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ANGABE BETREFFEND FÖDERATIVER UNTERSTÜTZUNG DER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung im Zusammenhang mit DE-FC26-07NT43123, gemacht und durch die US-Energiebehörde ausgezeichnet. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
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TECHNISCHES GEBIET
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Hierin beschriebene Ausführungsformen des Gegenstandes beziehen sich im Allgemeinen auf elektronische Leistungsmodule, und insbesondere beziehen sich Ausführungsformen des Gegenstandes auf Wandler-Leistungsmodule, welche Substrate oder Platinen aufweisen, die für die Verwendung mit direkten Substrat- oder Platinen-Kühlungssverfahren ausgebildet sind.
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HINTERGRUND
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Viele elektrische Komponenten erzeugen Hitze als ein Nebenprodukt, wenn sie elektrische Energie abgeben. Überhitzen beeinflusst oft die Arbeitsleistung und die Betriebssicherheit von elektronischen Komponenten und infolgedessen werden elektrische Vorrichtungen routinemäßig gekühlt, um ein Überhitzen zu verhindern.
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In vielen elektronischen Anwendungen werden Kühlkörper verwendet, wo eine wirksame Hitzedissipation oder Hitzeableitung gewünscht ist. Kühlkörper oder Kühlbleche absorbieren und leiten Hitze durch thermischen Kontakt von elektrischen Komponenten ab. Zum Beispiel kann ein Kühlkörper an einer Leistungselektronikplatine angelötet oder befestigt sein, um die Platine zu kühlen. In Hochleistungsanwendungen ist der Kühlkörper häufig vergrößert, um seine thermische Kapazität zu verbessern. Das Vergrößern des Kühlkörpers resultiert in höheren Kosten, Gewicht und Volumen der entsprechenden Leistungselektronikmodule. Das erhöhte Gewicht und Volumen der Leistungselektronikmodule ist aus Packungssicht unerwünscht. Zum Beispiel in Automobilanwendungen ist Packungsraum unter der Motorhaube begrenzt und eine Erhöhung des Gewichts des Fahrzeugs unerwünscht.
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Alternative Kühlungsverfahren können geschaffen werden, um die Leistungselektronikmodule zu kühlen. Jedoch sind diese alternativen Kühlungsverfahren verglichen mit Kühlkörpern weniger effektiv, da der Oberflächenbereich der Leistungselektronikplatine oder des Leitungselektroniksubstrats erhöht wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer ersten Ausführungsform wird eine Vorrichtung oder ein Apparat für ein elektronisches Substrat oder eine elektronische Platine bzw. elektronisches Trägermaterial bereitgestellt. Das elektronische Substrat oder die elektronische Platine bzw. das elektronische Trägermaterial weist eine erste Oberfläche auf, die ausgebildet ist, um darauf elektrische Schaltkreise anzuordnen, eine zweite Oberfläche und eine Vielzahl von baulichen Einrichtungen (engl. physical features) auf der zweiten Oberfläche. Die baulichen Einrichtungen sind angeordnet, um eine turbulente Grenzschicht in einem Kühlmittel bereitzustellen, dass auf die zweite Oberfläche trifft.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Leistungswandlermodul bereitgestellt, welches geeignet ist zur Verwendung in einem Fahrzeug. Das Leistungswandlermodul weist ein Leistungselektroniksubstrat oder eine Leistungselektronikplatine bzw. ein Leitungselektronikträgermaterial mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche ist elektrisch isoliert von der ersten Oberfläche und weist eine Vielzahl von Turbulenzen erzeugende Einrichtungen auf, welche ausgebildet sind Turbulenzen in einem Fluid in Kontakt mit der zweiten Oberfläche zu fördern. Das Leistungswandlermodul weist ferner Wandlerschaltkreise (engl. inverter circuitry) auf, die auf der ersten Oberfläche angeordnet sind.
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In einer anderen Ausführungsform ist ein elektronisches Modul vorgesehen. Das elektronische Modul weist ein Leistungselektroniksubstrat oder eine Leistungselektronikplatine mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche auf, wobei Schaltkreise auf der ersten Oberfläche angeordnet sind und ein Träger – oder Stützrahmen, welcher ausgebildet ist, das Leistungselektroniksubstrat oder die Leistungselektronikplatine aufzunehmen oder unterzubringen. Der Träger- oder Stützrahmen weist eine oder mehrere Öffnung auf, welche ausgebildet sind, um einem Kühlmittel zu erlauben auf die zweite Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats oder der Leistungselektronikplatine aufzutreffen. Die zweite Oberfläche weist eine Vielzahl von baulichen Einrichtungen auf, die eine laminare Grenzschicht zwischen dem Kühlmittel und der zweiten Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats oder der Leistungselektronikplatine verhindern.
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Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form bereitzustellen, welche weiter unten in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Diese Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes zu bestimmen, noch ist sie dazu gedacht als eine Hilfe verwendet zu werden bei der Bestimmung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstandes.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstandes kann durch Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche erreicht werden, wenn sie in Zusammenhang mit den folgenden Figuren berücksichtigt werden, wobei durchgehend in den Figuren gleiche Nummern ähnliche Elemente bezeichnen.
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1 ist eine Explosionsdarstellung eines Leistungswandlermoduls, das zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist, gemäß einer Ausführungsform;
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2 ist eine Querschnittsansicht eines unteren Träger- oder Stützrahmens und eines Leistungselektroniksubstrats des Leistungswandlermoduls gemäß 1 entlang der Linien 2-2 gemäß einer Ausführungsform;
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3 ist eine Perspektivische Ansicht eines Leistungselektroniksubstrats, das zur Verwendung in dem Leistungswandlermodul gemäß 1 geeignet ist, welches Einrichtungen aufweist, die von einer Oberfläche des Leistungswandlerelektroniksubstrats hervorstehen gemäß einer Ausführungsform; und
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungselektroniksubstrats zur Verwendung in dem Leistungswandlermodul gemäß 1, welches Einrichtungen aufweist, die von einer Oberfläche des Leistungswandlersubstrats zurückversetzt sind (engl. recessed from) gemäß einer Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich von beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht die Ausführungsformen der Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen dieser Ausführungsformen zu beschränken. Das hierin verwendete Wort ”beispielsweise” bedeutet ”als ein Exemplar, ein Beispiel oder eine Veranschaulichung dienen”. Jede hierin als beispielhaft beschriebene Implementierung oder Anwendung ist nicht zwangsläufig dazu gedacht bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen oder Anwendungen zu sein. Ferner ist es nicht beabsichtigt an eine genannte oder implizierte Theorie gebunden zu sein präsentiert in dem vorliegenden technischen Gebiet, Hintergrund und kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung.
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Obwohl die folgenden Figuren keine beispielhafte Anordnung von Elementen zeigen können zusätzliche zwischengeschaltete Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstandes vorhanden sein. Außerdem kann eine bestimmte Terminologie auch nur zum Zwecke der Bezugnahme in der folgenden Beschreibung verwendet werden und ist infolgedessen nicht dazu gedacht einschränkend zu sein. Zum Beispiel beziehen sich die Begriffe wie ”obere”, ”untere”, ”oben” und ”unten” auf Richtungen in den Zeichnungen auf die Bezug genommen wird. Eine solche Terminologie kann die oben speziell genannten Worte, Abwandlungen davon und Worte von ähnlicher Bedeutung aufweisen. Vergleichbar implizieren die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und andere solcher zahlenmäßigen Begriffe, die sich auf Strukturen beziehen, nicht eine Abfolge oder Reihenfolge, außer es ist ausdrücklich in dem Kontext angegeben.
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Technologien und Konzepte die hierin beschrieben sind beziehen sich im Allgemeinen auf Leistungselektroniksubstrate, die angepasst oder ausgebildet sind für eine direkte oder unmittelbare Kühlung eines Substrats. Eine Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats, welches einem flüssigen Kühlmittel ausgesetzt ist, weist bauliche Einrichtungen auf, die ausgebildet sind eine Bildung einer laminaren Grenzschicht entlang der Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats zu verhindern und die wirksame oder effektive Fläche der Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats, das dem Kühlmittel ausgesetzt ist, zu erhöhen. Die turbulente thermische Grenze und die erhöhte wirksame Fläche der Oberfläche erhöhen die Effizienz der Wärmeübertragung von dem Leistungselektronikmodul auf das Kühlmittel und infolge dessen wird die Temperatur von Komponenten auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats wirksamer reduziert.
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Bezug nehmend nun auf die 1–2 weist in einer beispielhaften Ausführungsform ein Leistungsmodul 100, ohne Einschränkung, ein Leistungselektroniksubstrat 102, einen unteren Stützrahmen oder Trägerrahmen 104 und einen oberen Stützrahmen oder Trägerrahmen 106 auf. Es ist so zu verstehen, dass aus Klarheitsgründen und zur leichteren Erläuterung 1 eine vereinfachte Darstellung eines Leistungsmoduls 100 ist und nicht dazu gedacht ist, den Schutzumfang des Gegenstands in irgendeiner Weise zu beschränken.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungsmodul 100 durch das Verbinden der Trägerrahmen 104, 106 gebildet, um das Leistungselektroniksubstrat 102 zu unterstützen und/oder zu umschließen. In diesem Zusammenhang sind die Trägerrahmen 104, 106 ausgebildet, um das Leistungselektroniksubstrat 102 aufzunehmen und/oder im Wesentlichen zu umschließen und eine Verschiebung des Leistungselektroniksubstrats 102 relativ zu den Trägerrahmen 104, 106 zu begrenzen, wenn die Trägerrahmen 104, 106 verbunden oder angeschlossen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Trägerrahmen 104, 106 als Spritzgussrahmen aus Kunststoff ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen können die Trägerrahmen 104, 106 auch aus Metall (z. B. Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall) oder einem anderen geeignete Material ausgebildet sein, das eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Das Leistungselektroniksubstrat 102 ist zwischen den Trägerrahmen 104, 106 angeordnet und ein Dichtungselement 108 ist zwischen dem Leistungselektronikmodul 102 und dem unteren Trägerrahmen 104 angeordnet.
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In einer beispielhaften Ausführungsform definiert der untere Trägerrahmen 104 einen freigelegten oder ausgesparten Bereich (engl. exposure region) 112 welcher angepasst ist, damit ein Kühlmittel oder ein direktes Substratkühlungsverfahren mit den Abschnitten der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 eine Schnittstellenverbindung bildet, wobei die Abschnitte im Wesentlichen mit dem freigelegten Bereich 112 ausgerichtet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform umgibt das Dichtungselement 108 den Umfang des freigelegten Bereichs 112, so dass, wenn die Trägerrahmen 104, 106 zusammengedrückt oder komprimiert werden und miteinander verbunden werden, um ein Leistungsmodul 100 zu bilden, das Dichtungselement 108 eine Kompressionsdichtung zwischen dem unteren Trägerrahmen 104 und dem Leistungselektroniksubstrat 102 um den freigelegten Bereich 112 bildet. In einer beispielhaften Ausführungsform weist der untere Trägerrahmen 104 eine oder mehrere Öffnungen 140 innerhalb des freigelegten Bereichs 112 auf, welche angepasst sind für eine direkte oder unmittelbare Substratkühlung (z. B., Düsenstrahlkühlung (engl. jet impingement cooling)), wie später detaillierter beschrieben wird. Gemäß einer Ausführungsform werden, wenn die Trägerrahmen 104, 106 verbunden werden, die Oberfläche der Öffnungen 140 und der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 um 2 bis 3 Millimeter (mm) voneinander getrennt oder beabstandet. Der untere Trägerrahmen 104 ist relativ zu dem Leistungselektroniksubstrat 102 innerhalb des freigelegten Bereichs 112 ausgespart, um ein Reservoir 144 (oder eine Kammer) für ein Kühlmittel zu bilden, das der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 über die Öffnungen 140 bereitgestellt wird. In diesem Zusammenhang weist das Reservoir einen Hohlraum oder einen Raum zwischen der Leistungselektronikplatine 102 und dem unteren Trägerrahmen 104 auf, der im Wesentlichen mit oder auf andere Weise mit dem freigelegten Bereich 112 korrespondiert. Wie am Besten in 2 gezeigt ist, ist in einer beispielhaften Ausführungsform der untere Trägerrahmen 104 ausgebildet, so dass die untere Oberfläche des Reservoirs 144 geneigt oder abgestuft ist, so dass das Volumen des Reservoirs 144 zunimmt in Richtung einer ausgesparten oder ausgeschnittenen Region 146, welche eine Leitung für das Kühlmittel bildet, um das Reservoir 144 zu verlassen und den lateralen Fluss des Kühlmittels lenkt oder anderweitig steuert (z. B. im Wesentlichen parallel zu der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102).
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Kühlungsmechanismus integral mit und/oder verbunden mit dem unteren Trägerrahmen 104 und so ausgebildet, dass der Kühlungsmechanismus Kühlmittel zu dem Leistungselektroniksubstrat 102 durch die Öffnungen 140 in der Richtung, wie durch die Pfeile 142 angegeben, bereitstellt. Zum Beispiel kann der Kühlungsmechanismus mit dem unteren Trägerrahmen 104 verbunden und angepasst sein, um eine Strahlbeaufschlagungskühlen auf den freigelegten Bereich oder die freigelegte Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 bereitzustellen, das benachbart oder in der Nähe des Trägerrahmens 104 ist und mit dem freigelegten Bereich 112 über die Öffnungen 140 ausgerichtet ist. Düsenstrahlkühlung ist so zu verstehen, dass es auf den Prozess Bezug nimmt, welcher Strahlen (engl. jets) bereitstellt und/oder einen direkten oder unmittelbaren Fluss von flüssigem Kühlmittelfluid durch die Öffnungen 140, so dass das flüssige Kühlmittelfluid auf die untere Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 auftrifft. In einer beispielhaften Ausführungsform wird Kühlmittel in das Reservoir 144 im Wesentlichen senkrecht zu (oder orthogonal zu) der unteren Fläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 eingespritzt (d. h. in der Richtung die durch die Pfeile 142 angegeben ist) durch die Öffnungen 140. Wie weiter unten detaillierter beschrieben ist, kollidiert das Kühlmittel mit oder trifft auf andere Weise auf das Leistungselektroniksubstrat 102 auf und wird radial nach außen entlang der unteren Fläche oder Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 abgelenkt. Die Querstützen oder Querträger 118 des oberen Trägerrahmens 106 liegen dem freigelegten Bereich 112 gegenüber und stellen eine verteilte Stützung und eine strukturelle Steifigkeit über das Leistungselektroniksubstrat 102 bereit, um eine Verbiegung oder Durchbiegung des Leistungselektroniksubstrats 102 zu reduzieren oder zu verhindern (z. B. in Richtung des oberen Trägerrahmen 106) als ein Resultat der Kraft die durch den Fluss des Kühlmittels und den Unterschied im Umgebungsdruck über die gegenüberliegenden Oberflächen oder Flächen des Leistungselektroniksubstrats 102 erzeugt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die untere Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 elektrisch kalt, so dass der Kühlungsmechanismus Kühlmittel eines Kühlers oder ein anderes geeignetes Kühlmittel nutzen kann, welches im Stand der Technik verwendet wird. In einer alternativen Ausführungsform, kann der Kühlungsmechanismus ein dielektrisches Kühlmittel nutzen und/oder bereitstellen, wenn eine elektrisch heiße Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 gekühlt wird.
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In einer beispielhaften Ausführungsform weist die obere Oberfläche 116 des Leistungselektroniksubstrats 102 eine elektrisch heiße Oberfläche auf, die elektrische Leiterbahnen und Schaltkreise 126 für einen Leistungswandler aufweist, welcher geeignet ist zur Verwendung mit einem elektrischen Motor in einem Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeug. Der Wandlerschaltkreis 126 weist ein oder mehrere Halbleitervorrichtungen und/oder andere geeignete Elemente auf, die ausgebildet sind eine Leistungsumwandlung zu ermöglichen (engl. to accomodate) von einem Gleichstrom in einen Wechselstrom, wie es im Stand der Technik gewünscht ist. In einerbeispielhaften Ausführungsform weist der Wandlerschaltkreis 126 eine Vielzahl von Transistoren (z. B., Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode oder IGBTs) auf, wobei jeder Transistor eine Diode aufweist, die antiparallel zu dem entsprechenden Transistor konfiguriert ist.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen, weist das Leistungselektroniksubstrat 102 eine obere Schicht 120, eine dazwischen liegende Schicht oder Zwischenschicht 122 und eine untere Schicht 124 auf. Die obere Schicht 120 ist als eine elektrisch leitende Schicht ausgebildet, welche ein leitfähiges Material wie Kupfer, Aluminium oder ein anderes geeignetes Material aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt die Dicke der oberen Schicht 120 zwischen ungefähr 0.3 bis 0.4 mm, jedoch kann in praktischen Ausführungsformen die Dicke der oberen Schicht 120 variieren abhängig von den Erfordernissen einer speziellen Anwendung. Abhängig von der Ausführungsform kann der Wandlerschaltkreis 126 darauf geformt oder angeformt sein, darauf aufgelötet, darauf befestigt, darauf aufgeklebt oder anderweitig auf der oberen Oberfläche 120 des Leistungselektroniksubstrats 102 vorgesehen sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die untere Schicht 124 als eine thermisch leitfähige Schicht ausgebildet, die elektrisch isoliert von der oberen Schicht 120 durch die Zwischenschicht 122 ist. In diesem Zusammenhang ist die Zwischenschicht 122 als ein nicht leitfähiges Material vorgesehen, das eine ausreichende elektrische Isolation zwischen den oberen und unteren Schichten 120, 124 bereitstellt. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Zwischenschicht 122 ein keramisches Material, wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid. Siliziumnitrid oder dergleichen auf. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt die Dicke der Zwischenschicht 122 zwischen ungefähr 0.3 bis 0.6 mm, jedoch kann in praktischen Ausführungsformen die Dicke der Zwischenschicht 122 variieren abhängig von den Erfordernissen einer speziellen Anwendung. Die untere Schicht 124 kann aus einem leitfähigen Material ausgebildet sein, wie Kupfer, Aluminium oder einem anderen geeigneten Material.
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Gemäß einer oder mehrere Ausführungsformen ist das Leistungselektroniksubstrat 102 als ein direkt gebondetes Kupfersubstrat oder Direct bonded copper-Substrat (DBC) ausgebildet. In solch einer Ausführungsform ist die obere Schicht 120 als eine geätzte Kupferschicht ausgebildet, welche elektrische Leiterbahnen und/oder eine Anschlussfähigkeit (z. B. elektrisch heiß) aufweist, und Wandlerschaltkreise 126 aufweist. Eine Zwischenschicht 122 weist ein Keramikmaterial auf und eine untere Schicht 124 ist als eine anderer Kupferschicht ausgebildet ist, welche geätzt oder auch nicht geätzt oder elektrisch verbunden (z. B. elektrisch kalt) ist. Mindestens ein Abschnitt der unteren Oberfläche 114 der unteren Schicht 124 ist einem Kühlmittel über einen freigelegten Bereich 112 ausgesetzt. In diesem Zusammenhang, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen, wenn die unterer Schicht 124 Kupfer aufweist, kann die untere Oberfläche 114 der unteren Schicht 124 mit Nickel plattiert (engl. plated) sein, um eine galvanische Fehlanpassung zwischen der oberen Schicht 124 und dem Kühlmittel in dem Reservoir 144 zu verhindern. Es ist so zu verstehen, dass der hierin beschriebene Gegenstand nicht auf DBC Substrate beschränkt ist und in alternativen Ausführungsformen andere geeignete Substratmaterialien verwendet werden können, wie beispielsweise direkt gebondetes Aluminium-Substrat bzw. direct bodend Aluminium-Substrat (DBA), isoliertes Metallsubstrat (IMS) oder blankes Kupfer (engl. bare copper), was im Stand der Technik bekannt ist.
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Wie am Besten in 2 in einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt ist, weisen die untere Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und/oder untere Schicht 124 ein oder mehrere Turbulenzen hervorrufende Einrichtungen 150 auf. Wie hierin verwendet, soll eine Turbulenzen hervorrufende Einrichtung als eine bauliche Einrichtung verstanden werden, die eine turbulente thermische Grenzschicht entlang der Oberfläche mit der Turbulenzen erzeugenden Einrichtung fördert, d. h., die Turbulenzen induzierende oder hervorrufende Einrichtung verhindert eine laminare thermische Grenzschicht entlang der Oberfläche. Eine thermische Grenzschicht soll so verstanden werden, dass sie sich auf einen Fluidbereich innerhalb eines bestimmten Abstands von der Oberfläche bezieht, wobei die Temperatur des Fluids in einem bestimmten Abstand des Fluids im Wesentlichen gleich (z. B. innerhalb von 1% oder 5% davon) der Umgebungstemperatur des Fluids weg von der Oberfläche ist. Die Turbulenzen erzeugende oder hervorrufende Einrichtung 150 erhöht auch den effektiven Oberflächenbereich der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und/oder unteren Schicht 124, die dem Kühlmittel ausgesetzt ist.
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Wie oben beschrieben, stellt in einer beispielhaften Ausführungsform der Kühlungsmechanismus ein Kühlmittel von den Öffnungen 140 in Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 bereit, wie durch die Pfeile 142 angezeigt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform stößt das Kühlmittel oder trifft auf andere Weise auf die untere Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und wird abgelenkt oder auf andere Weise radial nach außen und im Wesentlichen parallel zu der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 geleitet (z. B. orthogonal zu den Pfeilen 142 entlang der unteren Oberfläche 114). In diesem Zusammenhang fließt, bei einem Fehlen von Turbulenzen induzierenden oder hervorrufenden Einrichtungen 150, das Kühlmittel radial nach außen und im Wesentlichen laminar mit Bezug auf die untere Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102, was in einer im Wesentlichen laminaren thermischen Grenzschicht resultiert. Wie oben beschrieben, fördern die Turbulenzen induzierenden oder hervorrufenden Einrichtungen 150 einen turbulenten Fluss von flüssigem Kühlmittel entlang der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und/oder der unteren Schicht 124 und verhindern oder hemmen einen laminaren Fluss von Kühlmittel parallel zu der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und/oder der unteren Schicht 124. Infolge dessen wird, aufgrund der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150, die thermische Grenzschicht in dem flüssigen Kühlmittel entlang der unteren Oberfläche 124 turbulenter. Eine turbulente thermische Grenzschicht entlang der unteren Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 resultiert in einer verbesserten Rate und/oder Menge an Wärmeübertragung von dem Leistungselektroniksubstrat 102 an das Kühlmittel.
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Wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, können, abhängig von der Ausführungsform, die Turbulenzen induzierenden Einrichtungen 150 als Vorsprünge von der unteren Schicht 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und/oder unteren Schicht 124, als Aussparungen in der unteren Oberfläche 114 des Leistungselektroniksubstrats 102 und/oder unteren Schicht 124, oder als eine Kombination davon ausgebildet sein (z. B. eine Kombination aus Vorsprüngen und Aussparungen auf der unteren Oberfläche 114). Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen sind die Turbulenzen induzierenden Einrichtungen 150 gleichmäßig über den Abschnitt der unteren Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 verteilt, welche mit dem/den freigelegten Bereich(en) 112 ausgerichtet ist. In diesen Ausführungsformen ist jede Turbulenzen hervorrufende Einrichtung 150 von den anderen Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150 durch im Wesentlichen denselben Abstand getrennt oder von diesen beabstandet. In alternativen Ausführungsformen können die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150 eine nicht gleichmäßige oder unregelmäßige Verteilung über die untere Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 aufweisen, abhängig von den Erfordernissen einer speziellen Anwendung. Zum Beispiel können die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150 in bestimmten Bereichen oder Gebieten der unteren Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 102 konzentriert sein, die besonders wahrscheinlich eine laminare Strömung und/oder eine laminare thermische Grenzschicht aufweisen (oder empfänglich dafür sind). Alternativ können Turbulenzen hervorrufende Einrichtungen 150 in Bereichen oder Gebieten des Leistungselektroniksubstrats 102 konzentriert sein, die größere Wärmeübertragungserfodernisse aufweisen, zum Beispiel Bereiche und/oder Gebiete des Leistungselektroniksubstrats 102, die elektrischen Komponenten der Wandlerschaltkreise 126 unterliegen mit höherer Nennbelastbarkeit und/oder thermischen Anforderungen (z. B. IGBTs). In diesem Zusammenhang können die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150 auf dem Leistungselektroniksubstrat 102 im Wesentlichen gegenüber liegend den Wandlerschaltkreisen 126 angeordnet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Trennabstand, das ist der Abstand zwischen den Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150, größer als oder gleich der Dicke einer laminaren Grenzschicht sein, die sich auf der unteren Oberfläche 114 bei Abwesenheit von Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 150 bilden würde.
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Bezug nehmend nun auf 3, stehen, gemäß einer Ausführungsform, die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 von der Oberfläche 304 (z. B. untere Oberfläche 104) eines Leistungselektroniksubstrats 302 (z. B. Leistungselektroniksubstrat 102) hervor. Wie in 3 gezeigt ist, weisen die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte auf und sind symmetrisch. Jedoch soll hervorgehoben werden, dass in anderen Ausführungsformen die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 verschieden geformte Querschnitte aufweisen und/oder asymmetrisch mit Bezug zueinander angeordnet sein können und 3 nicht dazu gedacht ist, den Schutzumfang des Gegenstandes in irgendeiner Weise zu beschränken. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen sind die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 geglättet oder poliert und/oder bogenförmig und bilden mit der Oberfläche 304 des Leistungselektroniksubstrats 302 eine Schnittstelle derart, dass ein im Wesentlichen kontinuierlicher Fluss entlang der Oberfläche 304 des Leistungselektronikmoduls 302 bereitgestellt wird (d. h. parallel zu der Oberfläche 304).
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Abstand (oder der Grad), um welchen die Turbulenzen induzierenden oder hervorrufenden Einrichtungen 300 senkrecht von der Oberfläche 304 hervorstehen, kleiner oder gleich dem zweifachen der Dicke der laminaren thermischen Grenzschicht, die entlang der Oberfläche 304 der Leistungselektronikplatine 302 auftreten würde, bei Fehlen der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300. Zum Beispiel kann gemäß einer Ausführungsform die laminare thermische Grenzschicht in der Abwesenheit der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 ungefähr 0.1 mm dick sein, wobei die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 von der Oberfläche 304 der Leistungselektronikplatine 302 um ungefähr 0.15 mm hervorstehen, was eine 20% Erhöhung des effektiven Oberflächenbereichs der unteren Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 302 und eine 18% Reduzierung in der Temperatur der gegenüberliegenden Oberfläche (z. B. der oberen Oberfläche 116) des Leistungselektroniksubstrats 302 bewirkt, verglichen mit einem Leistungselektroniksubstrat 302, bei welchem die Turbulenzen induzierenden oder hervorrufenden Einrichtungen 300 fehlen.
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Gemäß einer Ausführungsform, sind die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 aus demselben Material wie die Oberfläche 304 des Leistungselektroniksubstrats 302 gebildet. Zum Beispiel können, gemäß einer Ausführungsform, Abschnitte des Leistungselektroniksubstrats 302 selektiv entfernt werden (z. B. durch Ätzen, mechanisches oder spanendes Bearbeiten, Prägen, oder dergleichen) die Bereiche umgeben, wo die die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 in der Oberfläche 304 der Leistungselektronikplatine 302 ausgebildet werden sollen, was in Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 resultiert, die von der Oberfläche 304 der Leistungselektronikplatine 302 hervorstehen. In alternativen Ausführungsform können die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 montiert, gelötet, befestigt oder anderweitig auf der Oberfläche 304 des Leistungselektroniksubstrats 302 angebracht werden. In diesem Zusammenhang können die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 300 ein anderes thermisch leitfähiges Material als die untere Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 302 (z. B. untere Schicht 124) aufweisen, wie zum Beispiel Kohlefaser-Nanoröhren.
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Bezug nehmend nun auf 4, gemäß einer anderen Ausführungsform, weisen die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 Aussparungen oder Poren in der Oberfläche 404 (z. B. der unteren Oberfläche 114) des Leistungselektroniksubstrats 402 (z. B. des Leistungselektroniksubstrats 102) auf. Wie in 4 gezeigt ist, sind die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 symmetrisch und weisen im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte auf. Jedoch ist hervorzuheben, dass in anderen Ausführungsformen die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 verschiedene Querschnitte aufweisen können und/oder asymmetrisch sein können und 4 ist nicht dazu gedacht den Schutzumfang des Gegenstandes in irgendeiner Weise zu beschränken. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Tiefe (oder der Grad) der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400, um welche diese senkrecht in der Oberfläche 404 versinken, kleiner oder gleich zweimal der Dicke der laminaren thermischen Grenzschicht, die entlang der Oberfläche 404 des Leistungselektroniksubstrats 402 resultieren würde, bei Fehlen der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400. Zum Beispiel kann, gemäß einer Ausführungsform, die thermische Grenzschicht in der Abwesenheit der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 ungefähr 0.1 mm dick sein, wobei die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 von der Oberfläche 404 des Leistungselektroniksubstrats 402 um ungefähr 0.15 mm vertieft sind, was eine 20% Erhöhung des effektiven Oberflächenbereichs der unteren Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats 402 und eine 13% Reduzierung in der Temperatur der gegenüberliegenden Oberfläche (z. B. der oberen Oberfläche) des Leistungselektroniksubstrats 402 bewirkt, verglichen mit einem Leistungselektroniksubstrat 402, bei welchem die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 fehlen. Abschnitte des Leistungselektroniksubstrats 402 können selektiv entfernt werden (z. B. durch Ätzen, extrudieren, mechanisches oder spanendes Bearbeiten, Prägen, oder dergleichen), um vertiefte Einrichtungen 400 in der Oberfläche 404 des Leistungselektroniksubstrats 402 bereitzustellen. Beispielsweise können Abschnitte der Oberfläche 404 des Leistungselektroniksubstrats 402 in Bereichen, wo die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen 400 ausgebildet werden sollen, geätzt werden, um Abschnitte des Leistungselektroniksubstrats 402 zu entfernen, was in vertieften Regionen 400 relativ zu der Oberfläche 404 resultiert.
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Ein Vorteil des Systems und/oder des oben beschriebenen Verfahrens ist es, dass das Leistungselektroniksubstrat oder die Leistungselektronikplatine bzw. das Leistungselektronikträgermaterial ohne einen Kühlkörper gekühlt werden kann. Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen, welche auf der Oberfläche des Leistungselektronikmoduls vorgesehen und Kühlmittel ausgesetzt sind, erzeugen eine turbulente thermische Grenzschicht an der Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats und erhöhen den effektiven Oberflächenbereich des Leistungselektroniksubstrats, das dem Kühlmittel ausgesetzt ist, wobei dadurch die Wirksamkeit des direkten Substratkühlungsverfahrens verbessert wird. Abhängig von den Erfordernissen einzelner Anwendungen, sowie der verfügbaren Materialien und Herstellungstechniken, können die Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen von einer Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats hervorstehen oder in der Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats als Vertiefungen ausgebildet sein oder eine Kombination davon. Ferner kann die Größe, Form und/oder Anordnung der Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen modifiziert werden, um gewünschte Leistungs- oder Ausführungscharakteristiken einer einzelnen oder speziellen Anwendung zu erzielen.
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Während mindestens ein Ausführungsbeispiel in der vorgenannten detaillierten Beschreibung dargestellt wurde, soll davon ausgegangen werden, dass eine Vielzahl von Variationen existieren. Es soll davon ausgegangen werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder den Aufbau des beanspruchten Gegenstandes in irgendeiner Weise zu beschränken. Mehr noch will die vorgenannte detaillierte Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Fahrplan bzw. Plan zum Implementieren der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen geben. Es soll so verstanden werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und in der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang wie in den Ansprüchen abzuweichen, welche bekannte und vorhersehbare Äquivalenten mit umfasst zum Zeitpunkt der Einreichung der Patentanmeldung.
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WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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- 1. Ein Elektroniksubstrat aufweisend:
eine erste Oberfläche, die ausgebildet ist, elektrische Schaltkreise darauf angeordnet aufzuweisen;
eine zweite Oberfläche; und
eine Vielzahl von baulichen Einrichtungen auf der zweiten Oberfläche, wobei die baulichen Einrichtungen derart ausgebildet sind, eine turbulente Grenzschicht in einem Kühlmittel, das auf die zweite Oberfläche auftrifft, zu fördern.
- 2. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 1, wobei die Vielzahl von baulichen Einrichtungen integral mit der zweiten Oberfläche ausgebildet sind.
- 3. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 1, wobei mindestens eine bauliche Einrichtung von der Vielzahl von baulichen Einrichtungen von der zweiten Oberfläche hervorsteht.
- 4. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 3, wobei mindestens eine bauliche Einrichtung von der Vielzahl von baulichen Einrichtungen auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
- 5. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 3, wobei Abschnitte des Elektroniksubstrats in der Nähe wenigstens einer der baulichen Einrichtungen selektiv entfernt sind, um einen Vorsprung von der zweiten Oberfläche auszubilden.
- 6. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 1, wobei mindestens eine bauliche Einrichtung der Vielzahl von baulichen Einrichtungen eine Aussparung in der zweiten Oberfläche aufweist.
- 7. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 6, wobei eine laminare Grenzschicht entlang der zweiten Oberfläche vorhanden ist in Abwesenheit der Vielzahl von baulichen Einrichtungen, wobei die Tiefe der Aussparung kleiner als das Zweifache der Dicke der laminaren Grenzschicht ist.
- 8. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 1, wobei die Vielzahl von baulichen Einrichtungen gleichmäßig auf der zweiten Oberfläche verteilt sind.
- 9. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 1, wobei eine laminare Grenzschicht entlang der zweiten Oberfläche bei Fehlen der Vielzahl von baulichen Einrichtungen vorhanden ist, wobei eine Abmessung oder ein Abmaß (engl. dimension) der Vielzahl von baulichen Einrichtungen senkrecht zu der zweiten Oberfläche kleiner als das Zweifache der Dicke der laminaren Grenzschicht ist.
- 10. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 1, wobei eine laminare Grenzschicht entlang der zweiten Oberfläche bei Fehlen der Vielzahl von baulichen Einrichtungen vorhanden ist, wobei ein Trennabstand zwischen baulichen Einrichtungen der Vielzahl von baulichen Einrichtungen größer oder gleich der Dicke der laminaren Grenzschicht ist.
- 11. Ein Leistungswandlermodul, welches zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist, aufweisend:
ein Leistungselektroniksubstrat, welches eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die zweite Oberfläche elektrisch isoliert von der ersten Oberfläche ist, wobei die zweite Oberfläche eine Vielzahl von Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen aufweist, die ausgebildet sind Turbulenzen in einem Fluid in Kontakt mit der zweiten Oberfläche zu fördern; und
Wandlerschaltkreise, die auf der ersten Oberfläche vorgesehen sind.
- 12. Das Leistungswandlermodul nach der Ausführungsform 11, wobei das Leistungswandlermodul aufweist:
eine erste Schicht, wobei die erste Schicht elektrisch leitfähig ist und darauf angeordnete Wandlerschaltkreise aufweist;
eine zweite Schicht, wobei die zweite Schicht thermisch leitfähig ist und die Vielzahl von darauf angeordneten Turbulenzen hervorrufenden oder induzierenden Einrichtungen aufweist; und
eine Zwischenschicht angeordnet zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, wobei die Zwischenschicht eine elektrische Isolation zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht bereitstellt.
- 13. Das Leistungswandlermodul nach der Ausführungsform 11, ferner aufweisend einen Stützrahmen oder Trägerrahmen aufweisend eine oder mehrere Öffnungen die ausgebildet sind, dass ein Kühlmittel eine Schnittstelle mit der zweiten Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats bildet, wobei die Vielzahl von Turbulenzen hervorrufenden Einrichtungen eine turbulente Grenzschicht zwischen dem Kühlmittel und dem Leistungselektroniksubstrat fördern.
- 14. Das Leistungswandlermodul nach der Ausführungsform 13, wobei eine Abmessung oder ein Abmaß der Vielzahl von Turbulenzen hervorrufenden oder erzeugenden Einrichtungen senkrecht zu der zweiten Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats kleiner als die Zweifache Dicke der turbulenten Grenzschicht zwischen dem Kühlmittel und dem Leistungselektroniksubstrat ist.
- 15. Das Leistungswandlermodul nach Ausführungsform 11, wobei die Vielzahl von Turbulenzen erzeugenden Einrichtungen im Wesentlichen gegenüber liegend zu den Wandlerschaltkreisen sind.
- 16. Das Leistungswandlermodul nach Ausführungsform 11, wobei:
die zweite Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats ein erstes thermisch leitfähiges Material aufweist; und
die Turbulenzen erzeugenden Einrichtungen aus dem ersten thermisch leitfähigen Material ausgebildet sind.
- 17. Ein Elektronikmodul aufweisend:
ein Leistungselektroniksubstrat, aufweisend eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche eine Vielzahl von baulichen Einrichtungen aufweist;
Schaltkreise, welche auf der ersten Oberfläche angeordnet sind; und
einen Stützrahmen oder Trägerrahmen der ausgebildet ist, ein Leistungselektroniksubstrat aufzunehmen, wobei der Stütz- oder Trägerrahmen eine oder mehrere Öffnungen aufweist, die ausgebildet sind einem Kühlmittel zu erlauben auf die zweite Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats aufzutreffen, wobei die Vielzahl von baulichen Einrichtungen eine laminare Grenzschicht zwischen dem Kühlmittel und der zweiten Oberfläche des Leistungselektronikmoduls verhindern.
- 18. Das Elektronikmodul nach Ausführungsform 17, wobei eine Abmessung oder ein Abmaß der Vielzahl von baulichen Einrichtungen senkrecht zu der zweiten Oberfläche kleiner als das Zweifache der Dicke der laminaren Grenzschicht ist.
- 19. Das Elektronikmodul nach Ausführungsform 17, wobei ein Trennabstand zwischen baulichen Einrichtungen der Vielzahl von baulichen Einrichtungen größer als eine Dicke der laminaren Grenzschicht ist.
- 20. Das Elektroniksubstrat nach Ausführungsform 17, wobei die Vielzahl von baulichen Einrichtungen symmetrisch und gleichmäßig verteilt auf der zweiten Oberfläche des Leistungselektroniksubstrats vorgesehen sind.