DE10329267A1

DE10329267A1 - Schaltungsanordnung mit Wärmeleitkörper

Info

Publication number: DE10329267A1
Application number: DE2003129267
Authority: DE
Inventors: Bernd Weber; Thomas Wiesa; Andre Lischeck; Gerd Bohmwetsch; Ralf Lippok; Ralph Schimitzek; Peter Pfeiffer; Thomas Hetschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

Schaltungsträgeranordnung (1) mit einem Schaltungsträger (40) und mindestens einem Wärmeleitkörper (10), wobei sich der Wärmeleitkörper (10) zwischen einer Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers (40) erstreckt und bündig mit der Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers (40) abschließt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsträgeranordnung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der US 5779134 ist bereits einen Wärmesenke für die Oberflächemontage auf einer Leiterplatte bekannt. Es handelt sich hierbei um ein nietenförmiges Metallelement, dass in eine Ausnehmung einer Leiterplatte gesteckt wird und mit der Unterseite des Nietenkopfes mit der Metallschicht der Leiterplatte verlötet wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Wärmeleitkörper bündig mit der Ober- und Unterseite eines Schaltungsträgers abschließt, sodass der Schaltungsträger in den normalen Fertigungsprozess eingebracht werden kann, ohne dass Änderungen im automatischen Bestückungsablauf vorgenommen werden müssen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Schaltungsträgers möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Wärmeleitkörper in einer Ausnehmung des Schaltungsträgers formschlüssig eingepresst. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise ein schnelles und sicheres Einbringen des Wärmeleitkörpers, ohne dass weitere Verfahrensschritte zur Befestigung des Wärmeleitkörpers benötigt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Wärmeleitkörper eine Rändelung auf, die beim Einpressen des Wärmeleitkörpers in den Schaltungsträger eindringt. Durch die Rändelung werden am Rand des Wärmeleitkörpers eine Vielzahl von Einpress-Spitzen erzeugt, die bei gegebener Einpresskraft zu einem hohen Einpressdruck an den Einpress-Spitzen führen, wobei die Einpress-Spitzen der Rändelung in vorteilhafter Weise dauerhaft in den Schaltungsträger eindringen und den Wärmeleitkörper sicher verankern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Wärmeleitkörper in die Ausnehmung des Schaltungsträgers eingeklebt. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise den Wärmeleitkörper mit geringer Krafteinwirkung in eine Ausnehmung des Schaltungsträgers einzubringen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmeleitkörpers metallisiert. So können in vorteilhafter Weise die Ausnehmungen auch zur Durchkontaktierung genutzt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Schaltungsträger in der Umgebung der Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmeleitkörpers auf der Ober- und/oder Unterseite metallisiert. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmeleitkörper über die Metallisierung auf ein gewünschtes elektrisches Potential, beispielsweise Massepotential, gelegt werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung in einem Verfahren zur Herstellung eine elektronischen Schaltung eingebracht, wobei ein Bauelement über ein Wärmeleitmedium mit den Wärmeleitkörper Wärme leitend verbunden ist. So kann in einfacher und vorteilhafter Weise die Schaltungsträgeranordnung in einem üblichen Fertigungsprozess eingebracht werden, ohne dass es Änderungen im Schaltungsträger-Layout bedarf. Über ein Wärmeleitmedium wird der thermische Kontakt zwischen einem Bauelement und den Wärmeleitkörper vorteilhaft verbessert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht das Wärmeleitmedium aus einem Lot oder eine Wärmeleitpaste. So ist es in vorteilhafter und einfacher Weise möglich die Bauelemente mit Standardprozessen gut Wärme leitend mit dein Wärmeleitkörper zu verbinden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Bauelement elektrisch nicht leitend mit dem Wärmeleitkörper verbunden. Dies erlaubt es in einfacher und vorteilhafter Weise Bauelemente potentialfrei auf dem Wärmeleitkörper anzuordnen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Bauelement elektrisch leitend mit einem elektrisch leitenden Wärmeleitkörper verbunden. So ist es in vorteilhafter Weise möglich über den Wärmeleitkörper beispielsweise einen Massekontakt herzustellen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Wärmeleitkörper auf der dem Bauelement gegenüberliegenden Seite mit einer Wärmesenke Wärme leitend verbunden. So kann vorteilhaft die Wärme des Bauelementes über den Wärmeleitkörper an die Wärmesenke abgegeben werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung befinden sich im Wärmeleitmedium zwischen dem Wärmeleitkörper und der Wärmesenke Partikel zur Abstandseinstellung. Dies hat der den Vorteil, dass durch ein Verbinden des Wärmeleitkörpers mit der Wärmesenke das Wärmeleitmedium nicht seitlich verdrängt werden kann und sich ein Abstand in der Größe der Querschnittsabmessungen der Partikeln einstellt, wobei sich zwischen den Partikeln das Wärmeleitmedium befindet. Dies hat insbesondere bei einer elektrisch nicht leitenden Verbindung einen großen Vorteil, da elektrische Kurzschlüsse durch Verdrängen eines elektrisch nicht leitenden Wärmeleitmediums vermieden werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Partikel zur Abstandseinstellung im Wesentlichen eine Querschnittsabmessungen zwischen 40 und 150 Mikrometer auf. So wird in vorteilhafter Weise ein definierter Abstand zwischen Wärmeleitkörper und der Wärmesenke eingestellt, wobei sich die Dicke des Wärmeleitmediums beim Zusammenfügen von Wärmeleitkörper und Wärmesenke auf die Querschnittsabmessungen der Partikel verdünnt und so in vorteilhafter Weise nur noch einen geringen thermischen Widerstand aufweist. Die Untergrenze der Partikelgröße spielt insbesondere bei einem elektrisch nicht leitenden Wärmeleitmedium eine wichtige Rolle, da hierdurch in vorteilhafter Weise elektrische Überschläge aufgrund einer zu dünnen elektrisch isolierenden Schicht vermieden werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Partikel zur Abstandseinstellung elektrisch nicht leitend. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass bei Verwendung eines elektrisch nicht leitenden Wärmeleitmedium auch über die Partikel keine elektrische Leitung erfolgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Bauelement Wärme leitend mit einem Metallkörper verbunden, wobei der Metallkörper in eine Ausnehmung eines Schaltungsträgers anordbar ist. Derartige Bauelemente können in einfacher Weise auf einem entsprechend mit Ausnehmungen vorbereiteten Schaltungsträger angeordnet werden und ermöglichen eine zuverlässige Entwärmung der Bauelemente.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 einen Querschnitt durch einer erfindungsgemäßen Schaltungsträgeranordnung,
2 die Anbringung einer erfindungsgemäßen Schaltungsträgeranordnung an eine Wärmesenke und
3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Bauelementes.
1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Schaltungsträgeranordnung 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeleitkörper 10 formschlüssig in eine Ausnehmung eines Schaltungsträgers 40 eingebracht. Der Wärmeleitkörper 10 erstreckt sich zwischen der Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers 40 und schließt bündig mit der Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers 40 ab.
Der Wärmeleitkörper 10 und die Ausnehmung des Schaltungsträgers 40 sind vorzugsweise rund ausgeführt, aber auch andere geometrische Formen sind denkbar. Der mechanischer Halt des Wärmeleitkörpers 10 wird vorzugsweise über das formschlüssige Einpressen erreicht. Alternativ aber auch parallel zum Einpressen kann der Wärmeleitkörper 10 in die Ausnehmung des Schaltungsträgers 40 eingeklebt sein. Darüber hinaus kann der Rand des Wärmeleitkörpers 10 strukturiert sein, beispielsweise durch eine Aufrauhung oder eine Rändelung. Die Rändelung des Wärmeleitkörpers 10 kann z. B. in der Form eines Zahnrades erfolgen, wobei die einzelnen Zähne bzw. Einpress-Spitzen entweder spitz oder abgerundet ausgeführt sind. Die abgerundeten Einpress-Spitzen haben den Vorteil, dass sie sich nicht in den Schaltungsträger einschneiden, sondern einen hohen Anpress druck im Bereich der abgerundeten Einpress-Spitzen erzeugen, und so einen sicheren Halt des Wärmeleitkörpers 10 ermöglichen.
In einem Weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmeleitkörpers 10 metallisiert. So kann in einfacher und vorteilhafter Weise die Ausnehmung auch zur Durchkontaktierung genutzt werden. In weiterer vorteilhafter Weise ist auch die Umgebung der Ausnehmung auf der Ober- und/oder Unterseite metallisiert, sodass die Ausnehmung mit dem Wärmeleitkörper auf ein gewünschtes elektrisches Potenzial, beispielsweise einem Massepotenzial, gelegt werden kann.
2 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels, bei dem eine erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung 1 auf einer Wärmesenke 70 angeordnet ist. Wie bereits unter 1 beschrieben umfasst die Schaltungsträgeranordnung 1 einen Schaltungsträger 40 mit einem einliegenden Wärmeleitkörper 10, der bündig mit der Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers abschließt. Auf der einen Seite des Schaltungsträgers, der Oberseite, ist auf dem Wärmeleitkörper 10 ein Bauelement 20, insbesondere ein Leistungsbauelement, angeordnet, wobei das Bauelement 20 über ein Wärmeleitmedium 30 mit dem Wärmeleitkörper 10 Wärme leitend verbunden ist. Die andere Seite des Schaltungsträgers, die Unterseite, ist über ein partikelhaltiges Wärmeleitmedium 50 Wärme leitend mit einer Wärmesenke 70 verbunden, wobei die Partikel 60 des Wärmeleitmediums 50 zwischen der Unterseite des Schaltungsträgers 1 und der Wärmesenke 70 zu liegen kommen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung 1 hat den Vorteil ohne größeren Anpassungsaufwands in einem üblichen Bestückungsprozess integriert werden zu können. Des Weiteren erlaubt die erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung 1 unterhalb einer Vielzahl von Bauelementen 20 Wärmeleitkörper 10 vorzusehen, ohne dass es Änderungen im Schaltungsträger-Layout bedarf. Die Wärmeleitkörper 10 können hierbei zum einen als Wärmesenke selbst dienen oder die Wärmeleitung vom Bauelement 20 zu einer Wärmesenke 70 verbessern. Die thermische Strecke vom Bauelement 20 zum Kühlkörper 70 kann wahlweise elektrisch leitend oder nicht leitend ausgeführt sein.
In der elektrisch leitenden Variante ist sowohl das Wärmeleitmedium 30 zwischen Bauelement 20 und Wärmeleitkörper 10 als auch das Wärmeleitmedium 50 zwischen Wärmeleitkörper 10 und Wärmesenke 70 elektrisch leitend, beispielsweise als Lot oder Wär meleitpaste, ausgeführt. Wobei das Wärmeleitmedium 50 zwischen Wärmeleitkörper 10 und Wärmesenke 70 mit oder ohne Partikel ausgeführt sein kann und die ggf. vorhandenen Partikel 70 elektrisch leitend oder nicht leitend sein können.
Bei einer elektrisch nicht leitenden Verbindung zwischen Bauelement 20 und der Wärmesenke 70 ist mindestens ein Wärmeleitmedium 30, 50 auf der Ober- und/oder Unterseite elektrisch nicht leitend auszuführen. Beispielsweise kann das Bauelement 20 über ein Lot elektrisch und Wärme leitend mit den Wärmeleitkörper 10 verbunden sein. Die Verbindung zur Wärmesenke 70 erfolgt über ein elektrisch nicht leitendes Wärmeleitmedium 50.
Bei einem partikelhaltigen Wärmeleitmedium 50 müssen auch die Partikel 60 elektrisch nicht leitend ausgeführt sein. Das Vorhandensein von Partikel 60 im Wärmeleitmedium 50 hat den Vorteil, dass das elektrisch nicht leitende Wärmeleitmedium 50 durch das Aneinanderfügen der Schaltungsträgeranordnung 1 und Wärmesenke 70 nicht vollständig verdrängt werden kann und somit elektrische Kurzschlüsse verhindert.
Über die Größe der Partikel 60 lässt sich der Abstand zwischen der Schaltungsträgeranordnung 1 und der Wärmesenke 70 einstellen. Um sowohl eine gute Kurzschlussfestigkeit und einen geringen thermischen Widerstand des Wärmeleitmediums 50 zu erreichen, haben sich Querschnittsabmessungen der Partikel 60 zwischen 40 und 150 Mikrometer bewährt. Die Partikel können entweder einheitlich eine bestimmte Querschnittabmessung in dem genannten Bereich aufweisen oder variieren in der Querschnittsabmessung, sodass zumindest der Mittelwert der Querschnittsabmessungen in dem genannten Bereich fällt. Selbstverständlich können, beispielsweise zur Optimierung eines Parameters, auch Partikel in anderen Größen eingesetzt werden. Ist beispielsweise eine hohe Kurzschlussfestigkeit erwünscht, können Partikel größer 150 Mikrometer vorgesehen sein. Kleinere Partikel hingegen reduzierenden thermischen Widerstand.
Die nicht leitenden Partikel 60 sind vorzugsweise aus Kunststoff Glas, Keramiken oder weiteren nicht leitenden Materialien gefertigt und können sowohl in runder als auch in unregelmäßiger Form, beispielsweise als Granulat, vorliegenden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsträgeranordnung 1 kann in einem üblichen Schaltungsträger-Herstellungsprozess gefertigt werden. Beispielsweise wird der Schaltungsträger in einem CNC-Arbeitsgang zusätzlich zu der üblichen Bearbeitung mit den notwendigen Ausnehmungen versehen. In einem nächsten Schritt werden die Wärmeleitkörper 10 in die vorgesehenen Ausnehmungen des Schaltungsträgers 40 eingepresst. Die so vorbereitete Schaltungsträgeranordnung 1 kann dann den üblichen Verarbeitungsprozess für Schaltungsträger durchlaufen: Reinigung, Galvanik, Verzinnung, Finishing.
Eine Verzinnung des Wärmeleitkörper 10 mit einer umgebenden Metallisierung erhöht in vorteilhafter Weise die mechanische Verankerung des Wärmeleitkörpers 10.
In einer weiteren nicht gezeigten Variane kann der thermische Kontakt sowohl zwischen dem Wärmeleitkörper 10 und dein Baulement 20 als auch zwischen Wärmeleitkörper 10 und Wärmesenke 70 direkt, ohne Wärmleitmedium 30, 50 erfolgen.
In 3 ist ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Bauelementes 100 mit einem Gehäuse 120 und einem Wärmeleitkörper 110 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsträgeranordnung 1 gezeigt. Das Gehäuse 120 des Bauelementes 100 weist auf einer Seite eine Ausnehmung auf, in die der Wärmeleitkörper 110 eingebracht ist. Der Wärmeleitkörper 110 ist, in 3 nicht dargestellt, Wärme leitend mit einer im Inneren des Gehäuses 120 befindlichen elektronischen Anordnung verbunden. Der Wärmeleitkörper 110 ragt über die Abmessungen des Gehäuses 120 hinaus und ist geeignet in eine Ausnehmung eines Schaltungsträgers eingebracht zu werden. Das Bauelement 100 kann über den Wärmeleitkörper 110 beispielsweise durch Löten, Kleben oder andere Verbindungstechniken dauerhaft mit dem Schaltungsträger verbunden werden. Der Wärmeleitkörper 110 dient hierbei entweder selbst als Wärmesenke oder kann mit einer weiteren Wärmesenke verbunden werden. Die Abmessungen des Wärmeleitkörpers 110 sind so an den zu bestückenden Schaltungsträger angepasst, dass die Unterseite des Wärmeleitkörpers 110 bündig mit der Unterseite des Schaltungsträgers abschließt. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige thermische Anbindung des Bauelementes an eine weiterer Wärmesenke.
Der über das Gehäuse 120 hinausragende Abschnitt des Wärmeleitkörpers 110 ist vorzugsweise rund ausgebildet, wobei jedoch auch andere geometrische Formen möglich sind.
In einer nicht gezeigten Variante weist der Wärmeleitkörper 110 zwei Teile auf, wobei ein erstes Wärmeleitkörper-Teil Wärme leitend mit der inneren elektronischen Anordnung innerhalb der Abmessungen des Gehäuses 120 verbunden ist und ein zweites Wärmeleitkörper-Teil außerhalb der Gehäuseabmessungen mit dem ersten Wärmeleitkörper-Teil Wärme leitend verbunden ist. Das erste Wärmeleitkörper-Teil ist bereits bei einigen Bauelementen, insbesondere Leistungsbauelemente, als so genannter „heat-slug" standardmäßig integriert.
Der Wärmeleitkörper 110 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 als auch der Wärmeleitkörper 10 in den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 bestehenden aus einem Wärme leitenden Material, vorzugsweise einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere Kupfer oder Kupferlegierungen. Aber auch andere Materialien wie z. B. Keramiken sind denkbar.
Als Schaltungsträger können Leiterplatten, Keramiken, Dickschichtsubstrate, DBC-Substrate, IMS und eine Vielzahl anderer Materialien und Bauformen eingesetzt werden.
Die genannten Beispiele sind nicht auf eine Ausführung beschränkt, sondern können beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können auf Schaltungsträgern mit eingefassten Wärmeleitkörper 10 auch Bauelemente mit integrierten Wärmeleitkörper 110 vorgesehen sein.

Claims

Schaltungsträgeranordnung (1) – mit einem Schaltungsträger (40) und mindestens einem Wärmeleitkörper (10), – wobei sich der Wärmeleitkörper (10) zwischen einer Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers (40) erstreckt – und bündig mit der Ober- und Unterseite des Schaltungsträgers (40) abschließt.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeleitkörper (10) in eine Ausnehmung des Schaltungsträgers (40) formschlüssig eingepresst ist.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper (10) eine Rändelung aufweist, die beim Einpressen des Wärmeleitkörpers (10) in den Schaltungsträger (40) eindringt.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper (10) in die Ausnehmung des Schaltungsträgers (40) eingeklebt ist.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmeleitkörpers (10) metallisiert ist.
Schaltungsträgeranordnung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (40) in der Umgebung der Ausnehmung zur Aufnahme des Wärmeleitkörpers (10) auf der Ober- und/oder Unterseite metallisiert ist.
Verfahren zur Herstellung eine elektronischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Schaltungsträgeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem üblichen Fertigungsprozess eingebracht wird, – und ein Bauelement (20) über ein Wärmeleitmedium (30) mit dem mindestens einen Wärmeleitkörper (10) Wärme leitend verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmedium (30) zwischen dem Bauelement (20) und dem Wärmeleitkörper (10) ein Lot oder eine Wärmeleitpaste ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (20) elektrisch nicht leitend mit dem Wärmeleitkörper (10) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (20) elektrisch leitend mit dem Wärmeleitkörper (10) verbunden wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper (10) auf der dem Bauelement (20) gegenüberliegenden Seite mit einer Wärmesenke (70) Wärme leitend verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Wärmeleitkörper (10) und der Wärmesenke (70) ein Wärmeleitmedium (50) mit Partikeln (60) zur Abstandseinstellung befindet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (60) zur Abstandseinstellung im Wesentlichen eine Querschnittsabmessung zwischen 40 und 150 Mikrometer aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (60) zur Abstandseinstellung elektrisch nicht leitend sind.
Bauelement (100) mit einem Wärmeleitkörper (110) zur Herstellung einer Schaltungsträgeranordnung (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (100) Wärme leitend mit einem Wärmeleitkörper (110) verbunden ist und der Wärmeleitkörper (110) in eine Ausnehmung eines Schaltungsträgers anordbar ist.