Kühlanordnung, Steuereinrichtung, Kühlkörper sowie Herstellungsverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Kühlanordnung, insbesondere für ein Sensorsystem oder eine Steuereinrichtung, eine entsprechende Steuereinrichtung, welche eine erfindungsgemäße Kühlanordnung aufweist, ein Kühlkörper für eine erfindungsgemäße Kühlanordnung sowie ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung.

Technologischer Hintergrund

Moderne Fortbewegungsmittel wie Kraftfahrzeuge oder Motorräder werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, welche mit Hilfe von Sensorsystemen die Umgebung erfassen, Verkehrssituationen erkennen und den Fahrer unterstützen, z. B. durch einen Brems- oder Lenkeingriff oder durch die Ausgabe einer optischen oder akustischen Warnung. Als Sensorsysteme zur Umgebungserfassung werden regelmäßig Radarsensoren, Lidarsensoren, Kamerasensoren oder dergleichen eingesetzt. Aus den durch die Sensoren ermittelten Sensordaten können anschließend Rückschlüsse auf die Umgebung gezogen werden, womit z. B. eine Objekt- und/oder Umgebungsklassifizierung bzw. ein Umfeldmodell erstellt werden kann. Ferner ist die Umgebungserfassung nahezu unverzichtbar im Bereich des (teil-) autonomen Fahrens, sodass ein besonderes Interesse an der Fort- und Weiterentwicklung der entsprechenden Systeme besteht. Zur Ansteuerung von Aktoren (Bremse, Motor, Getriebe und dergleichen) und/oder Sensoren sowie zur Berechnung und Steuerung von Fahr- und Assistenzfunktionen werden in der Regel elektronische Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) bzw. Steuereinrichtungen eingesetzt.

Ein wichtiger Aspekt bei elektronischen Steuergeräten ist die Wärmeabfuhr. Die abzuführende Wärme des elektronischen Steuergerätes kann z. B. durch ein thermisch gut leitendes Gehäuse, z. B. Metallgehäuse, des Steuergerätes nach außen gebracht werden. An der Oberfläche oder zumindest an z. B. einer Seite des Gehäuses besteht bei hoher Verlustleistung nun die Herausforderung, die Wärme möglichst gut abzuleiten damit die im Gehäuse befindlichen Bauteile vor Überhitzung geschützt werden. Es gibt verschiedene Formen von Kühlung, z. B. Luftkühlung ggf. mit Kühlrippen bzw. Noppen oder einen geschlossener Kühlmittelkreislauf, der an das Gehäuse des Steuergerätes angeschlossen werden kann und eine Gehäusewandung oder deren Oberfläche überströmt

Gattungsgemäße elektronische Steuergeräte, insbesondere auch Hochleistungs-Rechnersysteme, die zunehmend auch in modernen Fahrzeugen oder in der Luftfahrt genutzt werden, werden immer mehr High-Performance Computersysteme, die Systeme müssen in Umgebungstemperaturen oder mit Kühlmitteltemperaturen von z. B. -40 bis 65°C oder mehr funktionieren. Demgegenüber sind jedoch einige Elektronikbauteile in den Steuergeräten, insbesondere Datenspeicherbausteine, z. B. RAM (Random Access Memory) oder Flash-Bausteine bzw. EEPROMs (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), bezüglich der oberen zulässigen Temperatur oftmals sehr eingeschränkt. Ferner sollen insbesondere durch immer schneller werdende Datentransfergeschwindigkeiten, aber auch durch zu vermeidende Spannungsabfälle oder Schwingneigung, schnelle Datenspeicherbausteine möglichst nahe an den sie steuernden Mikroprozessoren bzw.

Hochleistungsprozessoren (insbesondere CPUs, GPUs, Switches, ICs oder dergleichen) platziert werden, da die Platzierung nahe an den Hochleistungsprozessoren meist erst die benötigten schnellen Schreib- und Lesegeschwindigkeiten bzw. Kommunikationsgeschwindigkeiten ermöglicht. Die Hochleistungsprozessoren erzeugen dabei in der Regel erhebliche Abwärme, welche in üblichen Anwendungen deutlich wärmeempfindlichere Bauteile in der unmittelbaren Umgebung der Hochleistungsprozessoren wesentlich erwärmen können und daher die Wärme abtransportiert werden muss. Mit immer größerer Verlustleistung, insbesondere der Hochleistungsprozessoren, werden Nachbarbauteile somit immer stärker thermisch belastet bzw. die Kühlsysteme müssen immer aufwendiger werden, um Wärme von den Erzeugern und den benachbarten empfindlicheren Bauteilen abzuleiten. Gemäß heutigem Stand der Technik werden Kühlkörper an die Hochleistungsprozessoren und an die umgebenden Bauteile angebracht, um diese auf zulässige Temperaturen abzukühlen. Eine Methode, um Wärme an entsprechenden Wärme-Hotspots abzuführen, sind sogenannte „Heatpipes“ bzw. Wärmerohre, welche unter Nutzung von Verdampfungsenthalpie eines Mediums eine hohe Wärmestrom dichte erlauben und dadurch Wärme effektiv abtransportieren können.

Die Ableitung der Wärme des Hochleistungsprozessorkernes erfolgt oft über ein metallisches Prozessorgehäuse (LID) des Prozessors, welches den Prozessorkern auch vor mechanischen Beschädigungen schützt, und über ein Toleranzen-ausgleichendes internes Thermisches Interface Material (TIM), das zwischen dem Chip (Kem) und LID aufgetragen ist. Als Prozessorgehäuse (LID) bzw. Chipgehäuse (oder Package) wird dabei die Ummantelung eines Halbleiterchips bzw. eines „Die“ oder „IC (Integrated Circuit)-Bausteins“) inklusive der Anschlussstellen (Pins, Balls oder Leads) bezeichnet. Das metallische Prozessorgehäuse ist dann, wenn die Kühlung an ein gemeinsames Steuergerätegehäuse angeschlossen werden soll über eine weitere Schicht, Toleranz ausgleichendes, „Thermisches Interface Material“ (TIM) (Paste, Kleber oder Wärmeleitmatte) an Metallgehäuse (in der Regel ein Aluminiumgehäuse) angeschlossen. Das Aluminiumgehäuse ist z. B. mit Kühlrippen für eine Luftkühlung oder mit Kanälen für eine Fluidkühlung versehen, welche die Wärme abtransportieren können. Nachteilig können sich dabei die relativ dicken TIM-Schichten auswirken, da das Material meist eine deutlich schlechtere thermische Leitfähigkeit besitzt, als z. B. Aluminium und Kupfer, welches oftmals auch in den Gehäusen verwendet wird, und aus Toleranzausgleichsgründen Dicken von einigen hundert Micrometern bis zu einigen Millimetern überbrücken muss. Dementsprechend findet über das TIM ein Temperaturabfall statt (in der Regel im Bereich mehrerer Grad Celsius). Hinzu kommt ein Temperaturabfall am Prozessorgehäuse - je nach Stärke, Typ und Kompression des Materials ebenfalls von mehreren Grad Celsius. Derartige Temperaturabfälle bewirken eine enorme Leistungseinschränkung. Es besteht daher ein besonderer Bedarf an Lösungen, um Temperaturabfälle durch die von Materialkonstanten gegebenen Werte zu verringern. Hierzu sind bereits einige konstruktive Lösungen bekannt, um über Toleranzketten möglichst dünne TIM-Schichten zu realisieren und/oder die Flächen zur Wärmeübertragung so weit wie möglich zu vergrößern, um den thermischen Widerstand zu verringern. Nachteilig ist dabei jedoch die erhöhte Temperatur am Prozessor oder am Prozessorgehäuse, wodurch benachbarte Bauteile, welche selbst wenig Abwärme erzeugen, stärker erwärmt werden.

Druckschriftlicher Stand der Technik

Aus der DE 11 2007 002 317 T5 sind verschiedene TIM-Materialien bekannt. Ferner beschäftigt sich die DE 11 2007 002 317 T5 mit der Problemstellung, dass integrierte Schaltungsvorrichtungen (IC-Vorrichtungen) während des Betriebs große Mengen von Wärmeenergie erzeugen, die deren Leistung negativ beeinflussen und die über verschiedene Mechanismen Schäden verursachen kann, wenn sie nicht abgeführt wird. Dabei wird eine Anordnung mit integrierter Schaltung (IC-Anordnung) offenbart, umfassend eine erste thermische Komponente (bzw. passive Kühlanordnung), die neben der IC-Anordnung angeordnet ist und ein TIM, das zwischen der IC-Anordnung und der ersten thermischen Komponente angeordnet ist und jeweils mit der IC-Vorrichtung und der ersten thermischen Komponente thermisch gekoppelt ist. Ferner ist eine zweite thermische Komponente vorgesehen, die mit der ersten thermischen Komponente thermisch gekoppelt ist. Dabei kann als erste thermische Komponente eine passive Kühlanordnung und als zweite thermische Komponente eine aktive Kühlanordnung oder eine zweite passive Kühlanordnung vorgesehen sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine gattungsgemäße Kühlanordnung anzugeben, womit ein guter Wärmeabtrag zwischen einer thermischen Komponente (bzw. Kühlkörper oder Kühlelement) und einer zu kühlenden Komponente (bzw. den zu kühlenden Baugruppenkomponenten) erreicht wird und die aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile in einfacher, platzsparender und kostengünstiger Weise überwunden werden.

Lösung der Aufgabe

Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Die erfindungsgemäße Kühlanordnung umfasst ein Gehäuse, insbesondere ein Steuereinrichtungsgehäuse oder ein Sensorgehäuse, eine zu kühlende Komponente, die in dem Gehäuse der Kühlanordnung bzw. Steuereinrichtungsgehäuse angeordnet ist, und eine erste thermische Komponente, die an der zu kühlenden Komponente angeordnet ist. Ferner weist das Gehäuse eine Ausnehmung auf, in die die erste thermische Komponente eingesetzt ist, derart, dass die erste thermische Komponente und die zu kühlende Komponente thermisch, insbesondere ohne größere Abstände, gekoppelt und mechanisch aneinander ausgerichtet sind. Erfindungsgemäß ist zwischen der ersten thermischen Komponente und dem Gehäuse ein Toleranzausgleichsmaterial vorgesehen, welches die Festsetzung der ersten thermischen Komponente (bzw. des Kühlkörpers) bewirkt. Durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung kann die Dicke der TIM-Schicht bzw. Schichten und/oder die Anzahl der TIM-Schichten reduziert werden, dahingehend, dass der Wärmeübertrag von der zu kühlenden Komponente auf der ersten thermischen Komponente bzw. den Kühlkörper in besonderem Maße verbessert wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die neue Kühlanordnung die TIM-Schicht nur noch sehr dünn aufgetragen werden muss, bzw. sogar in Gänze weggelassen werden kann.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung handelt es sich bei dem Toleranzausgleichsmaterial (insbesondere Befestigungsmaterial) um ein, insbesondere nach oder bei der Montage, aushärtendes Material, wie zum Beispiel ein Kleber, Harz, Epoxid oder dergleichen, welches sich vorzugsweise nicht bzw. nur geringfügig komprimieren lässt, in vorteilhafter Weise wird das Toleranzausgleichsmatenal dabei in flüssigem Zustand oder pastösem Zustand auf den Rand der Ausnehmung am Gehäuse oder auch der ersten thermischen Komponente bzw. dem Kühlkörper (oder auf dessen Kragen) aufgetragen. Dabei wird die erste thermische Komponente erst durch das Aushärten des Toleranzausgleichsmatenals in der Ausnehmung festgesetzt. Hinzu kommt, dass das Toleranzausgleichs Material danach eine stabile Verbindung zwischen erster thermischer Komponente bzw. Kühlkörper und Gehäuse schafft, welche es ermöglicht, dass Kräfte, die auf die erste thermische Komponente bzw. den Kühlkörper einwirken, auf das Gehäuse und nicht auf eine vergleichsweise empfindliche zu kühlende Komponente bzw. Prozessorvorrichtung übertragen werden. Dadurch kann die zu kühlende Komponente in besonderem Maße vor mechanischen Krafteinwirkungen die zum Beispiel während eines Stoßes oder eines Herunterfallens auftreten können, geschützt werden.

Ferner kann eine zweite thermische Komponente vorgesehen sein, die an dem Gehäuse und/oder der ersten thermischen Komponente angeordnet ist, um Wärme von der ersten thermischen Komponente abzuführen. Die Wärmeregulierung bzw. die Kühlung kann dadurch noch effektiver erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der ersten und zweiten thermischen Komponente ein TIM bzw. eine TIM-Schicht angeordnet sein und/oder es kann ein TIM bzw. eine TIM-Schicht zwischen der ersten thermischen Komponente und der zu kühlenden Komponente angeordnet sein.

Vorzugsweise ist die erste thermische Komponente als Kühlkörper bzw. „Heatspreader“ ausgestaltet, der z. B. aus einem Metall, insbesondere Kupfer und/oder Aluminium und/oder einer Legierung daraus, gefertigt ist. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der Kühlkörper auch aus einem Aluminium-Kupfer Verbundmaterial bestehen und z. B. als sogenanntes Fließpressteil gefertigt sein. Eine derartige Ausgestaltung kann besonders gut geeignet sein, da das Aluminium besonders flexibel einsetzbar ist (z. B. kompatibel mit den Aluminiumbauteilen, die in Kühlwasserkreisen eingesetzt werden) und das Kupfer hervorragende Wärmeleitungseigenschaften aufweist, so dass die Vorteile beider Materialien vereint werden können.

Zweckmäßigerweise kann der Kühlkörper einen Kragen aufweisen, wobei das Toleranzausgleichsmatenal am Kragen angeordnet wird, d. h. zwischen dem Kragen des Kühlkörpers und dem Rand der Ausnehmung. Dadurch kann der Kühlkörper besonders gut in die Ausnehmung eingepasst werden.

Alternativ kann der Kühlkörper auch einen rhomboedrischen oder trapezoiden Querschnitt aufweisen. Diese Ausgestaltungsvariante des Kühlkörpers eignet sich besonders gut für Ausnehmungen, bei denen kein klar definierbarer Rand (z. B. durch Unebenheiten oder unsaubere Verarbeitung) vorgesehen ist, da sich der im Profil zulaufende Querschnitt des Rhomboeders bzw. Trapezes an verschiedene Größen und Querschnitte eine Ausnehmung anpassen kann.

Ferner kann der Kühlkörper auch an der Oberseite, d. h. an der den zu kühlenden Bauteil bzw. der zu kühlenden Komponente abgewandten Seite, Kühlrippen oder Kühlnoppen aufweisen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die zweite thermische Komponente eine „Heatpipe“ oder eine Fluidkühlung, insbesondere eine Wasserkühlung mit Fluidkanälen oder eine Luftkühlung mit Kühlrippen oder eine Fluidplatte mit Fluidkanälen, umfassen, darüber hinaus können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte passive und aktive Kühlungen als zweite thermische Komponente vorgesehen sein.

Vorzugsweise ist die zweite thermische Komponente ein elastischer Balg oder ein Kühlpad, der/das zumindest teilweise aus flexiblem Material gefertigt ist, so dass sich die zweite thermische Komponente oder ein flexibler Teil der zweiten thermischen Komponente an die erste thermische Komponente anschmiegt. Aufgrund der flexiblen Eigenschaft des Kühlkörpermaterials schmiegt sich dieses an die zu kühlenden Komponenten insbesondere beim Ausdehnen (z. B. wenn dieses dann mit Fluid gefüllt wird) an. Gleichzeitig kann sich die zweite Thermische Komponente auch an Gehäusestellen anschmiegen und durch die komponentenbedingte Flexibilität an auf unterschiedlichen Ebenen liegenden Komponenten, wie z. B. Gehäuse und Kühlkörper, gleichzeitig anschmiegen - ohne dass den Toleranzspalt füllendes TIM vorgesehen werden muss.

Zweckmäßigerweise kann als flexibles Material Metallfolie, insbesondere Aluminiumfolie oder Kupferfolie, und/oder Kunststofffolie und/oder ein Laminat und/oder eine Verbundfolie, welche insbesondere eine Metallfolie und mindestens eine Kunststofffolie umfasst, vorgesehen sein, da derartige Folien in einfacher Weise und kostengünstig herstellbar und verarbeitbar sind. Dadurch, dass als flexibles Material eine Verbundfolie oder ein Laminat vorgesehen ist, kann die Haltbarkeit und Stabilität des Kühlkörpers in einfacher Weise verbessert werden. Zudem kann der Kühlkörper dadurch den Eigenschaften des jeweiligen Kühlmediums bzw. an den Umgebungsbedingungen angepasst werden. Ferner kann das flexible Material auch eine Beschichtung aufweisen, insbesondere eine Aluminiumbeschichtung, um die Eigenschaften hinsichtlich Stabilität, Dichtigkeit, Alterung, Haltbarkeit zu verbessern. Insbesondere eignen sich auch Anoxal-Schichten (Anoxal-Verfahren = durch anodische Polarisierung des Aluminiums entsteht eine Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiums) oder Eloxal-Schichten (Eloxal-Verfahren = elektrolytische Oxidation von Aluminium, wobei eine oxidische Schutzschicht auf Aluminium durch anodische Oxidation erzeugt wird) als Beschichtung einer Aluminiumfolie.

Ferner kann die zweite thermische Komponente mit einem Kühlmedium gefüllt sein oder mit einem Kühlmedium durchströmt werden, wobei als Kühlmedium ein Fluid, insbesondere Wasser, Glykol, ein Wasser-Glykolgemisch, Luft, CO2 oder dergleichen, vorgesehen ist.

Zweckmäßigerweise kann auch zusätzliches Toleranzausgleichsmaterial vorgesehen sein, das Toleranzen ausgleicht und zwischen der ersten thermischen Komponente und der zweiten thermischen Komponente und/oder einer Leiterplatte, welche die zu kühlende Komponente trägt und/oder der zu kühlenden Komponente angeordnet ist. Dadurch kann die Schutzwirkung der zu kühlenden Komponente noch weiter verbessert werden.

Zweckmäßigerweise kann es sich bei der zu kühlenden Komponente um mindestens eine Leiterplatte und/oder eine Platine (PCB) und/oder einen Mikrocontroller und/oder einen Prozessor und/oder einen Chip und/oder einen Integrierten Schaltkreis (IC) und/oder ein Halbleiterbauteil und/oder einen Schaltungsträger und/oder eine Batterie und/oder andere elektronische Bauteilkomponenten handeln.

Bei dem Gehäuse kann es sich in praktischer Weise um ein Gehäuse einer Steuereinrichtung oder eines Sensors zur Umfelderfassung handeln. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Steuergerät bzw. eine Steuereinrichtung oder auch einen Sensor, wobei eine erfindungsgemäße Kühlanordnung zum Kühlen der zu kühlenden Komponente vorgesehen ist.

In gleicher Weise wie zum Kühlen einer zu Kühlenden Komponente kann die Erfindung natürlich auch zum Temperieren bzw. Erwärmen einer zu erwärmenden Komponente verwendet werden.

Ferner umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden (wobei diese nicht zwingend in der angegeben Reihenfolge durchgeführt werden müssen):

- Bereitstellen (I) eines Gehäuses, insbesondere eines Gehäuses einer Steuereinrichtung, welches eine Ausnehmung aufweist, oder falls dieses keine Ausnehmung aufweist, optional das Herstellen (II) einer Ausnehmung,

- Montage (III) der zu kühlenden Komponente im Gehäuse der Steuereinrichtung,

- Aufbringen (IV) eines insbesondere aushärtenden Toleranzausgleichsmatenals zur Fixierung des Kühlkörpers am Gehäuse der Steuereinrichtung bzw. am Rand der Ausnehmung,

- Einbringen (VI) des Kühlkörpers in die Ausnehmung und Ausrichtung des Kühlkörpers zur Lage der zu kühlende Komponente, und vorzugsweise Aushärten des Toleranzausgleichsmatenals zum Festsetzen des Kühlkörpers. Zweckmäßigerweise kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ferner den Verfahrensschritt Aufbringen (V) eines TIMs auf die zu kühlenden Komponente umfassen, wobei dieser Verfahrensschritt in praktischer Weise vor dem Einbringen (VI) des Kühlkörpers in die Ausnehmung erfolgen sollte. Das hier verwendete TIM kann bevorzugt pastös, flüssig oder als ein aufgelegtes dünnes Pad appliziert werden.

Die einzelnen Verfahrensschritte müssen hierbei nicht zwangsläufig in der angegebenen Reihenfolge erfolgen. Beispielsweise kann das Aufbringen (III) des aus Toleranzausgleichsmatenals auch erst nach der Montage (IV) der zu kühlenden Komponenten im Gehäuse der Steuereinrichtung erfolgen. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung natürlich auch Ausgestaltungsvananten, in denen das Gehäuse mehrere Ausnehmungen und mehrere erste thermische Komponenten beziehungsweise Kühlkörper aufweist, um mehrere Bauteile zu kühlen.

In vorteilhafter Weise wird durch die Erfindung erreicht, dass der Hauptwärmeerzeuger bzw. die zu kühlende Komponente und deren Nachbarkomponenten (andere Bauteile, wie z. B. Speicher, Transistoren, Batterien oder dergleichen) thermisch entkoppelt sind, da diese nicht am Kühlkörper bzw. der ersten thermischen Komponente angeschlossen sind und der Kühlkörper auch nur in geringem Umfang mit dem Gehäuse thermisch gekoppelt ist.

Ferner offenbart die Erfindung einen Kühlkörper für eine erfindungsgemäße Kühlanordnung bzw. für eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung, wobei der Kühlkörper aus einem Aluminium-Kupfer-Verbundmaterial und mittels eines Umformverfahrens, insbesondere mittels Fließpressen, gefertigt ist. In praktischer Weise können durch das Verbundmaterial die Vorteile von Aluminium und Kupfer in einem Bauteil vereint werden, welches in überraschenderweise durch ein Umformverfahren in einfacher Weise herstellbar ist. Beispielsweise kann für eine Flüssigkühlung ein Kühlkörper geschaffen werden, der zur Kühlenden Komponente hin Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, da Kupfer hervorragende Wärmeleitungseigenschaften aufweist, und zur Fluidkühlung hin Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, da Aluminium in Bezug auf das jeweilige Fluid eine gute Robustheit und zudem ebenfalls gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist. Dadurch kann die Kühlung in besonderem Maße verbessert werden.

Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zweckmäßigen

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 : eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Fahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;

Fig. 2: eine vereinfachte Darstellung einer Steuereinrichtung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3: eine vereinfachte Darstellung einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;

Fig. 4: eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;

Fig. 5a-5h: eine vereinfachte Darstellung von Ausgestaltungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers;

Fig. 6a-6f: eine vereinfachte Darstellung von Ausgestaltungsbeispielen des Übergangs zwischen Kühlkörper und Steuereinrichtungsgehäuse;

Fig. 7: eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;

Fig. 8: eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung; Fig. 9: eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;

Fig. 10a-c: eine vereinfachte Darstellung von Ausgestaltungsbeispielen erfindungsgemäßer Kühlkörper, sowie

Fig. 11 : eine vereinfachte Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer Steuereinrichtung.

Bezugsziffer 1 in Fig. 1 bezeichnet ein Fahrzeug mit verschiedenen Aktoren (Lenkung 3, Motor 4, Bremse 5), welches eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 2 (ECU, Electronic Control Unit oder ADCU, Assisted and Automated Driving Control Unit) aufweist, durch die eine (teil-) automatisierte Steuerung des Fahrzeuges 1 erfolgen kann, z. B. indem die Steuereinrichtung 2 auf die Aktoren des Fahrzeuges 1 zugreifen kann. Zudem weist die Steuereinrichtung 2 eine Speichereinheit auf, um z. B. einen Algorithmus, Steueranweisungen oder Muster zu speichern. Ferner weist das Fahrzeug 1 Sensoren zur Umfelderfassung auf: einen Radarsensor 6, einen Lidarsensor 7 und eine Frontkamera 8 sowie mehrere Ultraschallsensoren 9a-9d, deren Sensordaten zur Umfeld- und Objekterkennung genutzt werden, sodass verschiedene Assistenzfunktionen, wie z. B. Notbremsassistent (EBA, Electronic Brake Assist), Abstandsfolgeregelung (ACC, Adaptive Cruise Control), Spurhalteregelung bzw. ein Spurhalteassistent (LKA, Lane Keep Assist), Parkassistent oder dergleichen, realisiert werden können. Die Ausführung der Assistenzfunktionen erfolgt dabei z. B. über die Steuereinrichtung 2 bzw. dem dort hinterlegten Algorithmus. Die erfindungsgemäße Kühlanordnung kann hierbei prinzipiell in jedem der Sensoren oder Steuergeräte oder der Steuereinrichtung 2 umgesetzt werden.

In Fig. 2 ist eine Steuereinrichtung 200 nach dem Stand der Technik gezeigt. Die Steuereinrichtung 200 umfasst ein Steuergerätegehäuse 201 mit einem integrierten Kühlkörper 202 sowie Kühlrippen 203 an der Oberseite des Steuereinrichtungsgehäuses 201. Der Kühlkörper 202 dient dazu, die entstehende Verlustleistung einer auf einer Leiterplatte 204 angeordneten Prozessorvorrichtung 205 in Form von Wärme abzuführen, indem die Wärme über den Kühlkörper 202 zu den Kühlrippen 203 geleitet wird, wobei die Kühlrippen 203 über einen Luftstrom abgekühlt werden. Die Prozessorvorrichtung 205 umfasst hierbei ein LID bzw. Prozessorgehäuse 206 und ein Substrat 207, auf dem der eigentliche Prozessor 208 sowie mögliche zusätzliche Bauteile, mithilfe von Lötperlen oder Lötmaterial bzw. Lot 209 angeordnet sind. Zwischen dem Prozessorgehäuse 206 und dem Prozessor 208 ist zudem eine wenige 100 Mikrometer dicke Schicht TIM 210 (Thermal Interface Material; z. B. Wärmeleitpaste) angeordnet, so dass die Wärme des Prozessors 208 über die Wärmeleitpaste und das Prozessorgehäuse 206 abgegeben werden kann. Das Substrat 207 der Prozessorvorrichtung 205 ist über Lötperlen bzw. Lot 211 auf die Leiterplatte 204 aufgebracht.

Ferner ist eine wenige Mikrometer bis einige Millimeter dicke Schicht Toleranzen-ausgleichendes TIM 212 auf dem Prozessorgehäuse 206 aufgetragen, insbesondere ist die TIM-Schicht 10 pm-5 mm, vorzugsweise 20 pm-2 mm, vorzugsweise 30 pm-1 mm, vorzugsweise 40 pm-750 pm und besonders vorzugsweise 50 pm-500 pm dick. Die TIM-Schichten haben hierbei eine deutlich schlechtere thermische Leitfähigkeit, als das Gehäuse 201 , welches z. B. aus Aluminium und Kupfer gefertigt ist. Dementsprechend findet über das TIM ein Temperaturabfall im Bereich mehrerer Grad Celsius statt. Derartige Temperaturabfälle bewirken eine enorme Leistungseinschränkung. Beispielsweise darf der Kem des Prozessors 208 z. B. maximal 125°C erreichen, d. h. er darf bei Volllast z. B. nur 110°C erreichen, wenn dieser am Prozessorgehäuse 206 angeordnet ist, da der Temperaturabfall am TIM 210 im Prozessorgehäuse 206, bereits diese Verluste mit sich bringt. Gehen dann an der Schicht TIM 212 zwischen Prozessorgehäuse 206 und Steuergerätegehäuse 201 noch einmal einige Grad verloren, muss das Steuergerätegehäuse 201 bereits einige Grad Celsius (z. B. 15°C) unter 110°C gehalten werden (z. B. bei 15°C Temperaturabfall auf 95°C am Gehäuse). Ferner hat auch das Gehäusematerial zum Kühlmedium (Luft oder Flüssigkeit) einen deutlichen thermischen Widerstand, welcher z. B. auch 15°C betragen kann. Das bedeutet, dass z. B. bei 125°C Maximaltemperatur am Silizium des Prozessors 208 maximal 80°C an der Übergabe zum Kühlmedium herrschen dürften. Etwaig hinzukommende nachteilige Temperaturabfälle und nicht lineare Effekte sind dabei noch nicht berücksichtigt.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 2, die ein Steuereinrichtungsgehäuse 10 mit einem Deckel 10a umfasst. Die erste thermische Komponente bzw. der Kühlkörper 12 ist in einer Ausnehmung 11 im Steuereinrichtungsgehäuse 10 angeordnet und dient dazu, die in Form von Wärme entstehende Verlustleistung einer Prozessorvorrichtung 15, die auf einer Leiterplatte 14 angeordnet ist, abzuführen. Die Leiterplatte 14 kann hierbei noch weitere Bauteilkomponenten tragen, wie zum Beispiel SMD-Bausteine, RAM-Bausteine, EEPROMs, Speicher, Kondensatoren, Halbleiterbauteile und dergleichen (der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht dargestellt), die entweder auch gekühlt werden müssen oder nicht gekühlt werden müssen.

Die Ausnehmung 11 ist etwas größer als die Abmaße des Kühlkörpers 12 und befindet sich im Bereich bzw. der Flucht der zu kühlenden Komponente bzw. der Prozessorvorrichtung 15, so dass der Kühlkörper 12 mit ausreichend Abstand zum Rand der Ausnehmung 11 eingesetzt werden kann. Die Ausnehmung 11 besitzt dabei vorzugsweise einen Rand, auf dem ein Teil des Kühlkörpers 12 beabstandet angeordnet wird, wobei ein aushärtendes Toleranzausgleichsmaterial 13, z. B. ein Kleber oder eine Paste oder ein anderes Festsetzungsmedium, zur Fixierung des Kühlkörpers 12 am Gehäuse der Steuereinrichtung 2 bzw. am Rand der Ausnehmung aufgebracht ist. Während der Montage bzw. der Herstellung wird das Toleranzausgleichsmaterial 13 im flüssigen/pastösen Zustand auf den Rand der Ausnehmung 11 oder an einem Kragen des Kühlkörpers 12 aufgetragen und der Kühlkörper 12 anschließend in die Ausnehmung 11 eingebracht bzw. eingesteckt/montiert. Die Montage erfolgt dabei derart, dass die Festsetzung des Kühlkörpers 12 erst durch Aushärten bzw. Trocknen des

Toleranzausgleichsmaterials 13 erfolgt. In praktischer Weise sitzt der Kühlkörper 12 dann gebettet im Toleranzausgleichsmaterial in der Ausnehmung 11 , wobei mechanische Krafteinträge auf den Kühlkörper 12, z. B. durch Stöße, über den Rand der Ausnehmung 11 und das feste Toleranzausgleichsmaterial 13 auf das Steuereinrichtungsgehäuse 10 übertragen werden und nicht auf die vergleichsweise empfindliche Prozessorvorrichtung 15, wodurch diese in besonderem Maße vor mechanischen Einflüssen geschützt wird. Das Toleranzausgleichsmatenal 13 kann hierbei auch eine Abdichtung gegen Schmutz und Flüssigkeiten darstellen. Das Toleranzausgleichs- und Festsetzmedium (meist Kleber) stützt somit den Kühlkörper 12, so dass Kräfte, welche nach dem Aushärten auf den Kühlkörper 12 wirken, vom Steuereinrichtungsgehäuse 10 mechanisch abgefangen werden und somit das zu kühlende Bauteil vor schädlichen Auswirkungen (Verform ung/Krafteinwirkung) durch mechanische Beanspruchung bzw. Krafteintrag schützt. Der aushärtende Kleber (Toleranzausgleichsmatenal 13) kann, insbesondere wenn eine thermische Abschottung zu anderen Gehäuseteilen gewünscht ist, einen breiteren Spalt zwischen Kühlkörper 12 und Gehäuse) frei lassen und/oder aus schlecht thermisch leitendem Material gewählt werden, wenn dieser verfüllt wird, um den Wärmeübertrag zu verringern.

Während des Einsetzens des Kühlkörpers 12 wird z. B. auch eine zuvor aufgetragene Schicht TIM 22 auf der zu kühlenden Komponente bzw. der Prozessorvorrichtung 15 in weitem Maße verdrängt, so dass diese nur noch sehr dünn bzw. gar nicht mehr vorhanden ist. Insbesondere ist die Schicht TIM 22 in Fig. 3, wie auch die TIM-Schichten in den folgenden Figuren, explizit nicht maßstabsgetreu ausgeführt, da die TIM-Schichten der Übersichtlichkeit halber wesentlich dicker dargestellt sind. Der Kühlkörper 12 ist bevorzugt aus metallischem Material, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer oder Legierungen daraus, gefertigt. Eine bevorzugte Herstellungsform des Kühlkörpers 12 kann hier Fließpressen sein, welches die Verwendung gut thermisch leitender Komponenten erlaubt. Die Prozessorvorrichtung 15 umfasst zudem ein LID bzw.

Prozessorgehäuse 16 und ein Substrat 17, auf dem der eigentliche Prozessor 18 bzw. Chip oder IC-Baustein mithilfe von Lötperlen oder Lötmaterial bzw. Lot 19 angeordnet ist. Zwischen dem Prozessorgehäuse 16 und dem Prozessor 18 ist zudem eine Schicht TIM 20 (Thermal Interface Material; z. B. Wärmeleitpaste) angeordnet, so dass die Wärme des Prozessors 18 über die Wärmeleitpaste und das Prozessorgehäuse 16 abgegeben werden kann. Das Substrat 17 der Prozessorvorrichtung 15 ist über Lötperlen bzw. Lot 21 auf die Leiterplatte 14 aufgebracht. Alternativ könnte diese Verbindung auch über eine Klebeverbindung oder eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Befestigungsart erfolgen. Weitere Bestandteile wie z. B. ein Underfill- oder Cornerbond des Prozesses kann nach bekannten Maßstäben in Steuergeräten aus Robustheitsgründen zusätzlich vorhanden sein. Die Leiterplatte 14 ist dabei beispielsweise zwischen Steuereinrichtungsgehäuse 10 und einem Boden oder Deckel 10b festgesetzt oder festgeklemmt, oder anderweitig am Gehäuse befestigt, wobei der Deckel 10b die Steuereinrichtung 2 z. B. auch staub- und wasserdicht abschließen kann.

In Fig. 3 ist als zweite thermische Komponente kein herkömmlicher, fester, metallischer Kühlkörper z. B. mit Kühlrippen wie in Fig. 2 vorgesehen, welche in der Regel mit kleinen Abständen bzw. Spalten an die zu kühlenden Komponenten meist mit Hilfe von Wärmeleitpasten angebracht werden, um eine thermische Verbindung zu einem mit Kühlfluid durchströmten Körper darzustellen. Bezugsziffer 23 bezeichnet hierbei ein flexibles, fluiddurchströmtes Kühlpad bzw. eine fluiddurchströmte zweite thermische Komponente, die sich an die zu kühlenden Bauteile „anschmiegt“, d. h. hier an den Kühlkörper 12 und auch an das Steuereinrichtungsgehäuse 10. Das Kühlpad 23 ist dabei zwischen Steuereinrichtungsgehäuse 10 und einem optional vorzusehenden Deckel (auch Halter oder sonstiges) 10a angeordnet. Dabei kann das Kühlpad 23 auch größere Drücke (durch die Abstützung nach außen) aber insbesondere durch die beidseitige Abstützung aufnehmen und sich dabei an das Material der Außenumhüllung anschmiegen. Das Kühlpad 23 umfasst dabei einen Kühlkörper, der zumindest teilweise aus flexiblem Material bzw. Folie oder Verbundfolie gefertigt ist. In praktischer Weise kann als flexibles Material Metallfolie, wie z. B. Aluminiumfolie oder Kupferfolie, welche bevorzugt mit einer dünnen Kunststofffolie ein Laminat bildet, oder Kunststofffolie, welche z. B. mit Aluminium beschichtet/bedampft oder eine eloxierte Aluminiumfolie sein kann, vorgesehen sein. Ferner können auch ein- oder beidseitige Kunststoffbeschichtungen der Aluminiumfolie vorgesehen sein. Darüber hinaus können auch sogenannte Drypack-Folien (antistatische, wasserdampfdichte und flexible Sperrschichtfolien für elektronische Bauteile) als flexibles Material vorgesehen sein oder Kombinationen der genannten Materialien. Wird hierbei eine Metallfolie insbesondere eine Aluminiumfolie verwendet, kann durch eine sehr dünne Kunststoffbeschichtung oder eine Anoxal- oder Eloxalbeschichtung eine ggf. notwendige elektrische Isolation aber auch Korrosionsbeständigkeit sichergestellt werden. Ferner ist jeweils mindestens ein Fluidkanal 23a zum Ein- und Ausströmen von Fluid (Kühlmittel, Luft, Wasser oder dergleichen) vorgesehen.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltungsvariante der Steuereinrichtung 2 gezeigt, bei der die Prozessorvorrichtung 15 kein Prozessorgehäuse aufweist. Hierbei kann die Kühlvorrichtung direkt den Prozessor 18 kontaktieren bzw. über eine dünne Schicht TIM 20. Das Prozessorgehäuse ist hierbei auch nicht nötig, da es den Prozessor 18 vor mechanischen Einflüssen schützen soll, was gemäß Fig. 4 durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung erfolgt, da der Kühlkörper 12 Kräfte, die auf diesen wirken, über das Toleranzausgleichsmatenal 13 auf das Steuereinrichtungsgehäuse 10 übertragen werden. Als zusätzlicher Schutz des Prozessors 18 vor mechanischen Einflüssen kann auch aushärtendes Toleranzausgleichsmatenal 24 zwischen Kühlkörper 12 und Substrat 17 und/oder zwischen Kühlkörper 12 und Leiterplatte 14 vorgesehen sein, auf das Steuereinrichtungsgehäuse 10 übertragen. Die TIM-Schichten werden durch diese Ausgestaltungsvariante in besonderem Maße reduziert, so dass der Wärmeübertrag besonders effektiv erfolgen kann. Zudem gewährleistet diese Ausgestaltungsvariante einen effektiven Schutz des Prozessors 18 ohne zusätzliches Prozessorgehäuse.

Zweckmäßigerweise kann der Kühlkörper 12 formtechnisch derart ausgeführt sein, dass Wärme partiell nur über schmale Kleberstege oder freie Luftstrecken zu benachbarten Gehäuseteilen verbunden ist, um wenig Wärme dorthin zu übertragen, können benachbarte Bauteile, wie z. B. Speicherbauteile (RAM, FLASH, Oszillator) thermisch über TIM mit Bereichen des Gehäuses verbunden sein, welche deutlich kühler sind als Bereiche, die unter dem direkten Wärmeeinfluss des Leistungs-Halbleiters bzw. der Perform ance-GPU/MCU stehen.

In den Fig. 5a-5h sind Ausgestaltungsvarianten der ersten thermischen Komponente bzw. des Kühlkörpers 12 gezeigt, wobei jeweils eine Draufsicht auf die zur zu kühlenden Komponente bzw. zur Prozessorvorrichtung 15 gerichteten Seite sowie die dazugehörigen Seitenansichten gezeigt. Die Kühlkörper 12a-12d in Fig. 5a-5d weisen einen Kragen 25 auf, wobei das Toleranzausgleichsmatenal 13 am Kragen 25 angeordnet werden kann, wobei der Kragen 25 dann in einem Gegenstück der Ausnehmung 11 eingepasst werden kann. In Fig. 5e-5f sind jeweils rhomboedrische Kühlkörper 12e, 12f gezeigt, die durch die im Profil zulaufende Form in die Ausnehmung 11 eingepasst werden können, wobei sich auch hier das Toleranzausgleichsmatenal 13 auf einem Rand der Ausnehmung 11 befindet.

Eine weitere Ausführungsform des Kühlkörpers ist in Fig. 5g und Fig. 5h gezeigt, bei denen eine Seite des Kühlkörpers 12g, 12h mit durchgehenden Kühlrippen 26a oder einzelnen Kühlnoppen 26b bestückt ist, vergleichbar mit einem Aufbau eines luftgekühlten Gehäuses. Die die nach Außen gerichtete Seite, des Kühlkörpers12g, 12h kann dabei von einem flüssigen oder gasförmigen Fluid umflossen/umströmt werden. Im Falle einer Flüssigkühlung sollte der Kühlkörper 12g, 12h dann flüssigkeitsdicht eingeklebt werden. Ferner kann hierzu ein dichter Deckel oberhalb der Rippen vorgesehen sein, der die Vorrichtung nach außen hin abdichtet.

In Fig. 6a-6f werden verschiedene Ausgestaltungsvarianten des Übergangs zwischen Kühlkörper 12 und Steuereinrichtungsgehäuse 10 gezeigt. Fig. 6a zeigt einen Höhenversatz zwischen Kühlkörper 12 und Steuereinrichtungsgehäuse 10. Gut zu erkennen ist hierbei auch ein Spalt, der zwischen Kühlkörper 12 bzw. 12a und Steuereinrichtungsgehäuse 10 bzw. Rand der Ausnehmung 11 bestehen darf. Er erlaubt einen auf das zu kühlende Bauteil 15 ausgerichteten / anliegenden Einbau und kann auch zur thermischen Entkopplung zum Steuereinrichtungsgehäuse 10 hin vorteilhaft wirken. Ferner kann sich Toleranzausgleichsmaterial 13 im Spalt befinden, da dieses ggf. durch die Montage des Kühlkörpers 12 in den Spalt gedrückt wird (wie in den Fig. 6a-6f gezeigt / dies kann in den übrigen Figuren ebenfalls der Fall sein - dies wurde jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt). Anstatt am Kühlkörper 12 oder am Steuereinrichtungsgehäuse 10 kann das z. B. pastöse Toleranzausgleichsmaterial 13 auch nach dem Positionieren des Kühlkörpers 12 direkt in den Spalt im Bereich zwischen Ausnehmung 11 und Kühlkörper 12 hinein dispenst werden. Ferner kann als zweite thermische Komponente das Kühlpad 23 vorgesehen sein (wie in Fig. 6b gezeigt), welches sich aufgrund seiner flexiblen Eigenschaften an das Steuereinrichtungsgehäuse 10 sowie den Kühlkörper 12 anschmiegt, so dass kein weiteres Ausgleichsmatenal notwendig ist. Gemäß einer in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltung könnte der Kühlkörper 12 auch einen Überstand (d. h. im Gegensatz zu der in Fig. 6a dargestellten Ausgestaltung) in Bezug auf das Steuereinrichtungsgehäuse 10 haben (d. h. der Kühlkörper 12 könnte über das Steuereinrichtungsgehäuse 10 hinausragen), welcher gleichsam von einem Kühlpad 23 ausgeglichen wird. In Fig. 6c ist eine Ausgestaltungsvariante gezeigt, in der Kühlkörper 12 und Steuereinrichtungsgehäuse 10 eine nahezu planare bzw. ebene Oberfläche bilden. In gleicher Weise kann als zweite thermische Komponente hier ebenfalls ein Kühlpad 23 vorgesehen sein, wie in Figur 6d gezeigt. In Fig. 6e ist eine Ausgestaltungsvariante gezeigt, in der einen Kühlkörper 12h vorgesehen ist, der Kühlrippen 26a an der Oberseite aufweist. Über diese Kühlrippe kann der Kühlkörper 12h Wärme abführen, da diese die Oberfläche des Kühlkörpers 12h vergrößern. Zur Abkühlung kann hierbei ein Luft- oder Fluidstrom genutzt werden. Die Kühlrippen oder -noppen können hier deutlich filigraner und auch aus besser thermisch leitendem Material hergestellt werden, als es bei herkömmlichen Gehäusen erfolgen kann. Ferner kann auch ein Deckel 10a vorgesehen sein, welcher wie in Fig. 6f dargestellt, oberhalb von Steuereinrichtungsgehäuse 10 und Kühlkörper 12h angeordnet wird, wobei sich zwischen Deckel 10a und der Oberfläche mit Kühlrippen des Kühlkörpers 12h Kühlkanäle ausbilden, wodurch Kühlfluid (z. B. Luft oder Kühlmittel) geleitet bzw. gefördert werden kann, so dass die Wärme effektiv vom Kühlkörper 12h abtransportiert werden kann.

In Fig. 7 ist eine Ausgestaltung der Steuereinrichtung 2 gezeigt, bei der als zweite thermische Komponente ein passiver Kühlblock 27 mit Kühlrippen 27a vorgesehen ist, der sozusagen luftgekühlt wird, z. B. über einen Ventilator oder durch natürliche Konvektion oder über einen Luftstrom. Der Kühlblock 27 ist zudem z. B. aus Kupfer oder Aluminium gefertigt, wodurch er einen besseren Wärmeleitwert als das übrige Steuereinrichtungsgehäuse 10 aufweist, wenn dieses z. B. aus einer schlechter leitenden Aluminiumlegierung oder Kunststoff gefertigt ist. Ferner wird durch die Formgebung des Kühlblocks 27 an der Außenseite durch die Luft führenden Kühlrippen 27a eine größere Oberfläche geschaffen (größer als die am zu kühlenden Bauteil befindliche Oberfläche). Höhentoleranzen im Verhältnis zum Steuereinrichtungsgehäuse 10 sind bei derartigen Luftsystemen in der Regel unkritisch, wobei die Ausgestaltung nach Fig. 7 zeigt, dass der Kühlkörper 12 und das Steuereinrichtungsgehäuse 10 eine im Wesentlichen plane Oberfläche bilden, auf die der Kühlblock 27 angeordnet ist. Ferner bilden der Kühlkörper 12 und das Steuereinrichtungsgehäuse 10 keine glatte bzw. ebene Oberfläche, d. h. der Kühlkörper 12 entweder über das Steuereinrichtungsgehäuse 10 hinausragt oder, wie in Fig. 7 gezeigt, das Steuereinrichtungsgehäuse 10 über den Kühlkörper 12 hinausragt, kann eine zusätzliche Schicht TIM 28 vorgesehen sein, um etwaige Höhenunterschiede auszugleichen, welche insbesondere großflächiger/voluminöser als die Schicht TIM 20 ist, aber dennoch einen geringen thermischen Widerstand aufweist.

In Fig. 8 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der das Steuereinrichtungsgehäuse 10 als zusätzliche Kühlfunktion Kühlrippen 10c (oder alternativ auch Kühlnoppen) aufweist. Ferner wird als erste thermische Komponente ein Kühlkörper 12h mit Kühlrippen 26a (oder alternativ auch Kühlnoppen) vorgesehen. Dabei kann z. B. ein Luftstrom vorgesehen sein, der an den Kühlrippen 10c, 26a (bzw. Kühlnoppen) entlang strömt, um diese abzukühlen. Der Luftstrom kann dabei aktiv, z. B. durch einen Lüfter, oder passiv erzeugt werden. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, die Kühlrippen 10c, 26a (bzw. Kühlnoppen) über den Deckel 10a abzudecken, so dass ein Fluidkanalsystem bzw. Fluidkanäle zwischen den Kühlrippen 10c, 26a (bzw. Kühlnoppen), durch die Fluid entweder aktiv oder passiv gefördert wird. Beispielsweise kann dadurch auch ein flüssigkeitsgekühltes System realisiert werden, indem diese Fluidkanäle fluiddicht abgeschlossen werden und über einen Ein- und Ausgang an einen Fluidkreislauf angeschlossen werden.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 2 gezeigt, bei dem über Kühleinheiten 29a, 29b andere Halbleiterbauteile 30a, 30b auf der Leiterplatte 14 kontaktiert werden, um diese abzukühlen. Zwischen den Kühleinheiten 29a, 29b und den Halbleiterbauteilen 30a, 30b sind jeweils vergleichsweise dicke TIM-Schichten 31 a, 31 b angeordnet (gemäß der herkömmlichen Bauweise). Ferner besitzt das Steuereinrichtungsgehäuse 10 eine im Wesentlichen ebene Fläche mit einem leichten Höhenversatz (Toleranzausgleich zum nahen Anliegen am Wärme-Hotspot-Bauteil) zwischen Kühlkörper 12 und Steuereinrichtungsgehäuse 10, der durch die Elastizität eines flüssigkeitsdurchströmten Beutels bzw. des Kühlpads 23 ausgeglichen wird, welches flüssigkeitsdurchströmt ist und sich an das Steuereinrichtungsgehäuse 10 und den Kühlkörper 12 ohne nennenswerten Spalt anschmiegt und somit die Wärme abführt. Die Durchströmungsrichtung des Fluids im Kühlpad 23 durchströmt dieses hierbei entweder in einer Art mäandrierenden Form oder im Wesentlichen senkrecht zur Schnittrichtung der Abbildung (d. h. gerade nicht von links nach rechts oder umgekehrt, um eine thermische Entkopplung von Kühlkörper 12 und Kühleinheiten 29a, 29b zu gewährleisten). Durch diese Ausgestaltung lässt sich die thermische Entkopplung der zu kühlenden Komponente bzw. der Prozessorvorrichtung 15 und den anderen Halbleiterbauteilen 30a, 30b in besonders einfacher Form realisieren bzw. verbessern.

In Fig. 10a und 10b sind Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 120a bzw. 120b gezeigt, die für eine erfindungsgemäße Kühlanordnung bzw. für eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 2 genutzt werden können. Der Kühlkörper 120a bzw. 121 b ist dabei aus einem Aluminium-Kupfer-Verbundmaterial und mittels eines Umformverfahrens, insbesondere Fließpressen, gefertigt und weist Kühlnoppen 121 a bzw. 121 b auf. Der Kühlkörper 120a und der Kühlkörper 120b weist zur zu kühlenden Komponente hin Kupfer 121a bzw. 122b oder eine Kupferlegierung auf, da Kupfer hervorragende Wärmeleitungseigenschaften aufweist, und zur Fluidkühlung hin Aluminium 122a bzw. 122b oder eine Aluminiumlegierung auf, da Aluminium in Bezug auf das jeweilige Fluidkühlsystem oft eine gute Robustheit und zudem ebenfalls gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist. Die Kühlkörper 120a und 120b unterscheiden sich im Wesentlichen darin, dass bei Kühlkörper 120a die Kupferschicht 121 a in der Aluminiumschicht 122a eingebettet bzw. von dieser umschlossen ist und bei Kühlkörper 120b aus Kupferschicht 121 b und Aluminiumschicht 122b eine Art Schichtpaket gebildet ist. In den Fig. 10a/10b sind jeweils spezielle Ausgestaltungen mit Kühlnoppen 123a, 123b gezeigt (die ebenfalls auf Aluminium oder einer Legierung daraus gefertigt sind). Der Kühlkörper könnte bevorzugt jedoch sämtliche Formen aufweisen, wie z. B. einen Kragen 124a aufweisen (wie in Fig. 10a gezeigt), einen rhomboedrischen/trapezoiden Querschnitt aufweisen (wie in Fig. 10b gezeigt) oder Kühlrippen aufweisen (wie beispielhaft in den Fig. 5h, Fig. 6e/f gezeigt). In Fig. 10c ist beispielhaft eine Ausgestaltung eines Kühlkörpers 120c mit Kragen 124c gezeigt. Der Kragen 124c kann hierbei in einfacher Weise gebildet werden, indem, ausgehend von einer Art der Ausgestaltung nach Fig. 10a, die eingebettete Kupferschicht 121 a aus der Aluminiumschicht 122a herausragt oder, ausgehend von einer Art der Ausgestaltung nach Fig. 10b, die Fläche der Kupferschicht 121 b kleiner gewählt wird, als die Fläche der Aluminiumschicht 122b, wobei dadurch die Kupferschicht 121 c die Aluminiumschicht 122c überragt. Zur Herstellung des Kühlkörpers 120a, 120b, 120c eignet sich hierbei Fließpressen besonders gut, da die Formabschnitte Kupfer 121 a, 121 b, 121 c und Aluminium 122a, 122b, 122c hier besonders gut miteinander verbindbar sind. Das Fließpressen gehört hierbei zu den Umformverfahren bzw. Massivumformung, die durch einen einstufigen oder mehrstufigen Fertigungsvorgang erfolgen kann.

In Fig. 11 ist eine Ausgestaltung des schrittweisen Montierens einer Kühlanordnung während der Fertigung bzw. eine Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung gezeigt. Das Verfahren weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

Bereitstellen (I) eines Gehäuses, insbesondere der Steuereinrichtung 2 (Steuereinrichtungsgehäuse 10) mit einer Ausnehmung 11 , welche im Wesentlichen den Abmaßen des Kühlkörpers 12 entspricht und sich im Bereich bzw. der Flucht der zu kühlenden Komponente befindet oder Bereitstellen (I) eines Steuereinrichtungsgehäuses 10, insbesondere einer Steuereinrichtung 2, und Herstellen einer Ausnehmung 11 ;

Montage (III) der zu kühlenden Komponente im Steuereinrichtungsgehäuse 10, z. B. indem die Leiterplatte 14 mit einer zu kühlenden Prozessorvorrichtung 15 (bzw. IC-Baustein/Prozessor 18) darauf im Steuereinrichtungsgehäuse 10 angeordnet, beispielsweise positioniert, befestigt oder eingeschoben, wird (In Fig. 11 wird die Leiterplatte 14 zwischen dem Steuereinrichtungsgehäuse 10 und dem Deckel 10b festgeklemmt); Aufbringen (IV) eines aushärtenden Toleranzausgleichsmatenals 13 (z. B. eines Klebers oder einer Paste) zur Fixierung des Kühlkörpers 12 am Steuereinrichtungsgehäuse 10 bzw. am Rand der Ausnehmung 11 ; Zweckmäßigerweise erfolgt ein Aufbringen (V) eines z. B. pastösen oder flüssigen TIMs 22 oder eines dünnen TIM-Pads auf dem zu kühlenden Leistungsbauteil bzw. der zu kühlenden Komponente, sowie

Einbringen (VI) des Kühlkörpers 12 (bzw. auch Heatspreader oder Kühlblock), der bevorzugt aus Aluminium oder Kupfer oder einer Legierung oder einem Verbundmaterial daraus gefertigt ist, in die Ausnehmung 11 , derart, dass das TIM 22 auf der zu kühlenden Komponente in weitem Maße verdrängt wird und die Festsetzung des Kühlkörpers 12 erst durch Aushärten des Toleranzausgleichsmaterials 13 (bzw. des Klebers oder eines anderen „Festsetzungsmediums“) erfolgt.

Zusammenfassend zeigt die Erfindung mehrere Lösungsbestandteile auf, wodurch eine oder mehrere TIM-Schichtdicken in besonderem Maße verringert werden bzw. optional sogar weggelassen werden können. Dadurch werden die thermischen Widerstände verringert. Zudem können gemäß einiger Ausführungsformen die thermische Kopplung der/des Hauptwärmeerzeugers (z. B. des Hochleistungsprozessors) zu anderen Bauteilen (z. B. den Speicherbausteinen) reduziert werden. Ferner kann durch die Erfindung die Transferfläche des thermischen Hotspots in Richtung des Wärme-abführenden Mediums deutlich vergrößert werden. Das neuartige Konzept eignet sich dabei für spezielle Flüssigkeitskühlsysteme aber auch für besonders ausgeführte Luft-Kühlsysteme. Ferner offenbart die Erfindung, wie bei minimalem Abstand des Kühlelements (d. h. des Heatspreaders bzw. Kühlkörpers) zum zu kühlenden Bauteil (zu kühlende Komponente) bzw. der TIM-Schicht darauf, die mechanische Abstützung auf dem soliden Gehäuseteil und nicht auf der in der Regel mechanisch sensiblen, zu kühlenden Komponente erfolgt. Selbstverständlich kann die Kühlvorrichtung auch zum Erwärmen einer zu erwärmenden Komponente eingesetzt werden (sozusagen als Heizvorrichtung), indem diese mit einem Medium befüllt wird, welche Wärme an eine zu erwärmende Komponente abgibt. Hierzu kann die Kühlvorrichtung in einfacher Weise über die Anschlüsse an einen Heizkreislauf angeschlossen werden, um mit Heizmedium versorgt zu werden, welches dann die Kühlvorrichtung bzw. Heizvorrichtung durchströmt. Beispielsweise könnte das erfindungsgemäße Rack bzw. die erfindungsgemäße Kühlanordnung auch zum Erwärmen einer oder mehrerer Baugruppen, insbesondere im Bereich Automotive, eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Steuereinrichtung

3 Lenkung

4 Motor

5 Bremse

6 Radarsensor

7 Lidarsensor

8 Frontkamera

9a-9d Ultraschallsensor

10 Steuereinrichtungsgehäuse

10a Deckel

10b Deckel

11 Ausnehmung

12, 12a-12h Kühlkörper

13 Toleranzausgleichsmatenal

14 Leiterplatte

15 Prozessorvorrichtung

16 Prozessorgehäuse

17 Substrat

18 Prozessor

19 Lot

20 TIM

21 Lot

22 TIM

23 Kühlpad

23a Fluidkanal

24 Toleranzausgleichsmaterial

25 Kragen

26a Kühlrippen

26b Kühlnoppen Kühlblock a Kühlrippen

TIM a, 29b Kühleinheit a, 30b Halbleiterbauteil a, 31 b TIM-Schicht 0a, 120b, 120c Kühlkörper 1a, 121 b, 121c Kupfer 2a, 122b, 122c Aluminium 3a, 123b, 123c Kühlnoppen 4a, 124c Kragen 0 Steuereinrichtung 1 Steuereinrichtungsgehäuse2 Kühlkörper 3 Kühlrippen 4 Leiterplatte 5 Prozessorvorrichtung 6 Prozessorgehäuse 7 Substrat 8 Prozessor 9 Lot 0 TIM 1 Lot 2 TIM