Entwärmung einer elektronischen Baugruppe mittels forcierter Konvektion, sowie Verfahren zum Entwärmen einer

elektronischen Baugruppe

Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe sowie ein Verfahren zum Entwärmen einer elektronischen Baugruppe .

Heutige Frequenzumrichter werden mit Standard Silizium-IGBT- Modulen gebaut . Neuartige Leistungshalbleiter, zum Beispiel Gallium-Nitrid (GaN) mit großem Bandabstand, sind meist als diskrete Bauelemente verfügbar . Eines der Hauptprobleme ist dabei die Entwärmung der Schalt- und Durchlassverluste . Die SchaltVerluste sind beim harten Schalten besonders hoch, wodurch sowohl die Schaltfrequenz , als auch der Durchlass strom, abhängig von der Schaltertechnik thermisch begrenzt wird . Damit einhergehend steigt die Notwendigkeit der gekonn ten Entwärmung der Leistungshalbleiter . Im Gegensatz zu heu tigen Leistungsmodulen handelt es sich bei diesem neuartigen Bauelement meist um diskrete Schalter, die auf einem Träger material aufgelötet werden .

Diese neuartigen LeistungshalbleiterSchalter, insbesondere GaN-Schalter, werden oft als Surface Mounted Device ( SMD) - Bauelement angeboten, wobei die elektrischen Anschlüsse nur auf einer Seite ausgeführt sind . Die Stromrichtung ist bei diesen Schaltern horizontal statt vertikal , wie zum Beispiel bei herkömmlichen IGBTs . Die neuen LeistungshalbleiterSchal ter sind diskrete und lateral aufgebaute Schalter . Diese Leistungshalbleiterbauelemente sind unter anderem in SMD- Bauform und mit einem Löt-Pad auf der Unter- und/oder Ober seite, das als Kontaktfläche zur Kühlfläche wird, verfügbar . Zwar können die gesamten Verluste aufgrund der neuen Techno logie reduziert werden, j edoch ist auch die Bauteilgröße klein, wodurch die flächenbezogenen Verlustenergie nach wie vor hoch ist . Hinzu kommt, dass die neuartigen Leistungshalb leiterschalter mit hohen Schaltfrequenzen betrieben werden . Diese hohen Schaltfrequenzen führen zwar zu höheren Verlus ten, j edoch entstehen dadurch neue Vorteile .

Ein Leistungsteil besteht aus mindestens einem Leistungshalb leiterschalter . Dazu kommt, dass mit steigender Miniaturisie rung der Bauteile die Leistungshalbleiterschalter immer näher aneinanderrücken und auch bei der elektromagnetischen Ver träglichkeit Änderungen am System oftmals notwendig werden .

Heutige Leistungshalbleiter in Antriebsapplikationen sind meist Insulated-Gate-Bipolar-Transistören ( IGBTs ) . Diese wer den in Frequenzumrichtern häufig in ein Modul zusammenge fasst . Dabei werden die Leistungshalbleiter auf einem isolie renden Substrat (=DCB (Direct Copper Bonded) ) angebracht, wo bei die Unterseite des Substrates großflächig Kühlkörper kon taktiert . Um den Wärmeübergang zwischen Modul und Kühlkörper zu verbessern, wird an der Kontaktfläche meist Wärmeleitpaste aufgetragen . Die gesamte Verlustleistung wird hierdurch an einen massiven Kühlkörper abgeführt, welcher im allgemeinen Teil des gesamten Gehäuses ist . Diese Lösung wird besonders von der Systemgrenze des Moduls eingeschränkt, welche bei neuartigen Bauelementen als limitierender Faktor zu sehen ist .

In einer weiteren Lösung können die Halbleiter als SMD- Bauteil auf die Leiterplatte aufgebracht werden . Auf der Lei terplatte werden die Spannungsabstände zwischen den elektri schen Potentialen möglichst klein gewählt, um eine kompakte Baugruppe realisieren zu können . Im Idealfall werden nur die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken vorgesehen . Zur Küh lung kann nun die Oberfläche dieser Leiterplatte mit einem Luftstrom gekühlt werden . Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass durch die Kühlluft die Oberseite dieser Leiter platte Schmutzpartikeln ausgesetzt ist, die sich an den offe nen Pins der Bauelemente ablagern und bei verbinden zweier Potentiale zu einem Kurzschluss führen . Deshalb führt diese Art der Entwärmung zu einer reduzierten Lebensdauer der Bau gruppe . Aus der US 2018/0310396 Al ist eine Kühlkörperstruktur eines Leiterplattenmoduls bekannt, welche eine Leiterplatte, auf der eine elektronische Komponente montiert ist, und eine elektronische Vorrichtung umfasst . Eine erste elektronische Komponente, welche auf einer Vorderseite der Leiterplatte montiert ist, kann im Betrieb entwärmt werden, indem mittels Durchkontaktierungen der Leiterplatte die entstehende Ver lustwärme der ersten elektronischen Komponente zu einem auf der Rückseite der Leiterplatte montierten Kühlkörper abge führt wird.

Die US 2006/ 0006525 Al offenbart verschiedene Systeme zur Ab führung von Verlustwärme eines Halbleitermoduls , das in einem ComputerSystem angeordnet ist . Viele dieser Systeme weisen ein Halbleitermodul auf, welches sich auf einer Seite einer Leiterplatte befindet, und weisen einen Kühlkörper zur Ablei tung der Verlustwärme des Halbleitermoduls auf, welcher sich auf der anderen Seite der Leiterplatte befindet . Eine oder mehrere thermische Durchkontaktierungen erstrecken sich durch die Leiterplatte, um das Halbleitermodul thermisch mit dem Kühlkörper zu koppeln . Derartige Systeme verbessern also den thermischen Gesamthaushalt des Halbleitermoduls , indem sie die Ableitung von dessen Verlustwärme durch die Leiterplatte erleichtern .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , eine elektronische Baugruppe und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchen ins besondere SMD-Leistungshalbleiterschalter gekühlt werden kön nen, ohne die Lebensdauer der elektronischen Baugruppe zu re duzieren .

Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Baugruppe und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst . Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü- chen . Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine elektronische Baugrup pe mit einer Leiterplatte, welche mit einer ersten und einer zweiten Bestückungsseite ausgebildet ist, und zumindest einen ersten Kühlkörper, welcher auf der ersten Bestückungsseite angeordnet ist . Ebenso sind mehrere elektronische Bauelemen te, von denen sich eine Mehrzahl auf der zweiten Bestückungs seite der Leiterplatte befindet, angeordnet . Die elektroni sche Baugruppe umfasst zumindest eine erste Durchkontaktie rung der Leiterplatte, mit welcher eine erzeugte thermische Energie des ersten elektronischen Bauelements von der zweiten Bestückungsseite zu der ersten Bestückungsseite transportiert wird . Die elektronische Baugruppe umfasst weiter eine Konvek tionseinheit zum Erzeugen einer forcierten Konvektion aus schließlich auf der ersten Bestückungsseite, mit welcher die thermische Energie von der Leiterplatte der elektronischen Baugruppe abtransportierbar ist, sodass eine Entwärmung der elektronischen Baugruppe durchführbar ist . Durch die erzeugte forcierte Konvektion ausschließlich auf der ersten Bestü ckungsseite kann insbesondere die thermische Energie bezie hungsweise die Wärme von der Baugruppe abtransportiert wer den . Da die Mehrzahl der elektronischen Bauelemente auf der zweiten Bestückungsseite, welche nicht mit der forcierten Konvektion beaufschlagt wird, angeordnet ist, kann es zu kei nerlei beziehungsweise nur zu einer geringen Ansammlung von Schmutzpartikeln an stromführenden Bauteilen kommen . Wegen der geringeren Beaufschlagung mit Schmutzpartikel wird in der Regel die Lebensdauer der Leiterplatte und somit der gesamten elektronischen Baugruppe verlängert, aber vor allem wird die Lebensdauer dadurch nicht verkürzt . Die wenigen elektroni schen Bauelemente, welche auf der ersten Bestückungsseite an geordnet werden, können so auf der ersten Bestückungsseite platziert werden, dass diese zueinander einen großen Abstand aufweisen . Dadurch können durch transportierte Schmutzparti kel der forcierten Konvektion keine leitfähigen Verbindungen zwischen den einzelnen elektronischen Bauelementen entstehen und hiermit kann sichergestellt werden, dass die Lebensdauer der elektronischen Baugruppe nicht verringert wird . Insbeson dere findet auf der zweiten Bestückungsseite, welche mit ei- ner Mehrzahl der elektronischen Bauelemente ausgebildet ist, eine natürliche Konvektion statt . Die natürliche Konvektion wird durch den natürlichen Luftstrom in der Umgebung der zweiten Bestückungsseite erreicht . Dadurch kann insbesondere ein Teil der erzeugten thermischen Energie von der Leiter platte abtransportiert werden .

Bei der elektronischen Baugruppe kann es sich beispielsweise um einen DC/DC-Wandler und/oder um einen Frequenzumrichter oder Umrichter handeln . Die Leiterplatte dient als Trennebene zwischen der natürlichen Konvektion auf der zweiten Bestü ckungsseite und der forcierten Konvektion auf der ersten Be stückungsseite .

Konvektion oder WärmeStrömung soll so zu verstehen sein, dass eine Methode und/oder ein Mechanismus angewendet wird, um ei nen Wärmeübertrag von Energie von einem Ort zu einem anderen Ort zu erreichen .

Insbesondere weist die erste Bestückungsseite den ersten Kühlkörper auf, welcher die erzeugte thermische Energie in einen Raum der forcierten Konvektion abgeben kann, sodass durch die forcierte Konvektion die thermische Energie ab transportiert werden kann . Die Konvektionseinheit zum Erzeu gen der forcierten Konvektion soll möglichst so angeordnet werden, dass der erzeugte Luftstrom durch die forcierte Kon vektion ausschließlich auf die erste Bestückungsseite wirkt, ohne dass dieser eine Wirkung auf die zweite Bestückungsseite ausübt . Dadurch soll insbesondere erreicht werden, dass die möglichen Schmutzpartikel ausschließlich auf der ersten Be stückungsseite auftreten, an welcher insbesondere keine stromführenden Bauteile angeordnet werden . Insbesondere kann die thermische Energie beziehungsweise die Wärme von der Lei terplatte der elektronischen Baugruppe mit der forcierten Konvektion oder mit der natürlichen Konvektion abtranspor tiert werden . Bei der Konvektionseinheit kann es sich beispielsweise um ei ne Ventilationseinheit beziehungsweise einen Ventilator, wie etwa einen Lüfter, insbesondere einen Lamellenlüfter, einen Axiallüfter, einen Radial entilator, einen DiagonalVentila tor, oder einen QuerStromventilator handeln . Diese Beispiele sollen nicht abschließend zu verstehen sein, sondern sollen lediglich eine Vielzahl an unterschiedliche Ausführungsformen der Konvektionseinheit darstellen . Insbesondere kann mit der Konvektionseinheit eine künstliche Konvektion erzeugt werden .

Damit die erzeugte thermische Energie durch die insbesondere stromführenden elektronischen Bauelemente der zweiten Bestü ckungsseite auf die erste Bestückungsseite übertragen werden kann, werden die Durchkontaktierungen dafür verwendet . Bei der Durchkontaktierung kann es sich insbesondere um eine Kup ferdurchkontaktierung in der Leiterplatte handeln . Beispiels weise kann die Kupferdurchkontaktierung in der Leiterplatte mit Lötzinn gefüllt sein . Bei den Durchkontaktierungen kann es sich insbesondere um sogenannte Vias handeln . Die Durch kontaktierungen werden dazu verwendet, um die thermische Energie beziehungsweise die Wärme von der zweiten Bestü ckungsseite an die erste Bestückungsseite zu übertragen . Ins besondere wird mit der ersten Durchkontaktierung eine Wärme leitung beziehungsweise eine Wärmeübertragung der erzeugten thermischen Energie erreicht . Insbesondere wird die erste Durchkontaktierung benötigt, da die Leiterplatte der elektro nischen Baugruppe selbst Wärme schlecht leitet .

Beispielsweise kann es sich bei den elektronischen Bauelemen ten um Logikschaltungen oder um Stromversorgungsleitungen be ziehungsweise Stromversorgungsbahnen oder um Messbauteile o- der um Leistungshalbleiterschalter oder um Leistungsschalter oder um IGBTs oder um MOSFETs handeln .

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mehreren elektronischen Bauelemente und der zumindest erste Kühlkörper basierend auf der Oberflächenmontagetechnik ausgebildet sind . Durch Anwen dung der Oberflächenmontagetechnik benötigen die elektroni- sehen Bauelemente keine Drahtanschlüsse, welche durch die Leiterplatte gesteckt werden müssen, sodass die Mehrzahl der elektronischen Bauelemente auf der zweiten Bestückungsseite der Leiterplatte angeordnet werden können und dadurch die Kühlung durch die forcierte Konvektion auf der ersten Bestü ckungsseite durchgeführt werden kann, sodass die elektroni schen Bauteile nicht mit Schmutzpartikeln beaufschlagt wer den . Die elektronischen Bauelemente und der zumindest erste Kühlkörper werden mit der SMD-Technologie aufgebaut . Bei der SMD-Technologie werden die SMD-Bauelemente nicht mehr mit Drahtanschlüssen, sondern mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf der ersten und/oder zweiten Bestückungsseite der Leiterplatte angebracht . Hierzu wird die Oberflächenmontage SMT ( Surface-Mount Technology) angewendet . Durch Verwendung von SMD-Bauelementen kann insbesondere ein möglichst platz sparender Aufbau der elektronischen Baugruppe erreicht werden sowie ein geringer thermischer Widerstand zur Leiterplatte garantiert werden . Wegen der immer stetig wachsenden Miniatu risierung der Peripheriebauteile kommt es insbesondere zu im mer höheren Packungsdichten und zu einer sich damit verrin gernden Wärmeabfuhr . Deshalb wird die erzeugte thermische Energie der zweiten Bestückungsseite mithilfe der Durchkon taktierung an die erste Bestückungsseite abtransportiert, so dass durch die forcierte Konvektion der ersten Bestückungs seite die thermische Energie von der elektronischen Baugruppe abgeführt werden kann, sodass die elektronische Baugruppe entwärmt wird .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zumindest erste Kühlkörper als flä chig ausgeführte Leiterbahn oder als ein metallisches Gehäuse oder als metallischer Kühlkörper ausgebildet ist . Um die von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite überführte thermische Energie möglichst effizient durch die forcierte Konvektion abführen zu können, wird der zumindest erste Kühlkörper verwendet . Der erste Kühlkörper, welcher insbesondere als SMD-Kühlkörper ausgebildet ist, wird vor zugsweise so an der ersten Bestückungsseite montiert, dass dieser auf der gegenüberliegenden Seite im Wärmepfad der elektronischen Bauelemente, welche die thermische Energie er zeugen, angeordnet ist . Je nach zur Verfügung stehender Flä che auf der elektronischen Baugruppe beziehungsweise auf der Leiterplatte kann der Kühlkörper als flächige Leiterbahn oder als Kupferflachband ausgebildet sein, wodurch möglichst wenig Bauraum benötigt wird . Um möglichst viel thermische Energie abgeben zu können, kann der Kühlkörper als metallisches Ge häuse ausgebildet sein, welches vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet ist . Somit kann thermische Energie durch die forcierte Konvektion von der Leiterplatte abtrans portiert werden .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste Durchkontaktierung parallel zu mindestens einer zweiten Durchkontaktierung der Leiterplatte nebeneinander angeordnet ist . Um eine möglichst gute Wärmeleitung der thermisch er zeugten Energie von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite erreichen zu können werden mehrere, insbe sondere die erste und die zweite Durchkontaktierung, nebenei nander parallel angeordnet . Vorzugsweise können ebenso mehre re Durchkontaktierungen parallel nebeneinander angeordnet werden . Je mehr Durchkontaktierungen parallel zueinander an geordnet werden, desto besser kann die thermische Energie von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite abgegeben werden . Je besser die thermische Energie von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite über führt werden kann, desto mehr kann die Lebensdauer der elekt ronischen Baugruppe erhöht werden . Beispielsweise können die erste Durchkontaktierung und die zweite Durchkontaktierung so angeordnet werden, dass sie zueinander parallel sind und an einem Bauteil der mehreren Bauelemente angeordnet sind .

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Durchkontaktie rung und/oder die zweite Durchkontaktierung isoliert von elektrischen Leiterbahnen oder auch verbunden mit elektri schen Leiterbahnen gleichen Potentiales auf der Leiterplatte möglichst nah an einem oder einer Gruppe der mehreren elekt- ronischen Bauelemente angeordnet sind. Um eine möglichst gute Entwärmung der elektronischen Bauelemente zu erreichen sollen die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontak tierung so nah wie möglich unter Einhaltung elektrischer und mechanischer Gegebenheiten an einem oder an einer Gruppe von elektronischen Bauelementen angeordnet werden . Dadurch kann die thermische Energie, welche durch die elektronischen Bau elemente erzeugt wird, mit der ersten und/oder der zweiten Durchkontaktierung von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite übertragen werden . Somit kann die thermische Energie möglichst effizient durch die forcierte Konvektion auf die erste Bestückungsseite transportiert wer den .

Die Anordnung der ersten Durchkontaktierung und der zweiten Durchkontaktierung ist von spezifischen Bedingungen oder Nor men bei der Herstellung der Leiterplatte der elektronischen Baugruppe abhängig . Die erste und/oder die zweite Durchkon taktierung kann in bestimmten Fällen nur so nahe an dem elektronischen Bauelement angeordnet werden, dass bestimmte Isolationsabstände zwischen der Durchkontaktierung und dem elektronischen Bauelement eingehalten werden können . Die elektronischen Bauelemente und die Durchkontaktierung sollen auch so angeordnet werden, dass diese zur stromführenden Lei terbahn genügend Abstand besitzen, sodass es zu keinerlei Überschlägen kommen kann . Insbesondere kann bei der Anordnung der ersten Durchkontaktierung und der zweiten Durchkontaktie rung an den elektronischen Bauelementen der DRC (Design-Rule- Check) und der ERC (Electrical-Rule-Check) angewendet werden . Diese werden vor allem bei der LayouterStellung der Leiter platte für die Layoutverifikation angewendet . Die Anordnung der ersten und/oder der zweiten Durchkontaktierung soll so möglichst nah an der elektronischen Baueinheit angeordnet werden, dass zum einen die Normen und Bedingungen für die LayouterStellung der Leiterplatte gewährleistet werden und ebenso die erzeugte thermische Energie gut abführbar ist . Insbesondere müssen bei der Anordnung der ersten Durchkontak tierung und bei der zweiten Durchkontaktierung an die elekt- ronischen Bauelemente ebenfalls Aspekte der elektromagneti schen Verträglichkeit berücksichtigt werden .

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Durchkontaktie rung zur Stromführung ausgebildet ist und auf der zweiten Be stückungsseite der Leiterplatte mit einer elektrisch isolie renden Schicht beschichtet ist, wohingegen die zweite Durch kontaktierung nicht stromführend ausgebildet ist und gegebe nenfalls nicht mit der elektrisch isolierenden Schicht be schichtet ist . Beispielsweise kann die isolierende Schicht als Interface-Material zwischen dem Kühlkörper und der Lei terplatte ausgebildet sein . Insbesondere kann die erste

Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung primär für die Wärmeübertragung der thermischen Energie von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite verwendet werden . Ebenso kann aber auch die erste Durchkon taktierung zur Stromführung ausgebildet werden und beispiels weise verschiedene elektronische Bauelemente mit Strom ver sorgen . Da die erste Durchkontaktierung und die zweite Durch kontaktierung räumlich ohne großen Abstand zueinander ange ordnet sein können und die erste Durchkontaktierung und die zweite Durchkontaktierung auf unterschiedlichen Potentialen liegen können, kann es im Störfall zu einem Kurzschluss kom men . Damit verhindert werden kann, dass es zu einem Kurz schluss zwischen der ersten Durchkontaktierung und der zwei ten Durchkontaktierung oder zwischen der ersten Durchkontak tierung und/oder der zweiten Durchkontaktierung zu einem an deren elektronischen Bauelement kommt, wird insbesondere die stromführende erste Durchkontaktierung mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet . Diese elektrisch isolieren de Schicht sorgt dafür, dass es zu keinem Kurzschluss zwi schen der ersten Durchkontaktierung und der zweiten Durchkon taktierung auf der ersten Bestückungsseite kommen kann . Ins besondere erfolgt die Beschichtung mit der isolierenden

Schicht nur auf der Seite der Durchkontaktierung, welche an der ersten Bestückungsseite anliegt . Insbesondere soll die zweite Durchkontaktierung, welche nicht stromführend ist, sondern für die Wärmeübertragung der thermischen Energie aus- gebildet ist, nicht mit der elektrisch isolierenden Schicht beschichtet sein . Die zweite Durchkontaktierung ist deshalb nicht mit der Schicht beschichtet, weil die elektrisch iso lierende Schicht zwar eine gute elektrische Isolierung ge währleistet, aber eine schlechte beziehungsweise eine Ver schlechterung der Wärmeübertragung bewirkt . Dadurch kann im Ernstfall nicht genügend Wärme von dem elektronischen Bauele ment abtransportiert werden .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, dass die elektrisch isolierende Schicht als Isolierfo lie oder als Isolierlack ausgebildet ist . Um insbesondere die wärmeführenden Durchkontaktierungen vor einem elektrischen Überschlag schützen zu können, werden die stromführenden Durchkontaktierungen mit einer elektrisch isolierenden

Schicht beschichtet, wobei die elektrisch isolierende Schicht vorzugsweise als Isolierfolie oder als Isolierlack ausgebil det ist . Die Isolierfolie kann insbesondere verwendet werden, wenn beispielsweise die komplette beziehungsweise nur Teilbe reiche der ersten Bestückungsseite mit der isolierenden

Schicht beschichtet werden soll . Die Isolierfolie kann effi zient auf die gesamte erste Bestückungsseite angebracht wer den . Hingegen hat der Isolierlack den Vorteil , dass nur die Durchkontaktierungen, welche für die Stromführung ausgebildet sind, gezielt mit der isolierenden Schicht beschichtet werden können .

Weiter ist vorgesehen, dass einem ersten elektronischen Bau element der erste Kühlkörper zugeordnet ist, und/oder einem zweiten elektronischen Bauelement, welches auf der ersten Be stückungsseite oder auf der zweiten Bestückungsseite angeord net ist, ein zweiter Kühlkörper auf der ersten Bestückungs seite zugeordnet ist, und/oder dem ersten elektronischen Bau element und dem zweiten elektronischen Bauelement der erste Kühlkörper oder der zweite Kühlkörper zugeordnet sind .

Um eine möglichst effiziente Entwärmung der Leiterplatte be ziehungsweise der elektronischen Baugruppe zu erreichen, kann beispielsweise jedem elektronischen Bauelement, insbesondere j edem LeistungshalbleiterSchalter, ein Kühlkörper auf der ersten Bestückungsseite zugeordnet werden. Insbesondere wird der erste Kühlkörper so angeordnet, dass dieser gegenüber dem ersten elektronischen Bauelement angeordnet ist . Ebenso kann der zweite Kühlkörper so auf der ersten Bestückungsseite an geordnet werden, dass dieser gegenüber dem zweiten elektroni schen Bauelement platziert ist . Beispielsweise kann dem ers ten elektronischen Bauelement und dem zweiten elektronischen Bauelement ein und derselbe Kühlkörper zugeordnet werden, so- dass insbesondere auf der ersten Bestückungsseite die Kühl körper platzsparend angeordnet werden können und je nach Platzbedarf dabei bei der Anzahl an Kühlkörpern Einsparungen vorgenommen werden . Insbesondere kann es ebenso möglich sein, dass das erste elektronische Bauelement, bei welchem es sich um einen Leistungshalbleiter handelt, auf der ersten Bestü ckungsseite angeordnet ist, wobei der erste Kühlkörper direkt auf dem ersten elektronischen Bauelement auf der ersten Be stückungsseite angeordnet ist . Dadurch kann eine entstehende thermische Energie optimal abgeführt werden und mit dem Luft strom der forcierten Konvektion abtransportiert werden . Bei spielsweise kann die erste oder der zweite Kühlkörper als flächig ausgeführte Leiterbahn ausgebildet sein, sodass mit dieser flächigen Leiterbahn sowohl das erste elektronische Bauelement und das zweite elektronische Bauelement gekühlt werden können .

Es ist vorgesehen, dass für einen ersten Kühlkörper ein ers tes Potential bereitgestellt ist und für den zweiten Kühlkör per ein vom ersten Potential verschiedenes zweites Potential bereitgestellt ist, oder der erste Kühlkörper und der zweite Kühlkörper mit dem ersten Potential oder mit dem zweiten Po tential verbunden sind . Insbesondere kann mit SMD- Kühlkörpern, welche auf einem bestimmten Potential liegen, neue Freiheiten im Aufbau der elektronischen Baugruppe er reicht werden . Dies kann zu kleineren Abmessungen der elekt ronischen Baugruppe führen und zu einer Leistungserhöhung der elektronischen Baugruppe . Dadurch, dass dem ersten Kühlkörper das erste Potential und dem zweiten Kühlkörper das zweite Po tential bereitgestellt wird, kann auf einen großen, auf Erd potential liegenden Kühlkörper verzichtet werden, wobei dadurch zum Beispiel die Normeinhaltung der elektromagneti schen Verträglichkeit für die erhöhten Schaltfrequenzen auf der elektronischen Baugruppe verbessert werden kann . Durch Verwendung unterschiedlicher Potentiale können parasitäre Ka pazitäten von der elektronischen Baugruppe zum ersten

und/oder zum zweiten Kühlkörper wegfallen . Insbesondere muss es sich bei dem ersten und/oder bei dem zweiten Potential nicht zwingend um das Erdpotential handeln, sondern es kann j eweils ein beliebiges festes oder springendes Potential sein . Das erste und/oder das zweite Potential des ersten und/oder des zweiten Kühlkörpers sind jeweils unabhängig von einander und können sich von dem j eweils anderen Potential unterscheiden . Dadurch können Aspekten der elektromagneti schen Verträglichkeit bei der Erstellung der elektronischen Baugruppe besser Rechnung getragen werden .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwärmen einer elektronischen Baugruppe, welche eine Leiter platte mit einer ersten oder einer zweiten Bestückungsseite aufweist . Die zweite Bestückungsseite kann mit einer natürli chen Konvektion entwärmt werden und eine thermische Energie kann von der zweiten Bestückungsseite mit einer Durchkontak tierung in der Leiterplatte zu der ersten Bestückungsseite transportiert werden . Mit einer forcierten Konvektion auf der ersten Bestückungsseite kann die thermische Energie von der Leiterplatte abtransportiert werden, sodass die elektronische Baugruppe entwärmt wird . Bei der natürlichen Konvektion han delt es sich um die natürliche Luftströmung, welche die zwei te Bestückungsseite, insbesondere die elektronischen Bauteile auf der zweiten Bestückungsseite, kühlen kann . Die thermische Energie, welche insbesondere von elektronischen Bauelementen auf der zweiten Bestückungsseite erzeugt wird, kann durch Durchkontaktierungen, insbesondere Kupferdurchkontaktierun gen, in der Leiterplatte von der zweiten Bestückungsseite an die erste Bestückungsseite der Leiterplatte transportiert werden. Damit die thermische Energie von der zweiten Bestü ckungsseite auf der ersten Bestückungsseite weg von der Lei terplatte transportiert werden kann, wird die erste Bestü ckungsseite mit einer forcierten Konvektion versehen . Die forcierte Konvektion wird insbesondere durch eine Konvekti onseinheit erzeugt . Insbesondere entsteht durch die Konvekti onseinheit ein Luftstrom, welcher die thermische Energie be ziehungsweise die Wärme von der ersten Bestückungsseite ab transportiert, sodass insbesondere die Leiterplatte der elektronischen Baugruppe gekühlt werden kann .

Ein unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft eine elektro nische Baugruppe mit einer Leiterplatte, welche mit einer ersten Bestückungsseite und einer zweiten Bestückungsseite ausgebildet ist . Insbesondere umfasst die Leiterplatte zumin dest einen ersten Kühlkörper, welcher auf der ersten Bestü ckungsseite angeordnet ist, und mehreren elektronischen Bau elementen, von denen eine Mehrzahl auf der zweiten Bestü ckungsseite der Leiterplatte angeordnet ist . Weiter umfasst die Leiterplatt der elektronischen Baugruppe transportierbar ist . Die Leiterplatte umfasst beispielsweise einen Kühlkör per, welcher als ein metallisches Gehäuse ausgebildet ist und welcher auf der ersten Bestückungsseite angeordnet ist . Eben falls kann die Leiterplatte eine Konvektionseinheit zum Er zeugen einer forcierten Konvektion ausschließlich auf der ersten Bestückungsseite umfassen, mit welcher die thermische Energie von der Leiterplatte der elektronischen Baugruppe ab transportierbar ist, sodass eine Entwärmung der elektroni schen Baugruppe (1) durchführbar ist .

Ein weiterer unabhängiger Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwärmen einer elektronischen Baugruppe, wel che eine Leiterplatte mit einer ersten Bestückungsseite und einer zweiten Bestückungsseite aufweist, wobei die zweite Be stückungsseite mit einer natürlichen Konvektion entwärmt wird . Insbesondere wird eine thermische Energie von der zwei ten Bestückungsseite mit einer stromführenden Durchkontaktie rung in der Leiterplatte zu der ersten Bestückungsseite und in einen Kühlkörper transportiert . Mit einer forcierten Kon vektion auf der ersten Bestückungsseite wird insbesondere die thermische Energie von der Leiterplatte und/oder von dem Kühlkörper abtransportiert, sodass die elektronische Baugrup pe entwärmt wird .

Die für die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe angege benen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt . Infolgedes sen können Vorrichtungsmerkmale natürlich auch als Verfah rensmerkmale und umgekehrt formuliert sein .

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren . In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen .

Es zeigen :

FIG 1 eine schematische Darstellung der elektronischen

Baugruppe mit einer Leiterplatte, welche eine erste und eine zweite Bestückungsseite umfasst ;

FIG 2 eine weitere schematische Darstellung der

elektronischen Baugruppe mit einer Leiterplatte, wobei sich hier ein Kühlkörper und ein

elektronisches Bauelement auf einer ersten Bestückungsseite der Leiterplatte befinden; und

FIG 3 eine weitere schematische elektronische Baugruppe mit einer Leiterplatte, wobei hier die Kühlkörper auf unterschiedlichen Potentialen liegen .

Die FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung der elektroni schen Baugruppe 1 mit einer Leiterplatte 2 , welche mit einer ersten Bestückungsseite 3 und einer zweiten Bestückungsseite 4 ausgebildet ist . Insbesondere umfasst die erste Bestü ckungsseite 3 der Leiterplatte 2 einen ersten Kühlkörper 5. Die Leiterplatte 2 der elektronischen Baugruppe 1 umfasst beispielsweise mehrere elektronische Bauelemente 6, von denen eine Mehrzahl auf der zweiten Bestückungsseite 4 der Leiter platte 2 angeordnet ist . Die Leiterplatte 2 umfasst insbeson dere eine erste nicht stromführenden Durchkontaktierung 7 , mit welcher eine erzeugte thermische Energie eines elektroni schen Bauelements 6 von der zweiten Bestückungsseite 4 zu der ersten Bestückungsseite 3 transportiert werden kann . Die elektronische Baugruppe 1 umfasst insbesondere eine Konvekti onseinheit 8 , mit welcher eine forcierte Konvektion 9 erzeugt werden kann . Die forcierte Konvektion 9 wird ausschließlich auf der ersten Bestückungsseite 3 der Leiterplatte 2 erzeugt, mit welcher die thermische Energie von der Leiterplatte 2 der elektronischen Baugruppe 1 abtransportierbar ist, sodass ein Entwärmen der elektronischen Baugruppe 1 durchgeführt werden kann . Mit der forcierten Konvektion 9 kann insbesondere ein Luftstrom erzeugt werden, welcher ausschließlich die thermi sche Energie beziehungsweise Wärme auf der ersten Bestü ckungsseite 3 der Leiterplatte 2 abtransportiert . Die zweite Bestückungsseite 4 kann beispielsweise eine natürliche Kon vektion aufweisen, welche durch einen natürlichen Luftstrom erreicht werden kann . Dadurch kann insbesondere ein Teil der erzeugten thermischen Energie bereits abgeführt werden, so dass insbesondere die elektronischen Bauelemente 6 entwärmt werden können .

Bei der ersten Durchkontaktierung 7 kann es sich insbesondere um eine Kupferdurchkontaktierung handeln, welche beispiels weise mit Lötzinn gefüllt ist . Mit der ersten Durchkontaktie rung kann die thermische Energie der zweiten Bestückungsseite 4 an insbesondere den Kühlkörper 5 der ersten BestückungsSei te 3 überführt werden . Der erste Kühlkörper 5 kann sodann mithilfe der forcierten Konvektion 9 die thermische Energie von der Leiterplatte 2 abtransportieren, sodass die elektro nische Baugruppe 1 gekühlt werden kann .

Beispielsweise können die elektronischen Bauelemente 6 und der erste Kühlkörper 5 als SMD-Bauteile ausgebildet sein . Mithilfe der SMD-Technologie kann insbesondere eine Miniatu risierung der elektronischen Baugruppe 1 erreicht werden . Durch Verwendung von SMD-Bauteilen können insbesondere die elektronischen Bauelemente 6 platzsparend auf der zweiten Be stückungsseite 4 montiert werden .

Bei der elektronischen Baugruppe 1 kann es sich beispielswei se um einen Umrichter beziehungsweise Frequenzumrichter han deln . Insbesondere können die elektronischen Bauelemente 6 Logikschaltungen, stromführende Bauteile, Messleitungen, Lei terbahnen, IGBTs oder MOSFETs sein . Insbesondere kann die elektronische Baugruppe 1 einen Leistungshalbleiterschalter 10 als elektronisches Bauelement 6 aufweisen . Die Beispiele der elektronischen Bauelemente 6 sollen nicht abschließend zu verstehen sein, sondern sollen nur die Vielzahl an möglichen elektronischen Bauelementen 6 darstellen .

Beispielsweise kann der erste Kühlkörper 5 als flächig ausge führte Leiterbahn beziehungsweise flächig ausgeführte Leit fläche ausgebildet sein . Beispielsweise kann ebenso der erste Kühlkörper 5 als ein metallisches Gehäuse ausgebildet sein, wobei das Gehäuse des ersten Kühlkörpers 5 beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet sein kann .

Beispielsweise kann die erste Durchkontaktierung 7 parallel zumindest einer zweiten Durchkontaktierung 11 der Leiterplat te 2 nebeneinander angeordnet werden . Durch das parallele An ordnen von der ersten Durchkontaktierung 7 und der zweiten Durchkontaktierung 11 auf der Leiterplatte 2 kann eine ver besserte Wärmeüberführung der thermischen Energie von der zweiten Bestückungsseite 4 an die erste Bestückungsseite 3 erreicht werden . Insbesondere kann die erste Durchkontaktie rung 7 und/oder die zweite Durchkontaktierung 11 isoliert von den elektrischen Leiterbahnen auf der Leiterplatte 2 mög lichst nahe an einem oder an einer Gruppe der mehreren elekt ronischen Bauelemente 6 angeordnet werden . Insbesondere sol len zwar die erste Durchkontaktierung 7 und/oder die zweite Durchkontaktierung 11 so nah wie möglich an einem der elekt- ronischen Bauelemente 6 angeordnet werden, aber dabei müssen bestimmte Kriterien und/oder Normen bei dem Layout der Lei terplatte 2 berücksichtigt werden. Dabei sind insbesondere Isolationsabstände zwischen der ersten Durchkontaktierung 7 und/oder der zweiten Durchkontaktierung 11 mit dem elektroni schen Bauelement 6 oder mit einer Leiterbahn auf der Leiter platte 2 zu beachten . Ebenso müssen bei der Anordnung der ersten Durchkontaktierung 7 oder der zweiten Durchkontaktie rung 11 Aspekte der elektromagnetischen Verträglichkeit der elektronischen Baugruppe 1 mitberücksichtigt werden . Unter Berücksichtigung der soeben gekannten Kriterien sollen die erste Durchkontaktierung 7 und die zweite Durchkontaktierung 11 so nah wie möglich an einem der elektronischen Bauelemente 6 angeordnet werden, sodass zum einen die Kriterien eingehal ten werden können und zum anderen eine effiziente Wärmeabfuhr der erzeugten thermischen Energie an die erste Bestückungs seite 3 durchgeführt werden kann . Beispielsweise kann in man chen Fällen auch die erste Durchkontaktierung 7 und/oder die zweite Durchkontaktierung 11 direkt unter dem elektrischen Bauelement 6 sein, um die thermische Wärmeabfuhr zu verbes sern .

Beispielsweise kann die erste Durchkontaktierung 7 zur Strom führung auf der Leiterplatte 2 verwendet werden, wobei dabei insbesondere der Bereich der ersten Durchkontaktierung 7 , welcher sich auf der ersten Bestückungsseite 3 der Leiter platte 2 befindet, mit einer elektrisch isolierten Schicht beschichtet werden kann . Hingegen wird die zweite Durchkon taktierung 11 , welche nicht zur Stromführung ausgebildet ist, sondern zum Abtransport der erzeugten thermischen Energie ausgebildet ist, nicht mit der elektrisch isolierenden

Schicht beschichtet . Mit der elektrisch isolierenden Schicht wird verhindert, dass es zwischen der ersten Durchkontaktie rung 7 und der zweiten Durchkontaktierung 11 zu einem

elektrischen Überschlag oder zu einem Kurzschluss kommen kann . Bei der elektrisch isolierenden Schicht kann es sich beispielsweise um eine Isolierfolie oder um einen Isolierlack handeln . Beispielsweise kann nicht nur die stromführende ers- te Durchkontaktierung 7 beschichtet sein, sondern es kann ebenso ein Teil oder die komplette Fläche der ersten Bestü ckungsseite 3 mit der isolierten Schicht beschichtet werden .

Die FIG 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung der elektronischen Baugruppe 1 mit der Leiterplatte 2, wobei sich in diesem Beispiel der erste Kühlkörper 5 und der Leistungs halbleiterschalter 10 als elektronisches Bauelement 6 auf der ersten Bestückungsseite 3 der Leiterplatte 2 befinden . Dabei ist der erste Kühlkörper 5 auf der ersten Bestückungsseite 3 dem Leistungshalbleiterschalter 10 zugeordnet . Dadurch kann die erzeugte thermische Energie des LeistungshalbleiterSchal ters 10 mithilfe des Kühlkörpers 5 durch die von der Konvek tionseinheit 8 erzeugte forcierte Konvektion 9 gekühlt wer den . Insbesondere ergibt sich hierbei eine verbesserte Wärme abführung der erzeugten thermischen Energie . Beispielsweise kann der Leistungshalbleiterschalter 10 nur Pins auf der Un terseite des LeistungshalbleiterSchalters 10 aufweisen, wobei die Pins untereinander einen genügend großen Abstand zueinan der besitzen . Um den Leistungshalbleiterschalter 10 vor einem Kurzschluss oder einem Überschlag schützen zu können, können die Pins des LeistungshalbleiterSchalters 10 mit der

elektrisch isolierenden Schicht beschichtet werden . Wenn bei spielsweise die Pins des LeistungshalbleiterSchalters 10 mit der Schicht beschichtet werden, muss nicht der erste Kühlkör per 5 oder die erste Bestückungsseite 3 der Leiterplatte 2 selbst beschichtet werden . Auf der zweiten Bestückungsseite 4 der Leiterplatte 2 befinden sich in diesem Beispiel bei spielsweise Logikschaltungen, welche ebenso thermische Ener gie erzeugen, die insbesondere durch die erste Durchkontak tierung 7 und/oder die zweite Durchkontaktierung 11 von der zweiten Bestückungsseite 4 an die erste Bestückungsseite 3 überführt wird . Mit der forcierten Konvektion 9 kann an schließend die thermische Energie von der Leiterplatte 2 ab transportiert werden, sodass die Leiterplatte 2 und insbeson dere die elektronische Baugruppe 1 gekühlt werden kann . Die FIG 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung der elektronischen Baugruppe 1 mit der Leiterplatte 2, wobei in diesem Beispiel der erste Kühlkörper 5 dem ersten elektroni schen Bauelement 10 zugeordnet werden kann und ein zweiter Kühlkörper 13 einem weiteren Leistungshalbleiterschalter 12 zugeordnet werden kann . In diesem Beispiel befindet sich der erste Kühlkörper 5 und der zweite Kühlkörper 13 auf der ers ten Bestückungsseite 3 der Leiterplatte 2 und der Leistungs halbleiterschalter 10 und der weitere Leistungshalbleiter schalter 12 befinden sich auf der zweiten Bestückungsseite 4 der Leiterplatte 2. Beispielsweise kann der erste Kühlkörper 5 einem ersten Potential zugeordnet werden und der zweite Kühlkörper 13 einem vom ersten Potential unterschiedlichen zweiten Potential zugeordnet werden . Beispielsweise kann es auch vorgesehen sein, dass der erste Kühlkörper 5 und der zweite Kühlkörper 13 entweder auf dem ersten Potential oder auf dem zweiten Potential zusammen verbunden werden .

Insbesondere kann der Leistungshalbleiterschalter 10 dem ers ten Kühlkörper 5 zugeordnet werden . Dabei befinden sich der erste Kühlkörper 5 und der Leistungshalbleiterschalter 10 ge genüberliegend . Der weitere Leistungshalbleiterschalter 12 kann genauso dem zweiten Kühlkörper gegenüberliegend angeord net sein . Beispielsweise kann für den Leistungshalbleiter schalter 10 und den weiteren Leistungshalbleiterschalter 12 nur entweder der erste Kühlkörper 5 und/oder der zweite Kühl körper 13 zugeordnet werden . Dabei kann beispielsweise der erste Kühlkörper 5 oder der zweite Kühlkörper 13 als flächige Leiterbahn ausgebildet sein . Das erste und/oder das zweite Potential müssen nicht zwingend das Erdpotential sein, son dern bei dem ersten und/oder dem zweiten Potential kann es sich um ein beliebig festes oder springendes Potential han deln .

Durch Zuordnung eines separaten Kühlkörpers 5, 13 für j eden

Leistungshalbleiterschalter 10 , 12 kann die Wärmeabfuhr der erzeugten thermischen Energie optimal verbessert werden, so- dass die Wärme durch die forcierte Konvektion 9 auf der ers- ten Bestückungsseite 3 abtransportiert werden kann. Bei spielsweise kann die erste Durchkontaktierung 7 dem Leis tungshalbleiterschalter 10 zur Verfügung gestellt werden und die zweite Durchkontaktierung 11 kann dem weiteren Leistungs- halbleiterschalter 12 zugeordnet werden . Dadurch kann er reicht werden, dass die Leiterplatte 2 und insbesondere die elektronische Baugruppe 1 optimal gekühlt werden kann .