(57)【要約】放熱装置は、少なくとも１つのパワーモジュールと、少なくとも１つのヒートシンク（１）と、を備える。パワーモジュールが回路基板（２）を備え、回路基板（２）上に冷却されるべき部品（３）が配置されている。ヒートシンク（１）が、回路基板（２）上に、冷却されるべき部品（３）の上を覆うように配置されている。冷却されるべき部品のうちの少なくとも１つの部品（３）上に、少なくとも１つの導熱素子（１００）が配置されている。導熱素子（１００）が、回路基板（２）から離れてヒートシンクの方向に回路基板（２）から延在する所定の構造を備える。導熱素子（１００）が、導熱素子（１００）の内部に放熱媒体を備える。【選択図】図２ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱装置であって、少なくとも１つのパワーモジュールと、少なくとも１つのヒートシンク（１）と、を備え、前記パワーモジュールが回路基板（２）を備え、前記回路基板（２）上に冷却されるべき部品（３）が配置され、前記ヒートシンク（１）が、前記回路基板（２）上に、冷却されるべき前記部品（３）の上を覆うように配置され、
冷却されるべき前記部品のうちの少なくとも１つの部品（３）上に、少なくとも１つの導熱素子（１００）が配置され、前記導熱素子（１００）が、前記回路基板（２）から離れて前記ヒートシンク（１）の方向に前記回路基板（２）から延在する所定の構造を備え、前記導熱素子（１００）が、前記導熱素子（１００）の内部に放熱媒体を備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記導熱素子（１００）がヒートパイプとして具体化されている装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記導熱素子（１００）が、前記放熱媒体が導入されている中空構造を備える、又は前記放熱媒体が内部で循環するよう構成されている中空構造を備える装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の装置であって、前記導熱素子（１００）が、冷却されるべき前記部品のうちの少なくとも１つの部品（３）上に別個の構成部分として配置されている、又は印刷方法を用いて前記ヒートシンク（１）に一体化されている装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の装置であって、前記導熱素子（１００）が、冷却されるべき前記部品のうちの少なくとも１つの部品（３）に面する、少なくとも１つの開口部を備え、前記放熱媒体が、前記開口部を介して、流出することができ、そして前記部品（３）と前記導熱素子（１００）との間隙を少なくとも部分的に充填するよう前記部品（３）と接触できる装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の装置であって、前記放熱媒体が、流体、気体、ナトリウム、又は放熱に適した他の材料である装置。
【請求項７】
放熱装置を製造する方法であって、前記放熱装置が、少なくとも１つのパワーモジュールと、少なくとも１つのヒートシンク（１）と、を備え、前記パワーモジュールが回路基板（２）を備え、前記回路基板（２）上に冷却されるべき部品（３）が配置され、前記ヒートシンク（１）が、前記回路基板（２）上に、冷却されるべき前記部品（３）の上を覆うように配置され、
第１ステップ（Ｓ１）において、少なくとも１つの第１導熱素子（１００）を、回路基板（２）上で、前記部品のうちの少なくとも１つの部品（３）上に配置し、前記導熱素子（１００）が、前記回路基板（２）から離れる方向に前記回路基板（２）から延在する所定の構造を備え、第２ステップ（Ｓ２）において、前記ヒートシンク（１）を、前記回路基板（２）の前記部品（３）及び前記部品（３）上に配置された少なくとも１つの導熱素子（１００）の上を覆うように配置し、前記導熱素子（１００）が前記導熱素子（１００）の内部に放熱媒体を備え、又は放熱媒体を、前記第１ステップ（Ｓ１）において若しくは前記第１ステップ（Ｓ１）の前に、又は前記第２ステップ（Ｓ２）において若しくは前記第２ステップ（Ｓ２）の後に、導入し、及び／又は、
代替的な第１ステップ（Ｓ１１）において若しくは前記第２ステップ（Ｓ２）において、前記ヒートシンク（１）を、前記回路基板（２）の前記部品（３）の上を覆うように取り付け、少なくとも１つの第２導熱素子（１００）を、前記ヒートシンク（１）を製造する際に前記ヒートシンク（１）に一体化させ、そして更なるステップにおいて、放熱媒体を、前記第２導熱素子及び／又は前記第１導熱素子（１００）に導入する方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、少なくとも１つの前記第１導熱素子又は前記第２導熱素子（１００）が開口部を備え、前記放熱媒体を、前記開口部を介して前記導熱素子（１００）に導入し、前記放熱媒体が前記部品（３）と前記導熱素子（１００）との間に存在する間隙を少なくとも部分的に充填可能とするために、前記開口部が前記部品（３）の方向に開放する方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、少なくとも１つの前記第１導熱素子又は前記第２導熱素子（１００）が開口部を備え、前記放熱媒体を、前記開口部を介して前記導熱素子（１００）に導入し、前記開口部を、前記放熱媒体を充填した後に閉鎖する方法。
【請求項１０】
請求項７〜９の何れか一項に記載の方法であって、前記導熱素子（１００）を、それぞれ、前記放熱媒体が内部で循環する所定の構造で構成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の放熱装置、及び請求項７の上位概念に記載の製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクス内及び制御装置内のヒートシンクのような放熱素子は、例えば回路基板上の構成部分又は構造の、多様な部品を冷却する役割を果たす。公差及び既存の表面状態によって、ヒートシンクを熱伝導のために直接に部品に接触させることは、最適ではない。そのため、従来既知の放熱ストラテジーにおいては、より良好な熱接続のために、図１に符号４で示すような間隙をブリッジして熱伝導する層を、導入する必要があった。そうした間隙をブリッジして熱伝導する層４は、サーマルグリース又はいわゆるギャップフィラーとすることができる。ギャップフィラーは、対応する部品３、つまり、例えば回路基板２上の構成部分、構造又はビアの上に配置されている。サーマルグリースとギャップフィラーの両方共が、一定の層厚を必要とする。そうした媒体の熱伝導率は、通常金属よりも悪い。これによって、ヒートシンク１を介する放熱が影響を受け、最大放散が低減される。
【０００３】
既知の放熱装置の更なる欠点は、製造の際に、熱伝導層４を製造するために、別個の工程ステップが必要なことでもある。さらに、熱を分配する必要があるために、蓄熱を引き起こさないよう、ヒートシンクの断面積を大きくしなければならない。このために、装置の取り付けの際に、スペース上の問題が発生する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の課題は、前述の欠点を克服する放熱装置、及びその装置を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、本発明に従って、独立請求項の特徴により解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
【０００６】
放熱装置を提供する。放熱装置は、少なくとも１つのパワーモジュールと、少なくとも１つのヒートシンクと、を備える。パワーモジュールが回路基板を備え、回路基板上に冷却されるべき部品が配置されている。ヒートシンクが、回路基板上に、冷却されるべき部品の上を覆うように配置されている。冷却されるべき部品のうちの少なくとも１つの部品上に、少なくとも１つの導熱素子が配置されている。導熱素子が、回路基板から離れてヒートシンクの方向に回路基板から延在する所定の構造を備える。導熱素子が、導熱素子の内部に放熱媒体を備える。
【０００７】
さらに、パワーモジュールとは、回路基板と、回路基板上に配置された、例えば半導体素子である少なくとも１つの電力素子と、を備える装置、と理解される。
【０００８】
一実施形態において、導熱素子はヒートパイプとして具体化されている。一実施形態において、導熱素子は、放熱媒体が導入されている中空構造を備える、又は放熱媒体が内部で循環するよう構成されている中空構造を備える。
【０００９】
一実施形態において、導熱素子は、個別の構成部分として冷却されるべき部品のうちの少なくとも１つの部品上に配置されている、又は印刷方法を用いてヒートシンクに一体化されている。
【００１０】
一実施形態において、導熱素子は、冷却されるべき部品のうちの少なくとも１つの部品に面する、少なくとも１つの開口部を備える。放熱媒体は開口部を介して、流出することができて、部品と導熱素子との間隙を少なくとも部分的に充填するよう部品と接触できる。
【００１１】
一実施形態において、放熱媒体は、流体、気体、ナトリウム、又は放熱に適した他の材料である。
【００１２】
本発明による、放熱装置を製造する方法を提案する。放熱装置は、少なくとも１つのパワーモジュールと、少なくとも１つのヒートシンクと、を備える。パワーモジュールが回路基板を備え、回路基板上に冷却されるべき部品が配置されている。ヒートシンクが、回路基板上に、冷却されるべき部品の上を覆うように配置される。第１ステップにおいて、少なくとも１つの第１導熱素子を、回路基板上で、部品のうちの少なくとも１つの部品上に配置する。第１導熱素子が、回路基板から離れる方向に回路基板から延在する所定の構造を備える。第２ステップにおいて、ヒートシンクを、回路基板の部品及び部品上に配置された少なくとも１つの導熱素子の上を覆うように配置する。導熱素子が導熱素子の内部に放熱媒体を備える、又は放熱媒体を、第１ステップにおいて若しくは第１ステップの前に、又は第２ステップにおいて若しくは第２ステップの後に、導入する。及び／又は代替的な第１ステップにおいて若しくは第２ステップにおいて、ヒートシンクを、回路基板の部品の上を覆うように取り付ける。少なくとも１つの第２導熱素子を、ヒートシンクを製造する際にヒートシンクに一体化させる。そして更なるステップにおいて、放熱媒体を、第２導熱素子及び／又は第１導熱素子に導入する。
【００１３】
一実施形態において、少なくとも１つの第１導熱素子又は第２導熱素子は開口部を備える。放熱媒体を、この開口部を介して導熱素子に導入する。放熱媒体が部品と導熱素子との間に存在する間隙を少なくとも部分的に充填可能とするために、開口部が部品の方向に開放する。
【００１４】
一実施形態において、少なくとも１つの第１導熱素子又は第２導熱素子は開口部を備える。放熱媒体を、この開口部を介して導熱素子に導入する。開口部を、放熱媒体を充填した後に閉鎖する。
【００１５】
一実施形態において、導熱素子を、それぞれ、放熱媒体が内部で循環する所定の構造で構成する。
【００１６】
個別にヒートシンク内に突出する導熱素子を、多様な構造及び設計で提供することによって、放熱性能又は熱分配が、装置全体で改善される。導熱素子の構造が個々に製造可能であるため、各部品に対して適合させた放熱及び熱分配が、ヒートシンクにおいて達成される。放熱媒体を導熱素子内に供給することによって、ヒートシンク内部への放熱又は熱分配の追加的な改善を保証できる。さらに、導熱素子の開放構造において、部品と導熱素子との僅かな間隙を、放熱媒体を間隙に侵入させることによってブリッジできる。これによって、放熱が更に改善される。
【００１７】
装置を製造する方法は、部品を個別に供給可能であり、３Ｄ印刷を製造に使用できるという可能性のため、又はそれらを組み合わせることによって、単純化され、費用対効果に優れている。さらに、各部品に対して、個別にこれらの部品に対して切断した導熱素子を製造可能である。そのため、各部品に対して最適な放熱を、保証することができる。
【００１８】
本発明の更なる特徴及び利点は、本発明による詳細を示す図面を参照する、本発明の実施形態に関する以下の記載、及び特許請求の範囲から明らかとなる。個々の特徴は、個別に、又は随意に組み合わせて、本発明の変形実施形態において実現されてよい。
【００１９】
本発明の好適な実施形態を、以下に添付の図面を参照して詳説する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】先行技術による放熱装置の図である。
【図２ａ】本発明による放熱装置の異なる実施形態の図である。
【図２ｂ】本発明による放熱装置の異なる実施形態の図である。
【図２ｃ】本発明による放熱装置の異なる実施形態の図である。
【図３】本発明の実施形態による方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を参照する以下の記載では、同一の素子又は同一の機能には、同一の符号を付している。
【００２２】
ヒートシンクと回路基板上に配置された部品との間の、より良好な熱接続又は放熱のために、本発明による方法に基づいて、中間層を省略できる。ヒートシンクを、より良好に導熱的に接続するために、導熱素子を直接にヒートシンクに一体化させる、又は別個の構成部分として製造時に一体化させることができる。導熱素子は、特別な構造を備える。導熱素子が、好適には、以下で単に媒体と称する熱伝導媒体で少なくとも部分的に充填されている。この場合媒体は、循環の有無にかかわらず閉じられた導熱素子内に存在できる、又は媒体が対応する部品と接触できる、つまり導熱素子が部品の方向に開いた構造を備え、その部品上に導熱素子が配置されている。導熱素子は、個別の構成部分として購入又は製造可能であり、そして１つ又は複数の部品上に取り付け、装置に一体化させる。この場合、例えば、回路基板及び部品を、それらの上に配置された導熱素子と共に３Ｄ印刷を用いて転写することによって、ヒートシンクに一体化できる。
【００２３】
図２ａ乃至図２ｃにおいて、本発明の異なる可能な実施形態による放熱素子を示す。
【００２４】
図示の実施形態をそれぞれ、以下に個別に説明する。用途に応じて、実施形態に示す異なる放熱素子の組み合わせを使用できる。記載は、冷却されるべき部品に関する。回路基板は、冷却される必要の無い更なる構成部分を備えてもよい。
【００２５】
図２ａは、ヒートパイプとして具体化され、回路基板２の部品３上に配置された導熱素子１００を示す。好適には、ヒートパイプ１００が、個別に製造又は購入された構成部分として、熱が放散される部品３上に配置されている。つまり、ヒートパイプ構造は部品３と直接には接触していない。これによって、装置全体の構造が単純化される。なぜなら、部品３と直接に接触する場合、ヒートパイプ１００の複雑な構造を、部品上に、例えば印刷方法を用いて構築しなければならないためである。ヒートパイプ１００の複雑な構造を、ヒートパイプ１００を直接にヒートシンク１に刻印して実現する必要がある。しかしながら、ヒートシンク１に埋め込まれる、つまりヒートシンク１に包囲され、好適には転写される構成部分を個別に準備する場合よりも、より良好な熱接続が存在する。この点で、特定の実施形態においては、ヒートパイプを、部品上又はヒートシンク内に構築できる。ヒートパイプは、先行技術から既知であり、本明細書中ではより詳細には記載しない。基本的に、ヒートパイプは、複雑な内部分岐又は毛細管を有する閉じた管状構造を備える。熱供給に起因して蒸発する媒体が、複雑な分岐又は毛細管を通って循環し、熱を外部に放散する。
【００２６】
図２ｂは、タワー状に構成された導熱素子１００を示す。導熱素子１００が、その内部に放熱のための媒体を備える。この場合に備えられた媒体は、不動であり、つまり循環しない。図２ｃは、中央管を有する管状ドームとして構成された導熱素子１００を示す。この導熱素子１００の場合、その構造によって、媒体が循環する。この場合循環は、回路基板２から離れ、中央管を経て、その後左右に分岐し、管状ドームを経て再度底部へと流れ、そして再び中央で上昇する。
【００２７】
図２ｂ及び図２ｃに示す導熱素子１００の実施形態、及びその変更形態は、直接に部品３に、例えばヒートシンク１と同じステップで、印刷できる。導熱素子１００を、個別の構成部分として製造又は購入することもできる。導熱素子１００の内部には、例えば流体、気体、又はナトリウムのような特殊金属である放熱媒体が存在する。この媒体は、別個に提供された構成部分において、既に構成部分内に存在してよく、又は後に構成部分に導入されてもよい。導熱素子１００をヒートシンク１と共に製造する場合、例えば、３Ｄ印刷等の印刷方法を用いて、ヒートシンク１が完成した後に、媒体を導熱素子１００に導入できる。
【００２８】
媒体を導入するために、開口部が備えられてよい。開口部を、導熱素子１００において、冷却されるべき部品３に面する側に配置することが好適である。この開口部は、用途に応じて、媒体が充填された後も、開いたままでよく、又は例えば印刷、接着、又は他の方法で固定可能な薄層で閉じられてもよい。開口部が閉じられない場合、媒体は、開口部から流出可能であり、製造プロセスの結果として存在し得る、部品３と導熱素子１００との間隙を、少なくとも部分的に充填できる。これによって、この間隙がブリッジされ、放熱を更に向上させることができる。
【００２９】
図２ｂ及び図２ｃに示す導熱素子４の構造は、放熱されるべき部品３に応じて、異なって具体化されている。当業者は、使用すべき導熱素子１００の正確な構造を、経験に従って、実験又は計算又はシミュレーションから、決定することができる。また既述のように、使用すべき導熱素子１００の正確な構造は、放熱されるべき部品及び利用可能な製造方法に左右される。
【００３０】
図２ｂに示す実施形態は、中空体から構成されてよい。この中空体は、上に向かって、つまり回路基板２から離れてヒートシンク１内部へ拡大し、例えば球体、又は他の拡大構造又は分岐構造で終端してよい。上に向かって先細りの構造も可能である。また、好適にはヒートシンク１内へ回路基板２から離れて、上に向かって分岐する、媒体で充填された構造も考えらえる。冷却されるべき対応する部品３に対して、十分な又は所定の放熱が達成され、対応する導熱媒体で充填され得る限り、他の構造も同様に可能である。媒体の充填に起因して、これらの構造は、媒体を受容可能とするために、少なくとも部分的に、例えば管状等の中空でなければならない。図２ｂに示す構造は、放熱媒体を静止状態に保つために備えられている。つまりこの場合、好適には、構造又は導熱素子１００の内部では、媒体が循環しない。
【００３１】
図２ｃに示す実施形態は、図２ｂに示す実施形態とは、図２ｂにおいては媒体が内部で独立して循環する構造が選択されている点で異なる。この熱循環を、導熱素子１００の内部の追加構造、例えば障害物によって、更に改善できる。図２ｃに見られるように、構造は、媒体が２つのサイクルで循環するよう構成されてよい。この実施形態においては、既述のように、媒体が、中央で上昇し、そして管状に構成されたドームの両側上で再度落下する。従って、熱は、導熱素子１００の内部の流れによって、自己完結的にヒートシンク１内に放散される。可能な構造の更なる例は、タワー形状、チムニー形状、細長い形状、砂時計の形状、又は上昇分岐及び／又は下降分岐を備える他の形状である。これらの形状において、媒体が、実質的に、好適には完全に、独立して循環する。
【００３２】
原則的に、３Ｄ印刷又は他の印刷方法を用いて構造の周囲に印刷する可能性によって、その場合に製造方法を複雑化することなく、放熱に最適で多様な構造を備えることができる。導熱素子１００をヒートシンク１と同時に印刷する場合、多様な印刷技術によって、複雑な構造をほぼ随意に製造できる。
【００３３】
図３において、本発明の装置を製造するためのフローチャートを示す。放熱装置は、この場合、少なくとも１つのパワーモジュールと、少なくとも１つのヒートシンクと、を備える。パワーモジュールが回路基板を備え、回路基板上に冷却されるべき部品３が配置されている。ヒートシンクが、回路基板２上に、冷却されるべき部品３の上を覆うように配置されている。
【００３４】
導熱素子１００の実施形態に応じて、２つの異なる製造する方法が可能である。
【００３５】
上述の導熱素子１００のうちの１つ又は複数の導熱素子を、個別の構成部分として配置すべき場合に、第１ステップＳ１において、それらを、部品のうちの少なくとも１つの部品３上に配置する。実施形態に応じて、複数の部品３に導熱素子１００を装備できる。又は、１つの部品３のみに導熱素子１００を装備する。回路基板２上の全ての部品３が導熱素子１００を装備すべき、というわけではない。後述するように、他の方法で製造された導熱素子１００を、同様に、同一の回路基板２上で、しかしながら他の部品３上に配置してもよい。
【００３６】
この場合、導熱素子１００は、その内部に既に放熱媒体を備えることができる。又は、媒体を、例えば第２ステップ又は続くステップ等である更なるステップにおいて、導入する。この場合、上述のように開口部が存在してよい。開口部は、開いたままであるか、又は閉じられる。この場合、（薄い）層を開口部上に印刷することによって、閉鎖できる。しかしながら、開口部を閉鎖し、媒体の流出を防ぐために、プレート又は他の閉鎖媒体を使用することもできる。
【００３７】
第２ステップＳ２において、ヒートシンク１を、回路基板２の部品３及び部品上に配置された少なくとも１つの導熱素子１００の上を覆うように配置する。この場合、ヒートシンク１を、上述のように、例えば３Ｄ印刷方法を用いて印刷することが好適である。
【００３８】
代替的に、以下で第２導熱素子１００と称する上述の導熱素子１００のうちの１つ又は複数の導熱素子を、代替的な第１ステップＳ１１において、ヒートシンクと共に、例えば印刷して製造することができる。この第１ステップＳ１１は、上述の第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２を、単一のステップＳ１１に統合したものである。
【００３９】
個別の導熱素子１００と、１つ又は複数の第２導熱素子１００の両方を、装置に統合すべきである場合、上述のステップＳ１、Ｓ２、及びＳ１１を組み合わせる。つまり、まず第１ステップＳ１において、１つ以上の個別の導熱素子１００を取り付ける。そして第２ステップＳ２において、ヒートシンク１をこれらの導熱素子１００の上を覆うように取り付け、同時に、１つ又は複数の一体化された第２導熱素子１００を備えるヒートシンク１を他の部品３の上を覆うように取り付ける。その後、放熱媒体を、まだ放熱媒体が充填されていない導熱素子１００に導入する。この場合、上述のように、開口部が残るか、存在してよい。開口部は、開いたままであるか、又は閉じられる。この場合、（薄い）層を開口部上に印刷することによって、閉鎖できる。しかしながら、開口部を閉鎖し、媒体の流出を防ぐために、プレート又は他の閉鎖媒体を使用することもできる。
【００４０】
実施形態に応じて、上述のように、導熱素子１００のための両方の製造の種類を組み合わせることもできる。従って、個別の構成部分として供給された導熱素子１００を、ヒートシンク１と一緒に製造された導熱素子１００と共に、回路基板２上に供給できる。媒体を、実施形態に応じて、既に事前充填できる、又は可能であれば、製造ステップのうちの１つのステップの間、若しくは装置の製造の後に、充填できる。
【００４１】
本発明による放熱装置及び方法によって、もはや、ヒートシンクと部品との間に中間層を挿入する必要がない。従って、工程のステップが削減される。さらに、多様な形状を、ヒートシンクに放熱するための導熱素子に使用することが可能である。なぜなら、導熱素子を、例えばヒートシンクと共に転写できるためである。各部品に対して個別の構造が可能であるため、費用のかかる複雑な追加の方法のステップを導入することなく、各部品を目的とする放熱を提供できる。
【符号の説明】
【００４２】
１  ヒートシンク
２  回路基板
３  部品、例えば構成部分、構造、ビア、又はスルーホール等
４  放熱層、ギャップフィラー
１００  導熱素子
【図１】
2019533903.tif 000003
【図２ａ】
2019533903.tif 000004
【図２ｂ】
2019533903.tif 000005
【図２ｃ】
2019533903.tif 000006
【図３】
2019533903.tif 000007
【国際調査報告】
2019533903.tif 000008
2019533903.tif 000009
2019533903.tif 000010
2019533903.tif 000011