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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit wenigstens einem Bauelement, insbesondere einem elektronischen Bauelement. Das Bauelement ist ausgebildet, Wärme, insbesondere Verlustwärme, zu erzeugen. Die Leiterplatte weist auch wenigstens eine Substratschicht und wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Bevorzugt ist die Substratschicht in ihrer flachen Erstreckung mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbunden.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leiterplatten, insbesondere Schaltungsanordnungen mit einer Leiterplatte und einem Bauelement, beispielsweise einem Leistungshalbleiter, wird eine Verlustwärme des Bauelements, insbesondere des Leistungshalbleiters, mittels eines mit dem Bauelement verbundenen Kühlkörpers abgeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist die Leiterplatte der eingangs genannten Art eine Wärmeleitschicht auf, welche ausgebildet und angeordnet ist, Wärme von dem Bauelement aufzunehmen. Die Wärmeleitschicht ragt mit einem Abschnitt, insbesondere Endabschnitt, über einen Leiterplattenrand der Leiterplatte hinaus, wobei der Abschnitt, insbesondere Endabschnitt mit einer Wärmesenke wärmeleitend verbunden ist. Die Wärmesenke ist bevorzugt wenigstens teilweise durch einen Kühlkörper und/oder durch ein wärmeleitfähiges Gehäuse gebildet.
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Durch die so ausgebildete Leiterplatte kann vorteilhaft eine Schicht, insbesondere ein Teil einer Schicht einer mehrschichtig ausgebildeten Leiterplatte, Verlustwärme von dem Bauelement zu einer Wärmesenke hin abführen. Das Bauelement ist bevorzugt ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Halbleiterschalter oder ein signalverarbeitendes Bauelement, insbesondere ein Mikroprozessor, ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array) oder ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit).
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Die Wärmeleitschicht ist bevorzugt durch einen Metallblock, oder durch einen flach ausgebildeten Metallstreifen, insbesondere Blechstreifen, gebildet. Das Metall des Metallstreifens ist bevorzugt Kupfer oder Aluminium. Die Wärmesenke kann so vorteilhaft zusammen mit anderen Leiterbahnen, wobei die Leiterbahnen durch wenigstens einen Teil einer elektrisch leitfähigen Schicht gebildet sind, und mit Prepreg-Schichten zum Erzeugen der Leiterplatte laminiert werden. Die Wärmeleitschicht bildet so vorteilhaft einen Teil eines die Leiterplatte bildenden Schichtverbundes, und kann so vorteilhaft mittels einer Lötverbindung, einer Schweißverbindung, oder einer Pressverbindung mit der Wärmesenke, insbesondere einem Kühlkörper verbunden werden. Die wärmeleitende Anbindung des Bauelements zur Wärmesenke hin kann so besonders aufwandsgünstig bereitgestellt werden.
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Bevorzugt ist zwischen der Wärmeleitschicht und dem Bauelement eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere eine Folie, gebildet. Die Folie ist beispielsweise eine Polyimidfolie.
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Die Wärmeleitschicht bildet in einer bevorzugten Ausführungsform eine Innenlage der Leiterplatte. In einer anderen Ausführungsform bildet die Wärmeleitschicht eine Außenlage der Leiterplatte. Die Wärmeleitschicht kann im Falle der Außenlage mit einem geringen Wärmeübergangswiderstand das Bauelement kontaktieren. Im Falle der Innenlage kann die Wärmeleitschicht beispielsweise mittels einer Substratschicht als elektrisches Isolationsmittel wärmeleitend mit dem Bauelement oder einem elektrischen Anschluss des Bauelements verbunden sein. Der elektrische Anschluss ist beispielsweise durch wenigstens einen Teil einer elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere einer gestanzten Blechstruktur, auch Stanzgitter genannt, gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmeleitschicht einen in einer flachen Erstreckung der Leiterplatte verlaufenden Abschnitt auf, und ist angeordnet und ausgebildet, über den Abschnitt, insbesondere einen Oberflächenbereich des Abschnitts, mindestens mittelbar Wärme von dem Bauelement aufzunehmen. Die Wärmeleitschicht kann beispielsweise – wie vorab beschrieben – mittels einer elektrischen Isolierschicht, insbesondere der Polyimidfolie, oder einer hinreichend dünn ausgebildeten Substratschicht, mit dem Bauelement wärmeleitend, und elektrisch isoliert verbunden sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmesenke durch wenigstens einen Teil eines die Leiterplatte umschließenden Gehäuses gebildet. So kann das Gehäuse, beispielsweise ein Aluminiumgehäuse, vorteilhaft sowohl die Leiterplatte vor mechanischen äußeren Einwirkungen schützen, als auch die Wärmesenke bilden. Die Wärme kann von dem Gehäuse, insbesondere Blechgehäuse, beispielsweise an eine Umgebungsluft mittels Konvektion abgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmesenke wenigstens teilweise durch einen Konvektionsrippen aufweisenden Kühlkörper gebildet. Der Kühlkörper kann so vorteilhaft mit einem Leiterplattenrand wärmeleitend mit dem Bauelement wirkverbunden sein. So kann vorteilhaft ein Bauraum, welcher an das Bauelement anschließt, frei bleiben, oder anderweitig genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmesenke eine Aussparung, oder eine Hohlrinne, insbesondere eine Nut auf, wobei der Abschnitt der Wärmeleitschicht die Wärmesenke in der Nut, beziehungsweise der Aussparung wärmeleitend kontaktiert. Dazu kann der Abschnitt beispielsweise im Falle des Kühlkörpers mittels eines Wärmeleitklebstoffs mit der Nut des Kühlkörpers wärmeleitend verbunden sein. Mittels der so gebildeten Leiterplatte kann die Wärmesenke vorteilhaft platzsparend mit der Leiterplatte verbunden sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmesenke wenigstens im Bereich der Nut durch ein wärmeleitfähiges Blech gebildet. Weiter bevorzugt ist der Abschnitt der Wärmeleitschicht in der Nut kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten. Dazu kann beispielsweise die Nut, welche durch einen Blechfalz in dem Blech, bevorzugt in dem zuvor erwähnten Gehäuseblech, gebildet ist, mittels eines Presswerkzeugs zugepresst werden, und dabei den in der Nut aufgenommenen Abschnitt festpressen und so wenigstens kraftschlüssig festhalten. Zusätzlich zu dieser kraftschlüssigen Verbindung kann der Abschnitt beispielsweise wenigstens einen quer zu einer flachen Erstreckung des Abschnitts abweisenden Dorn aufweisen, welcher beim Zupressen in das wärmeleitfähige Blech formschlüssig eingreift, und so den zuvor erwähnten Formschluss erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leiterplatte über den Endabschnitt in der Nut gehalten, bevorzugt nur über den Endabschnitt in der Nut gehalten. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine weitere Halterung, beispielsweise gebildet durch ein Kunststoffformteil, verzichtet werden. Der Abschnitt der Wärmeleitschicht bildet so vorteilhaft sowohl einen Wärmeleiter zum Abführen der Verlustwärme des Bauelements, als auch eine mechanische Halterung der Leiterplatte in dem Gehäuse. Die Wärmeleitschicht ist mit dem in der Leiterplatte angeordneten Abschnitt mit wenigstens einer Substratschicht verbunden, insbesondere mit der Substratschicht klebeverbunden und/oder pressverbunden.
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Die Substratschicht ist bevorzugt durch eine bevorzugt faserverstärkte Epoxidharzschicht gebildet. Die Fasern der Epoxidharzschicht sind beispielsweise Glasfasern.
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Bevorzugt ist die Leiterplatte über den Abschnitt in der Nut gehalten. Weiter bevorzugt ist die Leiterplatte nur über den Abschnitt in der Nut festgehalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist durch die Nut ein Slot zum Verbinden der Leiterplatte mit der Wärmesenke gebildet. Die Leiterplatte kann so vorteilhaft durch ein einfaches Einschieben in die Nut mit der Wärmesenke verbunden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Abschnitt der Wärmeleitschicht und der Wärmesenke ein Stoffschluss gebildet. Der Stoffschluss kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass der Abschnitt und die Wärmesenke, insbesondere im Bereich der Nut miteinander verlötet, oder verschweißt sind. Die Schweißverbindung kann beispielsweise mittels Ultraschallschweißen, oder durch eine Kaltschweißverbindung mittels Einpressen erzeugt sein.
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Bevorzugt bildet die Wärmeleitschicht eine Innenlage der Leiterplatte. So kann der Abschnitt der Wärmeleitschicht, welcher in der Leiterplatte gehalten ist, vorteilhaft mit zueinander gegenüberliegenden flachen Seiten mit einem Substrat der Leiterplatte verbunden sein. Auf diese Weise ist die Wärmeleitschicht fest in der Leiterplatte gehalten.
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Im Falle einer Außenlage kann der Abschnitt der Wärmeleitschicht, welcher mit der Leiterplatte verbunden ist, vorteilhaft einen elektrischen Anschluss, insbesondere einen Masseanschluss des Bauelements bilden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung, umfassend eine Leiterplatte gemäß der vorbeschriebenen Art, und ein die Leiterplatte umgebendes wärmeleitfähiges Gehäuse, wobei die Leiterplatte in dem Gehäuse angeordnet ist. Bevorzugt ist die Wärmesenke wenigstens teilweise durch einen Kühlkörper und/oder durch das wärmeleitfähiges Gehäuse gebildet.
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Bevorzugt ist durch die Anordnung ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug gebildet. Das Steuergerät ist ausgebildet, wenigstens ein Aggregat des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Bremssystem, Türverriegelung, Beleuchtung, Lüfter, Motorsteuerung, zum Betreiben des Aggregats anzusteuern.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von weiteren Ausführungsbeispielen und Figuren beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den Merkmalen der Figuren und den abhängigen Ansprüchen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit einer mehrschichtig ausgebildeten Leiterplatte, die eine innenliegende, und mit einem Endabschnitt aus einer einen Leiterplattenrand bildenden Stirnseite der Leiterplatte herausragende Wärmeleitschicht aufweist, über die Wärme von einem Bauelement abgeführt werden kann.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung 1. Die Anordnung 1 umfasst einer Leiterplatte 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel mehrschichtig ausgebildet ist. Die Anordnung 1 umfasst auch ein Gehäuse 5.
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Das Gehäuse 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Gehäuseschalen, nämlich eine Gehäuseschale 20 und eine Gehäuseschale 21 auf. Die Gehäuseschalen 20 und 21 sind jeweils ausgebildet, mittels eines Schnappverschlusses miteinander verbunden zu werden, und einen in dem Gehäuse 5 nach dem Verbinden eingeschlossenen Hohlraum 3 nach außen hin abzudichten. Elektrische Verbindungen von der Leiterplatte 2 nach Außen hin können mittels einer abgedichteten Steckverbindung, insbesondere als Teil des Gehäuses, nach außen geführt sein.
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Die Leiterplatte 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine innenliegende Wärmeleitschicht 15 auf. Die Wärmeleitschicht 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Kupferschicht gebildet. Die Wärmeleitschicht weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke zwischen einem Millimeter und drei Millimetern auf. Die Wärmeleitschicht 15 ist mit einem Abschnitt 23 in der Leiterplatte 2 zwischen zwei Substratschichten 13 und 14 eingebettet. Die Substratschicht 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel dünner ausgebildet als die Substratschicht 14. Die Wärmeleitschicht 15 und die Substratschichten 13 und 14 erstrecken sich jeweils in einer flachen Erstreckung der Leiterplatte 2.
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Die Substratschicht 14 weist noch zwei weitere innenliegende elektrisch leitfähige Schichten, in diesem Ausführungsbeispiel die elektrisch leitfähigen Schichten 18 und 19 auf. Die elektrisch leitfähigen Schichten 18 und 19 bilden in diesem Ausführungsbeispiel Leiterbahnen, insbesondere Kupferleiterbahnen zum Verbinden von Bauelementanschlüssen einer Schaltungsanordnung.
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Die Leiterplatte 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit zwei Bauelementen, insbesondere Leistungsbauelementen 8 und 9 verbunden. Das Leistungsbauelement 8 ist ausgebildet, beim Betrieb eine Verlustwärme 50 zu erzeugen. Das Leistungsbauelement 8 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei elektrische Anschlüsse 11 und 12 auf. Das Leistungsbauelement 8 ist beispielsweise durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen Leistungstransistor oder ein signalverarbeitendes Halbleiterbauelement, insbesondere einen Mikroprozessor gebildet. Die von dem Leistungsbauelement 8 erzeugte Verlustwärme 50 kann über die Anschlüsse 11 und 12, durch die Substratschicht 13 hindurch in die Wärmeleitschicht 15 geleitet werden.
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Die Wärmeleitschicht 15 ragt mit einem Endabschnitt 24 aus der Leiterplatte 2, insbesondere aus einer einen Leiterplattenrand bildenden Stirnseite 4 der Leiterplatte heraus. Das Gehäuse 5, in diesem Ausführungsbeispiel die Halbschale 21 des Gehäuses 5, weist eine U-förmige Rippe 6 auf, welche im Inneren eine Nut 25 umschließt. Die Wärmeleitschicht 15 ragt mit dem Endabschnitt 24 in die Nut 25 hinein, und ist mit dem Endabschnitt 24 wenigstens teilweise in der Nut 25 aufgenommen.
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Dargestellt ist auch ein Presswerkzeug 39. Das Presswerkzeug 39 umfasst zwei Zangenbacken 40 und 41. Das Presswerkzeug 39 ist ausgebildet, die Zangenbacken 40 und 41 aufeinander zuzuführen und dabei eine Presskraft 46 zu erzeugen. Die Zangenbacken 40 und 41 umgreifen in diesem Ausführungsbeispiel die Rippe 6, und pressen mittels der Presskraft 46 die Rippe 6, insbesondere U-Schenkel der Rippe 6, zusammen, sodass der in der Nut 25 aufgenommene Endabschnitt 24 der Wärmeleitschicht 15 zwischen den U-Schenkeln der Rippe 6 eingepresst werden kann.
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Der Endabschnitt 24 der Wärmeleitschicht 15 steht dann mit der Rippe 6 des Gehäuses 5 in wärmeleitender Verbindung, sodass die Verlustwärme 50 über den Endabschnitt 24 an die Rippe 6 abgegeben werden kann. Die Verlustwärme 50 kann dann von der Rippe 6 ausgehend in einen weiteren Teil der Gehäusehälfte 21 verteilt werden, und von dort – beispielsweise durch Konvektion einer die Gehäusehälfte 21 umgebenden Luft – abgeführt werden.
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Das Presswerkzeug 39 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Antriebsmotor 45 auf, dessen Antriebswelle mit einer Gewindestange 42 drehverbunden ist. Die Gewindestange 42 weist ein Rechtsgewinde 44 auf, welches mit der Zangenbacke 40 schraubverbunden ist, und ein Linksgewinde 43, welches mit der Zangenbacke 41 schraubverbunden ist. Die Zangenbacken 40 und 41 können so beim Drehen der Gewindestange aufeinander zugeführt, oder auseinanderbewegt werden.
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Die Leiterplatte 2 weist auch eine Wärmeleitschicht 16 auf, welche zwischen den Substratschichten 13 und 14 gehalten ist. Die Wärmeleitschicht 16 ragt mit einem Endabschnitt 29 aus der Leiterplatte 2 heraus, und ist mit einem Abschnitt 28 von wenigstens einer Substratschicht, insbesondere den Substratschichten 13 und 14 der Leiterplatte 2, eingebettet.
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Die Gehäusehälfte 20 weist eine Rippe 7 auf, welche in der in 1 dargestellten Schnittdarstellung U-förmig ausgebildet ist und eine Nut 26 umschließt. Der Endabschnitt 29 der Wärmeleitschicht 16 ist in der Nut 26 aufgenommen, und kontaktiert die Rippe 7 wärmeleitfähig.
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Die Wärmeleitschicht 16 ist – anders als die Wärmeleitschicht 15 – mit einem Anschluss 10 des Leistungsbauelements 9 sowohl wärmeleitend, als auch elektrisch verbunden. Der Anschluss 10 ist beispielsweise ein Masseanschluss. Die Verlustwärme 51, erzeugt von dem Leistungsbauelement 9, kann über den elektrischen Anschluss 10, und weiter über die Wärmeleitschicht 16, an die Rippe 7 der Gehäusehälfte 20 abgegeben werden.
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Die Rippe 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einer Nut 27 eines Kühlkörpers 30 angeordnet. Die Rippe 7 ist mit dem Kühlkörper 30 wärmeleitfähig verbunden.
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Der Kühlkörper 30 weist in diesem Ausführungsbeispiel Konvektionsrippen auf, von denen eine Konvektionsrippe 31 beispielhaft bezeichnet ist. Die Verlustwärme 51 kann so bis hin zu dem Kühlkörper 30, und über die Konvektionsrippen an eine Umgebungsluft abgeführt werden.
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Die Gehäusehälfte 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Schnappverschlusses 33 und eines Schnappverschlusses 34 mit der Gehäusehälfte 21 verbunden. Die Schnappverschlüsse 33 und 34 sind in diesem Ausführungsbeispiel als jeweils einen Rand der Gehäusehälfte 21 überlappender Rand der Gehäusehälfte 20 ausgebildet. Der Schnappverschluss 33 weist eine Aussparung 35 auf, in welche ein Bajonett-förmiger, an den Gehäuserand der Gehäusehälfte 21 angeformter, Vorsprung 37 beim Zusammenfügen der Gehäusehälften 20 und 21 einschnappen kann. Der Schnappverschluss 34 weist eine Aussparung 36 auf, in die ein Bajonett-förmiger Vorsprung der Gehäusehälfte 21 einrasten kann. Die Gehäusehälfte 21 weist an einer Stirnseite eines Gehäusehälftenrandes eine umlaufende Dichtung 38 auf. Die Dichtung 38 ist beispielsweise als Elastomerdichtung, insbesondere Silikondichtung ausgebildet. Das Gehäuse 5 kann so nach einem Zusammenfügen der Gehäusehälften 20 und 21 nach außen dicht verschlossen werden.
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Die Leiterplatte 2 ist mittels der Abschnitte 24 und 29 der Wärmeleitschichten 15, beziehungsweise 16 in der Nut 25, beziehungsweise der Nut 26 festgehalten. Dadurch braucht das Gehäuse 5 keine weiteren Halterungen, um die Leiterplatte 2 in dem Gehäuse 5 zu fixieren.
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Der Kühlkörper 30 ist in 1 beispielhaft dargestellt. Das Gehäuse 5 kann in einer vorteilhaften Ausführungsform – ohne den Kühlkörper 30 – die Verlustwärme 50 und die Verlustwärme 51 nur über die Kühlrippen 6 und 7, und weiter über die Gehäusehälften 21 und 20 abführen. Die zuvor beschriebene elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Anschluss 10 und der Wärmeleitschicht 16 ist beispielhaft. Die Wärmeleitschicht 16 kann in einer anderen Ausführungsform von dem Anschluss 10 – beispielsweise mittels einer elektrisch isolierenden Polyimidschicht – elektrisch isoliert sein.
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Das Leistungsbauelement 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Bond-Drahtes mit einer Leiterbahn 17 verbunden. Die Leiterbahn 17 bildet eine elektrisch leitfähige Schicht, welche auf der Substratschicht 13 ausgebildet ist.
