DE102023126832A1 - Connecting element between a heat-emitting electrical component and a heat sink, as well as an electrical circuit board with such a connecting element - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (100) zwischen einem wärmeabgebenden elektrischen Bauteil (101) und einer Wärmesenke (102). Das Verbindungselement zeichnet sich dadurch aus, dass das Verbindungselement (100) schichtweise aus zumindest drei Materialschichten aufgebaut ist, wobei eine erste Materialschicht (103) aus einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Material besteht und eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden Anordnen des wärmeabgebenden elektrischen Bauteils (101) aufweist, eine dritte Materialschicht (105), die aus einem wärmeleitenden dritten Material besteht und eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden Kontaktieren mit der Wärmesenke (102) aufweist, und zwischen der ersten Materialschicht (103) und der dritten Materialschicht (105) eine zweite Materialschicht (104) aus einem wärmeleitenden und elektrisch leitenden zweiten Material angeordnet ist. The invention relates to a connecting element (100) between a heat-emitting electrical component (101) and a heat sink (102). The connecting element is characterized in that the connecting element (100) is constructed layer by layer from at least three material layers, wherein a first material layer (103) consists of a thermally conductive and electrically insulating first material and has a contact surface for the thermally conductive arrangement of the heat-emitting electrical component (101), a third material layer (105) consists of a thermally conductive third material and has a contact surface for thermally conductive contact with the heat sink (102), and a second material layer (104) made of a thermally conductive and electrically conductive second material is arranged between the first material layer (103) and the third material layer (105).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zwischen einem wärmeabgebenden elektrischen Bauteil und einer Wärmesenke, eine elektrische Leiterplatte mit einem ebensolchen Verbindungselement, ein Bodenmodul GPM (engl. für „Ground Pad Module“) oder ein Fahrzeugmodul CPM (engl. für „Car Pad Module“) eines induktiven Ladesystems mit einem ebensolchen Verbindungselement sowie ein induktives Fahrzeug-Ladesystem mit einem ebensolchen Bodenmodul GPM oder ein Fahrzeugmodul CPM.The invention relates to a connecting element between a heat-emitting electrical component and a heat sink, an electrical circuit board with such a connecting element, a ground module GPM (English for “Ground Pad Module”) or a vehicle module CPM (English for “Car Pad Module”) of an inductive charging system with such a connecting element and an inductive vehicle charging system with such a ground module GPM or a vehicle module CPM.
Bei Leistungselektronikbauteilen, wie bspw. Leistungshalbleiter, oder entsprechenden Leistungselektronik-Baugruppen entstehen bei deren Betrieb teilweise hohe Wärmemengen, die abgeführt werden müssen, um eine Überhitzung oder gar eine Zerstörung dieser Bauteile bzw. Baugruppen zu verhindern. Üblicherweise werden hierzu die wärmeabgebenden Bauteile thermisch, meist über ein thermisch leitendes und elektrisch nicht-leitendes Interface-Material, an eine Wärmesenke gekoppelt.Power electronic components, such as power semiconductors, or corresponding power electronic assemblies, sometimes generate large amounts of heat during operation, which must be dissipated to prevent overheating or even destruction of these components or assemblies. Typically, the heat-emitting components are thermally coupled to a heat sink, usually via a thermally conductive and electrically non-conductive interface material.
Durch diese thermische Kopplung eines elektronischen Bauteils einer Leistungselektronik-Baugruppe mit einer Wärmesenke entsteht jedoch durch das Interface-Material eine parasitäre Kapazität bspw. zwischen einer zu kühlenden Oberfläche eines Leistungshalbleiters und der über das Interface-Material thermisch angekoppelten Wärmesenke, die insbesondere bei elektrischen Schaltvorgängen in dem elektrischen Bauteil oder in der Leistungselektronik-Baugruppe zu unerwünschten Streuströmen und dadurch zu unerwünschten Rückkoppelungseffekten auf die Leistungselektronikschaltung führt.However, due to this thermal coupling of an electronic component of a power electronics assembly with a heat sink, a parasitic capacitance is created by the interface material, for example between a surface of a power semiconductor to be cooled and the heat sink thermally coupled via the interface material, which leads to undesired stray currents, particularly during electrical switching operations in the electrical component or in the power electronics assembly, and thus to undesired feedback effects on the power electronics circuit.
Direkt auf einer elektrischen Leiterplatte PCB (engl. für „printed circuit board“) angeordnete Leistungselektronik-Bauteile, sog. SMD-Bauteile (engl. für „surfacemounted-device“) benötigen somit ebenfalls eine effektive Kühlung zum Abtransport beim Betrieb entstehender Wärme, häufig auch durch die Leiterplatte PCB zu einer unterhalb der Leitplatte thermisch angekoppelten Wärmesenke. Die Wärmeleitung durch die Leiterplatte PCB kann bspw. durch in der elektrischen Leiterplatte PCB angeordnete Wärmeleitungskanäle aus einem gut wärmeleitenden Material und dessen thermische Koppelung an die Wärmesenke realisiert sein. Auch hier erfolgt im Stand der Technik die thermische Ankoppelung von derartigen Wärmeleitungskanälen elektrischer Leiterplatten PCBs an eine Wärmesenke typischerweise über ein thermisch leitendes und elektrisch nicht-leitendes Interface-Material, mit den oben genannten unerwünschten Effekten.Power electronics components arranged directly on a printed circuit board (PCB), so-called surface-mounted device (SMD) components, therefore also require effective cooling to dissipate heat generated during operation, often through the PCB to a heat sink thermally coupled below the circuit board. Heat conduction through the PCB can be achieved, for example, by heat conduction channels made of a highly thermally conductive material arranged in the PCB and thermally coupling this material to the heat sink. Here, too, the prior art typically thermally couples such heat conduction channels of PCBs to a heat sink using a thermally conductive and electrically non-conductive interface material, with the undesirable effects mentioned above.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbindungselement zwischen einem wärmeabgebenden elektrischen Bauteil und einer Wärmesenke anzugeben, bei dem die vorstehend angesprochenen parasitären Kapazitäten nicht mehr oder nur noch in stark verminderter Form auftreten.The object of the invention is to provide a connecting element between a heat-emitting electrical component and a heat sink in which the parasitic capacitances mentioned above no longer occur or only occur in a greatly reduced form.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention is based on the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Further features, possible applications, and advantages of the invention will become apparent from the following description and the explanation of exemplary embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verbindungselement zwischen einem wärmeabgebenden elektrischen Bauteil und einer Wärmesenke. Das Verbindungselement zeichnet sich dadurch aus, dass, das Verbindungselement schichtweise aus zumindest drei Materialschichten aufgebaut ist, wobei eine erste Materialschicht aus einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Material besteht und eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden Anordnen des wärmeabgebenden elektrischen Bauteils aufweist, eine dritte Materialschicht, die aus einem wärmeleitenden dritten Material besteht und eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden Kontaktieren mit der Wärmesenke aufweist, und zwischen der ersten Materialschicht und der dritten Materialschicht eine zweite Materialschicht aus einem wärmeleitenden und elektrisch leitenden zweiten Material angeordnet ist.A first aspect of the invention relates to a connecting element between a heat-dissipating electrical component and a heat sink. The connecting element is characterized in that the connecting element is constructed layer by layer from at least three material layers, wherein a first material layer consists of a thermally conductive and electrically insulating first material and has a contact surface for the thermally conductive arrangement of the heat-dissipating electrical component, a third material layer consists of a thermally conductive third material and has a contact surface for thermally conductive contact with the heat sink, and a second material layer made of a thermally conductive and electrically conductive second material is arranged between the first material layer and the third material layer.
Diese drei Materialschichten sind vorteilhaft flächig ausgeführt und übereinander angeordnet. Vorteilhaft sind die dritte Materialschicht unmittelbar an der zweiten Materialschicht (diese kontaktierend) angeordnet und/oder die zweite Materialschicht unmittelbar an der ersten Materialschicht (diese kontaktierend) angeordnet. Vorteilhaft ist das wärmeabgebende elektrische Bauteil unmittelbar an der Kontaktfläche der ersten Materialschicht und die Wärmesenke unmittelbar an der dritten Materialschicht angeordnet.These three material layers are advantageously flat and arranged one above the other. Advantageously, the third material layer is arranged directly on the second material layer (contacting it) and/or the second material layer is arranged directly on the first material layer (contacting it). Advantageously, the heat-dissipating electrical component is arranged directly on the contact surface of the first material layer, and the heat sink is arranged directly on the third material layer.
Unter dem Begriff „Bauteil“ kann vorliegend ein einziges elektrisches Bauteil (bspw. ein Leistungstransistor) oder eine Gruppe mit mehreren elektrischen Bauteilen, die zusammengenommen ein wärmeabgebendes elektrisches Bauteil bilden, verstanden werden. Ein elektrisches Bauteil kann vorliegend somit auch eine elektrische Baugruppe sein. Unter dem Begriff „Wärmesenke“ wird vorliegend eine passive und/oder aktive Wärmesenke verstanden.The term "component" can be understood in this case as a single electrical component (e.g., a power transistor) or a group of several electrical components that together form a heat-emitting electrical component. An electrical component can therefore also be a electrical assembly. The term "heat sink" refers to a passive and/or active heat sink.
Das wärmeabgebende elektrische Bauteil kann von einem Gehäuse umgeben sein. In diesem Fall kann das Gehäuse, als äußere wärmeabgebende Kontaktfläche des elektrischen Bauteils die erste Materialschicht kontaktieren.The heat-dissipating electrical component may be enclosed by a housing. In this case, the housing, as the outer heat-dissipating contact surface of the electrical component, may contact the first material layer.
Die erste Materialschicht fungiert als nicht-elektrisch leitendes Dielektrikum zwischen dem elektrischen Bauteil und der elektrisch leitenden zweiten Materialschicht. Dadurch entsteht zunächst eine parasitäre Kapazität zwischen dem elektrischen Bauteil und der elektrisch leitenden zweiten Materialschicht.The first material layer acts as a non-electrically conductive dielectric between the electrical component and the electrically conductive second material layer. This initially creates a parasitic capacitance between the electrical component and the electrically conductive second material layer.
Analoges gilt für die dritte Materialschicht. Sie fungiert als nicht-elektrisch leitendes Dielektrikum zwischen der elektrisch leitenden zweiten Materialschicht und der Wärmesenke. Dadurch entsteht zunächst eine parasitäre Kapazität zwischen der leitenden zweiten Materialschicht und der Wärmesenke.The same applies to the third material layer. It acts as a non-conductive dielectric between the electrically conductive second material layer and the heat sink. This initially creates a parasitic capacitance between the conductive second material layer and the heat sink.
Besonders vorteilhaft ist die zweite Materialschicht im Betrieb des elektrischen wärmeabgebenden Bauteils konstant auf einem vorgegebenen elektrischen Potential gehalten. Dieses Potential kann vorteilhaft ein statisches Potential, wie bspw. elektrisches Erdpotential oder ein positives oder negatives Potential sein. Letzteres ist vorteilhaft ein positives oder negatives Potential eines zugeordneten Gleichstromzwischenkreises oder ein Mittelpunktpotential eines zugeordneten Gleichstromzwischenkreises.Particularly advantageously, the second material layer is kept constantly at a predetermined electrical potential during operation of the electrical heat-dissipating component. This potential can advantageously be a static potential, such as electrical ground potential, or a positive or negative potential. The latter is advantageously a positive or negative potential of an associated DC intermediate circuit or a center point potential of an associated DC intermediate circuit.
Das elektrische konstant gehaltene Potential der zweiten Materialschicht bewirkt, dass im Betrieb des wärmeabgebenden Bauteils, insbesondere bei elektrischen Schaltvorgängen (transiente elektrische Zustände) im Bauteil, die parasitäre Kapazität zwischen der zweiten Materialschicht und der Wärmesenke nicht geladen oder entladen wird. Es wird bei transienten elektrischen Zuständen im wärmeabgebenden Bauteil lediglich die parasitäre Kapazität zwischen dem elektrischen Bauteil und der zweiten Materialschicht geladen oder entladen. Streuströme, wie im Stand der Technik vorstehend beschrieben, werden dadurch erheblich reduziert.The constant electrical potential of the second material layer ensures that the parasitic capacitance between the second material layer and the heat sink is not charged or discharged during operation of the heat-dissipating component, particularly during electrical switching operations (transient electrical states) in the component. During transient electrical states in the heat-dissipating component, only the parasitic capacitance between the electrical component and the second material layer is charged or discharged. Stray currents, as described above in the prior art, are thereby significantly reduced.
Abhängig davon, wie das elektrische konstant gehaltene Potential gewählt wird, können die Isolationsanforderungen reduziert werden (z.B. ein Mittelpunktpotential des Gleichstromzwischenkreises stellt hier eine vorteilhafte Möglichkeit dar).Depending on how the electrical potential is kept constant, the insulation requirements can be reduced (e.g. a center point potential of the DC link is an advantageous option here).
In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Verbindungselements ist das dritte Material elektrisch isolierend. In einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Verbindungselements ist das dritte Material elektrisch leitend.In a further development of the proposed connecting element, the third material is electrically insulating. In a further development of the proposed connecting element, the third material is electrically conductive.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verbindungselements ist/sind die zweite Materialschicht oder die zweite und die erste Materialschicht oder die dritte und die zweite und die erste Materialschicht innerhalb einer elektrischen Leiterplatte (PCB) angeordnet. Dies ermöglicht insbesondere eine effektive Kühlung von SMD-Bauteilen auf elektrischen Leiterplatten bei erheblich reduzierten, durch parasitäre Kapazitäten erzeugten Streuströmen.In an advantageous development of the connecting element, the second material layer or the second and first material layers or the third and second and first material layers are arranged within an electrical printed circuit board (PCB). This enables, in particular, effective cooling of SMD components on electrical printed circuit boards with significantly reduced stray currents generated by parasitic capacitances.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verbindungselements ist die dritte Materialschicht unmittelbar an der zweiten Materialschicht angeordnet und/oder die zweite Materialschicht unmittelbar an der ersten Materialschicht angeordnet. Das bedeutet, dass die jeweiligen Materialschichten vorteilhaft mechanisch, elektrisch und thermisch unmittelbar miteinander gekoppelt sind.In an advantageous development of the connecting element, the third material layer is arranged directly on the second material layer and/or the second material layer is arranged directly on the first material layer. This means that the respective material layers are advantageously directly mechanically, electrically, and thermally coupled to one another.
Vorteilhaft umfasst das Verbindungselement genau die erste, die zweite und die dritte Materialschicht.Advantageously, the connecting element comprises exactly the first, second and third material layers.
Vorteilhaft besteht das erste Material aus
- • FR4
- • Keramik,
- • Aluminiumoxid und/oder Aluminiumoxid-Substraten
- • Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumnitrid-Substraten
- • Siliziumnitrid und/oder Siliziumnitrid-Substraten
- • Zirkon dotierte Al2O3 Substrate
- • Glasfaser verstärktes Plastikmaterial
- • Polyamid
- • FR4
- • Ceramics,
- • Alumina and/or alumina substrates
- • Aluminum nitride and/or aluminum nitride substrates
- • Silicon nitride and/or silicon nitride substrates
- • Zirconium doped Al2O3 substrates
- • Glass fiber reinforced plastic material
- • Polyamide
Vorteilhaft besteht das zweite Material aus
Vorteilhaft besteht das dritte Material aus
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Bodenmodul GPM oder Fahrzeugmodul CPM für ein induktives Fahrzeug-Ladesystem, wobei Energie induktiv von einem Bodenmodul GPM an ein in einem Fahrzeug angeordneten Fahrzeugmodul CPM übertragbar ist und umgekehrt, und wobei das Bodenmodul GPM oder das Fahrzeugmodul CPM zumindest ein elektrisches Bauteil aufweist, das während eines Betriebs Wärme abgibt. Das vorgeschlagene Bodenmodul GPM oder das vorgeschlagene Fahrzeugmodul CPM zeichnet sich dadurch aus, dass dieses wärmeabgebende Bauteil über ein Verbindungselement, wie vorstehend beschrieben mit einer Wärmesenke verbunden ist.A further aspect of the invention relates to a floor module GPM or vehicle module CPM for an inductive vehicle charging system, wherein energy can be inductively transferred from a floor module GPM to a vehicle module CPM arranged in a vehicle and vice versa, and wherein the floor module GPM or the vehicle module CPM has at least one electrical component that dissipates heat during operation. The proposed floor module GPM or the proposed vehicle module CPM is characterized in that this heat-dissipating component is connected to a heat sink via a connecting element, as described above.
Vorteilhaft ist das wärmeabgebende Bauteil Teil einer Leistungselektronikschaltung. Advantageously, the heat-dissipating component is part of a power electronics circuit.
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Bodenmoduls GPM oder des vorgeschlagenen Fahrzeugmoduls CPM ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der vorstehenden Ausführungen.Advantages and advantageous further developments of the proposed ground module GPM or the proposed vehicle module CPM result from an analogous and analogous transfer of the above statements.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug umfassend ein Fahrzeugmodul CPM, wie vorstehend beschrieben.A further aspect of the invention relates to a vehicle comprising a vehicle module CPM as described above.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein induktives Fahrzeug-Ladesystem umfassend ein Bodenmodul GPM und/oder Fahrzeugmodul CPM, wie vorstehend beschrieben.A further aspect of the invention relates to an inductive vehicle charging system comprising a floor module GPM and/or vehicle module CPM, as described above.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Leiterplatte PCB umfassend zumindest ein Verbindungselement, wie vorstehend beschrieben.A further aspect of the invention relates to an electrical circuit board PCB comprising at least one connecting element as described above.
Vorteilhaft ist die elektrische Leiterplatte PCB flexibel ausgeführt.The electrical circuit board PCB is advantageously designed to be flexible.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features, and details will become apparent from the following description, in which at least one embodiment is described in detail—possibly with reference to the drawings. Identical, similar, and/or functionally equivalent parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigt:
-
1 ein stark schematisiert dargestelltes Verbindungselement 100
-
1 a highly schematically represented connectingelement 100
Eine dritte Materialschicht 105 besteht aus einem wärmeleitenden dritten Material, bspw. einem Zirkon dotierten Al2O3 Substrat (DCB: engl. für „direct copper bond“) und besitzt eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden Kontaktieren mit der Wärmesenke 102. A
Zwischen der ersten Materialschicht 103 und der dritten Materialschicht 105 ist eine zweite Materialschicht 104 angeordnet, die aus einem wärmeleitenden und elektrisch leitenden zweiten Material, bspw. Kupfer, besteht.Between the
Die zweite Materialschicht 104 wird im Betrieb des elektrischen Bauteils 101 konstant auf einem vorgegebenen elektrischen Potential gehalten.The
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa einer weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.Although the invention has been illustrated and explained in detail by means of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exist. It is also clear that embodiments mentioned by way of example really only represent examples that are not to be understood in any way as limiting the scope of protection, possible applications, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and the description of the figures enable those skilled in the art to specifically implement the exemplary embodiments. The skilled person, with knowledge of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example with regard to the function or arrangement of individual elements mentioned in an exemplary embodiment, without departing from the scope of protection defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanation in the description.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- Verbindungselementconnecting element
- 101101
- wärmeabgebendes elektrisches Bauteil/Baugruppeheat-emitting electrical component/assembly
- 102102
- Wärmesenkeheat sink
- 103103
- erste Materialschichtfirst layer of material
- 104104
- zweite Materialschichtsecond layer of material
- 105105
- dritte Materialschichtthird material layer
Claims (14)
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