DE102009046172A1

DE102009046172A1 - Kühlkörper mit verbesserter Kühleffizienz, mit Kühlkörper ausgestattete Schaltung und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102009046172A1
Application number: DE102009046172A
Authority: DE
Inventors: Ralf Lippok; Frank Straub; Ursula Bartenschlager; Martin Rometsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, ein damit ausgestattetes Schaltungsgehäuse, eine Leiterplatte mit mindestens einem erfindungsgemäßen Schaltungsgehäuse, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers bzw. des Schaltungsgehäuses, wobei auf dem Kühlkörper eine dünne Schicht aus Kühlflächen-Moldingmaterial aufgebracht ist. Durch die dünne Schicht wird die Emissivität des metallischen Kühlkörpers deutlich erhöht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von Einzelkühlkörpern und in Schaltungen oder Bauteilen ingegrierte Kühlkörper. Ferner geht die Erfindung aus von leiterplattenbasierten Schaltungen wobei elektrische Bauelemente auf eine Leiterplatte befestigt sind, die mit einem integrierten Kühlkörper gekühlt werden.
Die auf der Leiterplatte befestigten Bauelemente beinhalten auch Leistungsbauelemente, die eine Eigenerwärmung erzeugen. Diese Eigenerwärmung, auch Verlustleistung genannt, erfordert eine thermische Ankopplung an eine Wärmesenke. Diese Wärmesenke kann aus einer wärmeleitenden Verbindung zu einem Heatspreader bestehen. Der Heatspreader kann insbesondere ein Metallgehäuse sein, Leistungsbauelemente spreizen die Wärme des Chips über eine integrierte Metallfläche, die Slug oder auch Case genannt wird. Die Wärmesenke wird ferner gemäß dem Stand der Technik von Metallkühlkörpern gebildet.
Leistungsbauelemente werden gemäß einer ersten Variante thermisch an die Leiterplatte gekoppelt; hierzu ist das Slug des Bauelements zur Leiterplatte hin orientiert. Diese Bauweise wird Slug-Down bezeichnet. Typischer Weise ist das Slug auf die Leiterplatte gelötet. In einer weiteren Variante ist das Bauelement elektrisch mit der Leiterplatte verbunden, aber thermisch nicht an die Leiterplatte gekoppelt. Hierzu ist das Slug des Bauelements von der Leiterplatte abgewandt. Zur Entwärmung kann das Slug an eine Wärmesenke angebunden werden. Die Bauweise wird Slug-Up bezeichnet. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass auf der Leiterplatte weniger Bestückungsfläche benötigt wird. Die Kühlung von Slug-Up-Bauelementen gemäß dem Stand der Technik is weniger effektiv, da diese meist nur über dicke Klebeschichten an die Wärmesenken anzubinden sind, welche die Wärmeableitung behindern.
Gängige Gehäuseformen bestehen aus Metall oder Kunststoff. Eine besondere Ausführung bei Kunststoffgehäusen sind Verguss- oder Moldgehäuse. Bei diesen Bauformen wird die Leiterplatte und die darauf montierten Bauelemente direkt mit Kunststoff umgossen oder ummoldet. Im Gegensatz zu Metallen haben Kunststoffe deutlich geringere Wärmeleitfähigkeiten, so dass die punktuell erzeugte Verlustleistung schlechter auf einer großen Fläche verteilt werden kann.
Kühlkörper aus blanken Metallen haben aufgrund ihrer metallischen Außenfläche eine geringe Emissivität, so dass die Kühlung an die Umgebung über Wärmestrahlung nicht genutzt werden kann. Jedoch werden überlicherweise Kühlkörper von einer Luftströmung umgeben, insbesondere durch Konvektion, so dass die Kühlung im Wesentlichen durch Wärmeabgabe von der Kühlkörperaußenfläche an die Umgebung vorgesehen wird.
Die Einbauortbedingungen und die Wärmeerzeugung sind insbesondere in der Automobilelektronik abhängig vom Fahrzustand. Ferner ist in der Automobilelektronik nicht immer Kühlung durch unmittelbare Luftströmung ohne weiteres möglich, insbesondere dadurch, dass zahlreiche Schaltungen als gegossene Module vorgesehen sind bzw. in einem Gehäuse untergebracht sind.
Bei leiterplattenbasierten Schaltungen sind typischer Weise die zulässigen Grenztemperaturen für die Chips von Leistungsbauelementen 20 bis 50 Kelvin höher als die maximal zulässigen Temperaturen an der Leiterplatte. Dies führt dazu, dass bei der Slug-Down-Bauweise in der Regel die Leiterplatte im Bereich der Leistungsbauelemente das aus thermischer Sicht begrenzende Element ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Kühlung von Leistungsbauelementen zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept ist es, die Kühlung insbesondere bei geringer Kühlungsströmung zu verbessern, indem die Emissivität, d. h. die Wärmeabgabe aufgrund von Abstrahlung, durch geeignete Kühloberflächen erhöht wird. Erfindungsgemäß wird eine Kuststoffschicht verwendet, die insbesondere als dünne Schicht ausgebildet ist, und die eine Abstrahlfläche vorsieht, und die auf einer Außenseite eines Metallkörpers angeordnet ist. Die Kunststoffschicht ist aus einem Kunststoff bzw. einem Kühlflächen-Moldingmaterial vorgesehen. In einer Ausführung der Erfindung ist die Kunststoffschicht auf einer von einer Leiterplattenseite abgewandte Wärmeabgabefläche vorgesehen, die von einer Metallplatte gebildet wird, welche wiederum ein Leistungsbauteil trägt. Die Metallplatte kann beispielsweise einen Halbleiterchip oder ein anderes Schaltungsbauteil tragen. Die Kunststoffschicht bedeckt als eine dünne Schicht eine Metallplatte eines Bauteils oder die Außenseite eines Metallkörpers. Die Kunststoffschicht ist vorzugsweise aus Moldingmaterial, das auch zum Bedecken bzw. Einbetten zumindest eines Abschnitts einer elektrischen Schaltung oder eines Schaltungsbauteils verwendet wird. Das Moldingmaterial, welches zum Bedecken bzw. zumindest teilweisem Einbetten des Bauteils bzw. der Schaltung dient, kann einteilig mit dem Moldingmaterial ausgebildet sein, das die Kunststoffschicht bildet, und die die Abstrahlfläche vorsieht. Das zu kühlende Bauteil ist vorzugsweise in der Slug-up-Bauweise ausgestaltet. Das zu kühlende Bauteil kann ein beliebiges elektrisches oder elektronisches Baulement sein, das Wärme erzeugt (d. h. eine Wärmequelle vorsieht), beispielsweise ein Halbleiterchip, ein Leistungsbauelement (insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement) o. ä. Die Metallplatte bzw. der Kühlkörper kann insbesondere durch ein Stanzgitter vorgesehen sein, beispielsweise ein Stanzgitter, das ein Bauelement (ein Halbleiter-Bauelement) trägt.
Durch die Verwendung von Kunststoff zur Ausbildung der Abstrahlfläche wird ein zusätzlicher Kühleffekt erreicht, da Kunststoff eine deutlich höhere Emissivität aufweist als eine übliche Metalloberfläche (beispielsweise eines Metallkühlkörpers oder einer Metallplatte). Insbesondere bei geschlossenen Anwendungen, bei denen nur geringfügig Wärme über einen Luftstrom abgeführt werden kann, ergibt sich zusätzlich eine Wärmeabfuhr durch Emission, die aufgrund des Kunststoffs deutlich erhöht ist. Der Faktor der Erhöhung der Emissivität gegenüber dem Stand der Technik ist ersichtlich aus dem Vergleich der Emissivität von Aluminium (ca. 0,04) zu der Emissivität von Kunststoff (ca. 0,6–0,9). Durch die Abstsrahlung wird ein wesentlicher Kühlungseffekt erreicht, auch ohne Strömung des Kühlmediums. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäß erhöhte Abstrahlung eine Wärmebrücke bsp. zwischen Abstrahlfläche und gegenüberüberliegendem Metallblech eines äußeren Gehäuses.
Wärme, die von einem Bauteil (beispielsweise ein Halbleiterchip, der mit hoher Frequenz oder mit hohem Strom betrieben wird) produziert wird, wird somit von der Abstrahlfläche emitiert oder in einer spezifischen Ausführungsform vom Leistungsbauteil (bsp. ein Chip) über die Unterseite einer Metallplatte (an der das Bauteil oder der Halbleiterchip befestigt ist) in die Metallplatte übertragen, wobei die Metallplatte die Wärme wiederum über die Oberseite der Metallplatte abgeben kann, wobei die Oberseite von der elektrischen Kontaktebene des Schaltungsgehäuses abgewandt ist. Die Oberseite der Metallplatte ist zum einen aus elektrischen Isolationszwecken und zum anderen vor allem zur Aufspreizung des Wärmetransports mit einer dünnen Schicht aus Kühlflächen-Moldingmaterial bedeckt. Diese dünne Schicht weist keine Maximaltemperatur auf. Auf Grund des sehr kurzen Wärmelaufwegs, der von dem Chip durch die Metallplatte, und, darauf folgend, durch die dünne Schicht hindurch verläuft, kann zum einen die Wärme effektiv abgeleitet werden, selbst wenn keine besonders gut wärmeleitenden Strukturen und Materialien (wie Kupfer oder ähnlich) verwendet werden. Zur wesentlichen Steigerung der Kühleffizienz trägt vor allem die dünne Schicht aus Kühlflächen-Moldingmaterial bei, das auch den hohen Chip-Temperaturen ausgesetzt werden kann, so dass sich gegenüber der Umgebung eine besonders deutliche Temperaturdifferenz ergibt. Vorallem wird durch die Verwendung von Moldingmaterial (Kunststoff) die Kühlung durch Verstärkung der Emissivität erhöht. Ferner steigt dadurch die Kühlung durch Konvektion oder Ableitung der Wärme durch wärmeleitenden Kontakt, insbesondere aber steigt hierdurch der Wärmebetrag, der durch Wärmeabstrahlung von der dünnen Schicht nach außen abgegeben wird. Hierbei ist zu bemerken, dass der Wärmeabstrahlungsanteil nicht linear mit der Temperatur sondern mit der vierten Potenz der Temperatur ansteigt. Als zusätzliche Wirkung spreizt die dünne Kunststoffschicht (und die das anliegende Molding- bzw. Kunststoffmaterial) die zur Umgebung wirkende Wärmeabgabefläche auf, und zum anderen weist Kunststoff (im Vergleich zu der Metalloberfläche der Metallplatte) eine typischerweise um den Faktor 4–5 bessere Abstrahlleistung (d. h. Emissivität) auf. Dies hängt mit den Materialeigenschaften von Kunststoff zusammen, insbesondere mit der Oberflächenbeschaffenheit und mit der Ähnlichkeit der Abstrahlmerkmale zu einem schwarzen Strahler.
Die Erfindung betrifft einen metallischem Kühlkörper, der eine Außenseite aufweist, die mit einer dünnen Schicht Kunststoff bzw. Moldingmaterial bedeckt ist. Der Kühlkörper kann ein einzelner, individueller Kühlkörper sein, an den eine Wärmeabgabefläche eines Bauelements montiert werden kann, oder kann ein Kühlkörper sein, der in einer Schaltung bzw. in einem Schaltungsgehäuse integriert ist. Im Falle eines integrierten Kühlkörpers wird dieser beispielsweise von einer Metallplatte gebildet, die als Träger für ein Bauteil dient, beispielsweise eine Metallplatte, auf der ein Halbleiterbaulelement montiert ist. Der Kühlkörper hat eine Abstrahlfläche, die von einer Außenseite des Kühlkörpers gebildet wird. Zumindest ein Abschnitt der Außenseite des metallischen Kühlkörpers ist von dünnen Schicht bedeckt, deren Außenseite die Abstrahlfläche vorsieht, und wobei die dünne Schicht aus Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Während der metallische Werkstoff des Kühlkörpers Wärme gut leitet und somit zum Transport und ggf. zum Aufspreizen der abzugebenden Wärme vorgesehen ist, ermöglicht die dünne Schicht eine (zusätzliche) Wärmeabgabe durch Abstrahlung.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Schaltungsgehäuse, eine Leiterplatte mit mindestens einem erfindungsgemäßen Schaltungsgehäuse, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schaltungsgehäuses, wobei das Schaltungsgehäuse eine dünne Schicht aus Kühlflächen-Moldingmaterial umfasst, die auf der Oberseite einer Metallplatte angeordnet ist, die entgegengesetzt zu der Seite der Metallplatte ist, auf der das Wärme erzeugende Bauteil angeordnet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Schaltungsgehäuse, in der ein Substrat abgesehen von dem mindestens einem Bauelement, dessen Metallplatte mit einer dünnen Schicht bedeckt ist, weitere Bauelemente trägt. Hierbei kann das Substrat eine vollständige Schaltung darstellen, wobei das Substrat und die davon getragen Baulelemente teilweise oder vollständig ein Moldingmaterial eingebettet sein kann, das auch die dünne Schicht bildet. Ferner kann nur eine Seite des Substrats eingebettet sein, vorzugsweise diejenige, welche mindestens ein zu kühlendes Bauelement trägt.
Ein erfindungsgemäßes Schaltungsgehäuse ist mit einem Kühlelement bzw. Kühlkörper ausgestattet, das bzw. der von einer dünnen Schicht (aus Kunststoff) bedeckt ist. Das Schaltungsgehäuse umfasst eine Metallplatte, einen auf einer Unterseite der Metallplatte befestigten Halbleiterchip (oder ein anderes Wärme erzeugendes Bauelement), elektrische Anschlüsse, die teilweise aus dem Schaltungsgehäuse herausragen und die eine elektrische Kontaktebene auf einer Unterseite des Schaltungsgehäuses definieren. Die Unterseite der Metallplatte ist somit der elektrischen Kontaktebene zugewandt, wobei die elektrische Kontaktebene ebenso an der Unterseite des Schaltungsgehäuses angeordnet ist. Mit Unterseite wird somit der Halbraum definiert, der ausgehend von der Metallplatte oder dem Schaltungsgehäuse zur elektrischen Kontaktebene und somit zu einer Leiterplatte hin zugewandt ist. Die elektrische Kontaktebene ist zur Oberflächenmontage auf Leiterbahnen einer Leiterplatte vorgesehen, oder bildet eine Verbindungsebene, zusammen mit Kontaktpads einer in Durchstecktechnik ausgeführten Leiterplatte.
In diesem spezifischen Ausführungsbeispiel umfasst das Schaltungsgehäuse ferner eine Gehäuseformschicht aus Gehäuse-Moldingmaterial. Die Gehäuseformschicht überdeckt den Halbleiterchip (allg.: das Wärme erzeugende Baulement), der auf der Unterseite der Metallplatte vorgesehen ist, sowie die verbleibende Unterseite der Metallplatte selbst, die nicht von dem Halbleiterchip abgedeckt ist. Die Gehäuseformschicht ist insbesondere zur mechanischen Abkapselung des Bauelements vorgesehen, so dass kein wesentlicher Wärmeübertrag durch die Gehäuseformschicht hindurch zu einer darunter angeordneten Leiterplatte möglich ist. Die Metallplatte ist somit durch die Gehäuseformschicht gegenüber einer darunter liegenden Leiterplatte hinsichtlich Wärmeübertragung getrennt. Vielmehr wird die im Bauelement generierte Wärme durch die Metallplatte und durch die dünne Schicht hindurch nach außen abgegeben. Die Metallplatte umfasst somit eine Oberseite, die der Unterseite entgegengesetzt ist (und somit auch von der elektrischen Kontaktebene weg weist), wobei die Oberseite mit der dünnen Schicht aus Kühlflächen-Moldingmaterial bedeckt ist. Das Kühlelement (d. h. der Kühlkörper) wird somit von der dünnen Schicht vorgesehen bzw. von dem Kühlflächen-Moldingmaterial, das auf der Oberseite der Metallplatte vorgesehen ist und (gegebenenfalls unter anderem) die dünne Schicht bildet. Das Bauelement kann insbesondere auf einem wie oben beschriebenen Substrat befestigt sein.
Anstatt ein Bauelement mit einer Abstrahlfläche vorzusehen, das von einer Kunststoffschicht gebildet wird, wobei der Kunststoff, der zur Verkapselung des Bauelements dient, gegebenenfalls auch die dünne Schicht und deren Abstrahlfläche vorsieht, kann auch ein Kühlkörper aus Metall vorgesehen werden, das auf einer Außenseite mit der dünnen Schicht aus Kunststoff bedeckt ist und das dadurch eine deutlich erhöhte Emissivität aufweist. Als Kunststoff wird allgemein ein Polymer bezeichnet, das flüssig aufgebracht werden kann, beispielsweise als Spritzguß-Kunststoffmaterial. Insbesondere sind deratige Kunststoffe und Auftragungsverfahren vorzusehen, die nach einem Auftragen eine geschlossene dünne Schicht ausbilden. Darunter ist vor allem zu verstehen, dass die dünne Schicht medienbeständig ausgebildet ist, insbesondere dicht gegen das Eindringen von Lufteuchtigkeit oder anderen elektronikschädlichen bzw. Kühlkörperschädlichen Medien. Demnach erfüllt die dünne Schicht neben einer gesteigerten Emissivität auch eine wirksame Kapselung bzw. einen Schutz der elektronischen Bauelemente sowie des beschichteten Kühlkörpers. Dies kann besonders durch Verwendung eines Moldmaterials bzw. durch ein Moldverfahren sichergestellt werden. In Ihrer Wirkweise vergleichbare Materialien bzw. Verfahren sind ebenso denkbar.
Das Gehäuse-Moldingmaterial, welches das Bauteil zum Teil oder vollständig einbettet oder den Kühlkörper an einer Außenseite bedeckt, entspricht vorzugsweise dem Kühlflächen-Moldingmaterial, wobei Gehäuse-Moldingmaterial dem Kühlflächen-Moldingmaterial entsprechen kann und ggf. mit dem gleichen Verarbeitungsschritt aufgebracht wird. Die Gehäuseformschicht, die zum Einbetten des Bauteils dient, sowie die dünne Schicht sind somit einteilig miteinander ausgebildet und werden beispielsweise durch denselben Molding-Prozess gefertigt. Alternativ kann das Moldingmaterial und das Kühlflächen-Moldingmaterial zwar aus dem gleichen Material sein, jedoch werden zwei verschiedene Molding-Prozesse verwendet, um die Gehäuseformschicht und, getrennt hiervon, die dünne Schicht zu formen. Auf Grund der Trennung der Molding-Prozesse ergeben sich somit gegebenenfalls in geringem Maße getrennte Bereiche aus dem gleichen Material. Schließlich kann das Gehäuse-Moldingmaterial und das Kühlflächen-Moldingmaterial aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, wobei beide Materialien in zwei verschiedenen Molding-Prozessen zu der Gehäuseformschicht und, getrennt hiervon, und mit einem anderen Material zu der dünnen Schicht geformt werden. Das Ergebnis sind voneinander getrennte Materialbereiche, die sich sowohl auf Grund der verschiedenen Materialien als auch auf Grund der nacheinander durchgeführten Molding-Prozesse unterscheiden bzw. voneinander getrennt sind.
Die dünne Schicht weist eine Schichtdicke auf, die im wesentlichen 1 mm, 500 μm, 200 μm, 100 μm, 80 μm, 40 μm, 20 μm, 10 μm, 5 μm oder 2 μm beträgt. Die dünne Schicht ist vorzugsweise mit einer konstanten Schichtdicke über ihre gesamte seitliche Erstreckung ausgebildet. Ferner kann die Schicht auf der Oberseite der Metallplatte verschiedene Dicken aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet das Kühlflächen-Moldingmaterial oberhalb der Oberseite der Metallplatte die dünne Schicht und an Randbereichen seitlich versetzt hierzu eine dickere Schicht, die eine größere Schichtdicke aufweisen kann, wobei der Randbereich zur Wärmeaufspreizung dient. Mit der Dicke nimmt der Schicht nimmt auch die Spreizwirkung zu, wobei gleichzeitig mit zunehmender Dicke die Wärmeleitung abnimmt. Somit kann die Schichtdicke gemäß gewünschter Spreizwirkung vorgesehen werden, ggf. unter Berücksichtigung der Wärmleitung.
Die dünne Schicht weist eine Durchschlagfestigkeit auf, die an keiner Stelle weniger als eine vorbestimmte Potenzialdifferenz beträgt, d. h. an keiner Stelle weniger als 200 V, 500 V, 1 kV, 5 kV oder 10 kV beträgt. Die Durchschlagfestigkeit bestimmt sich im Wesentlichen durch die Schichtdicke und die elektrischen Materialeigenschaften, insbesondere die Isolationseigenschaften und die Polarisationseigenschaften des Kühlflächen-Moldingmaterials.
Das Gehäuse-Moldingmaterial, das Kühlflächen-Moldingmaterial oder beide Materialien (falls diese verschieden sind) sind aus spritzbaren oder zumindest gussfähigem Kunststoff. Hierzu kann ein Kunststoffspritzverfahren bzw. Molding-Verfahren eingesetzt werden, um die Schichten zu bilden. Vorzugsweise sind die Moldingmaterialien Kunststoff. Besonders bevorzugt sind Moldingmaterialien, die elektrisch isolieren, insbesondere elektrisch isolierende Kunststoffe.
Da das Kühlflächen-Moldingmaterial, welches die dünne Schicht vorsieht, wesentlich für die Wärmeabfuhreffizienz ist (in Kombination mit der Struktur d. h. Dicke der dünnen Schicht) wird als Kühlflächen-Moldingmaterial vorzugsweise wärmeleitfähiges Material ausgewählt. In diesem Kontext bedeutet dies, dass das Kühlflächen-Moldingmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 4, 8, 10 oder 15 W/mK aufweist. Um dies zu erreichen, wird entweder das Material selbst geeignet ausgewählt, oder es können Füllstoffe zur weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in das Moldingmaterial eingemischt sein. Vorzugsweise weist das Kühlflächen-Moldingmaterial eine wie oben definierte geeignete Wärmeleitfähigkeit auf und ist homogen von Füllstoff durchsetzt, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um die Gesamtwärmeleitfähigkeit der dünnen Schicht weiter zu erhöhen. Vorzugsweise sind die Füllstoffe so zu wählen, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten an die des Leiterplattenmaterials oder an die der Baulementematerialien angepasst sind. Vorzugsweise ist der Füllstoff elektrisch isolierend. Insbesondere weist eine Mischung aus Kühlflächen-Moldingmaterial und Füllstoff eine Struktur auf, die die dünne Schicht in Querrichtung als Isolator vorsieht, selbst wenn der Füllstoff (geringfügig) elektrisch leitend ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform überdeckt die Gehäuseformschicht das Wärme erzeugende Bauteil (bsp. den Halbleiterchip) und die Metallplatte an der Unterseite der Metallplatte vollständig, wobei die Gehäuseformschicht ferner die Seitenflächen der Metallplatte bis zu einer vorbestimmten Höhe der Metallplatte sowie die Seitenflächen des Halbleiterchips vollständig überdeckt. Hierbei überdeckt die dünne Schicht die Oberseite der Metallplatte vollständig, sowie die verbleibende Seitenfläche der Metallplatte, d. h. die Seitenfläche der Metallplatte von der Oberseite der Metallplatte aus bis zu der vorbestimmten Höhe, zu der sich die Gehäuseformschicht erstreckt. Die Gehäuseformschicht, zusammen mit der dünnen Schicht, umgeben somit die Metallplatte sowie das Bauteil vollständig, wie auch bei sämtlichen anderen Ausführungsformen der Erfindung, die ein Bauteil umfassen.
In einer entsprechenden Ausführungsform wird auch der Kühlkörper bzw. das Kühlelement teilweise von einer Gehäuseformschicht umgeben, um beispielsweise mechanische Stabilität vorzusehen, und um gegebenenfalls eine mechanische Verbindung zu externen Bauteilen zu ermöglichen. Der Kühlkörper weist eine Außenseite auf, die zur Erhöhung der Emissivität teilweise oder vollständig mit Kühlflächen-Moldingmaterial oder einer dünnen Schicht bedeckt ist, vorzugsweise aus Kunststoff. Falls vorhanden, kann die (optionale) Gehäuseformschicht aus dem gleichen Material wie die dünne Schicht ausgebildet sein, oder aus einem anderen Material. Eine Ausführungsform, die einen Kühlkörper betrifft, das erfindungsgemäß bedeckt ist, kann ebenso zumindest ein Wärme erzeugendes Bauteil umfassen, dass Wärme übertragend mit dem Kühlkörper verbunden ist, dessen Außenseite von der dünnen Schicht bedeckt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform überdeckt die Gehäuseformschicht das Bauteil vollständig, wie in der vorangehend beschriebenen Ausführung. Jedoch bedeckt in dieser weiteren Ausführung die Gehäuseformschicht nicht nur auch die Unterseite der Metallplatte vollständig, sondern auch sämtliche Seitenflächen des Bauteils und auch der Metallplatte vollständig. Somit ist die Unterseite der Metallplatte sowie alle Seitenflächen der Metallplatte und ein Rand der Oberseite der Metallplatte von der Gehäuseformschicht überdeckt. Die dünne Schicht überdeckt in diesem Fall die verbleibende Fläche, d. h. die Oberseite der Metallplatte vollständig oder bis zu dem Rand der Gehäuseformschicht. Zusammen umgeben die Gehäuseformschicht und die dünne Schicht die Metallplatte sowie das Bauteil vollständig. Die dünne Schicht schließt sich vollständig an die Gehäuseformschicht an, und die dünne Schicht, zusammen mit der Gehäuseformschicht umgeben den Halbleiterchip sowie die Metallplatte vollständig. Die Metallplatte entspricht dem Kühlkörper dahingehend, dass diese (wie auch der Kühlkörper) eine Außenseite aufweist, die von der dünnen Schicht zumindest teilweise bedeckt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Leiterplatte mit mindestens einen erfindungsgemäßen Schaltungsgehäuse vorgesehen. Das mindestens eine Schaltungsgehäuse ist auf einer Oberseite der Leiterplatte montiert, so dass die Oberseite der Leiterplatte der Unterseite der Metallplatte und dem Halbleiterchip zugewandt ist. Das Schaltungsgehäuse steht mit der Leiterplatte bzw. mit der Oberseite der Leiterplatte in Verbindung. Die elektrische Verbindung kann durch SMD-Technik oder durch Durchstecktechnik vorgesehen sein, wobei dann die elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen des Schaltungsgehäuses und einer Leiterbankebene der Leiterplatte besteht, die auf der Oberseite der Leiterplatte (bei SMD-Technik) oder auf der Unterseite der Leiterplatte (bei Durchstecktechnik) angeordnet ist. Zumindest die Oberseite der Leiterplatte (auch diejenigen, die nicht von dem Schaltungsgehäuse bedeckt ist) ist von Moldingmaterial überdeckt. Bevorzugt überdeckt das Kühlflächen-Moldingmaterial, das auch die dünne Schicht bildet, die Oberseite der Leiterplatte und, gegebenenfalls darüber hinaus die Unterseite der Leiterplatte, die der Oberseite der Leiterplatte entgegengesetzt ist. Ferner ist es möglich, dass das Gehäuse-Moldingmaterial zumindest die Oberseite der Leiterplatte überdeckt, und gegebenenfalls auch die Unterseite der Leiterplatte. Ferner kann das jeweilige Moldingmaterial auch die Seitenflächen der Leiterplatte umgeben. In diesem Zusammenhang wird als Kühlflächen-Moldingmaterial der dünnen Schicht und Gehäuse-Moldingmaterial der Gehäuseformschicht nicht genau der Abschnitt des Materials beschrieben, der tatsächlich die dünne Schicht bzw. die Gehäuseformschicht bildet, sondern im Allgemeinen die Materialart. Das Kühlflächen-Moldingmaterial der dünnen Schicht bezeichnet somit nicht ausschließlich das Material, dass die dünne Schicht bildet, sondern auch Bereiche seitlich der dünnen Schicht, die aus Kühlflächen-Moldingmaterial ausgebildet sind, und das Gehäusematerial der Gehäuseformschicht bezeichnet nicht ausschließlich die Materialmenge, die tatsächlich die Gehäuseformschicht bildet, sondern auch die Materialmenge, die auf der Leiterplatte vorgesehen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers vorgesehen, welches umfasst: Aufbringen der dünnen Schicht auf eine Außenseite des Kühlkörpers. Das Verfahren kann ferner vorgesehen werden durch:
Befestigen des Bauelements auf den Kühlkörper, der als eine Metallplatte vorgesehen ist, und Umspritzen der Randseite bzw. Unterseite der Metallplatte und des Bauelements mit Gehäuse-Moldingmaterial. Dadurch wird die Gehäuseformschicht vorgesehen, und das Schaltungsgehäuse wird zusammen mit der Außenseite des Kühlkörpers erzeugt. Das Befestigen eines Halbleiterchips (als Beispiels für ein Bauteil) auf der Metallplatte umfasst auch die Herstellung von elektrischen Kontakten, beispielsweise durch Bonding. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst ferner das Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials, um die dünne Schicht vorzusehen. Gegebenenfalls umfasst das Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials auch Randbereiche seitlich und oberhalb der dünnen Schicht, mit denen die Wärmeabgabefläche der dünnen Schicht verbreitert wird. Das Umspritzen und das Auftragen werden im gleichen Molding-Schritt ausgeführt, insbesondere wenn für die Gehäuseformschicht und die dünne Schicht das gleiche Material verwendet wird. Insbesondere wenn verschiedene Materialien verwendet werden (oder auch wenn die gleichen Materialien verwendet werden) wird das Umspritzen und das Auftragen in zwei getrennten aufeinander folgenden Molding-Schritten ausgeführt. Das Auftragen kann in gleicher Weise wie das Umspritzen ausgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens umfasst das Auftragen entweder Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials mit einer vorbestimmten Schichtdicke. Alternativ umfasst das Auftragen das Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials in Form einer dickeren Schicht (die dicker ist als die dünne Schicht). Um die dünne Schicht zu erhalten, wird nach dem Auftragen ein Teil des Kühlflächen-Moldingmaterials entfernt, insbesondere Moldingmaterial, das über der späteren dünnen Schicht angeordnet ist. Das heißt, dass ein Teil des Kühlflächen-Moldingmaterials, der über die Schichtdicke der dünnen Schicht hinaus geht, entfernt wird. Das Entfernen kann durch Schneiden oder Fräsen vorgesehen werden.
Kennzeichnend für das Auftragen sind das Vorsehen von Kunststoffmaterialien und eine Art und Weise des Auftrageverfahrens die nach einem Auftragen eine geschlossene dünne Schicht ausbilden. Darunter ist vor allem zu verstehen, dass die dünne Schicht medienbeständig ausgebildet wird, insbesondere dicht gegen das Eindringen von Lufteuchtigkeit oder anderen elektronikschädlichen bzw. Kühlkörperschädlichen Medien. Demnach erfüllt die dünne Schicht neben einer gesteigerten Emissivität auch eine wirksame Kapselung bzw. einen Schutz der elektronischen Bauelemente sowie des beschichteten Kühlkörpers. Dies kann besonders durch Verwendung eines Moldmaterials bzw. durch ein Moldverfahren sichergestellt werden. In Ihrer Wirkweise vergleichbare Materialien bzw. Verfahren sind ebenso denkbar.
Unabhängig von der speziellen Art und Weise des Auftragens wird die dünne Schicht mit einer Schichtdicke vorgesehen, die an keiner Stelle der dünnen Schicht größer ist als 5 mm, 3 mm, 1 mm, 500 μm, 200 μm, 100 μm, 80 μm, 40 μm, 20 μm, 10 μm, 5 μm oder 2 μm.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt
1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schaltungsgehäuse, das auf einer Leiterplatte gemäß der Erfindung angeordnet ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte, auf der ein erfindungsgemäßes Schaltergehäuse angeordnet ist. Die Leiterplatte 10 ist eine Leiterplatte mit mehreren Kontaktebenen, wobei das darauf montierte Schaltungsgehäuse 20 über elektrische Anschlüsse 22 auf der Oberfläche 12 der Leiterplatte befestigt ist. Das Schaltungsgehäuse 20 weist eine Metallplatte 24 auf, die einen Kühlkörper bildet, und an deren Unterseite ein Chip 26 befestigt ist, welcher wiederum in elektrischer Verbindung 28, nur abstrakt dargestellt, mit den elektrischen Anschlüssen 22 in Verbindung steht. Die Verbindung 28 kann insbesondere eine Bondingverbindung sein. Auf der Unterseite 24a der Metallplatte 24 ist der Chip 26 befestigt, wobei die Unterseite 24a der Metallplatte 24 von dem Chip 26 sowie von der Gehäuseformschicht 30 umgeben ist. Die Gehäuseformschicht 30 aus Gehäuse-Moldingmaterial erstreckt sich somit auf der Unterseite 24a der Metallplatte 24, sowie an den Seiten der Metallplatte bis zu einer vorbestimmten Höhe x. Ab der Höhe x schließt sich unmittelbar Kühlflächen-Moldingmaterial an, das zum einen seitlich von der Metallplatte vorgesehen ist, sowie auch die Gehäuseformschicht seitlich vollkommen überdeckt. Darüber hinaus überdeckt das Kühlflächen-Moldingmaterial auch die zur Oberseite der Metallplatte weisende Oberfläche des Gehäuse-Moldingmaterials, das sich in der Höhe x erstreckt.
Dadurch bildet das Kühlflächen-Moldingmaterial eine Schulter in Form eines dickeren Randbereichs 40a, b, der die dünne Schicht 40 zur Seite hin verbreitert.
Das erfindungsgemäße Schaltungsgehäuse 20 erstreckt sich seitlich bis zu den Grenzen 20', 20'', wobei sich daran, einheitlich mit dem Kühlflächen-Moldingmaterial ausgebildet, eine Überdeckung der Leiterplatte 10 anschließt. Das Kühlflächen-Moldingmaterial überdeckt somit auch die Unterseite der Leiterplatte 10, die Seitenflächen der Leiterplatte 10, die Oberseite 12 der Leiterplatte 10, bis auf den Bereich der Oberfläche 12 der Leiterplatte 10, auf dem die Gehäuseformschicht befestigt ist, sowie auf der Oberfläche 24b der Metallplatte 24, auf der sich die dünne Schicht 40 erstreckt. Die Leiterplatte 10, die Gehäuseformschicht 30, der Chip 26 sowie die Metallplatte 24 sind somit vollständig von Kühlflächen-Moldingmaterial umgeben, wobei das Kühlflächen-Moldingmaterial die dünne Schicht 40 auf der vollständigen Oberseite 24b der Metallplatte 24 ausbildet.
Auf der Unterseite 24a der Metallplatte 24 schließt sich unmittelbar der darauf befestigte Halbleiterchip 26 an, wobei unterhalb der Höhe x die Metallplatte von der Gehäuseformschicht umgeben ist. Die Gehäuseformschicht erstreckt sich zwischen Chip bzw. Unterseite der Metallplatte 24a und Oberseite 12 der Leiterplatte 10, wobei eine in 1 stark hervorgehobene Klebeschicht 50 die der Oberseite 12 zugewandte Fläche der Gehäuseformschicht 30 mit der Oberseite 12 der Leiterplatte 10 verbindet.
Der Kühlkörper (als Kühlelement des Bauteils ausgebildet) ist somit mit der dünnen Schicht 40 bedeckt bzw. umfasst diese. Darüber hinaus bestehen sich daran anschließende dickere Randbereiche 40a, b die sich seitlich an die dünne Schicht anschließen und einteilig mit der dünnen Schicht aus Kühlflächen-Moldingmaterial ausgebildet sind. Die Abstrahlfläche der dünnen Schicht wird um die seitlichen Bereiche 40a, b erweitert. Die Wärme wird nicht nur von der dünnen Schicht 40 abgestrahlt, sondern auch in die dickeren Randbereiche 40a, b übertragen und von diesen abgestrahlt. Die Randbereiche 40a, b und die dünne Schicht bilden eine ebene Oberfläche. Darüber hinaus wird Wärme seitlich von der Metallplatte die unmittelbar in die Randbereiche 40a übertragen, welche wiederum die Wärme über die Abstrahlfläche abgeben, die sie zusammen mit der dünnen Schicht 40 ausbilden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Höhe x in der Höhe der Unterseite 24a der Metallplatte 24, so dass die gesamten Seitenflächen der Metallplatte 40 von Kühlflächen-Moldingmaterial bedeckt sind und somit die Seitenbereiche 40a, b sich über die ganze Höhe der Seitenflächen der Metallplatte 40 sowie über die Dicke der dünnen Schicht in ihrer Höhe erstrecken. Dadurch kann die gesamte Seitenfläche der Metallplatte 40 Wärme unmittelbar an die Randbereiche 40a, b übertragen, die ihrerseits die Wärme über die Abstrahlfläche vorsehen.
Insgesamt umfasst das in 1 dargestellte Schaltungsgehäuse eine obere Abstrahlfläche 60, die von der dünnen Schicht gebildet wird, eine Abstrahlfläche 60a, b, die von den seitlichen Bereichen 40a, 40b gebildet wird, und die eben mit der Abstrahlfläche 60 ausgebildet sind, sowie die Seitenabstrahlflächen 62a, b, die von den Seitenbereichen 40a aus Kühlflächen-Moldingmaterial ausgebildet sind, und die insbesondere von der Wärmeplatte seitlich austretende Wärme sowie von der Gehäuseformschicht 30 in das dort angrenzende Kühlflächen-Moldingmaterial 20 übertragene Wärme über die seitlichen Abstrahlflächen 62a, 62b abstrahlen.
Die Dicke und die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuse-Moldingmaterials der Gehäuseformschicht 30 kann derart gewählt werden, dass die Leiterplatte auch dann nicht über die Maximaltemperatur der Leiterplatte hinauserwärmt wird, wenn die Chiptemperatur 26 bzw. die Temperatur der Metallplatte 24 deutlich über dieser maximalen Temperatur liegt. Somit kann die Gehäuseformschicht gezielt eine geringere Wärmeübertragung vorsehen, sodass eine gezielte Wärmedifferenz zwischen Halbleiterchip 26 und Metallplatte 24 einerseits und Leiterplatte 10 andererseits erzielt wird. Hierbei ist zu bemerken, dass ein derartiger Unterschied zwischen der Abstrahlfläche 60 und der Metallplatte 24 nicht besteht, sodass insbesondere an der Abstrahlfläche 60 der dünnen Schicht 40 eine besonders hohe Temperatur erzielt wird, sodass die Wärme durch die dünne Schicht 40 effektiv abgestrahlt werden kann.

Claims

Metallischer Kühlkörper mit einer Abstrahlfläche, die von einer Außenseite des Kühlkörpers gebildet wird, wobei zumindest ein Abschnitt der Außenseite mit einer dünnen Schicht (40) bedeckt ist, deren Außenseite die Abstrahlfläche vorsieht, und wobei die dünne Schicht aus Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
Schaltungsgehäuse mit einem Kühlkörper nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper als eine Metallplatte ausgebildet ist, und das Schaltungsgehäuse umfasst: die Metallplatte (24); ein auf einer Unterseite (24a) der Metallplatte (24) befestigtes, Wärme erzeugendes Bauelement, insbesondere ein Leistungsbauteil oder einen Halbleiterchip (26); elektrische Anschlüsse (22), die teilweise aus dem Schaltungsgehäuse (20) herausragen, und die eine elektrische Kontaktebene auf einer Unterseite des Schaltungsgehäuses definieren, wobei das Schaltungsgehäuse (20) ferner eine Gehäuseformschicht (30) aus Gehäuse-Moldingmaterial umfasst, die auf der Unterseite (24a) der Metallplatte (24) den Halbleiterchip (26) überdeckt, wobei die Metallplatte (24) eine der Unterseite (24a) entgegengesetzte Oberseite umfasst, die die Außenseite bildet und mit der dünnen Schicht (40) aus Kühlflächen-Moldingmaterial bedeckt ist.
Schaltungsgehäuse nach Anspruch 2, wobei das Gehäuse-Moldingmaterial dem Kühlflächen-Moldingmaterial enspricht und die Gehäuseformschicht (30) sowie die dünne Schicht (40) dadurch einteilig ausgebildet sind, dass diese durch den selben Moldingprozess gefertigt wurden, oder das Gehäuse-Moldingmaterial und das Kühlflächen-Moldingmaterial dem gleichen Material oder verschiedenen Materialien entsprechen, wobei beide Materialien in zwei verschiedenen Moldingprozessen zu der Gehäuseformschicht (30) und der dünnen Schicht (40) geformt wurden.
Schaltungsgehäuse nach Anspruch 2 oder 3, wobei die dünne Schicht (40) eine Schichtdicke aufweist, die an keiner Stelle größer ist als 5 mm, 3 mm, 1 mm, 500 μm, 200 μm, 100 μm, 80 μm, 40 μm, 20 μm, 10 μm, 5 μm oder 2 μm.
Schaltungsgehäuse nach einem der Ansprüche 2–4, wobei die dünne Schicht (40) eine durch die Schichtdicke und elektrischen Materialeigenschaften der dünnen Schicht definierte Durchschlagsfestigkeit aufweist, die an keiner Stelle weniger als 200 V, 500 V, 1 kV, 5 kV oder 10 kV beträgt.
Schaltungsgehäuse nach einem der Ansprüche 2–5, wobei entweder (I) die Gehäuseformschicht den Halbleiterchip (26) und die Metallplatte (24) an der Unterseite (24a) der Metallplatte (24) vollständig überdeckt, die Gehäuseformschicht (30) die Seitenflächen der Metallplatte (24) bis zu einer vorbestimmten Höhe der Metallplatte (24) und Seitenflächen des Halbleiterchips (26) vollständig überdeckt, und die dünne Schicht (40) die Oberseite der Metallplatte (24) vollständig sowie die Seitenflächen der Metallplatte (24) von der Oberseite aus bis zu der vorbestimmten Höhe überdeckt, oder (II) die Gehäuseformschicht (30) den Halbleiterchip (26) und die Metallplatte (24) an der Unterseite (24a) der Metallplatte (24) vollständig überdeckt, die Gehäuseformschicht (30) alle Seitenflächen des Halbleiterchips (26) und der Metallplatte (24) vollständig überdeckt, und die dünne Schicht (40) die Oberseite der Metallplatte (24) vollständig überdeckt, wobei bei Alternative (I) sowie bei der Alternative (II) die dünne Schicht (40) vollständig an die Gehäuseformschicht (30) anschliesst und die dünne Schicht (40 zusammen mit der Gehäuseformschicht (30) den Halbleiterchip (26) und die Metallplatte (24) vollständig umgeben.
Schaltungsgehäuse nach einem der Ansprüche 2–5, wobei das Gehäuse-Moldingmaterial und das Kühlflächen-Moldingmaterial aus einem spritzbaren oder gussfähigen Kunststoff bestehen, der ein elektrischer Isolator ist.
Schaltungsgehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlflächen-Moldingmaterial wärmeleitfähig ist mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,1 W/(m·K), 0,2 W/(m·K), 0,5 W/(m·K), 1 W/(m·K), 2 W/(m·K), 4 W/(m·K), 8 W/(m·K), 10 W/(m·K) oder 15 W/(m·K), wobei das Kühlflächen-Moldingmaterial insbesondere einen Füllstoff zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst, der mit dem Material vermischt ist.
Leiterplatte mit mindestens einem Schaltungsgehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Schaltungsgehäuse auf einer Oberseite der Leiterplatte (10) montiert ist, mit diesem in elektrischer Verbindung steht, und das Kühlflächen-Moldingmaterial der dünnen Schicht (40) oder das Gehäuse-Moldingmaterial der Gehäuseformschicht (30) die Oberseite der Leiterplatte oder die Oberseite der Leiterplatte sowie die zur Oberseite der Leiterplatte (10) entgegengesetzte Unterseite (24a) der Leiterplatte (10) bedeckt.
Verfahren zur Herstellung des Kuhlkörpers nach Anspruch 1, umfassend: Vorsehen des metallischen Kühlkörpers, der die Außenseite aufweist; und Auftragen der dünnen Schicht aus Kunststoffmaterial auf die Außenseite, wobei die dünne Schicht eine Abstrahlfläche vorsieht und das Auftragen vorgesehen wird durch Spritzgießen des Kunststoffmaterials oder durch ein anderes Verfahren zum Aufbringen des Kunststoffmaterials.
Verfahren zur Herstellung des Schaltungsgehäuses nach einem Ansprüche 2–8, umfassend: Befestigen des Wärme erzeugenden Bauteils (26) auf der Metallplatte (24), Umspritzen der Unterseite (24a) der Metallplatte (24) und des Wärme erzeugenden Bauteils (26) mit Gehäuse-Moldingmaterial, um die Gehäuseformschicht (30) vorzusehen, Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials, um die dünnen Schicht (40) vorzusehen, wobei das Umspritzen und das Auftragen im gleichen Moldingschritt oder in zwei getrennte, aufeinanderfolgenden Moldingschritten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Auftragen umfasst: (A) Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials mit einer vorbestimmten Schichtdicke oder wobei das Auftragen umfasst: (B) Auftragen des Kühlflächen-Moldingmaterials in Form einer Schicht, die dicker als die dünne Schicht (40) ist, und, nach dem Auftragen, Entfernen eines Teils des Kühlflächen-Moldingmaterials, der über die Schichtdicke der dünnen Schicht (40) hinausgeht, wobei in beiden Fällen (A) und (B) die Schichtdicke an keiner Stelle der dünnen Schicht (40) größer ist als 5 mm, 3 mm, 1 mm, 500 μm, 200 μm, 100 μm, 80 μm, 40 μm, 20 μm, 10 μm, 5 μm oder 2 μm.