DE102015204709A1

DE102015204709A1 - Leiterplatte mit einem Halbleiterschaltelement

Info

Publication number: DE102015204709A1
Application number: DE102015204709.1A
Authority: DE
Inventors: Manuel Blum; Monika Poebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-09-22
Also published as: WO2016146291A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte (100) mit einem Halbleiterschaltelement (101), mit einer Öffnung (103) unter dem Halbleiterschaltelement (101), deren Größe einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelements (101) entspricht, und einem Bolzen (105) zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes (100), der in die Öffnung (103) eingesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Halbleiterschaltelement und Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte mit einem Halbleiterschaltelement.
Die Entwärmung von Leistungshalbleitern in leiterplattenbasierten Wechselrichtern erfolgt über die Leiterplatte. Aufgrund der schlechten Wärmeleitung der Verbundwerkstoffe der Leiterplatte (FR4) und der geringen Kupferschichtdicke ist die Wärmeanbindung der Leistungshalbleiter an das Kühlmedium schwierig.
Bisher wird in die Leiterplatte eine Vielzahl von Durchkontaktierungen eingebracht, die mit Kupfer gefüllt worden sind, um den Wärmeübergang von der Bestückungsseite zur Unterseite der Leiterplatte zu verbessern. Hierdurch wird jedoch keine effiziente Entwärmung erreicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Entwärmung von Leistungshalbleitern auf einer Leitplatte zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Leiterplatte mit einem Halbleiterschaltelement gelöst, mit einer Öffnung unter dem Halbleiterschaltelement, deren Größe einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelement entspricht, und einem Bolzen zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes, der in die Öffnung eingesetzt ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine großflächige Wärmeableitung aus dem Halbleiterschaltelement über den Bolzen realisiert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte umfasst die Leiterplatte eine Wärmespreizungsplatte zur Spreizung der Wärme des Bolzens. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine punktuelle Erwärmung verhindert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte ist die Wärmespreizungsplatte an der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte zum Halbleiterschaltelement angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Wärme auf einfache Weise abgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte sind der Bolzen und die Wärmespreizungsplatte in einem Stück gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich der Wärmeübergang zwischen Bolzen und Wärmespreizungsplatte verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte ist eine Außenfläche der Wärmespreizungsplatte mit einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie bedeckt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine elektrische Kontaktierung der Wärmespreizungsplatte verhindert wird. Wenn die Wärmespreizplatte sowie der Bolzen und der Halbleiter auf einer Betriebsspannung liegt, wird ein elektrischer Kontakt zum Kühlkörper verhindert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte ist die Außenfläche der Wärmespreizungsplatte thermisch an einen Kühlkörper angebunden. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die Wärmeableitung nochmals verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte weist der Bolzen einen runden Querschnitt auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Bolzen auf einfache Weise hergestellt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte weist der Bolzen einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine große Kontaktfläche zu dem Halbleiterschaltelement erreicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte steht der Bolzen in elektrischen Kontakt zum Halbleiterschaltelement. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein guter Wärmeübergang erzielt wird und eine Verwendung von Dickschichtkupfer im Lagenaufbau der Leiterplatte vermieden werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte umfasst die Leiterplatte eine einzige Öffnung unter dem Halbleiterschaltelement. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Leiterplatte mit geringem Aufwand herstellbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte weist die Leiterplatte einen isolierten Metallkern auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die Wärmeableitung nochmals verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte ist der Bolzen aus Kupfer gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit erreicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Leiterplatte ist zwischen dem Bolzen und dem Halbleiterschaltelement eine Wärmeleitpaste aufgetragen. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine gute Wärmeübertragung zwischen Bolzen und Halbleiterschaltelement erreicht wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte mit einem Halbleiterschaltelement gelöst, mit den Schritten eines Erzeugens einer Öffnung unter dem Halbleiterschaltelement, deren Größe einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelement entspricht, und eines Einsetzens eines Bolzens zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes in die Öffnung. Dadurch werden die gleichen technischen Vorteile wie durch die Leiterplatte nach dem ersten Aspekt erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird an der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte zum Halbleiterschaltelement eine Platte zur Spreizung der Wärme angeordnet, die von dem Bolzen übertragen wird. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Wärme effizient von der Leiterplatte abgeführt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf eine Leiterplatte;
2 eine Schrägansicht des Aufbaus ohne umgebende Leiterplatte; und
3 ein Blockdiagramm des Verfahrens.
1 zeigt eine Aufsicht auf eine Leiterplatte 100 mit einem Halbleiterschaltelement 101. Die Leiterplatte ist ein Träger für elektronische Bauteile und dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Das Halbleiterschaltelement 101 umfasst Pins 115, die mit den Leiterbahnen 117 der Leiterplatte 100 verlötet sind und die zum elektrischen Anschluss des Halbleiterschaltelementes 101 dienen.
Die Leiterplatte 100 umfasst eine Öffnung 103 unter dem Halbleiterschaltelement 101, deren Größe im Wesentlichen einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelements 101 entspricht. In die Öffnung 103 ist ein entsprechender Bolzen 105 zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes 101 eingesetzt. Der Bolzen 105 ragt aus der Unterseite der Leiterplatte 100 heraus. Der Bolzen 105 weist eine zylindrische Form auf und ist aus einem thermisch gut leitenden Material gebildet, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Durch den Bolzen 105 gelingt es die Wärme von der Unterseite des Halbleiterschaltelementes 101 an die gegenüber liegende Seite der Leiterplatte 100 abzuleiten. Durch den großen Querschnitt des Bolzens 105 findet eine effiziente Ableitung der Wärme statt.
Im Allgemeinen können der Bolzen 105 und die Öffnung 103 auch andere Querschnitte aufweisen, wie beispielsweise rechteckig oder quadratisch. Dadurch gelingt es die Wärmeleitung gegenüber einem kreisförmigen Querschnitt nochmals zu verbessern.
2 zeigt eine Schrägansicht des Aufbaus ohne umgebende Leiterplatte 100. Der Bolzen 105 berührt die Unterseite des Halbleiterschaltelementes 101. Der Bolzen 105 wird nicht nur als bessere Wärmeleitung zwischen der Ober- und der Unterseite der Leiterplatte 100 genutzt, sondern wird in Verbindung mit einer Wärmespreizungsplatte 107 aus Kupfer zur räumlichen Spreizung und Verteilung der Wärme verwendet, die durch den Bolzen 105 übertragen wird.
Der Bozen 105 führt die Wärme des Halbleiterschaltelementes 101 durch die Leiterplatte 100 hindurch an die Wärmespreizungsplatte 107 ab. Die Wärmespreizungsplatte 107 ist an der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 100 angeordnet und leitet die von dem Bolzen 105 übertragene Wärme in seitlicher Richtung.
Die Außenfläche der Wärmespreizungsplatte 107 ist mit einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie 111 bedeckt und thermisch an einen Kühlkörper 113 angebunden, der beispielsweise aus Kupfer hergestellt ist.
3 zeigt ein Blockdiagramm des Verfahrens zum Herstellen der Leiterplatte 100 mit dem Halbleiterschaltelement 101. In einem Schritt S101 wird eine Öffnung 103 unter dem Halbleiterschaltelement 101 erzeugt, deren Größe einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelementes 101 entspricht. Anschließend wird in einem Schritt S102 der Bolzen 105 zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes 100 in die Öffnung 103 eingesetzt. Das Halbleiterschaltelement 101 kann vor oder nach einem Einsetzen des Bolzens 105 auf der Leiterplatte 100 befestigt werden.
Anstelle von vielen gefüllten Durchkontaktierungen wird eine einzige große Durchkontaktierung in Form einer Öffnung 103 direkt unter dem Halbleiterschaltelement 100 verwendet. Der Innendurchmesser der Öffnung 103 wird so gewählt, dass einerseits eine möglichst große Überdeckung mit der thermischen Kontaktfläche des Halbleiterschaltelements 100 erfolgt und andererseits ein Bolzen 105 zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes 101 an einen Kühlkörper 113 aufgenommen werden kann. Das Halbleiterschaltelement 100 ist beispielsweise ein Leistungshalbleiter, ein Transistor oder eine integrierte Schaltung in einem Chipgehäuse. Die Größe des Bolzens 105 entspricht der Größe der Öffnung 103.
In der Leiterplatte 100 werden keine aufwendigen thermischen Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung verwendet, sondern in der Leiterplatte 100 ist jeweils nur eine einzige Öffnung 101 unter dem Halbleiterschaltelement 101 vorgesehen, in die dann der Bolzen 105 zur Wärmeleitung und Wärmespreizung eingeführt wird.
Diese Entwärmungsmaßnahme ist mit geringerem Aufwand als die üblichen Verfahren zu realisieren, zudem ist eine bessere thermische Leistungsfähigkeit aufgrund der verbesserten Wärmespreizung realisierbar. Denkbar ist auch, den Bolzen 105 als elektrische Kontaktierung für das Halbleiterschaltelement 101 zu nutzen, um die Verwendung von Dickschichtkupfer im Lagenaufbau der Leiterplatte 100 zu vermeiden.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.

Claims

Leiterplatte (100) mit einem Halbleiterschaltelement (101), mit: einer Öffnung (103) unter dem Halbleiterschaltelement (101), deren Größe einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelements (101) entspricht, und einem Bolzen (105) zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes (100), der in die Öffnung (103) eingesetzt ist.
Leiterplatte (100) nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte (100) eine Wärmespreizungsplatte (107) zur Spreizung der Wärme des Bolzens (105) umfasst.
Leiterplatte (100) nach Anspruch 2, wobei die Wärmespreizungsplatte (107) an der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (100) zum Halbleiterschaltelement (101) angeordnet ist.
Leiterplatte (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Bolzen (105) und die Wärmespreizungsplatte (107) in einem Stück gebildet sind.
Leiterplatte (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Außenfläche der Wärmespreizungsplatte (107) mit einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie (111) bedeckt ist.
Leiterplatte (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Außenfläche der Wärmespreizungsplatte (107) thermisch an einen Kühlkörper (113) angebunden ist.
Leiterplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Bolzen (105) einen runden Querschnitt aufweist.
Leiterplatte (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bolzen (105) einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
Leiterplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Bolzen (105) in elektrischen Kontakt zum Halbleiterschaltelement (101) steht.
Leiterplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (100) eine einzige Öffnung (103) unter dem Halbleiterschaltelement (101) umfasst.
Leiterplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (100) einen isolierten Metallkern aufweist.
Leiterplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Bolzen (105) aus Kupfer gebildet ist.
Leiterplatte (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Bolzen (105) und dem Halbleiterschaltelement (101) eine Wärmeleitpaste aufgetragen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte (100) mit einem Halbleiterschaltelement (101), mit den Schritten: Erzeugen (S101) einer Öffnung (103) unter dem Halbleiterschaltelement (101), deren Größe einer thermischen Kontaktfläche an der Unterseite des Halbleiterschaltelement (101) entspricht, und Einsetzen (S102) eines Bolzens (105) zur thermischen Kontaktierung des Halbleiterschaltelementes (100) in die Öffnung (103).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei an der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (100) zum Halbleiterschaltelement (101) eine Platte (107) zur Spreizung der Wärme angeordnet wird, die von dem Bolzen (105) übertragen wird.