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Die Erfindung betrifft eine Elektronikanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.
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Diese Merkmale spiegeln die Grundkomponenten einer Elektronikanordnung wieder, wie sie seit Jahrzehnten Stand der Technik sind. Demnach ist eine Leiterplatte vorgesehen, auf der ein oder mehrere elektronische Bauelemente angeordnet und über entsprechende Leiterbahnen miteinander kontaktverbunden sind.
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Insbesondere bei Leistungselektronikanordnungen, Steuergeräten usw. entwickeln solche elektronischen Bauelemente oft ein hohes Maß an Wärme, die zuverlässig abzuführen ist. Dementsprechend sind bekanntermaßen den elektronischen Bauelementen zugeordnete Kühlkörper aus einem wärmeleitfähigen Metallwerkstoff vorgesehen, die zur Abführung von thermischer Energie von den elektronischen Bauelementen dienen und damit für eine zuverlässige Kühlung derselben sorgen.
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Ein Basisproblem bei solchen Elektronikanordnungen liegt darin, dass vielfach die elektronischen Bauelemente empfindlich auf die Einstrahlung elektromagnetischer Wellen von außen reagieren. Umgekehrt arbeiten elektronische Bauelemente oftmals auch mit hochfrequenten Signalen, die in die Umgebung ausgestrahlt werden und dort unter verschiedenen Aspekten störend sein können. Die gesamte Thematik ist unter dem Thema „Elektromagnetische Verträglichkeit” (= EMV) bei der Entwicklung von Geräten zu beachten.
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Die oben erwähnten Kühlkörper sind in diesem Zusammenhang bezüglich der Ein- und Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen nicht optimal, da sie als Koppelmedien und Antennen wirken können. Insoweit sind solche Kühlkörper, insbesondere wenn sie als relativ massive Kühlblöcke ausgebildet sind, unter verschiedenen Aspekten nachteilig. So ist ein direktes Einstrahlen von elektromagnetischer Wellen von außen möglich und es findet kein gezieltes Abschirmen für das Aussenden von elektromagnetischer Strahlung der dem Kühlkörper zugeordneten elektronischen Bauelemente statt. Dadurch ist auch ein Überkoppeln elektromagnetischer Wellen auf andere Schaltungsteile möglich.
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Ein Lösungsansatz in dieser Hinsicht ist aus der
EP 2 930 587 A1 bekannt. Dort ist ein relativ dünnwandiges Kühlelement, das mittels 3D-Druck herstellbar ist, mit einer relativ großvolumigen Gas- bzw. Dampfkammer ausgestattet. Auch kann dieses Kühlelement innerhalb der Kammer filigrane Dochtstrukturen aufweisen. Aufgrund dieser Grundkonzeption kann dieses Kühlelement als Abschirmung elektromagnetischer Strahlung sowohl gegen das Aussenden als auch Einkoppeln von Störstrahlung fungieren.
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Aus der
JP 2009 158 658 A2 ist ein Komposite-Kühlkörper bekannt, der zum einen aus einer Wärmeaufnahmeplatte mit davon abstehenden Kühlrippen – beides aus einem Ferrit-Werkstoff – und Metalllagen zwischen den Sockeln der Kühlrippen besteht.
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Die
WO 2014/209 994 A2 offenbart komplexe leitende Strukturen in Form von Filamenten in einem 3D-gedruckten Bauteil, die beispielsweise aus ferromagnetischem Materialien, wie Eisen, Kobalt oder Nickel, bestehen können. Zusätzlich zu ihrer Funktion als Leiterbahnen für die funktionalen elektronischen Vorrichtungen können solche leitfähigen Filamente auch zusätzlich oder alternativ als Wärmesenke bzw. Heizelemente in dem 3D-Teil dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kühlkörper zur Verwendung in Elektronikanordnungen hinsichtlich ihrer Abschirmfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Strahlungen sowohl in Aus- als auch in Einstrahlungsrichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 durch ein Erfindungskonzept gelöst, wonach mindestens eine in dem Kühlmittel integrierte, zumindest flächige, elektromagnetisch wirksame Strukturschichtzone zur Beeinflussung des elektromagnetischen Abschirmverhaltens des Kühlkörpers vorgesehen ist. Durch diese elektromagnetisch wirksame Strukturschichtzone ist es möglich, einen Kühlkörper individuell auf die jeweiligen, durch die Anordnung der einen oder mehreren elektronischen Bauelemente vorgegebenen Rahmenbedingungen auf einfache Weise anzupassen.
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In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Grundkonzeptes angegeben, die einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander zum Einsatz kommen können.
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So kann es vorgesehen sein, dass es sich bei der Strukturschichtzone um einen Gas- oder Luft-gefüllten Schlitz handelt. Durch diesen Schlitz wird der sich innerhalb des Kühlkörpers möglicherweise ausbildende magnetische Kreis unterbrochen, was zu der gewünschten Abschirmwirkung führt. Außerdem wird durch eine solche Schlitzstruktur eine gewisse elektrische Isolierung erreicht, um so auch die Aussendung von elektrischen Feldern zu hemmen.
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Zur weiteren Individualisierung des Abschirmverhaltens kann die Strukturschichtzone auch durch einen Schlitz mit einer Füllung aus einem nicht-soliden Werkstoff, vorzugsweise einem pulverförmigen Werkstoff, wie insbesondere Metall-Pulver, gebildet sein. Dann ist in diesem Bereich des Schlitzes keine solide Metallstruktur, wie es der Kühlkörper eine ist, vorhanden, sondern wiederum eine unterbrechende Struktur mit den oben erläuterten Effekten.
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Eine weitere mögliche Realisierung einer solchen Strukturschichtzone besteht in einer Lagenzone aus einem ferromagnetischen Werkstoff. Über eine sehr begrenzte Lagendicke im Inneren des Kühlkörpers erstreckt sich also eine flächige Lage mit ferromagnetischen Eigenschaften, die die Strahlung blockiert und eventuell kurzschließt.
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Alternativ oder kumulativ dazu kann eine Strukturschichtzone auch aus einer Lagenzone bestehend aus einem Ferrit-Werkstoff eingesetzt werden. Damit können vor allem hochfrequente Störungen wirksam abgeschirmt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht schließlich in materialtechnischer Hinsicht vor, dass die Lagenzone aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist. Damit ist analog den Lagezonen aus einem Ferrit-Werkstoff ebenfalls gezielt die ein- und ausgehende Störstrahlung zu minieren.
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Zur Anpassung der Strukturschichtzone an die jeweiligen Gegebenheiten können diese verschiedene Formauslegungen beinhalten. So kann – neben der üblichen planaren, insbesondere parallel zur Leiterplattenebene ausgerichteten Anordnung einer Strukturschichtzone – beispielsweise eine bezogen auf eine Ebene senkrecht zur Leiterplatte L- oder U-förmige Profilierung vorgesehen sein. Andere dreidimensionale Strukturen, wie beispielsweise eine haubenartig über eine oder mehrere elektronische Bauelemente sich erstreckende Formgebung der Strukturschichtzone, ist ebenfalls denkbar.
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Alle vorstehenden Ausführungsformen bezüglich Materialauswahl und geometrische Formgebung können in Abstimmung auf die unter den Kühlkörper verbauten Bauelemente beliebig miteinander kombiniert werden, um die gewünschten Abschirmungseigenschaften zu erhalten.
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Als bevorzugter Herstellungsprozess für den Kühlkörper hat sich das 3D-Drucken als additives Fertigungsverfahren herauskristallisiert. Hohlräume, wie die flächigen Schlitze als Strukturschichtzone, können dabei durch gezieltes „Nichtschweißen” von Körperpartien des herzustellenden Kühlkörpers angelegt werden. Ferromagnetische, ferritische und magnetische Bereiche können durch gezielte Stoffbeeinflussung mit einem speziellen Schweißverfahren hergestellt werden. Dies kann auch mit Zusatzwerkstoffen in Pulverform während des Herstellungsprozesses erfolgen. Dadurch können selbst bei nicht magnetischen Stoffen für den Kühlkörper, wie beispielsweise Aluminium, Zonen mit magnetischen Eigenschaften eingearbeitet werden.
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Alternativ zu dem 3D-Drucken können auch beispielsweise Einleger aus den angegebenen ferromagnetischen, ferritischen oder magnetischen Materialien durch Umdruckprozesse in den Kühlkörper integriert werden.
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Zusammenfassend weisen die erfindungsgemäßen Elektronikanordnungen durch die entsprechende Ausbildung der Kühlkörper verschiedene Vorteile auf, die nochmals wie folgt zusammenzufassen sind:
- – Abschirmelemente innerhalb des Kühlkörpers in Form unterschiedlich auslegbarer Strukturschichtzonen können individuell gestaltet werden.
- – Das Kühlvermögen des Kühlkörpers wird dadurch nicht signifikant beeinflusst.
- – Verschiedene technologische Umsetzungen sind zu kombinieren, um gezielt Frequenzen zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften zu unterdrücken.
- – Es sind keine externen Bauelemente notwendig.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese einzige
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1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Elektronikanordnung in einer Ebene vertikal zur Leiterbahnebene.
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Die gezeigte Elektronikanordnung weist eine übliche Leiterplatte 1 auf, auf der entsprechende Leiterbahnen mit Kontaktflächen (jeweils nicht gezeigt) für elektronische Bauelemente 2.1 bis 2.5 in üblicher Weise aufgebracht sind. Auf diese Leiterbahnen sind die Bauelemente 2.1–2.5. montiert und kontaktiert. In der Leiterplatte 1 sind sogenannte thermische Vias 3 eingebracht, die für eine Ableitung der vom Bauelement 2.5 an der Unterseite der Leiterplatte 1 erzeugten Wärme zur Oberseite der Leiterplatte 1 hin sorgen.
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Auf der Leiterplatte 1 mit den Bauelementen 2.1 bis 2.4 ist ein blockförmiger Kühlkörper 4 gesetzt, der im Bereich der elektronischen Bauelemente 2.1 bis 2.4 mit entsprechenden Aussparungen 5 versehen ist. Zwischen den jeweiligen elektronischen Bauelementen 2.1 bis 2.4 und dem Grund der Aussparungen 5.1 bis 5.4 sowie dem Bereich der Leiterplatte 1, in dem die Vias 3 nach oben ausmünden, ist eine Schicht 6 eines thermisch leitfähigen Füllmaterials eingesetzt, mit dem eventuell vorhandene Spalten zwischen der Oberseite der elektronischen Bauelemente 2.1 bis 2.4 und dem Grund der Aussparungen 5.1 bis 5.4 bz. zwischen den Vias 3 und dem Kühlkörper 4 überbrückt werden können. Damit ist eine zuverlässige thermische Kopplung zwischen den Bauelementen 2.1 bis 2.5 und dem Kühlkörper 4 gewährleistet.
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Wie aus der beigefügten Zeichnung ferner deutlich wird, sind in den Kühlkörper 4 verschiedene Strukturschichtzonen 7 eingearbeitet, die wie folgt zu beschreiben sind: Oberhalb des Bauelementes 2.1 ist ein planarer, sehr dünner Schlitz 8 ausgebildet, dessen sich parallel zur Leiterplatte 1 erstreckende Breite und Länge über die entsprechende Erstreckung des Bauelementes 2.1 hinausgeht. Die Höhe des Schlitzes 8 in Richtung senkrecht zur Leiterplatte 1 beträgt für die flächige Ausbildung des Schlitzes 8 mindestens eine Größenordnung weniger als Länge bzw. Breite.
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Wie in der Zeichnung nicht eigens dargestellt ist, kann ein solcher Schlitz 8 auch mit einem Pulver, etwa einem Metallpulver gefüllt sein, um analog dem luftgefüllten Schlitz für eine Blockierung des magnetischen Kreises innerhalb des Kühlkörpers 4 zu sorgen.
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Oberhalb des Bauelements 2.2 ist die Strukturschichtzone 7 als Lagenzone 9 aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet. Diese Lagenzone 9 ist dabei in der in der Zeichnung dargestellten Schnittlage U-förmig profiliert, weist insoweit also eine parallel zur Leiterplatte 1 verlaufende Hauptzone 10 mit senkrecht dazu verlaufenden Randzonen 11, 12 auf. Letztere erstrecken sich beispielsweise bis kurz an das Bauelement 2.2 heran.
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Wie in der Zeichnung nicht dargestellt ist, können an die Hauptzone 10 auch vertikal zu den Randzonen 11, 12 dazwischen verlaufende Randzonen ausgebildet sein, so dass die Lagenzone 9 sich dann haubenartig über das Bauelement 2.2 stülpen würde.
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Oberhalb des Bauelementes 2.3 ist in den Kühlkörper 4 eine Lagenzone 13 aus einem Ferritwerkstoff als Strukturschichtzone 7 integriert, was wiederum entsprechende elektromagnetische Beeinflussungen im Zusammenhang mit dem EMV-Verhalten der Elektronikanordnung mit sich bringt.
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Im bezogen auf die Zeichnung rechten Randbereich des Kühlkörpers 4 ist schließlich eine Lagenzone 14 aus magnetischem Werkstoff integriert, die eine magnetisierte Struktur mit einem L-förmigen Profil aufweist. Dementsprechend ist wiederum eine Hauptzone 10 parallel zur Leiterplatte 1 und eine Randzone 11 rechtwinklig dazu vorgesehen.
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Der Kühlkörper 4 mit den darin eingebrachten Strukturschichtzonen 7 und den außenseitigen Kühlrippen 15 kann in einem geeigneten additiven Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem 3D-Drucken, hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2.1
- elektronisches Bauelement
- 2.2
- elektronisches Bauelement
- 2.3
- elektronisches Bauelement
- 2.4
- elektronisches Bauelement
- 2.5
- elektronisches Bauelement
- 3
- Vias
- 4
- Kühlkörper
- 5
- Aussparung
- 6
- Schicht
- 7
- Strukturschichtzonen
- 8
- Schlitz
- 9
- Lagenzone/Ferromagnetisches Material
- 10
- Hauptzone
- 11
- Randzone
- 12
- Randzone
- 13
- Lagenzone/Ferrit
- 14
- Lagenzone/Magnet
- 15
- Kühlrippen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2930587 A1 [0006]
- JP 2009158658 A2 [0007]
- WO 2014/209994 A2 [0008]
