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Die
Erfindung betrifft eine Leiterplatine mit gekühltem SMD-Baustein nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bekanntermaßen werden
Leiterplatinen nicht nur mit passiven Bauelementen, sondern häufig auch
mit aktiven Bauelementen bestückt,
die im Einsatz durchaus nicht unerhebliche Wärmemengen erzeugen. Bei derartigen
aktiven und hitzeerzeugenden Bauelementen kann es sich beispielsweise
um SMD-Bausteine handeln, beispielsweise Verstärkerbausteine.
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Von
daher ist bekannt, dass derartige elektrische, d.h. aktive und wärmeerzeugende
Bausteine, wie sie beispielsweise für die SMD-Montage konzipiert
sind, nur in bestimmten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können. Dies
erfordert insbesondere eine entsprechende Kühlung.
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So
ist es beispielsweise üblich
einen SMD-Baustein an seiner Unterseite mit einer metallischen Kühl- und
Kontaktfläche
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 aufsteigen, so dass eine am SMD-Baustein
vorgesehene lötfähige Kontaktunterseite über die
Perforation mit der Platinenunterseite verlötet ist. Dort wird dann üblicherweise
noch eine Wärmeleitfolie
aufgebracht, um die unebene Oberfläche auszugleichen. Die Leiterplatine kann
dann mittels Schrauben auf einen darunter befindlichen Kühlkörper oder
Gehäuseteil
aufgeschraubt werden, so dass der SMD-Baustein mit seiner auf seiner
Unterseite (platinenseitig) vorgesehenen metallischen Fläche, der
darunter durchkontaktierten Perforationen und die auf der Platinenunterseite
befindliche Wärmeleitfolie
mit dem Kühlkörper in
festem Kontakt gehalten wird.
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Obgleich
sich hierdurch der SMD-Baustein kühlen lässt, ist aber gleichwohl der
Kühleffekt
begrenzt und in manchen Anwendungsfällen nicht ausreichend.
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Eine
gattungsbildende Leiterplatine mit einem darauf befindlichen zu
kühlenden
elektronischen Baustein ist aus der
DE 33 15 583 A1 bekannt. Um eine gute Kühlwirkung
zu gewährleisten
ist in einem Träger
oder einer Leiterplatine ein Fenster vorgesehen, in welchem ein
beispielsweise metallischer Kühlblock
eingesetzt wird, der dieses Fenster zumindest in seiner wesentlichen
Dicke durchragt. Auf der Oberseite des Kühlblockes ist der zu kühlende Baustein
mit einer dünnen
Klebeschicht befestigt. Der zu kühlende
Baustein kann dann über
gebondete Drähte
mit Kontaktabschnitten auf der Leiterplatine elektrisch angeschlossen
werden.
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Auf
der Unterseite des Kühlbockes
ist dann ein Kühlblech
vorgesehen, dass beispielsweise durch Löten oder Punkten mit dem Kühlblech
verbunden sein kann. Der Abstand zwischen der Oberseite des Kühlbleches
und der Unterseite der Leiterplatine benachbart zum Kühlblock
kann über
einen elastischen Kleber ausgefüllt
sein.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist in dem Kühlblech selbst ebenfalls noch
ein Fenster vorgesehen, so dass der Kühlblock auch noch das Fenster
im Kühlblech
durchragt.
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Der
Kühlblock
selbst soll außen,
d.h. an seiner Mantelfläche
mit einer Rändlung
versehen sein, so dass er entweder in dem Fensterausschnitt in der Leiterplatine
durch Einpressen festsitzt oder aber dass die Rändlung mit dem Fenster im Kühlblech eine
feste Verbindung gewährleistet.
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Ein
weitgehend vergleichbarer Aufbau ist auch aus der
US 5 734 555 bekannt. Dort ist ein
integrierter Baustein über
eine Klebeschicht mit einem Kühlblock
in Kontakt stehend angeordnet, wobei der Kühlblock ebenfalls wieder ein
Fenster in der Trägeranordnung
durchragt.
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Obgleich
mit einem derartigen Aufbau gegenüber früheren Lösungen eine gewisse Verbesserung
der Kühlwirkung
erzielbar war, hat sich jedoch herausgestellt, dass die Kühlwirkung
und die Ableitung der Wärme
von dem zu kühlenden
elektronischen Baustein immer noch nicht ausreichend sind. Probleme
stellen sich ferner dann heraus, wenn der zu kühlende Baustein nicht über zu bondende
Drähte mit
Anschlussstellen auf der Leiterplatine verbunden und kontaktiert
ist, sondern beispielsweise durch Anschlussfüßchen. Denn bei Verwendung
eines zu kühlenden
elektrischen Bau steines mit Anschlussfüßchen muss auf jeden Fall sichergestellt
sein, dass keine zu starken Druckbelastungen, beispielsweise über den
Kühlblock
auf den zu kühlenden
elektronischen Baustein eingeleitet werden, da dies zu Spannungen
an den Anschlussfüßchen führen würde. Bei Verwendung
von Bonddrähten
treten derartige Probleme nicht auf.
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Schließlich wird
ergänzend
auf eine aus der
DE
44 16 460 A1 vorbekannte Schaltungsanordnung insbesondere
zur Gebläsesteuerung
eines Kraftfahrzeuges verwiesen, welches einen Kühlkörper umfasst, welcher mit einem
wärmeerzeugenden
elektrischen Bauelement, das auf dem Kühlblock befestigt ist, verbunden
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es von daher, eine verbesserte Leiterplatine
mit verbessertem Kühleffekt
zu schaffen, welches eine verbesserte Kühlwirkung auch dann aufweist,
wenn der zu kühlende
elektronische Baustein nicht über
gebondete Anschlussdrähte
angeschlossen wird, sondern Anschlussfüßchen aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der
Vorrichtung entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Leiterplatine
weist einen verbesserten Kühleffekt
dadurch auf, dass die an dem zu kühlenden Baustein ausgebildete
unten liegende Kontakt- oder Kühlfläche (9)
mit dem darunter befindlichen Einlegeteil ebenfalls verlötet ist.
Ferner ist an der Unterseite der Leiterplatine ein die Öffnung und
damit das Einlegeteil über deckendes
Plättchen vorgesehen
oder befestigt, welches an seiner Leiterplatinenseite gut lötfähig ist
und seiner davon abweisenden gegenüberliegenden freien Unterseite
nicht lötfähig oder
lotabweisend ausgestaltet ist. Alternativ dazu können anstelle eines einzigen
derartigen gut wärmeleitfähigen Plättchens
auch zumindest zwei derartiger flächig in Kontakt stehende Plättchen vorgesehen
sein, wobei dann das der Leiterplatine näher liegende Plättchen gut
lötfähig sein
kann und zumindest die Unterseite des zuunterst liegenden Plättchens
nicht lötfähig oder
lotabweisend ausgestaltet ist. Dadurch wird die Möglichkeit
eröffnet,
der gesamten Anordnung so viel Wärme
auch im Bereich der Kontaktfläche
des zu kühlenden
Bausteins und des darunter befindlichen Einlegeteils zuzuführen, beispielsweise
zunächst
in einem Ofen und/oder nachfolgend in einem Lötschwallverfahren, das die
zuvor dort angebrachte Lötpaste
schmilzt und den Lötvorgang
bewirkt. Vor allem können
herkömmliche
Lötverfahren
wie die Durchführung
eines Lötschwallverfahrens
eingesetzt werden, welches nicht nur zu Zuführung der benötigten Wärme für die Durchführung des
Lötvorganges
im Bereich der Kontaktfläche
des zu kühlenden
Bausteines bereitstellt, sondern wodurch ebenfalls die mit der Leiterplatine
bestückten drahtgebundenen
Bausteine an der Unterseite der Leiterplatine in dem gleichen gemeinsamen
Lötschwallverfahrensschritt
angelötet
werden können. Dies
weist wesentliche herstellungsbedingte und sich auch kostenmäßig günstig niederschlagende
Vorteile auf. Dadurch dass die Unterseite des zumindest einen Plättchens
oder die unterste Seite des zuunterst liegendsten Plättchens
(insbesondere wenn zwei Plättchen
aufeinanderliege) nicht lotfähig
oder lotabweisend gestaltet ist, wird sichergestellt, dass beim Durchführen des
Lötspaltverfahrens
sich dort kein Lot absetzen kann.
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Dadurch
wird eine glatte Oberfläche
beibehalten, so dass die zuunterst liegendste Kontaktfläche des
zuunterst liegendsten Plättchens
oder des einzigen Plättchens
problemlos auf einen Kühlblock aufgelegt
werden kann, um über
das zumindest eine oder die zumindest beiden Plättchen die erzeugte Wärme in den
darunter anliegenden Kühlblock
abfließen
zu lassen.
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Bei
diesem Gesamtaufbau ist ferner gewährleistet, dass im Prinzip
keine nachteiligen Spannungen oder Kräfte von unten her auf das Einlegeteil
und damit auf den zu kühlende
Baustein einwirkt. Mit anderen Worten wirken auf die Anschlussfüßchen des zu
kühlenden
elektronischen Bausteines auch keine nachteiligen Kräfte, die
zu einer Beeinträchtigung oder
gar Beschädigung
des zu kühlenden
Bausteines führen
könnten.
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Um
die deutlich verbesserte Kühlwirkung
zu realisieren, hat sich als günstig
herausgestellt, das Einlegeteil zuerst in die Platinenöffnung einzufügen und
anschließend
auf die Kontaktflächen,
welche später
verlötet
werden sollen, Lötpaste
aufzutragen. Unter Aufbringung von Hitze werden dabei auch die anderen,
von der Leiterplatine mittels Lötpaste
zu kontaktierenden Bausteine verlötet, wobei in der Regel durch
die Abschirmwirkung des SMD-Bausteines die Wärmeeinwirkung nicht ausreicht,
um schon in dieser Stufe die Verlötung zwischen Einlegeteil als Kühlbrücke und
dem zu kühlenden
Baustein zu realisieren.
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Die
Unterseite des Einlegeteiles ist entweder so behandelt, 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 gestaltet ist. Dadurch
wird eine glatte lotfreie Anlage-Kühlfläche geschaffen, die letztlich
mit einem Gehäuse-
oder Kühlkörper in
Kontakt gebracht werden kann, um die Wärme vom aktiven Baustein auf
der Oberseite der Platine über
das Einlegeteil und gegebenenfalls die erwähnte einlagige Platte auf den
Kühlkörper abzuleiten.
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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.
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Als
derartige, auf der Platinenunterseite vorzusehende Plättchen kann
beispielsweise ein plattiertes Blech aus Aluminium dienen, welches
platinenseitig mit einer lötfähigen Kupferoberfläche versehen
ist.
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Darüber hinaus
kann aber auch ein auf der Unterseite passiviertes Kupferblech verwendet
werden, und zwar mit partiell aufgetragener lötfähiger Oberfläche. Auch
dadurch lässt
sich zu dem Einlegeteil eine gute Verlötung realisieren, wohingegen
die mit dem Kühlkörper in
Kontakt zu bringende Unterseite lötfrei bleibt.
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Ebenso
möglich
ist aber auch die Verwendung eines Aluminiumbleches mit partiell
aufgetragener lötfähiger Oberfläche.
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Schließlich kann
aber auch ein Kühlblech aus
einem Kupferblech 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 beispielsweise
vernietet ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen
im Einzelnen:
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1: die Unterseite eines
zu kühlenden SMD-Bausteins
mit an der Unterseite vorgesehenen Kontaktflächen;
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2: eine auszugsweise Draufsicht
auf eine Leiterplatine mit einem zu kühlenden SMD-Baustein in Form
eines Verstärkerbausteines;
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3: eine schematische, teilweise
im Schnitt wiedergegebene Querschnittsdarstellung des auszugsweise
in 1 wiedergegebenen
Ausführungsbeispieles;
und
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4: eine perspektivische
Explosionsdarstellung des Bausteins, bei einem leicht abgewandelten
Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist ein zu kühlender
SMD-Baustein 1 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise
um einen aktiven Verstärker
handeln kann, der über
eine Vielzahl von Anschlussfüßchen 3 verfügt.
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In
den 2 und 3 ist ausschnittsweise eine Leiterplatine 5 wiedergegeben,
die im Bereich des anzubringenden und zu kühlenden SMD-Bausteines 1 mit
einer Leiterplatinenöffnung 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.
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In
diese Leiterplatinenöffnung 7 ist
ein möglichst
gut wärmeleitfähiges Einlegeteil 11 hineingegeben,
beispielsweise aus Kupfer bestehend. Das Einlegeteil 11 oder
der in der Ausnehmung 7 zu liegen kommende Abschnitt eines
derartigen Einlegeteils weist dabei zumindest näherungsweise eine Stärke oder
Dicke entsprechend der Stärke
oder Dicke der Leiterplatine 1 auf.
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Auf
der gegenüberliegenden
Leiterplatinenunterseite 13 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 4 zwei jeweils die beiden
Leiterplatinenöffnungen 7 groß überdeckende
Plättchen
vorgesehen, nämlich
angrenzend an die Leiterplatinenunterseite 13 zunächst ein
erstes Kupferplättchen 15 und darunter
ein Aluminiumplättchen 17.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist demgegenüber nur ein
einziges Plättchen 14 vorgesehen.
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Bei
dem anhand von 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind in der Leiterplatine zwei versetzt zueinander liegende Leiterplatinenöffnungen 7 vorgesehen,
in die zwei getrennte Einlegeteile 11 eingefügt werden,
nämlich
zum Kühlen
zweier separater dort anzubringender SMD-Bausteine 1.
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Nachfolgend
wird auf das nähere
Herstellungsverfahren eingegangen.
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Ausgehend
von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird in Sandwichbauweise
zunächst ein
die Öffnungen 7 großflächig überdeckendes
erstes Kupferplättchen 15 unmittelbar
an der Unterseite der Leiterplatine 5 anliegend und nochmals
darunter ein Aluminiumplättchen 17 ggf.
in gleicher Größe beispielsweise
mittels Nieten 18 an der Leiterplatine 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 Kupferstückchen,
die der Wärmeleitung dienen.
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Anschließend wird
dann die Leiterplatinenoberseite mit Lötpaste behandelt, zumindest
in den Bereichen, an denen beispielsweise die Leiterplatine mit
SMD-Bausteinen wie den zu kühlenden SMD-Bausteinen 1 bestückt werden
soll.
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Danach
wird die Leiterplatine 5 in einen Ofen gegeben, um die
Lötpaste
so zu erhitzen, damit eine Verlötung
stattfindet. Die Hitze mag für
viele andere SMD-Bausteine zum Verlöten ausreichen, jedoch nicht
für den
zu kühlende
Baustein 1, da die Bausteine 1 die Lötpaste an
deren Unterseite, d.h. zwischen deren Kontaktfläche 9 und dem Einlegeteil 11 abschirmen.
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Nachdem
die SMD-Bausteine bestückt
und zunächst
bis auf die Bausteine 1 im Ofen verlötet wurde, wird die Leiterplatine
mit weiteren drahtgebundenen Bausteinen bestückt, beispielsweise Widerständen, Kondensatoren
etc. Die Drahtbeinchen 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 Lötschwallbad
zugeführt,
um in einer Lötwelle
die überstehenden
Drahtenden mit der Leiterplatinenunterseite zu verlöten. Alle
passiven Bausteine werden verlötet,
wobei im Bereich der SMD-Bausteine 1 an der Unterseite
zuunterst liegend ein Plättchen 17 verwendet
worden ist, beispielsweise aus Aluminium bestehend, welches nicht
lötfähig ist,
so dass hier das Lot beim Erkalten nicht anhaftet. Allerdings reicht
die Hitze des Lötbades
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-Bausteines 1 und zu den Schlitzen in
der Öffnung 7 etc.
gelangt, so dass die dort noch befindliche Lötpaste ausreichend erhitzt
wird, und dadurch die Verlötung
eintritt.
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Anschließend kann
die so fertig vorbereitete Platine mittels den in der Explosionszeichnung
in 4 angedeuteten Schrauben 21 beispielsweise an
einem Kühlkörperblock 23 aufgeschraubt
werden.
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Durch
das erläuterte
entsprechend groß dimensionierte
Einlegeteil kann problemlos die Wärme im Betrieb vom SMD-Baustein 1 über das
Einlegeteil und die beiden darunter befindlichen Plättchen 15, 17 zum
Kühlkörper 23 abfließen.
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Wie
anhand von 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,
beispielsweise 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 Kupferbleches, so sollte
dieses an der Unterseite entsprechend passiviert werden, um lötabweisend
zu sein.
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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 überstehende Rand
dem Plättchen 14 in 3 vergleichbar wäre. Es würde sich
dabei also um einen einteiligen Baustein handeln, vergleichbar dem
Einlegeteil 11 in Verbindung mit dem zumindest einen Plättchen 14.