DE102008009106A1

DE102008009106A1 - Schaltungsträger, insbesondere Leiterkarte für elektrische Schaltungen

Info

Publication number: DE102008009106A1
Application number: DE102008009106A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Röhling
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: DE102008009106B4

Abstract

Der Schaltungsträger (10), insbesondere Leiterkarte für elektrische Schaltungen, ist mit einem Substrat (12) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (24), mindestens einem Aussparungsbereich (16) im Substrat (12), der sich von dessen Oberseite (18) bis zu dessen Unterseite (24) erstreckt, und einem wärmeerzeugenden Bauteil (26), das sich über dem Aussparungsbereich (16) auf der Oberseite (18) des Substrats (12) befindet, versehen. Ferner ist der Schaltungsträger (10) mit einem Wärmeleitmaterial (32), das den Aussparungsbereich (16) ausfüllt und in thermischem Kontakt mit dem Bauteil (26) steht, einer auf der Unterseite (24) des Substrats (12) auflaminierten und zumindest um den Aussparungsbereich (16) herum angeordneten Metalldünnschicht (22) und einer auf die Metalldünnschicht (22) durch thermisches Spritzen aufgebrachten, thermisch leitenden Kühlschicht (34), die mit dem in dem Aussparungsbereich (16) befindlichen Wärmeleitmaterial (32) thermisch gekoppelt ist, versehen. Der Schaltungsträger (10) weist ferner einen Kühlkörper (36) auf, der teilweise in die Kühlschicht (34) eingebettet ist und aus dieser auf der dem Substrat (12) abgewandten Seite herausragt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger, bei dem es sich insbesondere um eine Leiterkarte für elektrische Schaltungen handelt.
Es ist bekannt, wärmeerzeugende (Leistungs-)Bauteile elektrischer Schaltungen zu kühlen. Als Beispiel für ein derartiges Leistungsbauteil sei ein Leistungstransistor genannt. Es sind verschiedene Kühlkonzepte bekannt, die im Regelfall einen Kühlkörper vorsehen, der thermisch mit dem Leistungsbauteil gekoppelt ist. Ein Beispiel für einen Schaltungsträger mit Kühleinrichtung bzw. Wärmeabfuhreinrichtung ist aus EP-A-1 276 357 bekannt. Bei diesem bekannten Schaltungsträger befindet sich in einem Durchgangsloch eines Plattensubstrats ein thermisch leitendes Einpressteil, das elektrisch mit auf beiden Seiten des Plattensubstrats angeordneten Schichten verbunden ist. Dabei sind die Schichten durch einen Galvanisierungsprozess erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterkarte für elektrische Schaltungen zu schaffen, wobei der Schaltungsträger über ein vereinfachtes Kühlkonzept verfügt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterkarte für elektrische Schaltungen vorgeschlagen, wobei der Schaltungsträger versehen ist mit

– einem Substrat mit einer Oberseite und einer Unterseite,
– mindestens einem Aussparungsbereich im Substrat, der sich von dessen Oberseite bis zu dessen Unterseite erstreckt,
– einem wärmeerzeugenden Bauteil, das sich über dem Aussparungsbereich auf der Oberseite des Substrats befindet,
– einem Wärmeleitmaterial, das den Aussparungsbereich ausfüllt und in thermischem Kontakt mit dem Bauteil steht,
– einer zumindest auf der Unterseite des Substrats auflaminierten und zumindest um den Aussparungsbereich herum angeordneten Metalldünnschicht,
– einer auf die Metalldünnschicht durch thermisches Spritzen aufgebrachten, thermisch leitenden Kühlschicht, die mit dem in dem Aussparungsbereich befindlichen Wärmeleitmaterial thermisch gekoppelt ist, und
– einem Kühlkörper, das teilweise in die Kühlschicht eingebettet ist und aus dieser auf der dem Substrat abgewandten Seite herausragt.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsträger wird die der Umgebung ausgesetzte Kühlfläche von der Oberseite des Substrats, auf der das wärmeerzeugendes Bauteil angeordnet ist, zur Unterseite des Substrats hin verschoben. Hierzu weist das Substrat einen Aussparungsbereich auf, der mindestens eine Durchgangsöffnung umfasst, die sich von der Oberseite des Substrats bis zu dessen Unterseite erstreckt. Innerhalb des Aussparungsbereichs weist das Substrat ein Wärmeleitmaterial auf, das bündig mit der Oberseite und der Unterseite des Substrats abschließt. Beispielsweise wird dies durch Einbringen bzw. Einpressen eines Materialblocks o. dgl. realisiert.
Die Unterseite des Substrats ist mit auflaminiertem Metall (im allgemeinen Kupfer) versehen, das eine Metalldünnschicht auf der Unterseite des Substrats bildet. Bei dem Substrat selbst kann es beispielsweise um handelsübliches Leiterkartenmaterial (beispielsweise FR4-Material) handeln.
Wie sich herausgestellt hat, bildet die Unterseite und insbesondere deren auflaminierte Metalldünnschicht eine ausgezeichnete Basis, um auf der Metalldünnschicht das (Kühl-)Material einer thermisch leitenden Kühlschicht aufzubringen, und zwar durch thermisches Spritzen. Die thermisch aufgespritzte Kühlschicht verbindet sich dabei stoffschlüssig mit der Metalldünnschicht und dem an der Unterseite des Substrats freiliegenden Wärmeleitmaterial in dem Aussparungsbereich.
Durch das thermische Spritzen wird der Kühlschicht eine raue Oberfläche verliehen, die zu einer der Abführung von Wärme förderlichen Oberflächenvergrößerung führt. Ferner wird durch das thermische Spritzen des Materials der Kühlschicht bei deren Aufbau auf einfache Weise ein Kühlkörper in die Kühlschicht eingebettet, der den Kühlungseffekt weiter verstärkt. Der Kühlkörper weist eine vorzugsweise vollständig in die Kühlschicht eingebettete, insbesondere perforierte Basisplatte mit von dieser abstehenden Kühlelementen auf, die aus der Kühlschicht herausragen.
Als Verfahren für das thermische Spritzen bietet sich insbesondere das sogenannte Kaltgasspritzen an, wie es beispielsweise in EP-A-0 911 425 , EP-A-1 082 993 , DE-A-41 41 020 , DE-A-197 47 386 oder DE-A-100 37 212 beschrieben ist. Der Vorteil des Einsatzes des Kaltgasspritzens zum Aufbringen der Kühlschicht auf der Unterseite des Substrats hat im Zusammenhang mit der Erfindung den Vorteil, dass die aufgespritzten Metallpartikel auf Grund der vergleichsweise niedrigen Temperaturen nicht oxidieren und damit ihre Wärmeleitfähigkeit nicht leidet.
Als Material für die Kühlschicht eignet sich insbesondere Metall, vorzugsweise Kupfer, oder ein keramisches Material. Kupfer ist insoweit bevorzugt, als bei Verwendung einer handelsüblichen Leiterkarte als Substrat bereits aufkaschierte Kupferdünnschichten vorhanden sind, mit denen sich das aufgespritzte Kupfer gut stoffschlüssig verbindet.
Die Metalldünnschicht, die um den Aussparungsbereich herum an der Unterseite des Substrats angeordnet ist, erstreckt sich vergleichsweise großflächig auf der Unterseite des Substrats. Damit kann eine sich relativ weit erstreckende Kühlschicht mit entsprechend großer Oberfläche aufgespritzt werden.
Die Dicke der auflaminierten Metalldünnschicht des Substrats liegt beispielsweise bei bis zu 110 μm, oder bei bis zu 70 μm bzw. etwa 35 μm. Demgegenüber ist die Dicke der Kühlschicht um mindestens eine Größenordnung (Zehnerpotenz) größer und beträgt vorzugsweise mindestens etwa 0,5 mm, oder mindestens etwa 1,5 mm oder mindestens etwa 3,5 mm.
Bei dem Verfahren zum Aufbringen einer Kühlschicht auf einem Schaltungsträger der erfindungsgemäßen Art wird nach der Erfindung derart verfahren, dass

– ein eine Ober- und eine Unterseite aufweisendes Substrat mit auf der Unterseite auflaminierter Metalldünnschicht und mit einem die Oberseite mit der Unterseite verbindenden Aussparungsbereich bereitgestellt wird,
– ein Kühlkörper bereitgestellt wird,
– der Aussparungsbereich mit Wärmeleitmaterial ausgefüllt wird,
– der Kühlkörper der Unterseite des Substrats zugewandt angeordnet wird und
– der Kühlkörper in ein Kühlmaterial eingebettet wird, das zur Erzeugung einer Kühlschicht auf die Metalldünnschicht und das Wärmeleitmaterial des Aussparungsbereichs thermisch aufgespritzt wird.

In ihrer allgemeinsten Form betrifft die Erfindung einen Schaltungsträger, insbesondere eine Leiterkarte für elektrische Schaltungen, die versehen ist mit den folgenden Merkmalen:

– einem Substrat mit einer Oberseite und einer Unterseite,
– einem wärmeerzeugenden Bauteil,
– einer auf der Ober- und/oder Unterseite angeordneten Metalldünnschicht,
– einer auf der Metalldünnschicht durch thermisches Spritzen aufgebrachten, thermisch leitenden Kühlschicht, und
– einem Kühlkörper (36), der teilweise in die Kühlschicht (34) eingebettet ist und aus dieser mit der dem Substrat (12) abgewandten Seite herausragt,
– wobei das Bauteil mit der Kühlschicht insbesondere durch direkten Kontakt thermisch gekoppelt ist.

Das wärmeerzeugende Bauteil kann also insbesondere in direktem thermischen Kontakt zur Kühlschicht und/oder dem Kühlkörper stehen, was zweckmäßigerweise durch eine stoffschlüssige Verbindung, die thermisch leitend ist, erfolgt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Verlötung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung, in der ein Querschnitt durch einen Schaltungsträger mit aufgespritzter Kühlschicht dargestellt ist, näher erläutert.
Der Schaltungsträger 10 weist ein Substrat 12 in Form einer FR4-Leiterkarte 14 auf, die innerhalb eines Aussparungsbereichs 16 mehrere Durchgangsöffnungen 17 aufweist. Auf der Oberseite 18 befindet sich um den Aussparungsbereich 16 herum eine Kupferdünnschicht 20, die elektrisch leitend mit einer Kupferdünnschicht 22 auf der Unterseite 24 des Substrats 12 verbunden ist. Zu diesem Zweck sind die Durchgangsöffnungen 17 nach Art von Durchkontaktierungen ausgebildet. Die Durchkontaktierungen sind aber nicht notwendigerweise erforderlich.
Auf der Oberseite 18 über dem Aussparungsbereich 16 befindet sich ein Leistungstransistor 26 als Beispiel für ein elektrisches Leistungsbauteil, dessen Anschlüsse 28 mit Leiterbahnen 30 auf der Oberseite 18 des Substrats 12 elektrisch verbunden sind.
Die Durchgangsöffnungen 17 sind mit einem Wärmeleitmaterial 32, das zusätzlich auch elektrisch leitend ist, ausgefüllt, wobei das Wärmeleitmaterial 32 bündig mit der Oberseite 18 sowie der Unterseite 24 bzw. den Kupferdünnschichten 20 und 22 abschließt. Das Wärmeleitmaterial 32 kann z. B. in Form von einzelnen vorgefertigten Elementen in die Öffnungen 17 eingebracht (z. B. eingepresst) sein.
Gegen die Kupferdünnschicht 22 auf der Unterseite 24 des Substrats 12 ist nun ein thermisch leitendes Kühlmaterial zur Bildung einer Kühlschicht 34 thermisch aufgespritzt, und zwar gemäß einem Kaltgasspritzverfahren. Bei dem Kühlmaterial handelt es sich beispielsweise um Kupfer oder um Keramik. Die Dicke der Kühlschicht 34 beträgt etwa 1,5 mm, während die bei der Herstellung des Substrats 12 auf die Leiterkarte 14 aufkaschierte bzw. auflaminierte Kupferdünnschichten 20, 22 etwa 70 μm dünn sind. Über die Kühlschicht 34 wird nun die Wärme, die von dem Wärmeleitmaterial 32 und damit ausgehend von dem Leistungstransistor 26 zur Kühlschicht 34 gelangt, zur Umgebung abgeführt, wodurch der Leistungstransistor 26 gekühlt wird. Dieser Effekt wird durch Einbettung eines Kühlkörpers 36 in die Kühlschicht 34 verstärkt. Der durch Umspritzen mit dem Material der Kühlschicht 34 in diese eingebettete Kühlkörper 36 weist eine Basisplatte 38 mit einer Vielzahl von Durchbrechungen 40 auf, wobei von der Basisplatte 38 einzelne Kühlelemente 42 abstehen, die aus der Kühlschicht 34 herausragen und somit zur Vergrößerung der Oberfläche des Kühlsystems aus dem Wärmeleitmaterial 32, der Kühlschicht 34 und dem Kühlkörper 36 führen. Durch eine elektrische Anbindung der Kühlschicht 34 kann diese und das Wärmeleitmaterial 32 (wenn beides elektrisch leitend ist) zur elektrischen Kontaktierung des Leistungstransistors 26 (z. B. über dessen Gehäuse-Bodenplatte) genutzt werden.

10: Schaltungsträger
12: Substrat
14: Leiterkarte
16: Aussparungsbereich
17: Durchgangsöffnung
18: Oberseite
20: Kupferdünnschicht
22: Kupferdünnschicht
24: Unterseite
26: Leistungstransistor
28: Anschlüsse
30: Leiterbahnen
32: Wärmeleitmaterial
34: Kühlschicht
36: Kühlkörper
38: Basisplatte
40: Durchbrechungen
42: Kühlelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1276357 A [0002]
- EP 0911425 A [0009]
- EP 1082993 A [0009]
- DE 4141020 A [0009]
- DE 19747386 A [0009]
- DE 10037212 A [0009]

Claims

Schaltungsträger, insbesondere Leiterkarte für elektrische Schaltungen, mit – einem Substrat (12) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (24), – mindestens einem Aussparungsbereich (16) im Substrat (12), der sich von dessen Oberseite (18) bis zu dessen Unterseite (24) erstreckt, – einem wärmeerzeugenden Bauteil (26), das sich über dem Aussparungsbereich (16) auf der Oberseite (18) des Substrats (12) befindet, – einem Wärmleitmaterial (32), das den Aussparungsbereich (16) ausfüllt und in thermischem Kontakt mit dem Bauteil (26) steht, – einer zumindest auf der Unterseite (24) des Substrats (12) auflaminierten und zumindest um den Aussparungsbereich (16) herum angeordneten Metalldünnschicht (22), – einer auf die Metalldünnschicht (22) durch thermisches Spritzen aufgebrachten, thermisch leitenden Kühlschicht (34), die mit dem in dem Aussparungsbereich (16) befindlichen Wärmleitmaterial (32) thermisch gekoppelt ist, und – einem Kühlkörper (36), der teilweise in die Kühlschicht (34) eingebettet ist und aus dieser auf der dem Substrat (12) abgewandten Seite herausragt.
Schaltungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (36) eine Basisplatte (38) mit von dieser abstehenden und aus der Kühlschicht (34) herausragenden Kühlelementen (42) o. dgl. Vorsprünge aufweist.
Schaltungsträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (38) des Kühlkörpers (36) vollständig in die Kühlschicht (34) eingebettet ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (36) Durchbrechungen (40) aufweist, die von dem Material der Kühlschicht (34) ausgefüllt ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, die Kühlschicht (34) auf die Metalldünnschicht (22) kaltgasgespritzt ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschicht (34) Metall, insbesondere Kupfer, oder ein keramisches Material aufweist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussparungsbereich (16) mindestens eine Durchgangsöffnung (17) und vorzugsweise mehrere Durchgangsöffnungen (17) aufweist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Unterseite (24) eine auflaminierte Metalldünnschicht (22) aufweist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldünnschicht (22) bis zu etwa 110 μm oder bis zu etwa 70 μm oder bis zu etwa 35 μm dick ist und/oder dass die Dicke der Kühlschicht (34) mindestens etwa 0,5 mm oder mindestens etwa 1,5 mm oder mindestens etwa 3,5 mm beträgt.
Verfahren zum Aufbringen einer Kühlschicht auf einem Schaltungsträger, insbesondere auf einer Leiterkarte für elektrische Schaltungen, bei dem – ein eine Ober- und eine Unterseite (18, 24) aufweisendes Substrat (12) mit auf der Unterseite (24) auflaminierter Metalldünnschicht (22) und mit einem die Oberseite (18) mit der Unterseite (24) verbindenden Aussparungsbereich (16) bereitgestellt wird, – ein Kühlkörper (36) bereitgestellt wird, – der Aussparungsbereich (16) mit Wärmeleitmaterial (32) ausgefüllt wird, – der Kühlkörper (36) der Unterseite (24) des Substrats (12) zugewandt angeordnet wird und – der Kühlkörper in ein Kühlmaterial eingebettet wird, das zur Erzeugung einer Kühlschicht (34) auf die Metalldünnschicht (22) und das Wärmeleitmaterial (32) des Aussparungsbereichs (16) thermisch aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Kühlschicht (34) durch Kaltgasspritzen auf die Metalldünnschicht (22) und zum Umspritzen des Kühlkörpers aufgebracht wird.
Schaltungsträger, insbesondere Leiterkarte für elektrische Schaltungen, mit – einem Substrat (12) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (24), – einem wärmeerzeugenden Bauteil (26), – einer auf der Ober- und/oder Unterseite (18, 24) angeordneten Metalldünnschicht (22), – einer auf der Metalldünnschicht (22) durch thermisches Spritzen aufgebrachten, thermisch leitenden Kühlschicht (34), und – einem Kühlkörper (36), der teilweise in die Kühlschicht (34) eingebettet ist und aus dieser auf der dem Substrat (12) abgewandten Seite herausragt, – wobei das Bauteil (26) mit der Kühlschicht (34) insbesondere durch direkten Kontakt thermisch gekoppelt ist.
Schaltungsträger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (26) mit der Kühlschicht (34) stoffschlüssig, insbesondere durch Verlötung, verbunden ist.
Schaltungsträger nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (36) eine Basisplatte (38) mit von dieser abstehenden und aus der Kühlschicht (34) herausragenden Kühlelementen (42) o. dgl. Vorsprünge aufweist.
Schaltungsträger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (38) des Kühlkörpers (36) vollständig in die Kühlschicht (34) eingebettet ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (36) Durchbrechungen (40) aufweist, die von dem Material der Kühlschicht (34) ausgefüllt ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, die Kühlschicht (34) auf die Metalldünnschicht (22) kaltgasgespritzt ist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschicht (34) Metall, insbesondere Kupfer, oder ein keramisches Material aufweist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Unterseite (24) und/oder die gesamte Oberseite (18) eine auflaminierte Metalldünnschicht (22) aufweist.
Schaltungsträger nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldünnschicht (22) bis zu etwa 110 μm oder bis zu etwa 70 μm oder bis zu etwa 35 μm dick ist und/oder dass die Dicke der Kühlschicht (34) mindestens etwa 0,5 mm oder mindestens etwa 1,5 mm oder mindestens etwa 3,5 mm beträgt.