das Herrichten der Leiterplatte in einfacher Art und Weise eine Kühlungskomponente gewünschter Kühlleistung erzeugt werden. Die benötigte Kühlungskomponente kann somit selbst dimensioniert und gefertigt werden.
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Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlungsbereich eine Vielzahl von Kühlungslöchern auf, die so angeordnet sind, dass sie paarweise zueinander einen sehr kleinen Abstand aufweisen.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass innerhalb des Kühlungsbereiches eine kompakte, quasi zusammenhängende Fläche entsteht, über die Wärme abgeführt werden kann, was eine besonders gute Kühlung des elektrischen Bauelements ermöglicht. Der Abstand ist dabei so gewählt, dass dieser sehr viel kleiner als der Durchmesser der Kühlungslöcher ist. Vorzugsweise sind die Kühlungslöcher in einer Doppelreihe angeordnet, wobei die Kühlungslöcher innerhalb der beiden Reihen einen sehr kleinen Abstand zueinander aufweisen. Zudem haben die beiden Reihen zumindest in einem Bereich einen sehr kleinen Abstand zueinander.
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Des weiteren sind die Kühlungslöcher vorzugsweise als Durchkontaktierungen ausgestaltet. Demzufolge weisen die Kühlungslöcher eine metallisierte Hüllfläche auf, wodurch die für die Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert und somit die Wärmeabfuhr verbessert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet das Kühlungsloch ein Langloch.
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Durch diese Maßnahme wird das Durchströmverhalten des Fluids durch das Kühlungsloch verbessert. Zudem unterstützt ein Langloch aufgrund seiner Ausbreitungsrichtung innerhalb der Leiterplatte eine Wärmeabführung an einen definierten Ort der Leiterplatte. Insgesamt wird die Wärmeabfuhreigenschaft des Kühlungsbereichs verbessert.
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Weiterhin ermöglicht diese Maßnahme ein einfaches Skalieren, d. h. Anpassen des Kühlungsloches an die für die jeweilige elektrische Schaltung benötigte Kühlleistung. Bei einer elektrischen Schaltung, bei der zum Kühlen eines elektrischen Bauelementes eine hohe Kühlleistung erforderlich ist, ist das Langloch länger ausgeführt, als bei einer elektrischen Schaltung, bei der eine geringere Kühlleistung erforderlich ist. Das Anpassen des Kühlungsloches an die geforderte Kühlleistung durch ein Variieren der Langlochlänge führt zudem dazu, dass ein Kühlungsloch unter Verwendung weniger Werkzeuge unaufwändig hergestellt werden kann, beispielsweise durch Fräsen und Bohren.
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In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme weist das Langloch an zumindest einer Längsseite eine Anzahl von Kühllocherweiterungen auf.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Hüllfläche des Kühlungsloches vergrößert wird. Dadurch wird das Abführen von Wärme mittels Konvektion und Wärmeabstrahlung verbessert. Die Kühllocherweiterungen entsprechen ebenfalls Kühlungslöchern, insbesondere dann, wenn fertigungstechnisch in dem Kühlungsbereich zunächst in einer Doppelreihe angeordnete Durchkontaktierungen eingebracht werden und anschließend das zwischen den Durchkontaktierungen befindliche Material der Leiterplatte herausgefräst wird. Die Kühllocherweiterungen stellen dann Restbereiche der Durchkontaktierungen dar.
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In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen sind die Kühllocherweiterungen kreisbogenförmig ausgebildet.
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Diese Maßnahme ermöglicht eine besonders einfache und somit kostengünstige Herstellung der Kühllocherweiterungen. So können die Kühllocherweiterungen beispielsweise mittels eines Fräsers oder eines Bohrers hergestellt werden. Im einfachsten Fall kann der Fräser verwendet werden, mit dem das Langloch gefräst wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen weist das Langloch eine Längsachse auf, wobei das Langloch so ausgerichtet ist, dass die Längsachse vom Bauelement weg hin zu einem Rand der Leiterplatte verläuft.
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Diese Maßnahme ermöglicht eine optimale Kühlung des elektrischen Bauelements. Das Langloch verläuft vom Ort der Wärmequelle, nämlich dem zu kühlenden elektrischen Bauelement, hin zu einem Ort niedriger Temperatur, nämlich dem Rand der Leiterplatte. Somit herrscht entlang der Längsachse des Langloches eine große Temperaturdifferenz, die eine wirksame Wärmeabführung mittels Konduktion ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlungsbereich mindestens zwei länglich ausgebildete Kühlungslöcher auf, die jeweils ein bauelementfernes und ein bauelementnahes Lochende aufweisen, wobei die bauelementnahen Lochenden paarweise einen größeren Abstand zueinander aufweisen als die bauelementfernen Lochenden.
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Im Vergleich zu einer Anordnung, bei der die Kühlungslöcher paarweise zueinander parallel angeordnet sind, d. h. an den bauelementnahen Lochenden und an den bauelementfernen Lochenden jeweils denselben Abstand zueinander aufweisen, ermöglicht diese Maßnahme eine bessere Wärmeverteilung im Bereich der Wärmequelle, d. h. im Bereich des zu kühlenden Bauelements. Dies ermöglicht ein besseres Abführen der Wärme und somit Kühlen des elektrischen Bauelements.
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In einer weiteren Maßnahme der Erfindung weist die Leiterplatte zumindest im Kühlungsbereich eine Anzahl von innerhalb der Leiterplatte verlaufender Innenlagen auf, wobei die Innenlagen zumindest mit einer auf der Leiterplattenoberseite aufgebrachten ersten Wärmeleitungsschicht über eine Anzahl von Durchkontaktierungen verbunden sind.
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Diese Maßnahme ermöglicht ein verbessertes Abführen der Wärme. Ausgehend von der ersten Wärmeleitungsschicht kann die Wärme über die Durchkontaktierungen in die Innenlagen mittels Konduktion eingeleitet werden. Somit kann an dem zu kühlenden elektrischen Bauelement entstehende Wärme nicht nur über die Oberfläche der Leiterplattenoberseite, gegebenenfalls über eine an der Leiterplattenoberseite befindliche obere Leitungslage, sondern auch über innerhalb der Leiterplatte verlaufende Innenlagen abgeführt werden. Vorzugsweise bestehen die Innenlagen aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit.
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Vorteilhafterweise wird als Leiterplatte eine vierlagig aufgebaute Leiterplatte verwendet. Solch eine Leiterplatte weist sowohl an der Leiterplattenoberseite als auch an der Leiterplattenunterseite jeweils eine Leitungslage auf. Zudem verfügt sie über zwei Innenlagen. Über die beiden Leitungslagen sind die auf der Leiterplatte montierten elektrischen Bauelemente so untereinander verdrahtet, wie dies zur Realisierung der elektrischen Funktionalität, die der elektrischen Schaltung innewohnt, erforderlich ist. Die beiden Innenlagen dienen dem Abführen von Wärme. Vorzugsweise bestehen alle vier Lagen aus Kupfer. Aus diesem Grund ist es auch denkbar, zumindest einen Teilumfang der Verdrahtung unter Verwendung eines Teilumfangs einer oder beider Innenlagen zu realisieren. Es können auch Leiterplatten mit mehr als vier Lagen eingesetzt werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Wärmeleitungsschicht um einen Teilumfang der auf der Leiterplattenoberseite aufgebrachten oberen Leitungslage. Vorteilhafterweise sind sämtliche Innenlagen über die Durchkontaktierungen mit der ersten Wärmeleitungsschicht verbunden. Weiterhin sind die Innenlagen vorteilhafterweise auch untereinander über die Durchkontaktierungen verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme weist das montierte elektrische Bauelement ferner einen Bauelementekörper auf, wobei der Bauelementekörper im Kühlungsbereich angeordnet ist und die erste Wärmeleitungsschicht und die Durchkontaktierungen unterhalb des Bauelementekörpers angeordnet sind.
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Diese Maßnahme ermöglicht ein besonders gutes Abführen der in dem zu kühlenden elektrischen Bauelement entstehenden Wärme. Die Wärme wird direkt am Bauelementekörper, also dort, wo sie entsteht, über die Durchkontaktierungen in die Innenlagen eingeleitet. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Bauelementekörper und der ersten Wärmeleitungsschicht eine dünne Schicht aus Wärmeleitpaste zur weiteren Verbesserung der Wärmeabführung eingebracht ist. Die Wärmeleitpaste verbessert die ohnehin zwischen Bauelementekörper und erster Wärmeleitungsschicht vorhandene, durch Berührungskontakt zustande kommende wärmeleitfähige Verbindung. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Bauelementekörper galvanisch mit der ersten Wärmeleitungsschicht verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass neben der wärmleitfähigen Verbindung zusätzlich auch eine elektrische Verbindung besteht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahmen sind die Durchkontaktierungen mit einem wärmeleitfähigen Material ausgefüllt.
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Diese Maßnahme ermöglicht eine besonders effektive Einleitung der Wärme in die Innenlagen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem wärmeleitfähigen Material um Kupfer.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlungsloch eine innerhalb der Leiterplatte verlaufende Hüllfläche auf, wobei zumindest ein Teil der Hüllfläche mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht beschichtet ist.
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Diese Maßnahme trägt zu einem verbesserten Abführen der Wärme bei. Durch das Beschichten der Hüllfläche mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht entsteht eine Durchkontaktierung mit großer Innenfläche. Mit dieser Durchkontaktierung kann die innerhalb der Leiterplatte vorliegende Wärme besonders effektiv nach außen, d. h. in die Umgebung der Leiterplatte durch Konvektion und Wärmestrahlung abgeführt werden kann. Diese Maßnahme wird vorzugsweise bei einer Leiterplatte angewendet, die über Innenlagen verfügt. Diese Kombination ermöglicht ein besonders gutes Abführen von Wärme. Die zweite Wärmeleitungsschicht besteht vorzugsweise aus Lötzinn oder Kupfer.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Kühlungsbereich zumindest ein Teil der Leiterplattenoberseite und/oder ein Teil der Leiterplattenunterseite mit einer Wärmestrahlungsschicht mit hohem Emissionsgrad beschichtet.
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Durch diese Maßnahme wird das Abführen von Wärme verbessert. Die Wärmestrahlungsschicht verbessert die Wärmestrahlungseigenschaft der Leiterplatte und ermöglicht somit ein besseres Abführen von Wärme. Vorzugsweise ist sowohl die Leiterplattenoberseite als auch die Leiterplattenunterseite mit der Wärmestrahlungsschicht beschichtet. Des weiteren sind beide Oberflächen vorteilhafterweise vollständig mit der Wärmestrahlungsschicht beschichtet. Vorzugsweise hat die Wärmestrahlungsschicht einen höheren Emissionsgrad als die Leiterplatte. Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz von dunklem Lötstopplack als Material für die Wärmestrahlungsschicht erwiesen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest im Bereich der Leiterplattenoberseite der Kontaktierungsbereich und der Kühlungsbereich durch einen Isolationsbereich mit niedriger Wärmeleitzahl voneinander getrennt.
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Diese Maßnahme verbessert das Abführen von Wärme. Es wird ein gerichtetes Abführen der an dem elektrischen Bauelement entstehenden Wärme weg von diesem Bauelement hin zu dem Kühlungsloch erreicht. Es kann somit vermieden werden, dass sich Bereiche der Leiterplatte, die an den Montagebereich des zu kühlenden elektrischen Bauelements angrenzen, unnötig aufheizen. Vorzugsweise werden der Kontaktierungsbereich und der Kühlungsbereich dadurch voneinander getrennt, dass in die Leitungslage der Leiterplattenoberfläche ein Kanal gefräst wird, der dann kein leitfähiges Material mehr enthält. Vorteilhafterweise sind auch im Bereich der Leiterplattenunterseite entsprechende Maßnahmen zur Trennung des Kontaktierungsbereiches und des Kühlungsbereiches vorgesehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind im Kühlungsbereich auf der Leitplattenoberseite und/oder auf der Leiterplattenunterseite eine Anzahl von Kühlungsleiterplatten angebracht, wobei die Kühlungsleiterplatten jeweils zumindest ein Zusatzkühlungsloch aufweisen, das in Form und Lage im Kühlungsloch der Leiterplatte entspricht.
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Diese Maßnahme ermöglicht ein verbessertes Abführen von Wärme. Durch das Anbringen einer Kühlungsleiterplatte an die Leiterplatte wird die Hüllfläche vergrößert, über die mittels Konvektion und Wärmestrahlung Wärme abgeführt werden kann. Die ursprüngliche Hüllfläche des in der Leiterplatte befindlichen Kühlungsloches wird durch die zusätzliche Hüllfläche des in der Kühlungsleiterplatte befindlichen Zusatzkühlungsloches ergänzt. Es ist denkbar, ausschließlich auf der Leiterplattenoberseite oder ausschließlich auf der Leiterplattenunterseite oder aber auf beiden Seiten gleichzeitig Kühlungsleiterplatten anzubringen. Insgesamt entsteht dadurch ein geschichteter Aufbau des Kühlungsbereiches.
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Durch den Einsatz von Kühlungsleiterplatten lässt sich die Kühlleistung in einfacher Art und Weise skalieren, d. h. an die Erfordernisse der elektrischen Schaltung anpassen. Stellt sich beispielsweise beim Betrieb einer elektrischen Schaltung heraus, dass die ursprünglich veranschlagte Kühlleistung nicht ausreichend ist, kann durch das Anbringen einer Kühlungsleiterplatte an der Leiterplatte die Kühlleistung ohne großen Aufwand erhöht werden. Aber auch im Stadium der Schaltungsplanung und Schaltungsauslegung last sich mit Hilfe der Kühlungsleiterplatten eine problemlose Anpassung der Kühlleistung erreichen. Ist es beispielsweise aufgrund eingeschränkten Bauraumes nicht möglich, Kühlungslöcher in der erforderlichen Länge auszuführen, so können zum Erereichen der erforderlichen Kühlleistung eine Anzahl von Kühlungsleiterplatten an der Leiterplatte vorgesehen werden. Vorzugsweise sind die Kühlungsleiterplatten aus demselben Material wie die Leiterplatte selbst ausgeführt. Dadurch können elektrische Schaltungen besonders kostengünstig ausgeführt werden.
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Für das Anbringen der Kühlungsleiterplatten an der Leiterplatte stehen unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten zur Verfügung. So können die Kühlungsleiterplatten angelötet oder angeklemmt oder angeschraubt werden. Vorzeugsweise werden die Kühlungsleiterplatten angelötet, da dies den geringsten Fertigungsaufwand erfordert und zudem eine optimale thermische Koppelung zwischen Leiterplatte und Kühlungsleiterplatte sicherstellt. Entsprechendes gilt für das Befestigen der Kühlungsleiterplatten untereinander.
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Vorteilhaftweise weisen die Kühlungsleiterplatten jeweils eine Anzahl von innerhalb der Kühlungsleiterplatte verlaufender Innenlagen auf, was ein besonders gutes Abführen von Wärme ermöglicht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kühlungsleiterplatte zur Anbringung in dem Kühlungsbereich einer Leiterplatte, wobei die Leiterplatte in einer vorstehend beschriebenen elektrischen Schaltung enthalten ist, und wobei die Kühlungsleiterplatte aufweist: Auf zumindest einer Oberfläche eine dritte Wärmeleitungsschicht, eine Anzahl von innerhalb der Kühlungsleiterplatte verlaufender Innenlagen und zumindest ein Zusatzkühlungsloch, das in Form und Lage dem Kühlungsloch der Leiterplatte entspricht.
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Durch den Einsatz solcher Kühlungsleiterplatten lässt sich eine für eine spezifische elektrische Schaltung zu erbringende Kühlleistung in einfacher Art und Weise realisieren. Der Einsatz von Kühlungsleiterplatten ermöglicht somit ein einfaches und kostengünstiges Skalieren der Kühlungsvorrichtung.
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Vorzugsweise ist das Kühlungsloch über seine gesamte Länge und über seine gesamte Breite als Durchgangsloch ausgeführt. Entsprechendes gilt auch für das Zusatzkühlungsloch.
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Der Kühlungsbereich der Leiterplatte entspricht in seiner Funktionalität einer passiven Kühlungskomponente. Dies gilt auch für die Kühlungsleiterplatte. Die vorgestellten Maßnahmen ermöglichen somit die Realisierung einer einfachen und kostengünstigen passiven Kühlungskomponente, die zudem beliebig skaliert werden kann.
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Bei dem den Kühlungsbereich umgebenden Fluid handelt es sich vorzugsweise um Umgebungsluft. Es aber auch denkbar, die neue elektrische Schaltung in einer speziellen Atmosphäre zu betreiben, die ein Gas enthält, das für die Konvektion und/oder Wärmestrahlung besonders geeignete Eigenschaften aufweist. Auch ist es denkbar, die neue elektrische Schaltung in solch einem Umfeld einzusetzen, bei dem eine Flüssigkeit durch das Kühlungsloch strömt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung;
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2 eine Draufsicht auf einen Kühlungsbereich gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Leiterplatte mit einem Kühlungsbereich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Leiterplatte mit einem Kühlungsbereich gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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5 eine Draufsicht auf einen Kühlungsbereich gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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6. eine Draufsicht auf einen Kühlungsbereich gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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7 eine Draufsicht auf ein entstehendes Kühlungsloch;
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8 eine Draufsicht auf ein fertig gestelltes Kühlungsloch;
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9 eine Draufsicht auf ein fertig gestelltes Kühlungsloch gemäß einer alternativen Ausführungsform.
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In 1 ist eine Schaltungsanordnung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die Schaltungsanordnung 10 besteht aus einer elektrischen Schaltung 12, die in einem Gehäuse 14 angeordnet ist und einem über elektrische Leitungen 16 an die elektrische Schaltung 12 angeschlossenen Verbraucher 18. Bei der elektrischen Schaltung 12 kann es sich beispielsweise um einen Frequenzumrichter handeln. In diesem Fall ist der Verbraucher 18 beispielsweise als Asynchronmotor ausgeführt. Es sind aber auch beliebige andere Anwendungen denkbar. Die elektrische Schaltung 12 kann in der Durchsteckmontagetechnik oder in der Oberflächenmontagetechnik gefertigt sein.
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Die elektrische Schaltung 12 besteht aus einer Leiterplatte 20 und einer Anzahl elektrischer Bauelemente 22, die auf Leiterplatte 20 montiert sind. Hierzu weist die Leiterplatte 20 einen Kontaktierungsbereich 24 auf. Der Kontaktierungsbereich 24 wiederum weist eine Anzahl von Leiterplattenkontaktierungen 26 auf. Die elektrischen Bauelemente 22 weisen Bauelementekontaktierungen 28 auf, die mit den Leiterplattenkontaktierungen 26 verbunden sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 lediglich für ein erstes elektrisches Bauelement 30, dessen Bauelementekontaktierungen mit der Bezugsziffer 28 versehen und die diesem Bauelement zugeordneten Leiterplattenkontaktierungen mit der Bezugsziffer 26 versehen.
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Die Leiterplatte 20 weist eine Anzahl von Kühlungsbereichen auf. Ein erster Kühlungsbereich 32, der einem zweiten elektrischen Bauelement 34 zugeordnet ist. Ein zweiter Kühlungsbereich 32', der einem dritten elektrischen Bauelement 36 zugeordnet ist. Ein dritter Kühlungsbereich 32'', der einem vierten elektrischen Bauelement 38 und einem fünften elektrischen Bauelement 40 zugeordnet ist. Bei den elektrischen Bauelementen 34, 36, 38, 40 kann es sich um Leistungshalbleiter handeln, mit denen für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18 benötigte Ströme bereitgestellt werden. Insbesondere handelt es sich um Leistungshalbleiter eines Frequenzumrichters. Die Kühlungsbereiche 32, 32', 32'' haben die Aufgabe, diejenige Wärme abzuführen, die in den elektrischen Bauelementen 34, 36, 38, 40 beim Betrieb der elektrischen Schaltung 12 aufgrund von elektrischen Strömen entsteht, die durch diese Bauelemente fließen.
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Die auf der Leiterplatte 20 angeordneten Kühlungsbereiche weisen Kühlungslöcher auf. So enthält der erste Kühlungsbereich 32 eine Anzahl erster Kühlungslöcher 42. Der zweite Kühlungsbereich 32' enthält eine Anzahl zweiter Kühlungslöcher 42'. Der dritte Kühlungsbereich 32'' enthält eine Anzahl dritter Kühlungslöcher 42''. Wie der Darstellung in 1 zu entnehmen ist, sind die in den Kühlungsbereichen 32, 32', 32'' angeordneten Kühlungslöcher 42, 42', 42'' als Langlöcher ausgebildet. Wie dieser Darstellung weiter zu entnehmen ist, können die Kühlungslöcher in den einzelnen Kühlungsbereichen untereinander unterschiedlich angeordnet sein. In dem ersten Kühlungsbereich 32 sind die ersten Kühlungslöcher 42 parallel zueinander angeordnet. Dies gilt auch für die in dem dritten Kühlungsbereich 32'' angeordneten dritten Kühlungslöcher 42''. Dagegen sind in dem zweiten Kühlungsbereich 32' die zweiten Kühlungslöcher 42' so angeordnet, dass diejenigen Lochenden der zweiten Kühlungslöcher 42', die sich in unmittelbarer Nähe des dritten elektrischen Bauelements 36 befinden, einen größeren Abstand zueinander aufweisen, als diejenigen Lochenden der zweiten Kühlungslöcher 42', die einem Randbereich der Leiterplatte 20 zugewandt sind.
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Die Darstellung in 1, gemäß der die elektrische Schaltung 12 lediglich eine einzige Leiterplatte 20 aufweist, soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich können elektrische Schaltungen auch aus mehreren Leiterplatten aufgebaut sein. Ferner wurde in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung elektrischer Verbindungen zwischen einzelnen Leiterplattenkontaktierungen 26 verzichtet.
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2 zeigt in einer Draufsicht einen ersten Ausschnitt 44 der Leiterplatte 20.
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Der erste Ausschnitt 44 umfasst einen Teilumfang des Kontaktierungsbereichs 24 und den dritten Kühlungsbereich 32'', wobei der dritte Kühlungsbereich 32'' gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist. Der dargestellte Teilumfang des Kontaktierungsbereichs 24 weist Leiterplattenkontaktierungen 26' auf, die dem fünften elektrischen Bauelement 40 zugeordnet sind. Bauelementekontaktierungen 28' des fünften elektrischen Bauelements 40 sind mit den Leiterplattenkontaktierungen 26' verbunden. Ferner weist dieser Teilumfang Leiterplattenkontaktierungen 26'' auf, die dem vierten elektrischen Bauelement 38 zugeordnet sind. Aus Gründen der Darstellung ist das vierte elektrische Bauelement 38 in 2 jedoch nicht dargestellt.
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Der dritte Kühlungsbereich 32'' weist eine Anzahl dritter Kühlungslöcher 42'' auf. Die nachfolgenden Ausführungen zu Form und Aufbau der Kühlungslöcher erfolgen anhand des oberen der beiden Kühlungslöcher, die im Bereich des fünften elektrischen Bauelements 40 angeordnet sind. Diese Ausführungen gelten für sämtliche Kühlungslöcher der Leiterplatte 20.
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Die Kühlungslöcher bestehen in ihrer Grundform aus einem Langloch 46. An seinen Längsseiten weist das Langloch 46 eine Anzahl von Kühllocherweiterungen 48 auf. Diese Kühllocherweiterungen 48 sind kreisbogenförmig ausgebildet. Die Darstellung in 2, gemäß der es sich bei den Kreisbögen um Halbkreise handelt, soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich können die Kühllocherweiterungen 48 jeweils einem beliebig gestalteten Kreisbogen entsprechen. Die dritten Kühlungslöcher 42'' sind so ausgerichtet, dass die Längsachse eines jeden Kühlungslochs vom Bauelement weg, in diesem Fall vom fünften elektrischen Bauelement 40 weg hin zu einem Rand 50 der Leiterplatte 20 verläuft.
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Der dritte Kühlungsbereich 32'' weist eine erste Wärmeleitungsschicht 52 auf. Die erste Wärmeleitungsschicht 52 weist eine Anzahl von Durchkontaktierungen 54 auf. Über die Durchkontaktierungen 54 ist die erste Wärmeleitungsschicht 52 mit noch zu beschreibenden, innerhalb der Leiterplatte 20 verlaufenden Innenlagen verbunden. Im montierten Zustand des vierten elektrischen Bauelements 38 sind die erste Wärmeleitungsschicht 52 und die Durchkontaktierungen 54 unterhalb des Bauelementekörpers des vierten elektrischen Bauelements 38 angeordnet. Der dritte Kühlungsbereich 32'' weist im Bereich des fünften elektrischen Bauelements 40 einen entsprechenden Aufbau auf. Das fünfte elektronische Bauelement 40 weist einen Bauelementekörper 56 auf, unterhalb dem ebenfalls eine erste Wärmeleitungsschicht 52' angeordnet ist. Auch diese erste Wärmeleitungsschicht 52' weist eine Anzahl von Durchkontaktierungen 54' auf, die in 2 aufgrund der Abdeckung durch den Bauelementekörper 56 jedoch nicht sichtbar sind. Die Anordnung einer ersten Wärmeleitungsschicht unterhalb eines Bauelementekörpers ermöglicht ein sehr gutes Abführen der an dem elektrischen Bauelement entstehenden Wärme. Über die Durchkontaktierungen kann die Wärme direkt an dem Ort, an dem sie entsteht in die innerhalb der Leiterplatte verlaufenden Innenlagen eingeleitet werden. Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, ist der Bauelementekörper 56 innerhalb des dritten Kühlungsbereichs 32'' angeordnet.
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Die beiden ersten Wärmeleitungsschichten 52, 52' sind Teil einer oberen Leitungslage, die auf einer Leiterplattenoberseite 58 der Leiterplatte 20 angeordnet ist. Bei der Fertigung der elektrischen Schaltung 12, genauer gesagt beim Herrichten der Leiterplatte 20 wird die obere Leitungslage so bearbeitet, dass die im Kontaktierungsbereich 24 angeordneten Leiterplattenkontaktierungen 26, 26' entstehen. Ferner entstehen dabei auch Verbindungen zwischen den einzelnen Leiterplattenkontaktierungen 26, 26'. Diese Verbindungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 jedoch nicht dargestellt. Beim Herrichten der Leiterplatte 20 wird innerhalb der Kühlungsbereiche die obere Leitungslage nicht abgetragen. Somit sind die Kühlungsbereiche von der oberen Leitungslage bedeckt. Dies ermöglicht eine gute Wärmeabführung.
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Wie dem in 2 dargestellten ersten Ausschnitt 44 zu entnehmen ist, sind der Kontaktierungsbereich 24 und der dritte Kühlungsbereich 32'' durch einen Isolationsbereich 60 voneinander getrennt. Der Isolationsbereich 60 weist eine niedrige Wärmeleitzahl auf. Dadurch ist der dritte Kühlungsbereich 32'' gegenüber dem Kontaktierungsbereich 24 wärmeisoliert und es ist sichergestellt, dass die beispielsweise an dem fünften elektrischen Bauelement 40 entstehende Wärme größtenteils zu den dritten Kühlungslöchern 42'' und somit dem Rand 50 der Leiterplatte 20 abgeleitet wird. Der Isolationsbereich 60 entsteht beispielsweise dadurch, dass aus der oberen Leitungslage ein Kanal herausgefräst wird, in dem dann kein Material mehr der oberen Leitungslage vorhanden ist. Diese Vorgehensweise hat zudem den Vorteil, dass auch eine elektrische Isolierung des dritten Kühlungsbereiches 32'' gegenüber dem Kontaktierungsbereich 24 erreicht wird. Ein entsprechender Isolationsbereich kann auch an der Unterseite der Leiterplatte 20 vorgesehen sein.
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Jedes der in 2 dargestellten dritten Kühlungslöcher 42'' weist eine Hüllfläche 61 auf. Zur Erzielung einer besseren Wärmeabführung ist bei jedem dieser Kühlungslöcher 42'' zumindest ein Teil der Hüllfläche 61 mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht 62 beschichtet. Vorzugsweise ist die zweite Wärmeleitungsschicht 62 lediglich auf den Oberflächen der Kühllocherweiterungen 48 aufgebracht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich bei den Kühllocherweiterunen 48 um Restbereiche von Durchkontaktierungen handelt. Die zweite Wärmeleitungsschicht 62 kann aber auch auf den Oberflächenbereichen zwischen den Kühllocherweiterungen 48 aufgebracht sein. Als Material für die zweite Wärmeleitungsschicht 62 kann beispielsweise Lötzinn verwendet werden. Eine bessere Wärmeabfuhr wird allerdings erreicht, wenn anstelle von Lötzinn Kupfer verwendet wird.
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Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, weisen die dritten Kühlungslöcher 42'' eine Länge auf, die in der Größenordnung der Längenausdehnung der elektrischen Bauelemente liegt. Dabei kann ein Kühlungsloch eine Länge aufweisen, die durchaus dem Vielfachen der Länge eines Bauelementekörpers entspricht. Die Länge der Kühlungslöcher wird letztlich durch die für das jeweilige zu kühlende elektrische Bauelement zu realisierende Kühlleistung festgelegt, wobei bei der Ermittlung der Kühlleistung die elektrischen Eigenschaften des Bauelements berücksichtigt werden.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Leiterplatte 20 entlang der in 2 eingezeichneten Schnittlinie A-A.
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Die Leiterplatte 20 weist neben der Leiterplattenoberseite 58 eine Leiterplattenunterseite 64 auf. Der Kontaktierungsbereich 24 und der dritte Kühlungsbereich 32'' sind voneinander durch den Isolationsbereich 60 getrennt. Auf der Leiterplatte 20 ist das fünfte elektrische Bauelement 40 montiert. Zu diesem Zweck ist eine der Bauelementekontaktierungen 28' mit einer der Leiterplattenkontaktierungen 26', die im Kontaktierungsbereich 24 angeordnet ist, verbunden. Das fünfte elektrische Bauelement 40 ist dabei so auf der Leiterplatte 20 montiert, dass der Bauelementekörper 56 über der ersten Wärmeleitungsschicht 52' angeordnet ist. Die erste Wärmeleitungsschicht 52' ist über Durchkontaktierungen 54' mit einer ersten Innenlage 66, mit einer zweiten Innenlage 68 und mit einer im Bereich der Leiterplattenunterseite 64 angeordneten unteren Leitungslage 70 verbunden. Über die Durchkontaktierungen 54' sind die erste Wärmeleitungsschicht 52', die beiden Innenlagen 66, 68 und die untere Leitungslage 70 untereinander wärmeleitfähig verbunden. Somit wird Wärme, die in dem fünften elektrischen Bauelement 40 entsteht, ausgehend von der ersten Wärmeleitungsschicht 52' sowohl in die beiden Innenlagen 66, 68 als auch in die untere Leitungslage 70 eingeleitet. Dies ermöglicht eine sehr gute Wärmabfuhr. Zum effektiven Abführen der Wärme und somit Erzielen einer möglichst großen Kühlleistung sind die Durchkontaktierungen 54' mit einem wärmeleitfähigen Material ausgefüllt. Vorzugsweise ragen die beiden Innenlagen 66, 68 und die untere Leitungslage 70 nicht in den Kontaktierungsbereich 24 hinein. Dadurch wird ein gerichtetes Abführen der Wärme zum Rand 50 der Leiterplatte 20 hin sichergestellt.
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Die Leiterplatte 20 ist auf der Leiterplattenoberseite 58 mit einer oberen Wärmestrahlungsschicht 72 beschichtet. Ebenso ist die Leiterplatte 20 auf der Leiterplattenunterseite 64 mit einer unteren Wärmestrahlungsschicht 74 beschichtet. Beide Wärmestrahlungsschichten 72, 74 weisen einen hohen Emissionsgrad auf, was zu einer sehr guten Wärmestrahlung und somit zu einer sehr guten Wärmeabfuhr führt. Hinsichtlich der Beschichtung der Oberflächen der Leiterplatte 20 mit einer Wärmestrahlungsschicht sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar. In einer ersten Ausgestaltung wird auf die untere Wärmestrahlungsschicht 74 verzichtet, so dass lediglich die obere Wärmestrahlungsschicht 72 vorhanden ist. Dabei kann die Leiterplattenoberseite 58 teilumfänglich oder vollständig mit der oberen Wärmestrahlungsschicht 72 bedeckt sein. In einer zweiten Ausgestaltung sind zwar beide Wärmestrahlungsschichten 72, 74 vorhanden, allerdings lediglich im dritten Kühlungsbereich 32''. In einer dritten Ausgestaltung sind sowohl der Kontaktierungsbereich 24 als auch der dritte Kühlungsbereich 32'' vollständig mit beiden Wärmestrahlungsschichten 72, 74 beschichtet. Vorstehende Ausführungen gelten in entsprechender Weise für sämtliche auf der Leiterplatte 20 angeordneten Kühlungsbereiche.
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Der dritte Kühlungsbereich 32'' weist ein drittes Kühlungsloch 42'' auf, das mit Kühllocherweiterungen 48 versehen ist. Die Hüllfläche 61 des dritten Kühlungsloches 42'' ist zumindest im Bereich der Kühllocherweiterungen 48 mit der zweiten Wärmeleitungsschicht 62 beschichtet. Wie der Darstellung in 3 zu entnehmen ist, kann zum Abführen der an dem fünften elektrischen Bauelement 40 entstehenden Wärme ein den dritten Kühlungsbereich 32'' umgebendes Fluid das dritte Kühlungsloch 42'' von der Leiterplattenunterseite 64 zu der Leiterplattenoberseite 58 durchströmen.
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Sowohl die erste Wärmeleitungsschicht 52', als auch die Leiterplattenkontaktierungen 26' sind Teil einer oberen Leitungslage 75. Bei der Fertigung der elektrischen Schaltung 12, genauer gesagt beim Herreichten der Leiterplatte 20 entstehen diese durch den Abtrag von Material der oberen Leitungslage 75.
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Die Darstellung in 3, gemäß der die beiden Innenlagen 66, 68 und die untere Leitungslage 70 nicht in den Kontaktierungsbereich 24 hineinragen, soll keine einschränkende Wirkung haben. Es ist auch denkbar, beispielsweise zur Realisierung von Verdrahtungen bei komplexeren elektrischen Schaltungen, dass besagte Lagen auch in den Kontaktierungsbereich 24 hineinragen. In diesem Fall ist auch für diese Lagen eine Trennung des Kontaktierungsbereiches 24 von dem dritten Kühlungsbereich 32'' entsprechend dem im Bereich der Leiterplattenoberseite 58 angeordneten Isolationsbereich 60 vorzusehen.
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Die in 3 gewählte Darstellung, gemäß der die erste Wärmeleitungsschicht 52' und die obere Leitungslage 75 nicht miteinander verbunden sind, soll keine einschränkende Wirkung haben. Es ist auch denkbar, dass beide miteinander verbunden sind.
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Die erste Wärmeleitungsschicht 52', die beiden Innenlagen 66, 68 und die untere Leitungslage 70 sind untereinander jeweils durch nicht nähere bezeichnete Zwischenschichten aus einem elektrischen Isolationsmaterial getrennt. Entsprechendes gilt zum einen für die im Bereich der dritten Kühlungslöcher 42'' angeordneten Lagen, nämlich die obere Leitungslage 75, die beiden Innenlagen 66, 68 und die untere Leitungslage 70, und zum anderen für die noch zu beschreibenden Kühlungsleiterplatten.
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4 zeigt ebenfalls eine Schnittdarstellung der Leiterplatte 20 entlang der in 2 eingezeichneten Schnittlinie A-A. Der in 4 dargestellte dritte Kühlungsbereich 32'' ist dabei allerdings gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede dargelegt, die gegenüber dem in 3 dargestellten dritten Kühlungsbereich 32'' vorliegen, der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist.
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Im Vergleich zu der in 3 dargestellten Leiterplatte weist die in 4 dargestellte Leiterplatte 20 im Bereich der dritten Kühlungslöcher 42'' zum einen auf der Leiterplattenoberseite 58 keine obere Wärmestrahlungsschicht 72 und zum anderen auf der Leiterplattenunterseite 64 keine untere Wärmestrahlungsschicht 74 auf. Somit ist im Bereich der dritten Kühlungslöcher 42'' sowohl die untere Leitungslage 70 als auch die obere Leitungsalge 75 von außen zugänglich. Aus diesem Grund besteht im dritten Kühlungsbereich 32'', genauer gesagt im Bereich der dritten Kühlungslöcher 42'', zwischen der Leitungsplatte 20 einerseits und einer an der Leiterplattenoberseite 58 befestigten ersten Kühlungsleiterplatte 76 und einer an der Leiterplattenunterseite 64 befestigten zweiten Kühlungsleiterplatte 78 andererseits eine optimale Wärmeeinleitung.
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Die erste Kühlungsleiterplatte 76 weist ein erstes Zusatzkühlungsloch 80 auf. Dieses erste Zusatzkühlungsloch 80 entspricht in Form und Lage dem dritten Kühlungsloch 42'' der Leiterplatte 20. Folglich ist das erste Zusatzkühlungsloch 80 in seiner Grundform ebenfalls als Langloch ausgebildet, welches an seinen Längsseiten Kühllocherweiterungen 48' aufweist. Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl der Zusatzkühlungslöcher der ersten Kühlungsleiterplatte 76 der Anzahl der Kühlungslöcher der Leiterplatte 20. Dies gilt auch für die zweite Kühlungsleiterplatte 78. Die erste Kühlungsleiterplatte 76 weist darüber hinaus eine erste Innenlage 66' und eine zweite Innenlage 68' auf. Außerdem ist die Hüllfläche 61' des ersten Zusatzkühlungsloches 80 zumindest im Bereich der Kühllocherweiterungen 48' mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht 62' beschichtet. Auf ihrer Kühlungsleiterplattenoberseite 82 weist die erste Kühlungsleiterplatte 76 eine dritte Wärmeleitungsschicht 86 auf. In entsprechender Weise weist die erste Kühlungsleiterplatte 76 auf ihrer Kühlungsleiterplattenunterseite 84 eine dritte Wärmeleitungsschicht 86' auf. Die auf der Kühlungsleiterplattenoberseite 82 angeordnete dritte Wärmeleitungsschicht 86 ist wiederum mit einer Wärmestrahlungsschicht 72' beschichtet.
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Die erste Kühlungsleiterplatte 76 wird an der Leiterplatte 20 vorzugsweise dadurch befestigt, dass die auf der Kühlungsleiterplattenunterseite 84 angeordnete dritte Wärmeleitungsschicht 86' mit der oberen Leitungslage 75 verlötet wird. Dadurch ist eine optimale Wärmeeinleitung von der Leiterplatte 20 in die Kühlungsleiterplatte 76 gewährleistet. Es ist aber auch denkbar, die erste Kühlungsleiterplatte 76 mittels Schrauben oder Klemmen an der Leiterplatte 20 zu befestigen.
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Die zweite Kühlungsleiterplatte 78 ist entsprechend der ersten Kühlungsleiterplatte 76 aufgebaut. Folglich weist die zweite Kühlungsleiterplatte 78 ein zweites Zusatzkühlungsloch 88 auf. Auch das zweite Zusatzkühlungsloch 88 entspricht in Form und Lage dem dritten Kühlungsloch 42''. Folglich hat das zweite Zusatzkühlungsloch 88 die Grundform eines Langloches und verfügt ebenfalls über Kühllocherweiterungen 48''. Die zweite Kühlungsleiterplatte 78 weist ebenfalls eine erste Innenlage 66'' und eine zweite Innenlage 68'' auf. Auch ist die Hüllfläche 61'' des zweiten Zusatzkühlungsloches 88 zumindest im Bereich der Kühllocherweiterungen 48'' mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht 62'' beschichtet. Im Bereich ihrer Kühlungsleiterplattenoberseite 82' weist die zweite Kühlungsleiterplatte 78 eine dritte Wärmeleitungsschicht 86''' auf. Im Bereich ihrer Kühlungsleiterplattenunterseite 84' weist die zweite Kühlungsleiterplatte 78 eine dritte Wärmeleitungsschicht 86'' auf, die mit einer unteren Wärmestrahlungsschicht 74' beschichtet ist.
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Entsprechend der ersten Kühlungsleiterplatte 76 ist auch die zweite Kühlungsleiterplatte 78 durch Verlöten der dritten Wärmeleitungsschicht 86''' mit der unteren Leitungslage 70 an der Leiterplatte 20 befestigt. Alternativ kann die zweite Kühlungsleiterplatte 78 an der Leiterplatte 20 auch angeschraubt oder angeklemmt werden.
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Ein Vergleich der beiden Kühlungsleiterplatten 76, 78 mit der Leiterplatte 20 zeigt, dass der Aufbau der beiden Kühlungsleiterplatten 76, 78 mit dem Aufbau der Leiterplatte 20 im dritten Kühlungsbereich 32'' übereinstimmt. Folglich können die Leiterplatte 20 und die beiden Kühlungsleiterplatten 76, 78 aus demselben Leiterplattenrohling hergestellt werden. Zudem bedeutet dies, dass es sich den dritten Wärmeleitungsschichten ebenfalls um Leitungslagen handelt.
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Die in 4 gewählte Darstellung, gemäß der sowohl an der Leiterplattenoberseite 58 der Leiterplatte 20, als auch an der Leiterplattenunterseite 64 der Leiterplatte 20 jeweils eine Kühlungsleiterplatte angebracht ist, soll keine einschränkende Wirkung haben. Es ist auch denkbar, beispielsweise lediglich an der Leiterplattenoberseite 58 oder an der Leiterplattenunterseite 64 Kühlungsleiterplatten anzubringen. Auch ist es denkbar, sowohl an der Leiterplattenoberseite 58 als auch an der Leiterplattenunterseite 64 jeweils mehr als eine Kühlungsleiterplatte anzubringen.
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Vorstehend ist ausgeführt, dass die Leiterplatte 20 im Bereich der dritten Kühlungslöcher 42'' sowohl auf der Leiterplattenoberseite als auch auf der Leiterplattenunterseite keine Wärmestrahlungsschicht aufweist, um Kühlungsleiterplatten befestigen zu können. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Leiterplatte 20 dennoch sowohl auf der Leiterplattenoberseite 58 als auch auf der Leiterplattenunterseite 64 jeweils mit einer Wärmestrahlungsschicht versehen ist, wobei allerdings in die jeweilige Leiterplattenoberfläche hineinragenden Restringe der Kühllocherweiterungen ausgespart sind und somit nicht mit der Wärmestrahlungsschicht bedeckt sind. Entsprechendes gilt für die Kühlungsleiterplatten. Diese von der Wärmestrahlungsschicht freigestellten Flächen reichen aus, um die Kühlungsleiterplatten an der Leiterplatte oder untereinander zu befestigen. Anhand einer an einer Leiterplatte zu befestigenden Kühlungsleiterplatte wird die dabei angewandte Vorgehensweise beschrieben. Auf die Restringe wird beispielsweise eine Zinnpaste aufgetragen. Die Kühlungsleiterplatte wird auf der Leiterplatte aufgelegt und mittels Reflowverfahren oder Dampfphasenverfahren festgelötet.
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Aus Gründen der Darstellbarkeit ist die Zahl der Durchkontaktierungen 54', die in 3 und in 4 dargestellt ist, geringer als die Zahl der in 2 dargestellten Durchkontaktierungen 54. Dies soll keine einschränkende Wirkung haben.
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5 zeigt in einer Draufsicht einen zweiten Ausschnitt 90 der Leiterplatte 20. Dabei ist der zweite Kühlungsbereich 32' gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt.
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Der Kontaktierungsbereich 24 und der zweite Kühlungsbereich 32' sind durch einen Isolationsbereich 60' voneinander getrennt. Der Kontaktierungsbereich 24 weist Leiterplattenkontaktierungen 26''' auf. Mit diesen Leiterplattenkontaktierungen 26''' sind Bauelementekontaktierungen 28'' des dritten elektrischen Bauelements 36 verbunden. Der zweite Kühlungsbereich 32' weist eine erste Wärmeleitungsschicht 52'' auf. Das dritte elektrische Bauelement 36 ist so auf der Leiterplatte 20 montiert, dass sein Bauelementekörper 56' im zweiten Kühlungsbereich 32' so angeordnet ist, dass sich die erste Wärmeleitungsschicht 52'' unterhalb des Bauelementekörpers 56' befindet.
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In dem zweiten Kühlungsbereich 32' sind zweite Kühlungslöcher 42' angeordnet. Auch die zweiten Kühlungslöcher 42' entsprechen in ihrer Grundform einem Langloch und weisen Kühlungslocherweiterungen 48''' auf. Die Hüllflächen 61''' der zweiten Kühlungslöcher 42' sind zumindest im Bereich der Kühllocherweiterungen 48''' mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht 62''' beschichtet.
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Im Vergleich zu den dritten Kühlungslöchern 42'' sind die zweiten Kühlungslöcher 42' nicht parallel zueinander angeordnet. Bezogen auf das dritte elektrische Bauelement 36, dem die beiden zweiten Kühlungslöcher 42' zum Zweck der Kühlung zugeordnet sind, verfügen diese beiden zweiten Kühlungslöcher 42' jeweils über ein bauelementenahes Lochende 92, 92' und über ein bauelementefernes Lochende 94, 94'. Die beiden zweiten Kühlungslöcher 42' sind nun so angeordnet, dass die beiden bauelementenahen Lochenden 92, 92' einen größeren Abstand zueinander aufweisen als die beiden bauelementefernen Lochenden 94, 94'. Die beiden zweiten Kühlungslöcher 42' sind somit unter einem Winkel zueinander angeordnet. Diese Art der Anordnung der Kühlungslöcher kann auch auf Kühlungsbereiche übertragen werden, die mehr als zwei Kühlungslöcher aufweisen.
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6 zeigt in einer Draufsicht erneut den zweiten Ausschnitt 90 der Leiterplatte 20. Allerdings weist hier der zweite Ausschnitt 90 einen Kühlungsbereich 32'a auf, der gegenüber dem in 5 dargestellten zweiten Kühlungsbereich 32' alternativ ausgestaltet ist. In 6 ist somit ein Kühlungsbereich gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die in dem alternativ ausgestalteten zweiten Kühlungsbereich 32'a angeordneten Kühlungslöcher entsprechen in Aufbau, Lage und Form denjenigen Kühlungslöchern, die im zweiten Kühlungsbereich 32' angeordnet sind. Die beiden Kühlungsbereiche 32' und 32'a unterscheiden sich allerdings dadurch voneinander, dass dem alternativ ausgestalteten zweiten Kühlungsbereich 32'a neben der Funktion der Kühlung zusätzlich noch die Funktion eines elektrischen Anschlusses zukommt. Dem zweiten Kühlungsbereich 32' kommt lediglich die Funktion der Kühlung zu. Nachfolgend wird der alternativ ausgestaltete zweite Kühlungsbereichs 32'a beschrieben. Dies erfolgt in erster Linie anhand der zwischen den beiden Kühlungsbereichen 32' und 32'a vorliegenden Unterschiede. Bei Komponenten, deren Bezugziffer mit einem „a” versehen ist, handelt es sich um Komponenten, die gegenüber den entsprechenden in 5 dargestellten Komponenten, alternativ ausgebildet sind. Aus Gründen der Vereinfachung wird nachfolgend lediglich bei den relevanten Komponenten die Formulierung „alternativ” vorangestellt.
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Ein Kontaktierungsbereich 24 und der alternative zweite Kühlungsbereich 32'a sind durch einen alternativen Isolationsbereich 60'a voneinander getrennt, wobei der alternative Isolationsbereich 60'a einen ersten Fortsatz 96 aufweist. Der Kontaktierungsbereich 24 weist Leiterplattenkontaktierungen 26'''a auf. Mit diesen Leiterplattenkontaktierungen 26'''a sind Bauelementekontaktierungen 28''a eines alternativen dritten elektrischen Bauelements 36a verbunden. Der alternative zweite Kühlungsbereich 32'a weist eine alternative erste Wärmeleitungsschicht 52''a auf. Das alternative dritte elektrische Bauelement 36a ist so auf der Leiterplatte 20 montiert, dass sich die alternative erste Wärmeleitungsschicht 52''a unterhalb seines Bauelementekörpers 56'a befindet.
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Das alternative dritte elektrische Bauelement 36a weist eine Bauelementfahne auf. Diese befindet sich vorzugsweise an der Unterseite des Bauelementekörpers 56'a und ist somit in 6 nicht sichtbar. Die Bauelementefahne kann aber auch seitlich an dem Bauelementekörper 56'a angeordnet sein. Mit der Bauelementefahne ist ein elektrischer Anschluss eines in dem Bauelementekörper 56'a verbauten Halbleitersubstrats elektrisch verbunden. Das alternative dritte elektrische Bauelement 36a ist über diese Bauelementefahne elektrisch mit der alternativen ersten Wärmeleitungsschicht 52''a verbunden. Beispielsweise ist hierfür die Bauelementefahne an der alternativen ersten Wärmeleitungsschicht 52''a angelötet. Somit ist das alternative dritte elektrische Bauelement 36a auch wärmeleitfähig mit der alternativen ersten Wärmeleitungsschicht 52''a verbunden. Der alternative zweite Kühlungsbereich 32'a hat somit nicht nur eine Kühlungsfunktion, ihm kommt zudem auch die Funktion eines elektrischen Anschlusses zu. Das alternative dritte elektrische Bauelement 36a ist somit zumindest mit seinem als Bauelementefahne ausgestalteten elektrischen Anschluss über die alternative erste Wärmeleitungsschicht 52''a mit einer der Leiterplattenkontaktierungen 26'''a elektrisch verbunden. Hierzu weist die alternative erste Wärmeleitungsschicht 52''a einen zweiten Fortsatz 98 auf, der in den ersten Fortsatz 96 des alternativen Isolationsbereichs 60'a hineinragt. Dieser zweite Fortsatz 98 ist mit einer der Leiterplattenkontaktierungen 26'''a elektrisch verbunden.
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Die Beschreibung der elektrischen Funktion anhand eines Kühlungsbereichs, der Kühlungslöcher aufweist, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich kann diese Funktion auch bei einem Kühlungsbereich implementiert sein, dessen Kühlungslöcher parallel zueinander angeordnet sind
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Anhand der 7, 8 und 9 werden die für die Herstellung eines Kühlungsloches auszuführenden Arbeitsschritte beschrieben. In entsprechender Weise können auch Zusatzkühlungslöcher hergestellt werden.
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7 zeigt einen an einem Rand 50' einer Leiterplatte 20' befindlichen Bereich 100, in welchem ein Kühlungsbereich mit zumindest einem Kühlungsloch entstehen soll. Zunächst wird eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 102 in dem Bereich 100 erzeugt. Hierzu wird zunächst in einem ersten Arbeitsschritt eine entsprechende Vielzahl von Löcher 104 in die Leiterplatte 20' gebohrt. Von diesen Löchern ist eines exemplarisch mit der Bezugsziffer 104 bezeichnet.
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In einem zweiten Arbeitsschritt werden die Löcher 104 metallisiert. Dabei wird auf die Hüllflächen der Löcher 104 jeweils eine Metallschicht aufgalvanisiert. Eine dieser Metallschichten ist exemplarisch mit der Bezugsziffer 106 bezeichnet. Durch die Metallschicht 106 sind sämtliche Lagen der Leiterplatte miteinander wärmeleitfähig verbunden. Somit sind eine obere Leitungslage und eine untere Leitungslage untereinander verbunden, und sofern die Leiterplatte 20' Innenlagen aufweist, auch diese. Die Metallschicht 106 wird vorzugsweise so aufgalvanisiert, dass diese orthogonal zu innerhalb der Leiterplatte angeordneten Innenlagen ausgerichtet ist. Das Metallisieren der Hüllflächen führt zu einer die Wärmeabfuhr begünstigenden Oberflächenvergrößerung. Vorteilhafterweise ist die Metallschicht 106 so ausgeführt, dass diese keine glatte, sondern eine deutlich raue Oberfläche aufweist. Dies bewirkt eine weitere Oberflächenvergrößerung. Bei der Metallschicht 106 handelt es sich um eine zweite Wärmeleitungsschicht.
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In einem dritten Arbeitsschritt wird in einem durch ein Rechteck 108 angedeuteten Bereich Material der Leiterplatte 20' abgetragen, vorzugsweise abgefräst. Das fertige Kühlungsloch 42''' vor Augen habend, bedeutet dies, dass ein Langloch 46' in die Leiterplatte 20' gefräst wird. Durch das Langloch 46' wird das Durchströmungsverhalten des Fluids, welches das fertige Kühlungsloch 42''' durchströmt, verbessert.
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Das fertige Kühlungsloch 42''' ist somit fertigungstechnisch aus Durchkontaktierungen 102 und einem Langloch 46' aufgebaut. Das fertige Kühlungsloch 42''' beinhaltet ein Langloch 46' und Kühllocherweiterungen 48'''. Die Kühllocherweiterungen 48''' entsprechen ebenfalls Kühlungslöchern, wobei die Kühllocherweiterungen Restbereiche der Durchkontaktierungen darstellen.
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Vorstehend ist ausgeführt, dass für die Herstellung eines Kühlungslochs, welches ein Langloch und Kühllocherweiterungen beinhaltet, drei Arbeitsschritte ausgeführt werden. Es ist auch denkbar, bei der Herstellung eines Kühlungsbereiches lediglich die beiden ersten Arbeitsschritte auszuführen und somit auf den dritten Arbeitsschritt zu verzichten. In diesem Fall weist der Kühlungsbereich eine Vielzahl von Kühlungslöchern auf, die als Durchkontaktierungen ausgeführt sind. Diese Kühlungslöcher weisen paarweise einen sehr kleinen Abstand zueinander auf. Vorzugsweise sind die Durchkontaktierungen in Form einer Doppelreihe angeordnet, wobei die beiden Reihen in einem sehr kleinen Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Die innerhalb einer Reihe angeordneten Durchkontaktierungen weisen dabei einen sehr kleinen Abstand zueinander auf. Für sämtliche dieser Abstände gilt, dass diese sehr viel kleiner sind als der Durchmesser der Durchkontaktierungen. In diesem Fall weist der Kühlungsbereich eine Vielzahl von Kühlungslöchern auf, die entsprechend der Darstellung in 7 angeordnet sind. Alternativ können die beiden Reihen der Doppelreihe entsprechend der Darstellung in 5 auch unter einem Winkel zueinander angeordnet sein.
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8 zeigt das fertige Kühlungsloch 42'''. Es beinhaltet ein Langloch 46' und Kühllocherweiterungen. Eine dieser Kühllocherweiterungen ist exemplarisch mit der Bezugsziffer 48'''' bezeichnet. Bei den Kühllocherweiterungen 48'''' handelt es sich um Restbereiche der Durchkontaktierungen 102. Das fertige Kühlungsloch 42''' weist gerundete Enden 110 auf. Diese entstehen, wenn das Langloch 46' unter Verwendung eines einzigen Fräsers hergestellt wird, dessen Durchmesser der Breite des Langloches 46' entspricht. Die Kühllocherweiterungen 48'''' weisen eine Hüllfläche 61'''' auf, die mit einer zweiten Wärmeleitungsschicht, nämlich einer aufgalvanisierten Metallschicht beschichtet ist. Für eine Kühllocherweiterung ist dies zweite Wärmeleitungsschicht exemplarisch mit einer Bezugsziffer 62'''' bezeichnet.
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9 zeigt ein alternativ ausgestaltetes fertiges Kühlungsloch 42'''a, welches alternativ ausgestaltete Enden 110a aufweist. Diese Enden 110a entstehen dadurch, dass in dem ersten Arbeitsschritt zusätzlich zu den paarweise angeordneten Durchkontaktierungen zwei weitere Durchkontaktierungen hergestellt werden. Von diesen weiteren Durchkontaktierungen ist jeweils eine im Bereich der abschließenden Durchkontaktierungspaare angeordnet, und zwar vorzugsweise mittig zwischen den beiden abschließenden Durchkontaktierungen. In diesem Fall kann das alternativ ausgestaltete Langloch 46'a unter Verwendung eines Fräsers gefräst werden, der einen kleineren Radius aufweist, als der Fräser, der zur Herstellung des in 8 dargestellten Langloches 46' verwendet wird. Das alternativ ausgestaltete Kühlungsloch 42'''a weist an seinen Stirnseiten Durchkontaktierungen auf, genauer gesagt Restbereiche von Durchkontaktierungen. Mit Blick auf die Herstellungskosten für eine elektrische Schaltung werden die Kühlungslöcher vorzugsweise so ausgestaltet, wie dies in 8 dargestellt ist. Der Grund ist, dass für die Herstellung eines solchen Kühlungsloches weniger Werkzeugwechsel erforderlich sind. Für das Fräsen des Langloches 46' kann beispielsweise derjenige Fräser verwendet werden, der ohnehin für das Fräsen der Außenkontur der Leiterplatte verwendet wird.
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Die anhand der 7, 8 und 9 beschriebene Herstellung eines Kühlungsloches hat mehrere Vorteile. Zum einen werden Layoutelemente verwendet, die bei der Herrichtung einer Leiterplatte ohnehin zum Einsatz kommen. Ein solches Layoutelement ist beispielsweise eine Durchkontaktierung. Zum anderen kommen Fertigungsverfahren wie Fräsen oder Bohren zum Einsatz, die bei der Herrichtung einer Leiterplatte ohnehin eingesetzt werden. Die Kühlungslöcher lassen sich somit mit einem sehr geringen Kostenaufwand herstellen. Da die Kosten für einen aus Kühlungslöchern aufgebauten Kühlungsbereich niedriger sind, als die Kosten für einen konventionellen Kühlkörper, beispielsweise ein auf ein elektrisches Bauelement aufzusetzenden Aluminiumkühlkörper, reduzieren sich somit die Herstellungskosten für elektrische Schaltungen.
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Alternativ kann ein Kühlungsloch auch dergestalt hergestellt werden, dass in einem ersten Arbeitsschritt zunächst ein Langloch gefräst wird. In einem zweiten Arbeitsschritt werden dann an den beiden Längsseiten des Langlochs vorzugsweise halbkreisförmig ausgebildete Kühllocherweiterungen angebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Bohren oder Fräsen. In einem dritten Arbeitsschritt werden die Hüllflächen der Kühllocherweiterungen metallisiert, d. h. es wird eine Metallschicht aufgalvanisiert.
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Das Abführen von Wärme lässt sich dadurch verbessern, dass in dem Gehäuse, in dem die neue Schaltung eingebaut ist, zusätzlich ein Lüfter eingebaut wird, der so innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dass das Durchströmen des Fluids durch das Kühlungsloch unterstützt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005063281 A1 [0002, 0009]
