DE102013220951A1

DE102013220951A1 - Leiterplatte mit einer drahtgeschriebenen Wärmesenke

Info

Publication number: DE102013220951A1
Application number: DE201310220951
Authority: DE
Inventors: Roman Fritsch; Frank Wehrmann; Antje Winkelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit wenigstens einer Substratschicht und wenigstens einer elektrisch leitfähigen Schicht. Die Leiterplatte weist wenigstens eine elektrisch leitfähige Verbindungsleitung auf, wobei die Verbindungsleitung mittels wenigstens einer mittels Drahtschreibtechnik erzeugten Verbindung, insbesondere einer Schweißverbindung, mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbunden ist. Erfindungsgemäß weist die Leiterplatte eine mittels der Drahtschreibtechnik mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbundene, sich flach erstreckende Wärmesenke auf. Die Wärmesenke ist angeordnet und ausgebildet, Wärme von der Verbindungsleitung wenigstens über die elektrisch leitfähige Schicht und die Verbindung aufzunehmen. Die Wärmesenke ist in der Leiterplatte angeordnet und ausgebildet, die aufgenommene Wärme weiterzuleiten. Die Wärmesenke ist angeordnet und ausgebildet, die aufgenommene Wärme über die flache Erstreckung in der Leiterplatte zu verteilen und durch eine Substratschicht hindurch an eine Leiterplattenoberfläche hin abzugeben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit wenigstens einer Substratschicht und wenigstens einer elektrisch leitfähigen Schicht. Die Leiterplatte weist wenigstens eine elektrisch leitfähige Verbindungsleitung auf, wobei die Verbindungsleitung mittels wenigstens einer mittels Drahtschreibtechnik erzeugten Verbindung, insbesondere einer Schweißverbindung, mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbunden ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Leiterplatten, welche mittels Drahtschreibtechnik, insbesondere hochstromfähige Verbindungsleitungen aufweisen, erzeugen die Verbindungsleitungen Verlustwärme, welche im Falle einer in der Leiterplatte angeordneten Verbindungsleitung die Leiterplatte lokal erwärmen kann. Eine derartige Leiterplatte ist beispielsweise aus der DE 20 2006 019 812 U1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Leiterplatte der eingangs genannten Art eine mittels der Drahtschreibtechnik mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbundene, sich flach erstreckende Wärmesenke auf. Die Wärmesenke ist angeordnet und ausgebildet, Wärme von der Verbindungsleitung wenigstens über die elektrisch leitfähige Schicht und die Verbindung aufzunehmen. Die Wärmesenke ist – bevorzugt wenigstens teilweise oder vollständig – in der Leiterplatte angeordnet und ausgebildet, die aufgenommene Wärme weiterzuleiten. Bevorzugt ist die Wärmesenke angeordnet und ausgebildet, die aufgenommene Wärme über die flache Erstreckung in der Leiterplatte zu verteilen und durch eine Substratschicht hindurch – bevorzugt an eine Leiterplattenoberfläche hin – abzugeben.
Unter der Drahtschreibetechnik im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere eine im Stand der Technik auch als „Wirelaid“-Technik zur Herstellung von Leiterplatten verstanden. Dabei handelt es sich um eine Kupfereinlagetechnik bei der Leiterbahnen durch in das Basismaterial der Leiterplatte eingebrachte Kupfereinleger oder eingelegte Drähte verstärkt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, diese, z.B. in der DE 20 2006 019 812 U1 beschriebene Technik einzusetzen, die Wärmesenke mit der der elektrisch leitfähigen Schicht der Leiterplatte zu verbinden.
Mittels der so ausgebildeten Leiterplatte kann die Wärme, welche in der Verbindungsleitung während eines Stromflusses durch die Verbindungsleitung erzeugt wird, vorteilhaft aufwandsgünstig abgeführt werden.
Die Verbindung ist bevorzugt eine Schweißverbindung, insbesondere eine Punktschweißverbindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmesenke eine größere Wärmekapazitiät, weiter bevorzugt wenigstens das Zweifache der Wärmekapazität der Verbindungsleitung auf. So kann die Wärmesenke Wärme von der Verbindungsleitung über die Schweißverbindung und die elektrisch leitfähige Schicht aufnehmen und verteilen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Leiterplatte ist die Wärmesenke in einer Substratschicht eingebettet. Weiter bevorzugt ist die Wärmesenke in der Substratschicht zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten eingebettet. Beispielsweise beträgt ein Isolationsabstand zwischen der Wärmesenke, insbesondere einer Oberfläche der Wärmesenke entlang der flachen Erstreckung der Wärmesenke und der elektrisch leitfähigen Schicht wenigstens zehn Mikrometer. Bevorzugt weist die Wärmesenke Kupfer oder Aluminium auf. Weiter bevorzugt ist die Wärmesenke aus Kupfer, besonders bevorzugt Elektrolytkupfer, gebildet. Die Wärmesenke kann so die aufgenommene Wärme schnell aufnehmen und verteilen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Leiterplatte eine äußere Wärmesenke auf, welche an eine Substratschicht der Leiterplatte im Bereich der Wärmesenke angekoppelt und ausgebildet ist, durch die Substratschicht Wärme von der im Inneren der Leiterplatte angeordneten Wärmesenke zu empfangen. Die Leiterplatte weist in dieser Ausführungsform zwei Wärmesenken auf, nämlich die zuvor beschriebene, im Inneren der Leiterplatte angeordnete Wärmesenke, welche mittels der drahtgeschriebenen Verbindung mit der elektrisch leitfähigen Schicht verbunden ist, und eine weitere Wärmesenke, nämlich die zuvor erwähnte äußere Wärmesenke, welche im Bereich, insbesondere einem Flächenbereich der Leiterplatte, in dem die innere Wärmesenke angeordnet ist, an die äußere Substratschicht der Leiterplatte ankoppelt.
Die äußere Wärmesenke ist beispielsweise mittels eines wärmeleitfähigen Klebstoffs mit der Substratschicht verbunden. Die äußere Wärmesenke ist bevorzugt durch einen Kühlkörper, insbesondere einen Konvektionsrippen aufweisenden Kühlkörper, gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Leiterplatte ist die äußere Wärmesenke mit der Wärmesenke im Inneren der Leiterplatte mittels wenigstens eines wärmeleitfähigen Elements, insbesondere eines Via verbunden. Das Via ist bevorzugt durch ein Metallelement gebildet, welches in der Substratschicht zwischen der äußeren Wärmesenke und der inneren Wärmesenke angeordnet ist und welches die innere Wärmesenke mit der äußeren Wärmesenke wärmeleitend verbindet. Das Via ist beispielsweise galvanisch oder mittels thermischen Spritzens erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Leiterplatte ist die äußere Wärmesenke ausgebildet, mittels Konvektion Wärme an eine Umgebungsluft abzugeben. Dazu weist die äußere Wärmesenke beispielsweise Konvektionsrippen auf. Die äußere Wärmesenke ist in einer anderen Ausführungsform zum Fluidführen ausgebildet und weist dazu wenigstens einen zum Fluidführen ausgebildeten Hohlraum auf. Mittels der äußeren Wärmesenke kann so mittels einer Kühlflüssigkeit, nämlich des zuvor erwähnten Fluides, Wärme von der äußeren Wärmesenke abgeführt werden. Die äußere Wärmesenke ist beispielsweise durch einen Kupferoder Aluminiumblock gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die äußere Wärmesenke durch eine thermoelektrische Wärmepumpe gebildet. Die thermoelektrische Wärmepumpe ist beispielsweise durch ein Peltier-Element gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmesenke ausgebildet und angeordnet, an einer Stirnseite Wärme von der Verbindungsleitung zu empfangen. Dazu ist die Stirnseite beispielsweise mittels einer Absorptionsschicht beschichtet. Die Absorptionsschicht ist beispielsweise eine wenigstens im Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung mit einem hinreichend guten Absorptionskoeffizienten absorbierende Schicht. Die Schicht ist beispielsweise durch Kupferoxid, durch Schwarzchrom, oder Titanoxid gebildet.
Bevorzugt erstrecken sich die Stirnseite und eine Längserstreckung der Verbindungsleitung zueinander parallel.
Im Falle der Längserstreckung der Verbindungsleitung als Kurvenzug entspricht die Längserstreckung der Stirnseite der Wärmesenke, sodass durch den stirnseitigen Kurvenzug und den Kurvenzug der Längserstreckung der Verbindungsleitung zwei zueinander beabstandete Kurvenzüge gebildet sind.
Bevorzugt ist die Wärmesenke ausgebildet, keine eigene Wärme, insbesondere durch einen Stromdurchfluss, zu erzeugen. Dadurch kann die Wärmesenke die aufgenommene Wärme gut weiterleiten.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den Figuren und den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Leiterplatte mit einer drahtgeschriebenen Wärmesenke in einer Schnittdarstellung;
2 zeigt die in 1 dargestellte Wärmesenke in einer Aufsicht;
3 zeigt eine Variante für eine Leiterplatte mit zwei Wärmesenken, von denen eine im Inneren der Leiterplatte angeordnete Wärmesenke über wärmeleitfähige Vias mit einer äußeren Wärmesenke verbunden sind.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Leiterplatte 1. Die Leiterplatte 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel mehrschichtig ausgebildet, sodass Substratschichten, auch sogenannte Prepreg-Schichten, welche jeweils faserverstärktes Epoxidharz aufweisen, zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten, insbesondere Kupferschichten, eingeschlossen sind. Die Leiterplatte 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel die elektrisch leitfähigen Schichten 3 und 5 auf, welche eine Substratschicht 4 zwischeneinander einschließen. Die Leiterplatte 1 weist auch eine Substratschicht 6 auf, welche zwischen elektrisch leitfähigen Schichten 5 und 7 eingeschlossen ist. An die elektrisch leitfähige Schicht 7 schließt eine Substratschicht 8 an, und weiter entlang einer Leiterplattendicke der Leiterplatte 1 eine elektrisch leitfähige Schicht 9.
Mit der elektrisch leitfähigen Schicht 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei elektrische Verbindungsleitungen 10 und 11, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Kupferleitungen gebildet sind, mit der elektrisch leitfähigen Schicht 5 mittels Drahtschreibtechnik verbunden.
Die Verbindungen 10 und 11 erzeugen stromdurchflossen eine Wärme 15, welche von den Verbindungsleitungen 10 und 11 über die elektrisch leitfähige Schicht 5 zu einer Wärmesenke 12 hinfließen kann. Die Wärmesenke 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels Drahtschreibtechnik mit der elektrisch leitfähigen Schicht 5 von den Verbindungsleitungen 10 und 11 beabstandet, verbunden. Die Wärmesenke 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Draht oder ein Blech mit rechteckigem Querschnitt gebildet. Die von der Verbindungsleitung 10 empfangene Wärme 15 kann von der Wärmesenke 12 weiter in der Leiterplatte 1 als weitergeleitete Wärme 15’, insbesondere in der flachen Erstreckung der Leiterplatte 1, verteilt werden.
Die Wärmesenke 12 bildet so ein Wärmereservoir, welches – beispielsweise bei einer kurzzeitigen Belastung der Verbindungsleitung 10 mit einer hohen Stromdichte – von der Wärmesenke 12 aufgenommen, und weiter in der Leiterplatte 1 verteilt werden kann. Die Wärme 15’ kann dann weiter von der Leiterplatte 1, an einer Leiterplattenoberfläche als Konvektionswärme 15’’ abgeführt werden. Die Wärmesenke 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch ausgebildet, an einer Stirnseite 17 von der elektrischen Verbindungsleitung 10 ausgesendete Wärme 16 durch die Substratschicht 6 hindurch zu empfangen. Die Wärme 16, welche von der Verbindungsleitung 10 beispielsweise als Wärmestrahlen ausgesendet werden kann, kann an der Stirnseite 17 absorbiert werden, und so von der Wärmesenke 12 aufgenommen werden.
2 zeigt die in 1 bereits in einer Schnittdarstellung dargestellte Leiterplatte 1 in einer Aufsicht. Dargestellt ist auch eine Schnittlinie 18 der in 1 dargestellten Schnittdarstellung. Die Stirnseite 17 der Wärmesenke 12 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Längserstreckung der Verbindungsleitung 10 und der Verbindungsleitung 11.
Die Wärmesenke 12 weist auch eine Stirnseite 14 auf, welche sich mit einer Querkomponente zur Stirnseite 17 erstreckt. Die Stirnseite 14 ist parallel zu einer Verbindungsleitung 13 angeordnet. Die von den Verbindungsleitungen 13 und 10 erzeugte Wärme kann so optimal von der Wärmesenke 12 aufgenommen werden, da die Stirnseiten 14 und 17 jeweils konturparallel zur Verbindungsleitung 13 beziehungsweise 10 verlaufen und so die in den Verbindungsleitungen 10 und 13 erzeugte Wärme auf kürzestem Weg zur Wärmesenke 12 gelangen kann. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Leiterplatte 2, welche elektrisch leitfähige Schichten 3, 5, 7 und 9 aufweist. Die Leiterplatte 2 weist zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten 3 und 4 eine Substratschicht 4, zwischen den Schichten 5 und 7 eine Substratschicht 6 und zwischen den Schichten 7 und 9 eine Substratschicht 8 auf.
Anders als bei der Leiterplatte 1 in 1 weist die Leiterplatte 2 eine in der Substratschicht 4 eingebettete Wärmesenke 12 und zwei elektrisch leitfähige Verbindungsleitungen 10 und 11 auf. Die Verbindungsleitungen 10 und 11 und die Wärmesenke 12 sind jeweils mittels Drahtschreibtechnik mit der elektrisch leitfähigen Schicht 5 verbunden. Zusätzlich zu der Wärmesenke 12 weist die Leiterplatte 2 eine äußere Wärmesenke 21 auf, welche mittels zwei Vias 19 und 20 an die im Inneren der Leiterplatte 2 angeordnete Wärmesenke 12 wärmeleitend angekoppelt ist. Die Vias 19 und 20 sind beispielsweise gebohrt, insbesondere lasergebohrt und weisen eine galvanisch erzeugte, elektrisch leitfähige Hülse als Innenwand auf. Die Hülse ist bevorzugt eine Kupferhülse.
Die äußere Wärmesenke 21 weist Kühlrippen auf, von denen die Kühlrippe 22 beispielhaft bezeichnet ist. Die Wärmesenke 21 ist ausgebildet, von der Wärmesenke 12 über die Vias 19 und 20 empfangene Wärme 15' mittels Konvektion als Konvektionswärme 15'' an eine Umgebungsluft abzugeben. Die Wärmesenke 12 kann von der Verbindungsleitung 10 erzeugte Verlustwärme 15 über die elektrisch leitfähige Schicht 5 empfangen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202006019812 U1 [0001, 0003]

Claims

Leiterplatte (1, 2) umfassend wenigstens eine Substratschicht (4, 6, 8) und wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht (3, 5, 7, 9), wobei die Leiterplatte wenigstens eine mit der elektrisch leitfähigen Schicht (5) verbundene elektrisch leitfähige Verbindungsleitung (10, 11, 13) aufweist, wobei die Verbindungsleitung mittels wenigstens einer Drahtschreibtechnik erzeugten Verbindung (23, 24, 25, 26, 27, 28), insbesondere Schweißverbindung, mit der elektrisch leitfähigen Schicht (3, 5, 7, 9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1, 2) eine mittels der Drahtschreibtechnik mit der elektrisch leitfähigen Schicht (5) verbundene, sich flach erstreckende Wärmesenke (12) aufweist, wobei die Wärmesenke (12) angeordnet und ausgebildet ist, Wärme (15) von der Verbindungsleitung (10, 11) wenigstens über die elektrisch leitfähige Schicht (5) und die Verbindung (23, 24, 25, 26, 27, 28) aufzunehmen, wobei die Wärmesenke in der Leiterplatte angeordnet ist und ausgebildet ist, die aufgenommene Wärme (15) über die flache Erstreckung in der Leiterplatte zu verteilen und durch eine Substratschicht (4, 6, 8) hindurch abzugeben.
Leiterplatte (1, 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (12) eine größere Wärmekapazität als die Verbindungsleitung (10, 11) aufweist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (12) in einer Substratschicht (4, 6, 8) zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten (3, 5, 7, 9) eingebettet ist.
Leiterplatte (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (12, 21) Kupfer oder Aluminium aufweist.
Leiterplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) eine äußere Wärmesenke (21) aufweist, welche an eine Substratschicht (4) der Leiterplatte (2) im Bereich der Wärmesenke (12) angekoppelt ist und ausgebildet ist, durch die Substratschicht (4) hindurch Wärme (15') von der Wärmesenke (12) im Inneren der Leiterplatte (2) zu empfangen.
Leiterplatte (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wärmesenke (21) mit der Wärmesenke (12) im Inneren der Leiterplatte (2) mittels wenigstens eines wärmeleitfähigen Elements (19, 20), insbesondere eines Via verbunden ist.
Leiterplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wärmesenke (21) ausgebildet ist, mittels Konvektion Wärme (15'') an eine Umgebungsluft abzugeben.
Leiterplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wärmesenke durch eine thermoelektrische Wärmepumpe gebildet ist.
Leiterplatte (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (12) ausgebildet und angeordnet ist, an einer Stirnseite (14, 17) Wärme (16) von der Verbindungsleitung (10) zu empfangen.
Leiterplatte (1, 2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (14, 17) und die Verbindungsleitung (10, 13) zueinander parallel verlaufen.
Leiterplatte (1, 2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (12, 21) ausgebildet, keine eigene Wärme zu erzeugen.