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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere für ein Kraftfahrzeug-Steuergerät. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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Zur Bildung eines Steuergeräts wird in der Druckschrift
DE 10 2004 030 443 A1 eine Sandwichanordnung vorgeschlagen, bei welcher eine Leiterplatte thermisch leitfähig an ein Gehäuseelement zur Entwärmung eines an der Leiterplatte aufgenommenen Bauelements ankontaktiert ist, z. B. mittels einer Wärmeleitpaste.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplatte vorzuschlagen, welche eine weiter verbesserte Entwärmung insbesondere über ein Kühlelement ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich ihres Vorrichtungsaspekts erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 8 gelöst.
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Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Leiterplatte für ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, wobei an wenigstens einer Seite der Leiterplatte eine gegenüber einer planar gebildeten Oberfläche vergrößerte Oberfläche mittels einer neben den funktionalen Strukturen der Leiterplatte gebildeten Oberflächenstruktur gebildet ist. Durch Bereitstellung der derart vergrößerten Oberfläche kann vorteilhaft vermehrt Wärme aus der Leiterplatte abgeführt werden, z. B. an ein benachbart zur vergrößerten Oberfläche angeordnetes Kühlelement. Ferner weist eine derart ausgebildete Oberfläche den Vorteil einer besseren mechanischen und insofern thermischen Anbindbarkeit an ein Wärmeleitmedium, insbesondere einen Gap-Filler auf, welcher z. B. pastös ist. Auch hierdurch kann die Abwärme an der Leiterplatte aufzunehmender Bauelemente besser abgeführt und z. B. auf teure Keramiken zur Aufnahme der zu entwärmenden Bauelemente verzichtet werden.
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Die Oberflächenstruktur zur Vergrößerung der Oberfläche ist hierbei als eigene Struktur zusätzlich zu den üblichen funktionalen Strukturen der Leiterplatte gebildet, z. B. neben den funktionalen Strukturen in Form von Leiterstrukturen, ggf. Bauelementen, Kühlelementen, Anschlusskontakten, etc. Die Oberflächenstruktur erstreckt sich hierbei insbesondere flächig.
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Eine Leiterplatte im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist hierbei insbesondere eine mittels eines starren Trägermaterials gebildete Leiterplatte, insbesondere eine FR4-Leiterplatte, welche Leiterstrukturen, wie z. B. Leiterbahnen, Leiterflächen, An- und Durchkontaktierungen, thermische Vias, etc. ausbilden kann und sich im Wesentlichen in einer Ebene erstreckt, i. e. ihrer Erstreckungsebene. Eine solche Leiterplatte ist vorteilhaft günstig herzustellen.
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Vorgesehen ist hierbei beispielsweise, dass sich die wenigstens eine Seite, welche die Oberflächenstruktur aufweist, in der Erstreckungsebene der Leiterplatte erstreckt. Hierdurch kann eine große Oberfläche zur Wärmeableitung bzw. Anbindung an ein Kühlelement zur Verfügung gestellt werden.
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Insbesondere erhöht sich durch die Oberflächenstruktur die Robustheit, da die Anbindung bzw. Adhäsion zwischen Leiterplatte und Gap-Filler deutlich verbessert wird. Durch diese bessere Verbindung ist das System unempfindlicher gegenüber Vibrationen. Zusätzlich wird die Oberfläche vergrößert, wodurch Wärme über den Gap-Filler an das Aluminiumgehäuse abgegeben werden kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist gemäß einer möglichen Ausführungsform auch vorgesehen, die Oberflächenstruktur in die Leiterplatte zu arbeiten. Alternativ kann die Oberflächenstruktur auch an der wenigstens einen Leiterplattenseite aufgebracht sein, insbesondere schichtförmig. Allgemein kann die Oberflächenstruktur verschiedene Formen aufweisen, i. e. halbplastische bzw. dreidimensionale, wobei die Oberflächenstruktur allgemein reliefartig ausgebildet ist, i. e. Erhebungen und Senken aufweist. Beachtlich ist, dass mittels der Oberflächenstruktur die Oberfläche gegenüber einer ebenen bzw. planaren Oberfläche vergrößert wird, insbesondere möglichst stark.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Steuergerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, z. B. ein Getriebesteuergerät, wobei das Steuergerät eine erfindungsgemäße Leiterplatte aufweist. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Leiterplatte können an dieser aufgenommene Bauelemente, insbesondere Leistungsbauelemente, des Steuergeräts im Vergleich zum Stand der Technik besser entwärmt werden.
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Zur Entwärmung ist hierbei vorgesehen, die vergrößerte Oberfläche der Leiterplatte benachbart zu einem Kühlelement anzuordnen, insbesondere derart, dass zwischen der vergrößerten Oberfläche und dem Kühlelement ein Wärmeleitstoff bzw. ein Wärmeleitmedium angeordnet ist, insbesondere ein dispensierbarer Gap-Filler. Das Wärmeleitmedium ist insbesondere fließfähig bzw. pastös und hierdurch z. B. vorteilhaft dispensierbar, so dass die zwischen der Oberflächenstruktur und einem Kühlelement gebildeten Hohlräume sämtlich verfüllt werden können und somit ein guter Wärmeübergang an der so gebildeten Schnittstelle realisierbar ist. Das Kühlelement wird z. B. in Form eines Gehäuseelements des Steuergeräts bereitgestellt, z. B. durch ein Bodenelement.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, wobei in einem ersten Schritt eine Leiterplatte bereitgestellt wird und in einem zweiten Schritt zur Bildung einer neben den funktionalen Strukturen der Leiterplatte gebildeten Oberflächenstruktur zur Vergrößerung der Oberfläche gegenüber einer planar bzw. eben gebildeten Oberfläche ein partieller Abtrag von Material an wenigstens einer Leiterplattenseite erfolgt. Ein Materialabtrag zum Zwecke der Bildung einer Oberflächenstruktur lässt sich auf einfache Weise z. B. durch einen Ätzprozess realisieren, im Zuge dessen Material an der wenigstens einen Leiterplattenseite, welche insbesondere in Form einer Schicht, z. B. einer Kupferschicht gebildet ist, partiell entfernt wird.
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Alternativ ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens z. B. vorgesehen, im zweiten Schritt eine Schichtstruktur an der wenigstens einen Leiterplattenseite aufzubringen, z. B. durch Aufkleben oder Auflaminieren. Eine solche Schicht ist zum Beispiel eine Netzstruktur, welche in einem eigenen Fertigungsprozess hergestellt ist. Auch dies ermöglicht eine einfache Strukturierung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch eine abgebrochene Schnittansicht einer Leiterplatte mit einem dazu benachbart angeordneten Kühlelement gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
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2 exemplarisch eine abgebrochene Schnittansicht einer Leiterplatte mit einem dazu benachbart angeordneten Kühlelement gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1 für ein Steuergerät 2 eines Kraftfahrzeugs. Ein derartiges Steuergerät 2 ist insbesondere ein Getriebesteuergerät, welches z. B. in einer rauen Umgebung wie etwa einem Getriebeölsumpf eingesetzt wird. Zur Bildung des Steuergeräts 2 ist vorgesehen, die Leiterplatte 1 mit elektronischen Bauelementen zu bestücken (nicht dargestellt). Eine Entwärmung der aufgenommenen Bauelemente, insbesondere von Leistungsbauelementen erfolgt hierbei z. B. auch über die Leiterplatte 1.
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Die Leiterplatte 1 ist erfindungsgemäß eine Leiterplatte aus einem herkömmlichen Leiterplatten-Trägermaterial, insbesondere aus einem starren Leiterplatten-Trägermaterial wie z. B. einem epoxidharzbasierten und/oder glasfaserverstärkten Trägermaterial. Vorzugsweise ist die Leiterplatte 1 z. B. eine FR4-Leiterplatte, welche auch gegenüber hohen Temperaturen hinreichend beständig ist. Die Leiterplatte kann erfindungsgemäß hierbei ein- oder mehrlagig gebildet sein. An der Leiterplatte 1 sind auf übliche Weise funktionale Strukturen gebildet, wie z. B. Leiterstrukturen, Kontaktierstrukturen, Wärmeleitstrukturen, welche sämtlich von der Leiterplatte 1 bzw. deren Trägermaterial getragen werden. Im Falle einer bestückten Leiterplatte 1 sind zusätzlich z. B. elektronische Bauelemente als funktionale Strukturen an der Leiterplatte 1 aufgenommen.
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Um gegenüber einer herkömmlichen Leiterplatte eine verbesserte Entwärmung zu ermöglichen, i. e. vermehrt Wärme von der Leiterplatte 1 abführen zu können, ist an wenigstens einer Seite 3 der erfindungsgemäßen Leiterplatte 1 eine gegenüber einer planar gebildeten Oberfläche vergrößerte Oberfläche 4 mittels einer neben den funktionalen Strukturen der Leiterplatte 1 gebildeten Oberflächenstruktur 5 gebildet. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Seite 3 hierbei eine Seite, welche sich in der Erstreckungsebene der Leiterplatte 1 erstreckt, d. h. eine der großflächigen Leiterplattenseiten. Eine erfindungsgemäße Strukturierung ist hierbei z. B. auch an beiden großflächigen Leiterplattenseiten denkbar. Erfindungsgemäß ist die Oberflächenstruktur 5 z. B. an der Unterseite der Leiterplatte 1 gebildet, wobei die Unterseite zur thermischen Anbindung an ein Kühlelement 6, z. B. ein Gehäuseelement eines Steuergeräts 2, vorgesehen ist.
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Mittels der Oberflächenstruktur 5 kann die zur Entwärmung zur Verfügung stehende Oberfläche an der Leiterplatte 1 gegenüber einer planar gebildeten Oberfläche vergrößert werden, wobei vorteilhaft auch eine verbesserte thermische Anbindung an ein Wärmeleitmedium 7, welches vorzugsweise pastös oder fließfähig ist, insbesondere an einen Gap-Filler, erzielbar ist. Die Oberflächenstruktur 5 ist hierbei allgemein mittels Erhebungen 5a und Senken 5b gebildet, z. B. reliefartig bzw. dreidimensional, z. B. 1 und 2. Erfindungsgemäß kann die Oberflächenstruktur 5 eine regelmäßige, z. B. eine wabenförmige, schachbrettartige, gerillte, gewellte, oder eine unregelmäßige Struktur sein, welche einem Zufallsprinzip folgend gebildet ist. Hierbei wird vorzugsweise eine möglichst große Oberfläche 4 an der wenigstens einen Leiterplattenseite 3 gebildet, um möglichst viel Wärme abgeben und eine gute thermische Anbindung erzielen zu können.
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Bei der in 1 gezeigten Variante der Erfindung ist die Oberflächenstruktur 5 in die Leiterplatte 1 gearbeitet, vorzugsweise z. B. mittels eines Materialabtrags. Um eine derartige Leiterplatte 1 herzustellen, wird in einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt eine Leiterplatte 1 bereitgestellt, wobei in einem zweiten Schritt ein partieller Abtrag von Material an der wenigstens einen Leiterplattenseite 3 erfolgt. Die Leiterplatte 1 weist hierzu z. B. eine Schicht, z. B. eine Kupferschicht 8 auf, welche zum Zwecke des Materialabtrags und insoweit zur Bildung der Oberflächenstruktur 5 partiell entfernt wird, z. B. weggeätzt wird. Die Schicht 8 wird z. B. in einem Schritt vor dem zweiten. Schritt an der wenigstens einen Leiterplattenseite 3 aufgetragen.
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Bei der in 2 gezeigten Variante der Erfindung ist die Oberflächenstruktur 5 an der Leiterplatte 1 aufgebracht, insbesondere schichtförmig. Hierzu wird in einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt ebenfalls eine Leiterplatte 1 bereitgestellt, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt ein Aufbringen einer Schichtstruktur 9 an der wenigstens einen Leiterplattenseite 3 bzw. der Leiterplatte 1 erfolgt. Die Schichtstruktur 9 bildet hierbei die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur 5. Vorgesehen ist z. B., eine netzartige Schicht an der wenigstens einen Leiterplattenseite 3 anzubringen, mittels welcher die Oberflächenstruktur 5 erzeugt wird. Eine solche wird z. B. aufgeklebt bzw. auflaminiert.
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Zur Bildung eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 2, wird die Leiterplatte 2 geeignet mit elektronischen Bauelementen bestückt, z. B. an der der Oberflächenstruktur 5 gegenüberliegenden Leiterplattenseite und die Leiterplatte 1 z. B. zumindest teilweise eingehäust. Hierbei ist vorgesehen, die mittels der Oberflächenstruktur 5 vergrößerte Oberfläche 4 an der Leiterplatte 1 benachbart zu einem Kühlelement 6 anzuordnen, welches vorzugsweise z. B. durch ein Gehäuseelement des Steuergeräts 2, z. B. einen Gehäuseboden aus z. B. Aluminium, gebildet ist.
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Insbesondere ist hierbei vorgesehen, zwischen der wenigstens einen mit der Oberflächenstruktur 5 versehenen Leiterplattenseite 3 und dem Kühlelement 6 wie bereits erwähnt ein Wärmeleitmedium 7 anzuordnen, insbesondere einen dispensierbaren Gap-Filler. Ein solcher ist z. B. mittels eines Silikons gebildet, welches Keramikpartikel zum Zwecke eines Wärmetransports aufweist. Ein Wärmeleitmedium 7 kann allgemein eine Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber sein. Zusätzlich zu einer Entwärmung über die Leiterplatte 1 können Bauelemente hierbei erfindungsgemäß z. B. auch über thermische Vias sowie das Wärmeleitmedium 7 und/oder das Kühlelement 6 entwärmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Steuergerät
- 3
- Leiterplattenseite
- 4
- vergrößerte Oberfläche
- 5
- Oberflächenstruktur
- 5a
- Erhebung
- 5b
- Senke
- 6
- Kühlelement
- 7
- Wärmeleitmedium
- 8
- Schicht
- 9
- Schichtstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004030443 A1 [0002]
