DE10064221A1

DE10064221A1 - Leiterplatine mit gekühltem SMD-Baustein sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10064221A1
Application number: DE2000164221
Authority: DE
Inventors: Walter Staniszewski; Stefan Berger
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Kathrein SE
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: DE10064221B4

Abstract

Eine verbesserte Leiterplatine mit einem zu kühlenden Baustein, insbesondere einem SMD-Baustein, weist zur Verbesserung des Kühleffekts folgende Merkmale auf: DOLLAR A - auf der Leiterplatine (5) ist zumindest eine Öffnung (7) im Bereich des zu kühlenden Bauteils (1) vorgesehen, wobei die zumindest eine oder die ggf. vorgesehenen mehreren Öffnungen (7), bezogen auf die Kontakt- oder Kühlfläche (9) des zu kühlenden Bauteils (1), eine Querschnitts- bzw. Gesamtquerschnittsöffnung aufweist, die größer als 40% der Kontakt- oder Kühlfläche (9) des Bauteils (1) ist, DOLLAR A - innerhalb der Öffnung (7) ist ein wärmeleitfähiges Einlegeteil (11) eingefügt, DOLLAR A - das Einlegeteil (11) ist mit der Kontakt- oder Kühlfläche (9) an der Unterseite des zu kühlenden Bauteils (1) verlötet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatine mit gekühltem SMD-Baustein sowie ein zugehöriges Verfahren zu deren Her stellung.

Bekanntermaßen werden Leiterplatinen nicht nur mit passi ven Bauelementen, sondern häufig auch mit aktiven Bau elementen bestückt, die im Einsatz durchaus nicht unerheb liche Wärmemengen erzeugen. Bei derartigen aktiven und hitzeerzeugenden Bauelementen kann es sich beispielsweise um SMD-Bausteine handeln, beispielsweise Verstärkerbau steine.

Von daher ist bekannt, dass derartige elektrische, d. h. aktive und wärmeerzeugende Bausteine, wie sie beispiels weise für die SMD-Montage konzipiert sind, nur in bestimm ten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können. Dies erfordert insbesondere eine entsprechende Kühlung.

So ist es beispielsweise üblich einen SMD-Baustein an seiner Unterseite mit einer metallischen Kühl- und Kon taktfläche zu versehen, über die Wärme nach unten hin abgeführt werden soll. Da der Baustein allerdings auf der Leiterplatine selbst sitzt, wird vorgeschlagen, in diesem Bereich die Leiterplatine mit einer Vielzahl feinster, durchkontaktierter Öffnungen zu perforieren. Während des Lötvorganges kann durch diese Perforationen Zinn aufstei gen, so dass eine am SMD-Baustein vorgesehene lötfähige Kontaktunterseite über die Perforartion mit der Platinen unterseite verlötet ist. Dort wird dann üblicherweise noch eine Wärmeleitfolie aufgebracht, um die unebene Oberfläche auszugleichen. Die Leiterplatine kann dann mittels Schrau ben auf einen darunter befindlichen Kühlkörper oder Gehäu seteil aufgeschraubt werden, so dass der SMD-Baustein mit seiner auf seiner Unterseite (platinenseitig) vorgesehenen metallischen Fläche, der darunter durchkontaktierten Per forationen und die auf der Platinenunterseite befindliche Wärmeleitfolie mit dem Kühlkörper in festem Kontakt gehal ten wird.

Obgleich sich hierdurch der SMD-Baustein kühlen lässt, ist aber gleichwohl der Kühleffekt begrenzt und in manchen An wendungsfällen nicht ausreichend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, eine verbesserte Leiterplatine mit verbessertem Kühleffekt so wie ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatine mit einem bestimmten SMD-Baustein mit verbessertem Kühleffekt zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der Vorrichtung entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich des Verfah rens entsprechend den im Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Leiterplatine mit einer verbesserten Kühlwirkung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich einer metallischen Kontaktfläche an der Unterseite des zu kühlenden Bausteins anstelle einer Perforation zumindest eine oder einige (wenige) größere Durchtrittsöffnungen vorgesehen ist bzw. sind, in denen ein oder mehrere sepa rate gut wärmeleitende Einlegeteile eingefügt werden kön nen. Bevorzugt wird eine einzige große Öffnung geschaffen, in der ein vorzugsweise gut wärmeleitfähiges Einlegeteil z. B. aus Metall eingefügt werden kann, um eine gute Wärme leitung von aktiven Bauteilen über das Einlegeteil zum Kühlkörper bzw. Gehäuseteil zu gewährleisten.

Das Einlegeteil ist mit der an der Unterseite des zu küh lenden Bauelementes verlötet, insbesondere unter Verwen dung einer Lötpaste.

Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass das Einlege teil von Hause aus mit einem überstehenden unterseitigen Randabschnitt versehen ist, der den Abschnitt des Ein legeteils überragt, der in der Öffnung in der Leiterplati ne zu liegen kommt.

Um die deutlich verbesserte Kühlwirkung zu realisieren, hat sich als erfindungsgemäß günstig herausgestellt, das Einlegeteil zuerst in die Platinenöffnung einzufügen und anschließend auf die Kontaktflächen, welche später verlö ten sollen, Lötpaste aufzutragen. Unter Aufbringung von Hitze werden dabei auch die anderen, von der Leiterplatine mittels Lötpaste zu kontaktierenden Bauteile verlötet, wobei in der Regel durch die Abschirmwirkung des SMD-Bau teils die Wärmeeinwirkung nicht ausreicht, um schon in dieser Stufe die Verlötung zwischen Einlegeteil als Kühl brücke und dem zu kühlenden Bauteil zu realisieren.

Wird allerdings anschließend in einem zweiten Verfahrens schritt vorzugsweise die Leiterplatine auch zur Kontaktie rung weiterer passiver Bauteile einem Löt-Schwallbad zu geführt, so hat dies ferner zur Folge, dass über das Löt- Schwallbad der unteren Kühlplatte soviel Wärme zugeführt wird, dass diese Aufwärmung genügt, die noch vorhandene Lötpaste zwischen dem zu kühlendem Bauteil und dem wärme leitfähigen Einlegeteil zu verlöten. Die notwendige Wärme kann der unteren Kühlplatte auch über jedes beliebig ande re Verfahren, z. B. mit einer Heizplatte, zugeführt wer den. Durch die Kapillarwirkung wird die lötfähige Lötpaste dann auch zur Unterseite des Einlegeteiles in Angrenzung zu der unterseitigen, die Leiterplatinenöffnung über deckenden Kühlplättchen weiter gefördert, wenn hier ein separates Kühlplättchen verwendet wird. Wird der Kühl platte die Wärme über ein Löt-Schallbad zugeführt, sind folgende Besonderheiten zumindest als vorzugsweise ver besserte Gestaltung zu berücksichtigen:
Die Unterseite des Einlegeteiles ist entweder so behan delt, dass sie nicht lötfähig ist, oder aber es ist auf der Unterseite zumindest ein das zumindest eine oder die mehreren Einlegeteile überdeckendes Plattenelement vorge sehen, welches an seiner Unterseite nicht lötfähig gestal tet ist. Dadurch wird eine glatte lotfreie Anlage-Kühlflä che geschaffen, die letztlich mit einem Gehäuse- oder Kühlkörper in Kontakt gebracht werden kann, um die Wärme vom aktiven Bauteil auf der Oberseite der Platine über das Einlegeteil und gegebenenfalls die erwähnte einlagige Platte auf den Kühlkörper abzuleiten.

Sofern die Unterseite nicht so behandelt ist, dass sie nicht lötfähig ist, kann gegebenenfalls eine separate Platte darunter gelegt werden, die nicht lötfähig ist, vorzugsweise von Hause aus nicht lötfähig ist.

Als derartige, auf der Platinenunterseite vorzusehende Plättchen kann beispielsweise ein plattiertes Blech aus Aluminium dienen, welches platinenseitig mit einer löt fähigen Kupferoberfläche versehen ist.

Darüber hinaus kann aber auch ein auf der Unterseite pas siviertes Kupferblech verwendet werden, und zwar mit par tiell aufgetragener lötfähiger Oberfläche. Auch dadurch lässt sich zu dem Einlegeteil eine gute Verlötung reali sieren, wohingegen die mit dem Kühlkörper in Kontakt zu bringende Unterseite lötfrei bleibt.

Ebenso möglich ist aber auch die Verwendung eines Alumini umbleches mit partiell aufgetragener lötfähiger Oberflä che.

Schließlich kann aber auch ein Kühlblech aus einem Kupfer blech mit lötfähiger Oberfläche (im Kontakt zur Unterseite des Einlegeteiles) und dazu ein zweites überdeckendes Aluminiumblech verwendet werden, zwischen dem und der Pla tinenunterseite das aus Kupferblech bestehende Kühlblech sandwichartig aufgenommen und mit der Leiterplatte bei spielsweise vernietet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispieles näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:

Fig. 1: die Unterseite eines zu kühlenden SMD-Bau steins mit an der Unterseite vorgesehenen Kontaktfläche;

Fig. 2: eine auszugsweise Draufsicht auf eine Lei terplatine mit einem zu kühlenden SMD-Bau stein in Form eines Verstärkerbausteines;

Fig. 3: eine schematische, teilweise im Schnitt wiedergegebene Querschnittsdarstellung des auszugsweise in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispieles; und

Fig. 4: eine perspektivische Explosionsdarstellung der Bauteile, bei einem leicht abgewandel ten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein zu kühlendes SMD-Bauteil 1 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um einen aktiven Verstärker handeln kann, der über eine Vielzahl von Anschlussfüßchen 3 verfügt.

In den Fig. 2 und 3 ist ausschnittsweise eine Leiter platine 5 wiedergegeben, die im Bereich des anzubringenden und zu kühlenden SMD-Bausteines 1 mit einer Leiter platinenöffnung 7 versehen ist, deren Größenordnung sich im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa in der Größenordnung der an der Unterseite des SMD-Bausteins 1 ausgebildeten Kontaktfläche 9 bewegt, die als Kontaktfläche zur Kühlung des SMD-Bausteins dient.

In diese Leiterplatinenöffnung 7 ist ein möglichst gut wärmeleitfähiges Einlegeteil 11 hineingegeben, beispiels weise aus Kupfer bestehend. Das Einlegeteil 11 oder der in der Ausnehmung 7 zu liegenkommende Abschnitt eines der artigen Einlegeteils weist dabei zumindest näherungsweise eine Stärke oder Dicke entsprechend der Stärke oder Dicke der Leiterplatine 1 auf.

Auf der gegenüberliegenden Leiterplatinenunterseite 13 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zwei jeweils die beiden Leiterplatinenöffnungen 7 groß über deckende Plättchen vorgesehen, nämlich angrenzend an die Leiterplatinenunterseite 13 zunächst ein erstes Kupfer plättchen 15 und darunter ein Aluminiumplättchen 17. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist demgegenüber nur ein einziges Plättchen 14 vorgesehen.

Bei dem anhand von Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in der Leiterplatine zwei versetzt zueinander liegen de Leiterplatinen-Öffnungen 7 vorgesehen, in die zwei getrennte Einlegeteile 11 eingefügt werden, nämlich zum Kühlen zweier separater dort anzubringender SMD-Bauteile 1.

Nachfolgend wird auf das nähere Herstellungsverfahren ein gegangen.

Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird in Sandwichbauweise zunächst ein die Öffnungen 7 großflä chig überdeckendes erstes Kupferplättchen 15 unmittelbar an der Unterseite der Leiterplatine 5 anliegend und noch mals darunter ein Aluminiumplättchen 17 ggf. in gleicher Größe beispielsweise mittels Nieten 18 an der Leiterplati ne 5 befestigt. Dadurch sind die Einlegeöffnungen 7 in der Leiterplatine 5 nach unten hin geschlossen. Anschließend werden in die Öffnung 7 der Leiterplatine die Einlegeteile 11 hineingegeben, beispielsweise in Form von Kupfers tückchen, die der Wärmeleitung dienen.

Anschließend wird dann die Leiterplatinenoberseite mit Lötpaste behandelt, zumindest in den Bereichen, an denen beispielsweise die Leiterplatine mit SMD-Bauteilen wie den zu kühlenden SMD-Bauteilen 1 bestückt werden soll.

Danach wird die Leiterplatine 5 in einen Ofen gegeben, um die Lötpaste so zu erhitzen, damit eine Verlötung statt findet. Die Hitze mag für viele andere SMD-Bauteile zum Verlöten ausreichen, jedoch nicht für das zu kühlende Bauteil 1, da die Bauteile 1 die Lötpaste an deren Unter seite, d. h. zwischen deren Kontaktfläche 9 und dem Ein legeteil 11 abschirmen.

Nachdem die SMD-Bauteile bestückt und zunächst bis auf die Bauteile 1 im Ofen verlötet wurde, wird die Leiterplatine mit weiteren drahtgebundenen Bauteilen bestückt, bei spielsweise Widerständen, Kondensatoren etc. Die Draht beinchen werden dabei in der Regel in entsprechende dünn bemessene Bohrungen in der Leiterplatine eingesteckt, so dass die Drahtenden noch über ein gewisses Maß an der Leiterplatinenunterseite vorstehen. Anschließend wird die Leiterplatine einem Löt-Schwallbad zugeführt, um in einer Lötwelle die überstehenden Drahtenden mit der Leiterplati nenunterseite zu verlöten. Alle passiven Bauteile werden verlötet, wobei im Bereich der SMD-Bauteile 1 an der Un terseite zuunterst liegend ein Plättchen 17 verwendet worden ist, beispielsweise aus Aluminium bestehend, wel ches nicht lötfähig ist, so dass hier das Lot beim Erkal ten nicht anhaftet. Allerdings reicht die Hitze des Lötba des aus, um über dieses zuunterst liegende Plättchen 17 an das gut wärmeleitende Plättchen 15 und von dort an das Einlegeteil 11 so viel Wärme abzugeben, dass über das Einlegeteil ausreichend Wärme bis an die Kühlfläche 9 der Unterseite des SMD-Bauteils 1 und zu den Schlitzen in der Öffnung 7 etc. gelangt, so dass die dort noch befindliche Lötpaste ausreichend erhitzt wird, und dadurch die Verlö tung eintritt.

Anschließend kann die so fertig vorbereitete Platine mit tels den in der Explosionszeichnung in Fig. 4 angedeute ten Schrauben 21 beispielsweise an einem Kühlkörperblock 23 aufgeschraubt werden.

Durch das erläuterte entsprechend groß dimensionierte Einlegeteil kann problemlos die Wärme im Betrieb vom SMD- Bauteil 1 über das Einlegeteil und die beiden darunter befindlichen Plättchen 15, 17 zum Kühlkörper 23 abfließen.

Wie anhand von Fig. 3 angedeutet ist, kann anstelle der beiden Plättchen 15 und 17 auch ein einzelnes Plättchen 14 verwendet werden. Handelt es sich dabei um ein Plättchen oder Metallplättchen aus nicht lötfähigem Material, bei spielsweise in Form eines Aluminiumbleches, so wird dieses platinenseitig vor dem Zusammenbau mit einer lötfähigen Oberfläche versehen. Bevorzugt wird auf dem Aluminium plättchen eine Kupferschicht aufgetragen, die lötfähig ist. Wird demgegenüber ein Plättchen aus gut lötfähigem Material verwendet, beispielsweise in Form eines Kupfer bleches, so sollte dieses an der Unterseite entsprechend passiviert werden, um lötabweisend zu sein.

Nur der Vollständigkeit halber wird auch angemerkt, dass es in einer weiteren Abwandlung auch möglich wäre das Einlegeplättchen 11 mit einem nach unten hin überstehenden umlaufenden Rand vorzusehen, wobei dieser nach unten über stehende Rand dem Plättchen 14 in Fig. 3 vergleichbar wäre. Es würde sich dabei also um ein einteiliges Bauteil handeln, vergleichbar dem Einlegeteil 11 in Verbindung mit dem zumindest einen Plättchen 14.

Claims

1. Leiterplatine mit gekühltem Baustein, insbesondere SMD- Baustein, mit folgenden Merkmalen

- auf der Leiterplatine (5) ist zumindest eine Öffnung (7) im Bereich des zu kühlenden Bauteils (1) vorgesehen, wobei die zumindest eine oder die ggf. vorgesehenen mehreren Öffnungen (7) bezogen auf die Kontakt- oder Kühlfläche (9) des zu kühlenden Bauteils (1) eine Querschnitts- bzw. Gesamtquerschnittsöffnung aufweist, die größer als 40% der Kontakt- oder Kühlfläche (9) des Bauteils (1) ist,
- innerhalb der Öffnung (7) ist ein wärmeleitfähiges Ein legeteil (11) eingefügt,
- das Einlegeteil (11) ist mit der Kontakt- oder Kühlflä che (9) an der Unterseite des zu kühlenden Bauteils (1) verlötet.

2. Leiterplatine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatinenunterseite (13) zumindest ein Plättchen (14, 15) befestigt ist, welches vorzugsweise die Öffnung (7) in der Leiterplatine (5) überdeckt.

3. Leiterplatine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Plättchen (14, 15) leiterplatinen seitig lötfähig und auf der von der Leiterplatine (5) abgewandt liegenden Unterseite nicht lötfähig ist.

4. Leiterplatine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatinenunterseite (13) unterhalb der Öffnung (7) und des Einlegeteils (11) zu mindest zwei flächig aneinanderliegende Plättchen (15, 17) vorgesehen sind, wobei zumindest die Unterseite des zu unterst liegenden Plättchens (17) nicht lötfähig ist.

5. Leiterplatine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem zuunterst liegenden Plättchen (17) und der Leiterplatinenunterseite (13) sandwichartig vor gesehenes weiteres Plättchen (15) auf seinen beiden Seiten gut lötfähig ist.

6. Leiterplatine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die zumindest beiden Leiterplättchen (14, 15, 17) mit der Leiterplatine (5) vernietet sind.

7. Leiterplatine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zuunterst liegende Plättchen (14, 17) aus einer nichtlötfähigen Metall schicht besteht, vorzugsweise das Plättchen (14, 17) aus Aluminium besteht.

8. Leiterplatine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zuunterst liegende Plättchen (14, 17) aus lötfähigem Material besteht und mit einer nicht lötfähigen Oberfläche versehen ist.

9. Leiterplatine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das zuunterst liegende Plättchen (14, 17) aus einer lötfähigen Metallschicht besteht.

10. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatine mit einem gekühlten Baustein, insbesondere einem SMD-Baustein, mit den folgenden Verfahrensschritten

- in eine Öffnung (7) im Bereich eines zu kühlenden Bau steins (1) wird ein wärmeleitfähiges Einlegeteil (11) eingefügt,
- in einem vorausgegangenen früheren oder einem nachfol genden späteren Verfahrensschritt wird an der Leiter platinenunterseite (13) zumindest ein, vorzugsweise zwei sandwichartig aufeinanderliegende Plättchen (14, 15, 17) an der Leiterplatinenunterseite angebracht, vorzugsweise durch vernieten,
- zumindest im Bereich des zu kontaktierenden und zu küh lenden Bauteils (1) wird Lötpaste an der Leiterplatinen oberseite und/oder im Bereich der Öffnung (7) der Lei terplatine (5) und/oder an dem Einlegeteil (11) aufge tragen,
- die Leiterplatine (5) und damit auch die Lötpaste werden vorzugsweise in einen Ofen so stark erhitzt, dass der Verlötungsvorgang bewirkt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem späteren Verfahrensschritt, vorzugsweise nach einem nachfolgenden Bestücken der Leiterplatine (5) mit drahtgebundenen Bauteilen, der Leiterplatine (5), d. h. insbesondere deren Unterseite (13) Wärme zur Aufheizung des zumindest einen Plättchens (14, 15, 17) derart zu geführt wird, dass während dieses Verfahrensschrittes die vorhergehend gegebenenfalls noch nicht ausreichend stark erhitzte Lötpaste zum Bewirken des Lötvorgangs geschmolzen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterplatine (5) und insbesondere deren Unter seite (13) in dem späteren Verfahrensschritt die Wärme in Form eines Löt-Schwallbades zugeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass das zumindest eine Plättchen (14, 15, 17) zur Halterung des Einlegeteils (11) vor dem Einfügen des Einlegeteils (11) an der Leiterplatine (5) befestigt, vorzugsweise angenietet wird.