NL1027632C2

NL1027632C2 - Drager voor elektrische componenten met aangesoldeerd koellichaam.

Info

Publication number: NL1027632C2
Application number: NL1027632A
Authority: NL
Inventors: Heino Marten Burema
Original assignee: Electrische App Nfabriek Capax
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-02
Also published as: DE112005003099T5; JP2008522425A; US20080266805A1; WO2006059907A3; WO2006059907A2

Description

i .

Drager voor elektrische componenten met aangesoldeerd koellichaam

De onderhavige uitvinding betreft een drager voor elektrische componenten, waarbij de door de componenten ontwikkelde warmte moet worden afgevoerd. Meer in het 5 bijzonder betreft de uitvinding een combinatie van een drager voor elektrische componenten welke zijn ingericht voor het tenminste onder bepaalde bedrijfsomstandigheden produceren van meer warmte dan dat via natuurlijke koeling kan worden afgevoerd en een mechanisch en thermisch daarmee gekoppeld koellichaam.

10

Voor het afvoeren van de door elektrische componenten zoals weerstanden en halfgeleiders ontwikkelde warmte is het reeds lang bekend thermisch met de behuizing van de componenten gekoppelde koellichamen toe passen. De hiervoor benodigde thermische koppeling dicteert de plaats van de koellichamen, zodat deze niet in alle 15 situaties kunnen worden toegepast.

Het gebruik van dragers van keramisch materiaal met een lage thermische weerstand biedt de mogelijkheid de door de componenten om wikkelde warmte via de drager af te voeren. Hiermee ontstaat meer vrijheid voor de plaatsing van de koellichamen. Volgens 20 de stand van de techniek is het bekend het koellichaam dicht tegen de drager aan te plaatsen. De hierbij onvermijdelijke luchtlaag tussen drager en koellichaam vergroot de thermische weerstand. Dit kan gedeeltelijk worden opgelost door het tussen beide delen aanbrengen van een thermisch geleidende pasta. Hierdoor wordt echter slechts een matige verbetering verkregen.

25

Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een dergelijke combinatie, waarbij de thermische weerstand tussen de warmte ontwikkelende componenten en het koellichaam zo klein mogelijk is, bij behoud van warmtetransport door de drager heen.

30 Dit doel wordt bereikt doordat de drager voorzien is van een metalen deel dat door middel van een metallische verbinding met het koellichaam is verbonden.

Het aanbrengen van een metalen deel op de drager biedt de mogelijkheid een metallische verbinding te vormen tussen het metalen deel en het metalen koellichaam.

1027632- • · 2

Hierbij wordt onder een metallische verbinding een verbinding verstaan zoals een door lassen of solderen gevormde verbinding, maar eveneens een verbinding door lijm met een groot gehalte aan metalen deeltjes.

De metallische verbinding tussen het metalen deel van de drager en het koellichaam 5 wordt bij voorkeur door een soldeerverbinding gevormd. Deze wijze van verbinding levert het minste technologisch problemen op omdat bij het bevestigen van de componenten op de drager reeds gebruik gemaakt wordt van solderen. Het is echter eveneens mogelijk gebruik te maken van lassen, bijvoorbeeld laserlassen voor het maken van deze verbinding.

10

Wanneer gebruik wordt gemaakt van een soldeerverbinding voor de verbinding tussen koellichaam en drager en wanneer de componenten door een soldeerverbinding met de drager zijn verbonden heeft het de voorkeur dat de smelttemperatuur van de soldeerverbinding tussen de componenten en de drager hoger is dan de 15 smelttemperatuur van de soldeerverbinding tussen de drager en het koellichaam. Hiermee wordt voorkomen dat bij het solderen van het koellichaam de soldeerverbinding tussen de drager en de componenten losraakt, waardoor de componenten zouden kunnen verschuiven.

20 Volgens een aantrekkelijke voorkeursuitvoeringsvorm is de drager van keramisch materiaal vervaardigd. Keramisch materiaal heeft in het algemeen een grote elektrische weerstand en een grote thermische geleidbaarheid, hetgeen in de onderhavige uitvinding van groot belang is omdat de thermische stroom de drager moet passeren.

25 Voor de uitvinding is een innige verbinding tussen de drager en het metalen deel vereist; hiertoe wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van het op de drager zeefdrukken van een metalen laagje, bij voorkeur op dezelfde wijze als waarop de metalen sporen voor de componenten op de drager worden aangebracht. Andere wijzen voor het aanbrengen van de laag worden echter niet uitgesloten.

30

Om het thermische traject zo kort mogelijk te maken is bij voorkeur het metalen deel van de drager aan de tegenover de componenten dragende zijde van de drager, recht tegenover de componenten aangebracht.

1 027632- 3 I *

Bij voorkeur is het koellichaam plaatvormig. De verhouding tussen inhoud en oppervlak van een plaat is immers aantrekkelijk voor het afvoeren van de warmte. Bovendien is een plaat productietechnisch gemakkelijk te realiseren.

5 Om het koelende oppervlak zo groot mogelijk te maken is bij voorkeur het oppervlak van de plaat groter dan het oppervlak van de drager.

De schakeling is veelal in een huis aangebracht. Binnen het huis zijn de mogelijkheden voor afgifte van warmte beperkt, zodat het aantrekkelijk is tenminste een deel van het 10 koelende oppervlak buiten het huis te positioneren.

Weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de dikte van het koellichaam tenminste even groot is als de dikte van de drager. Deze uitvoeringsvorm is in het bijzonder van toepassing in situaties waarin de kortdurende thermische belasting 15 van de op de drager geplaatste componenten optreedt. Deze thermische belasting kan groter zijn dan de warmteafvoercapaciteit van het koellichaam. Dit hoeft echter niet tot problemen te leiden wanneer de warmteopslagcapaciteit van het koellichaam voldoende groot is voor het absorberen van de tijdens een dergelijke tijdsduur van thermische belasting geproduceerde warmte. Deze kan dan in het koellichaam worden opgeslagen 20 en tijdens een volgende periode met een geringere warmteontwikkeling worden afgevoerd. Deze bedrijfswijze kan alleen worden toegepast wanneer de warmtecapaciteit van het koellichaam voldoende groot is, hetgeen kan worden bereikt door de koelplaat een bepaalde dikte te geven. Bij de door aanvraagster voorziene toepassingen blijkt dit de leiden tot een dimensionering van de dikte van de koelplaat 25 die tenminste even groot is als de dikte van de drager.

Volgens weer een andere uitvoeringsvorm is de smelttemperatuur van de soldeerverbinding tussen de drager en het koellichaam lager dan de bij kortdurend bedrijf maximaal optredende temperatuur van de drager.

30

Deze maatregel dient evenals de hiervoor toegelichte maatregel voor de vergroting van de thermische opslagcapaciteit van de combinatie. Wanneer de temperatuur van de drager de smelttemperatuur van de soldeerverbinding overschrijdt, zal het soldeer smelten en daardoor thermische energie absorberen. Wanneer later de temperatuur daalt, 1027632-

I I

4 zal het soldeer weer stollen en zijn warmte weer afgeven. Er moet echter wel zorg voor worden gedragen dat de drager en de koelplaat op hun plaats blijven, om bij het dalen van de temperatuur de soldeerverbinding weer te kunnen vestigen.

5 De uitvinding betreft niet alleen de hierboven beschreven combinatie, maar tevens de werkwijze voor het samenstellen ervan, namelijk een werkwijze voor het samenstellen van een combinatie van een drager voor elektrische componenten waarvan er tenminste een is ingericht voor het tenminste onder bepaalde bedrijfsomstandigheden produceren van meer warmte dan dat via natuurlijke afkoeling kan worden afgevoerd en een 10 mechanisch en thermisch daarmee gekoppeld koellichaam, waarbij aanvankelijk de componenten op de drager worden aangebracht en vervolgens een metallische deel van de drager door middel van een metallische verbinding met het koellichaam wordt verbonden.

15 Productietechnisch blijkt het aantrekkelijk te zijn aanvankelijk de componenten op de drager te plaatsen en pas vervolgens de koelplaten aan te brengen.

Deze voordelen komen verder tot uiting wanneer de componenten aanvankelijk door een soldeerverbinding met een eerste smeltpunt met de drager worden verbonden en dat 20 vervolgens de het koellichaam door een soldeerverbinding met het metallische deel van de drager wordt verbonden, waarbij het smeltpunt van de tweede soldeerverbinding lager is dan dat van de eerste soldeerverbinding.

Zoals hierboven gesteld is wordt een dergelijke drager veelal in een huis, bijvoorbeeld 25 een schakelaarhuis aangebracht. Het zal dan veelal niet mogelijk zijn de voltooide combinatie van drager met componenten en het koellichaam na samenstelling in de behuizing te brengen. Het is dan ook aantrekkelijk dat na het solderen van de componenten de drager in een behuizing wordt geplaatst, dat vervolgens het koellichaam tenminste gedeeltelijk in de behuizing wordt aangebracht en dat ten slotte 30 de soldeerverbinding tussen het koellichaam en het metallische deel van de drager wordt gevestigd. Dit is een ongebruikelijke volgorde omdat voor het met elkaar verbinden van de drager en het koellichaam moet worden gesoldeerd. Hiervoor moet aldus rekening worden gehouden door keuze van een materiaal voor het huis dat bestand is tegen de bij het solderen optredende temperaturen.

1027632-

t I

5

Bij het soldeerproces, in het bijzonder, doch niet uitsluitend wanneer het binnen de behuizing moet worden uitgevoerd, is bereikbaarheid van de te solderen vlakken gering. Het is dan ook aantrekkelijk om een ‘reflow’-soldeerproces uit te voeren, waarbij het 5 soldeer reeds op de soldeervlakken is aangebracht voordat het soldeerproces wordt uitgevoerd. Het solderen vindt dan plaats door het tot de smelttemperatuur verwarmen van de te solderen elementen.

Een toepassingsgebied waarbij kleine dragers waarop componenten zijn geplaatst met 10 een grote warmteontwikkeling voorkomen, is de besturen van de vermogens van energieomzetters, zoals elektromotoren en verwarmingselementen. In het bijzonder bij elektromotoren heeft de vermogensregeling veelal de functie van toeren- of koppelregeling. Hierbij worden de schakelende halfgeleiderelementen zoals FET’s, triacs of thyristoren zwaar belast, zodat de voordelen van de uitvinding in het bijzonder 15 bij dergelijke toepassingen tot uiting komen.

Dergelijke toepassingen bestaan bij door elektromotoren aangedreven toestellen, zoals elektrisch handgereedschap, maar tevens bij stofzuigers en keukenapparaten.

20 Zoals hierboven is toegelicht, is de uitvinding ook van toepassing in situaties waarin kortdurende belastingen van de elektromotoren optreden. Dit maakt de uitvinding in het bijzonder geschikt voor toepassing bij boor- en schroefmachines.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de 25 bijgaande tekeningen waarin voorstellen:

Fig. 1: Een doorsnede-aanzicht van een combinatie volgens de uitvinding; en Fig. 2: een schematisch perspectivisch aanzicht van een combinatie volgens de uitvinding waarbij deze is aangebracht in een behuizing. 1 1027632-

In figuur 1 is een keramische drager 1 getoond, die aan zijn onderzijde van een metalen laag 2 is voorzien. Deze metalen laag 2 is bij voorkeur door middel van zeefdrukken aangebracht. Aan de bovenzijde van de keramische drager 1 is een metalen sporenpatroon 3 aangebracht. Op dit sporenpatroon 3 is een aantal elektrische componenten 4A, 4B, 4C bevestigd door middel van solderen. Hierbij is de component 6 4A een vermogenscomponent die onder bepaalde bedrijfsomstandigheden veel warmte produceert die via een koellichaam moet worden afgevoerd. Hiertoe is aan de onderzijde van de keramische drager 1 een metalen, bij voorkeur van koper vervaardigde koelplaat 5 aangebracht. Deze koelplaat 5 is door middel van een 5 soldeerverbinding 6 metallisch verbonden met de metalen laag 2 van de keramische drager 1. Hierbij heeft de plaatvormige koelplaat 5 een groter oppervlak dan de plaatvormige drager 1 om haar functie als koellichaam goed te kunnen uitoefenen. Het oppervlak van het koellichaam moet immers groter zijn dan dat van de drager om een groter warmteoverdrachtsvlak te verschaffen.

10

De koelplaat 5 is tegenover de componenten 4 aan de drager bevestigd. Het thermische traject door de keramische drager 1 is hierbij zo kort mogelijk. Hierbij wordt erop gewezen dat de specifieke thermische weerstand van het keramische materiaal waar de drager 1 van is vervaardigd vele malen groter is dan die van het materiaal waar de 15 koelplaat van is bevestigd. Hiervoor wordt bij voorkeur koper gebruikt. Koper heeft namelijk niet alleen een lage thermische weerstandswaarde maar bovendien een grote warmtecapaciteit. Deze warmtecapaciteit kan worden gebruikt voor het opslaan van warmte bij kortdurende belastingen die de mogelijkheden tot warmteafvoer onder normale omstandigheden overschrijden.

20

De soldeerverbinding 6 tussen het metalen deel 2 van de keramische drager 1 en de koelplaat 5 draagt zorg voor een aanzienlijke verlaging van de thermische weerstand ten opzichte van de volgens de stand van de techniek gebruikelijke configuraties zoals het gebruik van een thermisch geleidende pasta.

25

De in figuur 1 getoonde configuratie wordt bij voorkeur gebruikt voor schakelingen met een klein aantal componenten en met kleine afmetingen die een grote hoeveelheid warmte kunnen produceren. Dergelijke schakelingen vinden toepassing in vermogensbesturingseenheden, in het bijzonder voor het regelen van het vermogen van 30 een elektromotor, zoals de elektromotor van een elektrische boormachine, in het bijzonder, doch niet uitsluitend wanneer deze door een batterij wordt gevoed. Hierbij wordt opgemerkt dat de stroomsterkten bij door batterijen gevoede toestellen relatief groot zijn. Hierdoor wordt veel warmte ontwikkeld in de componenten, zodat de voordelen van de uitvinding in het bijzonder bij deze toepassing tot uiting komen.

1027632- * > 7

Hiertoe wordt een dergelijke schakeling veelal opgenomen in een huis, tezamen met overige componenten van de schakeling. Bij een dergelijke configuratie is het van belang dat de koelplaat zijn warmte aan de omgeving afkan staan.

5

Hiertoe toont figuur 2 een situatie waarin een combinatie van een drager 1 met een koelplaat 5 is opgenomen in een huis 7 van een schakeling. Hierbij strekt de koelplaat zich door een in een wand 8 van de behuizing 7 aangebrachte opening 9 heen uit tot buiten het huis. Hierbij is het voordeel dat een substantieel deel van het koelende 10 oppervlak van de koelplaat 5 buiten de behuizing 7 is gelegen. De omstandigheden voor het koelproces buiten de behuizing 7 zijn immers gunstiger. Het gedeeltelijk buiten de behuizing brengen van de koelplaat 5 biedt verder de mogelijkheid de koelplaat groter uit te voeren zodat de warmtecapaciteit kan worden vergroot, hetgeen van belang is voor het opvangen van de warmteproductie bij intermitterend bedrijf.

15

Bij het in figuur 2 afgebeelde uitvoeringsvoorbeeld is het lastig, zo niet onmogelijk om de met elkaar verbonden koelplaat en drager in de behuizing te plaatsen; het is gemakkelijker beide delen in de behuizing te positioneren en vervolgens met elkaar te verbinden. Hierbij wordt de koelplaat 5 door een in de een wand 8 van de behuizing 7 20 aangebrachte opening 9 heen geschoven, waarna de drager 1 op het binnen de behuizing liggende deel van de koelplaat wordt geplaatst. Hierbij wordt de combinatie gefixeerd door een haakvormig element 10. Vervolgens worden beide delen met elkaar verbonden door middel van een soldeerverbinding, bij voorkeur een reflow-soldeerverbinding. Het is echter eveneens mogelijk een ander metallische verbinding te vestigen, bijvoorbeeld 25 een lasverbinding door bijvoorbeeld laserlassen of een metallische lijmverbinding.

Het zal duidelijk zijn dat er talloze andere wijzen zijn voor het implementeren van de maatregelen volgens de uitvinding.

30 \ IJ ,/ l <. j 1=3

Claims

1. Combinatie van een drager voor elektrische componenten welke zijn ingericht voor het tenminste onder bepaalde bedrijfsomstandigheden produceren van meer warmte dan 5 dat via natuurlijke koeling kan worden afgevoerd en een mechanisch en thermisch daarmee gekoppeld koellichaam, met het kenmerk, dat de drager voorzien is van een metalen deel dat door middel van een metallische verbinding met het koellichaam is verbonden.

2. Combinatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de metallische verbinding door een soldeerverbinding wordt gevormd.

3. Combinatie volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de componenten door een soldeerverbinding met de drager zijn verbonden en dat de smelttemperatuur van de 15 soldeerverbinding tussen de componenten en de drager hoger is dan de smelttemperatuur van de soldeerverbinding tussen de drager en het koellichaam.

4. Combinatie volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de drager van een keramisch materiaal is vervaardigd. 20

5. Combinatie volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het metalen deel een op de drager door middel van zeefdruk bevestigde metalen laag is.

6. Combinatie volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het metalen deel van de 25 drager aan de tegenover de componenten dragende zijde van de drager recht tegenover de componenten is aangebracht.

7. Combinatie volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het koellichaam plaatvormig is. 30

8. Combinatie volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het oppervlak van de plaat groter is dan het oppervlak van de drager. 1027632- __________ * #

9. Combinatie volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de drager in een huis is opgenomen en dat het koellichaam zich zowel binnen als buiten het huis uitstrekt.

10. Combinatie volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het 5 koellichaam tenminste even dik is als de drager.

11. Combinatie volgens een van de conclusies 2-10, met het kenmerk, dat de smelttemperatuur van de soldeerverbinding tussen de drager en het koellichaam lager is dan de bij kortdurend bedrijf maximaal optredende temperatuur van de drager. 10

12. Werkwijze voor het samenstellen van een combinatie van een drager voor elektrische componenten waarvan er tenminste een is ingericht voor het tenminste onder bepaalde bedrijfsomstandigheden produceren van meer warmte dan dat via natuurlijke koeling kan worden afgevoerd en een mechanisch en thermisch daarmee gekoppeld 15 koellichaam, met het kenmerk, dat aanvankelijk de componenten op de drager worden aangebracht en vervolgens een metallische deel van de drager door middel van een metallische verbinding met het koellichaam wordt verbonden.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de componenten 20 aanvankelijk door een soldeerverbinding met een eerste smeltpunt met de drager worden verbonden en dat vervolgens de het koellichaam door een soldeerverbinding met het metallische deel van de drager wordt verbonden, waarbij het smeltpunt van de tweede soldeerverbinding lager is dan dat van de eerste soldeerverbinding.

14. Werkwijze volgens conclusie 12 of 13, met het kenmerk, dat na het solderen van de componenten de drager in een behuizing wordt geplaatst, dat vervolgens het koellichaam tenminste gedeeltelijk in de behuizing wordt aangebracht en dat ten slotte de soldeerverbinding tussen het koellichaam en het metallische deel van de drager wordt gevestigd. 30

15. Werkwijze volgens conclusie 12, 13 of 14, met het kenmerk, dat de soldeerverbinding door een reflow-soldeerproces wordt gevormd. r ? 7 6 3 2 -

16. Schakelaareenheid, ingericht voor het regelen van het vermogen van een op de schakelaareenheid aangesloten energieomzetter, gekenmerkt door een combinatie volgens een van de conclusies 1-11.

17. Elektrisch toestel, omvattende een energieomzetter, gekenmerkt door een schakelaareenheid volgens conclusie 16.

18. Elektrisch toestel volgens conclusie 17, ingericht voor het uitvoeren van kortdurende bedrijfscyclussen, met het kenmerk, dat de warmtecapaciteit van het 10 koellichaam is gedimensioneerd voor het absorberen van de warmte die door de op de drager geplaatste componenten gedurende een bedrijfscyclus wordt geproduceerd.

19. Elektrisch toestel volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat het toestel een elektrisch handgereedschap is. 15

20. Elektrisch toestel volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat het elektrische toestel een boor- of schroefmachine is. 1 027632·=