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Die Erfindung geht aus von einem Elektronikmodul nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Die Schrift
DE 10 2013 109 592 B3 beschreibt eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlkörper, wobei das Leistungshalbleitermodul Leistungshalbleiterbauelemente, die auf elektrisch leitenden Leiterbahnen angeordnet sind, aufweist. Dabei weist das Leistungshalbleitermodul eine Kühlplatte auf, wobei der Kühlkörper eine Öffnung aufweist und die Kühlplatte im Bereich der Öffnung angeordnet ist. An einer den Leistungshalbleiterbauelementen abgewandten Seitenfläche der Kühlplatte ist ein um einen Randbereich der Kühlplatte umlaufendes elastisches Dichteelement angeordnet. Die Leistungshalbleitereinrichtung weist eine Druckeinrichtung auf, die die Kühlplatte in Richtung des Kühlkörpers derart drückt, dass das Dichteelement die Kühlplatte gegen den Kühlkörper flüssigkeitsdicht abdichtet. Es ist hierbei eine Leistungshalbleitereinrichtung beschrieben, bei der temperaturbedingte mechanische Spannungen an der Kühlplatte der Leistungshalbleitereinrichtung reduziert werden.
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Das Dokument
US 2008/0 237 847 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul, das eine planare Grundplatte aufweist, die eine Mehrzahl von isolierten Substraten aufweist, die auf einer Oberfläche gelötet sind. Die isolierten Substrate weisen jeweils ein Leistungshalbleiterelement auf, das gekühlt werden muss. Dazu wird eine Anzahl von Kühlfinnen verwendet, die auf der Grundfläche der Grundplatte angeordnet sind.
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Die Druckschrift
JP 2008-270 295 A beschreibt ein Leistungshalbleiterbauelement, das einen Leistungshalbleiterchip aufweist, auf dem ein Leistungshalbleiterelement angeordnet ist. Der Leistungshalbleiterchip weist dabei eine Wärmesenke auf, die aus Keramik besteht. Die Wärmesenke ist dabei mittels eines O-Ring angeordnet.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektronikmodule bekannt, welche beispielsweise als Pulswechselrichter ausgeführt sind und mindestens ein Leistungsbauelement und einen Kühler aufweisen. Der Kühler umfasst beispielsweise einen Stiftkühlkörper, der auch als PinFin-Platte bezeichnet wird. Der Kühler entwärmt das mindestens eine Leistungsbauelement über den Stiftkühlkörper und ein Kühlmedium, wobei das mindestens eine Leistungsbauelement über eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht mit dem Stiftkühlkörper verbunden ist. Bei den bekannten Pulswechselrichtern ist der Stiftkühlkörper über Schraubverbindungen und/oder Klebeverbindungen fest am Kühler befestigt. Dies kann bei Erwärmung des Systems durch die Wärmeausdehnung zu einer Stresseinkoppelung in die elektrisch isolierende Verbindungsschicht zwischen dem Leistungsbauelement und dem Stiftkühlkörper führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Elektronikmodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass sich durch die schwimmende Lagerung der Grundplatte des Stiftkühlkörpers und damit verbundene mechanische Entkopplung der Stiftkühlkörper bei Erwärmung in allen Raumachsen ungehindert ausdehnen kann. Dadurch kann der Stress in der elektrisch isolierende Verbindungsschicht deutlich abgebaut werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Elektronikmodul zur Verfügung, welches mindestens ein Leistungsbauelement und einen Kühler umfasst. Der Kühler umfasst einen Stiftkühlkörper und entwärmt das mindestens eine Leistungsbauelement über den Stiftkühlkörper und ein Kühlmedium. Das mindestens eine Leistungsbauelement ist über eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht mit dem Stiftkühlkörper verbunden. Erfindungsgemäß umfasst der Stiftkühlkörper eine Grundplatte, welche über mindestens eine erste Dichtung schwimmend am Kühler gelagert ist. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine erste Dichtung in einer in den Kühler eingebrachten ersten Dichtungsnut angeordnet. Zudem ist erfindungsgemäß mindestens eine zweite Dichtung in einer in den Kühler eingebrachten zweiten Dichtungsnut angeordnet. Erfindungsgemäß überdeckt ein Deckel die zweite Dichtungsnut, wobei der Deckel mit dem Kühler verschraubt wird und mit einer vorgebbaren Kraft auf die mindestens eine zweite Dichtung drücken kann. Die Dichtungen ermöglichen in vorteilhafter Weise einen fluiddichten Abschluss des Hohlraums.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Elektronikmoduls möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Stiftkühlkörper so am Kühler gelagert werden kann, dass sich zwischen der Grundplatte und dem Kühler in jede Raumrichtung ein Spalt mit einer vorgegebenen Breite ausbildet. Diese Spalten ermöglichen die thermische Ausdehnung zwischen dem Stiftkühlkörper und dem Kühler, so dass sich der Stiftkühlkörper in allen Raumachsen ungehindert ausdehnen kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls kann das Kühlmedium in einem Hohlraum geführt werden, welcher sich zwischen dem Stiftkühlkörper, dem Kühler und einem Deckel ausbildet. Hierbei kann die Grundplatte den Hohlraum nach oben abschließen und Kühlstifte können vom Grundkörper in den Hohlraum abstehen. Der Deckel kann den Hohlraum nach unten abschließen und der Kühler kann den Hohlraum seitlich abschließen.
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Die erste Dichtungsnut kann beispielsweise in eine Stufe des Kühlers eingebracht werden. Die Grundplatte kann so angeordnet werden, dass die Grundplatte die erste Dichtungsnut überdeckt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls kann der Kühler mit einem Halterahmen verschraubt werden, welcher mindestens ein Andrückelement aufweisen kann, welches so angeordnet werden kann, dass es den Stiftkühlkörper beim Verschrauben des Kühler mit dem Halterahmen mit einer vorgebbaren Kraft auf die mindestens eine erste Dichtung drückt.
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Die zweite Dichtungsnut kann ebenfalls in die Stufe des Kühlers eingebracht werden. Die erste Dichtungsnut und die zweite Dichtungsnut können an gegenüberliegenden Oberflächen in die Stufe des Kühlers eingebracht werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls 1 mindestens ein Leistungsbauelement 36 und einen Kühler 20. Der Kühler umfasst einen Stiftkühlkörper 10 und das entwärmt mindestens eine Leistungsbauelement 36 über den Stiftkühlkörper 10 und ein Kühlmedium 22, wobei das mindestens eine Leistungsbauelement 36 über eine elektrisch isolierende Verbindungsschicht 3 mit dem Stiftkühlkörper 10 verbunden ist. Erfindungsgemäß umfasst der Stiftkühlkörper eine Grundplatte, welche über mindestens eine erste Dichtung schwimmend am Kühler gelagert ist. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt beispielhaft eine als Pulswechselrichter ausgeführte elektronische Schaltung 30, welche mehrere auf einem Schaltungsträger 32 angeordnete elektrische/elektronische Bauteile 32 und mehrere Leistungsbauelemente 36 aufweist, welche mit dem Stiftkühlkörper 10 verbunden sind. Der Stiftkühlkörper 10 dient zum Entwärmen der Leistungsbauelemente 36 über das im Kühler 20 geführte Kühlmedium 22. Als Kühlmedium 22 kann beispielsweise Luft aber auch Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl eingesetzt werden, Durch die elektrisch isolierende Verbindungsschicht 3 ist das mindestens eine Leistungsbauelement 36 elektrisch vom Stiftkühlkörper 10 isoliert, so dass auch elektrisch leitende Kühlmedien 22 zur Kühlung und Wärmeabfuhr eingesetzt werden können.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist der Stiftkühlkörper 10 so am Kühler 20 gelagert, dass sich zwischen der Grundplatte 12 und dem Kühler 20 in jede Raumrichtung x, y, z ein Spalt mit einer vorgegebenen Breite ausbildet, von denen in 1 und 2 zwei Spalte Δx, Δz entlang den Raumachsen x und z sichtbar sind. Ein korrespondierender Spalt Δy entlang der Raumachse y ist nicht sichtbar.
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Das Kühlmedium 22 ist in einem Hohlraum 21 geführt, welcher sich zwischen dem Stiftkühlkörper 10, dem Kühler 20 und einem Deckel 9 ausbildet. Die Grundplatte 12 des Stiftkühlkörpers 10 schließt den Hohlraum 21 nach oben ab, wobei Kühlstifte 14 des Stiftkühlkörpers 10 vom Grundkörper 12 in den Hohlraum 21 abstehen. Der Deckel 9 schließt den Hohlraum 21 nach unten ab, wobei der Deckel 9 zum Abschließen des Hohlraums 21 an der Unterseite des Kühlers 20 in 1 nicht abgebildet ist. Der Kühler 20 schließt den Hohlraum 21 seitlich ab.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist mindestens eine erste Dichtung 16 in einer in den Kühler 20 eingebrachten ersten Dichtungsnut 26 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Dichtungsnut 26 in eine Stufe des Kühlers 20 eingebracht. Zudem ist mindestens eine zweite Dichtung 18 in einer in den Kühler 20 eingebrachten zweiten Dichtungsnut 28 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Dichtungsnut 28 ebenfalls in die Stufe des Kühlers 20 eingebracht, wobei die erste Dichtungsnut 26 und die zweite Dichtungsnut 28 an gegenüberliegenden Oberflächen in die Stufe des Kühlers 20 eingebracht sind. Um den Hohlraum 21 fluiddicht abzuschließen, überdeckt die Grundplatte 12 mit ihrem Rand 12.1 die erste Dichtungsnut 26 und wird an einem Dichtbereich 12.2 mit einer vorgegebenen Kraft auf die mindestens eine erste Dichtung 16 gedrückt. Zudem überdeckt der Deckel 9 die zweite Dichtungsnut 28 und wird mit einer vorgebbaren Kraft auf die mindestens eine zweite Dichtung 16 gedrückt.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist der Kühler 20 mit einem Halterahmen 5 verschraubt, welcher mindestens ein Andrückelement 7 aufweist, welches so angeordnet ist, dass es den Stiftkühlkörper 10 beim Verschrauben des Kühler 20 mit dem Halterahmen 5 mit der vorgebbaren Kraft auf die mindestens eine erste Dichtung 16 drückt. Durch Anschrauben der Andrückelemente 7 mittels mehrerer Schraubverbindungen, von welchen eine näher dargestellt ist, wird eine Schraube 29 in eine Aufnahmeöffnung 24 am Kühler 20 eingeführt und bis zur Anlage an einem Anschlag in eine korrespondierende Gewindebohrung 7.2 eingeschraubt, welche in das Andrückelement 7 eingebracht ist. Dadurch wird der Halterahmen 5 am Kühler 20 befestigt und die Grundplatte 12 des Stiftkühlkörpers 10 von einer am Andrückelement 7 ausgebildeten Andrückfläche 7.1 nach unten gegen die erste Dichtung 16 gedrückt. Die Dichtungskraft wirkt nun der Grundplatte 12 des Stiftkühlkörpers 10 entgegen. Der Innendruck im Kühler 20 wird über das Kühlmedium 22 auf den Stiftkühlkörper 10 übertragen und wirkt gegen das Andrückelement 7. Die sichtbaren Spalten Δx, Δz und der nicht sichtbare Spalt Δy ermöglichen die thermische Ausdehnung zwischen dem Stiftkühlkörper 10 und dem Kühler 20, so dass sich der Stiftkühlkörper 10 in allen Raumachsen x, y, z ungehindert ausdehnen kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verhindern durch die erfindungsgemäße schwimmende Lagerung des Stiftkühlkörpers am Kühler eine Stresseinkoppelung in die elektrisch isolierende Verbindungsschicht, welcher zwischen dem Leistungsbauteil und dem Stiftkühlkörper angeordnet ist.
