DE102006001188A1 - Arrangement for cooling power components on printed circuit boards and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von wenigstens einem Bauelement, insbesondere wenigstens einem Leistungsbauelement, wobei das wenigstens eine Bauelement auf einer Leiterplatte befestigt ist, die wenigstens auf einer Seite mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in der Leiterplatte (3) eine Innenfläche (13) des elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist, auf der Innenfläche (13) wenigstens ein Bauelement angeordnet ist, und auf der zur Innenfläche (13) gegenüberliegenden Außenfläche (21) ein Kühlkörper (1) angeordnet ist. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Leistungsbauelementen auf Leiterplatten, insbesondere der oben genannten Art.The invention relates to an arrangement for cooling at least one component, in particular at least one power component, the at least one component being attached to a circuit board which is provided on at least one side with a layer of an electrically conductive material. DOLLAR A It is provided that an inner surface (13) of the electrically conductive material is formed by at least one recess (12) in the circuit board (3), on the inner surface (13) at least one component is arranged, and on the inner surface ( 13) opposite outer surface (21) a heat sink (1) is arranged. DOLLAR A The invention also relates to a method for producing an arrangement for cooling power components on circuit boards, in particular of the type mentioned above.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von wenigstens einem Bauelement, insbesondere einem Leistungsbauelement, mit den im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Merkmalen.The The invention relates to an arrangement for cooling at least one Component, in particular a power component, with the in the preamble of claim 1 features.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Leistungsbauelementen auf Leiterplatten der oben genannten Art.Further The invention relates to a method for producing an assembly for cooling of power components on printed circuit boards of the type mentioned above.

Stand der Technikwas standing of the technique

Es ist bekannt, die von Leistungsbauelementen wie Halbleiterschaltern, Kondensatoren oder Induktivitäten erzeugte Wärme von Leistungswandlern (zum Beispiel Brückenschaltungen von Elektromotoren, DC-DC-Wandlern zur Spannungsversorgung von Computern u. a.), die auf eine Leiterplatte aus Epoxydharz mit einer oberen Kupferschicht aufgelötet sind, über so genannte Thermal Vias von den Leistungsbauelementen durch die Leiterplatte auf deren Rückseite zu führen, wo sie dann über eine elektrisch isolierenden Folie auf einen Kühlkörper geleitet wird. Thermal Vias sind dabei Durchkontaktierungen der Leiterplatte unter der Montagefläche der Leistungsbauelemente.It is known that of power devices such as semiconductor switches, Capacitors or inductors generated heat of power converters (for example bridge circuits of electric motors, DC-DC converters to power computers and the like a.), the on a printed circuit board made of epoxy resin with an upper copper layer soldered are about so-called thermal vias of the power components by the Printed circuit board on the back respectively, where they are then over an electrically insulating film is passed onto a heat sink. Thermal Vias are thereby vias of the circuit board under the mounting surface the power components.

Jedoch ist bei diesem Aufbau zur Ableitung der Verlustleistung der Leistungsbauelemente der Wärmewiderstand zwischen einem Gehäuseboden eines Leistungsbauelements und dem eine Wärmesenke bildenden Kühlkörper relativ hoch. Den größten Wärmewiderstand weist bei diesem Aufbau eine elektrisch isolierende Folie auf, die zur elektrischen Isolation des Leistungsbauelements vom Kühlkörper erforderlich ist. Da die Thermal Vias bspw. als rasterförmig angeordnete Bohrungen ausgebildet sind, ergibt sich kein vollflächiger Kontakt zwischen dem Gehäuseboden eines Leistungsbauelements und der Kupferschicht der Leiterplatte, auf der diese aufgelötet sind, sowie einer unteren Kupferschicht und der elektrisch isolierenden Folie.however is in this structure for deriving the power loss of the power devices the thermal resistance between a housing bottom of a Power component and the heatsink forming a heat sink relative high. The greatest thermal resistance has in this structure, an electrically insulating film, the required for electrical insulation of the power device from the heat sink is. As the thermal vias eg. As a grid-shaped holes arranged are formed, there is no full-surface contact between the caseback a power device and the copper layer of the circuit board, soldered on this are, as well as a lower copper layer and the electrically insulating Foil.

Beispielsweise weist ein typisches Bauelement, bspw. ein Transistor, dessen Montageplatte eine Grundfläche von ca. 20 mm2 aufweist, einen maximalen Wärmewiderstand zwischen Junction (Sperrschicht des Transistors) – Gehäuseboden von ca. 1,2 K/W auf. Die weiteren Wärmewiderstände bis zum Kühlkörper bei einer Anordnung gemäß den Stand der Technik sind: 1. Lot: Gehäuseboden – obere Kupferschicht 0,09 K/W 2. Thermal Vias 0,50 K/W 3. Folie (3,5 W/m·K, 0,2 mm) 1,90 K/W Summe (Gehäuseboden – Kühlkörper) 2,49 K/W Junction – Gehäuseboden 1,20 K/W Summe (Junction – Kühlkörper) 3,69 K/W For example, a typical device, for example, a transistor whose mounting plate has a base area of about 20 mm 2 , a maximum thermal resistance between the junction (junction of the transistor) - housing bottom of about 1.2 K / W on. The other thermal resistances to the heat sink in a prior art arrangement are: 1. Lot: Caseback - upper copper layer 0.09 K / W 2. Thermal vias 0.50 K / W 3. foil (3.5 W / m · K, 0.2 mm) 1.90 K / W Sum (housing bottom - heat sink) 2.49 K / W Junction - caseback 1.20 K / W Sum (junction - heat sink) 3.69 K / W

Somit ist der Gesamtwärmewiderstand bei dieser Art der Anbindung mehr als dreimal so hoch wie der Wärmewiderstand zwischen Junction – Gehäuseboden.Consequently is the total thermal resistance in this type of connection more than three times as high as the thermal resistance between junction caseback.

Vorteile der Erfindungadvantages the invention

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass der Wärmewider stand zwischen der Junction eines Halbleiterbauelements und einem Kühlkörper um mehr als 60 % reduziert werden kann. Dadurch, dass durch wenigstens eine Ausnehmung in der Leiterplatte eine Innenfläche des elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist, auf der Innenfläche wenigstens ein Bauelement angeordnet ist, und auf der zur Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche ein Kühlkörper angeordnet ist, wird ein Bauelement nur durch eine untere Schicht aus leitfähigem Material an der Unterseite der Leiterplatte vom Kühlkörper getrennt. Dabei kann der Kühlkörper aus Aluminium oder einer geeigneten Aluminiumlegierung bestehen. Alternativ kann auch ein Kühlkörper aus einem anderen Material Verwendung finden.The inventive arrangement with the features mentioned in claim 1 offers the other hand Advantage that the heat resistance stood between the junction of a semiconductor device and a heat sink more than 60% can be reduced. In that by at least a recess in the printed circuit board an inner surface of the electrically conductive material is formed on the inner surface at least one component is arranged, and on the outer surface opposite to the inner surface Heat sink arranged is, a device is only through a lower layer of conductive material at the bottom of the PCB separated from the heat sink. It can the Heat sink made of aluminum or a suitable aluminum alloy. Alternatively, you can also a heat sink find another material use.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper und/oder die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite eine elektrisch isolierende Schutzschicht aufweist. Dabei kann die Schutzschicht aus einer Eloxalschicht auf dem Kühlkörper aus Aluminiumoxid gebildet sein, wenn der Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.In a preferred embodiment The invention provides that the heat sink and / or the layer of electrically conductive Material on the heat sink facing Side has an electrically insulating protective layer. It can the protective layer of an anodized on the heat sink Aluminum oxide may be formed when the heat sink made of aluminum or a Aluminum alloy exists.

In einer weiter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schutzschicht auf dem Kühlkörper und/oder auf der Unterseite der Schicht aus elektrisch leitenden Material und/oder einem elektrisch nicht leitenden Lack, insbesondere Backlack, besteht.In a further embodiment it is envisaged that the protective layer on the heat sink and / or on the bottom the layer of electrically conductive material and / or an electrically not conductive paint, especially baked enamel exists.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen der Schutzschicht und der unteren Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material eine Wärmeleitschicht vorgesehen ist. Diese Wärmeleitschicht gewährleistet einen vollflächigen Wärmekontakt ohne störende Luftfilme und gleicht Unebenheiten und Rauhigkeiten aus. Die Wärmeleitschicht kann aus einer Wärmeleitpaste gebildet sein und eine Dicke von 10 bis 100 μm aufweisen. Alternativ kann Backlack verwendet werden, wobei in diesem Fall auf die Schutzschicht verzichtet werden kann, wenn insbesondere nur geringe Anforderungen an die elektrische Isolation bestehen. In diesem Fall kommt auch die Verwendung von Kühlkörpern in Betracht, die aus anderen Materialien als Aluminium oder Aluminiumlegierungen gefertigt sind.It is preferably provided that between the protective layer and the lower layer of an electrically conductive material, a heat conducting layer is provided. This heat-conducting layer ensures full-surface thermal contact without disturbing air films and compensates for unevenness and roughness out. The heat conducting layer may be formed of a thermal paste and have a thickness of 10 to 100 microns. Alternatively, baked enamel can be used, in which case the protective layer can be dispensed with, in particular if only small demands are placed on the electrical insulation. In this case, the use of heat sinks, which are made of materials other than aluminum or aluminum alloys into consideration.

Es ist ferner vorgesehen, dass die Wärmeleitschicht aus einer Wärmeleitpaste und/oder einem gut wärmeleitfähigem Kleber gebildet istIt is further provided that the heat conducting layer of a thermal paste and / or a good thermal conductivity adhesive is formed

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leiterplatte aus Epoxydharz gebildet ist, das glasfaserverstärkt sein kann und das leitfähige Material Kupfer enthält. Dabei weist bevorzugt die Schicht aus leitfähigem Material eine Dicke von 30 bis 120 μm, insbesondere eine Dicke von 100 bis 110 μm auf.Further is preferably provided that the circuit board formed of epoxy resin is the glass fiber reinforced can be and the conductive one Material contains copper. In this case, the layer of conductive material preferably has a thickness of 30 to 120 μm, in particular a thickness of 100 to 110 microns on.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leiterplatte beidseitig mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigem Material versehen ist, so dass sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen ist, die nach ihrer Strukturierung der elektrischen Kontaktierung von Bauelementen dienen können. Dabei ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass beide Schichten im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen, was die mechanischen und thermischen Eigenschaften verbessert.Further is preferably provided that the circuit board on both sides with a Layer is provided of an electrically conductive material, so that both on the top and on the bottom of a layer made of electrically conductive Material is provided, according to their structuring of the electrical contact of components can serve. there is provided in a preferred embodiment of the invention, that both layers have substantially the same thickness, which improves the mechanical and thermal properties.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Aussparung durch Fräsen oder Stanzen hergestellt ist, was eine kostengünstige und automatisierte Serienfertigung erlaubt.Prefers is provided that the at least one recess by milling or Punching is made, resulting in cost-effective and automated batch production allowed.

Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der oberen elektrisch leitfähigen Schicht und der unteren elektrisch leitfähigen Schicht weitere elektrisch leitfähige Schichten als Verdrahtungsebenen von Bauelementen angeordnet sind (Mulitlayer).It is further preferably provided that between the upper electrically conductive Layer and the lower electrically conductive layer more electrically conductive Layers are arranged as wiring levels of components (Mulitlayer).

Ferner gehört zur Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Bauelementen auf Leiterplatten, insbesondere der oben beschriebenen Art, mit den Schritten:

  • – Strukturieren einer oberen Schicht einer Leiterplatte,
  • – Herstellen von wenigstens einer Ausnehmung,
  • – Aufbringen einer unteren Schicht,
  • – Bestücken der Leiterplatte mit wenigstens einem Bauelement, und
  • – Verbinden der Leiterplatte mit einem Kühlkörper.
Furthermore, the invention relates to a method for producing an arrangement for cooling components on printed circuit boards, in particular of the type described above, with the steps:
  • Structuring an upper layer of a printed circuit board,
  • Producing at least one recess,
  • Application of a lower layer,
  • - Equipping the circuit board with at least one component, and
  • - Connect the circuit board with a heat sink.

Mit diesem Verfahren kann die oben beschriebene Anordnung kostengünstig und automatisiert hergestellt werden. Ferner kann zusätzlich eine Wärmeleitschicht aufgebracht werden, die die thermische Anbindung verbessert.With This method, the arrangement described above, inexpensive and be produced automatically. Furthermore, in addition, a heat conducting layer be applied, which improves the thermal connection.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in an embodiment with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 8 durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung; 1 a section along the line AA in 8th by an embodiment of the inventive arrangement;

2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1; 2 an enlarged section of the 1 ;

3 eine Oberseite einer einseitig mit Kupfer beschichteten Leiterplatte, wobei eine Oberschicht strukturiert ist; 3 an upper surface of a one-side copper-coated circuit board, wherein a top layer is patterned;

4 die Leiterplatte der 3 nach einem weiteren Prozessschritt, bei dem Aussparungen für Leistungsbauelemente gebildet sind; 4 the circuit board of 3 after a further process step, wherein recesses are formed for power devices;

5 zeigt die Unterseite einer Leiterplatte, auf der eine zweite Schicht aus Kupfer aufgebracht wurde; 5 shows the underside of a printed circuit board on which a second layer of copper has been applied;

6 zeigt die Oberseite der Leiterplatte nach Aufbringen und Strukturieren der zweiten Schicht; 6 shows the top of the circuit board after applying and structuring the second layer;

7 zeigt einen weiteren Prozessschritt, bei dem Durchkontaktierungen von der oberen zur unteren Kupferschicht hergestellt werden; und 7 shows another process step in which vias are made from the upper to the lower copper layer; and

8 zeigt eine mit Bauelementen bestückte Leiterplatte. 8th shows a board equipped with components.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

1 und 2 zeigen einen Kühlkörper 1, bspw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der an seiner Kontaktfläche 2 mit einer Leiterplatte 3 verbunden ist. 1 and 2 show a heat sink 1 , For example. Of aluminum or an aluminum alloy, at its contact surface 2 with a circuit board 3 connected is.

Dabei ist die Kontaktfläche 2 mit einer Schutzschicht 4 versehen, die bspw. aus einer Eloxalschicht aus Aluminiumoxid gebildet ist. Ferner ist zwischen der Kontaktfläche 2 und der Leiterplatte 3 eine Wärmeleitschicht 5 vorgesehen, die bspw. eine Dicke von 10 bis 100 μm aufweist und aus einer Wärmeleitpaste oder einer dünnen elektrisch isolierenden Lackschicht, bspw. einem Backlack gebildet sein kann.Here is the contact surface 2 with a protective layer 4 provided, for example, is formed from an anodized aluminum oxide. Further, between the contact surface 2 and the circuit board 3 a heat conducting layer 5 provided, for example, has a thickness of 10 to 100 microns and may be formed from a thermal paste or a thin electrically insulating lacquer layer, for example. A baked enamel.

Die Leiterplatte 3 ist bspw. aus Epoxydharz 6 gebildet und weist an ihrer Oberseite 7 eine obere Schicht 9 und an ihrer Unterseite 8 eine untere Schicht 10 aus einem elektrisch leitfähigem Material, wie bspw. Kupfer, auf. Die Dicke der Schichten 9, 10 auf der Ober- und Unterseite 7, 8 beträgt dabei ca. 30–120 μm.The circuit board 3 is, for example, made of epoxy resin 6 formed and has at its top 7 an upper layer 9 and at their bottom 8th a lower one layer 10 made of an electrically conductive material, such as. Copper on. The thickness of the layers 9 . 10 on the top and bottom 7 . 8th is about 30-120 microns.

In dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind entlang dem Schnitt entlang der Linie A-A in 8 auf der Oberseite 7 zwei Kondensatoren 11 angeordnet. Ferner weist die Leiterplatte 2 zwei Ausnehmungen 12 auf, in deren Bereich das Epoxydharz 6 und die obere Schicht 9 derart entfernt sind, dass an der unteren Schicht 10 an der Unterseite 8 eine Innenfläche 13 gebildet ist. Auf dieser Innenfläche 13 sind je ein Transistor 14 angeordnet, so dass die Transistoren 14 nur durch die untere Schicht 10 und durch die Wärmeleitschicht 5 von der Schutzschicht 4 des Kühlkörpers 1 getrennt sind, der an einer zur Innenfläche 13 gegenüberliegenden Außenfläche 21 angeordnet ist.In the in the 1 and 2 illustrated embodiment are along the section along the line AA in 8th on the top 7 two capacitors 11 arranged. Furthermore, the circuit board 2 two recesses 12 in whose area the epoxy resin 6 and the upper layer 9 are removed such that at the lower layer 10 on the bottom 8th an inner surface 13 is formed. On this inner surface 13 are each a transistor 14 arranged so that the transistors 14 only through the lower layer 10 and through the heat conducting layer 5 from the protective layer 4 of the heat sink 1 are separated, at one to the inner surface 13 opposite outer surface 21 is arranged.

Die Transistoren 14 umfassen je einen Transistorchip 15, der mittels eines Trägers 16 auf der unteren Schicht 10 an der Innenfläche 13 befestigt ist. Zur elektrischen Kontaktierung ist ein Bonddraht 17 zu einem Anschluss 22 geführt, der eine elektrische Verbindung mit der Innenfläche 13 herstellt.The transistors 14 each include a transistor chip 15 that by means of a carrier 16 on the lower layer 10 on the inner surface 13 is attached. For electrical contacting is a bonding wire 17 to a connection 22 guided, which makes an electrical connection with the inner surface 13 manufactures.

Es wird nun anhand der 3 bis 8 ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung erläutert, hier bspw. anhand einer 3-phasigen Motorbrücke.It will now be based on the 3 to 8th a method for producing an arrangement according to the invention explained, here for example. Based on a 3-phase motor bridge.

Ausgangspunkt ist eine Leiterplatte 3 aus Epoxydharz mit einer einseitig aufgebrachten Beschichtung aus Kupfer, die auf der Oberseite 7 als obere Schicht 9 auf der Leiterplatte 3 aufgebracht ist.The starting point is a circuit board 3 made of epoxy resin with a single-sided coating of copper on top 7 as upper layer 9 on the circuit board 3 is applied.

In einem ersten Schritt (siehe 3) wird die obere Schicht 9 der Leiterplatte 3 strukturiert. Dies kann mittels üblicher fotografischer Übertragungstechniken und Ätzverfahren erfolgen.In a first step (see 3 ) becomes the upper layer 9 the circuit board 3 structured. This can be done by means of customary photographic transmission techniques and etching methods.

In einem zweiten Schritt (siehe 4) werden Ausnehmungen 12 an den Stellen gebildet, an denen Transistoren 14, wie z.B. Leistungstransistoren, angeordnet werden sollen. Hierzu wird das Epoxydharz 6 z.B. mittels Stanzen vollständig entfernt.In a second step (see 4 ) will be recesses 12 formed at the points where transistors 14 , such as power transistors, are to be arranged. This is the epoxy resin 6 eg completely removed by punching.

In einem dritten Schritt (siehe 5) wird auf die Unterseite 8 der Leiterplatte eine ca. 105 μm dicke Schicht aus einem elektrische leitfähigem Material, wie z.B. Kupfer aufgebracht, die eine untere Schicht 10 bildet. Dabei bildet die untere Schicht 10 die Außenfläche 21, an der ein Kühlkörper 1 z.B. durch Aufpressen angefügt werden kann sowie die zur Außenfläche 21 gegenüberliegende Innenfläche 13, auf der z.B. Transistoren 14 mittels Auflöten befestigt werden können. Ferner werden Bohrungen 18 eingebracht, die als Anschlüs se für Bauelemente wie Kondensatoren 11 oder Transistoren 14 dienen. Außerdem werden positive Versorgungsanschlüsse 23, negative Versorgungsanschlüsse 24 sowie Motorwicklungsanschlüsse 25 gebildet. 6 zeigt die Oberseite 7 mit der oberen Schicht 9 sowie Ausnehmungen 12 des Epoxiträgermaterials. In den Ausnehmungen 12 ist die Innenfläche 13 der unteren Schicht 10 sichtbar.In a third step (see 5 ) will be on the bottom 8th The printed circuit board is applied to an approximately 105 micron thick layer of an electrically conductive material, such as copper, which is a lower layer 10 forms. In this case, the lower layer forms 10 the outer surface 21 on which a heat sink 1 For example, can be added by pressing and the outer surface 21 opposite inner surface 13 , on the example of transistors 14 can be fixed by means of soldering. Furthermore, holes 18 introduced as the connec se for components such as capacitors 11 or transistors 14 serve. In addition, positive supply connections 23 , negative supply connections 24 and motor winding connections 25 educated. 6 shows the top 7 with the upper layer 9 as well as recesses 12 of the epoxy support material. In the recesses 12 is the inner surface 13 the lower layer 10 visible, noticeable.

In einem vierten Schritt (siehe 7) werden Durchkontaktierungen 19 hergestellt, die z.B. Verbindungen zwischen der Oberseite 7 und der Unterseite 8 herstellen.In a fourth step (see 7 ) become vias 19 made, for example, connections between the top 7 and the bottom 8th produce.

In einem fünften und letzten Schritt (siehe 8) wird die Leiterplatte 2 bestückt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs Leistungstransistoren 14 auf die Innenfläche 13 je einer Ausnehmung 12 aufgelötet sowie fünf parallel geschaltete Kondensatoren 11 vorgesehen. Ferner ist hier in der unteren Schicht 10 ein Shunt-Widerstand 20 zur Strommessung vorgesehen, der wie die Leistungstransistoren 14 thermisch eng an einen Kühlkörper 1 angebunden ist sowie zwei Drahtbrücken 27.In a fifth and final step (see 8th ) becomes the circuit board 2 stocked. In the present embodiment, six power transistors 14 on the inner surface 13 one recess each 12 soldered and five parallel capacitors 11 intended. Furthermore, here is in the lower layer 10 a shunt resistor 20 intended for current measurement, which like the power transistors 14 thermally close to a heat sink 1 is connected and two jumper wires 27 ,

Die fertig bestückte Leiterplatte 2 wird mit einem Kühlkörper 1, bspw. mittels einer Blattfeder, die auf die Oberseite der Leistungstransistoren 14 drückt, verbunden (nicht dargestellt). Dabei gewährleistet der Druck der Blattfeder einen guten thermischen Kontakt der Unterseite 10 mit dem Kühlkörper 1 und erlaubt dabei eine geringe Schichtdicke der Wärmeleitpaste. Die Blattfeder ist mit dem Kühlkörper 1 fest verbunden, z.B. mittels einer Clipverbindung.The ready assembled circuit board 2 comes with a heat sink 1 , For example by means of a leaf spring, which on the top of the power transistors 14 presses, connected (not shown). The pressure of the leaf spring ensures good thermal contact of the underside 10 with the heat sink 1 and allows a small layer thickness of the thermal compound. The leaf spring is with the heat sink 1 firmly connected, for example by means of a clip connection.

Die mit diesem Verfahren erzielbaren Wärmewiderstände betragen: 1. Lot: Gehäuseboden – untere Kupferschicht 0,08 K/W 2. Kupferleitbahn (400 W/m·K, 0,1 mm) 0,012 K/W 3. Wärmeleitpaste (2 W/m·K, 0,01 mm) 0,067 K/W 4. Eloxalschicht (30 W/m·K, 0,03 mm) 0,033 K/W Summe (Gehäuseboden – Kühlköper) 0,192 K/W The thermal resistances achievable with this method are: 1. Lot: Caseback - lower copper layer 0.08 K / W 2. Copper conductor track (400 W / m · K, 0.1 mm) 0.012 K / W 3. Thermal compound (2 W / m · K, 0.01 mm) 0.067 K / W 4. Anodized layer (30 W / m · K, 0.03 mm) 0.033 K / W Sum (housing bottom - heat sink) 0.192 K / W

Junction – Gehäuseboden Junction - caseback 1,20 K/W1.20 K / W Summe (Junction – Kühlkörper)total (Junction - heat sink) 1,392 K/W 1,392 K / W

Damit ist der gesamte Wärmewiderstand zwischen der Junction der Leistungstransistoren und dem Kühlkörper bei der erfindungsgemäßen Anordnung um mehr als 60 % reduziert.In order to is the total thermal resistance between the junction of the power transistors and the heat sink in the inventive arrangement reduced by more than 60%.

Es sei angemerkt, dass der Wärmewiderstand Gehäuseboden – Junction bauelementspezifisch ist, und durch den Aufbau des Halbleiterbauelements bedingt ist (z.B. bei Leistungstransistoren im DPack-Gehäuse ca. 1,2 K/W).It should be noted that the Wärmewider Case bottom - Junction is specific to the device, and due to the structure of the semiconductor device is conditioned (for example, with power transistors in DPack housing about 1.2 K / W).

Der montagebedingte zusätzliche Wärmewiderstand beträgt gemäß bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung, bestehend aus Thermal Vias und Isolationsfolie 2,49 K/W, hingegen gemäß der Erfindung 0,192 K/W. D.h., der durch die Montage bedingte Wärmewiderstand wird um den Faktor ca. 13 reduziert. Für einen Shuntwiderstand, der Teil der unteren Kupferschicht ist und eine Widerstandsfläche von 13 mm2 aufweist, ergibt sich gemäß dem Stand der Technik ein Wert für den Wärmewiderstand von 4,4 K/W, während sich dieser gemäß der Erfindung auf 0,46 K/W erniedrigt, wobei der Anteil des Wärmewiderstands, der von der Wärmeleitpaste herrührt 0,38 K/W beträgt und der Anteil der Eloxalschicht 0,08 K/W beträgt. Somit ergibt sich eine Reduzierung des montagebedingten Wärmewiderstands des Shuntwiderstands um den Faktor 9,6.The assembly-related additional thermal resistance is according to a known from the prior art arrangement, consisting of thermal vias and insulation film 2.49 K / W, however, according to the invention 0.192 K / WDh, the thermal resistance caused by the installation is increased by a factor of about 13 reduced. For a shunt resistor, which is part of the lower copper layer and has a resistance area of 13 mm 2 , results according to the prior art, a value for the thermal resistance of 4.4 K / W, while this according to the invention to 0.46 K. / W, wherein the proportion of the thermal resistance resulting from the thermal grease is 0.38 K / W and the proportion of the anodized layer is 0.08 K / W. This results in a reduction of the installation-related thermal resistance of the shunt resistor by a factor of 9.6.

Claims (14)

Anordnung zur Kühlung von wenigstens einem Bauelement, insbesondere wenigstens einem Leistungsbauelement, wobei das wenigstens eine Bauelement auf einer Leiterplatte befestigt ist, die wenigstens auf einer Seite mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in der Leiterplatte (3) eine Innenfläche (13) des elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist, auf der Innenfläche (13) wenigstens ein Bauelement angeordnet ist, und auf der zur Innenfläche (13) gegenüberliegenden Außenfläche (21) ein Kühlkörper (1) angeordnet ist.Arrangement for cooling at least one component, in particular at least one power component, wherein the at least one component is mounted on a printed circuit board, which is provided on at least one side with a layer of an electrically conductive material, characterized in that at least one recess ( 12 ) in the printed circuit board ( 3 ) an inner surface ( 13 ) of the electrically conductive material is formed on the inner surface ( 13 ) at least one component is arranged, and on the inner surface ( 13 ) opposite outer surface ( 21 ) a heat sink ( 1 ) is arranged. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) und/oder die Schicht (10) aus elektrisch leitfähigem Material auf der dem Kühlkörper (1) zugewandten Seite eine elektrisch isolierende Schutzschicht (4) aufweist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the heat sink ( 1 ) and / or the layer ( 10 ) made of electrically conductive material on the heat sink ( 1 ) facing side an electrically insulating protective layer ( 4 ) having. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) auf dem Kühlkörper (1) eine Eloxalschicht aus Aluminiumoxid ist.Arrangement according to claim 2, characterized in that the protective layer ( 4 ) on the heat sink ( 1 ) is an anodized aluminum oxide layer. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) auf dem Kühlkörper (1) und/oder auf der Unterseite der Schicht (10) aus elektrisch leitendem Material aus einem elektrisch nicht leitenden Lack, insbesondere Backlack, besteht.Arrangement according to claim 2, characterized in that the protective layer ( 4 ) on the heat sink ( 1 ) and / or on the underside of the layer ( 10 ) consists of electrically conductive material of an electrically non-conductive paint, especially baked enamel. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schutzschicht (4) und der Schicht (10) aus einem elektrisch leitfähigem Material eine Wärmeleitschicht (5) vorgesehen ist.Arrangement according to claim 2, 3 or 4, characterized in that between the protective layer ( 4 ) and the layer ( 10 ) of an electrically conductive material, a heat conducting layer ( 5 ) is provided. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitschicht (5) aus einer Wärmeleitpaste und/oder einem gut wärmeleitfähigen Kleber gebildet ist.Arrangement according to claim 5, characterized in that the heat conducting layer ( 5 ) is formed from a thermal paste and / or a good thermal conductivity adhesive. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) aus Epoxydharz (6) gebildet ist und das leitfähige Material Kupfer enthält.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board ( 3 ) made of epoxy resin ( 6 ) is formed and the conductive material contains copper. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) eine Dicke von 30 bis 120 μm, insbesondere eine Dicke von 100 bis 110 μm aufweist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the layer ( 10 ) has a thickness of 30 to 120 microns, in particular a thickness of 100 to 110 microns. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) beidseitig mit je einer Schicht (9, 10) aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the printed circuit board ( 3 ) on both sides with one layer each ( 9 . 10 ) is provided of an electrically conductive material. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schichten (9, 10) im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen.Arrangement according to claim 9, characterized in that both layers ( 9 . 10 ) have substantially the same thickness. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ausnehmung (12) durch Fräsen oder Stanzen hergestellt ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one recess ( 12 ) is made by milling or punching. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen elektrisch leitfähigen Schicht (9) und der unteren elektrisch leitfähigen Schicht (10) weitere elektrisch leitfähige Schichten als Verdrahtungsebenen von Bauelementen angeordnet sind (Mulitlayer).Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the upper electrically conductive layer ( 9 ) and the lower electrically conductive layer ( 10 ) Further electrically conductive layers are arranged as wiring levels of components (multilayer). Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauelement (14), das auf der Innenfläche (13) der leitfähigen Schicht (10) angeordnet ist und/oder die Leiterplatte (3) mittels mechanischer Mittel, z.B. einer Feder auf die Außenfläche (21) des Kühlkörpers (1) aufgepresst wird.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one component ( 14 ), which on the inner surface ( 13 ) of the conductive layer ( 10 ) is arranged and / or the circuit board ( 3 ) by mechanical means, such as a spring on the outer surface ( 21 ) of the heat sink ( 1 ) is pressed. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Bauelementen auf Leiterplatten, insbesondere zur Herstellung einer Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten: – Strukturieren einer oberen Schicht (10) einer Leiterplatte (3), – Herstellen von wenigstens einer Ausnehmung (12), – Aufbringen einer unteren Schicht (9), – Bestücken der Leiterplatte (3) mit wenigstens einem Bauelement, und – Verbinden der Leiterplatte (3) mit einem Kühlkörper (1).Method for producing an arrangement for cooling components on printed circuit boards, in particular for producing an arrangement according to one of the preceding claims, comprising the steps of: - structuring an upper layer ( 10 ) of a printed circuit board ( 3 ), - producing at least one recess ( 12 ), - applying a lower layer ( 9 ), - equipping the printed circuit board ( 3 ) with at least one component, and - connecting the circuit board ( 3 ) with a heat sink ( 1 ).
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