DE102020132808A1 - Leiterplattenmodul, Leiterplattenelement, Kühlkörper, Wärmeleitelement und Verfahren zum Herstellen einer thermisch leitfähigen Schicht - Google Patents

Leiterplattenmodul, Leiterplattenelement, Kühlkörper, Wärmeleitelement und Verfahren zum Herstellen einer thermisch leitfähigen Schicht Download PDF

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Abstract

Leiterplattenmodul (30) mit einer Leiterplatte (50) und einem Kühlkörper (40) sowie einem zwischen der Leiterplatte (50) und dem Kühlkörper (40) vorgesehenen flächigen Wärmeleitelement (10), das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst. In der Leiterplatte (50) oder dem Kühlkörper (40) kann eine durchgehende Bohrung (59) zur Aufnahme einer Schraube (80) vorgesehen sein, und ein Schraubenende (86) greift in eine in dem Kühlkörper (40) bzw. der Leiterplatte (50) ausgebildete Aufnahmebohrung (49) ein, die vorzugsweise ein Gegengewinde aufweist, wobei ein Schraubenkopf (84) der Schraube (80) insbesondere mit einem federnden Element (90) unterlegt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leiterplattenmodul mit einer Leiterplatte und einem Kühlkörper, ein Leiterplattenelement, einen Kühlkörper, ein Wärmeleitelement sowie ein Verfahren zum Herstellen einer thermisch leitfähigen Schicht zwischen einer Leiterplatte bzw. einem Leiterplattenelement und einem Kühlkörper.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Leiterplattenelemente werden zunehmend zum Einsatz in Hochstromanwendungen hergestellt. Da diese regelmäßig mit einer sehr starken Wärmeentwicklung verbunden sind, stellt eine gezielte, effiziente Wärmeabfuhr eine große Herausforderung dar. Typischerweise werden die Leiterplatten bzw. Leiterplattenelemente zur Wärmeabfuhr mit einem Kühlkörper verbunden. Die Verbindungsfläche ist bspw. aus Kupfer gebildet. Die Wärme der Bauteile in dem Leiterplattenelement wird bspw. über eine Kupferfolie schnell in einen Dickmetallträger abgeführt, der mit der Kühlkörpermasse verbunden ist. Dazwischen muss in der Regel eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein.
  • Des weiteren sind aus dem Stand der Technik Phasenwechselmaterialien (auch Latentwärmematerialien genannt; engl.: phase change materials, PCM), die als Schnittstellenmaterial einen niedrigen Wärmewiderstand mit hoher Oberflächenbenetzbarkeit verbinden. Phasenwechselmaterialien sind wachsartige thermische Verbindungen, die bei einer speziell formulierten Temperatur die Phase ändern. Bspw. liegt das Phasenwechselmaterial bei Raumtemperatur in fester Phase vor und wechselt ab einer Temperatur von ca. 50-60 °C in die flüssige Phase. Typischerweise sind Phasenwechselmaterialien silikonfreie paraffinbasierte Wachsmaterialien (weshalb sie auch Wärmeleitwachse genannt werden), sie können aber auch acrylbasiert sein.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ausgehend hiervon werden erfindungsgemäß ein Leiterplattenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 5, ein Kühlkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Wärmeleitelement mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
  • Der erfindungsgemäße Gedanke liegt darin begründet, zur effizienten Entwärmung einen mit einem Phasenwechselmaterial beschichteten Keramikträger als Zwischenschicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit und elektrisch isolierendem Verhalten vorzusehen. Der Keramikträger kann einseitig oder beidseitig beschichtet sein. Keramik als Trägermaterial hat den großen Vorteil, dass es im Vergleich zu beschichteten Metallfolien elektrisch isolierend ist. Damit wird es möglich, die Leiterplatte nicht isolierend zu gestalten und die Eigenschaft der elektrischen Isolation zum Kühlkörper in die Schicht zwischen Leiterplatte und Kühlkörper zu verlegen. Als Material bietet sich bspw. Siliziumnitrid (Si3N4) an, das mit hoher Bruchfestigkeit in dünnen Lagen zur Beschichtung mit Phasenwechselmaterial bereitgestellt werden kann und zudem einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Andere Keramiken wie bspw. Aluminiumnitrid (AlN), die ebenfalls hohe thermische Leitfähigkeit haben, können gleichermaßen verwendet werden. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, die Keramik mit einer ein- oder beidseitigen Metallisierung zu versehen, die gute thermische Eigenschaften hat, z.B. Kupfer (Cu), um die Bruchneigung bei mechanischen Prozessen zu minimieren.
  • Das Phasenwechselmaterial kann zur weiteren Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit mit Füllstoffen wie Keramik (Al2O3, ZrO2, Si3N4, AlN, ...) , Bornitrid, Graphit, Metall oder anderen thermisch leitfähigen Füllstoffen angereichert sein, die elektrisch leitend oder nicht-leitend sein können
  • Des weiteren kann eine Fixierung der relativen Lage zwischen Leiterplatte und Kühlkörper erfolgen, mittels eines geeigneten Fixierelements wie bspw. einer oder mehrerer Schrauben, die insbesondere federnd unterlegt bzw. gelagert sein kann/können.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Leiterplatte zur Verwendung mit der Erfindung.
    • 2 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine alternative Leiterplatte zur Verwendung mit der Erfindung.
    • 3 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Leiterplatte, ein Wärmeleitelement und einen Kühlkörper vor dem Zusammensetzen zu einem erfindungsgemäßen Leiterplattenmodul, wobei an der Leiterplatte Stifte bzw. Vorsprünge zum Aufstecken des Wärmeleitelements vorgesehen sind.
    • 4 zeigt die Darstellung der 3 mit einer alternativen Leiterplatte.
    • 5 zeigt die Leiterplatte und das Wärmeleitelement der 3 in zusammengesetztem Zustand.
    • 6 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine alternative Ausgestaltung einer Leiterplatte mit daran angebrachtem Wärmeleitelement, wobei das Wärmeleitelement in eine Vertiefung der Leiterplatte eingepasst ist.
    • 7 zeigt die Leiterplatte und das Wärmeleitelement der 5 mit daran angebrachtem Kühlkörper.
    • 8 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung ein erfindungsgemäßes Leiterplattenmodul, bei dem das Wärmeleitelement in eine in dem Kühlkörper ausgebildete Vertiefung eingepasst ist.
    • 9 zeigt ähnlich der 8 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Wärmeleitelement auf an dem Kühlkörper ausgebildete Stifte bzw. Vorsprünge aufgesetzt ist.
    • 10 zeigt ausschnittsweise eine Draufsicht auf eine Phasenwechselmaterial-Beschichtung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitelements mit darin ausgebildeten Luftkanälen.
    • 11 zeigt ähnlich der 9 eine Ausgestaltung der Erfindung mit mechanischer Fixierung von Leiterplatte und Kühlkörper mittels Verschraubung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Gleiche und ähnliche in den einzelnen Figuren dargestellte Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • 1 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Leiterplatte 50 mit einem an sich bekannten Leiterplattenschichtaufbau L1, und 2 zeigt eine alternative Leiterplatte 50 mit einem Leiterplattenschichtaufbau L2. Die Leiterplatten der 1 und 2 zeigen exemplarisch mögliche Schichtaufbauten, wie sie im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Die Erfindung ist darüber hinaus jedoch für alle möglichen Arten und Gestaltungen von Leiterplatten anwendbar.
  • Der Begriff der Leiterplatte ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung breit zu verstehen und umfasst auch Leiterplattenelemente, die bspw. mit oder ohne elektronische Bauelemente, mit oder ohne eingebettete Elemente wie Lead Frames, mit Dickschicht- und/oder Dünnschichtleiterbahnen ausgebildet sein können. Insbesondere eignet sich die Erfindung aufgrund der effizienten Wärmeabfuhr zur Verwendung von Leiterplatten mit Hochstromanwendungen. Mögliche Leiterplattenaufbauten sind bspw. in der EP 2 524 394 B1 oder der EP 2 973 687 B1 beschrieben.
  • Der Leiterplattenschichtaufbau L1 der Leiterplatte 50 der 1 umfasst beispielhaft wie dargestellt eine nichtleitende Kernschicht 52 mit beidseitig aufgebrachten Kupferschichten 54. In einer Ausnehmung 56 ist ein Lead Frame 60 mit einem in einer darin ausgebildeten Vertiefung 62 angeordneten elektronischen Bauelement (Chip) 64 eingebettet. Spalte und Zwischenräume sind in an sich bekannter Art und Weise durch während des Laminierprozesses verflüssigtes und anschließend wieder erstarrtes Prepreg-Material 58 ausgefüllt. Auf einer Oberseite des Schichtaufbaus L1 ist eine Leiterbahnenschicht 66 vorgesehen, deren Leiterbahnen mittels Vias (p-vias) 68 in an sich bekannter Art und Weise ankontaktiert sind.
  • Der in der 2 dargestellte Leiterplattenschichtaufbau L2 unterscheidet sich von dem in der 1 dargestellten Aufbau darin, dass das Lead Frame 60 beidseitig (symmetrisch) einlaminiert ist, d.h. an der Unterseite des Schichtaufbaus ebenfalls eine Metalllage 66' vorgesehen ist. Wie dargestellt kann es sich um eine Leiterbahnenschicht 66' handeln, an die eine Unterseite des Lead Frames 60 mittels Vias 68' ankontaktiert ist. Alternativ kann es sich auch um eine vollflächige Metalllage, insb. Cu-Lage, handeln.
  • Bei beiden Leiterplattenschichtaufbauten L1, L2 ist die Unterseite als zur Anbindung an einen Kühlkörper vorgesehene Fläche 70 bzw. 70' ausgebildet.
  • Ein derartiger Kühlkörper 40 ist beispielhaft stark schematisch in der 3 dargestellt. Der Kühlkörper 40 der 3 besteht vorzugsweise aus hoch wärmeleitfähigem Material, wie bspw. aus Metall, wie Kupfer oder Aluminium o.dgl., und kann bspw. wie dargestellt einen Grundkörper 42 aufweisen, an dem bspw. Kühlrippen 43 ausgebildet sein können. An einer Oberseite weist der Kühlkörper 40 eine zur Anbindung an eine Leiterplatte bzw. ein Leiterplattenelement vorgesehenen Fläche 44 auf. Andere Formen von Kühlkörpern sind ebenfalls möglich, bspw. solche ohne Kühlrippen.
  • Die zur Anbindung an eine Leiterplatte vorgesehene Fläche 44 des Kühlkörpers 40 und die zur Anbindung an einen Kühlkörper vorgesehene Fläche 70 bzw. 70' der Leiterplatte 50 sind im wesentlichen plan und mit geringer Rauigkeit ausgestaltet, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erzielen.
  • Die Erfindung sieht nun vor, zwischen der Fläche 44 des Kühlkörpers 40 und der Fläche 70, 70' der Leiterplatte 50 ein Wärmeleitelement 10 vorzusehen, das einen Keramikträger 12 umfasst, der vorzugsweise beidseitig (d.h. zu jeder der Flächen 40, 70, 70' hin) mit einem Phasenwechselmaterial 14, 16 beschichtet ist (vgl. 3).
  • Phasenwechselmaterialien verbinden als Schnittstellenmaterial einen niedrigen Wärmewiderstand mit hoher Oberflächenbenetzbarkeit verbinden. Aufgrund der wachsartigen Konsistenz des Phasenwechselmaterials 14, 16 passt sich die Oberfläche des erfindungsgemäßen Wärmeleitelements 10 passgenau an die Verbindungsflächen 44, 70, 70' an. Das Phasenwechselmaterial verflüssigt sich beim Überschreiten der Phasenwechseltemperatur und gewährleistet eine gute Benetzung der Kontaktflächen (hier die Verbindungsflächen 44, 70, 70' von Kühlkörper bzw. Leiterplatte). Durch das erfindungsgemäße Aufbringen des Phasenmaterials auf einen Keramikträger wird zum einen eine hohe thermische Leitfähigkeit mit der elektrischen Isolierfähigkeit verbunden. Zum anderen gestattet die Verwendung von Keramikmaterial für den Träger des Wärmeleitelements aufgrund der hohen Druckfestigkeit im Vergleich zu anderen möglichen Materialien eine sehr dünne Ausgestaltung des Wärmeleitelements bei hoher thermischer Leitfähigkeit.
  • Typischerweise kann das erfindungsgemäße Wärmeleitelement 10 eine Dicke d1 für den Keramikträger 12 in einem Bereich zwischen rund 80 µm und rund 120 µm aufweisen, bspw. in der Größenordnung von ca. 100 µm. Für eine höhere mechanische Festigkeit können auch größere Dicken, wie z.B. 320 µm, vorgesehen sein. Manche Keramikwerkstoffe sind erst ab größeren Dicken verfügbar, wie bspw. AlN (630 µm). In diesem Fall erhöht sich die Dicke der Isolation, während die sonstigen Dicken im wesentlichen gleich bleiben.
  • Eine Dicke d2 der Beschichtung mit Phasenwechselmaterial kann bspw. in einem Bereich von rund 10 µm bis rund 100 µm liegen, so bspw. zwischen ca. 25 µm und ca. 50 µm. Dies führt zu einer typischen Gesamtdicke des Keramikträgers (d1 + 2*d2) in einer Größenordnung von ca. 100 µm bis ca. 320 µm, vorzugsweise zwischen 150 µm und 200 µm. Falls der Keramikträger zusätzlich mit Metall wie bspw. Cu beschichtet ist, erhöht sich die Dicke entsprechend der Dicke aufgebrachten Metalllage(n). In diesem Fall befindet sich das Phasenwechselmaterial auf der Oberfläche des Metalls bzw. Kupfers.
  • Als Material für den Keramikträger 12 kommt bspw. Siliziumnitrid in Frage, aber auch andere dem Fachmann geläufige Keramikmaterialien mit ausreichend hoher Bruchfestigkeit zur Ausbildung einer dünnen, plättchenartigen Keramikträgerschicht sind möglich.
  • Das Phasenwechselmaterial kann zusätzlich mit einem Füllstoff angereichert sein, der eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist und bspw. aus der Gruppe umfassend Keramik (Al2O3, ZrO2, Si3N4, AlN) , Bornitrid, Graphit und/oder Metall ausgewählt sein kann. Die Füllstoffgröße ist deutlich kleiner als die Schichtdicke d2 und kann typischerweise 1/10 oder kleiner der Schichtdicke betragen. Die Aufschmelztemperatur (Phasenwechseltemperatur) des Phasenwechselmaterials sollte typischerweise in einem Bereich von ca. 50 bis ca. 60 °C liegen, kann diesen aber auch unter- oder überschreiten.
  • Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Leiterplattenmoduls mit einer Leiterplatte 50 und einem Kühlkörper 40 und dem zwischen den beiden vorgesehenen flächigen Wärmeleitelement 10 werden die Leiterplatte und der Kühlkörper bereitgestellt und das Wärmeleitelement wird so zwischen die Leiterplatte und den Kühlkörper eingebracht, dass es jeweils an der zur Anbindung vorgesehenen Fläche der Leiterplatte bzw. des Kühlkörpers zum Anliegen kommt.
  • Um den Verbindungsvorgang zu erleichtern, kann das Wärmeleitelement erfindungsgemäß vorab an der zur Anbindung vorgesehenen Fläche 70, 70' der Leiterplatte 50 oder an der zur Anbindung vorgesehenen Fläche 44 des Kühlkörpers 40 angebracht werden. Dies kann bspw. mittels eines geeigneten Haftvermittlungsmaterials erfolgen. Um jedoch zu vermeiden, ein weiteres Material mit womöglich wiederum unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit und/oder nicht mit der flüssigen Phase des Phasenwechselmaterials harmonieren Eigenschaften einzubringen, kann eine mechanische Festlegung des Wärmeleitelements 10 an der Verbindungsfläche 70, 70' der Leiterplatte 50 oder an der Verbindungsfläche 44 des Kühlkörpers 40 erfolgen.
  • Die Darstellung der 3 zeigt als eine mögliche Variante für das mechanische Anbringen des Wärmeleitelements 10 einen, zwei oder mehr an der Verbindungsfläche 70 der Leiterplatte 50 ausgebildete stiftartige Vorsprünge 72. Die Vorsprünge 72 sind dazu vorgesehen, in entsprechend hierfür ausgebildete Löcher 18 in dem Wärmeleitelement 10 passgenau einzugreifen. So kann das Wärmeleitelement 10 an der Verbindungsfläche 70 der Leiterplatte 50 angebracht werden, indem es mit den Löchern 18 auf die Vorsprünge 72 aufgesteckt wird (vgl. Figurenabfolge 3 => 5).
  • Das Ausbilden derartiger Vorsprünge (oder auch Höcker) 72 kann in analoger Weise auch an der Verbindungsfläche 70' der in 2 dargestellten Variante der Leiterplatte 50 mit zusätzlicher Leiterbahnenschicht 66' erfolgen, wie dies in der Darstellung der 4 veranschaulicht ist.
  • Die Vorsprünge 72 können bspw. aus Metall (wie Kupfer) gebildet sein. Das Anbringen bzw. Ausgestalten der Vorsprünge 72 auf der Verbindungsfläche 70 kann bspw. durch Aufgalvanisieren oder eine andere dem Fachmann geläufige Methode erfolgen.
  • Alternativ zu den beschriebenen Vorsprüngen 72 kann das Wärmeleitelement 10 mit der Leiterplatte 50 durch Einsetzen/Einpassen in eine hierzu ausgebildete passgenaue Vertiefung 74 in der Verbindungsfläche 70, 70' der Leiterplatte 50 verbunden werden, wie dies in 6 schematisch veranschaulicht ist. Ein Ausgestalten einer derartigen Vertiefung 74 in der alternativen Leiterplatte 50 der 2 ist selbstverständlich ebenfalls möglich, auch wenn dies nicht explizit bildlich dargestellt ist.
  • Die 7 zeigt die in Zusammenhang mit der 5 beschriebene Anordnung aus Leiterplatte und Wärmeleitelement mit damit verbundenem Kühlkörper 40. Der Kühlkörper 40 ist mit seiner zur Anbindung vorgesehenen Fläche 44 an eine Phasenwechselbeschichtung des Wärmeleitelements 10 angesetzt.
  • Die 8 und 9 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leiterplattenmoduls. Bei diesen beiden Ausführungsbeispielen ist das Wärmeleitelement nicht wie zuvor beschrieben vorab an der Leiterplatte angebracht, sondern an dem Kühlkörper.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 8 weist der Kühlkörper 40 hierfür eine an seiner zur Anbindung vorgesehenen Fläche 44 ausgebildete Vertiefung 46 auf, die zur passgenauen Aufnahme des Wärmeleitelements 10 ausgebildet ist. Hier, wie auch im Falle der Vertiefung 74 der Leiterplatte 50, ist darauf zu achten, dass eine Tiefe der Vertiefung 46 bzw. 74 kleiner ist als eine Gesamtdicke des einzusetzenden Wärmeleitelements 10.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 9 sind an der zur Anbindung vorgesehenen Fläche 44 des Kühlkörpers 40 stiftartige Vorsprünge 48 analog zu den im Zusammenhang mit den 3 bis 5 und 7 voranstehend beschriebenen Vorsprüngen 72 der Leiterplatte 50 ausgebildet. Das Wärmeleitelement 10 ist entsprechend mit seinen Löchern 18 auf die Vorsprünge 48 aufgesteckt, bevor eine Verbindung mit der Leiterplatte 50 erfolgt.
  • Zur Fixierung einer relativen Lage der Leiterplatte 50 zu dem Kühlkörper 40 können die Leiterplatte und der Kühlkörper mit dazwischenliegendem Wärmeleitelement miteinander (insbesondere federnd) mechanisch fixiert werden.
  • Diese mechanische Fixierung kann bspw. mittels einer Verschraubung erfolgen, wie dies anhand der 11 veranschaulicht ist. Bspw. können die Leiterplatte 50 und der Kühlkörper 40 mittels mindestens einer sich senkrecht zu den Erstreckungsebenen der Leiterplatte 50 und des Kühlkörpers 40 erstreckenden Schraube 80 miteinander verschraubt werden.
  • Hierzu weist die Leiterplatte 50 eine durchgehende Bohrung 59 auf, durch die die Schraube 80 mit einem Schraubenkörper 82 geführt ist. An dem Schraubenkörper 82 ist einenends ein Schraubenkopf 84 ausgebildet. Der Schraubenkörper 82 erstreckt sich durch die durchgehende Bohrung 59 (und eine in dem Wärmeleitelement 10 entsprechend vorgesehene Bohrung 19) hindurch und greift mit einem dem Schraubenkopf 84 gegenüberliegenden Schraubenende 86 in eine vorzugsweise mit einem Gewinde versehene Aufnahmebohrung 49, die in dem Kühlkörper 40 ausgebildet ist. Zum Ausgleich von Volumen- und somit Dickenänderungen bei einem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials 14, 16 kann die Schraube 80 mit einem federnden Element 90 unterlegt sein, bspw. einer Spannscheibe oder (wie dargestellt) einer Tellerfeder, das sich bspw. wie dargestellt an einer Außenlage 69 der Leiterplatte 50 abstützen kann.
  • Andere Ausgestaltungen der Anbringung der Schraubverbindung sind selbstverständlich möglich. So kann bspw. der Kühlkörper 40 mit einer durchgehenden Bohrung versehen sein, an deren distalem Ende (Schraubenaustritt) eine Verschraubung mit einer Schraubenmutter erfolgt. Umgekehrt kann eine Einführung der Schraube 80 auch von der Seite des Kühlkörpers her erfolgen.
  • Die Darstellung der 11 zeigt exemplarisch und schematisch die Anordnung mit einer Schraube 80. Für den Fachmann ergibt sich ohne weiteres, dass je nach Größe und Geometrie des Leiterplattenmoduls eine Fixierung mittels zwei oder mehr Schrauben erfolgen kann.
  • Weitere Möglichkeiten einer mechanischen Fixierung umfassen bspw. eine oder mehrere das Leiterplattenmodul umgreifende Klammern oder den Einsatz von zwischen Leiterplatte und Kühlkörper wirksamen hintergreifenden Rastelementen.
  • Um eine möglichst gute und gleichmäßige Verbindung ohne Lufteinschlüsse (die zu thermischen Spalten führen können) zu erzielen, kann die Beschichtung des Keramikträgers mit dem Phasenwechselmaterial derart erfolgen, dass vor dem ersten Phasenwechsel in dem Phasenwechselmaterial mindestens ein Luftkanal ausgebildet ist. Der Luftkanal ist dabei derart ausgebildet, dass er ein Entweichen von in dem Zwischenraum zwischen Anbindungsfläche 44, 70, 70' (des Kühlkörpers bzw. der Leiterplatte) und dem Phasenwechselmaterial beim Phasenwechsel womöglich entstehender Lufteinschlüsse quer zur Erstreckungsebene ermöglicht (in der Zeichenebene der Darstellung der 10).
  • Wie aus dem Ausführungsbeispiel der 10, das eine Phasenwechselmaterial-Schicht in Draufsicht zeigt, exemplarisch hervorgeht, kann dieser Luftkanal bspw. durch einen in Wabenstruktur in die Schicht aus Phasenwechselmaterial eingebrachten Spalt 20 gebildet sein. Die Spaltbreite kann bspw. in der Größenordnung 0,5 mm bei einem Wabendurchmesser von bspw. ca. 3 mm betragen, wobei es im Bereich des fachmännischen Könnens liegt, eine geeignete Spaltbreite festzulegen. Andere Strukturen aus einem oder mehreren Spalten bzw. Luftkanälen liegen im Bereich des Könnens, wie bspw. Kreisstrukturen, Rauten, Schachbrettmuster o.dgl.m.
  • Ein erstes Erwärmen des Wärmeleitelements (10) mindestens bis zu einer Phasenwechsel-Temperatur des Phasenwechselmaterials 14, 16 kann bspw. durch eine erste Inbetriebnahme der Leiterplatte (50) bzw. des Leiterplattenmoduls 30 oder auch gezielt durch externe Erwärmung erfolgen, um eine Benetzung der zur Anbindung vorgesehenen Flächen 44, 70, 70' mit dem flüssigen Phasenwechselmaterial 14, 16 zu erzielen.
  • Das folgende ist eine Liste nummerierter Aspekte der vorliegenden Erfindung:
    1. 1. Wärmeleitelement (10) mit einem Keramikträger (12), der mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichtet ist.
    2. 2. Wärmeleitelement (10) nach Aspekt 1, dessen Keramikträger (12) als flächiges Keramikplättchen ausgebildet ist, bspw. mit einer Dicke (d1) zwischen 80 µm und 700 µm, vorzugsweise zwischen 80 µm und 320 µm, weiter vorzugsweise zwischen 80 µm und 120 µm, und/oder dessen Keramikträger (12) vorzugsweise beidseitig mit dem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichtet ist, bspw. in einer Dicke (d2) zwischen 10 µm und 100 µm, insbesondere in einer Dicke (d2) zwischen 25 µm und 50 µm, und/oder wobei zwischen dem Keramikträger (12) und dem Phasenwechselmaterial (14, 16) eine Metallbeschichtung vorgesehen ist, bspw in einer Dicke zwischen 30 und 500 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 300 µm.
    3. 3. Wärmeleitelement (10) nach Aspekt 1 oder 2, bei dem die Beschichtung mit Phasenwechselmaterial (14, 16) mindestens einen Luftkanal (20) aufweist, der während des Phasenübergangs ein Entweichen von Luft begünstigt, und/oder in dem mindestens ein Loch (18) vorgesehen ist, das zum Aufstecken des Wärmeleitelements (10) auf mindestens einen stiftartigen Vorsprung (48, 72) an einer zur Anbindung vorgesehenen Fläche (44, 70, 70') ausgebildet ist, und/oder in dem mindestens eine Bohrung (19) vorgesehen ist, die zum Durchstecken eines Fixierelements (80) ausgebildet ist.
    4. 4. Wärmeleitelement (10) nach einem der Aspekte 1 bis 3, dessen Keramikträger (12) Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid enthält und/oder dessen Phasenwechselmaterial (14, 16) mit einem Füllstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Keramik (Al2O3, ZrO2, Si3N4, AlN) , Bornitrid, Graphit und/oder Metall angereichert ist.
    5. 5. Leiterplattenmodul (30) mit einer Leiterplatte (50) und einem Kühlkörper (40) sowie einem zwischen der Leiterplatte (50) und dem Kühlkörper (40) vorgesehenen flächigen Wärmeleitelement (10), das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst, insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 4.
    6. 6. Leiterplattenmodul (30) nach Aspekt 5, bei dem das Wärmeleitelement (10) an der Leiterplatte (50) oder an dem Kühlkörper (40) angebracht ist, bspw. durch eine mechanische Festlegung, weiter bspw. durch Einpassen in eine dazu vorgesehene Vertiefung (74) in der Leiterplatte (50) bzw. dem Kühlkörper (40) oder durch Aufstecken auf hierfür auf der Leiterplatte (50) bzw. dem Kühlkörper (40) ausgebildete stiftartige Vorsprünge (72, 48).
    7. 7. Leiterplattenmodul (30) nach Aspekt 5 oder 6, bei dem die relative Lage von Leiterplatte (50) und Kühlkörper (40) mittels mindestens einem Fixierelement (80) fixiert ist, wobei die mechanische Fixierung insbesondere federnd ausgebildet ist.
    8. 8. Leiterplattenmodul (30) nach Aspekt 7, bei dem die Leiterplatte (50) und der Kühlkörper (40) miteinander verschraubt sind.
    9. 9. Leiterplattenmodul (30) nach einem der Aspekte 5 bis 8, bei dem in der Leiterplatte (50) oder dem Kühlkörper (40) eine durchgehende Bohrung (59) zur Aufnahme einer Schraube (80) vorgesehen ist und ein Schraubenende (86) in eine in dem Kühlkörper (40) bzw. der Leiterplatte (50) ausgebildete Aufnahmebohrung (49), die vorzugsweise ein Gegengewinde aufweist, eingreift, wobei ein Schraubenkopf (84) der Schraube (80) insbesondere mit einem federnden Element (90) unterlegt ist.
    10. 10. Leiterplatte (50) mit einem Leiterplattenschichtaufbau (L1, L2), an dem an einer zur Anbindung an einen Kühlkörper (40) vorgesehenen Fläche (70, 70') ein flächiges Wärmeleitelement (10) vorgesehen ist, das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst, insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 4.
    11. 11. Leiterplatte (50) nach Aspekt 10, die zum Anbringen des Wärmeleitelements (10) eine zum Einpassen des Wärmeleitelements (10) vorgesehene Vertiefung (74) oder zum Aufstecken des Wärmeleitelements (10) ausgebildete stiftartige Vorsprünge (72) umfasst.
    12. 12. Kühlkörper (40), an dem an einer zur Anbindung an eine Leiterplatte (50) vorgesehenen Fläche (44) ein flächiges Wärmeleitelement (10) vorgesehen ist, das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst, insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 4.
    13. 13. Kühlkörper (40) nach Aspekt 12, der zum Anbringen des Wärmeleitelements (10) eine zum Einpassen des Wärmeleitelements (10) vorgesehene Vertiefung (46) oder zum Aufstecken des Wärmeleitelements (10) ausgebildete stiftartige Vorsprünge (48) umfasst.
    14. 14. Verfahren zum Herstellen einer thermisch leitfähigen Schicht zwischen einer Leiterplatte (50) und einem Kühlkörper (40), mit den folgenden Schritten:
      • - Bereitstellen einer Leiterplatte (50) mit einer zur Anbindung an einen Kühlkörper (40) vorgesehenen Fläche (70, 70'), insbesondere nach Aspekt 10 oder 11,
      • - Bereitstellen eines Kühlkörpers (40) mit einer zur Anbindung an eine Leiterplatte (50) vorgesehenen Fläche (44), insbesondere nach Aspekt 12 oder 13,
      • - Anbringen eines Wärmeleitelements (10) entweder auf der zur Anbindung vorgesehenen Fläche (70, 70') der Leiterplatte (50) oder auf der zur Anbindung vorgesehenen Fläche (44) des Kühlkörpers (40), wobei das Wärmeleitelement (10) einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst, insbesondere nach einem der Aspekte 1 bis 4,
      • - Erwärmen des Wärmeleitelements (10), bspw. durch Inbetriebnahme der Leiterplatte (50) oder durch externe Erwärmung, mindestens bis zu einer Phasenwechsel-Temperatur des Phasenwechselmaterials (14, 16), um eine Benetzung der zur Anbindung vorgesehenen Flächen (44, 70, 70') mit dem flüssigen Phasenwechselmaterial (14, 16) zu erzielen.
    15. 15. Verfahren nach Aspekt 14, mit dem weiteren Schritt der mechanischen Fixierung, insbesondere des Verschraubens der Leiterplatte (50) und des Kühlkörpers (40), bspw. durch Einführen einer Schraube (80) in eine dazu vorgesehene durchgehende Bohrung (59) in der Leiterplatte (50) oder dem Kühlkörper (40) und Festziehen der Schraube, vorzugsweise nach Unterlegen eines federnden Elements (90).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2524394 B1 [0013]
    • EP 2973687 B1 [0013]

Claims (10)

  1. Leiterplattenmodul (30) mit einer Leiterplatte (50) und einem Kühlkörper (40) sowie einem zwischen der Leiterplatte (50) und dem Kühlkörper (40) vorgesehenen flächigen Wärmeleitelement (10), das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst.
  2. Leiterplattenmodul (30) nach Anspruch 1, bei dem das Wärmeleitelement (10) an der Leiterplatte (50) oder an dem Kühlkörper (40) angebracht ist, bspw. durch eine mechanische Festlegung, weiter bspw. durch Einpassen in eine dazu vorgesehene Vertiefung (74) in der Leiterplatte (50) bzw. dem Kühlkörper (40) oder durch Aufstecken auf hierfür auf der Leiterplatte (50) bzw. dem Kühlkörper (40) ausgebildete stiftartige Vorsprünge (72, 48).
  3. Leiterplattenmodul (30) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die relative Lage von Leiterplatte (50) und Kühlkörper (40) mittels mindestens einem Fixierelement (80) fixiert ist, wobei die mechanische Fixierung insbesondere federnd ausgebildet ist.
  4. Leiterplattenmodul (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in der Leiterplatte (50) oder dem Kühlkörper (40) eine durchgehende Bohrung (59) zur Aufnahme einer Schraube (80) vorgesehen ist und ein Schraubenende (86) in eine in dem Kühlkörper (40) bzw. der Leiterplatte (50) ausgebildete Aufnahmebohrung (49), die vorzugsweise ein Gegengewinde aufweist, eingreift, wobei ein Schraubenkopf (84) der Schraube (80) insbesondere mit einem federnden Element (90) unterlegt ist.
  5. Leiterplatte (50) mit einem Leiterplattenschichtaufbau (L1, L2), an dem an einer zur Anbindung an einen Kühlkörper (40) vorgesehenen Fläche (70, 70') ein flächiges Wärmeleitelement (10) vorgesehen ist, das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst.
  6. Leiterplatte (50) nach Anspruch 5, die zum Anbringen des Wärmeleitelements (10) eine zum Einpassen des Wärmeleitelements (10) vorgesehene Vertiefung (74) oder zum Aufstecken des Wärmeleitelements (10) ausgebildete stiftartige Vorsprünge (72) umfasst.
  7. Kühlkörper (40), an dem an einer zur Anbindung an eine Leiterplatte (50) vorgesehenen Fläche (44) ein flächiges Wärmeleitelement (10) vorgesehen ist, das einen mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichteten Keramikträger (12) umfasst.
  8. Kühlkörper (40) nach Anspruch 7, der zum Anbringen des Wärmeleitelements (10) eine zum Einpassen des Wärmeleitelements (10) vorgesehene Vertiefung (46) oder zum Aufstecken des Wärmeleitelements (10) ausgebildete stiftartige Vorsprünge (48) umfasst.
  9. Wärmeleitelement (10) mit einem Keramikträger (12), der mit einem Phasenwechselmaterial (14, 16) beschichtet ist, insbesondere zu Verwendung in einem Leiterplattenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  10. Wärmeleitelement (10) nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung mit Phasenwechselmaterial (14, 16) mindestens einen Luftkanal (20) aufweist, der während des Phasenübergangs ein Entweichen von Luft begünstigt, und/oder in dem mindestens ein Loch (18) vorgesehen ist, das zum Aufstecken des Wärmeleitelements (10) auf mindestens einen stiftartigen Vorsprung (48, 72) an einer zur Anbindung vorgesehenen Fläche (44, 70, 70') ausgebildet ist, und/oder in dem mindestens eine Bohrung (19) vorgesehen ist, die zum Durchstecken eines Fixierelements (80) ausgebildet ist.
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