DE102016125338B4 - System zum Kühlen eines für elektrische Bauteile vorgesehenen Trägersubstrats und Trägersubstrat - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein System zum Kühlen eines für elektrische Bauteile vorgesehenen Trägersubstrats (1), wobei das Trägersubstrat (1) eine Bauteilseite und eine der Bauteilseite gegenüberliegende Kühlseite mit einer Kühlstruktur (30) aufweist, wobei das System ein Schalenelement (50) umfasst, wobei das Schalenelement (50) derart ausgestaltet ist, dass das an dem Trägersubstrat (1) befestigte Schalenelement (50) zusammen mit der Kühlseite des Trägersubstrats (1) einen Fluidkanal bildet, wobei das Schalenelement (50) derart ausgestaltet ist, dass das in Hauptströmungsrichtung strömende Fluid zur Einleitung in die Kühlstruktur (50) umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kanäle der Kühlstruktur (30) zur Umleitung der Kühlflüssigkeit in den benachbarten Kanal jeweils rampenförmige Stegelemente (62) aufweisen, deren Neigungsrichtungen jeweils verschieden sind. Weiterhin schlägt die Erfindung ein Trägersubstrat (1) mit einem solchen System vor.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Kühlen eines für elektrische, insbesondere elektronische, Bauteile vorgesehenen Trägersubstrats und ein Trägersubstrat.
• Trägersubstrate sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen bekannt. Typischerweise werden auf einer Bauteilseite des Trägersubstrats elektrische Bauteile oder -elemente und Leiterbahnen angeordnet, wobei die elektrischen Bauteile und die Leiterbahnen zu elektrischen Schaltkreisen zusammenschaltbar sind. Für Spezialanwendungen haben sich solche Trägersubstrate als besonders vorteilhaft erwiesen, die zur elektrischen Isolation der einzelnen elektrischen Bauteile und Leiterbahnen eine Isolationsschicht mit hoher elektrischer Isolationsfestigkeit aufweisen, wie z.B. eine aus Keramik gefertigte Primärschicht.
• Im Betrieb dieser Trägersubstrate werden die elektrischen Bauteile typischerweise derart beansprucht, dass sie erhitzen und sich auf der Bauteilseite lokale Wärmequellen ausbilden. Um durch das Erhitzen veranlasste Schädigungen an den elektrischen Bauteilen oder dem Trägersubstrat zu vermeiden, kennt der Stand der Technik, z.B. aus der DE 10 2012 200 325 A1 oder der DE 10 2014 105 727 A1 (6), Kühlstrukturen, über die sich die Wärme von dem Trägersubstrat abtransportieren lässt. Als besonders wirkungsvoll hat es sich dabei erwiesen, einen Wärmeaustausch mit einer an der Kühlstruktur vorbeiströmenden Kühlflüssigkeit zum Wärmeabtransport zu nutzen. Mit der Entwicklung neuartiger elektrischer Bauteile, beispielsweise aus Halbleiterelementen wie SiC oder GaN, steigen allerdings auch die an die Kühlsysteme gestellten Anforderungen in Hinblick auf die Kühlperformance. Darüber hinaus begrenzt die Wirkungsweise der Kühlsysteme aus dem Stand der Technik mitunter die Dimensionierung des Trägersubstrats. In der JP 2002-314 280 A wird ein Gehäuse für ein Keramik-Substrat dargestellt, auf dem wiederum Bauteile aufgebracht sind. Eine Kühlflüssigkeit tritt über einen Eingang in das Gehäuse ein und über einen Ausgang wieder aus. Da der Aus gang für die Flüssigkeit höher liegt als die Eingänge, ist das Gehäuse derart gestaltet ist, dass die Kühlflüssigkeit auf das Substrat gerichtet ist. Auf der Rückseite des Trägersubstrats sind mehrere wärmeleitende Vorsprünge vorgesehen.
• In der DE 10 2010 043 904 A1 ist ein Leistungselektroniksubstrat und ein Trägerrahmen dargestellt, wobei zwischen dem Leistungselektroniksubstrat und dem Trägerrahmen ein Kühlmittel geführt wird. An der Unterseite sind Turbulenzen verursachende Einrichtungen vorgesehen, die in den Kühlkanal hineinragen.
• Die JP 2005 136 278 A zeigt ein Trägersubstrat, an dessen Oberseite elektronische Bauteile angeordnet sind. An der Unterseite des Trägerelements ist eine Kühlstruktur vorgesehen und zusammen mit dem Schalenkörper wird ein Flüssigkeitskanal gebildet. Hierbei ist es vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit in die Kühlstruktur umgelenkt wird.
• In der DE 10 2009 051 864 A1 _wird eine Kühlvorrichtung offenbart, in der mäanderförmige Kühlkanäle vorgesehen sind. Die Druckschrift DE 202 08 106 U1 betrifft ein Kühlgerät, das zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleitern vorgesehen ist. Hierbei umfasst das Kühlgerät ein Verteilelement, das in Zellen unterteilt ist. Wie in der DE 10 2009 051 864 A1 wird die Kühlflüssigkeit mäanderförmig durch die Zelle befördert. In der US 6 400 012 B1 _wird ein Trägersubstrat aus Keramik für Bauteile offenbart, wobei an der Unterseite des Bauteils mehrere Finnen vorgesehen sind. Hierbei soll ein reduzierter Strömungsbereich ausgebildet werden. Dazu ist das Schalenelement vorgesehen, das derart ausgestaltet ist, dass eine Kühlflüssigkeit zunächst über eine Rampe in den Bereich mit der reduzierten Strömungsgeschwindigkeit geführt wird und anschließend über eine andere Rampe wieder abgeführt wird.
• In der DE 10 2014 112 516 B3 wird ebenfalls ein leistungselektronisches System bestehend aus einem ersten Teilkörper und einem zweiten Teilkörper, die zusammen einen Flüssigkeitskanal bilden, offenbart. Dabei bildet der erste Teilkörper das Trägersubstrat aus, an dessen Unterseite Kühlfinnen angeordnet sind und der zweite Teilkörper einen Schalenkörper.
• In der US 2014 0 376 184 A1 ist ein System aus einem Trägersubstrat und einem Schalenelement dargestellt, wobei an der Oberseite des Trägersubstrats Bauteile und an der Unterseite des Trägersubstrats Kühlfinnen angebracht sind. Der Boden des Schalenelements, der den Finnen gegenüberliegt, ist dabei schräg ausgestaltet, so dass beim Einleiten einer Kühlflüssigkeit von rechts diese in die durch die Kühlfinnen ausgebildete Kühlstruktur umgelenkt werden.
• Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem bereitzustellen, mit dem die Kühlperformance gegenüber jenen aus dem Stand der Technik verbessert ist, um vorzugsweise eine größere Dimensionierung des Trägersubstrats bzw. der dort anzubringenden Bauelemente zu ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zum Kühlen eines für elektrische Bauteile vorgesehenen Trägersubstrats gemäß Anspruch 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
• Erfindungsgemäß ist ein System zum Kühlen eines für elektrische Bauteile bestimmten Trägersubstrats vorgesehen, wobei das Trägersubstrat eine Bauteilseite und eine der Bauteilseite gegenüberliegende Kühlseite mit einer Kühlstruktur aufweist, wobei das System ein Schalenelement umfasst, wobei das Schalenelement derart ausgestaltet ist, dass das an dem Trägersubstrat befestigte Schalenelement zusammen mit der Kühlseite des Trägersubstrats mindestens einen Fluidkanal bildet, wobei das Schalenelement derart ausgestaltet ist, dass das in Hauptströmungsrichtung im Fluidkanal strömende Fluid zur Einleitung in die Kühlstruktur umgelenkt wird.
• Gegenüber den Systemen zum Kühlen von Trägersubstraten aus dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße System den Vorteil, dass sich das Fluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, so in die Kühlstruktur einleiten lässt, dass ein möglichst effizienter, d.h. insbesondere gleichmäßiger Wärmeabtransport von der Kühlseite des Trägersubstrats erfolgen kann. Insbesondere lässt sich über die gesamte Kühlstruktur gesehen ein Gefälle in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit vermeiden, was wiederum in vorteilhafter Weise zu einem gleichmäßigeren und vergleichsweise hohe Wärmeübergangskoeffizienten (für den Wärmeüber gang zwischen der Kühlstruktur und dem Kühlfluid) führt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Hauptströmungsrichtung durch die Anordnung mindestens einer Eingangsöffnung, über die die Kühlflüssigkeit in den mindestens einen Fluidkanal eingeleitet wird, und mindestens einer Ausgangsöffnung, über die die aufgewärmte Kühlflüssigkeit den mindestens einen Fluidkanal wieder verlässt, festgelegt ist. Der mindestens eine Fluidkanal wird nachfolgend zur Vereinfachung als „Fluidkanal“, die mindestens eine Eingangsöffnung als „Eingangsöffnung“ und die mindestens eine Ausgangsöffnung als „Ausgangsöffnung“ bezeichnet.
• Vorzugsweise wird die Kühlflüssigkeit über die Eingangsöffnung parallel zur Hauptströmungsrichtung in den Fluidkanal eingeleitet. Dabei verläuft die Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Kühlseite bzw. zu einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats. Insbesondere strömt das Fluid im Bereich der Eingangsöffnung bzw. der Ausgangsöffnung parallel zur Hauptströmungsrichtung und wird zwischen den Bereichen mit der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung so durch das Schalenelement umgelenkt, dass die Kühlflüssigkeit eine von der Hauptströmungsrichtung abweichende Bewegungskomponente, insbesondere eine senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Bewegungskomponente, erhält. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass im montierten Zustand, d.h. wenn das Trägersubstrat auf dem Schalenelement befestigt ist, die Eingangsöffnung in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats verlaufenden Richtung gesehen unterhalb der Kühlstruktur angeordnet ist.
• Bei den Kühlsystemen aus dem Stand der Technik wird hingegen die Kühlflüssigkeit auf Höhe der Kühlstruktur parallel zur Hauptströmungsrichtung eingeleitet, so dass die Strukturelemente der Kühlstruktur, beispielsweise nadel- oder pinförmige Strukturelemente, seriell angeströmt werden. Folge dieses seriellen Anströmens ist ein mit einer in der Kühlstruktur zurückgelegten Strecke bestehender stetiger Druckabfall, der die Strömungsgeschwindigkeit reduziert. Folge der reduzierten Strömungsgeschwindigkeit ist wiederum eine geminderte Kühlperformance. Hinzu kommt, dass die Kühlflüssigkeit die stromaufwärts liegenden Strukturelemente der Kühlstruktur stärker und die stromabwärts liegenden Strukturelemente schwächer kühlt, da sich die Kühlflüssigkeit beim Kühlen sukzessive erwärmt.
• Im Gegensatz dazu ist das erfindungsgemäße Schalenelement insbesondere derart ausgestaltet, dass die Kühlflüssigkeit in verschiedenen in Strömungsrichtung gesehen hintereinander angeordneten Bereichen in die Kühlstruktur eingeleitet werden kann, so dass sich eine serielle Anströmung der Kühlstrukturen mit dem damit einhergehenden erhöhten Druckabfall vermeiden lässt. Durch den reduzierten Druckabfall können Pumpen mit geringerer Leistung im Kühlkreislauf verwendet werden. Eine weitere positive Konsequenz ist beispielsweise auch darin zu sehen, dass sich die Trägersubstrate und das System zur Kühlung der Trägersubstrate parallel und seriell dimensionieren lassen, da der Druck mit den erfindungsgemäßen Schalenelemente zwar linear mit der zurückgelegten Distanz der Kühlflüssigkeit in der Kühlstruktur abnimmt aber diese kürzer ist und so eine Anpassung an den Kühlkreislauf optimiert werden kann. Schließlich kühlt die Kühlflüssigkeit die Strukturelemente der Kühlstruktur im Wesentlichen parallel, d.h. gleichmäßiger als beim Stand der Technik, da die unterschiedlichen Bereiche innerhalb der Kühlstruktur im Wesentlichen gleichermaßen, d.h. unabhängig von Ihrer Position entlang der Hauptströmungsrichtung, mit Fluid gleich niedriger Temperatur beaufschlagt werden.
• Vorzugsweise ist das Schalenelement derart ausgestaltet, dass es lösbar am Trägersubstrat befestigbar ist. Beispielsweise ist das Schalenelement im montierten Zustand mit dem Trägersubstrat über Fixierelemente verbunden bzw. verclipst, wobei die Fixierelemente des Schalenelements vorzugsweise formschlüssig entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung mit dem Trägersubstrat zusammenwirken. Um im Schnittstellenbereich zwischen dem Schalenelement und dem Trägersubstrat für eine ausreichende Abdichtung zu sorgen, ist vorzugsweise ein Dichtelement vorgesehen. Vorstellbar ist dabei, dass das Dichtelement in einer Aussparung im Schalenelement angeordnet ist und im montierten Zustand dichtend am Trägersubstrat anliegt.
• Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Schalenelement und das Trägersubstart miteinander form-, kraft-, und/oder stoffschlüssig verbunden sind. Beispielsweise ist das Schalenelement mit dem Trägersubstrat verclipst, über einen Bügel mit dem Trägersubstrat verbunden und/oder an dem Trägersubstrat lösbar befestigt, beispielsweise angeschraubt. Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn zwischen dem Schalenelement und dem Trägersubstrat ein Dichtelement angeordnet ist, um eine Abdichtung des Fluidkanals zu ermöglichen. Grundsätzlich ist es weiter vorgesehen, dass das Schalenelement einen im montierten Zustand der Kühlseite gegenüberliegenden Schalenboden und von dem Schalenboden abstehende Seitenwände aufweist, über die das Schalenelement mit dem Trägersubstrat verbunden ist. Dabei sind die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung bevorzugt in den Seitenwänden des Schalenelements integriert, während auf den Seitenwänden des Schalenelements das Trägersubstrat im montierten Zustand aufliegt. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit an der Eingangsöffnung mit einem Druck von weniger als 200 mbar, bevorzugt weniger als 150 mbar und besonders bevorzugt mit einem Druck von im Wesentlichen 100 mbar beaufschlagt ist. Insbesondere ist die Kühlstruktur als eine Rippen-, Nadel- und/oder Noppenstruktur ausgestaltet und beispielsweise in das Trägersubstrat integriert. Ferner ist die Kühlstruktur zum Korrosionsschutz vorzugsweise mit einer Korrosionsschutzschicht, wie z. B. insbesondere einer NiP, Ni, SiO₂, Al₂O₃, TiOx, TiN, NiAu, NiPdAu aufweisenden Korrosionsschutzschicht, beschichtet. Dadurch lässt sich die realisierte Kühlperformance des Trägersubstrats möglichst lange über die Lebensdauer des Trägersubstrats aufrechterhalten, sowie die Lebensdauer des gesamten Kühlsystems bzw. dessen weiterer Komponenten.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Schalenelement derart ausgestaltet ist, dass das Fluid in Richtung der Kühlseite des Trägersubstrats umgelenkt wird. Dadurch lässt sich das Fluid in vorteilhafter Weise im Wesentlichen parallel bzw. leicht schräg zu den von der Kühlseite abstehenden Strukturelementen in die Kühlstruktur einleiten, so dass sich der Strömungswiderstand durch die Strukturelemente der Kühlstruktur für die eingeleitete Kühlflüssigkeit reduzieren lässt.
• Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Schalenelement einen Schalenboden mit einer Kanalstruktur aufweist, wobei insbesondere Kanäle der Kanalstruktur in Hauptströmungsrichtung gesehen zu einer Seite hin geschlossen sind. Vorzugsweise umfasst die Kanalstruktur Kanalwände, die die einzelnen Kanäle der Kanalstruktur in einer senkrecht und parallel zur Hauptströmungsrichtung gesehenen und gegenüber der Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats verlaufenden Richtung voneinander trennen. Die einzelnen Kanäle sind ferner so gestaltet, dass sie im montierten Zustand zur Kühlseite hin offen sind und an die Kühlstruktur angrenzen, insbesondere abschließend angrenzen. Sie bilden also quasi ein zur Kühlseite des Trägersubstrats hin offenes U-Profil, dessen parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats liegende Kanalwand, also der „Boden“ des U-Profils, hier im Folgenden auch als Stegelement bezeichnet, bevorzugt gegenüber der Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats leicht geneigt ist, vorzugsweise in einem Winkel von 1° - 30°, besonders bevorzugt zwischen 2° und 15°, besonders bevorzugt etwa 3° - 6°, um das Fluid jedenfalls teilweise hin zur Kühlstruktur abzulenken. Das U-Profil läuft somit in der Hauptströmungsrichtung konisch zu. Die Neigung des Stegelements kann auch erst in einem Bereich beginnen, der 5-40 %, bevorzugt 10-30 % nach innen in Richtung der Hauptströmungsrichtung, verschoben ist, insbesondere im Anschluss an einen Zwischenraum beginnt, der am Einlass des Fluidkanals angeordnet ist.
• Des Weiteren erstrecken sich die Kanalwände nach einer Ausführungsform vom Schalenelement bis zur Abschlussseite der Kühlstruktur, wobei die Abschlussseite durch die Stirnseiten der von der Kühlseite abstehenden Strukturelemente der Kühlstruktur festgelegt ist. Es ist auch vorstellbar, dass zumindest bereichsweise, insbesondere am Ende der Kanäle, zwischen der Kanalwand und der Kühlstruktur ein Spalt vorgesehen ist. Durch den Spalt wird die Kanalwand zur Kühlstruktur beabstandet und es ist ein parallel zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats strömender Teilfluss, der vorzugsweise beabstandet zur Kühlstruktur strömt, realisierbar. Weiterhin ist vorzugsweise eine weitere Kanalwand vorgesehen, die vom Schalenboden absteht und im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verläuft. Diese weitere Kanalwand bildet insbesondere eine Art Stauelement. Die weitere Kanalwand bildet einen Abschluss des jeweiligen Kanals. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die weiteren Kanalwände abwechselnd am zur Eingangsöffnung zugewandten Ende des Kanals oder am zur Ausgangsöffnung zugewandten Ende des Kanals angeordnet sind. Ferner ist es vorgesehen, dass die weitere Kanalwand sich ebenfalls vom Schalenboden bis zur Abschlussseite der Kanalstruktur erstreckt und dass die Kanalstruktur vorzugsweise beabstandet zur Eingangsöffnung und/oder Ausgangsöffnung ist. Insbesondere stehen die Kanalwände und die weiteren Kanalwände senkrecht vom Schalenboden ab. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlstruktur in Hauptströmungsrichtung gesehen im Wesentlichen zusammen mit dem Kanal abschließt, d. h. Kanal und Kühlstruktur enden in Hauptströmungsrichtung gesehen im Wesentlichen auf derselben Höhe.
• Zur Umlenkung des in Hauptströmungsrichtung strömenden Fluids ist erfindungsgemäß ein von dem Schalenboden in Richtung der Kühlseite abstehende rampenförmiges Stegelement, vorgesehen, wobei das Stegelement vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Stegelement innerhalb eines Kanals der Kanalstruktur angeordnet ist. Vorzugsweise erstreckt sich das Stegelemente über den gesamten Kanal der Kanalstruktur, d. h. über die gesamte Kanallänge. Dabei ist es vorstellbar, dass das Stegelement an einem in Strömungsrichtung liegenden Ende bündig an der Kühlstruktur anliegt. Hierbei kann auf eine weitere Kanalwand verzichtet werden. Dabei ist es vorstellbar, dass eine Neigung des rampenförmigen Stegelements in Hauptströmungsrichtung gesehen konstant bleibt oder beispielsweise zunimmt. Ferner ist es denkbar, dass ein Neigungswinkel einen Wert zwischen 30° und 2°, bevorzugt einen Wert zwischen 15° und 3° oder besonders bevorzugt einen Wert zwischen 10° und 4° annimmt. Mittels der rampenförmigen Stegelemente lässt sich in vorteilhafter Weise die Kühlflüssigkeit umlenken und in Hauptströmungsrichtung gesehen in hintereinander liegende Bereiche der Kühlstruktur einleiten.
• Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass benachbarte Stegelemente verschiedene Neigungsrichtungen aufwei sen, insbesondere gegeneinander, wobei die Stegelemente insbesondere derart begrenzt sind, dass die Kühlflüssigkeit von einem Kanal über die Kühlstruktur an der Kühlseite des Trägersubstrats in den benachbarten Kanal geleitet wird, insbesondere in allen Bereichen der Kühlstruktur. Unter verschiedenen Neigungsrichtungen ist insbesondere zu verstehen, dass in Hauptströmungsrichtung gesehen sich das rampenförmig ausgestaltete Stegelement eines Kanals mit zurückgelegter Stecke durch den Kanal zur Kühlseite hin neigt, während sich die benachbarten Kanäle mit zurückgelegter Stecke durch den Kanal von der Kühlseite wegneigen. Durch die Begrenzungen der einzelnen Kanäle lässt sich die Kühlflüssigkeit in vorteilhafter Weise über die Kühlstruktur von einem Kanal, der zur Eingangsöffnung offen und zur Ausgangsöffnung durch die weitere Kanalwand geschlossen ist, zu einem benachbarten Kanal, der zur Ausgangsöffnung hin offen und zur Eingangsöffnung geschlossen ist, überführen. Mit anderen Worten: Es lässt sich in vorteilhafter Weise ein seitlicher Versatz bzw. ein seitliches Übertreten der Kühlflüssigkeit von einem Kanal in den jeweils benachbarten Kanal realisieren, wobei die Kühlflüssigkeit für den seitlichen Versatz durch die Kühlstruktur geführt wird. Der Übergang von einem in den anderen Kanal erfolgt dabei im Wesentlichen in allen Bereichen..
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Schalenelement zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt ist. Ein aus Kunststoff gefertigtes Schalenelement, insbesondere mit den Kanalstrukturen, lässt sich in vorteilhafter Weise vergleichsweise einfach herstellen und es ist mit nur einem vergleichsweise geringen Gewichtszuwachs für das gekühlte Trägersubstrat durch das System zum Kühlen zu rechnen.
• Vorzugsweise weist das Trägersubstrat zur elektrischen Isolation von elektrischen Bauteilen eine zumindest teilweise aus Keramik gefertigte Primärschicht auf. Solche aus Keramik gefertigten Trägersubstrate erweisen sich insbesondere für Spezialanwendungen, beispielsweise im Automobilbereich, als vorteilhaft, so dass eine Kombination des Systems zum Kühlen und des keramikhaltigen Trägersubstrats es ermöglicht, die für Spezialanwendungen vorgesehenen Trägersubstrate auch mit solchen elektrischen Bauteile zu bestücken, bei denen im Betrieb mit einer vergleichsweise hohen Wärmeentwicklung zu rechnen ist.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung oder eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Kühlen eines für elektrische Bauteile vorgesehenen Trägersubstrats, wobei das Trägersubstrat eine Bauteilseite und eine der Bauteilseite gegenüberliegende Kühlseite mit einer Kühlstruktur aufweist, wobei das System ein Schalenelement umfasst, wobei das Schalenelement derart ausgestaltet ist, dass das an der Kühlseite befestigte Schalenelement zusammen mit der Kühlseite des Trägersubstrats ein Fluidkanal bildet, wobei das Schalenelement derart gestaltet ist, dass an das Schalenelement, insbesondere an mehrere Schalenelemente, zur Bildung des Fluidkanals mehrere Trägersubstrate befestigbar sind, wobei insbesondere die Kühlseiten der Trägersubstrate einander gegenüberliegen und/oder nebeneinander liegen. Durch das Befestigen von mehreren Trägersubstraten an dem Schalenelement oder den Schalenelementen können sich in vorteilhafter Weise mehrere Trägersubstrate einen gemeinsamen Fluidkanal teilen. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise ein kompaktes System aus mehreren Trägersubstraten realisieren. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich mehrere Trägersubstrate ein Schalenelement teilen, wobei sich die Kanäle vorzugsweise über alle Trägersubstrate erstrecken, so dass sich die hintereinander und/oder nebeneinander angeordneten Trägersubstrate einen gemeinsamen Fluidkanal teilen. Genauso ist es möglich, dass mehrere Schalenelemente hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Schalenelement mit einem das Trägersubstrat umfassenden Gehäuseteil verbunden ist. Beispielsweise ist das Trägersubstrat zur einen Seite in ein gegossenes Gehäuseteil eingelassen und zur anderen Seite mit dem Schalenelement verbunden. Denkbar ist auch, dass das gegossene Gehäuseteil und das Schalenelement miteinander verbunden sind, und das Trägersubstrat von Gehäuseteil und Schalenelement ummantelt wird.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Trägersubstrat mit einem erfindungsgemäßen System. Dabei ist es vorstellbar, dass das System stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist. Vorstellbar, ist auch, dass das System zusammen mit der Kühlstruktur an das Trägersubstrat angeformt wird.
• Es zeigt:
• 1: ein System zum Kühlen eines Trägersubstrats zusammen mit einem Trägersubstrat gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht.
• 2 das System zum Kühlen eines Trägersubstrats ohne das Trägersubstrat geeignet für zwei gegenüber liegende Trägersubstrate in einer perspektivischen Ansicht
• 3a, 3b: das System zum Kühlen eines Trägersubstrats zusammen mit einem Trägersubstrat gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Schnittansichten.
• 4: ein System zum Kühlen eines Trägersubstrats zusammen mit einem Teil der Kühlstruktur des Trägersubstrats gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• In 1 ist schematisch ein Trägersubstrat 1 für elektrische Bauteile auf Leiterbahnen 12 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht dargestellt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein für Spezialanwendungen vorteilhaftes keramikhaltiges Trägersubsubstrat 1. Insbesondere weist das Trägersubstrat 1 eine Bauteilseite auf, auf der voneinander elektrisch isolierte metallische Leiterbahnen 12, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, für elektrische Bauteile bzw. Module vorgesehen sind. Um auf der Bauteilseite für eine elektrische Isolation zwischen den einzelnen Leiterbahnen 12 zu sorgen, ist an der Bauteilseite eine aus Keramik gefertigte Primärschicht vorgesehen. Durch das Anbinden von elektrischen Bauteilen an metallischen Anschlusselementen und das Verbinden der Leiterbahnen 12 lassen sich elektrische Schaltkreise realisieren, mit denen die elektrischen Bauteile ansteuerbar sind. Um einer im Betrieb auftretenden und von den elektrischen Bauteilen ausgehenden Wärmeentwicklung, insbesondere einer in Bereichen mit elektrischen Bauteilen lokal auftretenden Wärmeentwicklung, entgegenzuwirken, ist auf einer der Bauteilseite gegenüberliegenden Kühlseite eine in das Trägersubstrat 1 integrierte Kühlstruktur 30 vorgesehen. Insbesondere handelt es sich bei der Kühlstruktur 30 um eine metallische Nadel- bzw. Pin-Struktur, entlang der im Betrieb ein Fluid, vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit, vorbeiströmt, wodurch in vorteilhafter Weise die von der Kühlstruktur 30 an das Fluid abgegebene Wärme kontinuierlich abtransportiert werden kann.
• In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Trägersubstrat 1 zur Bildung eines Fluidkanals, in dem im Betrieb beispielsweise eine Kühlflüssigkeit transportiert wird, ein Schalenelement 50, insbesondere ein kunststoffhaltiges Schalenelement 50, wobei das Schalenelement 50 vorzugsweise mit der Kühlstruktur 30 verclipst ist. Zur Abdichtung der Verbindung zwischen Kühlstruktur 30 und Schalenelement 50 ist weiterhin ein Dichtelement vorgesehen, das in einer entsprechenden Aussparung im Schalenelement 50 eingelassen ist. Die auf der Kühlseite des Trägersubstrats 1 angeordneten Strukturelemente, beispielsweise in Form von Nadeln bzw. Pins, der Kühlstruktur 30 ragen dabei in den im Betrieb mit der Kühlflüssigkeit gefüllten Fluidkanal hinein.
• Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Schalenelement 50 einen im montierten Zustand der Kühlseite gegenüberliegenden Schalenboden 55, der im montierten Zustand Teil der Innenseite des Fluidkanals bildet, sowie vom Schalenboden 55 abstehende Seitenwände 56, deren Dimensionierung über den Abstand zwischen dem Schalenboden 55 und der Kühlseite des Trägersubstrats 1 bestimmt, aufweist. Zur Einspeisung der Kühlflüssigkeit in den Fluidkanal ist in das Schalenelement 50 eine Eingangsöffnung 51 in eine der Seitenwände 56 eingelassen, über die die Kühlflüssigkeit in den Fluidkanal eintritt. In der Seitenwand 56, die der Seitenwand 56 mit der Eingangsöffnung 51 gegenüberliegt, ist weiterhin eine Ausgangsöffnung 52 vorgesehen, über die die von der Kühlstruktur 30 aufgewärmte Kühlflüssigkeit austritt. Durch die Anordnung der Ausgangsöffnung 52 und der Eingangsöffnung 51 wird insbesondere eine Hauptströmungsrichtung HS der Kühlflüssigkeit festgelegt, wobei die Hauptströmungsrichtung HS im Wesentlichen parallel zur Kühlseite des Trägersubstrats 1 verläuft.
• In 2 ist ein System zum Kühlen zweier insbesondere gegenüberliegender, Trägersubstrate 1 ohne die Trägersubstrate 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. In den 3a und 3b ist das System zum Kühlen eines Trägersubstrats 1 zusammen mit einem Trägersubstrat 1 gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Schnittansichten dargestellt.
• In der dargestellten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Schalenelement 50 eine Kanalstruktur 60 aufweist, wobei sich die Kanäle im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung HS von der Seite mit der Eingangsöffnung 51 zur Seite mit der Ausgangsöffnung 52 erstrecken. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen der Kanalstruktur 50 und der Eingangsöffnung 51 bzw. der Ausgangsöffnung 52 ein Zwischenraum 57 frei bzw. unstrukturiert bleibt. Die jeweiligen Kanäle werden in einer senkrecht zur Hauptströmungsrichtung HS verlaufenden Richtung durch Kanalwände 61 begrenzt, wobei sich die Kanalwände 61 im montierten Zustand vom Schalenboden 55 bis zum Abschluss der Kühlstruktur 30 erstrecken. Nach einer Variante der vorliegenden Ausführungsform verbleibt aber hier gegebenenfalls auch ein Spalt (nicht gezeigt), durch den das Fluid strömt. Darüber hinaus sind die Kanäle z.B. wie in 3a, 3b gezeigt in Hauptströmungsrichtung HS zu einer Seite hin geschlossen, insbesondere durch eine weitere Kanalwand 62, die sich ebenfalls vom Schalenboden 55 bis zum Abschluss der Kühlstruktur 30 erstreckt. Dabei schließt die weitere Kanalwand 62 die benachbarten Kanäle abwechselnd zur Eingangsöffnung 51 und zur Ausgangsöffnung 52 hin ab. In 2 fehlt der Schalenboden 55, da hier auf beiden Seiten ein Trägersubstrat 1 angebracht werden kann.
• Zur Steigerung der Kühlperformance ist es vorgesehen, dass das Schalenelement 50 derart ausgestaltet ist, dass die entlang der Hauptströmungsrichtung HS strömende bzw. fließende Flüssigkeit umgelenkt wird, insbesondere so umgelenkt wird, dass die Kühlflüssigkeit auf die Kühlseite des Trägersubstrats umgelenkt wird. Hierzu umfasst die Kanalstruktur rampenförmige Stegelemente 63. Vorzugsweise umfasst jeder Kanal jeweils ein rampenförmiges Stegelement 63. Durch das rampenförmige Stegelement 63 erhält die Kühlflüssigkeit eine Bewegungskomponente, die auf die Kühlseite gerichtet ist, so dass die Kühlflüssigkeit in die Kühlstruktur 30 von der Abschlussseite der Kühlstruktur kommend, d. h. von einer durch die Enden der Strukturelementen der Kühlstruktur 30 festgelegten Ebene bzw. Seite kommenden, in die Kühlstruktur eingeleitet wird. Mit anderen Worten: Statt die Kühlflüssigkeit auf der Höhe der Kühlstruktur 30 seitlich und damit entlang einer parallel zur Hauptströmungsrichtung HS verlaufenden Richtung einzuleiten, erfolgt die Einleitung der Kühlflüssigkeit in die Kühlstruktur 30, indem die Flüssigkeit flächig mit einer Bewegungskomponente, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats 1 und damit senkrecht zur Kühlseite verläuft, in die Kühlstruktur 30 eingeleitet wird. Um die in die Kühlstruktur 30 von unten eingeleitete Kühlflüssigkeit wieder abzuleiten, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass benachbarte Kanäle jeweils rampenförmige Stegelemente 63 aufweisen, deren Neigungsrichtung jeweils entgegengesetzt ist. Dadurch wird die Kühlflüssigkeit von einem Kanal, insbesondere einem Kanal, der zur Eingangsöffnung 51 hin geöffnet und zur Ausgangsöffnung 52 geschlossen ist, über die Kühlstruktur 30 in den benachbarten Kanal, insbesondere einen Kanal, der zur Ausgansöffnung 52 hin geöffnet und zur Eingangsöffnung 51 geschlossen ist, umgeleitet, um schließlich wieder parallel zur Hauptströmungsrichtung HS in Richtung der Ausgangsöffnung 52 weiterzuströmen.
• Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Seitenwände 56 des Schalenelements 50 an ihrer vom Schalenboden 55 abgewandten Stirnseite einen Absatz 54 aufweisen, wobei das Trägersubstrat 1 im montierten Zustand auf diesem Absatz 54 aufliegt. Um das auf dem Absatz 54 aufliegende Trägersubstrat 1 an das Schalenelement 50 anzubinden, sind Fixierelemente vorgesehen, die im montierten Zustand entlang einer senkrecht zur Kühlseite oder Bauteilseite verlaufenden Richtung formschlüssig mit dem Trägersubstrat 1 zusammenwirken. Ferner ist es vorgesehen, dass der Absatz 54 derart dimensioniert ist, dass im montierten Zustand das Trägersubstrat 1 mit den Stirnseiten der Seitenwände 56 bündig abschließt. Die Fixierelemente können dabei beispielsweise auch das Trägersubstrat übergreifen oder mit einer Seitenwand des Trägersubstrats zusammenwirken.
• In der 4 ist ein Ausschnitt aus einem System zum Kühlen eines Trägersubstrats 1 zusammen mit einem Teil der Kühlstruktur des Trägersubstrats 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass das Schalenelement 50 derart ausgestaltet ist, dass das Kühlfluid in das Trägersubstrat 1 eingeleitet wird und das Trägersubstrat 1 mindestens einen Teil des Fluidkanals 32 ausbildet. Insbesondere ist das Trägersubstrat 1 hier mehrschichtig ausgestaltet. Durch die Ausrichtung einzelner Aussparungen in den jeweiligen Schichten im Trägersubstrat stellt das Trägersubstrat 1 einen Teil des Fluidkanals 32 bereit, insbesondere einen Teil, in dem das Fluid umgelenkt wird. Vorstellbar ist dabei, dass der Teil des Fluidkanals 32 innerhalb des Trägersubstrats als ganzes mäanderförmig oder als u-förmiger Kanal ausgestaltet ist. Besonderes bevorzugt ist das Trägersubstrat 1 derart ausgestaltet, dass das Kühlfluid in den Fluidkanal 32 geleitet wird und anschließend durch den Fluidkanal 32 des Trägersubstrats 1 in den benachbarten Kanal des Schalenelements 50 umgeleitet wird. Dabei ist es vorstellbar, dass in Hauptströmungsrichtung HS gesehen das Kühlfluid vom Trägersubstrat 1 im Wesentlichen auf derjenigen Höhe wieder in das Schalenelement 50 zurückgeleitet wird, auf der das Kühlfluid vom Schalenelement 50 in den Fluidkanal 32 des Trägersubstrats 1 eingeleitet wird. Durch die Ausbildung eines Fluidkanals 32 innerhalb des Trägersubstrats 1 ist es möglich, die Kühlflüssigkeit in vorteilhafter Weise möglichst bauteilnah durch das Trägersubstrat 1 zu führen. Weiterhin ist es vorgesehen, dass in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung die Kanalwände 61 des Schalenelements 50 zwischen 1- und 15-mal, bevorzugt zwischen 1- und 8- mal und besonders bevorzugt zwischen 2 und 5-mal so groß sind wie die Ausdehnung der Kühlstruktur des Trägersubstrats 1 in dieselbe Richtung.
• Bezugszeichenliste

1

Trägersubstrat

12

Leiterbahn

30

Kühlstruktur

32

Fluidkanal

50

Schalenelement

51

Eingangsöffnung

52

Ausgangsöffnung

54

Absatz

55

Schalenboden

56

Seitenwand

57

Zwischenraum

60

Kanalstruktur

61

Kanalwand

62

weitere Kanalwand

63

Stegelement

HS

Hauptströmungsrichtung

Claims (7)

1. System zum Kühlen eines für elektrische Bauteile vorgesehenen Trägersubstrats (1), wobei das Trägersubstrat (1) eine Bauteilseite und eine der Bauteilseite gegenüberliegende Kühlseite mit einer Kühlstruktur (30) aufweist, wobei das System ein Schalenelement (50) umfasst, wobei das Schalenelement (50) derart ausgestaltet ist, dass das an dem Trägersubstrat (1) befestigte Schalenelement (50) zusammen mit der Kühlseite des Trägersubstrats (1) mindestens einen Fluidkanal bildet, wobei das Schalenelement (50) derart ausgestaltet ist, dass das in Hauptströmungsrichtung (HS) im Fluidkanal strömende Fluid zur Einleitung in die Kühlstruktur (30) umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kanäle der Kühlstruktur (30) zur Umleitung der Kühlflüssigkeit in den benachbarten Kanal jeweils rampenförmige Stegelemente (62) aufweisen, deren Neigungsrichtungen jeweils verschieden sind.
2. System gemäß Anspruch 1, wobei das Schalenelement (50) derart ausgestaltet ist, dass das Fluid in Richtung der Kühlseite des Trägersubstrats (1) umgelenkt wird.
3. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schalenelement (50) einen Schalenboden (55) mit einer Kanalstruktur (60) aufweist, wobei insbesondere Kanäle der Kanalstruktur (60) in Hauptströmungsrichtung gesehen zu einer Seite hin geschlossen sind.
4. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche wobei die Stegelemente (63) derart begrenzt sind, dass die Kühlflüssigkeit von einem Kanal über die Kühlstruktur (60) an der Kühlseite des Trägersubstrats (1) in den benachbarten Kanal geleitet wird.
5. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schalenelement (50) zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt ist.
6. Trägersubstrat (1) mit einem System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Trägersubstrat (1) nach Anspruch 6, wobei das Trägersubstrat (1) eine zumindest teilweise aus Keramik gefertigte Primärschicht zur elektrischen Isolation von elektrischen Bauteilen aufweist.

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