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Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement, das einen Metallschaum aufweist, und eine Leiterplattenanordnung, die mindestens ein solches Kontaktelement aufweist.
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In elektrischen Leitern, an elektrischen Kontaktierungen und elektronischen Bauteilen entsteht während des Betriebs Wärme. Für einen zuverlässigen Betrieb einer elektronischen Anordnung muss diese Wärme abgeführt werden und die Anordnung gekühlt werden. Dazu werden beispielsweise Lüfter verwendet oder die Anordnung durch einen Anschluss an einen Kühlkörper passiv gekühlt.
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DE 103 17 892 A1 ist ein Sockel offenbart. Der Sockel weist ein isolierendes Substrat auf, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die hinsichtlich der ersten Oberfläche auf einer gegenüberliegenden Seite ist. Das isolierende Substrat umfaßt eine Mehrzahl von Öffnungen, wobei jede Öffnung einen Durchgang zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche liefert. Ferner umfaßt der Sockel eine Mehrzahl leitfähiger Kontakte. Jeder leitfähige Kontakt ist in einer jeweiligen der Öffnungen derart positioniert, daß ein erstes Ende des leitfähigen Kontaktes sich von der ersten Oberfläche erstreckt und ein zweites Ende des leitfähigen Kontaktes sich von der zweiten Oberfläche erstreckt. Zusätzlich ist jeder leitfähige Kontakt aus einem Schaummetall gebildet.
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US 2007 / 0 290 339 A1 ist eine geschäumte elektrische Verbindung aus metallischem Glas offenbart, die auf einem Substrat eines Gehäuses für integrierte Schaltungen gebildet wird. Die geschäumte elektrische Verbindung aus Metallglas weist einen niedrigen Modul auf, der bei Stößen und dynamischer Belastung nicht reißt. Die geschäumte elektrische Verbindung aus metallischem Glas wird als Lötstelle für die Kommunikation zwischen einer integrierten Schaltung und externen Strukturen verwendet.
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US 2005/0 111 188 A1 sind eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein System für eine elektronische Baugruppe mit einer Wärmemanagementeinrichtung, die ein poröses Medium enthält, bekannt.
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US 6 397 450 B1 sind ein Wärmetauscher und ein Verfahren zur Kühlung von Leistungselektronikmodulen offenbart. Das Leistungselektronikmodul überträgt die während des Betriebs erzeugte Wärme über eine thermische Basis des Leistungsmoduls an den Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist direkt mit der thermischen Basis verbunden und umfasst einen Metallschaum.
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US 2003/ 0 227 750 A1 ist ein System zum Ableiten von Wärme von einem elektrischen Bauteil offenbart, wobei das System ein elastisch verformbares Element aufweist, das eine thermische Verbindung mit einem elektrischen Bauteil herstellt. Das elastisch verformbare Element besteht aus einem metallischen Werkstoff, der die Wärmeenergie gut leitet.
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DE 10 2008 010 784 B3 ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit mindestens einem Halbleiterbauelement und einem Wärmeleitkörper offenbart. Das Halbleiterbauelement weist einen Wärmequellenbereich auf. Der Wärmeleitkörper weist mindestens eine Aufnahmefläche zur stoffschlüssigen Verbindung mit einer Kontaktfläche des Halbleiterbauelements und mindestens eine Kanalstruktur auf. Die Kanalstruktur ist vollständig außerhalb einer Projektion des Wärmequellenbereiches angeordnet. Der Wärmeleitkörper weist wenigstens eine Anbindungsfläche auf, die für einen konduktiven Wärmeübergang an einen, wenigstens eine Wärmeübertragungsstruktur aufweisenden Wärmeabfuhrkörper vorgesehen ist. Im Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung strömt wenigstens ein Kühlmittel wahlweise wenigstens durch die Kanalstruktur des Wärmeleitkörpers oder durch die Wärmeübertragungsstruktur des Wärmeabfuhrkörpers.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktelement sowie eine Leiterplattenanordnung mit einem solchen Kontaktelement anzugeben, das effektiv Wärme abführt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kontaktelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise einer Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Ein Kontaktelement weist einen Metallschaum zur thermischen und elektrischen Kontaktierung mindestens einer elektronischen Einrichtung auf.
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Erfindungsgemäß ist der Metallschaum von einem Gas durchströmt, um die elektronische Einrichtung zu kühlen. So kann eine effektive aktive Kühlung erreicht werden.
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Der Metallschaum umfasst Aluminium und kann mindestens ein weiteres Metall umfassen. Das Kontaktelement kann verformbar sein. Dadurch kann das Kontaktelement leicht an verschiedene Einsatzbereiche angepasst werden, wie beispielsweise das Ausbilden einer anpassungsfähigen oder formbaren Kontaktierung von Leiterplatten in Kraftfahrzeugen oder Schwerlastmaschinen.
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Eine Leiterplattenanordnung weist eine Leiterplatte und mindestens ein Kontaktelement auf, das mit einer Kontaktfläche der Leiterplatte gekoppelt ist, wobei die Leiterplatte über das Kontaktelement mit elektrischer Spannung versorgbar ist. Das Kontaktelement weist den Metallschaum auf, der von einem Gas durchströmt ist, um die elektronische Einrichtung zu kühlen.
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Die Leiterplattenanordnung weist in einer Ausführungsform ein Leitungselement auf, das mit dem Kontaktelement gekoppelt ist, und das Kontaktelement ist an die Form des Leitungselements angepasst. Dadurch ist eine gut leitende Kontaktierung zwischen Leitungselement und Kontaktelement beziehungsweise Leiterplatte möglich.
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Auf der Leiterplattenanordnung kann mindestens ein elektronisches Bauelement angeordnet sein. Die Kontaktfläche der Leiterplattenanordnung kann ein Metall umfassen. So ist eine gute thermische und elektrische Anbindung des Kontaktelements an die Leiterplatte ermöglicht.
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Die an der Kontaktfläche der Leiterplattenanordnung auftretende Wärme kann über das Kontaktelement passiv oder aktiv abführbar sein. Dadurch kann die Leiterplattenanordnung flexibel eingesetzt werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den 1 bis 3 erläuterten Beispielen.
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Es zeigen:
- 1A und 1B eine schematische Darstellung eines Kontaktelements gemäß einer Ausführungsform mit einer Fluidkühlung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Kontaktelements gemäß einer Ausführungsform mit einer Gaskühlung,
- 3 eine schematische Darstellung einer Leiterplattenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1A zeigt ein Kontaktelement 100, einen Metallschaum 101, eine Leiterplatte 102, eine Kontaktfläche 103, ein Leitungselement 104 sowie ein Fluid 105.
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Die Leiterplatte 102 dient als Trägerelement, um elektronische Bauelemente zu tragen, die auf dem Trägerelement mechanisch befestigt werden. Die Leiterplatte umfasst beispielsweise isolierendes Material. Diese Bauelemente können über Leiterbahnen, die auf oder in der Leiterplatte verlaufen, elektrisch miteinander gekoppelt werden. Die elektronischen Bauelemente können auf Kontaktflächen der Leiterplatte angeordnet sein. Die Kontaktflächen bilden eine leitende Kopplung zwischen den elektronischen Bauelementen und der Leiterplatte.
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Die Kontaktfläche 103 kann aus einem Metall, beispielsweise Kupfer, gebildet sein. Auf der Kontaktfläche ist der Metallschaum 101 angeordnet. Der Metallschaum 101 und die Kontaktfläche 103 sind elektrisch und thermisch leitend gekoppelt und mechanisch miteinander verbunden.
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Der Metallschaum ist aus einem leitenden Material gebildet. Der Metallschaum kann ein Metall umfassen, beispielsweise Aluminium. Der Metallschaum kann weitere Metalle und Additive aufweisen, beispielsweise Magnesium. Die Zusammensetzung des Metallschaums kann in Abhängigkeit von Anforderungen an den Metallschaum gewählt werden, beispielsweise in Abhängigkeit einer gewünschten Leitfähigkeit, einer gewünschten Verformbarkeit, einer gewünschten Größe der Poren des Metallschaums oder der Herstellungskosten.
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Auf einer der Kontaktfläche 103 abgewandten Seite des Metallschaums ist das Leitungselement 104 gekoppelt. Das Leitungselement ist mit einem weiteren Ende, das nicht mit dem Metallschaum gekoppelt ist, mit einer weiteren elektronischen Einrichtung gekoppelt, beispielsweise mit einer Spannungsquelle. Durch die Anordnung kann eine Spannung der Spannungsquelle über das Leitungselement 104, den Metallschaum 101 und die Kontaktfläche 103 auf die Leiterplatte 102 übertragen werden. Die Leiterplatte weist in nicht gezeigten Bereichen weitere Kontaktflächen auf.
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Während an dem Kontaktelement Spannung angelegt ist, entsteht in der Leiterplatte und der Kontaktfläche Wärme, insbesondere bei relativ hohen Stromdichten. Diese Wärme wird durch den Metallschaum von der Leiterplatte und dem Kontaktelement abgeführt. Der Metallschaum kühlt die Kontaktfläche und die Leiterplatte. Die Kühlung erfolgt passiv über die relativ große Oberfläche des Metallschaums. Der Metallschaum kann über seine relativ große Oberfläche verhältnismäßig viel Wärme an die Umgebung abgeben.
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Der Metallschaum kann zur aktiven Kühlung von dem Fluid 105 durchströmt werden. Das Fluid ist ein nicht leitendes Fluid, beispielsweise ein Alkohol. Dazu ist das Kontaktelement in einem Ausführungsbeispiel mit einem entsprechenden Fluidkreislauf 106 gekoppelt, wie in 1B gezeigt. Der Fluidkreislauf 106 kann Pumpen und Kompressoren sowie weitere Bauteile umfassen. Das Fluid 105 wird in dem Fluidkreislauf durch das Kontaktelement beziehungsweise den Metallschaum geführt, erwärmt sich und wird wieder abgekühlt. Daraufhin kann es wieder Wärme des Kontaktelements aufnehmen.
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Zur Kühlung des Metallschaums beziehungsweise des Kontaktelements wird das Fluid mit einer Temperatur, die unterhalb der Temperatur des Kontaktelements beziehungsweise des Metallschaums liegt, in den Metallschaum geführt. Das Fluid entzieht dem Metallschaum Wärme, während es durch den Metallschaum strömt. Das Fluid wird mit einer Temperatur, die seiner ursprünglichen Temperatur gegenüber erhöht ist, aus dem Metallschaum geführt.
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Der Metallschaum kann durch Aufschäumen eines verflüssigten Metallpulvers mit Gas hergestellt werden. Er kann aber auch durch ein Gießen, beispielsweise in eine Gips- oder Wachsform, hergestellt werden. Neben den Eigenschaften als Kühlelement kann der Metallschaum durch seine Verformbarkeit Fertigungstoleranzen verschiedener Bauelemente ausgleichen, die mit dem Metallschaum gekoppelt sind. Unterliegt die Dicke des Leitungselements 104 beispielsweise einer Schwankung von 1%, kann der Metallschaum entsprechend zusammendrückt werden und die Schwankung in der Dicke des Leitungselements ausgleichen. Der Metallschaum ist deformierbar und dämpft Vibrationen oder kleine Stöße ab. Dadurch ist das Leitungselement 104 von der Kontaktfläche 103 und der Leiterplatte 102 gegenüber Vibrationen entkoppelt.
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2 zeigt einen Metallschaum 201, eine Leiterplatte 202, eine Kontaktfläche 203, ein Leitungselement 204 sowie Gas 205.
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Das Leitungselement 204, das mit einem nicht gezeigten Ende an weiteren elektronischen Einrichtungen gekoppelt sein kann, ist mit dem gezeigten Ende mit dem Metallschaum 201 gekoppelt. Der Metallschaum ist auf der Kontaktfläche 203 gekoppelt. Der Metallschaum ist im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines Quaders ausgebildet, er kann aber auch eine andere dreidimensionale Form aufweisen, die eine elektrische und thermische Kontaktierung ermöglicht, beispielsweise die Form eines Zylinders oder einer Kugel.
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Die Kontaktfläche 203 ist Teil der Leiterplatte 202 und kann ein Metall umfassen, beispielsweise Kupfer. Der Metallschaum ist mit der Leiterplatte über eine Lötverbindung gekoppelt. Die Kopplung kann auch durch eine Klebeverbindung mit einem leitenden Kleber gebildet sein. Die gezeigte Anordnung dient zur Spannungsübertragung zwischen dem Leitungselement 204 und der Leiterplatte 202, sie kann aber auch zur Signalübertragung zwischen dem Leitungselement 204 und der Leiterplatte 202 verwendet werden.
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Das Leitungselement 204 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel schräg in Bezug auf die Leiterplatte 202 auf dem Metallschaum angeordnet. Das Leitungselement verformt den Metallschaum. Der Metallschaum ist in einem Bereich stärker komprimiert als in einem anderen Bereich. Der Metallschaum kann sich relativ vielen geometrischen Ausgestaltungen des Leitungselements 204 anpassen. Die Ausgestaltungen verbessern beispielsweise die elektrische, thermische oder mechanische Kopplung. Entsprechend der gewünschten Verformbarkeit, der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit und gewünschten Wärmeleitfähigkeit kann die Zusammensetzung des Materials des Metallschaums gewählt werden.
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Zur Kühlung des Leitungselements 204, der Kontaktfläche 203 sowie der Leiterplatte 202 wird der Metallschaum im gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Gas durchströmt. Der Metallschaum ist offenporig ausgebildet und kann so relativ gut von dem Gas durchströmt werden. Das Gas, das Luft sein kann, wird beispielsweise von einem Lüfter durch das Kontaktelement und damit durch den Metallschaum getrieben. Es tritt mit einer ersten Temperatur in den Metallschaum ein und nimmt Wärme von den Oberflächen des Metallschaums auf. Es tritt dann mit einer erhöhten Temperatur aus dem Metallschaum aus. Während dieses Vorgangs wird dem Metallschaum Wärme entzogen und dieser dadurch gekühlt. Die erwärmte Luft kann von der Anordnung weggeführt werden. Dadurch, dass der Metallschaum gekühlt wird, wird das Kontaktelement sowie die Leitplatte beziehungsweise eine weitere elektronische Einrichtung gekühlt.
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3 zeigt ein Kontaktelement 300, einen Metallschaum 301, eine Leiterplatte 302, eine Kontaktfläche 303, ein Leitungselement 304, eine Oberfläche 305 sowie ein elektronisches Bauelement 306.
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Das Kontaktelement 300 und das elektronische Bauelement 306 sind auf der Leiterplatte 302 angeordnet. Über das Kontaktelement kann beispielsweise eine Spannung an das elektronische Bauelement angelegt werden. Das Kontaktelement kann auch zur Übertragung eines logischen Signals in Richtung des elektronischen Bauelements oder von dem elektronischen Bauelement weg verwendet werden.
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Die Leiterplatte weist zur elektrischen und/oder thermischen Kontaktierung die Kontaktfläche 303 auf. Die Leiterplatte kann weitere Kontaktflächen aufweisen. Die Kontaktflächen können durch Leiterbahnen miteinander leitend gekoppelt sein. Die Kontaktflächen weisen beispielsweise Kupfer auf.
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Die Kontaktfläche 303 weist die Oberfläche 305 auf, über die die Leiterplatte kontaktiert werden kann. An dieser Oberfläche angeordnet ist der Metallschaum. Dieser ist elektrisch und thermisch leitend ausgebildet. Eine Verbindungsmöglichkeit nach außerhalb der Leiterplattenanordnung stellt das Leitungselement 304 dar.
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Das Leitungselement weist im Bereich der Kontaktierung mit dem Metallschaum eine Ausformung 314 auf. Die Ausformung verformt den Metallschaum. Der Metallschaum kann sich an die äußere Gestalt des Leitungselements 304 und der Ausformung 314 anpassen. So ist eine relativ gute elektrische und thermische Kontaktierung möglich. Der Metallschaum passt sich auch an die Form des Kontaktelements 303 an. Wenn die Oberfläche 305 nicht flach ist, sondern Unebenheiten aufweist, verformt sich der Metallschaum entsprechend und gleicht diese Unebenheiten aus. Sowohl das Leitungselement 304 als auch die Kontaktfläche 303 können gewollte Ausformungen und/oder ungewollte Materialvorsprünge aufweisen, die beispielsweise während der Fertigung oder der Montage entstehen. Diesen Unebenheiten gleicht sich der Metallschaum an.
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Der Metallschaum kann zur aktiven Kühlung mit einem Kältemittel durchströmt werden. Der Metallschaum kann so die Kontaktfläche 303, die Leiterplatte 302, das Leitungselement 304 sowie das elektronische Bauelement 306 kühlen. Die Wärme, die in dem elektronischen Bauelement 306 entsteht, kann über die Leiterplatte 302 und die Kontaktfläche 303 an den Metallschaum geführt werden. Das elektronische Bauelement 306 kann Teil einer Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise ein Mikroprozessor.
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Der Metallschaum gibt Vibrationen des Leitungselements 304 nicht an die Leiterplatte und somit nicht an das elektronische Bauelement weiter. Vibrationen, die an der Leiterplatte auftreten können, werden ebenfalls nicht an das Leitungselement weitergegeben. Der Metallschaum gleicht solche Vibrationen durch eine Verformung aus und absorbiert so mechanische Energie.
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Der Metallschaum umfasst kleine Gasbläschen, die durch Wände getrennt sind. Er weist eine relativ geringe Dichte auf. Der Metallschaum ist ein metallisches Material, das Leerräume und ein kontinuierliches dreidimensionales Metallnetz aufweist. Der Metallschaum kann mit dem Kontaktelement 303 und dem Leitungselement 304 durch eine Lötverbindung gekoppelt sein, er kann auch durch eine andere leitende Verbindung gekoppelt sein, die beispielsweise einen leitenden Kleber umfasst. Im Vergleich zu herkömmlichen Kontakten weist das Kontaktelement 300 eine reduzierte Dichte und eine poröse Charakteristik auf. Das Kontaktelement 300 weist in etwa die doppelte Größe eines herkömmlichen Kontaktelements auf.