DE10039927B4 - Oberflächenmontierbares Gehäuse für ein elektronisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Oberflächenmontierbares Gehäuse für ein elektronisches Bauelement mit einem das Bauelement (2) aufnehmenden Formkörper (1), einer mit dem Formkörper (1) verbundenen und vom umgebenden Formkörper (1) nach unten aus dem Formkörper herausragenden Wärmesenke (3) auf einer Lotpaste (4) zur Zufuhr und Abfuhr von Wärmeenergie zum Aufschmelzen von Lotpaste (4), die zur mechanischen Verbindung zwischen dem Gehäuse und einem Pad (5) auf einem Schaltungsträger (6) dient, elektrischen Zuführungen (9), die von dem Bauelement (2) zu Leiterbahnen (7) auf dem Schaltungsträger (6) führen, und Strömungshilfen (11, 12), wobei Teile (11) der Strömungshilfen durch Abschrägungen (11) des Formkörpers (1) gebildet sind in der Weise, dass der Gehäuseboden beginnend an der Wärmesenke (3) nach aussen hin hochgezogen ist mit Bildung eines sich verjüngenden Spaltes zwischen dem Gehäuse und dem Schaltungsträger (6).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein oberflächenmontierbares Gehäuse für ein elektronisches Bauelement, mit einem das Bauelement aufnehmenden Formkörper, auch "Molded Body" genannt, einer mit dem Formkörper verbundenen und vom umgebenden Formkörper nach unten aus dem Formkörper herausragenden Wärmesenke, auch "Heatslug" genannt, auf einer Lotpaste zur Zufuhr und Abfuhr von Wärmeenergie zum Aufschmelzen von Lotpaste, die zur mechanischen Verbindung zwischen dem Gehäuse und einem Pad (Kontaktfläche) auf einem Schaltungsträger (Printed Circuit Board bzw. PCB) dient, und mit elektrischen Zuführungen, die von dem Bauelement zu Leiterbahnen auf dem Schaltungsträger führen. Die Lotpaste ist dabei ein Beispiel eines wärmeleitenden Stoffes, der vom Heatslug kontaktiert ist und neben einer mechanischen Verbindung gegebenenfalls auch eine elektrische Verbindung herstellt.
  • SMD-Bauelemente (SMD = "Surface Mounted Device" bzw. oberflächenmontierte Vorrichtung) haben bekanntlich als Löt- und/oder Klebestellen ausgeführte Fügestellen an mindestens einer ihrer Gehäuseseiten, also z. B. an der Oberflächenseite, mit der sie auf einen Schaltungsträger, also insbesondere eine Leiterplatte, oder auch auf einen Kühlkörper montiert werden. Diese Fügestellen befinden sich nach dem Bestücken der Leiterplatte mit Bauelementen zwischen diesen Bauelementen und dem jeweiligen Fügepartner. Ein Beispiel hierfür ist die Lötstelle zwischen einer Leiterplatte und dem nach unten aus einem Bauelement-Gehäuse herausgeführten Heatslug zur Wärmeabfuhr eines in dem Gehäuse enthaltenen Leistungshalbleiter-Bauelements.
  • An den Fügestellen werden nach Bestücken der Leiterplatte mit den Bauelementen die entsprechenden Fügeverbindungen durch Erwärmung und anschließende Abkühlung hergestellt. Bei der Erwärmung wird beispielsweise Lotpaste aufgeschmolzen. Die zur gezielten Temperaturführung an den einzelnen Fügestellen eingesetzten Aufschmelz- bzw. Reflow-Systeme benutzen überwiegend den physikalischen Effekt einer erzwungenen Konvektion. Maßgeblich für die bei dieser Konvektion stattfindende Wärmeübertragung ist neben der Oberflächenbeschaffenheit der zu erwärmenden Körper, also speziell der Heatslugs, vor allem die Strömungsgeschwindigkeit eines für die Erwärmung verwendeten Prozeßgases parallel zur Oberfläche des zu erwärmenden Körpers.
  • Die verschiedenen Fügestellen von Bauelementen auf einem Schaltungsträger, also der gedruckten Schaltungsplatte, werden bei den derzeit üblichen, eine erzwungene Konvektion ausnutzenden Reflow-Systemen simultan erwärmt. Hierbei treten aber Schwierigkeiten auf, da einerseits die verschiedenen Fügestellen unterschiedliche Wärmekapazitäten besitzen und andererseits die erzwungene Konvektion an diesen Fügestellen in Abhängigkeit von deren Geometrie unterschiedlich stark ausgeprägt ist.
  • Eine Folge dieser Schwierigkeiten liegt darin, daß eine gleichmäßige Erwärmung der Fügestellen auf der gedruckten Schaltungsplatte nicht gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten, es liegt eine ungleichmäßige Erwärmung der Fügestellen vor.
  • Dies gilt insbesondere für die Erwärmung der Fügestellen zwischen dem Bauelement und der gedruckten Schaltungsplatte, da dort die Strömungsgeschwindigkeit des Prozeßgases im Vergleich zu gut zugänglichen Fügestellen auf der gleichen Schaltungsplatte deutlich geringer ist. Infolge dieser geringeren Strömungsgeschwindigkeit wird auch eine deutlich geringere Wärmemenge durch Konvektion übertragen, so daß hier nur eine abgeschwächte oder langsame Erwärmung des Heatslugs eintritt.
  • Um den oben aufgezeigten Schwierigkeiten zu begegnen, wird derzeit bei einem simultanen Montageprozeß, der planmäßig von allen auf einer Schaltungsplatte anzubringenden Bauelementen, also Halbleiterbauelementen und passiven Bauelementen usw., durchlaufen wird, der ungleichmäßige Wärmebedarf der Bauelemente durch einen entsprechend großen Wärmeüberschuß während des Prozesses gelöst. Das heißt, dieser Wärmeüberschuß wird so gewählt, daß auch das am schwierigsten zu erwärmende Bauelement seine geforderte Mindesttemperatur erreicht, so daß die Lotpaste an ihrem Heatslug aufschmelzt.
  • Offenbar ist an diesem Vorgehen nachteilhaft, daß gut zu erwärmende Bauelemente sich leicht durch den Wärmeüberschuß überhitzen können, was einen Ausfall dieser Bauelemente bzw. eine geringere Lebensdauer von diesen zur Folge haben kann. Auch wird auf diese Weise unnötig Wärmeenergie verbraucht.
  • Weitere Probleme treten bei der Reparatur eines Bauelementes auf einer Schaltungsplatte auf: bei einem erforderlichen Temperaturschritt wird nämlich das zu reparierende Bauelement zum Auslöten selektiv erwärmt, wofür wie zum Einlöten eine Mindesttemperatur erreicht werden muß. Dabei sollten aber benachbarte bzw. an das zu reparierende Bauelement angrenzende Bauelemente möglichst wenig erwärmt werden. Aus diesem Grund werden lokal wirkende Heizsysteme eingesetzt, die an die spezielle Geometrie der verschiedenen Bauelemente angepaßt sind. Die Geometrie der Bauelemente ist dabei so ausgeführt, daß diese den Reparaturanforderungen entsprechend selektiv erwärmt werden können.
  • Beispielsweise ist so der Heatslug von Gehäusen für Leistungsbauelemente nicht nur zur Unterseite des Gehäuses herausgeführt, sondern ragt auch seitlich an dem Gehäuserand heraus. Das aus Kunststoff bestehende Gehäuse besitzt an diesem Rand Aussparungen, so daß der Heatslug hier für das Aufsetzen eines Heizstempels zugänglich ist. Die Erwärmung er folgt dann durch Wärmeleitung von dem Heizstempel in den Heatslug.
  • Obwohl auf diese Weise ausreichend Wärmeenergie zum Auslöten des Bauelements zugeführt werden kann, ist ein Nachteil dieses Vorgehens darin zu sehen, daß an den ausgesparten Gehäusestellen keine am Rand herausgeführten Anschlußbeine zur Übertragung von elektrischen Signalen angebracht werden können. Das heißt, die Anzahl der zur Verfügung stehenden und in ihrem Potential getrennten Anschlüsse ist durch einen solchen für einen Heizstempel zugänglichen Heatslug reduziert.
  • Aus den Druckschriften US 5,731,632 , DE 4 017 697 A1 und JP 04171749 A sind jeweils oberflächenmontierbare Gehäuse für elektronische Bauelemente bekannt, mit einem das Bauelement aufnehmenden Formkörper, einer mit dem Formkörper verbundenen und vom umgebenden Formkörper nach unten aus dem Formkörper herausragenden Wärmesenke zur Abfuhr von Wärmeenergie und zur mechanischen Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Schaltungsträger mit seitlich aus dem Formkörper herausgeführten elektrischen Zuführungen.
  • Die in den oben genannten Druckschriften offenbarten Gehäuse weisen zudem Abschrägungen bzw. Abstufungen an der Unterseite der Formkörper auf und teilweise Rillen in den Wärmesenken als zusätzliche Strömungshilfen.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein oberflächenmontierbares Gehäuse für ein elektronisches Bauelement zu schaffen, bei dem durch die Gehäuseform eine noch gleichmäßigen Wärmeübertragung durch Konvektion erreicht werden kann und gezielt Wärme zugeführt oder abgeführt. werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein oberflächenmontierbares Gehäuse für ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Durch diese Strömungshilfen wird also entsprechend dem im Reflow-Prozeß genutzten physikalischen Effekt der Wärmeübertragung durch Konvektion das Gehäuse strömungsgünstig gestaltet. Erfindungsgemäß ist bei Leistungsbauelementen der Gehäuseteil, der den nach unten herausgeführten Heatslug umgibt, so geformt, daß der Zutritt des heißen Prozeßgases an dem zu erwärmenden Heatslug optimiert ist.
  • Mit anderen Worten, das Gehäuse besitzt die Strömungshilfen zur Lenkung von Zuluft und Abluft. Die Strömungshilfen bestehen teilweise aus Abschrägungen, bei denen der Gehäuseboden, beginnend an dem Heatslug, nach außen hin hochgezogen ist. Für die von außen anströmende Luft ergibt sich dann ein sich verjüngender Spalt zwischen dem Gehäuse und der Schaltungsplatte. Die auf diese Weise erzielte maximale Spaltweite am Gehäuserand ermöglicht so einen guten Eintritt der erwärmten Luft. Der von dieser Eintrittsstelle aus abnehmende Spaltquerschnitt in Strömungsrichtung bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit eine größere Wärmeübertragung an dem Heatslug.
  • Die Strömungshilfen können flächig gestaltet sein und bestehen teilweise aus Abschrägungen, wie dies oben erläutert wurde. Es ist aber auch möglich, für diese Strömungshilfen zusätzlich zu den Abschrägungen noch Bohrungen oder Aussparungen oder Rippen zur Lenkung der Strömung vorzusehen.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der vorzugsweise nach unten aus dem Gehäuse herausgeführte und auf die Schaltungsplatte gelötete Heatslug speziell für die Erwärmung durch Konvektion gestaltet. Hierzu wird die Unterseite dieses Heatslugs mit Rillen zur Strömungsführung versehen. Diese Rillen können einen konstanten Querschnitt von beispielsweise 0,3 mm x 0,3 mm haben oder einen sich verän dernden Querschnitt aufweisen. Bei einem solchen sich verändernden Querschnitt der Rillen ist beispielsweise dieser in der Mitte des Heatslugs größer als an den Rändern.
  • Nachdem das Bauelement auf die Schaltungsplatte aufgesetzt wurde, bilden die Rillen Strömungskanäle und erfüllen so zwei vorteilhafte Funktionen: Sie werden nämlich während der Aufheizphase in einem Reflow-System von Heißgas durchströmt und tragen so dazu bei, den Heatslug und die gesamte Lötstelle auf die Schmelztemperatur der Lotpaste zu erwärmen.
  • Weiterhin bilden die Strömungskanäle beim Aufschmelzen der Lotpaste Abluftkanäle, durch welche Flußmittelbestandteile der Lotpaste, welche etwa 50 Vol.-% von dieser ausmachen, entweichen können. Dadurch wird die Lunkerbildung an der Lötstelle erheblich reduziert, was zu einer hohen Qualität der Lötstelle selbst beiträgt.
  • Das erfindungsgemäße Gehäuse für SMD-Bauelemente nützt in vorteilhafter Weise die Gesetzmäßigkeiten der Strömungsmechanik und der Thermodynamik aus, um sonst schwer zu erwärmende Leistungsbauelemente mit einem nach unten herausgeführten Heatslug gezielt an die Bedürfnisse der Erwärmung zum Beispiel in Reflow-Systemen anzupassen.
  • Damit weicht die vorliegende Erfindung vom bisherigen Stand der Technik grundsätzlich ab: Während nämlich beim Stand der Technik die Bauelemente als konstante Größe angesehen werden und die Prozesse zur Erwärmung soweit als möglich an die Bauelemente angepaßt sind, wird das erfindungsgemäße Gehäuse mit speziellen Strömungshilfen versehen, wofür der Heatslug entsprechend strukturiert und gezielt für eine optimale Wärmezufuhr durch Konvektion gestaltet wird.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gehäuses und
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gehäuses.
  • In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen Formkörper 1 aus beispielsweise Epoxydharz, in welchem ein Bauelement 2, z.B. ein Halbleiterkörper mit einem Leistungstransistor, untergebracht ist. Der Formkörper 1 ist mit einem aus Kupfer bestehenden Heatslug 3 ausgestattet, der über Lotpaste 4 mit einem aus Kupfer bestehenden Pad 5 (Kontakt- oder Anschlußfläche) verbunden werden soll, welches auf einer gedruckten Schaltungsplatte oder Leiterplatte 6 als einem Beispiel eines Schaltungsträgers gelegen ist. Die Leiterplatte 6, die auch als Kühlkörper wirkt, ist außerdem mit einer Leiterbahn 7 versehen, die über Lotpaste 8 mit einer elektrischen Zuführung 9 des Leistungstransistors 2 verbunden werden soll. Die Zuführung 9 ist über einen Draht 13 elektrisch an den Leistungstransistor 2 angeschlossen. Die gedruckte Schaltungsplatte 6 ist schließlich auf einer aus Aluminium bestehenden Wärmesenke 10 angeordnet.
  • Der Formkörper 1 weist eine Abschrägung 11 auf, die eine Strömungshilfe für das Gehäuse bildet. Diese Abschrägung 11 erlaubt es, Heißluft zu dem Heatslug 3 so strömen zu lassen, daß dieser rasch erwärmt wird und ein Schmelzen der Lotpaste 4 bzw. 8 bewirkt, um eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem Heatslug 3 und dem Pad 5 bzw. zwischen der Zuführung 9 über die Lötpaste 8 mit der Leiterbahn 7 herzustellen.
  • Der Steigungswinkel der Abschrägung 11 kann abhängig von der verwendeten Strömungsgeschwindigkeit der Heizluft in geeigneter Weise festgelegt werden.
  • Es können auch noch andere Strömungshilfen, wie Aussparungen im Formkörper 11 oder Rippen zur Lenkung der Strömung eingesetzt werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gehäuses. Bei diesem sind Rillen 12 zur Strömungsführung in der Unterseite des Heatslugs 3 vorgesehen. Diese Rillen können eine konstante Querschnittsfläche mit Abmessungen von beispielsweise etwa 0,3 mm x 0,3 mm haben oder einen sich verändernden Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können die Rillen in der Mitte des Heatslugs 3 tiefer als an dessen Rändern sein. Selbstverständlich sind aber auch andere Gestaltungen dieser Rillen 12 möglich. So können die Rillen 12 auch einen halbkreisförmigen oder nach unten spitz zulaufenden Querschnitt besitzen.
  • Nachdem das Bauelement mit dem Gehäuse 1 und dem Heatslug 3 auf die Schaltungsplatte 6 aufgesetzt wurde, bilden die Rillen 12 Strömungskanäle und erfüllen dabei zwei vorteilhafte Funktionen, wie dies bereits oben erläutert wurde: Während einer Aufheizphase in einem Reflow-System werden sie von Heißgas durchströmt und tragen so dazu bei, den Heatslug 3 und die gesamte Lötstelle bis auf die Schmelztemperatur der Lotpaste 4 bzw. 8 zu erwärmen. Beim Aufschmelzen der Lotpaste 4 bzw. 8 bilden die Strömungskanäle 12 dann Ablaufkanäle, durch welche die Lotpasten- bzw. Flußmittelbestandteile der Lotpaste 4 bzw. 8, die bis zu etwa 50 Vol.-% betragen können, ausgegast bzw. abgeführt werden.
  • Das Prinzip der Erwärmung durch das Strömen eines Heißgases durch Strömungskanäle im Heatslug 3 kann auch zum Trennen der Fügung von dem Heatslug 3 und dessen Fügepartner, also bei spielsweise der Leiterplatte, angewandt werden, wenn als Beispiel eine Reparatur vorgenommen werden soll.
  • Diese Kanäle 12 sind mit einer Abschrägung 11 kombiniert, wie dies im Beispiel von 2 gezeigt ist.
  • Die angegebenen Materialien können auch durch andere geeignete Stoffe ersetzt werden. So kann für die Wärmesenke 10 anstelle von Aluminium auch ein anderes geeignetes Metall gewählt werden. Ebenso kann anstelle von Kupfer für den Heatslug 3 ein anderes, gut wärmeleitendes Material eingesetzt werden. Schließlich braucht der Formkörper 11 nicht aus Epoxydharz zu bestehen. Auch andere geeignete Isolierstoffe sind geeignet, um aus diesen den Formkörper 1 zu erzeugen.
    • 1
    Formkörper
    2
    Bauelement
    3
    Heatslug
    4
    Lotpaste
    5
    Pad
    6
    Schaltungsplatte
    7
    Leiterbahn
    8
    Lotpaste
    9
    Zuführung
    10
    Wärmesenke
    11
    Abschrägung
    12
    Strömungskanal

Claims (7)

  1. Oberflächenmontierbares Gehäuse für ein elektronisches Bauelement mit einem das Bauelement (2) aufnehmenden Formkörper (1), einer mit dem Formkörper (1) verbundenen und vom umgebenden Formkörper (1) nach unten aus dem Formkörper herausragenden Wärmesenke (3) auf einer Lotpaste (4) zur Zufuhr und Abfuhr von Wärmeenergie zum Aufschmelzen von Lotpaste (4), die zur mechanischen Verbindung zwischen dem Gehäuse und einem Pad (5) auf einem Schaltungsträger (6) dient, elektrischen Zuführungen (9), die von dem Bauelement (2) zu Leiterbahnen (7) auf dem Schaltungsträger (6) führen, und Strömungshilfen (11, 12), wobei Teile (11) der Strömungshilfen durch Abschrägungen (11) des Formkörpers (1) gebildet sind in der Weise, dass der Gehäuseboden beginnend an der Wärmesenke (3) nach aussen hin hochgezogen ist mit Bildung eines sich verjüngenden Spaltes zwischen dem Gehäuse und dem Schaltungsträger (6).
  2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Teile (12) der Strömungshilfen Abschrägungen an der Unterseite der Wärmesenke (3) aufweisen.
  3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungshilfen Kanäle (12) in der Wärmesenke aufweisen.
  4. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle durch Rillen (12) gebildet sind.
  5. Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen einen Querschnitt von etwa 0,3 mm x 0,3 mm aufweisen.
  6. Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (12) einen konstanten oder sich verändernden Querschnitt aufweisen.
  7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) einen Halbleiterkörper aufweist.
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