DE102011076570A1 - Elektronisches Bauteil mit verbessertem Kühlkörper - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches oder elektrisches Bauteil mit einem Kühlkörper (3), wobei der Kühlkörper (3) synthetischen Saphir (8) umfasst.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil mit einem verbesserten Kühlkörper, insbesondere ein Vergussbauteil (Mold-Bauteil).
  • Mold-Bauteile sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis ist hierbei die notwendige Entwärmung von elektronischen oder elektrischen Bauelementen. Mit steigender Miniaturisierung der Bauelemente vergrößert sich jedoch auch die Wärmeproblematik. Ein weiteres Problem liegt darin, dass sich aufgrund der Wärmeabgabe von einem Bauelement auch benachbarte Bauelemente, welche eine geringere Wärmeabgabe aufweisen, erwärmen können. Dies kann insbesondere dann verstärkt auftreten, wenn ein größerer Kühlkörper vorhanden ist, über den die Wärme in benachbarte Bauelemente geleitet werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße elektronische oder elektrische Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Wärme gezielt und in eine definierte Richtung abgeführt werden kann. Dabei besteht erfindungsgemäß nicht die Gefahr, dass bei Verwendung eines größeren Kühlkörpers die Wärme über den Kühlkörper in andere, benachbarte Bereiche geleitet wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Kühlkörper synthetischen Saphir umfasst. Synthetischer Saphir kann relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden und ermöglicht es, dass Wärme im Wesentlichen nur in eine Richtung des Saphirkristalls geleitet wird. Der Saphir ist ein Monokristall mit einer trigonalen Kristallstruktur mit sechs Seitenflächen (A-Flächen), zwei Grundflächen (C-Flächen) und einer Zentralachse (C-Achse). Die C-Achse bestimmt dabei die Hauptrichtung der Wärmeleitung im Saphirkristall. Hierdurch kann in einem dreidimensionalen Kühlkörper eine bevorzugte Richtung für die Wärmeleitung oder bevorzugte Wärmeleitpfade bereitgestellt werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Vorzugsweise weist der Kühlkörper gerichtete Saphirkristalle auf, wobei die Ausrichtung der Saphirkristalle einer gewünschten Richtung der Wärmeableitung entspricht. Besonders bevorzugt sind dabei alle Saphirkristalle in eine gleiche Richtung gerichtet. Dies ermöglicht eine besonders effektive Wärmeableitung. Besonders bevorzugt ist der Kühlkörper aus einem Einkristall geschnitten, oder ein einkristallischer Saphir.
  • Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kühlkörper direkt auf einem zu entwärmenden Bauelement angeordnet. Der Kühlkörper kann dabei mittels eines Leitklebers direkt auf dem Bauelement fixiert werden.
  • Weiter bevorzugt sind Bauelemente und Leiterbahnen direkt auf einem flächenhaften Kühlkörper angeordnet. Hierdurch kann ein Schaltungsträger, z.B. eine Leiterplatte, entfallen und der Kühlkörper selbst dient als Träger für die Bauelemente und Leiterbahnen. Hierbei sei angemerkt, dass der Saphir ein elektrischer Isolator ist.
  • Alternativ ist ein Schaltungsträger vorgesehen, wobei der Kühlkörper direkt am Schaltungsträger angeordnet ist. Hierbei kann der Kühlkörper beispielsweise mittels Leitkleber direkt an einer Fläche des Schaltungsträgers fixiert werden. Der Schaltungsträger ist dabei vorzugsweise aus Keramikmaterial hergestellt. Besonders bevorzugt weist dabei das Keramikmaterial eine Wärmedehnung auf, welche im Wesentlichen einer Wärmedehnung des Kühlkörpers entspricht.
  • Für eine besonders gute Wärmeableitung ist der Kühlkörper vorzugsweise zu einer Außenseite des Bauteils freiliegend angeordnet (exposed pad).
  • Weiter bevorzugt ist das erfindungsgemäße Bauteil ein vergossenes Bauteil (Mold-Bauteil), wobei das Bauteil teilweise oder vollständig von einem Vergussgehäuse umschlossen sein kann.
  • Vorzugsweise ist eine Wärmeleitfähigkeit eines Schaltungsträgers ungefähr gleich zu einer Wärmeleitfähigkeit des synthetischen Saphirs und liegt bei ungefähr 35 bis 45 W/mK, bevorzugt ungefähr 40 W/mK, parallel zur C-Achse des Saphirs bei ca. 25°C.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von synthetischem Saphir in Kühlkörpern von elektronischen oder elektrischen Bauteilen, wie z.B. Steuergeräten in der Fahrzeugtechnik.
  • Zeichnung
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Saphirkristalls,
  • 3 eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
  • 4 eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Bauteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein elektronisches Bauteil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das elektronische Bauteil 1 einen Schaltungsträger 4, auf welchem eine Vielzahl von elektrischen oder elektronischen Bauelementen 2 angeordnet ist. Auf dem Schaltungsträger 4 sind ferner Leiterbahnen 5 vorhanden. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet elektrische Anschlüsse. Das Bauteil 1 ist dabei von einem Vergussgehäuse 6 umgeben.
  • An einem der Bauelemente 2 ist ferner ein Kühlkörper 3 angeordnet, dessen Außenfläche 3a frei zur Außenseite liegt. Der Kühlkörper 3 ist direkt auf das Bauelement 2, beispielsweise mittels eines Leitklebers aufgeklebt. Der Kühlkörper 3 umfasst dabei synthetische Saphirkristalle und ist besonders bevorzugt vollständig aus synthetischem Saphir hergestellt. Ein derartiges Saphirkristall 8 ist in 2 schematisch in perspektivischer Ansicht dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Saphir ein Monokristall mit einer trigonalen Kristallstruktur. Dabei weist der Monokristall eine erste und eine zweite Grundfläche C1, C2 (C-Ebenen) sowie sechs Seitenwände A (A-Ebenen) auf. Durch diese Struktur erfolgt eine Wärmeleitung durch den Saphir hauptsächlich in Richtung der Achse C (C-Achse). Eine Wärmeleitfähigkeit parallel zur C-Achse beträgt dabei ca. 40 W/mK bei ca. 25°C.
  • Wie in 1 durch den Pfeil C angedeutet, sind die Kristalle des Saphirs dabei derart ausgerichtet, dass sie möglichst senkrecht zu einer Oberflächenebene E des Bauelements 2 gerichtet sind. Hierdurch wird eine hervorragende Wärmeableitung vom Bauelement 2 ermöglicht, ohne dass Wärme seitlich abgeleitet wird.
  • Im ersten Ausführungsbeispiel wird durch den erfindungsgemäßen Kühlkörper 3 somit gezielt ein einzelnes Bauelement 2 entwärmt. Dies kann besonders gut bei elektronischen Bauteilen 1 mit beidseitig bestückten Schaltungsträgern 4 eingesetzt werden.
  • Die 3 und 4 zeigen ein zweites und ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
  • Beim zweiten Ausführungsbeispiel von 3 ist kein separater Schaltungsträger mehr vorhanden, sondern die Bauelemente 2 sind direkt auf dem Kühlkörper 3 angeordnet. Ebenfalls sind Leiterbahnen 5 direkt auf dem Kühlkörper 3 angeordnet. Der Kühlkörper 3 weist somit die Funktion des Schaltungsträgers auf und hat, wie aus 3 ersichtlich ist, eine relativ große Abmessung. In diesem Ausführungsbeispiel liegt eine gesamte Außenfläche 3a des Kühlkörpers zur Umgebung frei (exposed pad), wobei eine Ausrichtung der Saphirkristalle wieder, wie durch den Pfeil C angedeutet, senkrecht zur Oberfläche der Bauelemente 2 ist. Durch die großflächige Ausbildung des Kühlkörpers 3 kann somit eine Entwärmung des Bauteils 1 weiter verbessert werden.
  • Beim dritten Ausführungsbeispiel von 4 sind die Bauelemente 2 wieder auf einem Schaltungsträger 4 angeordnet. Der ebenfalls relativ großflächig ausgebildete Kühlkörper 3 ist mittels eines Leitklebers 9 an den Schaltungsträger 4 aufgeklebt. Somit kann eine gute Wärmeableitung vom Schaltungsträger 4 ermöglicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schaltungsträger 4 nur einseitig bestückt, so dass die gesamte Unterseite des Schaltungsträgers 4 mit dem Kühlkörper 3 verbunden werden kann. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist dabei eine Fläche des Kühlkörpers 3 größer als eine Fläche des Schaltungsträgers 4.
  • Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, bleibt die Außenfläche 3a des Kühlkörpers 3 beim Ummolden frei von der Moldmasse, so dass eine Wärmeabgabe nicht behindert wird.

Claims (11)

  1. Elektronisches oder elektrisches Bauteil mit einem Kühlkörper (3), wobei der Kühlkörper (3) synthetischen Saphir (8) umfasst.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Saphir (8) ausgerichtete Kristalle aufweist, deren Ausrichtungen einer gewünschten Richtung der Wärmeableitung entsprechen.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper ein einkristallischer Saphir ist, oder aus einem einkristallischen Saphir geschnitten ist.
  4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) direkt auf einem zu entwärmenden Bauelement (2) angeordnet ist und insbesondere mittels Leitkleber auf dem Bauelement (2) fixiert ist.
  5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bauelemente (2) und elektrische Leiterbahnen (5) direkt auf dem Kühlkörper (3) angeordnet sind.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend einen Schaltungsträger (4), wobei der Kühlkörper (3) direkt am Schaltungsträger (4) angeordnet ist.
  7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (4) aus einem Keramikmaterial hergestellt ist.
  8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) eine zur Außenseite des Bauteils freiliegende Oberfläche (3a) aufweist.
  9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Vergussgehäuse (6), welches das Bauteil teilweise oder vollständig umschließt.
  10. Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Schaltungsträgers (4) ungefähr einer Wärmeleitfähigkeit des synthetischen Saphirs entspricht und insbesondere ungefähr 35 bis 45 W/mK, vorzugsweise 40 W/mK, bei 25° ist.
  11. Verwendung von synthetischem Saphir (8) in Kühlkörpern (3) von elektronischen oder elektrischen Bauteilen (1), insbesondere in Bauteilen von Steuergeräten für Fahrzeuge.
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