DE10152475A1 - Wärmeleitendes Verbindungsstück - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein wärmeleitendes Verbindungsstück (1), insbesondere in einer Schaltungsanordnung, aus zumindest zwei Teilstücken (2, 3), die durch eine galvanische Isolierschicht (4) voneinander getrennt sind. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bei den bekannten Verbindungsstücken (1) die galvanische Trennung der mit dem Verbindungsstück zu verbindenden Teile nur auf Kosten einer verminderten Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsstücks (1) erreicht werden kann. Diesem Problem wird erfindungsgemäß u. a. dadurch abgeholfen, dass die in der Isolierschicht (4) anstoßenden Flächen der Teilstücke (2, 3) Vorsprünge (5) aufweisen, die mit Ausnehmungen des jeweils anderen Teilstücks korrespondieren, und die Teilstücke (2, 3) so ineinander greifen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein wärmeleitendes Verbindungsstück, insbesondere in einer Schaltungsanordnung, aus zumindest zwei Teilstücken, die durch eine galvanische Isolierschicht voneinander getrennt sind.
• Wärmeleitende Verbindungsstücke dieser Art werden dazu verwendet, elektronische Bauteile und Kühlkörper miteinander so zu verbinden, dass ein effektiver Wärmetransport von dem elektronischen Bauteil zu dem Kühlkörper möglich ist und gleichzeitig eine elektrische Verbindung des Bauteils mit dem Kühlkörper unterbleibt. Der Wärmetransport ist dazu nötig, das elektronische Bauteil vor dem Überhitzen zu schützen und so die Funktionsfähigkeit der elektronischen Schaltung zu gewährleisten, in welche das Bauteil eingebaut ist. Die galvanische Trennung durch die Isolierschicht ist dann zweckmäßig, wenn verhindert werden soll, dass unerwünschte Wechselwirkungen zwischen dem zu kühlenden Bauteil und der Umgebung auftreten, beispielsweise das Auftreten von unerwarteten Schaltungsvorgängen des Bauelements.
• Der Wärmetransport zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper über das Verbindungsstück ist abhängig von dem Wärmewiderstand des Verbindungselements. Der Wärmewiderstand des Verbindungsstücks ist dabei von dem Wärmewiderstand der Isolierschicht und insbesondere den Übergangen von den Teilstücken zu der Isolierschicht abhängig. Der Wärmewiderstand der Isolierschicht ist wegen seiner Größe sogar maßgeblich für den Wärmewiderstand des gesamten Verbindungsstücks, da der Wärmewiderstand der in der Regel elektrisch leitenden Teilstücke wesentlich kleiner ist und der Wärmewiderstand des gesamten Verbindungsstücks die Summe der Wärmewiderstände der einzelnen hintereinander liegenden Wärmewiderstände ist.
• Ein Grund für den hohen Wärmewiderstand der Isolierschicht ist dabei in der elektrisch isolierenden Eigenschaft dieser Schicht zu suchen. Die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes beeinflusst nämlich die Wärmeleitfähigkeit unmittelbar. Daher sind schlechte elektrische Leiter oftmals auch schlechte Wärmeleiter.
• Aus der Druckschrift EP 0 558 712 B1 ist ein Verbindungsstück der eingangs genannten Art bekannt. Dabei ist das eine Teilstück aus einem Teil des Gehäuses gebildet, während das andere Teilstück durch einen Kühlkörper gebildet ist. Beide Teilstücke sind mit einer isolierenden Schicht miteinander verbunden.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bei den bekannten Verbindungsstücken die galvanische Trennung der mit dem Verbindungsstück zu verbinden Teile nur auf Kosten einer verminderten Wärmeleitfähigkeit des Verbindungsstücks erreicht werden kann.
• Die Aufgabe war es also, ein Verbindungsstück mit galvanischer Trennung der Teilstücke vorzuschlagen, welches eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit hat.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die an der Isolierschicht anstoßenden Flächen der Teilstücke Vorsprünge aufweisen, die mit Ausnehmungen des jeweils anderen Teilstücks korrespondieren, und die Teilstücke so ineinander greifen.
• Durch die miteinander korrespondierenden Ausnehmungen und Vorsprünge wird die die Isolierschicht berührende Fläche der Teilstücke vergrößert. Diese vergrößerte Fläche führt dabei zu einem geringeren Wärmewiderstand des gesamten Verbindungsstückes. Die Ursache liegt darin, dass der spezifische Wärmewiderstand des Übergangs von den Teilstücken zu der Isolierschicht zwar gleich bleibt, wegen der größeren Fläche des Übergangs der gesamte Wärmewiderstand an den Übergängen aber kleiner wird, da der Wärmetransport nun über eine größere Fläche der Übergänge erfolgt.
• Die Fläche des Übergangs zwischen der Isolierschicht und den Teilstücken kann im übrigen dadurch weiter vergrößert werden, dass die Vorsprünge Hinterschneidungen haben.
• Die Aufgabe wird weiter gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Teilstücke beabstandet voneinander auf der Isolierschicht angebracht sind, dass die Isolierschicht eine Ausnehmung aufweist, in welche ein Einlegestück raumfüllend eingebettet ist und dass dieses Einlegestück eine unmittelbare Verbindung mit einem der Teilstücke hat.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner dadurch gelöst, dass das Verbindungsstück ein Einlegestück aufweist, welches in einer Ausnehmung eines der Teilstücke raumfüllend eingebettet ist, wobei die Fläche dieses Teilstückes und die Flächen des Einlegestückes durch die Isolierschicht voneinander getrennt sind, und dass das Einlegestück zumindest eine unmittelbare Verbindung mit dem anderen Teilstück hat.
• Das Verbindungsstück kann vorteilhaft in einer Schicht einer Mehrschichtleiterplatte angeordnet sein. Gemäß der Erfindung können auch weitere Teilstücke in weiteren Schichten der Mehrschichtleiterplatte angeordnet sein, wobei die weiteren Teilstücke über Durchkontaktierungen mit jeweils einem der ersten Teilstücke verbunden sind. Die weiteren Teilstücke können dann vorteilhaft abwechselnd entweder mit dem einen der ersten Teilstücke oder mit anderen der ersten Teilstücke verbunden sein.
• Dabei besteht das Einlegestück vorteilhaft aus dem gleichen Material wie das Teilstück, mit dem die unmittelbare Verbindung besteht.
• Vorteilhaft ist zumindest eines der Teilstücke aus einem elektrischen Leiter oder Halbleiter.
• Die Teilstücke können im übrigen Teil einer Leiterbahn, eines Bauelements oder eines Kühlkörpers sein.
• Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Darin zeigen
• Fig. 1 ein Verbindungsstück mit Teilstücken mit Vorsprüngen und damit korrespondierenden Ausnehmungen im Schnitt;
• Fig. 2 ein Verbindungsstück mit Teilstücken und einem in einem Teilstück eingebetteten Einlegestück im Schnitt;
• Fig. 3 ein Verbindungsstück mit Teilstücken und einem in der Isolierschicht eingebetteten Einlegestück im Schnitt;
• Fig. 4 ein in einer Mehrschichtleiterplatte vorgesehenes Verbindungsstück im Schnitt.
• Das in Fig. 1 dargestellte Verbindungsstück 1 weist zwei Teilstücke 2, 3 auf, die mit Vorsprüngen 5 versehen sind. Die Vorsprünge 5 des in der Fig. 1 oben dargestellten Teilstücks 2 sind dabei in den Vorsprüngen 5 entsprechenden Ausnehmungen des in der Fig. 1 unten dargestellten Teilstücks angeordnet. Zwischen den Flächen der Ausnehmungen und der Vorsprünge 5 weist das Verbindungsstück 1 eine Isolierschicht 4 auf, welche die Teilstücke 2, 3 voneinander trennt. Die Vorsprünge 5 weisen Hinterschneidungen 5a auf, durch welche die benachbarten Ausnehmungen vergrößert sind und welche durch die korrespondierenden Vorsprünge 5 des jeweils anderen Teilstücks ausgefüllt sind.
• Im Vergleich zu glatt aufeinander liegenden Teilstücken, wie sie von Verbindungsstücken gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, hat das Verbindungsstück gemäß Fig. 1 eine größere Fläche, an welchen sich die Isolierschicht 4 und die Teilstücke 2, 3 berühren. Die für den Wärmetransport zur Verfügung stehende Fläche ist daher größer. Bei einem gleichen flächenbezogenen Wärmewiderstand, kann aufgrund der größeren Übergangsfläche daher ein wesentlich größer Wärmetransport über die Isolierschicht 4 bzw. das Verbindungsstück 1 erfolgen. Der Wärmewiderstand ist daher kleiner, während die galvanische Trennung erhalten bleibt. Durch Simulation wurde ermittelt, dass der Wärmewiderstand bei einem Verbindungsstück ähnlich dem der Fig. 1 von 95 K/Wcm auf 47 K/Wcm reduziert werden konnte.
• Das Verbindungsstück gemäß Fig. 2 hat zwei Teilstücke 2, 3 wie das bereits beschriebene Verbindungsstück. Darüber hinaus weist das Verbindungsstück gemäß Fig. 2 auch ein Einlegestück 6 auf. Dieses Einlegestück 6 ist in einer Ausnehmung des in der Figur unten dargestellten Teilstücks 3 raumfüllend eingebettet. Ferner ist das Einlegestück 6 mit dem in der Fig. 2 oben dargestellten Teilstück 2 einstückig verbunden. Das Verbindungsstück 1 weist zwischen den Flächen des Teilstücks 2 und des Einlegestücks 6 einerseits und dem Teilstück 3 andererseits eine Isolierschicht 4 auf, welche eine galvanische Trennung zwischen den beiden Teilstücken und den damit verbundenen nicht dargestellten Teilen einer Schaltung sicherstellt.
• Im Gegensatz zu dem Verbindungsstück gemäß Fig. 2 ist bei dem Verbindungsstück gemäß Fig. 3, welches ebenfalls Teilstücke 2, 3, eine Isolierschicht 4 und ein Einlegestück 6aufweist, das Einlegestück 6 nicht in einer Ausnehmung eines der Teilstücke 2, 3 eingebettet. Vielmehr weist die Isolierschicht 4, die hier von einer Leiterplatte gebildet ist, die das Einlegestück 6 raumfüllend aufnehmende Ausnehmung auf. Das Einlegestück 6 ist dabei unmittelbar mit dem in der Figur rechts dargestellten und auf der Oberseite der Isolierschicht 4 angeordneten Teilstück 2 einstückig verbunden. Beabstandet von dem Teilstück 2 ist auf der Oberseite der Isolierschicht 4 das andere Teilstück 3 angeordnet.
• In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Mehrschichtleiterplatte 8 dargestellt, in welcher ein wärmeleitendes Verbindungsstück vorgesehen ist. Die Mehrschichtleiterplatte 8 hat eine erste Schicht, in der zwei Teilstücke 2, 3 des Verbindungsstücks angeordnet sind. Die weiteren Schichten der Mehrschichtleiterplatte 8 sind durch Isolationsschichten 10 voneinander elektrisch isoliert. Die Teilstücke 2, 3 sind über Durchkontaktierungen 9 mit weiteren Teilstücken 2a und 3a in den anderen Schichten der Mehrschichtleiterplatte verbunden. Die weiteren Teilstücke 2a, 3a sind abwechselnd in den übereinander liegenden Schichten angeordnet, so dass sich ein Wechsel zwischen den Schichten mit den weiteren Teilstücken 2a, die mit dem Teilstück 2 verbunden sind, und den Schichten mit den weiteren Teilstücken 3a, die mit dem Teilstück 3 verbunden sind, ergibt. Dadurch ergibt sich eine große Fläche zwischen den Teilstücken sowie den weiteren Teilstücken, über welche die abzuführende Wärme transportiert werden kann. Innerhalb einer Schicht dieser Mehrschichtleiterplatte, d. h. Senkrecht zur Zeichnungsebene können jeweils abwechselnd weiteren Teilstücke angeordnet sein, und zwar in der Art wie es aus Fig. 1 oder 2 bekannt ist.

Claims (11)

1. Wärmeleitendes Verbindungsstück aus zumindest zwei aneinanderstoßenden Teilstücken (2, 3), die durch eine Isolierschicht (4) galvanisch voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Isolierschicht anstoßenden Flächen der Teilstücke Vorsprünge (5) aufweisen, welche mit Ausnehmungen des jeweils anderen Teilstücks korrespondieren, und die Teilstücke so ineinander greifen.

2. Verbindungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge Hinterschneidungen haben.

3. Verbindungsstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Teilstücke (2, 3) in einer Schicht (7) einer Mehrschichtleiterplatten (8) angeordnet sind.

4. Verbindungsstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass weitere Teilstücke (2a, 3a) in weiteren Schichten (7a, 7b) der Mehrschichtleiterplatte (8) angeordnet sind,
wobei die weiteren Teilstücke (2a, 3a) über Durchkontaktierungen (9) mit jeweils einem der ersten Teilstücke (2, 3) verbunden sind.

5. Verbindungsstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Teilstücke (2a, 3a) abwechselnd entweder mit einem der ersten Teilstücke (2) oder mit anderen der ersten Teilstücke (3) verbunden sind.

6. Wärmeleitendes Verbindungsstück aus zumindest zwei Teilstücken (2, 3), die durch eine Isolierschicht (4) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke (2, 3) beabstandet voneinander auf der Isolierschicht (4) angebracht sind, dass die Isolierschicht (4) eine Ausnehmung aufweist, in welche ein Einlegestück raumfüllend eingebettet ist, und dass dieses Einlegestück eine unmittelbare Verbindung mit einem der Teilstücke (2, 3) hat.

7. Wärmeleitendes Verbindungsstück aus zumindest zwei Teilstücken (2, 3), die durch eine Isolierschicht (4) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück ein Einlegestück aufweist, welches in einer Ausnehmung eines der Teilstücke (2, 3) raumfüllend eingebettet ist, wobei die Flächen dieses Teilstücks und die Flächen des Einlegestücks durch die Isolierschicht (4) voneinander getrennt sind, und dass das Einlegestück zumindest eine unmittelbare Verbindung mit dem anderen Teilstück hat.

8. Verbindungsstück nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegestück aus dem gleichen Material wie das Teilstück besteht, mit welchem die unmittelbare Verbindung besteht.

9. Verbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Teilstücke ein elektrischer Leiter ist.

10. Verbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Teilstücke ein elektrischer Halbleiter ist.

11. Verbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Teilstücke eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte ist.