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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe, insbesondere für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
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In Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen werden Inverterstrukturen und Konverterstrukturen mit Kommutierungskreisen aus Zwischenkreiskondensatoren und Halbbrücken, die beispielsweise in Leistungsmodulen ausgebildet sind, eingesetzt. Beispielsweise werden zum Betreiben einer elektrischen Maschine Inverter verwendet, die Phasenströme für die elektrische Maschine bereitstellen. Die Inverter und Konverter umfassen beispielsweise Leistungsmodule. Die Leistungsmodule können beispielsweise ein Trägersubstrat als Schaltungsträger mit Leiterbahnabschnitten umfassen, auf dem beispielsweise Leistungsschalter angeordnet sind, die zusammen mit dem Schaltungsträger ein Leistungsmodul bilden.
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Der Schaltungsträger ist dabei häufig beispielsweise ein DBC-Substrat (Direct Bonded Copper), ein AMB-Substrat (Active Metal Brazed) oder ein IMS- Substrat (Insulated Metal Substrate). Beim Betrieb der Leistungsmodule entsteht durch Verlustleistungen Wärme, die vom Leistungsmodul abgeführt werden muss. Dazu ist ein Kühlkörper vorgesehen, auf den das Leistungsmodul angebracht ist und durch die Wärme von den Leistungsmodulen zu dem Kühlkörper abgeleitet wird. Für einen optimalen Wärmetransfer kann zwischen dem Schaltungsträger beispielsweise eine Wärmeleitpaste, ein Wärmeleitkleber oder eine wärmeleitfähige Folie vorgesehen sein. Um Wärmetransfer sicherzustellen ist oft formschlüssige Verbindungen vorgesehen, bei denen der Schaltungsträger beispielsweise mittels Schrauben oder Klammern gegen den Kühlkörper gedrückt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektronische Baugruppe Elektronische Baugruppe, insbesondere für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, vorgeschlagen. Die elektronische Baugruppe umfasst einen mit wenigstens einem wärmeerzeugenden elektrischen Bauelement auf einer ersten Seite bestückten Schaltungsträger. Weiterhin umfasst die elektronische Baugruppe einen Kühlkörper und einen Spalt zwischen der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des Schaltungsträgers und einer Oberseite des Kühlkörpers. Erfindungsgemäß ist in dem Spalt zwischen der zweiten Seite des Schaltungsträgers und einer Oberseite des Kühlkörpers ein Wärmeleitkörper angeordnet und der Wärmeleitkörper steht mit dem Schaltungsträger an der zweiten Seite in direktem Kontakt und mit dem Kühlkörper an der Oberseite in direktem Kontakt.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich der Vorteil, dass die von den wärmeerzeugenden elektrischen Bauelementen abgegebene Wärme vorteilhaft gut über den Wärmeleitkörper an den Kühlkörper abgeleitet werden kann. Der direkte Kontakt zwischen der zweiten Seite des Schaltungsträgers und dem Wärmeleitkörper sorgt für eine effektive Ableitung der Wärme von dem wärmeerzeugenden elektrischen Bauelement zum Wärmeleitkörper. Der direkte Kontakt zwischen dem Wärmeleitkörper und der Oberseite des Kühlkörpers sorgt dafür, dass die Wärme anschließend effektiv und gut von dem Wärmeleitkörper an den Kühlkörper abgeleitet werden kann. Die von dem wärmeerzeugenden elektrischen Bauelement erzeugt Wärme kann dann von dem Kühlkörper an die Umgebung oder Kühlmedien abgegeben werden. So wird in der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe die Wärme von den wärmeerzeugenden elektrischen Bauelementen gut und effektiv von den wärmeerzeugenden Bauelementen abgeleitet und die Schaltung auf dem Schaltungsträger mit den Bauelementen vor zu hohen Temperaturen geschützt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an dem Wärmeleitkörper eine der zweiten Seite des Schaltungsträgers zugewandte erste Klebeschicht ausgebildet ist, die an der zweiten Seite des Schaltungsträgers anhaftet und/oder dass an dem Wärmeleitkörper eine der Oberseite des Kühlkörpers zugewandte zweite Klebeschicht ausgebildet ist, die an der Oberseite des Kühlkörpers anhaftet. Durch die Klebeschichten an dem Wärmeleitkörper kann der Wärmeleitkörper sicher und einfach an dem Schaltungsträger und/oder an dem Kühlkörper befestigt sein und somit die elektronische Baugruppe vorteilhaft einfach und günstig gefertigt werden. Der Wärmeleitkörper mit den Klebeschichten kann bei der Fertigung zwischen dem Schaltungsträger und dem Kühlkörper angeordnet werden und der Schaltungsträger so gegen den Kühlkörper gedrückt werden. So kann die erste Klebeschicht des Wärmeleitkörpers an der zweiten Seite des Schaltungsträgers anhaften und der Schaltungsträger damit fest mit dem Wärmeleitkörper verbunden werden. Gleichzeitig kann so die zweite Klebeschicht des Wärmeleitkörpers an der Oberseite des Kühlkörpers anhaften und der Wärmeleitkörper somit fest mit dem Kühlkörper verbunden werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich der Wärmeleitkörper in dem Spalt flächig erstreckt. Ein so ausgebildeter Wärmeleitkörper kann eine vorteilhaft großflächige erste Klebeschicht und/oder zweite Klebeschicht auf, die in vorteilhaft großflächigem Kontakt mit der zweiten Seite des Schaltungsträgers bzw. der Oberseite des Kühlkörpers stehen kann.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich der Wärmeleitkörper flächig parallel zu der zweiten Seite des Schaltungsträgers und/oder flächig parallel zu der Oberseite des Kühlkörpers erstreckt. So können große Kontaktflächen zwischen dem Schaltungsträger und dem Wärmeleitkörper und zwischen dem Wärmeleitkörper und dem Kühlkörper sichergestellt sein.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zweite Seite des Schaltungsträgers zumindest teilweise parallel zu der Oberseite des Kühlkörpers angeordnet ist. So entsteht eine kompakte elektronische Baugruppe, bei der auf der ersten Seite des Schaltungsträgers entstehende Wärme gleichmäßig an dem Kühlkörper abgeleitet werden kann.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Wärmeleitkörper in einer Richtung senkrecht zur zweiten Seite des Schaltungsträgers von eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,2 W/(m·K), vorzugsweise von mehr als 0,4 W/(m·K), besonders vorzugsweise von mehr als 0,9 W/(m·K) aufweist. Ein derart ausgebildeter Wärmeleitkörper leitet die Wärme vorteilhaft gut und effizient vom Schaltungsträger an den Kühlkörper.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Schaltungsträger als Insulated Metal Substrate (IMS) ausgebildet ist, wobei die zweite Seite des Schaltungsträgers durch die planare metallische Schicht des IMS gebildet ist. Die planare metallische Schicht des IMS ist die durchgehende Grundschicht und kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer gefertigt sein. Eine solche Schicht klebt im Vergleich zu anderen Grundschichten (wie beispielsweise an herkömmlichen Leiterplatten) besonders gut an der Klebeschicht des Wärmeleitkörpers an, insbesondere wenn dieser als Klebeband ausgebildet ist.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Wärmeleitkörper als thermisch leitendes Klebeband ausgebildet ist. Ein Klebeband ist leicht zu montieren und zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus. So kann auch bei Unebenheiten an der zweiten Seite den Schaltungsträgers und/oder der Oberseite des Kühlkörpers ein sicheres Anliegen des Klebebands an den jeweiligen Oberflächen und somit eine gute Wärmeleitung zwischen dem Schaltungsträger und dem Kühlkörper sichergestellt werden. Weiterhin ist ein als Klebeband ausgebildeter Wärmeleitkörper vorteilhaft preisgünstig. Durch ein vorkonfektioniertes Klebeband mit einer definierten Schichtdicke sind definierte Abstände zwischen dem Schaltungsträger und dem Kühlkörper möglich.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Klebeband beidseitig klebend ausgebildet ist, wobei eine erste Klebeschicht des Klebebands an der zweiten Seite des Schaltungsträgers anhaftet und eine zweite Klebeschicht des Klebebands an der Oberseite des Kühlkörpers anhaftet. So kann das Klebeband gleichzeitig an der zweiten Seite des Schaltungsträgers und an der Oberseite des Kühlkörpers anhaften und es ergibt sich eine besonders einfache und leicht zu fertigende elektronische Baugruppe. Eine so ausgebildete elektronische Baugruppe kommt gänzlich ohne mechanische Fixierungselemente wie beispielsweise Schrauben oder Klammern aus und ist somit vorteilhaft einfach und kostengünstig ohne Einbußen bei der Stabilität oder Wärmeleitfähigkeit der elektronischen Baugruppe herzustellen. Auch können so die Kühlkörper ohne Buchsen kostengünstig gestaltet werden. Es treten bei der einfachen Herstellung auch keine Materialverluste wie sie beispielsweise beim Dispensen von Wärmeleitpasten oder Klebern auftreten auf. Weiterhin sind keine zeitaufwändigen Aushärteprozesse notwendig, wodurch die Prozess- und Durchlaufzeiten verkürzt werden.
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Weiterhin erfindungsgemäß wir eine Verwendung der elektronischen Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem DC/DC-Wandler vorgeschlagen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe 1 kann vielfältige Anwendung finden, beispielsweise als elektronische Baugruppe 1 für Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Dabei kann die elektronische Baugruppe 1 als Leistungselektronik ausgebildet sein und die elektronische Baugruppe 1 kann mit auf der elektronischen Baugruppe 1 angeordneten Bauelementen, beispielsweise dem wärmeerzeugenden Bauelement 2, eine Leistungselektronikbaugruppe bilden. Die elektronische Baugruppe kann beispielsweise als elektronische Schaltungseinheit dienen, beispielsweise als Inverter oder Konverter in der Kraftfahrzeugtechnik.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Baugruppe 1 dargestellt. Die elektronische Baugruppe 1 umfasst einen Schaltungsträger 3 mit einer ersten Seite 20 und einer von der ersten Seite 20 abgewandten zweiten Seite 21. Der Schaltungsträger 3 kann beispielsweise als DBC-Substrat (Direct Bonded Copper), als AMB-Substrat (Active Metal Brazed), als IMS (Insulated Metal Substrate) oder als anderes für Leistungsmodule geeignetes Substrat ausgebildet sein. Dabei kann der Schaltungsträger 3 beispielsweise drei Schichten aufweisen. Der in 1 dargestellte Schaltungsträger 3 umfasst eine Grundschicht 33, eine Isolierschicht 32 und eine Leiterschicht 31. Dabei ist die Grundschicht 33 als planare metallische Schicht ausgebildet, die Beispielsweise durchgehend aus Kupfer oder Aluminium gefertigt ist. Die Leiterschicht 31 umfasst beispielsweise Leiterbahnen aus einem elektrisch leitenden Metall, wie beispielsweise Kupfer. Die Leiterschicht 31 ist in Richtung der ersten Seite 20 der Schaltungsträger 2 gewandt und eine Leiterbahnen sind verschiedene elektrische und/oder elektronische Bauelemente angebracht und durch die Leiterbahnen der Leiterschicht 31 elektrisch leitend miteinander verbunden. Zwischen der Leiterschicht 31 und Grundschicht 33 ist eine elektrisch isolierende Isolierschicht 32 angeordnet, die die Leiterbahnen der Leiterschicht 31 elektrisch von der Grundschicht 33 isoliert.
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Auf der ersten Seite 20 des Schaltungsträgers 3 können verschiedene elektrische und/oder elektronische Bauelemente wie beispielsweise Leistungshalbleiter wie beispielsweise Feldeffekttransistoren wie MIS-FETs (Metal Insulated Semiconductor Field Effect Transistor), IGBTs (insulated-gate bipolar transistor), Leistungs-MOSFETs (metal oxide semiconductor field-effect transistor) und/oder Dioden, beispielsweise Gleichrichterdioden, angeordnet sein. Es kann sich beispielsweise um gehäuselose Leistungshalbleiter (Bare-Die) handeln. Weiterhin können auch passive Bauelemente wie beispielsweise Widerstände oder Kondensatoren als elektrische und/oder elektronische Bauelemente auf der ersten Seite 20 des Schaltungsträgers 2 angeordnet werden. Die elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente können dabei durch die Leiterbahnen der Leiterschicht 31 elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente können so untereinander oder mit außerhalb des Schaltungsträgers 3 angeordneten und in den Figuren nicht dargestellten weiteren elektrischen und/oder elektronischen Elementen beispielsweise über die Leiterbahnen der Leiterschicht 31, über Bonddrähte oder andere geeignete elektrisch leitende Kontaktelemente beispielsweise durch Löten oder Sintern elektrisch leitend verbunden sein. Auf der ersten Seite 20 der Schaltungsträgers 3 ist wenigstens ein wärmeerzeugendes elektrisches und/oder elektronisches Bauelement 2 angeordnet.
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Die Leiterschicht 31 des Schaltungsträgers 3 bildet die erste Seite 20 des Schaltungsträgers 3, die Grundschicht 33 der Schaltungsträger 3 bildet die zweite Seite 21 des Schaltungsträgers 3.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe 1, wie in 1 dargestellt, einen Kühlkörper 4. Der Kühlkörper 4 weist eine Oberseite 5 auf, die insbesondere flächig ausgebildet ist. Der Kühlkörper 4 ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium, gefertigt. Der Kühlkörper 4 kann Strukturen zur Abfuhr von Wärme aufweisen, wie zum Beispiel Kanäle, durch die ein Kühlmittel geführt wird, oder Strukturen, die die Kontaktfläche des Kühlkörpers 4 mit der Umgebung vergrößern.
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Weiterhin weist elektronische Baugruppe 1 einen Wärmeleitkörper 60 auf, der zwischen dem Schaltungsträger 3 und dem Kühlkörper 4 angeordnet ist. Zwischen dem Schaltungsträger 3 und dem Kühlkörper 4 ist ein Spalt 12 gebildet, in dem der Wärmeleitkörper 60 angeordnet ist. Der Wärmeleitkörper 60 steht dabei mit der zweiten Seite 21 der Schaltungsträgers 3 in direkten Kontakt, sodass Wärme von dem Schaltungsträger 3 an den Wärmeleitkörper 60 übertragen werden kann. Gleichzeitig steht der Wärmeleitkörper 60 an der Oberseite 5 des Kühlkörpers 4 mit dem Kühlkörper 4 in direkten Kontakt, sodass Wärme von der Wärmeleitkörper 60 an den Kühlkörper 4 abgeleitet werden kann.
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Der Wärmeleitkörper 60 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Klebeband ausgebildet. Das Klebeband ist ein doppelseitiges Klebeband und weist eine erste Klebeschicht 61 und eine zweite Klebeschicht 62 auf. Das Klebeband ist flächig ausgebildet und erstreckt sich flächig in dem Spalt 12 zwischen der Oberseite 5 des Kühlkörpers 4 und der zweiten Seite 21 des Schaltungsträgers 3. Die erste Klebeschicht 61 klebt flächig an der zweiten Seite 21 der Schaltungsträger 3 an. Die zweite Klebeschicht 61 klebt flächig an der Oberfläche 5 des Kühlkörpers 4 an. Durch das Klebeband ist somit der Schaltungsträger 3 fest und nah an dem Kühlkörper 4 befestigt, sodass Wärme von dem Schaltungsträger 3 vorteilhaft gut an den Kühlkörper 4 abgeleitet werden kann. Dadurch, dass in dem Ausführungsbeispiel die Grundschicht 33 des Schaltungsträger 3 durch eine planare metallische Schicht gebildet ist, kann die erste Klebeschicht 61 des Klebebandes vorteilhaft gut an dem Schaltungsträger 3 anhaften.
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Der Wärmeleitkörper 60 kann beispielsweise als Klebeband beispielsweise aus Acryl und einem oder mehreren Füllstoffen gebildet sein. Acryl stellt sicher, dass der Wärmeleitkörper 60 an dem Kühlkörper 4 und dem Schaltungsträger 3 anhaftet. Die Füllstoffe weisen hohe Wärmeleitfähigkeit auf und machen den Wärmeleitkörper 60 wärmeleitfähig. Als Füllstoffe können beispielsweise Al2O3, Zinkoxid oder Bornitrid vorgesehen sein. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitkörpers 60 kann dabei durch die Auswahl des Füllstoffes, sowei dessen Korngröße und Form bestimmt werden.
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Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.