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CN109845424B - 用于导出热的设备及其制造方法 - Google Patents

用于导出热的设备及其制造方法 Download PDF

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CN109845424B CN201780062948.1A CN201780062948A CN109845424B CN 109845424 B CN109845424 B CN 109845424B CN 201780062948 A CN201780062948 A CN 201780062948A CN 109845424 B CN109845424 B CN 109845424B
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Abstract

提供了一种导出热的设备，其中，所述设备具有包括电路板(2)和布置在所述电路板上的待冷却的部件(3)的至少一个功率模块以及布置在所述电路板(2)上且布置在待冷却的部件(3)上方的至少一个冷却体(1)，其中，在至少一个待冷却的部件(3)上分别布置有至少一个导热元件(100)，所述导热元件具有预先给定的结构，所述结构沿着离开电路板(2)的方向从电路板延伸到冷却体(1)中，并且其中，导热元件(100)在其内部中具有用于导出热的介质。

Description

用于导出热的设备及其制造方法
技术领域
本发明涉及导出热的设备及其制造方法。
背景技术
如冷却体那样的导热元件在功率电子器件和控制装置内用于各种各样的部件的冷却，例如对电路板上的构件或结构的冷却。由于公差和所存在的表面特性，冷却体至部件的直接接触对于导热而言并非最优。因此，在目前已知的散热策略中，为了更好的热连接而需要引入弥补间隙且导热的层，如在图1中以附图标记4所示出的那样。这种弥补间隙且导热的层4可以是导热膏或所谓的填缝物，所述导热膏或填缝物布置在相应的部件3上，即布置在例如电路板2上的构件、结构或过孔上。导热膏以及填缝物都需要一定的层厚，其中，这种介质的导热能力通常比金属的导热能力更差，因此影响了通过冷却体1的散热且降低了最大耗散。
已知的导出热的设备的另外的缺点还包括在制造时需要独立的处理步骤以便制造导热层4。此外，对于所需的热分布需要冷却体的大的横截面，以便不引发热蓄积。这在设备安装时会导致空间方面的问题。
发明内容
因此，本发明的任务是提供导出热的设备及其制造方法，通过该设备及其制造方法来克服所提到的缺点。
提供了一种导出热的设备，其中，导出热的设备具有包括电路板和布置在电路板上的待冷却的部件的至少一个功率模块以及布置在电路板上且布置在待冷却的部件上方的至少一个冷却体，其中，在至少一个待冷却的部件上分别布置有至少一个导热元件，所述导热元件具有预先给定的结构，所述结构沿着离开电路板的方向从电路板延伸到冷却体中，并且其中，导热元件在其内部中具有导出热的介质。
功率模块基本上理解为一种设备，所述设备具有电路板，所述电路板带有布置在其上的至少一个电功率元件，例如半导体元件。
在一种设计方案中，导热元件实施为热管。在一种设计方案中，导热元件具有如下中空结构，在所述中空结构内引入有导出热的介质，或者所述导热元件具有如下中空结构，即，所述中空结构形成为使得导出热的介质在所述结构内循环。
在一种设计方案中，导热元件作为单独的构件布置在待冷却的部件的至少一个上，或者借助压印方法整合到冷却体中。
在一种设计方案中，导热元件具有朝向待冷却的部件的至少一个的至少一个开口，导出热的介质能通过所述开口排出并且能与部件接触，使得导出热的介质至少部分地填充部件与导热元件之间存在的间隙。
在一种设计方案中，导出热的介质是液体、气体、钠或其他的适合于导热的材料。
根据本发明建议了用于制造导出热的设备的方法，其中，导出热的设备具有包括电路板和布置在电路板上的待冷却的部件的至少一个功率模块以及布置在电路板上且布置在待冷却的部件上方的至少一个冷却体，其中，在第一步骤中，在电路板上将至少一个第一导热元件布置在部件的至少一个上，所述导热元件具有预先给定的结构，所述结构沿着离开电路板的方向从电路板延伸，并且在第二步骤中，将冷却体布置在电路板的部件和至少一个设置在所述部件上的导热元件上方，其中，导热元件在其内部中具有导出热的介质，或者在第一步骤之中或之前或者在第二步骤之中或之后将导出热的介质引入，并且/或者在替选的第一步骤或所述第二步骤中将冷却体安装在电路板的部件上方，其中，在制造冷却体时将至少一个第二导热元件整合在冷却体中，并且在另外的步骤中将导出热的介质引入到第二导热元件和/或第一导热元件中。
在一种设计方案中，至少一个第一或第二导热元件具有开口，通过所述开口将导出热的介质引入到导热元件中，其中，开口沿部件的方向敞开，以便允许导出热的介质至少部分地填充处于部件与导热元件之间的间隙。
在一种设计方案中，至少一个第一或第二导热元件具有开口，通过所述开口将导出热的介质引入到导热元件中，其中，在以导出热的介质填充之后将开口封闭。
在一种设计方案中，导热元件中的每一个导热元件的预先给定的结构如下地形成，即，使导出热的介质在所述结构中循环。
通过提供各种各样的结构和设计方案的独立地伸入到冷却体内的导热元件，改进了在整个设备内的导热能力或热分布。通过导热元件的各个能制造的结构，能够实现与各部件相匹配的将热导出和分布到冷却体中。通过提供至导热元件中的导出热的介质，能够确保附加地改进将热导出或分布到冷却体中。此外，在导热元件的敞开结构的情况中，弥补了部件与导热元件之间的小的间隙，这通过使导出热的介质侵入到间隙内来实现，由此实现了热导出的进一步改进。
基于可独立提供的部件和使用3D打印用于制造的可能性，或基于二者的组合，使得用于制造设备的方法简单且廉价。此外，对于每个部件而言能够制造在所述部件上裁切出的导热元件，从而对于每个部件而言能够保证尽可能良好的热导出。
本发明的另外的特征和优点从对本发明的实施例的如下描述、根据示出了按照本发明的细节的附图中的图中得到。单独的特征可自身单独地或多个地以任何组合方式在本发明的变体中实现。
附图说明
下文中根据附图详细解释本发明的优选实施形式。其中：
图1示出了根据现有技术的导出热的设备的视图。
图2a至图2c分别示出了根据本发明的导出热的设备的不同的实施方式。
图3示出了根据本发明的实施方式的方法的流程图。
在如下的附图描述中，相同的元件或相同的功能被提供以相同的附图标号。
具体实施方式
对于冷却体和布置在电路板上的部件之间的更好的热连接或热导出，根据本发明的方法可省去中间层。为更好地将冷却体导热连接，可将导热元件直接整合到冷却体内，或可将导热元件作为独立的构件在制造时整合。导热元件具有特别的结构，且至少部分地优选以后文中仅称为介质的导热介质填充。介质可在此在封闭的导热元件内带有循环或不带有循环地存在或者与相应的部件接触，即导热元件具有沿所述导热元件布置在其上的一个部件(多个部件)的方向打开的结构。导热元件也可作为独立的构件购买或制造，以便安装在一个或多个部件上并整合到设备内。整合在此能够借助3D打印例如通过绕着冷却体打印电路板和部件以及布置在部件上的导热元件来实现。
在图2a至图2c中示出了根据本发明的不同的可能的实施形式的导热元件。
下文中分开地阐述所示实施形式的每一个。根据应用，可使用不同地在实施方式中所示的导热元件的组合。描述涉及待冷却的部件。电路板也可具有不必被冷却的另外的构件。
图2a示出了构造为热管且布置在电路板2的部件3上的导热元件100。优选地，热管100作为独立地制造或购买的构件布置在待被导出热的部件3上。热管结构因此不直接与部件3接触。这简化了整个设备的结构，这是因为在与部件3直接接触时必须在部件上构建热管100的复杂的结构，例如通过打印方法。虽然通过将热管100直接压入到冷却体1内必须实现热管100的复杂的结构，但与独立地提供的、嵌入到冷却体1内也就是被冷却体1包围的、优选绕着打印的构件相比产生了更好的热连接。就此而言，在一定的实施方式中，热管也可构建在部件上或冷却体内。热管从现有技术中已知，且在此不详细描述。基本上，热管具有封闭的管状结构，该管状结构带有复杂的内部毛刺或毛细管，以便向外导出热，通过所述毛刺或毛细管使得由于热输送而被蒸发的介质循环。
图2b示出了设计为塔状的导热元件100，所述导热元件100带有处于其内部的用于热导出的介质。在此设置有不可运动的也就是不循环的介质。图2c示出了设计为带有中间管的管状的拱顶的导热元件100，其中，由于其结构实现了介质的循环。在此，循环实现为从电路板2离开地经由中间管且向左和向右分开，以便通过管状的拱顶又流向底部并再次在中间上升。
在图2b和图2c中所示的导热元件100的实施方式及其变体可直接打印到部件3上，例如在如冷却体1那样相同的步骤中。导热元件100也可作为独立的部件制造或购买。在导热元件100内存在导出热的介质，例如液体或气体或如钠那样的特殊金属。介质在独立提供的构件的情况中能够已经存在于构件内或可事后引入到构件内。当导热元件100与冷却体1一起制造时，例如通过例如3D打印的打印方法，介质可在冷却体1制成之后引入到导热元件100内。
为了引入介质而设置有开口，所述开口优选地布置在导热元件100的朝向待冷却的部件3的那侧上。此开口根据应用而定地可以在填充介质之后保持打开或封闭，例如以薄层来封闭，所述薄层可打印上、粘合上或以另外的方式固定。当开口不被封闭时，介质可从开口排出且至少部分地填充可能由于制造而存在于部件3和导热元件100之间的缝隙。因此，缝隙可被弥补且附加地改进了热导出。
在图2b和图2c中所示的导热元件4的结构根据待散热的部件3地不同地实施。待使用的导热元件100的确切结构可由专业人员根据经验、通过实验或计算或模拟来确定，并且如上面所描述那样取决于待散热的部件和可供使用的制造方法。
在图2b中示出的实施方式可由中空体形成。此中空体可向上去地，即离开电路板2且向着冷却体1内地展宽，且例如以球或另外的展宽的或分支的结构终止。也可进行向上去地逐渐变细。也可想到以介质填充的结构，所述结构优选向上地以从电路板2离开的方式分支到冷却体1内。其他的结构也是可能的，只要实现对于相应的待冷却的部件3足够的或预先给定的热导出，并且可填充相应的导出热的介质。由于以介质进行填充，此结构应至少部分地是中空的，例如是管状的，以便能够容纳介质。在图2b中示出的结构设置用于使导出热的介质保持静止，即在此优选地使介质在结构或导热元件100的内部中不发生循环。
在图2c中示出的实施方式与在图2b中示出的实施方式的区别在于，在此选择如下结构，即在所述结构中介质在内部内自动循环。该热循环可通过导热元件100的内部中的附加结构例如障碍物被进一步改进。如在图2c中能够看到，结构可构建为使介质在两个循环回路中循环，其中，在此实施方式中，如前面所描述的那样，介质在中间升高并且又降低到设计为管状的拱顶的两侧上。因此，能够通过在导热元件100的内部中的流动自发地将热导出到冷却体1内。可能的结构的另外的示例是类似塔状的、类似烟囱状的、长形的、沙漏形的形状或另外的带有上升和/或下降分支的形状，在所述分支内介质基本上优选完全地自动循环。
基本上，能够通过借助于3D打印或另外的打印方法来环绕结构地进行打印的可能性来设置用于散热的最优的且各种各样的结构，而在此不使制造方法复杂化。即使在与冷却体1同时打印导热元件100的情况下，也可通过不同的打印技术来制造几乎任意的复杂结构。
在图3中示出了用于制造根据本发明的设备的流程图。在此，导出热的设备具有包括电路板2和布置在电路板2上的待冷却的部件3的至少一个功率模块以及布置在电路板2上且布置在待冷却3的部件上方的至少一个冷却体1。
根据导热元件100的实施方式可存在两个不同的制造方法。
当以上面所描述的导热元件100的一个或多个应作为独立的构件布置时，则在第一步骤S1中将所述导热元件布置在部件3的至少一个上。根据实施方式，多个部件3可装配有导热元件100或仅一个部件3装配有导热元件100。不必使电路板2上的所有部件3都装配有导热元件100。以另外的方法制造的导热元件100也同样可布置在同一电路板2上，但却布置在另外的部件3上，如在后文中描述的那样。
导热元件100在此可在其内部中已具有导出热的介质或在另外的处理步骤中，例如在第二步骤或随后的步骤中引入介质。在此，如上面所描述的那样可存在开口，所述开口保持打开或被封闭。封闭在此可借助开口上方打印(薄)层来实现。但也可使用板或另外的封闭介质，以便封闭开口并防止介质流出。
在第二步骤S2中，将冷却体1布置在电路板2的部件3和至少一个布置在所述部件上的导热元件100上方。在此，冷却体1如上面描述的那样优选地例如以3D打印方法来打印上。
替选地，在替选的第一步骤S11中可连同冷却体一起制造例如打印上面所描述的导热元件100的一个或多个，即下文中称为第二导热元件100，这将上面所描述的第一步骤S1和第二步骤S2合并为唯一的步骤S11。
当独立的导热元件100以及一个或多个第二导热元件100应合并在设备内时，则将上面所描述的步骤S1、S2和S11进行组合。即，首先在第一步骤S1中安装一个或多个独立的导热元件100并随后在第二步骤S2中在所述导热元件100上方安装冷却体1并同时在另外的部件3上方安装带有一个或多个整合的第二导热元件100的冷却体1。然后，将导出热的介质引入到尚未以所述导出的热介质填充的导热元件100内。在此，如上面所描述的那样保留或存在开口，所述开口保持打开或被封闭。封闭在此可借助在开口上方打印(薄)层来实现。但也可使用板或另外的封闭介质，以便封闭开口并防止介质流出。
根据实施方案，也可如上面所描述那样将用于导热元件100的两个制造方式组合起来。因此，作为独立的构件提供的导热元件100能够连同与冷却体1共同制造的导热元件100一起提供在电路板2上。根据实施方案，介质能够已经被预填充，或在制造步骤的一个期间被填充，或在设备制成之后在可能的情况下被填充。
通过根据本发明的导出热的设备和方法，不再需要在冷却体和部件之间引入中间层。因此，节约了处理步骤。此外，针对将热排出到冷却体中，能够应用导热元件的各种各样的形状，这是因为例如绕着冷却体地打印导热元件是可能的。由于对于每个部件可能的独立的结构，能够提供对于每个部件的有针对性的热导出，而不引入耗费的附加方法步骤。
附图标号
1 冷却体
2 电路板
3 部件，例如构件、结构、过孔或通孔
4 热导出层、填缝物
100 (多个)导热元件

Claims (10)

1.一种导出热的设备，其中，所述导出热的设备具有包括电路板(2)和布置在所述电路板上的待冷却的部件(3)的至少一个功率模块以及布置在所述电路板(2)上且布置在所述待冷却的部件(3)上方的至少一个冷却体(1)，其中，在至少一个所述待冷却的部件(3)上分别布置有至少一个导热元件(100)，所述导热元件具有预先给定的结构，所述结构沿着离开所述电路板(2)的方向从所述电路板(2)延伸到所述冷却体(1)中，并且其中，所述导热元件(100)在其内部中具有导出热的介质，所述导热元件(100)具有中空结构，在所述中空结构内引入有导出热的介质，并且其中，所述导热元件(100)具有朝向所述待冷却的部件(3)的至少一个的至少一个开口，所述导出热的介质能够通过所述开口排出并且能与所述部件(3)接触，使得所述导出热的介质至少部分地填充所述部件(3)与所述导热元件(100)之间存在的间隙。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述导热元件(100)实施为热管。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中，所述导热元件(100)作为单独的构件布置在所述待冷却的部件(3)的至少一个上，或者借助压印方法整合到所述冷却体(1)中。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中，所述导出热的介质是液体或气体。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述导出热的介质是钠。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述导热元件具有如下中空结构，即，所述中空结构形成为使得所述导出热的介质在所述中空结构内循环。
7.一种用于制造导出热的设备的方法，其中，所述导出热的设备具有包括电路板(2)和布置在电路板(2)上的待冷却的部件(3)的至少一个功率模块以及布置在所述电路板(2)上且布置在待冷却的部件(3)上方的至少一个冷却体(1)，其中
在第一步骤(S1)中，在所述电路板(2)上将至少一个导热元件(100)布置在所述部件(3)的至少一个上，所述导热元件具有预先给定的结构，所述结构沿着离开所述电路板(2)的方向从所述电路板(2)延伸，并且在第二步骤(S2)中，将所述冷却体(1)布置在所述电路板(2)的部件(3)和至少一个设置在所述部件(3)上的导热元件(100)上方，其中，所述导热元件(100)在其内部中具有导出热的介质，其中，在所述第一步骤(S1)之中或之前或者在所述第二步骤(S2)之中或之后将所述导出热的介质引入，
并且其中，至少一个导热元件(100)具有开口，通过所述开口将所述导出热的介质引入到所述导热元件(100)中，其中，所述开口在所述部件(3)的方向敞开，以便允许所述导出热的介质至少部分地填充处于所述部件(3)与所述导热元件(100)之间的间隙。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，至少一个导热元件(100)具有至少一个开口，通过所述开口将所述导出热的介质引入到所述导热元件(100)中，其中，在以所述导出热的介质填充之后将所述开口封闭。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述导热元件具有如下预先给定的结构，即，所述预先给定的结构形成为使得导出热的介质在预先给定的结构内循环。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，连同冷却体一起制造导热元件的一个或多个。
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