DE10130789A1

DE10130789A1 - Electrical circuit arrangement e.g. for application in motor vehicle, uses steel fixture plate for mounting ceramic circuit board

Info

Publication number: DE10130789A1
Application number: DE2001130789
Authority: DE
Inventors: Detlef Niggemann
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-23

Abstract

A circuit arrangement has ceramic circuit board (1) for an electrical circuit and electrical components (2). A material having a thermal coefficient of expansion at least similar to that of the ceramic circuit board is used for the fixture plate (4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung bestehend aus einem keramischen Schaltungsträger, auf dem eine elektrische Schaltung und elektrische Bauelemente angeordnet sind, wobei der keramische Schaltungsträger über eine Klebeschicht (Wärmeleitkleber) auf einer wärmeleitenden Befestigungsplatte montiert ist. The invention relates to a circuit arrangement consisting of a ceramic Circuit carrier on which an electrical circuit and electrical components are arranged are, the ceramic circuit carrier on an adhesive layer (thermal adhesive) a heat-conducting mounting plate is mounted.

Keramische Schaltungsträger als Substratmaterial für elektrische Schaltungen werden unter anderem aufgrund ihrer sehr guten wärmeableitenden Eigenschaften immer häufiger eingesetzt. Um den keramischen Schaltungsträger mechanisch zu fixieren und zum Zwecke weiterer Wärmeableitung ist es bekannt, diesen über einen Wärmeleitkleber auf einer wärmeleitenden Befestigungsplatte aus Aluminium zu montieren, welche auch die Funktion eines Kühlkörpers hat. Eine Befestigungsplatte in diesem Sinne kann auch der Boden oder die Wandung eines Gehäuses sein, in dem der Schaltungsträger untergebracht werden soll. Ceramic circuit carriers as substrate material for electrical circuits are under partly because of their very good heat-dissipating properties used. To mechanically fix the ceramic circuit carrier and for the purpose further heat dissipation, it is known to use a thermal adhesive on a heat-conducting mounting plate made of aluminum, which also function a heat sink. A mounting plate in this sense can also be the floor or the Wall of a housing in which the circuit carrier is to be housed.

Eine derartige Schaltungsanordnung, bestehend aus einem keramischen Schaltungsträger, der über einen Wärmeleitkleber auf einen Kühl- und Befestigungskörper montiert ist, ist aus der DE 197 21 935 C1 bekannt. Dort wird - zusätzlich zur Klebeschicht - eine Verschraubung vorgeschlagen, um zwischen dem keramischen Schaltungsträger und dem Kühlkörper eine innige Verbindung herzustellen. Eine Verschraubung bedeutet jedoch zusätzliche Materialkosten und ist aufwendig bei der Montage. Such a circuit arrangement, consisting of a ceramic circuit carrier, the is mounted on a cooling and fastening body via a thermal adhesive, is from the DE 197 21 935 C1 known. There is a screw connection - in addition to the adhesive layer proposed to have a between the ceramic circuit carrier and the heat sink establish intimate connection. However, screwing means additional Material costs and is complex to assemble.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine dauerhaft zuverlässige Verbindung zwischen dem keramischen Schaltungsträger und der Befestigungsplatte, insbesondere über einen großen Temperaturbereich, wie er beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug auftreten kann, gewährleistet wird. The object of the invention is therefore to provide a generic circuit arrangement to further develop a permanently reliable connection between the ceramic Circuit carrier and the mounting plate, especially over a large one Temperature range, as it can occur when used in a motor vehicle, guaranteed becomes.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, für die Befestigungsplatte ein Material zu verwenden, das zumindest einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie der keramische Schaltungsträger. Dabei wird für diesen Zweck erfindungsgemäß vorzugsweise Stahl als Material für die Befestigungsplatte eingesetzt. The solution to this problem is to use a material for the mounting plate use that has at least a similar coefficient of thermal expansion as that ceramic circuit carrier. It is preferred according to the invention for this purpose Steel used as the material for the mounting plate.

Die Lösung dieses Problems beruht auf der durch Test im Klimaschrank gewonnenen neuen Erkenntnis, dass eine Schädigung der verhältnismäßig dünnen (100 bis 300 µm) Klebeschicht hauptsächlich durch die bei Temperaturänderung auftretende sehr unterschiedliche Wärmeausdehnung des keramischen Schaltungsträgers und der Aluminiumbefestigungsplatte und der damit auf die Klebeschicht ausgeübten Scherspannung verursacht wird. The solution to this problem is based on the new one obtained by testing in a climate chamber Realization that damage to the relatively thin (100 to 300 µm) adhesive layer mainly due to the very different occurring when the temperature changes Thermal expansion of the ceramic circuit carrier and the aluminum mounting plate and this causes the shear stress exerted on the adhesive layer.

Große Temperaturunterschiede treten insbesondere beim Einsatz der Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug auf, wobei je nach Einbauort Temperaturen von -40°C (bei Stillstand des Fahrzeuges im Winter) bis zu beispielsweise +140°C (beim Betrieb des Fahrzeuges) auftreten können. Large temperature differences occur in particular when using the circuit arrangement a motor vehicle, depending on the installation location temperatures of -40 ° C (at standstill of the vehicle in winter) up to, for example, + 140 ° C (when the vehicle is in operation) may occur.

Die Schaltungsanordnung sowie die Problematik soll anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert werden. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 prinzipiell die gleiche Schaltungsanordnung jeweils im Schnitt, jedoch bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Schnittdarstellungen sind nicht maßstäblich gezeichnet. The circuit arrangement and the problem will be explained with reference to FIGS. 1 to 3. In this case, 1, FIGS. To 3 in principle the same circuit arrangement in each case in cross-section, but at different temperatures. The sectional representations are not drawn to scale.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Schaltungsanordnung bei Raumtemperatur. Sie besteht aus dem keramischen Schaltungsträger (1), vorzugsweise aus Aluminiumoxid, auf dem ein wärmeerzeugendes elektrisches Bauelement (2), z. B. ein Transistor, angeordnet ist. Der keramische Schaltungsträger (1) ist über eine wärmeleitende Klebeschicht (3) auf die Befestigungsplatte (4) aufgeklebt. Dabei ist die Grundfläche der Befestigungsplatte (4) vorzugsweise größer als die Grundfläche des Schaltungsträgers (1), was durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Fig. 2 shows a section through the circuit arrangement at room temperature. It consists of the ceramic circuit carrier ( 1 ), preferably of aluminum oxide, on which a heat-generating electrical component ( 2 ), for. B. a transistor is arranged. The ceramic circuit carrier ( 1 ) is glued to the mounting plate ( 4 ) via a heat-conducting adhesive layer ( 3 ). The base area of the mounting plate ( 4 ) is preferably larger than the base area of the circuit carrier ( 1 ), which is indicated by the dashed line.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch dieselbe Schaltungsanordnung, jedoch bei einer Temperatur von +140°C. Auf die Klebeschicht (3), die einerseits an dem keramischen Schaltungsträger (1) und andererseits an der Befestigungsplatte (4) haftet, treten nun aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung (hier übertrieben und nicht maßstäblich dargestellt) starke Scherkräfte auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen Schaltungsträgers (Al₂O₃) beträgt ungefähr 8.(10^-6/K). Würde man Aluminium als Material für die Befestigungsplatte verwenden, so hätte diese einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 23.(10^-6/K), so das die Ausdehnungskoeffizienten sich fast um den Faktor 3 unterscheiden. Bei einer Länge der Schaltungsanordnung bei Raumtemperatur von 100 mm ergibt sich bei einer Temperatur von +140°C eine Längenänderung (Δl₁) des keramischen Schaltungsträgers (1) um ca. 100 µm, während sich bei der Befestigungsplatte (4) aus Aluminium eine Längenänderung (Δl₂) von ca. 280 µm ergibt. Damit beträgt die Differenz der Längenänderung zwischen den beiden Seiten der Klebeschicht (3) ungefähr 180 µm und ist somit genauso groß oder gar größer als die Dicke (d) dieser Klebeschicht (3), die nur zwischen 100 µm und 300 µm dick ist, um einen ausreichenden Wärmeübergang zu gewährleisten. Aufgrund der geringen Dicke ist die Klebeschicht (3) nicht in der Lage, die aufgrund der großen Längenänderungsunterschiede auftretende Scherspannung zu kompensieren, wodurch es zu einer Beschädigung der Klebeschicht (3) kommen würde. Würde man die Klebeschicht (3) wesentlich dicker (z. B. doppelt so dick) ausgestalten, damit diese die Scherspannung kompensieren könnte, würde dies eine schlechtere Wärmeableitung durch die vergleichsweise schlecht wärmeleitende Klebeschicht zur Folge haben. Darüber hinaus würden durch diese Maßnahme auch zusätzliche Materialkosten entstehen. Fig. 3 shows a section through the same circuit arrangement, but at a temperature of + 140 ° C. Due to the different thermal expansion (exaggerated here and not shown to scale), strong shear forces now appear on the adhesive layer ( 3 ), which adheres to the ceramic circuit carrier ( 1 ) and to the mounting plate ( 4 ). The coefficient of thermal expansion of the ceramic circuit carrier (Al ₂ O ₃ ) is approximately 8. (10 ^-6 / K). If one were to use aluminum as the material for the fastening plate, this would have a coefficient of thermal expansion of approximately 23. (10 ^-6 / K), so that the coefficients of expansion differ almost by a factor of 3. With a length of the circuit arrangement at room temperature of 100 mm, there is a change in length (Δl ₁ ) of the ceramic circuit carrier ( 1 ) by approximately 100 μm at a temperature of + 140 ° C., while there is a change in length in the aluminum mounting plate ( 4 ) (Δl ₂ ) of approx. 280 µm results. The difference in length change between the two sides of the adhesive layer ( 3 ) is thus approximately 180 μm and is therefore as large or even greater than the thickness (d) of this adhesive layer ( 3 ), which is only between 100 μm and 300 μm thick to ensure sufficient heat transfer. Due to the small thickness, the adhesive layer ( 3 ) is not able to compensate for the shear stress that occurs due to the large differences in length change, which would damage the adhesive layer ( 3 ). If the adhesive layer ( 3 ) were made much thicker (e.g. twice as thick) so that it could compensate for the shear stress, this would result in poorer heat dissipation due to the comparatively poorly heat-conductive adhesive layer. This measure would also result in additional material costs.

Bei Verwendung einer Befestigungsplatte (4) aus Stahl hätte diese einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 11.(10^-6/K), der ähnlich groß ist wie der von Keramik. Die Längenausdehnung dieser Befestigungsplatte würde bei einer Temperatur von +140°C lediglich 120 µm betragen. Der Längenänderungsunterschied zwischen dem keramischen Schaltungsträger und der Befestigungsplatte beträgt dann nur ca. 20 µm. Dies ist wesentlich geringer als die Dicke der Klebeschicht, so dass diese die geringere Scherspannung gut kompensieren kann. If a steel fastening plate ( 4 ) were used, this would have a coefficient of thermal expansion of approximately 11. (10 ^-6 / K), which is similar in size to that of ceramic. The linear expansion of this mounting plate would be only 120 µm at a temperature of + 140 ° C. The difference in length change between the ceramic circuit carrier and the mounting plate is then only about 20 microns. This is much less than the thickness of the adhesive layer so that it can compensate for the lower shear stress.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung bei -40°C. In diesem Fall ist die Schaltungsanordnung gegenüber der Situation bei Raumtemperatur geschrumpft. Ansonsten sind die Effekte die gleichen wie in Fig. 3, jedoch nur in umgekehrter Richtung. Fig. 1 shows the circuit arrangement at -40 ° C. In this case, the circuit arrangement has shrunk compared to the situation at room temperature. Otherwise, the effects are the same as in Fig. 3, but only in the opposite direction.

Insgesamt ergibt sich bei Verwendung von Stahl als Material für die Befestigungsplatte über den gesamten Temperaturbereich ein sehr geringer Ausdehnungsunterschied zwischen dem keramischen Schaltungsträger und der Befestigungsplatte und somit auch nur eine geringe Scherspannung, die dann von der dünnen Klebeschicht kompensiert werden kann. Overall, when using steel as the material for the mounting plate results in the entire temperature range a very small difference in expansion between the ceramic circuit carrier and the mounting plate and thus only a small one Shear stress, which can then be compensated for by the thin adhesive layer.

Claims

1. Circuit arrangement consisting of a ceramic circuit carrier ( 1 ) on which an electrical circuit and electrical components ( 2 ) are arranged, the ceramic circuit carrier ( 1 ) being mounted on a heat-conducting mounting plate ( 4 ) via a heat-conducting adhesive ( 3 ), thereby characterized in that a material is used for the mounting plate ( 4 ) which has at least a similar coefficient of thermal expansion as the ceramic circuit carrier ( 1 ).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the material of the fastening plate ( 4 ) is steel.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the material of the ceramic circuit carrier ( 1 ) is aluminum oxide.

4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive layer ( 3 ) has a thickness of 100 to 300 µm.