WO2023126035A1 - Wärmeableitvorrichtung, elektronische vorrichtung und kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2023126035A1
WO2023126035A1 PCT/DE2022/200279 DE2022200279W WO2023126035A1 WO 2023126035 A1 WO2023126035 A1 WO 2023126035A1 DE 2022200279 W DE2022200279 W DE 2022200279W WO 2023126035 A1 WO2023126035 A1 WO 2023126035A1
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WO
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heat sink
transfer layer
performance computer
heat
thermally conductive
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Application number
PCT/DE2022/200279
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English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Schwarz
Wolf-Alexander PRENTEN
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/20—Cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3737—Organic materials with or without a thermoconductive filler
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
    • H05K7/20854—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the invention relates to a heat dissipation device for dissipating operating heat generated during operation of an electronic component, an electronic device for controlling a large number of motor vehicle control processes, and a motor vehicle that has the electronic device.
  • a further possibility consists in applying a thermal intermediate layer between the two elements to be thermally contacted, which layer adheres to both elements.
  • the problem here is that such an adhesive thermal intermediate material cannot simply be detached, but that parts of the thermal intermediate material remain stuck to both elements after removal. Therefore, the thermal interface material would first have to be completely removed from both elements in order to then be able to be replaced by a new interface material. This also entails extensive process steps and is therefore not desirable.
  • thermal paste that thermally connects both elements.
  • this thermal paste sticks to both surfaces of the elements when the elements are separated from one another.
  • thermal paste is generally difficult to remove, so that in an application in which the elements are housed in a motor vehicle body that is difficult to access, it becomes difficult to remove the remaining thermal paste before a new computing element, such as a high-performance computer , can be mounted.
  • the dosing of the thermal paste is problematic, since if too much thermal paste is applied, it can creep into areas of an overall system where the thermal paste could even cause damage.
  • phase change material phase chance material
  • PCM phase chance material
  • the object of the invention is therefore to propose a heat dissipation device for dissipating operating heat generated during operation of an electronic component, which can be disassembled without leaving any residue.
  • An electronic device for driving a variety of motor vehicle controls comprising the heat dissipation device, and a motor vehicle comprising this electronic device are the subject of the independent claims.
  • a heat dissipation device for dissipating operating heat generated during operation of an electronic component has a heat sink for absorbing thermal energy and a flexible, thermally conductive transfer layer for conducting the operating heat from the electronic component to the heat sink up.
  • the transfer layer is formed to extend along a thickness direction from a component outer surface of the electronic device to a heat sink surface of the heat sink.
  • a matrix that forms the flexible, thermally conductive transfer layer is formed from an adhesion promoter.
  • a separating layer is arranged on a transfer layer surface formed perpendicularly to the thickness direction, which is to be arranged facing the heat sink surface or the component outer surface during operation, and prevents material bonding of the transfer layer with the heat sink surface or the component outer surface.
  • the heat dissipation device is accordingly designed in such a way that the flexible, thermally conductive transfer layer adheres to the electronic component on one side via a material connection, since the matrix forming the transfer layer is formed from an adhesion promoter, but has a separating layer on the opposite transfer layer surface, so that the transfer layer is straight does not adhere to the heat sink or the electronic component via material bonding.
  • this transfer layer can now be glued to the release layer on a high-performance computer outer surface of the high-performance computer, while the release layer and thus the non-adhesive transfer layer surface only thermally via a frictional connection coupled with the heat sink. If the high-performance computer is now removed from the motor vehicle body, the non-adhesive separating layer ensures that the transfer layer can be detached from the heat sink easily and without leaving any residue. As a result, the
  • Heat sink a residue-free clean heat sink surface and a new high-performance computer can be frictionally attached to this residue-free heat sink surface.
  • the transfer layer with the separating layer on the heat sink surface of the heat sink and then the Leave the transfer layer on the heat sink when removing the high-performance computer.
  • the high-performance computer then has a residue-free, clean outer surface of the high-performance computer.
  • the transfer layer is preferably formed from the matrix with thermally conductive particles embedded therein.
  • the thermally conductive particles are formed by thermally conductive ceramic particles, with the matrix in particular being formed from an elastomer, in particular an acrylic elastomer.
  • the matrix is thus formed not only from a thermally conductive, flexible material, but in particular from an elastic material, and can thus advantageously compensate for unevenness or non-planarities and tolerances.
  • the separating layer is formed from a plastic film.
  • This plastic film is advantageously non-adhesive and is applied to the transfer layer surface, which is later installed in the direction of the heat sink or the electronic component.
  • the plastic film can be applied, for example, by lamination. This plastic film advantageously enables easy removal of the high-performance computer from the heat sink.
  • the overall structure of the transfer layer from the flexible matrix with the thermally conductive particles embedded in it and the additional separating layer from the plastic film results in very good thermal contact during operation of the high-performance computer, since the transfer layer also adapts to rough and non-coplanar surfaces.
  • the plastic film is made so thin that it does not stand in the way of the transfer layer clinging to the heat sink in a non-positive manner. Furthermore, the transfer layer remains completely open when the heat sink and high-performance computer are disassembled a defined high-performance computer outer surface and detaches without leaving any residue from the heat sink surface or vice versa.
  • the adhesive properties of the transfer layer are thus only used on one side of the transfer layer, while the other side is coated with a non-stick material.
  • An electronic device for driving a variety of motor vehicle control operations has a high-performance computer for processing a variety of signals and the heat dissipation device with the heat sink and the flexible heat-conductive transfer layer described above.
  • the flexible, thermally conductive transfer layer forms a bond with a high-performance computer outer surface of the high-performance computer, the separating layer and the heat sink surface of the heat sink being non-positively connected to one another.
  • the flexible, thermally conductive transfer layer forms a bond with a heat sink surface, with the separating layer and the high-performance computer outer surface of the high-performance computer being non-positively connected to one another
  • a coefficient of sliding friction .G between the separating layer and the heat sink surface or between the separating layer and the outer surface of the high-performance computer is JIG ⁇ 0.3.
  • An adhesive force FA between the separating layer and the heat sink surface or between the separating layer (26) and the outer surface of the high-performance computer FA is preferably ⁇ 1 kPa.
  • the adhesive force FA defines the force with which the high-performance computer or the outer surface of the high-performance computer and the heat sink adhere to one another and which must be overcome in order to separate the two elements from one another. A simple vertical assembly and disassembly is facilitated if the adhesive force FA is in a range of FA ⁇ 1 kPa.
  • An automotive vehicle has a thermally conductive automotive body and an electronic device as described above including the supercomputer and the heat dissipation device.
  • the heat sink of the heat dissipation device is thermally conductively coupled to the motor vehicle body, so that heat generated during operation of the high-performance computer is dissipated via the motor vehicle body to an environment outside the motor vehicle.
  • vehicle body can be understood not only for example as a chassis structure of a motor vehicle but also for a cooling circuit, for example a water-carrying cooling circuit, which can also be thermally coupled to a heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through a flexible heat-conducting transfer layer
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through an electronic device in which the transfer layer from FIG. 1 is arranged between a heat sink and a high-performance computer;
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view through a motor vehicle, in which the electronic device from FIG. 2 is thermally conductively coupled to a motor vehicle body of the motor vehicle via the heat sink;
  • FIG. 4 shows schematic representations in which a) the installation and b) the removal of the high-performance computer in the motor vehicle body from FIG. 3 are shown by sliding them in and out essentially laterally; and
  • FIG. 5 shows schematic representations in which a) the installation and b) the removal of the high-performance computer in the motor vehicle body from FIG. 3 are shown by bringing them into and out of contact vertically.
  • the transfer layer 10 is formed from a matrix 12 in which thermally conductive particles 14 are embedded. So that the transfer layer 10 is flexible and elastic, the matrix 12 is formed in particular from an elastomer 16, for example acrylic elastomer.
  • the thermally conductive particles 14 are preferably formed from thermally conductive ceramic particles 18 .
  • the matrix 12 is formed from an elastomer 16 which forms an adhesion promoter 20 . This means that the transfer layer 10 has adhesive properties based on the properties of the matrix 12 .
  • this transfer layer 10 adheres to this surface as a material bond due to the physical properties of the matrix 12 .
  • the transfer layer 10 Perpendicular to a thickness direction 22 in which the transfer layer 10 extends, the transfer layer 10 forms a transfer layer surface 24 on which a separating layer 26 in the form of a plastic film 28 is arranged.
  • This plastic film 28 has such properties that a material bond is just prevented. The plastic film 28 is therefore non-adhesive.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through an electronic device 30 in which the transfer layer 10 shown in FIG. 1 is arranged between a heat sink 32 and a high-performance computer 36 .
  • This structure is used to heat Q, which arises during operation of the high-performance computer 36, from which Derive high-performance computer 36 in order to protect it from overheating.
  • the transfer layer 10 and the heat sink 32 therefore form a heat dissipation device 34 for dissipating this operating heat Q away from the high-performance computer 36 .
  • the high-performance computer 36 in Fig. 2 processes a large number of signals and generates a large amount of operating heat Q.
  • the transfer layer 10 is coplanar with a heat sink surface 38 of the heat sink 32 and has the transfer layer surface 24 in contact with the heat sink surface 38 to which the release layer 26 is attached. That is, the heat sink 32 and the transfer layer 10 are non-positively connected to one another.
  • the transfer layer 10 is cohesively, ie adhesively, connected to a high-performance computer outer surface 40 of the high-performance computer 36 . There is therefore a material connection between the transfer layer 10 and the high-performance computer 36.
  • the construction can - not shown here in the figures - also alternatively take place in such a way that the material connection between the transfer layer 10 and the heat sink 32 and the non-positive connection between the transfer layer 10 and the high-performance computer 36 is formed.
  • this second alternative material connection between transfer layer 10 and heat sink 32 should also be understood.
  • the heat sink 32 can easily be in the electronic Device 30 remain while supercomputer 36 with transfer sheet 10 adhered thereto is simply removed from electronic device 30. No residues whatsoever remain in the form of matrix material of the transfer layer 10 on the heat sink surface 38 since the separating layer 26 prevents the transfer layer 10 from sticking to the heat sink surface 38 .
  • the transfer layer 10 remains completely, including the separating layer 26, on the high-performance computer 36.
  • Fig. 3 shows a schematic sectional view through a motor vehicle 42 in which the electronic device 30 is installed with the high-performance computer 36 and the heat dissipation device 34, the heat sink 32 of the heat dissipation device 34 being thermally conductively coupled to a motor vehicle body 44 of the motor vehicle 42.
  • the high-performance computer 36 When the high-performance computer 36 is in operation, operating heat Q is produced, which can then be dissipated via the transfer layer 10, the heat sink 32 and the motor vehicle body 44 into an environment 46 outside of the motor vehicle 42. In this way, simple cooling of the high-performance computer 36 can be made possible. Alternatively or additionally, however, it is also possible to implement cooling of the high-performance computer 36 via water cooling running in the motor vehicle body 44 .
  • the supercomputer 36 can be easily removed from the automobile body 44 even if the electronic device 30 is placed in a very inaccessible place inside the automobile 42. This is because the high-performance computer 36 can be easily removed from the heat sink 32 with the transfer layer 10 sticking to it without leaving any residue.
  • FIGS. 4 and 5 show examples of how the high-performance computer 36 can be installed and removed in the electronic device 30 , for example in FIG. 3 .
  • Fig. 4 shows in image a) the installation of the high-performance computer 36 in the electronic device 30, while image b) the expansion of High performance computer 36 from the electronic device 30 represents.
  • the high-performance computer 36 is installed and removed by essentially laterally or obliquely sliding the high-performance computer 36 in and out relative to the heat sink 32 .
  • a coefficient of sliding friction .G between the separating layer 26 and the heat sink surface 38 is .G ⁇ 0.3.
  • FIG. 5 shows a further possibility of installing and removing the high-performance computer 36 from the electronic device 30.
  • the high-performance computer 36 is brought into vertical contact with the heat sink 32.
  • figure a) when the high-performance computer 36 is installed it is first attached at a distance below the heat sink 32 and then pressed upwards, so that the heat sink 32 comes into frictional contact with the transfer layer 10 .
  • the frictional connection between the heat sink 32 and the high-performance computer 36 is released again by vertically separating the two elements from one another, these elements are thus spaced apart in order to be able to remove the high-performance computer 36 from the electronic device 30.
  • an adhesion force FA between the separating layer 26 and the heat sink surface 38 FA is 1 kPa.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitvorrichtung (34) zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente (36) entstehender Betriebswärme (Q), aufweisend eine Wärmesenke (32) und eine Transferschicht (10) zum Leiten der Betriebswärme (Q) von der elektronischen Komponente (36) zu der Wärmesenke (32). Die Transferschicht (10) ist aus einem Haftvermittler (20) gebildet und weist an einer Transferschichtoberfläche (24), die im Betrieb zu der Wärmesenke (32) oder zu der elektronischen Komponente (36) zugewandt anzuordnen ist, eine Trennschicht (26) auf, die einen Stoffschluss der Transferschicht (10) mit der Wärmesenke (32) oder mit der elektronischen Komponente (36) verhindert. Weiter betrifft die Erfindung eine elektronische Vorrichtung (30), die die Wärmeableitvorrichtung (34) sowie einen Hochleistungsrechner (36) aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug (42), das die elektronische Vorrichtung (30) aufweist.

Description

Beschreibung
Wärmeableitvorrichtung, elektronische Vorrichtung und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente entstehender Betriebswärme, eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen sowie ein Kraftfahrzeug, das die elektronische Vorrichtung aufweist.
In zukünftigen Kraftfahrzeug-Computerarchitekturen werden eine Vielzahl von Funktionen, d.h. Kraftfahrzeugsteuervorgängen, in Hochleistungsrechner, so genannte High-Perfomance-Computer, integriert. In diesen Hochleistungsrechnern wird im Betrieb durch die große zu erbringende Leistung eine große Menge an Wärme erzeugt, die abgeleitet werden muss. Daher werden bei den zukünftigen Kraftfahrzeug-Computerarchitekturen die Hochleistungsrechner thermisch an eine Wärmesenke gekoppelt. Da diese Hochleistungsrechner sehr kostenintensiv sind, und es über ihre Lebensdauer möglicherweise mehrere Hardwareupdates geben wird ist es nötig, dass der Hochleistungsrechner derart in beispielsweise ein Kraftfahrzeug eingebaut wird, dass er einfach ausgetauscht werden kann.
Es ist also nötig, dass einerseits ein effizienter thermischer Kontakt zwischen der Wärmesenke und dem Hochleistungsrechner hergestellt wird, andererseits der Hochleistungsrechner aber auch mehrfach ein- und ausbaubar sein muss.
Aus anderen Anwendungsbereichen sind bereits verschiedene Lösungen zur Wärmeableitung von Rechenvorrichtungen bekannt.
Beispielsweise gibt es spezielle Kontaktmaterialien, die zwischen Rechenvorrichtungen und Wärmesenken aus Metall angebracht werden können, und die die Möglichkeit bieten, die Rechenvorrichtungen ein- und wieder auszubauen. Bei den bekannten Kontaktmaterialien besteht jedoch das Problem, dass aufgrund der Rauigkeit und der fehlenden Koplanarität der Oberflächen der in Kontakt zu bringenden Elemente der thermische Kontakt nicht ausreichend ist, um die große entstehende Wärme bei Hochleistungsrechnern ausreichendabführen zu können. Um die Rauigkeit und Koplanarität jedoch zu verbessern, muss auf kostenintensives Material oder entsprechende, ebenfalls kostenintensive Produktionsprozesse zugegriffen werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwischen die beiden thermisch zu kontaktierenden Elemente eine thermische Zwischenschicht aufzubringen, die an beiden Elementen klebt. Hier besteht jedoch die Problematik, dass ein solches klebendes thermisches Zwischenmaterial nicht einfach abgelöst werden kann, sondern dass nach einer Entfernung Teile des thermischen Zwischenmaterials an beiden Elementen kleben bleiben. Daher müsste das thermische Zwischenmaterial zunächst vollständig von beiden Elementen entfernt werden, um dann durch ein neues Zwischenmaterial ersetzt werden zu können. Dies bringt ebenfalls umfangreiche Prozessschritte mit sich und ist daher nicht wünschenswert.
Eine weitere Möglichkeit, einen thermischen Kontakt zwischen zwei Elementen herzustellen, ist es, eine Thermopaste zu verwenden, die beide Elemente thermisch verbindet. Auch hier besteht das Problem, dass diese Thermopaste auf beiden Oberflächen der Elemente haften bleibt, wenn die Elemente voneinander getrennt werden. Zusätzlich besteht das Problem, dass Thermopaste grundsätzlich schlecht zu entfernen ist, so dass in einem Anwendungsfall, in dem die Elemente schlecht zugänglich in einem Kraftfahrzeugkörper untergebracht sind, es schwierig wird, die verbleibende Thermopaste zu entfernen, bevor ein neues Rechenelement, wie beispielsweise ein Hochleistungsrechner, montiert werden kann. Zusätzlich ist die Dosierung der Thermopaste problematisch, da bei einem zuviel Aufträgen der Thermopaste diese in Bereiche eines Gesamtsystems kriechen kann, wo die Thermopaste sogar Beschädigungen auslösen könnte.
Weiterhin ist es aus anderen Anwendungen bekannt, zwei Elemente über ein so genanntes Phasenwechselmaterial (Phase Chance Material, PCM) thermisch zu verbinden. Das PCM bleibt ebenfalls an beiden Oberflächen der getrennten Elemente haften, wenn diese auseinander gebaut sind. Auch hier ist es schwierig, das PCM vollständig zu entfernen, wenn die Elemente in einem Kraftfahrzeugkörper an einer schwer zugänglichen Stelle untergebracht sind. Ist das PCM an vereinzelten Stellen der Elemente zu dick aufgetragen, kann dies außerdem bei Erhitzung dazu führen, dass sich das PCM nicht richtig an die Oberflächen der zu kontaktierenden Elemente anpasst. Auch besteht, wie bereits bei der Thermopaste, das Problem, dass ein Überschuss an PCM in andere Bereiche des Gesamtsystems kriechen und dort zu Beschädigungen führen kann.
Insgesamt haben die bisher bekannten Lösungen daher das Problem, dass der thermische Kontakt im Betrieb aufgrund von Rauigkeit und fehlenden Koplanarität der Oberflächen nicht gewährleistet werden kann und/oder dass bei einer Trennung der thermisch kontaktierten Elemente das verwendete Material an beiden Oberflächen haften bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente entstehender Betriebswärme vorzuschlagen, die rückstandsfrei auseinander gebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Wärmeableitvorrichtung mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
Eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen, die die Wärmeableitvorrichtung aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug, das diese elektronische Vorrichtung aufweist, sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente entstehender Betriebswärme weist eine Wärmesenke zum Aufnehmen von Wärmeenergie und eine flexible wärmeleitende Transferschicht zum Leiten der Betriebswärme von der elektronischen Komponente zu der Wärmesenke auf. Die Transferschicht ist zum sich Erstrecken entlang einer Dickenrichtung von einer Komponenetenaußenfläche der elektronischen Vorrichtung zu einer Wärmesenkenoberfläche der Wärmesenke ausgebildet. Eine die flexible wärmeleitende Transferschicht mitbildende Matrix ist aus einem Haftvermittler gebildet. Auf einer zu der Dickenrichtung senkrecht ausgebildeten Transferschichtoberfläche, die im Betrieb der Wärmesenkenoberfläche oder der Komponentenaußenfläche zugewandt anzuordnen ist, ist eine Trennschicht angeordnet, die einen Stoffschluss der Transferschicht mit der Wärmesenkenoberfläche oder der Komponentenaußenfläche verhindert.
Die Wärmeableitvorrichtung ist demgemäß so ausgebildet, dass die flexible wärmeleitende Transferschicht auf einer Seite an der elektronischen Komponente über einen Stoffschluss haftet, da die die Transferschicht bildende Matrix aus einem Haftvermittler gebildet ist, aber auf der gegenüberliegenden Transferschichtoberfläche eine Trennschicht aufweist, so dass die Transferschicht gerade nicht über Stoffschluss an der Wärmesenke bzw. an der elektronischen Komponente haftet.
In dem Fall, dass die elektronische Komponente, beispielsweise ein Hochleistungsrechner, austauschbar in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden muss, kann nun diese Transferschicht mit der Trennschicht auf eine Hochleistungsrechneraußenfläche des Hochleistungsrechners aufgeklebt werden, während die Trennschicht und somit die nicht klebende Transferschichtoberfläche lediglich über einen Kraftschluss thermisch mit der Wärmesenke gekoppelt wird. Wird nun der Hochleistungsrechner aus dem Kraftfahrzeugkörper ausgebaut, sorgt die nicht klebende Trennschicht dafür, dass sich die Transferschicht leicht und rückstandsfrei von der Wärmesenke lösen lässt. Dadurch weist die
Wärmesenke eine rückstandsfreie saubere Wärmesenkenoberfläche auf und ein neuer Hochleistungsrechner kann an dieser rückstandsfreien Wärmesenkenoberfläche kraftschlüssig angebracht werden.
Umgekehrt ist es aber auch möglich, die Transferschicht mit der Trennschicht auf die Wärmesenkenoberfläche der Wärmesenke aufzukleben und dann die Transferschicht beim Ausbau des Hochleistungsrechners an der Wärmesenke zu belassen. Dadurch weist dann der Hochleistungsrechner eine rückstandsfreie saubere Hochleistungsrechneraußenfläche.
Vorzugsweise ist die Transferschicht aus der Matrix mit darin eingebetteten wärmeleitfähigen Partikeln gebildet.
Beispielsweise sind dabei die wärmeleitfähigen Partikel durch wärmeleitfähige Keramikpartikel gebildet, wobei insbesondere die Matrix aus einem Elastomer, insbesondere einem Acrylelastomer, gebildet ist.
Die Matrix ist somit nicht nur aus einem wärmeleitfähigen flexiblen, sondern insbesondere aus einem elastischen Material gebildet und kann somit vorteilhaft Unebenheiten bzw. Unplanaritäten und Toleranzen ausgleichen.
Vorzugsweise ist die Trennschicht aus einem Kunststofffilm gebildet.
Dieser Kunststofffilm ist vorteilhaft nicht-klebend ausgebildet und wird auf die Transferschichtoberfläche aufgebracht, die später in Richtung zu der Wärmesenke bzw. der elektronischen Komponente eingebaut wird. Das Aufbringen des Kunststofffilms kann beispielsweise durch Auflaminieren erfolgen. Durch diesen Kunststofffilm wird die leichte Entfernung des Hochleistungsrechners von der Wärmesenke vorteilhaft ermöglicht.
Durch den Gesamtaufbau der Transferschicht aus der flexiblen Matrix mit den darin eingebetteten wärmeleitfähigen Partikeln und der zusätzlichen Trennschicht aus dem Kunststofffilm entsteht im Betrieb des Hochleistungsrechners ein sehr guter thermischer Kontakt, da sich die Transferschicht auch rauen und nicht- koplanaren Oberflächen anpasst. Der Kunststoffilm ist dabei so dünn ausgebildet, dass er einem kraftschlüssigen sich Anschmiegen der Transferschicht an die Wärmesenke nicht im Weg steht. Weiter verbleibt die Transferschicht beim Auseinanderbauen von Wärmesenke und Hochleistungsrechner vollständig auf einer definierten Hochleistungsrechneraußenfläche und löst sich rückstandsfrei ab von der Wärmesenkenoberfläche bzw. umgekehrt.
Die klebenden Eigenschaften der Transferschicht werden also nur auf einer Seite der Transferschicht genutzt, während die andere Seite mit einem nicht-klebenden Material beschichtet ist.
Eine elektronische Vorrichtung zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen weist einen Hochleistungsrechner zur Verarbeitung einer Vielzahl von Signalen und die oben beschriebene Wärmeableitvorrichtung mit der Wärmesenke und der flexiblen wärmeleitenden Transferschicht auf. Die flexible wärmeleitende Transferschicht bildet einen Stoffschluss mit einer Hochleistungsrechneraußenfläche des Hochleistungsrechners, wobei die Trennschicht und die Wärmesenkenoberfläche der Wärmesenke kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Alternativ bildet die flexible wärmeleitende Transferschicht einen Stoffschluss mit einer Wärmesenkenoberfläche, wobei die Trennschicht und die Hochleistungsrechneraußenfläche des Hochleistungsrechners kraftschlüssig miteinander verbunden sind
Vorzugsweise beträgt ein Gleitreibungskoeffizient .G zwischen der Trennschicht und der Wärmesenkenoberfläche bzw. zwischen der Trennschicht und der Hochleistungsrechneraußenfläche JIG ^ 0,3.
Dadurch ist es möglich, den Hochleistungsrechner und die Wärmesenke auch einfach durch Aufeinanderschieben in im Wesentlichen lateraler Richtung thermisch miteinander zu koppeln.
Vorzugsweise beträgt eine Adhäsionskraft FA zwischen der Trennschicht und der Wärmesenkenoberfläche bzw. zwischen der Trennschicht (26) und der Hochleistungsrechneraußenfläche FA < 1 kPa. Die Adhäsionskraft FA definiert dabei die Kraft, mit der der Hochleistungsrechner bzw. die Hochleistungsrechneraußenfläche und die Wärmesenke aneinander haften, und die überwunden werden muss, um die beiden Elemente voneinander zu trennen. Ein einfacher vertikaler Ein- und Ausbau wird erleichtert, wenn sich die Adhäsionskraft FA in einem Bereich von FA < 1 kPa bewegt.
Ein Kraftfahrzeug weist einen wärmeleitenden Kraftfahrzeugkörper und eine elektronische Vorrichtung wie oben beschrieben mit dem Hochleistungsrechner und der Wärmeableitvorrichtung auf. Die Wärmesenke der Wärmeableitvorrichtung ist dabei wärmeleitend mit dem Kraftfahrzeugkörper gekoppelt, so dass eine Ableitung einer im Betrieb des Hochleistungsrechners entstehenden Wärme über den Kraftfahrzeugkörper in eine Umgebung außerhalb des Kraftfahrzeuges erfolgt.
Unter dem Begriff “Kraftfahrzeugkörper“ kann neben beispielsweise einem Chassisaufbau eines Kraftfahrzeugs auch ein Kühlkreislauf verstanden werden, beispielsweise ein wasserführender Kühlkreislauf, der insbesondere auch thermisch mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein kann.
Über den Kraftfahrzeugkörper ist es damit insgesamt möglich, Wärme in die Umgebung abzuführen, wodurch auch weitere elektronische Komponenten in dem Kraftfahrzeug gekühlt werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine flexible wärmeleitende Transferschicht;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch eine elektronische Vorrichtung, bei der die Transferschicht aus Fig. 1 zwischen einer Wärmesenke und einem Hochleistungsrechner angeordnet ist;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch eine Kraftfahrzeug, bei dem die elektronische Vorrichtung aus Fig. 2 über die Wärmesenke wärmeleitend mit einem Kraftfahrzeugkörper des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist; Fig. 4 schematische Darstellungen, bei denen a) der Einbau und b) der Ausbau des Hochleistungsrechners in den Kraftfahrzeugkörper aus Fig. 3 durch im Wesentlichen laterales Ein- bzw. Ausschieben dargestellt sind; und
Fig. 5 schematische Darstellungen, bei denen a) der Einbau und b) der Ausbau des Hochleistungsrechners in den Kraftfahrzeugkörper aus Fig. 3 durch vertikales in und außer Kontaktbringen dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer flexiblen wärmeleitenden Transferschicht 10. Die Transferschicht 10 ist aus einer Matrix 12 gebildet, in die wärmeleitfähige Partikel 14 eingebettet sind. Damit die Transferschicht 10 flexibel und elastisch ist, ist die Matrix 12 insbesondere aus einem Elastomer 16, beispielsweise Acrylelastomer, gebildet. Die wärmeleitfähigen Partikel 14 sind vorzugsweise aus wärmeleitfähigen Keramikpartikeln 18 gebildet. Die Matrix 12 ist aus einem Elastomer 16 gebildet, das einen Haftvermittler 20 bildet. Das bedeutet, die Transferschicht 10 weist auf Basis der Eigenschaften der Matrix 12 klebende Eigenschaften auf.
Wird nun diese Transferschicht 10 an eine Oberfläche angebracht, haftet die Transferschicht 10 aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Matrix 12 stoffschlüssig an dieser Oberfläche.
Senkrecht zu einer Dickenrichtung 22, in die sich die Transferschicht 10 erstreckt, bildet die Transferschicht 10 eine Transferschichtoberfläche 24, auf der eine Trennschicht 26 in Form eines Kunststofffilms 28 angeordnet ist. Dieser Kunststofffilm 28 hat derartige Eigenschaften, dass ein Stoffschluss gerade verhindert wird. Der Kunststofffilm 28 ist also nicht klebend ausgebildet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine elektronische Vorrichtung 30, bei der die in Fig. 1 gezeigte Transferschicht 10 zwischen einer Wärmesenke 32 und einem Hochleistungsrechner 36 angeordnet ist. Dieser Aufbau dient dazu, Betriebswärme Q, die im Betrieb des Hochleistungsrechners 36 entsteht, von dem Hochleistungsrechner 36 abzuleiten, um diesen somit vor Überhitzung zu schützen.
Die Transferschicht 10 und die Wärmesenke 32 bilden daher eine Wärmeableitvorrichtung 34 zum Ableiten dieser Betriebswärme Q von dem Hochleistungsrechner 36 weg.
Der Hochleistungsrechner 36 in Fig. 2 verarbeitet eine Vielzahl von Signalen und erzeugt dabei eine große Menge an Betriebswärme Q.
Die Transferschicht 10 ist koplanar zu einer Wärmesenkenoberfläche 38 der Wärmesenke 32 angeordnet und befindet sich mit der Transferschichtoberfläche 24 in Kontakt mit der Wärmesenkenoberfläche 38, auf der die Trennschicht 26 angebracht ist. D. h., die Wärmesenke 32 und die Transferschicht 10 sind kraftschlüssig miteinander verbunden.
In Dickenrichtung 22 auf der gegenüberliegenden Transferschichtoberfläche 24, die dem Hochleistungsrechner 36 zugewandt ist, ist dagegen die Transferschicht 10 stoffschlüssig, also klebend, mit einer Hochleistungsrechneraußenfläche 40 des Hochleistungsrechners 36 verbunden. Es besteht also ein Stoffschluss zwischen der Transferschicht 10 und dem Hochleistungsrechner 36.
Der Aufbau kann - hier in den Figuren nicht gezeigt - auch alternativ derart erfolgen, dass der Stoffschluss zwischen der Transferschicht 10 und der Wärmesenke 32 und der Kraftschluss zwischen der Transferschicht 10 und dem Hochleistungsrechner 36 gebildet wird. Im Folgenden wird weiterhin auf die zuerst beschriebene Alternative (Stoffschluss zwischen Transferschicht 10 und Hochleistungsrechner 36) Bezug genommen, es soll dabei aber auch diese zweite Alternative (Stoffschluss zwischen Transferschicht 10 und Wärmesenke 32) verstanden werden.
Muss nun der Hochleistungsrechner 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30 ausgebaut werden, kann die Wärmesenke 32 ganz einfach in der elektronischen Vorrichtung 30 verbleiben, während der Hochleistungsrechner 36 mit der daran klebenden Transferschicht 10 einfach aus der elektronischen Vorrichtung 30 entfernt wird. Auf der Wärmesenkenoberfläche 38 verbleiben keinerlei Rückstände in Form von Matrixmaterial der Transferschicht 10, da die Trennschicht 26 ein Kleben der Transferschicht 10 an der Wärmesenkenoberfläche 38 verhindert. Die Transferschicht 10 verbleibt vollständig inklusive der Trennschicht 26 an dem Hochleistungsrechner 36.
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Kraftfahrzeug 42, in dem die elektronische Vorrichtung 30 mit dem Hochleistungsrechner 36 und der Wärmeableitvorrichtung 34 eingebaut ist, wobei die Wärmesenke 32 der Wärmeableitvorrichtung 34 wärmeleitend mit einem Kraftfahrzeugkörper 44 des Kraftfahrzeuges 42 gekoppelt ist. Im Betrieb des Hochleistungsrechners 36 entsteht Betriebswärme Q, die dann über die Transferschicht 10, die Wärmesenke 32 und den Kraftfahrzeugkörper 44 in eine Umgebung 46 außerhalb des Kraftfahrzeugs 42 abgeleitet werden kann. So kann eine einfache Kühlung des Hochleistungsrechners 36 ermöglicht werden. Es ist alternativ oder zusätzlich jedoch auch möglich, eine Kühlung des Hochleistungsrechners 36 über eine im Kraftfahrzeugkörper 44 verlaufende Wasserkühlung zu implementieren.
Da die Wärmeableitvorrichtung 34 so wie oben beschrieben aufgebaut ist, kann der Hochleistungsrechner 36 einfach aus dem Kraftfahrzeugkörper 44 entfernt werden, selbst wenn die elektronische Vorrichtung 30 an einer sehr unzugänglichen Stelle innerhalb des Kraftfahrzeuges 42 angeordnet ist. Denn der Hochleistungsrechner 36 kann mit der daran klebenden Transferschicht 10 einfach rückstandsfrei von der Wärmesenke 32 entfernt werden.
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen dazu Beispiele, wie Ein- und Ausbau des Hochleistungsrechners 36 in die elektronische Vorrichtung 30 beispielsweise in Fig. 3 erfolgen kann.
Fig. 4 zeigt dabei im Bild a) den Einbau des Hochleistungsrechners 36 in die elektronische Vorrichtung 30, während Bild b) den Ausbau des Hochleistungsrechners 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30 darstellt. Bei der Ein- und Ausbausituation in Fig. 4 wird der Hochleistungsrechner 36 durch im Wesentlichen laterales bzw. schräges Ein- und Ausschieben des Hochleistungsrechners 36 relativ zu der Wärmesenke 32 ein- und ausgebaut. Um einen solchen Ein- bzw. Ausbau zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn ein Gleitreibungskoeffizient .G zwischen der Trennschicht 26 und der Wärmesenkenoberfläche 38 .G < 0,3 beträgt.
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit eines Ein- und Ausbaus des Hochleistungsrechners 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30. Hierbei wird der Hochleistungsrechner 36 vertikal in Kontakt mit der Wärmesenke 32 gebracht. Dazu wird in Bild a) beim Einbau des Hochleistungsrechners 36 zunächst beabstandet unterhalb der Wärmesenke 32 angebracht und dann nach oben gedrückt, so dass die Wärmesenke 32 in Kraftschluss mit der Transferschicht 10 kommt. Beim Ausbau in Bild b) wird dann der Kraftschluss zwischen Wärmesenke 32 und Hochleistungsrechner 36 wieder durch vertikale Trennung der beiden Elemente voneinander gelöst, diese Elemente somit voneinander beabstandet, um so den Hochleistungsrechner 36 aus der elektronischen Vorrichtung 30 entfernen zu können. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn eine Adhäsionskraft FA zwischen der Trennschicht 26 und der Wärmesenkenoberfläche 38 FA 1 kPa beträgt.
Bezugszeichenliste
10 Transferschicht
12 Matrix
14 wärmeleitfähige Partikel
16 Elastomer
18 Keramikpartikel
20 Haftvermittler
22 Dickenrichtung
24 Transferschichtoberfläche
26 Trennschicht
28 Kunststofffilm
30 elektronische Vorrichtung
32 Wärmesenke
34 Wärmeableitvorrichtung
36 Hochleistungsrechner
38 Wärmesenkenoberfläche
40 Hochleistungsrechneraußenfläche
42 Kraftfahrzeug
44 Kraftfahrzeugkörper
46 Umgebung
FA Adhäsionskraft ,G Gleitreibungskoeffizient
Q Betriebswärme

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeableitvorrichtung (34) zum Ableiten von im Betrieb einer elektronischen Komponente (36) entstehender Betriebswärme (Q), aufweisend: eine Wärmesenke (32) zum Aufnehmen von Wärmeenergie; und eine flexible wärmeleitende Transferschicht (10) zum Leiten der Betriebswärme (Q) von der elektronischen Komponente (36) zu der Wärmesenke (32); wobei die Transferschicht (10) zum sich Erstrecken entlang einer Dickenrichtung (22) von einer Komponentenaußenfläche (40) der elektronischen Komponente (36) zu einer Wärmesenkenoberfläche (38) der Wärmesenke (32) ausgebildet ist; wobei eine die flexible wärmeleitende Transferschicht (10) mitbildende Matrix (12) aus einem Haftvermittler (20) gebildet ist; wobei auf einer zu der Dickenrichtung (22) senkrecht ausgebildeten Transferschichtoberfläche (24), die im Betrieb der Wärmesenkenoberfläche (38) oder der Komponentenaußenfläche (40) zugewandt anzuordnen ist, eine Trennschicht (26) angeordnet ist, die einen Stoffschluss der Transferschicht (10) mit der Wärmesenkenoberfläche (38) oder der Komponentenaußenfläche (40) verhindert.
2. Wärmeableitvorrichtung (34) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transferschicht (10) gebildet ist aus der Matrix (12) mit darin eingebetteten wärmeleitfähigen Partikeln (14).
3. Wärmeableitvorrichtung (34) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähigen Partikel (14) durch wärmeleitfähige Keramikpartikel (18) gebildet sind und/oder dass die Matrix (12) aus einem Elastomer (16), insbesondere einem Acrylelastomer, gebildet ist.
4. Wärmeableitvorrichtung (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (26) aus einem Kunststofffilm (28) gebildet ist. Elektronische Vorrichtung (30) zum Ansteuern einer Vielzahl von Kraftfahrzeugsteuervorgängen, aufweisend: einen Hochleistungsrechner (36) zur Verarbeitung einer Vielzahl von Signalen; und die Wärmeableitvorrichtung (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der Wärmesenke (32) und der flexiblen wärmeleitenden Transferschicht (10), wobei die flexible wärmeleitende Transferschicht (10) einen Stoffschluss mit einer Hochleistungsrechneraußenfläche (40) des Hochleistungsrechners (36) bildet, wobei die Trennschicht (26) und die Wärmesenkenoberfläche (38) der Wärmesenke (32) kraftschlüssig miteinander verbunden sind, oder wobei die flexible wärmeleitende Transferschicht (10) einen Stoffschluss mit einer Wärmesenkenoberfläche (38) bildet, wobei die Trennschicht (26) und Hochleistungsrechneraußenfläche (40) des Hochleistungsrechners (36) kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleitreibungskoeffizient (pc) zwischen der Trennschicht (26) und der Wärmesenkenoberfläche (38) oder zwischen der Trennschicht (26) und der Hochleistungsrechneraußenfläche (40) .G < 0,3 beträgt. Elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adhäsionskraft (FA) zwischen der Trennschicht (26) und der Wärmesenkenoberfläche (38) oder zwischen der Trennschicht (26) und der Hochleistungsrechneraußenfläche (40) FA < 1 kPa beträgt. 15 Kraftfahrzeug (42), aufweisend: einen wärmeleitenden Kraftfahrzeugkörper (44); und eine elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 5 bis
7 mit dem Hochleistungsrechner (36) und der Wärmeableitvorrichtung (34), wobei die Wärmesenke (32) der Wärmeableitvorrichtung (34) wärmeleitend mit dem Kraftfahrzeugkörper (44) gekoppelt ist, sodass eine Ableitung einer im Betrieb des Hochleistungsrechners (36) entstehenden Betriebswärme (Q) in eine Umgebung (46) außerhalb des Kraftfahrzeugs (42) über den Kraftfahrzeugkörper (44) erfolgt.
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