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:
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.
- 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:
Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments
Dabei
ist die Kontaktfläche
Die
Leiterplatte
In
dem in den
Die
Transistoren
Es
wird nun anhand der
Ausgangspunkt
ist eine Leiterplatte
In
einem ersten Schritt (siehe
In
einem zweiten Schritt (siehe
In
einem dritten Schritt (siehe
In
einem vierten Schritt (siehe
In
einem fünften
und letzten Schritt (siehe
Die
fertig bestückte
Leiterplatte
Die
mit diesem Verfahren erzielbaren Wärmewiderstände betragen:
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)
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- 2006-01-10 DE DE200610001188 patent/DE102006001188A1/en not_active Withdrawn
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