DE10210041B4

DE10210041B4 - Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von Wärme, die von einem elektrischen Bauelement erzeugt wird und Verfahren zum Herstellen einer derartigen Wärmeableitvorrichtung

Info

Publication number: DE10210041B4
Application number: DE2002110041
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Lugert; Thomas Riepl; Daniela Wolf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: DE10210041A1; WO2003075626A1

Abstract

Wärmeableitvorrichtung, zum Ableiten von Wärme, die von einem elektrischen Bauelement (1) erzeugt wird, bei welcher eine mit dem elektrischen Bauelement (1) bestückte Leiterplatte (4) mittels einer Klebefolie (5) auf ein Kühlelement (6) aufgeklebt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterhalb des Bauelements (1) befindlicher Bereich der Klebefolie (5) eine mit einem thermisch gut leitfähigen Füllstoff (7) gefüllte Ausnehmung (9) aufweist, die mit einer seitlich neben dem Bauelement (1) durch die Leiterplatte (4) hindurch verlaufenden, einen kleineren Querschnitt als die Ausnehmung (9) aufweisenden Bohrung (8 oder 8') verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von Wärme, die von einem elektrischen Bauelement aufgrund seiner Verlustleitung erzeugt wird und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Wärmeableitvorrichtung.
Eine bekannte Vorrichtung ( US 4 979 074 ) weist elektrische Bauteile, eine Leiterplatte (PCB), ein thermisch gut leitfähiges Elastomer und einen Kühlkörper auf. Die Leiterplatte ist mit gewöhnlich bedrahteten Bauelementen bestückt. Die Anschlussdrähte der Bauelemente, die durch die Leiterplatte hindurchragen, werden in das Elastomer gedrückt, bis die Unterseite der Leiterplatte plan an der ihr zugewandten Seite des Elastomers anliegt und die andere Seite des Elastomers plan an einem Kühlkörper anliegt. Die Leiterplatte, das Elastomer und der Kühlkörper werden mechanisch mit Hilfe einer Schraube verbunden. Auf diese Weise entsteht ein thermisch leitfähiger Pfad, über den die Verlustleistung des elektrischen Bauelements an den Kühlkörper abgegeben wird.
Das Elastomer stellt das Element mit der geringsten thermischen Leitfähigkeit im Pfad dar. Wird zur mechanischen Verbindung von Leiterplatte, Elastomer und Kühlkörper das Elastomer noch beidseitig mit einem Klebefilm versehen, so wird die Wärmeleitung durch diesen Klebefilm weiter verschlechtert. Der zulässige Arbeitsbereich des elektrischen Bauelements wird hierdurch eingeschränkt. Bei einer Überschreitung der zulässigen Temperatur des Bauelements kann es zum Totalausfall des Bauelements oder zu Teilschäden kommen, die früher oder später auch zu einem Totalausfall des Bauelements führen können.
Der Einsatz von Klebefolien mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit reduziert bei den zur Zeit zur Verfügung stehenden Materialen die mechanische Haftfähigkeit.
Bei der Verwendung von Wärmeleitklebern besteht die Gefahr, dass sich unterhalb der thermisch kritischen Bauelemente Lufteinschlüsse bilden. Diese verschlechtern wiederum die thermische Anbindung an den Kühlkörper und auch die mechanische Verbindung zum Kühlkörper wird dadurch geschwächt.
Aus der Patentschrift EP 0 489 958 B1 ist eine Leiterplatte bekannt, die eine Aussparung aufweist, in die eine gut wärmeleitende Metallplatte eingesetzt ist. Diese Platte wird von unten, d. h. von der Lötseite her in die Leiterplatte eingesetzt und mit dem Bauelement mit einem Niet verbunden. Anschließend wird die Leiterplatte mit einem Gehäuse mechanisch verbunden.
Da die Bauelemente der Schaltungsanordnung nach dem Bestücken direkt mit einer Wärmesenke verbunden sind, ist eine Reparatur eines bei einem ersten Test festgestellten Defekts eines Bauelements nun nicht mehr möglich. Die Ursache hierfür liegt darin, dass nahezu die gesamte zugeführte Wärme an die Wärmesenke abgeleitet wird und das Lot so nicht genügend erwärmt werden kann, um die Lötverbindungen des Bauelements zu trennen und das Bauelement zu ersetzen. Eine nachträgliche Verbesserung der thermischen Anbindung des elektrischen Bauelements an die Wärmesenke, beispielsweise nach einem ersten Test, ist hier nicht möglich, da die Platte vor der Verbindung mit dem Gehäuse eingesetzt werden muss.
Des Weiteren muss die Aussparung in der Leiterplatte im Design des Schaltungslayouts berücksichtigt werden. Dies ist einerseits aufwändig, sowohl beim Design, als auch bei der Fertigung der Leiterplatte, andererseits wird durch die Aussparung auch sehr viel Platz auf der Leiterplatte beansprucht.
Die DE 201 009 84 U1 betrifft eine Anordnung zur Entwärmung eines elektrischen Bauelementes das thermische Verlustleistung erzeugt und auf eine Leiterplatte montiert ist. Die Leiterplatte ist im Bereich des Bauelementes mit Wärmeleitbohrungen versehen. Auf die dem Bauelement gegenüberliegende Seite der Leiterplatte ist eine Wärmeleitpaste aufgetragen. Auf der Wärmeleitpaste ist ein Kühlkörper aus Metall angeordnet.
Die DE 195 32 992 A1 betrifft eine einseitig bestückte Leiterplatte, auf deren Rückseite unter Einfügung einer Zwischenschicht eine Kühlplatte aufgebracht ist. Die Leiterplatte trägt zumindest ein thermisch hochbelastbares Bauelement. Die Auflagefläche dieses Bauelementes ist durch eine Wärmeleitbrücke in Form eines Metallkörpers oder Kupferbolzens mit der Kühlplatte verbunden. Der Metallkörper sitzt hierbei in einer Aussparung, die die Auflagefläche des Bauelementes durch die Zwischenschicht hindurch mit der Kühlplatte verbindet.
Die WO 96/23 397 A1 betrifft eine Leiterplatte mit einer Wärmesenkeanordnung. Hierbei ist ein Wärmeaustauschelement auf der Wärmesenke vorgesehen, welches mit der Wärmesenke in einem Wärmeaustauschkontakt liegt und durch diese hindurchragt. Nachdem die Leiterplatte und die Wärmesenke relativ zueinander beabstandet positioniert sind und das Wärmeaustauschelement mit einer elektronischen Komponente der Leiterplatte bündig angeordnet wurde, wird ein wärmeleitfähiger Verbundstoff durch ein Loch hindurch in das wärmeleitfähige Element injeziert um es mit der elektronischen Komponente zu verbinden. Die Wärmesenke kann von dem Wärmeelement abgenommen werden um die Seite der Leiterplatte freizugeben, auf der die elektronischen Komponenten angeordnet sind, so dass eine Wartung oder eine Reparatur durchgeführt werden kann. Danach kann die Wärmesenke wieder in ihre ursprüngliche Position gebracht werden.
Die US Patentschrift 5 796 582 A beschreibt ebenfalls eine Leiterplattenanordnung und einer Wärmesenkenanordnung. Bei der Herstellung einer solchen Kombination wird ein thermisch leitfähiges Oberflächentrennmittel auf einer Seite einer Anordnung aufgebracht, wodurch ein fließfähiges thermisch leitfähiges Material dazu gebracht wird, durch ein Loch in der Wärmesenke zu strömen. Dieses wärmeleitfähige Material liegt dann zwischen dem Trennmittel und der anderen Anordnung. Das wärmeleitfähige Material befindet sich in einem Wärmeleitkontakt mit dem Trennmittel und der anderen Anordnung und liegt bündig an einer elektronischen Komponente die auf der Leiterplatte gekühlt werden soll. Das Trennmittel ermöglicht eine einfache Trennung der Leiterplattenanordnung von der Wärmesenkenanordnung, um diese auseinanderbauen zu können Aufgabe der Erfindung ist es eine Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von Wärme, die von einem elektrischen Bauelement erzeugt wird, zu schaffen, die eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit zwischen Bauelement und Kühlelement ermöglicht und eine gute und einfach zu fertigende Wärmeableitung an ein Kühleelement sicherstellt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung einen Test einer Schaltungsanordnung und eventuell einen Austausch des Bauelements zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmeableitvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zum Herstellen der Wärmeableitvorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung ist bei der Wärmeableitvorrichtung unterhalb von einem elektrischen Bauelement, das eine hohe Verlustleistung aufweist, eine Ausnehmung angeordnet. Diese Ausnehmung, im folgenden Hohlraum genannt, wird nachträglich über eine neben dem Bauelement angeordnete Bohrung mit einem thermisch gut leitfähigen Füllstoff gefüllt. In dem Bereich der Leiterplatte, an dem aufgrund der Verlustleitung des Bauelements Abwärme entsteht, wird auf diese Weise für eine thermisch gut leitfähige Verbindung zwischen Bauelement und Kühlelement gesorgt.
Die Erfindung eignet sich besonders zur Verlängerung der Lebensdauer und einer Erhöhung der Zuverlässigkeit von elektronischen Komponenten in Bereichen erhöhter Umgebungstemperatur, wie sie beispielweise bei einer Steuerelektronik auf dem Gebiet der Automobiltechnik vorkommen. Hier wird die Steuerelektronik zunehmend im Bereich der Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Motor, Getriebe oder Bremsen, angeordnet.
Die Erfindung ermöglicht weiter eine gezielte und dadurch auch kostengünstige thermische Anbindung thermisch kritischer Bauelemente an ein Kühlelement.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen thermischen Anbindung des elektrischen Bauelements an eine Wärmesenke, ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, den wärmeleitfähigen Füllstoff nachträglich einzubringen, d. h. der Füllstoff kann nach dem Bestücken der Leiterplatte und/oder nach dem mechanischen Fixieren der Leiterplatte auf dem Kühlelement eingebracht werden. Somit bietet die erfindungsgemäße Wärmeableitvorrichtung, trotz einer guten thermischen Anbindung nach der Befüllung des Hohlraums, noch die Möglichkeit einer Reparatur, durch einen Austausch eines Bauelements.
Der Füllstoff wird durch eine Öffnung von außen in den Hohlraum eingebracht. Durch dieselbe oder eine weitere Öffnung entweicht die durch den Füllstoff aus dem Hohlraum verdrängte Luft. Das Einbringen des Füllstoffes erfolgt durch Einpressen des Füllstoffes in den Hohlraum.
Alternativ kann der Füllstoff auch durch Unterdruck in den Hohlraum eingesaugt werden oder aufgrund der Kapillarkraft, die durch die Oberflächenspannung des in diesem Fall flüssigen Füllstoffs entsteht, in den Hohlraum eingesaugt werden.
Es kann auch ein fester Füllstoff in den Hohlraum eingebracht werden, der in gekörnter Form oder als Pulver vorliegt.
Weiter kann ein flüssiger Füllstoff verwendet werden, der nach dem Einbringen aushärtet. So wird verhindert, dass der Füllstoff im späteren Betrieb aus dem Hohlraum austreten kann. Alternativ kann nach dem Einbringen die Öffnung verschlossen werden.
Anhand der schematischen Zeichnungen werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäßen Wärmeableitvorrichtung,
2 einen Schnitt durch die Wärmeableitvorrichtung, entlang der Linie II-II in 1,
3 einen Schnitt durch die Wärmeableitvorrichtung, entlang der Linie III-III in 1, und
4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Wärmeableitvorrichtung, dieser entspräche dem entlang der Linie III-III in 1.
Eine in 1 in der Draufsicht dargestellte erfindungsgemäße Wärmeableitvorrichtung weist eine Leiterplatte 4 mit zumindest einem elektrischen Bauelement 1, eine Folie 5 (vgl. 2) und einem Kühlelement 6 auf. Das Bauelement 1 erzeugt im Betrieb aufgrund seiner Verlustleitung Wärme.
Unterhalb des Bauelements 1 ist zwischen Bauelement 1 und Kühlelement 6 ein Hohlraum 9 angeordnet.
Die beidseitig mit einem Klebefilm versehene Folie 5 weist an der Stelle, die sich im montierten Zustand unterhalb des elektrischen Bauelements 1 befindet, eine Ausnehmung auf. Diese Ausnehmung kann beispielsweise durch Stanzen der Klebefolie 5 hergestellt werden.
Aufgrund der Ausnehmung bildet sich im montierten Zustand der Hohlraum 9 zwischen dem Bauelement 1 und dem Kühlelement 6.
Das Bauelement 1, hier ein oberflächenmontiertes Bauelement 1 (SMD), ist mit Anschlusskontakten 2 an Lötpads 3 der Leiterplatte 4 angelötet (vgl. 2 und 3). Es ist auf diese Weise sowohl elektrisch als auch mechanisch mit der Leiterplatte 4 verbunden.
Die Leiterplatte 4 weist seitlich neben dem Bauelement 1 eine erste Öffnung 8 und auf der gegenüberliegenden Seite neben dem Bauelement 1 eine weitere Öffnung 8' in der Leiterplatte 4 auf. Die beiden Öffnungen 8 und 8' schaffen von außen Zugänge zum Hohlraum unterhalb des Bauelements 1. Die Öffnungen 8 und 8' können beispielsweise als Bohrungen in der Leiterplatte 4 realisiert sein.
Durch die erste Öffnung 8 wird ein Füllstoff 7 in den Hohlraum eingebracht. Als Füllstoff 7 kann eine Wärmeleitpaste auf Silikonbasis verwendet werden, wie beispielsweise „Arctic Silber 2'', die ungefähr 80% verkapseltes Silber enthält.
Über die zweite Öffnung 8' kann die durch den Füllstoff 7 verdrängte Luft aus dem Hohlraum entweichen, so dass der Hohlraum größtenteils ohne Luftblasen mit dem Füllstoff 7 befüllt werden kann.
Der in 2 dargestellt Schnitt durch die Wärmeableitvorrichtung entlang der Linie II-II von 1 zeigt die Vorrichtung im montierten Zustand. Der Hohlraum ist ebenfalls schon mit dem Füllstoff 7 befüllt.
Die Leiterplatte 4 wird bei der Montage mit der Klebefolie 5 auf das Kühlelement 6 aufgeklebt. Anschließend wird der Hohlraum unterhalb des Bauelements 1 mit dem gut wärmeleitfähigen Füllstoff 7 gefüllt.
Der in 3 dargestellte Schnitt entlang der Linie III-III von 1 zeigt die Wärmeableitvorrichtung um 90° gedreht.
Der Füllstoff 7 wird unter Druck in die erste Öffnung 8 eingebracht. Der Füllstoff 7 füllt den Hohlraum und verdrängt die darin befindliche Luft, die durch die zweite Öffnung 8' entweicht.
Der Füllgrad des Hohlraums kann beispielsweise aufgrund des Austretens von Füllstoff 7 aus der zweiten Öffnung 8' oder aufgrund der eingebrachten Füllstoffmenge beurteilt werden.
Die Befüllung des Hohlraums kann beispielsweise auch durch Unterdruck oder die Kapillarkraft des Füllstoffs 7 erfolgen. Hierzu kann je nach Konstruktion von Hohlraum und Einfüllöffnung auch nur eine Öffnung 8 oder 8' notwendig sein.
Bei der Befüllung durch Unterdruck wird über der ersten oder zweiten Öffnung 8' der Füllstoff 7 aufgebracht und durch Unterdruck, der an der ersten Öffnung 8 erzeugt wird, in den Hohlraum hineingezogen.
Im Falle der Befüllung durch Kapillarkraft wird der in eine Öffnung 8 oder 8' eingebrachte Füllstoff 7 aufgrund dieser Kraft in den Hohlraum hineingezogen.
Bei flüssigen oder gekörnten Füllstoffen 7, die nach dem Befüllen nicht aushärten, können die Öffnungen 8 und/oder 8' zu dem Hohlraum nach dem Befüllen verschlossen werden.
Um möglichst keine Lufteinschlüssen unterhalb des Bauelements 1 zu erhalten, kann eine Form des Hohlraums 9 gewählt werden, wie sie beispielsweise in 1 gestrichelt dargestellt ist. Die hier dargestellte Form des Hohlraums 9 ist ovalförmig ausgebildet und weist keine Ecken auf, in die der Füllstoff 7 nur schwer eingebracht werden könnte. Es können auch andere Formen verwendet werden, die funktionell gleichwertig sind.
Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde zusätzlich zwischen dem Bauelement 1 und der Leiterplatte 4 ein thermisch gut leitfähiges Element 10, beispielsweise eine thermisch gut leitfähige Folie oder Paste, eingebracht. Dadurch geht die Wärme besser vom Bauelement 1 über die Leiterplatte 4 und den Füllstoff 7 auf das Kühlelement 6 über.
Alternativ kann auch das Kühlelement 6 mit Öffnungen zum Befüllen und/oder Entlüften versehen sein.
Eine Befüllung des Hohlraums über nur eine einzige Öffnung 8 oder 8' mit einem kombinierten Befüll- und Entlüftungsstutzen oder durch das Erzeugen eines Unterdrucks im Hohlraum ist auch möglich. Bei der Befüllung durch nur eine Öffnung 8 oder 8' wird durch einen Teil der Öffnung 8 oder 8' der Füllstoff 7 eingebracht, durch den anderen Teil der Öffnung 8 oder 8' entweicht die verdrängte Luft.
Um die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte 4 zu verbessern, können im Bereich unterhalb des Bauelements 1 Durchkontaktierungen angebracht werden.
Zusätzlich zu dem Hohlraum 9 kann die Leiterplatte 4 – wie im zweiten Ausführungsbeispiel in 4 dargestellt zumindest – im Bereich des Bauelements 1 eine Aussparung 11 aufweisen und durch den Füllstoff 7 oder durch ein anderes thermisch gut leitfähiges Material ersetzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 haben funktionell identische Elemente wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dieselben Bezugszeichen wie in 3.
Das Befüllen der Aussparung 11 in der Leiterplatte 4 kann ebenfalls wie oben beschrieben nach dem Bestücken durch die Öffnung 8 oder 8' erfolgen oder aber auch durch Einbringen eines thermisch gut leitfähigen Materials in die Aussparung 11 vor dem Bestücken und einer Befüllung des Hohlraums mit dem Füllstoff 7 nach dem Bestücken. Auf diese Weise können nach dem Bestücken noch Tests durchgeführt werden und eventuell defekte Bauteile ausgetauscht werden.

Claims

Wärmeableitvorrichtung, zum Ableiten von Wärme, die von einem elektrischen Bauelement (1) erzeugt wird, bei welcher eine mit dem elektrischen Bauelement (1) bestückte Leiterplatte (4) mittels einer Klebefolie (5) auf ein Kühlelement (6) aufgeklebt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterhalb des Bauelements (1) befindlicher Bereich der Klebefolie (5) eine mit einem thermisch gut leitfähigen Füllstoff (7) gefüllte Ausnehmung (9) aufweist, die mit einer seitlich neben dem Bauelement (1) durch die Leiterplatte (4) hindurch verlaufenden, einen kleineren Querschnitt als die Ausnehmung (9) aufweisenden Bohrung (8 oder 8') verbunden ist.
Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Klebefolie (5) beidseitig mit einem Klebefilm versehen ist.
Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (9) der Klebefolie (5) durch eine Ausstanzung hergestellt ist.
Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Form der Ausnehmung (9) abgerundet, insbesondere ovalförmig, ist.
Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (9) ferner mit einer weiteren durch die Leiterplatte (4) hindurch verlaufenden Bohrung (8' oder 8) verbunden ist, die einen kleineren Querschnitt als die Ausnehmung (9) aufweist und auf der gegenüberliegenden Seite des Bauelements (1) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmeableitvorrichtung zum Ableiten von Wärme, die von einem elektrischen Bauelement (1) erzeugt wird, das folgende Schritte aufweist: – Bestückung einer Leiterplatte (4) mit dem elektrischen Bauelement (1), und – Aufkleben der Leiterplatte (4) mittels einer Klebefolie (5) auf ein Kühlelement (6), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der Klebefolie (5), der sich im montierten Zustand unterhalb des Bauelements (1) befindet, eine Ausnehmung (9) geschaffen wird, dass eine im montierten Zustand seitlich neben dem Bauelement (1) durch die Leiterplatte (4) hindurch verlaufende Bohrung (8 oder 8') mit einem kleineren Querschnitt als die Ausnehmung (9) geschaffen wird, und dass die Ausnehmung (9) durch die Bohrung (8 oder 8') mit einem thermisch gut leitfähigen Füllstoff (7) befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Öffnung (8 oder 8') nach dem Befüllen der Ausnehmung (9) verschlossen wird.