DE102019126311B3

DE102019126311B3 - Stromleitendes Kühlelement, System und Verfahren zur Wärmeabführung von leistungselektronischen Bauteilen auf Platinen

Info

Publication number: DE102019126311B3
Application number: DE102019126311.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2039-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement (502), ein System (500) und ein Verfahren zur Kühlung einer Platine (508) mit mindestens einem auf einer Oberfläche der Platine (508) montierten leistungselektronischen Bauteil (102), welches über mindestens einen an mindestens einer an eine Oberseite des Bauteils (102) anschließenden Seitenfläche angeordneten elektrischen Kontaktpin mit einer jeweiligen Leiterbahn (504, 506) auf der Oberfläche der Platine (508) verbunden ist, wobei das Kühlelement (502) aus einem wärmeleitenden und stromleitenden Material hergestellt ist, wobei das Kühlelement (502) auf einer der Platine (508) zugewandten Seite mindestens einen ersten Kontaktierungsbereich auf einer ersten Ebene und einen zweiten Kontaktierungsbereich auf einer zu der ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene aufweist, wobei mindestens der erste Kontaktierungsbereich flächig ausgestaltet ist und dazu ausgelegt ist, mit der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils (102) in Kontakt gebracht zu werden, wobei der zweite Kontaktierungsbereich dazu ausgelegt ist, mit einer Metallschicht (504) der Platine (508) in Kontakt gebracht zu werden, wobei ein Abstand der ersten Ebene und der zweiten Ebene durch eine jeweilige Bauhöhe des mindestens einen leistungselektronischen Bauteils (102) gegeben ist, und wobei das Kühlelement (502) zwischen den mindestens zwei Kontaktierungsbereichen eine Aussparung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlelement zur Wärmeabführung von einem leistungselektronischen Bauteil auf einer Platine, wobei das Kühlelement außerdem zu einer Stromleitung herangezogen werden kann. Ferner wird ein das Kühlelement aufweisendes System und Verfahren offenbart.
Eine Wärmequelle ist in heutigen leistungselektronischen Schaltungen auf Leiterplattenbasis neben einer Stromleitung vor allem durch einen Leistungshalbleiterschalter, der in der Regel ein Transistor ist, bzw. dessen Kontaktstellen und Anschlusspunkte gegeben. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, von oberhalb der Platine einen Kühlkörper entweder mit einem solchen Transistor oder mit einem seiner Anschlüsse zu kontaktieren und Wärme abzuführen. Teilweise ist die Wärmeabgabe über die Kontakte sogar so stark, dass sich im Falle eines gekühlten Transistors die Platine auf höhere Temperaturen aufwärmt als der Transistor. Hierzu beschreibt die Druckschrift US 5 164 884 A eine stark wärmeleitende Platte zum Ableiten der vom Leistungstransistor in eine Kontaktfläche dessen Kollektors weitergeleiteten Wärme, wobei die leitfähige Platte zwischen einem Leistungstransistor-Kollektorkontakt auf der Platine und einer Kühlplatte angeordnet ist. Allerdings wird dadurch nur der einzelne Leistungstransistor-Kollektorkontakt gekühlt, während benachbarte oberflächenmontierte Bauteile davon unberührt bleiben.
Auch in US 2016/0133541 A1 wird eine Wärmeableitungsplatte erörtert, die auf einer Oberseite eines Halbleiterelementes angeordnet ist. Die beschriebene Wärmeableitungsplatte kann aus Kupfer, Silber, Aluminium oder einer Legierung dieser Materialien hergestellt sein.
Demgegenüber wird in der US-amerikanischen Druckschrift US 2017/0156201 A1 eine Wärmeableitungsstruktur offenbart, welche eine Kühlplatte und als Füllmaterial zwischen der Kühlpatte und den ggfs. unterschiedlichen Bauteilen auf der Platine ein wärmeleitendes Harz aufweist. Zwar ist es hier durch das verfüllte Harz möglich, Höhenunterschiede auszugleichen, jedoch ist es als Isolator nicht für eine elektrische Leitung geeignet.
Die Druckschrift DE 10 2014 101 316 A1 offenbart eine elektronische Steuereinheit mit einem Halbleitermodul, dessen Halbleiterchip mit einem ersten Schaltungsmuster und mit einem zweiten Schaltungsmuster elektrisch verbunden ist. Mit dem Halbleiterchip ist eine Seite einer Metallplatte verbunden, deren andere Seite mit dem ersten Schaltungsmuster verbunden ist. Ein Strahler ragt in Richtung des ersten Schaltungsmusters und ist durch einen Wärmeleiter mit diesem verbunden. Infolgedessen wird die vom Halbleiterchip erzeugte Wärme während des Betriebs des Halbleitermoduls durch die Metallplatte, das erste Schaltungsmuster und den Wärmeleiter zum Strahler übertragen
Die Druckschrift DE 198 32 450 A1 beschreibt eine Halbleiter-Kühl-Anordnung, welche eine Leiterplatte mit einer Wärme-Leitungs-Schicht, ein Halbleiter-Bauteil und mindestens ein Kühlelement umfasst. Auf der Leiterplatte ist auch ein aufrecht stehendes Kühlkörperelement angebracht, das aus einem wärmeleitenden Material besteht, um die von der Leistungshalbleiterkomponente erzeugte Abwärme abzuleiten.
Die Druckschrift US 2004/0 169 289 A1 stellt ein Halbleiterbauelement bereit, welchem sowohl eine hohe Wärmeableitung als auch eine hohe Verbindungszuverlässigkeit bei der Montage zu eigen ist. Das Halbleiterbauelement umfasst einen mit Harz versiegelten Halbleiterchip, der auf Ober- und Unterseite jeweils eine mit einem jeweiligen leitenden Element verbundene Elektrode aufweist und bei dem das jeweilige leitende Element an eine Oberfläche des Harzes anliegt.
Die Druckschrift US 10 548 213 B2 offenbart eine elektronische Steuervorrichtung mit einer Leiterplatte, in der Leiterschichten und Isolierschichten abwechselnd angeordnet sind. Dabei sind die Schichten symmetrisch zu einer Mittelebene angeordnet und eine jeweilige Leiteraußenschicht weist eine größte Dicke auf.
Oberflächenmontierte Transistoren, auch engl. bezeichnet als surface mounted transistor bzw. als SMT abgekürzt, geben zumeist Wärme in zwei Richtungen ab: erstens über einen oder mehrere Stromanschlüsse an einer Unterseite des Transistors sowie zweitens über eine Oberseite eines Transistorgehäuses, welches häufig aus Kunststoff und weniger häufig aus Keramik besteht. Bei einer leistungselektronischen Platine mit mindestens einem Metall-Inlay kann die Wärme zwar sehr gut in das Metall des Inlays, bspw. Kupfer oder Aluminium, abgegeben werden. Problematisch ist es dann aber, diese Wärme aus dem Inlay, das meist in thermisch sehr gut isolierendes Glasfaserverbundmaterial eingebettet ist, wieder abzuführen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlelement zu einer Wärmeabführung von leistungselektronischen Bauteilen auf einer Platine und mit diesen in Kontakt stehenden Metalllagen auf oder innerhalb der Platinen zur Verfügung zu stellen, welches Höhenunterschiede überwindet und in der Herstellung günstig ist. Gleichzeitig soll durch dieses Kühlelement auch eine elektrische Leitung möglich sein. Ferner soll ein das Kühlelement aufweisendes System und ein das Kühlelement verwendendes Verfahren offenbart werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Kühlelement zur Kühlung einer Platine mit mindestens einem auf einer Oberfläche der Platine montierten leistungselektronischen Bauteil vorgeschlagen, wobei das leistungselektronische Bauteil über mindestens einen an mindestens einer an eine Oberseite des Bauteils, d. h. an eine der Platine abgewandten Seite des Bauteils, anschließenden Seitenfläche angeordneten elektrischen Kontaktpin mit einer jeweiligen Leiterbahn auf der Oberfläche der Platine verbunden ist. Das Kühlelement ist aus einem wärmeleitenden und stromleitenden Material hergestellt, wobei das Kühlelement auf einer der Platine zugewandten Seite mindestens einen ersten Kontaktierungsbereich auf einer ersten Ebene und einen zweiten Kontaktierungsbereich auf einer zu der ersten Ebene parallelen beabstandeten zweiten Ebene aufweist. Mindestens der erste Kontaktierungsbereich ist flächig ausgestaltet und ist mit der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils in Kontakt zu bringen bzw. bringbar. Der zweite Kontaktierungsbereich ist mit einer Metallschicht der Platine in Kontakt zu bringen bzw. bringbar. Ein Abstand der ersten Ebene und der zweiten Ebene ist durch eine jeweilige Bauhöhe des mindestens einen leistungselektronischen Bauteils gegeben. Schließlich weist das Kühlelement zwischen den mindestens zwei Kontaktierungsbereichen eine Aussparung auf, welche bei Kontaktierung des Kühlelements mit dem leistungselektronischen Bauteil den mindestens einen Kontaktpin an der Seitenfläche des leistungselektronischen Bauteils beabstandet umhüllt.
Das mindestens eine leistungselektronische Bauteil erwärmt sich in einem Betrieb, der bspw. aus einem Einsatz des leistungselektronischen Bauteils in einer Steuerelektronik für einen elektrischen Traktionsmotor eines Elektrofahrzeuges resultiert. Insbesondere bei einem Einsatz innerhalb eines Gehäuses, welches auch stromliefernde Energiezellen umfasst, welche bei hohen Temperaturen Schaden nehmen, ist eine Wärmeabführung unverzichtbar.
Der Kontakt des ersten Kontaktierungsbereiches des erfindungsgemäßen Kühlelementes mit der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils bildet zumindest einen wärmeleitenden Übergang aus. Genauso bildet der Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktierungsbereich und der Metallschicht der Platine zumindest einen wärmeleitenden Übergang aus. Das erfindungsgemäße Kühlelement greift in seiner ersten Ebene die Wärme an der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils ab und leitet sie auf seine tiefer gelegene, zweite Ebene, welche die Metallschicht der Platine kontaktiert. Dort wird die Wärme in die Platine geleitet.
Die Aussparung zwischen den mindestens zwei Kontaktierungsbereichen vermeidet vorteilhaft eine Berührung und so auch einen möglichen elektrischen Kontakt des erfindungsgemäßen Kühlelementes mit dem mindestens einen seitlichen Kontaktpin des leistungselektronischen Bauteils. Der Abstand soll mindestens 1 mm betragen. Vorteilhaft beträgt der Abstand ca. 2 mm.
Das erfindungsgemäße Kühlelement ermöglicht vorteilhaft einen aus dem Stand der Technik bekannten rein maschinellen Bestückungsprozess der Platine, mit dem auch weitere elektronische Bauteile auf der Platine angeordnet werden. Vorteilhaft ist auch eine Baugröße des erfindungsgemäßen Kühlelementes dergestalt, dass das Kühlelement, wie weitere elektronische Bauteile auf der Platine auch, in standardisierbare Größen eingeordnet werden kann und serientauglich herstellbar ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes ist das Kühlelement aus einem Material aus folgender Liste hergestellt: Kupfer, Aluminium, Bronze, Messing, CuZn39Pb3 und ähnliche Legierungen. Das jeweilige Material kann auch verzinnt oder mit Nickel legiert sein. Das erfindungsgemäße Kühlelement ist dabei vorteilhaft aus verzinntem Kupfer hergestellt. Alternativ ist das erfindungsgemäße Kühlelement aus mit Nickel legiertem Aluminium hergestellt, wobei es gegebenenfalls mit einem Kupferüberzug oder einem Zinnüberzug versehen werden kann. Auch eine Kombination dieser Materialien ist denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes ist der zweite Kontaktierungsbereich flächig mit einer Metallschicht auf der Oberfläche der Platine kontaktiert. Dieser Kontakt kann durch eine Verlötung verstärkt sein. Die vom Kühlelement aus dem leistungselektronischen Bauteil abgeleitete Wärme geht dann in die Platine über bzw. wird in der Metallschicht auf der Oberfläche der Platine weitergeleitet.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes ist der zweite Kontaktierungsbereich durch einen flächigen Bereich mit mindestens einem Stift gebildet, wobei der flächige Bereich mit der Oberfläche der Platine in Kontakt steht und wobei der mindestens eine Stift durch die Oberfläche der Platine hindurch in eine Schicht innerhalb der Platine greift. Der mindestens eine Stift kann als eine Art Dorn ausgebildet sein und innerhalb eines Pressfit-Verfahrens durch die Oberfläche der Platine getrieben werden, wodurch eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Kühlelement und der Platine entsteht. Bspw. kann so ein eckig ausgebildeter Dorn auf dem zweiten Kontaktierungsbereich des Kühlelementes in ein entsprechend angeordnetes rundes Loch auf der Platinenoberfläche gepresst werden, oder auch ein leicht größerer runder Dorn auf dem zweiten Kontaktierungsbereich in ein leicht kleineres rundes Loch auf der Platinenoberfläche. Auch kann dabei eine Kaltverschweißung toleriert bzw. erwünscht sein. Durch ein Einpressen in die Platine kann gleichzeitig eine dauerhafte Flächenpressung des ersten Kontaktierungsbereiches auf die Oberseite des leistungselektronischen Bauteils ausgeübt sein. Hierzu wird ein Pressfit-Teil des Kühlelementes so weit in die Platine getrieben, bis der erste Kontaktierungsbereich mit einem vorgegebenen Druck auf das leistungselektronische Bauteil drückt und dieses kontaktet. Vorteilhaft kann zwischen Kühlelement und leistungselektronischen Bauteil eine mechanisch elastische Schicht eingebracht werden, die eine Vorspannung über einen längeren Zeitraum hinweg aufrecht erhält. Bei dieser elastischen Schicht kann es sich bspw. um eine Metallschicht oder eine mit Keramikpartikeln versehenen Kunststoff handeln. Alternativ kann auch eine aus dem Stand der Technik bekannte thermische Leitpaste eingebracht werden, welche eine auf Dauer gegebenenfalls nachlassende Spannung überbrücken kann. Vorteilhaft kann durch den mindestens einen Stift auch eine Metallschicht innerhalb der Platine, auch Inlay genannt, kontaktiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes umfasst mindestens einer der Kontaktierungsbereiche eine dreidimensionale Oberflächenstruktur, welche gegenüber einer grob flächigen Ausbildung feinstrukturierte Vertiefungen und/oder Erhöhungen von mindestens 0.1 mm aufweist. Vorteilhaft weist die dreidimensionale Oberflächenstruktur feinstrukturierte Vertiefungen und/oder Erhöhungen von größer als 0.5 mm auf. Dadurch kann bei einer Lötung entstehendes fließendes Material, wie bspw. Lot und/oder Lösungsmittel, aufgenommen und/oder abgeleitet werden. In diesem Zusammenhang weist die dreidimensionale Oberflächenstruktur besonders vorteilhaft Rinnen auf, welche, wie auch das gesamte Kühlelement, kostengünstig als Meterware in einem Strangpressprofil hergestellt werden können. Die Rinnen verlaufen dabei, ebenso wie etwaige weitere Vertiefungen und/oder Erhöhungen, in Pressrichtung. Das erfindungsgemäße Kühlelement weist in diesem Fall einen konstanten Querschnitt auf und kann vorteilhaft von dem Strangpressprofil in Einzelelementen abgeschnitten oder abgesägt werden, während sonst übliche Metallteile für eine Platinenmontage aufwändig gefräst werden müssen.
Erfindungsgemäß ist innerhalb des Kühlelementes durch materialabtragende Verfahren eine Spreizung und/oder Auffächerung von Wärmepfaden gebildet. Dies ist insbesondere möglich, wenn das für das Kühlelement verwendete Material eine ausreichende hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Während an der Oberseite des Kühlelementes eine möglichst große Kontaktfläche vorhanden sein sollte, kann an dem bspw. durch Lötung mit dem leistungselektronischen Bauteil oder der Metallschicht der Platine verbundenen unteren Kontaktierungsbereich Material eingespart werden. Vorteilhaft wird dadurch Material und Gewicht eingespart. Das materialabtragende Verfahren kann bspw. ein Bohren oder ein Abspanen sein. Das abgetragene Material kann wiederum in einen Fertigungsprozess eingebracht werden. Durch Bohren im Kühlelement erzeugte Bohrlöcher können vorteilhaft dergestalt angeordnet werden, dass ein sich daraus ergebender Wärmepfad zwischen dem ersten Kontaktierungsbereich und der Oberseite des Kühlelementes einen vorbestimmten Verlauf nimmt. Dies ist in solchen Fällen zu bevorzugen, bei denen eine an der Oberfläche des Kühlelementes wärmeabführende Kühlleistung nicht gleichverteilt, sondern räumlich lokalisiert bereitgestellt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes stellt das Kühlelement eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Kontaktierungsfläche an der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils und einer Metallschicht der Platine her. Hierzu können die jeweiligen Kontaktierungsbereiche des Kühlelementes mit der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils oder der Metallschicht der Platine verlötet sein.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes weist das Kühlelement auf einer zu der Platine abgewandten Seite als eine dritte Ebene eine zur Platine parallele Oberfläche auf. Durch diese dritte Ebene ist eine Kontaktfläche zu einer Kühlplatte bereitgestellt. Vorteilhaft kann diese Kontaktfläche als glatte Kontaktfläche zu der Kühlplatte gestaltet werden. Durch die Kühlplatte, welche aktiv durch ein Kühlungsmittel gekühlt sein kann, wird vorteilhaft auch eine höhere Kühlleistung erzielt als bspw. durch eine Montage eines 3D-Kühlkörpers auf dem erfindungsgemäßen Kühlelement oder direkt auf dem oberflächenmontierten Transistor bzw. leistungselektronischen Bauteil.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes leitet sich eine durch einen Abstand der der Platine zugewandten Seite des Kühlelementes und der der Platine abgewandten Seite des Kühlelementes gebildete Bauhöhe des Kühlelementes aus einer Bauhöhe des leistungselektronischen Bauteils und dem Abstand der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils zur Kühlplatte her. Dadurch ist es ermöglicht, den Abstand zu der Kühlplatte zu überwinden, der durch eine höchste Bauhöhe eines ebenfalls von der Kühlplatte mitgekühlten und auf diesem aufsitzenden elektronischen Bauteils der Platine vorgegeben ist. Denkbar ist weiterhin, geringe Höhenunterschiede von gleichzeitig durch die Kühlplatte zu kühlenden elektronischen Bauteilen auf der Platine durch ein sogenanntes Gap-Pad zu überwinden.
Ferner wird ein System zur Kühlung einer Platine mit mindestens einem leistungselektronischen Bauteil beansprucht, wobei das System eine leistungselektronische Platine, mindestens ein Kühlelement und mindestens ein auf der Platine montiertes leistungselektronisches Bauteil umfasst. Das vom System umfasste erfindungsgemäße Kühlelement stellt zumindest eine Wärmeleitung zwischen einer Oberseite des leistungselektronischen Bauteils und einer Metallschicht der Platine her.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist das System ein solches erfindungsgemäßes Kühlelement auf, welches eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Kontaktierungsfläche an der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils, d. h. an der der Platine abgewandten Seite des leistungselektronischen Bauteils, und einer Metallschicht der Platine herstellt. Das System umfasst weiter als leistungselektronisches Bauteil einen oberflächenmontierten Transistor, vom Fachmann als SMD-Transistor, abgekürzt für Englisch „Surface Mounted Device“-Transistor“ oder auch SMT, abgekürzt für Englisch „Surface Mounted Transistor“, bezeichnet. Solche oberflächenmontierten Transistoren können an ihrer Oberseite eine elektrische Kontaktfläche aufweisen, welche, neben einem jeweiligen an der Seite angeordneten Kontaktpin bzw. einer jeweiligen an einer Unterseite angeordneten Kontaktfläche, mit einem Transistor-Anschluss in Verbindung steht. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist dies gewöhnlich für einen Source-Anschluss ausgeführt. Das erfindungsgemäße System ist dazu konfiguriert, dass das Kühlelement den oberflächenmontierten Transistor an dieser Oberseite kontaktiert. Damit wird ein System bzw. ein Kühlelement zur Verfügung gestellt, welches Wärme von der bislang im Stand der Technik ungenutzten Oberseite von oberflächenmontierten Transistoren aufnimmt.
Die erste Kontaktierungsfläche des Kühlelementes und die Kontaktierungsfläche an der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils sowie die zweite Kontaktierungsfläche des Kühlelementes und die Metallschicht der Platine können durch Lötung miteinander verbunden sein, wodurch zudem eine elektrische Verbindung gebildet ist. Die Kontaktierungsfläche bei dem oberflächenmontierten Transistor wird dabei auch als „dual cool“ bezeichnet. Vorteilhaft ist diese Kontaktierungsfläche elektrisch mit dem Source-Anschluss des Transistors verbunden, welcher innerhalb eines Gehäuses des oberflächenmontierten Transistors in der räumlichen Nähe der Kontaktierungsfläche liegen kann, und somit das erfindungsgemäße Kühlelement nicht nur nahe zu einer Wärmequelle liegt, sondern auch ein Strompfad möglichst gering ausfällt, wodurch zusätzlich vorteilhaft Wärmeverluste verringert sind. Die Kontaktierungsfläche auf der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils ist vorteilhaft vor einer Bestückung auf der Platine vorbehandelt, d. h. vernickelt und/oder verzinnt und/oder mit einem Nickel-Gold-Belag versehen, um eine Lötung zu erlauben. Eine solche Metallisierung kann nach üblichen Reinigungsverfahren vorteilhaft durch passive chemische Abscheidung oder durch Galvanisierung oder durch sogenanntes Hot-Air-Levelling aufgebracht werden. Gegebenenfalls ist auch eine vorherige Beizung dieser Kontaktierungsfläche notwendig, sollte die Kontaktierungsfläche durch eine Oxidschicht passiviert sein.
Eine Oberflächenmontage in einem industriellen Serienfertigungsprozess wird bevorzugt mit einer sogenannten Reflow-Lötung durchgeführt. Hierzu wird sowohl auf dem oberflächenmontierten Transistor, der hierfür eine metallisierte Kontaktierungsfläche, das sogenannte dual-cool-Fenster, auf seiner Oberseite aufweisen muss, als auch auf einer Metallschicht, bspw. einem sogenannten Landepad, der Platine eine Lotpaste ausgebracht. Eine solche Lotpaste kann vorteilhaft Toleranzen ausgleichen und besitzt weiter vorteilhaft eine höhere thermische und gegebenenfalls auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit als eine beliebige Wärmeleitpaste oder ein beliebiges Gap-Pad aus im Stand der Technik verwendeten Kühlkörperanbindungen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist das System zusätzlich mindestens eine wärmeabführende Kühlplatte auf. Das vom System umfasste mindestens eine erfindungsgemäße Kühlelement bildet in dieser Ausgestaltung eine dritte Ebene aus, welche die Kühlplatte flächig kontaktiert und zwischen dem mindestens einen leistungselektronischen Bauteil und der mindestens einen wärmeabführenden Kühlplatte angeordnet ist. Zusätzlich ist zwischen dem mindestens einen Kühlelement und der mindestens einen Kühlplatte eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Bei dieser Schicht kann es sich bspw. um ein Gel-Pad handeln.
Schließlich wird ein Verfahren zur Kühlung einer Platine mit mindestens einem leistungselektronischen Bauteil offenbart, bei dem mindestens ein erfindungsgemäßes Kühlelement verwendet wird, wobei das mindestens eine Kühlelement mit einem ersten Kontaktierungsbereich an dem mindestens einen leistungselektronischen Bauteil angeordnet wird und mit einem zweiten Kontaktierungsbereich mit einer Metallschicht der leistungselektronischen Platine kontaktiert wird, und das Verfahren in einem erfindungsgemäßen System ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein erfindungsgemäßes Kühlelement, welches an einer Oberseite des Kühlelementes eine dritte Ebene ausbildet, verwendet, wobei zusätzlich mindestens eine Kühlplatte an der Oberseite des mindestens einen Kühlelementes angeordnet wird und das Verfahren in einem erfindungsgemäßen System ausgeführt wird.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt schematisch räumliche Darstellungen eines SMD-Transistors aus dem Stand der Technik.
2 zeigt schematisch eine räumliche Darstellung zu einer Montage einer Oberseite des SMD-Transistors mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kühlelementes.
3 zeigt schematisch eine räumliche Darstellung zu einer Montage einer Oberseite des SMD-Transistors mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kühlelementes mit Stiften.
4 zeigt schematisch räumliche Darstellungen einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes als Strangpressteil.
5 zeigt schematisch eine Oberflächenmontage einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes auf einer Platine.
6 zeigt schematisch Schnittbilder mehrerer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlelementes mit Materialreduktionen.
7 zeigt schematisch ein Schnittbild durch eine bestückte Platine mit einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes.
8 zeigt schematisch mehrere Unterseitenprofile von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlelementes.

In 1 werden schematisch zwei räumliche Darstellungen 110, 120 eines SMD-Transistors 102, SMD abgekürzt für „surface mounted device“ bzw. „oberflächenmontiertes Bauteil“, aus dem Stand der Technik gezeigt. In einer Oberseitenansicht 110 ist neben seitlich angeordneten Pins, die zu einem Teil einen Source-Kontakt 104 und zu dem verbleibenden Teil einen Gate-Kontakt 106 bilden, insbesondere ein metallisierter Oberflächenkontakt 112 dargestellt. Gewöhnlich ist dieser metallisierte Oberflächenkontakt 112 mit einer Source eines Transistors-Dies verbunden. Im erfindungsgemäßen System bzw. in dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der metallisierte Oberflächenkontakt 112 vernickelt und/oder verzinnt sein, um eine Lötkontaktierung, bspw. mit Lotpaste bei einem Reflow- oder Kondensationslöten zur Kontaktierung des erfindungsgemäßen Kühlelementes durchzuführen. In einer Unterseitenansicht 120 des SMD-Transistors 102 ist neben den seitlich angeordneten Pins, d. h. dem Source-Kontakt 104 und dem Gate-Kontakt 106 ein Drain-Kontakt 108 erkennbar.
In 2 wird schematisch eine räumliche Darstellung 200 zu einer Montage einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kühlelementes 202 auf dem SMD-Transistor 102 gezeigt. Das Kühlelement 202 kann dabei sowohl auf den Oberflächenkontakt 112 des SMD-Transistors 102 gelötet sein, als auch einen Druckkontakt aufbauen. Das gezeigte Kühlelement 202 weist auf einer ersten Ebene einen ersten Kontaktierungsbereich, der auf den Oberflächenkontakt 112 des SMD-Transistors 102 aufsetzbar bzw. aufzusetzen ist, und auf einer zweiten Ebene einen zweiten Kontaktierungsbereich auf, der auf einer hier nicht gezeigten Platine, auf der auch der SMD-Transistor 102 anzuordnen ist, aufzusetzen ist. Hierzu weist das Kühlelement 202 an den jeweiligen Kontaktierungsbereichen eine dreidimensionale Oberflächenstruktur auf, welche bei einer Lötung auftretende Flüssigkeiten wie bspw. Lösungsmittel aus der Lotpaste, bspw. durch eine Rille 204 aufnehmen und ableiten kann. Der erste Kontaktierungsbereich bzw. die erste Ebene und der zweite Kontaktierungsbereich bzw. die zweite Ebene sind zueinander parallel und beabstandet ausgebildet und bilden zusammen eine Art Treppenform aus. Weiter weist das Kühlelement 202 eine Aussparung 206 auf, um bei Kontaktierung der Platine und des SMD-Transistors 102 den Source-Kontakt 104 und den Gate-Kontakt 106 des SMD-Transistors 102 nicht zu berühren. Schließlich weist das Kühlelement einen ebenen Kontaktierungsbereich 208 an seiner Oberseite auf, um optional daran einen Kühlkörper oder eine Kühlplatte anbringen zu können.
In 3 wird schematisch eine räumliche Darstellung 300 zu einer Montage einer Oberseite des SMD-Transistors 102 mit einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kühlelementes 302 mit Stiften 304 gezeigt. Ein zweiter flächiger Kontaktierungsbereich 306 des erfindungsgemäßen Kühlelementes 302 kommt bei einer Bestückung einer Platine auf dieser zum Liegen. Stifte 304 dringen in die Platine ein und realisieren bspw. so einen Pressfit. Der Kontaktierungsbereich an der Oberseite des SMD-Transistors 102 ist wiederum durch Lötung oder Druckkontaktierung mit dem Kühlelement 302 an dessen erstem Kontaktierungsbereich verbunden. Nach fertiger Montage des SMD-Transistors 102 an das Kühlelement 302 befinden sich eine Unterseite des SMD-Transistors 102 und der Kontaktierungsbereich 306 des Kühlelementes 302 auf einer Ebene und werden auf die Platine montiert, gegebenenfalls durch Lötung des Kontaktierungsbereichs 306 und der Anschlüsse des SMD-Transistors 102 auf die Platine. Gegebenenfalls bemisst sich eine Bauhöhe der Stifte 304 danach, dass nach Eindringen der Stifte 304 in die Platine ein Kontakt des Kühlelementes 302 zu einer in der Platine eingebetteten Metallschicht aufgebaut werden kann.
In 4 werden schematisch räumliche Darstellungen 400 einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes als Strangpressteil 402 gezeigt. Vorteilhaft ist eine Serienfertigung des erfindungsgemäßen Kühlelementes durch Strangpressung besonders einfach und kostengünstig. In den gezeigten räumlichen Darstellungen 400 wird eine Anordnung von Rillen an den jeweiligen Kontaktierungsbereichen in Pressrichtung deutlich.
In 5 wird schematisch eine räumliche Darstellung zu einer Oberflächenmontage 500 einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes 502 auf einer Platine 508 gezeigt. Auf der Platine 502 wurde bereits der SMD-Transistor 102 montiert, wobei seine jeweiligen Anschlüsse mit Leiterbahnen auf der Platine 502 verbunden sind, bspw. einer Sourceanschlussleiterbahn 504 oder einer Gateanschlussleiterbahn 506. Auf der Sourceanschlussleiterbahn 504 ist bereits ein metallisiertes Landing-Pad vorbereitet, d. h. bspw. freigelegt von Lötstopplack, auf dem bei der Montage der zweite Kontaktierungsbereich des erfindungsgemäßen Kühlelementes 502 zum Liegen kommt. Auch der Oberseitenkontakt 112 des SMD-Transistors 102 kann zur Kontaktierung mit dem Kühlelement 502 galvanisch oder vorzugsweise chemisch vernickelt und/oder verzinnt sein. Aus Kostengründen sollte eine Oberflächenbestückung der Platine mit SMD-Bauteilen möglichst für alle vorzusehenden SMD-Bauteile im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden. Dabei werden die SMD-Bauteile bei Bedarf, bspw. aufgrund deren höheren Gewichtes oder bei beidseitiger Montage, punktuell mit einem aus dem Stand der Technik bekannten SMD-Kleber geklebt und flächig oder in strukturierten Mustern in aufgetragene Lotpaste auf Metallpads der Platine platziert. Anschließend wird im Reflow-Ofen aufgelötet. Allerdings ist die Lotpaste für Reflow-Ofen in der Regel eine Mischung aus Lösungsmittel, Flussmittel und kleinen Lotpartikeln, wie bspw. Sn, SnPb60, Ag2Sn, etc. Lösungsmittel und Flussmittel sind in der Regel schlecht bis nicht elektrisch leitend, liegen jedoch bei einem Schmelzen ebenso vor. Des Weiteren gasen auch einige Bestandteile beim Schmelzen aus. Vorteilhaft werden daher dreidimensionale Oberflächenstrukturen, bspw. Rillen, an den jeweiligen zur Lötung vorgesehenen Kontaktierungsbereichen des erfindungsgemäßen Kühlelementes bspw. durch Ausfräsen angebracht.
In 6 werden schematisch Schnittbilder 610, 620, 630 mehrerer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlelementes mit Materialreduktionen gezeigt. Bei ausreichend hoher thermischer Leitfähigkeit eines Materials des Kühlelementes können Materialreduktionen erfolgen. Während das erfindungsgemäße Kühlelement thermisch bspw. durch Löten sehr gut an eine Metallschicht der Platine angekoppelt werden kann, liegt ein thermischer Engpass an der Oberseite des Kühlelementes, d. h. an der der Platine abgewandten Seite vor. Bei einem direkten Übergang zu einer auf der Oberseite anliegenden Kühlplatte oder einem Kühlkörper sollen vorteilhaft die jeweiligen Kontaktierungsbereiche so glatt bzw. eben wie möglich gestaltet werden, da jede mögliche Vertiefung bspw. durch ein Gap-Pad ausgeglichen werden muss und damit eine um mehrere Zehnerpotenzen schlechtere thermische Durchleitung verbunden sein kann. Eine Materialreduktion sollte daher dergestalt erfolgen, dass an der Oberseite des Kühlelementes eine maximale Fläche und idealerweise ein ausreichend dicker Bereich mit einer Wärmeleitung in zur Oberseite parallelen Richtungen verbleibt. Dadurch wird die Wärmeleitung gespreizt bzw. aufgefächert und so über die gesamte Oberseite verteilt. An der Unterseite kann hingegen durch Verlötung eine möglichst hohe thermische Anbindung erreicht werden. Hier sind dreidimensionale Oberflächenstrukturen von Vorteil, da sie ausgasende oder störende Flussmittel ableiten können. Das Material kann spanend entfernt und dann wiederverwendet werden. Alternativ sind an der Unterseite zur Bereitstellung offener Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlelementes auch Umformungsprozesse denkbar, bei denen kein Material abgetragen werden muss und trotzdem vorteilhaft Material eingespart werden kann.
In 7 wird schematisch ein Schnittbild 700 durch eine bestückte Platine 708 mit einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlelementes 702 gezeigt. Ein SMD-Transistor 102 erzeugt in einem Betrieb Wärme, die über Wärmepfade 712 durch einen ersten Kontaktierungsbereich des erfindungsgemäßen Kühlelementes 702, welches mit dem SMD-Transistor durch Lot 710 verbunden ist, abgeleitet wird. Um nicht mit Kontakten des SMD-Transistors 102 zu kontakten, ist an dem L-förmigen Kühlelement 702 eine Aussparung 706 vorgesehen. Weiter ist das Kühlelement 702 mit seinem zweiten Kontaktierungsbereich mit einer Metallschicht auf der Platine 708 verlötet, unter der direkt metallisierte Vias 704 bzw. Durchkontaktierungen Wärme zur gegenüberliegenden Seite der Platine 708 leiten. Zudem können solche Vias 704 die Wärme auch aus innenliegenden Metallschichten an eine Platinenoberfläche leiten. Diese Vias weisen vorteilhaft einen Durchmesser von weniger als 0.4 mm auf, was bspw. durch Bohrung oder Laser-Schnitt-Verfahren, sogenannte Laser-drill-Vias bzw. Microvias, erreicht werden kann. Ferner kann es sich aber auch um reine Kontaktierungen zu tiefer in der Platine 708 gelegenen Metallschichten, sogenannten Inlays, handeln. Diese werden durch Sacklöcher, auch konisch nach innen verjüngt, dargestellt. Auf der Oberseite des erfindungsgemäßen Kühlelementes 702 und einem SMD-Kondensator 718 sitzt zur Wärmeabfuhr eine Kühlplatte 714, wobei dazwischen noch zum Ausgleich kleiner Höhenunterschiede ein Wärmepad 716 ausgebracht ist. Eine Bauhöhe der oberflächenmontierten Bauteile 702 und 718 wird durch Doppelpfeil 720 bezeichnet. Sie soll bspw. zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Das erfindungsgemäße Kühlelement 702 bildet damit ein sogenanntes SMD-Abwärmelement. Es ist mit aus dem Stand der Technik bekannten Bestückungsprozessen kompatibel und weist eine mit bereits verbaubaren SMD-Bauteilen vergleichbare Bauhöhe auf. Damit erübrigt sich vorteilhaft eine Notwendigkeit, die Kühlplatte 714 dreidimensional strukturieren zu müssen. Eine Anordnung des erfindungsgemäßen Kühlelementes 702 innerhalb eines SMDtechnologischen Bestückungsprozesses findet vorteilhaft per Lötung statt, wodurch diese Anordnung in gewöhnliche Bestückungsprozesse eingefügt werden kann, wie ein gewöhnliches Bauteil bestückt und bspw. mittels Reflow-Löten oder Wellenlöten gelötet werden kann. Die Platine 708 sieht hierzu, wie für gewöhnlich Bauteile auch, auf der Oberfläche lediglich großflächige Pads bzw. Metallschichten vor, mit denen das Kühlelement 702 an seiner Unterseite verlötet wird.
In 8 werden in schematischer Darstellung 800 beispielhaft mehrere Unterseitenprofile 806, 808, 810, 812 von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlelementes gezeigt: ein streifenförmiges Unterseitenprofil 806, ein schrägstreifenförmiges Unterseitenprofil 808, ein winkeliges Unterseitenprofil 810, und ein sacklochartiges Unterseitenprofil 812. Das streifenförmige Unterseitenprofil 806 ist zusätzlich als beispielhaftes Unterseitenprofil 804, in räumlicher Darstellung 802 an einem Quader gezeigt. Eine räumliche Vertiefung soll bspw. wenige 100 Mikrometer betragen. Die Unterseitenprofile 806, 808 und 810 bieten vorteilhaft eine Möglichkeit zur Ableitung von bei der Lötung entstehender Gase und/oder Flussmittel.

Claims

Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) zur Kühlung einer Platine (508, 708) mit mindestens einem auf einer Oberfläche der Platine (508, 708) montierten leistungselektronischen Bauteil (102), welches über mindestens einen an mindestens einer an eine Oberseite des Bauteils (102) anschließenden Seitenfläche angeordneten elektrischen Kontaktpin (104, 106) mit einer jeweiligen Leiterbahn (504, 506) auf der Oberfläche der Platine (508, 708) verbunden ist, wobei das Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) aus einem wärmeleitenden und stromleitenden Material hergestellt ist, wobei das Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) auf einer der Platine (508, 708) zugewandten Seite mindestens einen ersten Kontaktierungsbereich auf einer ersten Ebene und einen zweiten Kontaktierungsbereich auf einer zu der ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene aufweist, wobei mindestens der erste Kontaktierungsbereich flächig ausgestaltet ist und dazu ausgelegt ist, mit der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils (102) in Kontakt gebracht zu werden, wobei der zweite Kontaktierungsbereich dazu ausgelegt ist, mit einer Metallschicht (504) der Platine (508, 708) in Kontakt gebracht zu werden, wobei ein Abstand der ersten Ebene und der zweiten Ebene durch eine jeweilige Bauhöhe des mindestens einen leistungselektronischen Bauteils (102) gegeben ist, wobei das Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) zwischen den mindestens zwei Kontaktierungsbereichen eine Aussparung (206, 706) aufweist, welche bei Kontaktierung des Kühlelementes (202, 302, 402, 502, 702) mit dem leistungselektronischen Bauteil (102) den mindestens einen Kontaktpin (104,106) an der Seitenfläche des leistungselektronischen Bauteils (102) beabstandet umhüllt, und bei dem innerhalb des Kühlelementes durch materialabtragende Verfahren eine Spreizung und/oder Auffächerung von Wärmepfaden gebildet ist.
Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach Anspruch 1, wobei das Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) aus einem Material, das auch verzinnt oder mit Nickel legiert sein kann, aus folgender Liste hergestellt ist: Kupfer, Aluminium, Bronze.
Kühlelement (202, 402, 502, 702) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der zweite Kontaktierungsbereich flächig mit einer Metallschicht auf der Oberfläche der Platine kontaktierbar ist.
Kühlelement (302) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der zweite Kontaktierungsbereich durch einen flächigen Bereich (306) mit mindestens einem Stift (304) gebildet ist, wobei der flächige Bereich (306) mit der Oberfläche der Platine (508, 708) in Kontakt bringbar ist und wobei der mindestens eine Stift (304) durch die Oberfläche der Platine (508, 708) hindurch in eine Schicht innerhalb der Platine (508, 708) greift.
Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mindestens einer der Kontaktierungsbereiche eine dreidimensionale Oberflächenstruktur aufweist, welche gegenüber einer grob flächigen Ausbildung feinstrukturierte Vertiefungen und/oder Erhöhungen von mindestens 0.1 mm aufweist, wodurch bei einer Lötung entstehendes fließendes Material aufgenommen und/oder abgeleitet werden kann.
Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) dazu konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Kontaktierungsfläche (112) an der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils (102) und der Metallschicht (504) der Platine (508, 708) herzustellen.
Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) bei Anordnung auf der Platine (508, 708) auf einer zu der Platine abgewandten Seite eine zur Platine (508, 708) parallele Oberfläche aufweist, wodurch eine Kontaktfläche zu einer Kühlplatte (714) bereitgestellt ist.
Kühlelement (702) nach Anspruch 7, wobei eine durch einen Abstand der der Platine (708) zugewandten Seite des Kühlelementes (702) und der der Platine (708) abgewandten Seite des Kühlelementes (702) gebildete Bauhöhe (720) des Kühlelementes sich aus einer Bauhöhe des leistungselektronischen Bauteils (102) und dem Abstand der Oberseite des leistungselektronischen Bauteils (102) zur Kühlplatte (714) herleitet.
System (500, 700) zur Kühlung einer Platine (508, 708) mit mindestens einem leistungselektronischen Bauteil (102), wobei das System eine Platine (508, 708), mindestens ein Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, und mindestens ein auf der Platine (508, 708) montiertes leistungselektronisches Bauteil (102, 718) aufweist.
System (500, 700) nach Anspruch 9, wobei das System (500, 700) ein Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach Anspruch 6 aufweist und bei dem das mit dem Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) kontaktierte leistungselektronische Bauteil (102) ein oberflächenmontierter Transistor (102) ist und dieser Transistor (102) an seiner Oberseite eine elektrische Kontaktfläche (112) aufweist.
System (700) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei welchem das System (700) zusätzlich mindestens eine wärmeabführende Kühlplatte (714) aufweist, wobei jeweils das mindestens eine Kühlelement (702) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 zum Teil zwischen dem mindestens einen leistungselektronischen Bauteil (102) und der mindestens einen wärmeabführenden Kühlplatte (714) angeordnet ist, und wobei zusätzlich zwischen dem mindestens einen Kühlelement (701) und der mindestens einen Kühlplatte (714) eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Schicht (716) angeordnet ist.
Verfahren zur Kühlung einer Platine (508, 708) mit mindestens einem leistungselektronischen Bauteil (102), bei dem mindestens ein Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird, wobei das mindestens eine Kühlelement (202, 302, 402, 502, 702) mit seinem ersten Kontaktierungsbereich an dem mindestens einen leistungselektronischen Bauteil (102) angeordnet wird und mit seinem zweiten Kontaktierungsbereich mit einer Metallschicht (504) der Platine (508, 708) kontaktiert wird, und das Verfahren in einem System (500, 700) nach einem der Ansprüche 9 oder 10 ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem mindestens ein Kühlelement (702) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 verwendet wird, wobei zusätzlich mindestens eine Kühlplatte (714) an einer Oberseite des mindestens einen Kühlelementes (702) angeordnet wird und das Verfahren in einem System (700) nach Anspruch 11 ausgeführt wird.