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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement, einen
Schaltungsträgeraufbau sowie
eine Elektronikeinheit, insbesondere zur Verwendung im Bereich der
Kraftfahrzeugelektronik. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung solcher Vorrichtungen.
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Es
ist bekannt, bei der Auslegung von elektronischen Bauelementen,
Schaltungsträgern,
Leiterplatten und Elektronikeinheiten umfassend einen mit wenigstens
einem elektronischen Bauelement bestückten Schaltungsträger (z.
B. Leiterplatte, Keramik, Flexfolie etc.) eine möglichst gute Ableitung der Wärme vorzusehen,
die unvermeidbar im Betrieb von elektronischen Bauelementen entsteht
("thermische Verlustleistung"). Dies verlängert die
Lebensdauer der Bauelemente und erhöht die Zuverlässigkeit
der damit gebildeten Elektronikeinrichtungen.
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Im
Gegensatz zu mechanischen Bauelementen, deren Alterung maßgeblich
durch wiederholte Temperaturwechsel bestimmt wird, ist es bei elektronischen
Bauelementen, deren Alterung maßgeblich
durch die Höhe
der Arbeitstemperatur bzw. die "Temperaturlagerung" bestimmt wird, in
der Praxis nicht lediglich wichtig, die Betriebstemperatur stets unterhalb
derjenigen Temperatur ("Materiallimit") zu halten, bei
welcher das Bauelement irreversibel geschädigt oder zerstört wird.
Bei elektronischen Bauelementen ist es vielmehr wichtig, die Bauelementtemperatur
stets mehr oder weniger weit unterhalb des Materiallimits zu halten.
Auf Grund eines nicht linearen son dern eher exponentiellen Zusammenhangs zwischen
der Bauelementtemperatur und der Bauelementlebensdauer ("Arrhenius-Gesetz") kommt es hierbei
nicht lediglich darauf an, die über
die Zeit gemittelte Durchschnittstemperatur niedrig zu halten, sondern
entscheidend auch darauf, relativ nahe an das Materiallimit heranreichende
Betriebstemperaturen ("Temperaturspitzen") zu vermeiden. Der
nicht-lineare Zusammenhang zwischen Betriebstemperatur und Lebensdauer
folgt dem Arrhenius-Gesetz, aus welchem sich bei Anwendung auf ein
typisches Halbleiterbauelement ergibt, dass beispielsweise durch eine
Erhöhung
der Betriebstemperatur von 140°C
auf 150°C
(was auf der absoluten Temperaturskala einer Erhöhung der Temperatur von ungefähr 2% entspricht)
die Lebensdauer um ungefähr
30% verringert wird.
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Bisherige
Lösungsansätze bestehen
abgesehen von einer Erhöhung
des Materiallimits vor allem darin, die thermische Anbindung des
elektronischen Bauelements an dessen Umgebung zu verbessern, beispielsweise
durch Bereitstellung von Wärmeableitpfaden
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
zu einer Leiterplatte hin und/oder durch Anbringung eines Kühlkörpers mit
Kühlrippen
in gutem thermischen Kontakt zum Bauelement und/oder dem damit bestückten Schaltungsträger.
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Nachteilig
ist bei den bisherigen Lösungsansätzen oftmals
der damit verbundene Aufwand bei der Herstellung der genannten Vorrichtungen und/oder
bei deren Montage zu einer Elektronikeinheit. Darüber hinaus
ist die Wirkung der bekannten Wärmeableitungsmaßnahmen,
abhängig
vom Anwendungsgebiet, nicht immer zufriedenstellend.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, um
die Betriebstemperatur von elektronischen Bauelemen ten in einfacher
Weise beeinflussen zu können,
insbesondere zur Verlängerung
der Bauelementlebensdauer.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, einen Schaltungsträgeraufbau
nach Anspruch 5, eine Elektronikeinheit nach Anspruch 8 sowie ein
Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 9, 10
oder 11. Die abhängigen
Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, zeitweise im Betrieb eines
elektronischen Bauelements auftretende Betriebstemperaturänderungen durch
einen "thermischen
Speicher" in Form
eines Phasenänderungsmaterials
abzufangen, d. h. eine zeitweise erhöhte oder verringerte thermische
Verlustleistung des Bauelements reversibel in der Umgebung dieses
Bauelements zu speichern.
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Bei
dem elektronischen Bauelement kann es sich um ein beliebiges, in
einer elektronischen Schaltung einsetzbares Element handeln. Derartige
Elemente an sich sind in großer
Vielfalt bekannt, z. B. als aktive oder passive elektronische Bauelemente,
gehäuste
oder ungehäuste
elektronische Bauelemente (z. B. Transistoren, ICs, IC-Module, mikromechanisch
struktuierte Elemente wie z. B. Sensoren mit Auswerteeinheit, Widerstände etc).
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Anstatt
eine zeitweise erhöht
anfallende thermische Energie lediglich abzuführen wird diese Energie gemäß der Erfindung
alternativ oder zusätzlich
zur reversiblen Änderung
der inneren Energie des verwendeten Phasenänderungsmaterials herangezogen,
also kurzfristig dem System entzogen und umgewandelt.
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Der
Begriff "Phasenänderungsmaterial" (engl.: "phase change material", kurz "PCM") bezeichnet hierbei
jedes Material, welchem bei wenigstens einer Temperatur (Phasenänderungstemperatur)
thermische Energie zugeführt
oder entzogen werden kann, ohne dass sich die Temperatur dieses Materials ändert, indem
die zugeführte
bzw. entzogene Energie lediglich einen isothermen Phasenübergang
des Materials (bei konstanter Phasenübergangstemperatur) bewirkt.
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Daraus
ergibt sich insbesondere die Möglichkeit,
Temperaturspitzen der Temperatur eines dem Phasenänderungsmaterial
zugeordneten Bauelements abzufangen, indem die aus der zeitweise
erhöhten
thermischen Verlustleistung resultierende thermische Energie in
Phasenänderungsenergie
umgesetzt und somit gebunden wird. Bei einer nachfolgenden Normalisierung
der Bauelementtemperatur kann die im Material gespeicherte Energie
wieder kontinuierlich abgegeben werden, so dass hinsichtlich der
Alterung bzw. Lebensdauer des Bauelements kritische Temperaturspitzen
verhindert oder zumindest abgemildert werden.
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Prinzipiell
ist als Phasenübergang
jede physikalische und/oder chemische Zustandsänderung verwendbar, welche
zu der erläuterten
Eigenschaft des Materials führt,
also beispielsweise eine reversible Änderung des Aggregatzustands
von fest nach flüssig
und/oder eine bei Zufuhr thermischer Aktivierungsenergie reversibel
endotherm verlaufende chemische Reaktion.
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Wenn
mittels des Phasenänderungsmaterials
zeitweise auftretende Betriebstemperaturanstiege abgefangen werden
sollen, so muss ein Material gewählt
werden, dessen Phasenänderungstemperatur
(z. B. Schmelztemperatur) über
derjenigen Temperatur liegt, die bei normalem Betrieb des oder der zugeordneten,
also z. B. der benachbarten oder über Wärmeleitungspfade thermisch
angebundenen Bauelemente im Bereich dieses Materials vorliegt. Gleichzeitig
muss in diesem Fall die Phasenänderungstemperatur
jedoch unter derjenigen Temperatur liegen, welche sich für diesen
Bereich ergeben würde,
wenn die Betriebstemperatur des Bauelements am Materiallimit ist.
Daraus ergibt sich, dass eine besonders zweckmäßige bzw. optimale Phasenänderungstemperatur
von der Art des oder der thermisch zu stabilisierenden Bauelemente,
den Wärmeleitungseigenschaften
der unmittelbaren Umgebung sowie dem Anordnungsort des Phasenänderungsmaterials
abhängt.
Anhand dieser Überlegungen
ist im Rahmen der Erfindung für
viele Anwendungsgebiete (z. B. Fahrzeugelektronik) oftmals eine
Phasenänderungstemperatur
interessant, die etwa im Bereich von 100°C bis 200°C liegt. Die zweckmäßig zu wählende Phasenänderungstemperatur
hängt jedoch
insbesondere von der Umgebungstemperatur, den thermischen Eigenschaften
des Systems, dem Anordnungsort des Phasenänderungsmaterials und der Höhe der anfallenden
Verlustleistung ab.
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Die
Art und Menge des verwendeten Phasenänderungsmaterials bestimmt
auch die beim Phasenübergang
isotherm maximal zuführbare
bzw. entziehbare Energie (latente Wärme des Phasenübergangs).
In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn die latente Wärme des
Phasenübergangs
eines Bereichs von Phasenänderungsmaterial
wenigstens etwa im Bereich von 10 bis 100 mJ liegt. Diese Größenordnung
der Energie ist geeignet, um in der Leistungselektronik typischerweise
anfallende Leistungsspitzen eines Bauelements (z.B. Halbleiterdiode, Halbleitertransistor
oder -schaltelement) abzufangen.
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Bei
der Wahl der Art und Menge des Phasenänderungsmaterials ist zu berücksichtigen,
dass mit einer größeren maximal
im Material einspeicherbaren Energie mehr elektronische Bauelemente
thermisch stabilisiert werden können
und/oder über
längere
Zeiträume
thermisch stabilisiert werden können. Was
die Dauer der hier interessierenden Temperaturspitzen anbelangt,
so liegt diese typischerweise etwa im Bereich von Bruchteilen einer
Sekunde bis hin zu vielen Sekunden, ebenfalls abhängig von
der Art des oder der Bauelemente und der Anordnung des Phasenänderungsmaterials.
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Das
gemäß der Erfindung
vorgesehene Phasenänderungsmaterial
ist nicht nur vorteilhaft an Orten in der Elektronik einsetzbar,
an denen es zu Temperaturüberhöhungen kommt,
sondern prinzipiell ebenso als "Temperaturspeicher" bei zeitweise auftretenden
Temperaturerniedrigungen einsetzbar. Bestimmte Bauteile (wie z.
B. Dioden) besitzen in bestimmten Anwendungsfällen einen hinsichtlich ihrer Funktion
optimalen Betriebstemperaturbereich, der weder überschritten noch unterschritten
werden sollte. Zum Abfangen von zeitweise auftretenden Betriebstemperaturabfällen solcher
Bauelemente eignet sich ein Phasenänderungsmaterial mit einer
Phasenänderungstemperatur,
die etwa bei oder etwas über
der unteren Grenze desjenigen Temperaturbereichs liegt, der sich
am Ort des Materials bei einer Temperatur des oder der Bauelemente
im optimalen Temperaturbereich ergibt. Durch Verwendung zweier Phasenänderungsmaterialien
mit unterschiedlicher Phasenänderungstemperatur,
die beide einem bestimmten Bauelement zugeordnet sind, lässt sich dementsprechend
die Bauelementtemperatur bezüglich
Temperaturabweichungen nach unten und nach oben abpuffern.
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Phasenänderungsmaterialien
an sich sind in der Technik bekannt. Lediglich beispielhaft seien
an dieser Stelle Kohlenwasserstoffverbindungen (z. B. Paraffine)
sowie organische Salze und Salzverbindungen genannt. Bei Kohlenwasserstoffverbindungen
kann die Änderung
des Aggregatzustands von fest nach flüssig und umgekehrt verwendet
werden, wobei die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur im Wesentlichen
von der Länge
der Molekülketten
abhängt
und somit im Rahmen der Formulierung der Verbindung "maßgeschneidert" werden kann. Paraffine
besitzen typischerweise eine extrem schlechte Wärmeleitfähigkeit, was in manchen Anwendungsfällen insofern
nachteilig sein könnte,
als damit die Ableitung von Verlustwärme vom Bauelement weg mehr oder
weniger verschlechtert wird. Andererseits ist diese schlechte Wärmeleitfähigkeit
von Paraffinen in manchen Anwendungsfällen von Vorteil. So kann ein Vorteil
beispielsweise darin bestehen, dass die zum Abfangen einer Temperaturspitze
in das Material eingespeicherte Energie tendenziell langsamer wieder von
dem Material abgegeben wird.
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Das
verwendete Phasenänderungsmaterial sollte
chemisch inert gegenüber
den im konkreten Anwendungsfall angrenzenden Materialien sein, wie beispielsweise
Au (Bondungen), Glaspassivierung (Chipabdeckung), Al (Pads), Lot,
Gehäusekunststoff, "underfill"-Material etc. Ferner
sollte bei der Auswahl des Phasenänderungsmaterials sichergestellt
werden, dass dessen Temperatur nicht die Verdampfungstemperatur
erreicht, d. h. dass das Material sich zwar verflüssigen kann,
nicht aber verdampfen kann.
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Im
Allgemeinen ist es sinnvoll, ein elektrisch nicht leitendes Phasenänderungsmaterial
zu verwenden, insbesondere um die elektronischen Funktionen des
betreffenden Systems bzw. der betreffenden Komponente nicht zu beeinträchtigen.
In speziellen Anwendungsfällen
kann jedoch auch ein elektrisch leitfähiges Phasenänderungsmaterial
vorteilhaft sein, z. B. um eine Doppelfunktion dieses Materials
zu nutzen (elektrische Verbindung und Energiespeicherung).
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Kraftfahrzeugelektronik.
In diesem Bereich gibt es einen Trend zur Montage von Elektronikeinheiten
(z. B. Steuerelektronik bzw. Steuergeräte) direkt an bestimmten Fahrzeugkomponenten
wie Motor, Getriebe oder Bremsen ("Vorort-Elektronik"), z. B. mit dem Ziel, die Logistik
und die Endmontage zu vereinfachen. Als Konsequenz daraus folgt
jedoch für
die Elektronik eine höhere
Umgebungstemperatur, die der gleichzeitigen Forderung nach einer
Verlängerung
der Lebensdauer und Erhöhung
der Zuverlässigkeit
der Elektronik zuwiderläuft.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden bereits hochtemperaturtaugliche
Bauelementmaterialien eingesetzt. Dieser Ansatz ist jedoch mit hohen
Kosten verbunden. Die ebenfalls bereits verfolgte Verbesserung des "thermischen Managements" durch verbesserte
thermische Anbindung von Bauelementen an deren Umgebung stößt mittlerweile
an die Grenzen der verwendeten Technologien. Daher bietet es sich
gerade in diesem technischen Bereich mit erhöhter Umgebungstemperatur an,
die Erfindung zur Überwindung
derzeit bestehender technologischer Grenzen einzusetzen.
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Aus
den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung werden eine Vielzahl weiterer Vorteile der Erfindung
ersichtlich, von denen an dieser Stelle bereits einige genannt seien:
- – Die
Erfindung trägt
der Erkenntnis Rechnung, dass der Bauelementstress bei einer Temperaturerhöhung überproportional
steigt. Die Verminderung von Temperaturschwankungen führt vorteilhaft
zu einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Ausfällen der
Verbindungstechnik (z. B. Lötungen),
die oftmals gerade durch solche Temperaturschwankungen und/oder
Temperaturspitzen verursacht werden.
- – Zur
Realisierung der Erfindung können
im Bereich der Elektronik bereits bekannte Technologien eingesetzt
werden (z. B. Dispensen eines flüssigen
bzw. aushärtbaren
Materials, Montage eines Kunststoffrahmens als Flussbegrenzung für flüssig aufgebrachtes
Material).
- – Im
einfachsten Fall sind keine zusätzlichen
oder neuartigen Konstruktionen oder zusätzliche Prozessschritte bei
der Fertigung notwendig (z. B. Verwendung eines Phasenänderungsmaterials anstelle
eines "Glob Top"-Vergusses), was
die Realisierung der Erfindung kostengünstig macht.
- – Die
Energiespeicherung gemäß der Erfindung ist
lokal und anwendungsspezifisch einsetzbar bzw. sehr flexibel einsetzbar
(z. B. abhängig
von der einzuspeichernden Wärmemenge
kann die Menge des Phasenänderungsmaterials
angepasst werden).
- – Mit
der Erfindung können
elektronische Vorrichtungen (Bauelemente, Leiterplatten, Elektronikeinheiten
etc.) bereitgestellt werden, bei welchen eine einfache Reparierbarkeit
gewährleistet
ist.
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Das
elektronische Bauelement ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine
Ummantelung, die wenigstens teilweise aus einem Phasenänderungsmaterial,
im Folgenden auch als PCM be zeichnet, gebildet ist. In diesem Fall
entfaltet das PCM seine Wirkung vorteilhaft unmittelbar im Bereich des
elektronischen Bauelements, so dass insbesondere zeitlich sehr kurze
Temperaturabweichungen gut abzufangen sind. Ein solches Bauelement
kann darüber
hinaus ohne irgendwelche Anpassungsmaßnahmen in eine beliebige "thermische Umgebung" eingebaut werden.
Das Wärmespeichervermögen ist dem
Bauelement inhärent.
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Das
Bauelement lässt
sich unter weitgehender Nutzung von herkömmlichen Herstellungstechnologien
fertigen. Das herkömmlich
verwendete Material für
eine Ummantelung, beispielsweise eine Epoxydharzmasse (z. B. Epoxyharz
mit Füllstoffen) oder
Keramik ist lediglich durch ein PCM zu ersetzen oder mit einem PCM
zu ergänzen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Phasenänderungsmaterial von
Bereichen festen Ummantelungsmaterials eingeschlossen ist. Bei diesem
festen Ummantelungsmaterial kann es sich z. B. um ein bislang bereits
verwendetes Epoxydharz oder eine Keramik handeln.
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Insbesondere
wenn das PCM einen Phasenübergang
von fest nach flüssig
oder zähflüssig vorsieht,
so muss dafür
Sorge getragen werden, dass das PCM im Betrieb des Bauelements bei
Verflüssigung
des PCM nicht aus der Ummantelung herausläuft. Dazu bietet es sich an,
das PCM hermetisch einzuschließen.
Fertigungstechnisch kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass
zunächst
eine nach oben hin geöffnete
Ummantelungsstruktur aus dem festen Material gebildet wird, sodann
das PCM in fester oder flüssiger
Form von oben eingefüllt
wird, und schließlich
eine den Austritt des PCM verhindernde Abdeckstruktur aus festem
Material aufgesetzt wird. In diesem Fall bilden die Bereiche des
festen Ummantelungsmaterials also ei nen Hohlraum zum Einschluss
des PCM aus. Alternativ können auch
mehrere solcher Hohlräume
ausgebildet sein, um ein PCM oder mehrere verschiedene PCM einzuschließen. Der
Einschluss wenigstens zweier verschiedener PCM kann z. B. zur oben
erwähnten
Pufferung von Temperaturabweichungen nach oben und nach unten genutzt
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Bereiche festen Ummantelungsmaterials als
schwammartiges oder poröses
Material (z. B. Keramik), insbesondere mit mikroskopischen Poren,
zum Einschluss des PCM ausgebildet sind. In diesem Fall vereinfacht
sich die Herstellung des Bauelements insofern als das Ummantelungsmaterial (mit
beigemischtem PCM) in einem Arbeitsschritt ausgebildet werden kann.
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Der
erfindungsgemäße Schaltungsträgeraufbau
ist gekennzeichnet durch wenigstens einen Hohlraum, der ein PCM
enthält.
Die Wirkung dieses PCM entfaltet sich in diesem Fall nicht innerhalb
des Bauelements oder der Bauelemente, mit denen der Schaltungsträger bestückt ist,
sondern in einem gewissen Abstand hiervon. In diesem Fall sollte
eine gute Wärmeübergangsverbindung
zwischen dem oder den betreffenden Bauelementen und diesem Hohlraum
geschaffen werden. Dies lässt
sich besonders einfach mit den in der Technik bereits gut etablierten
Maßnahmen
zur vertikalen und horizontalen Wärmespreizung bewerkstelligen.
Derartige Maßnahmen
sind hinlänglich
bekannt und bedürfen
keiner detaillierten Erläuterung.
Lediglich beispielhaft seien hierzu horizontal flächig ausgebildete
Wärmeleitungsabschnitte
(z. B. Leiterbahnflächen)
sowie in vertikaler Richtung sich erstreckende elektrische und/oder
thermische Übergangsverbindungen ("vias") genannt, mit denen
dem Hohlraum mehr oder weniger benachbarte Bauelemente thermisch
angekoppelt werden können.
Solche vias sind z. B. vor teilhaft in flächiger Überlappung mit dem PCM-gefüllten Hohlraum
anzuordnen.
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Der
Schaltungsträgeraufbau
besteht im einfachsten Fall aus dem eigentlichen Schaltungsträger, der
in erster Linie zur Aufnahme und elektrischen Verbindung der elektronischen
Bauelemente dient, kann jedoch auch noch weitere Komponenten bzw. Aufbauteile
umfassen, die vorwiegend thermische und mechanische Funktionen erfüllen, wie
z. B. Kühlkörper, Wärmesenken,
Befestigungsmittel, Gehäuseteile.
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Der
Schaltungsträger
kann in Verbindung mit herkömmlichen
elektronischen Bauelementen und/oder den oben beschriebenen erfindungsgemäßen elektronischen
Bauelementen verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass sich der Hohlraum im Inneren des Schaltungsträgeraufbaus
erstreckt und durch wenigstens einen Kanal mit dem Außenraum
verbunden ist. Über
derartige Kanäle,
deren Volumen bevorzugt wesentlich kleiner als das Volumen des Hohlraums
ist, lässt
sich das PCM in fester oder flüssiger
Form einfach einfüllen.
Abhängig
von der Art des PCM und der Orientierung des Schaltungsträgers in
der damit aufgebauten elektronischen Einrichtung kann es zweckmäßig sein,
die Öffnungen
der Kanäle
nach dem Füllen
mit PCM zu verschließen.
Beispielsweise kann bereits bei der Fertigung des Schaltungsträgers bzw.
des Schaltungsträgeraufbaus
das Befüllen
mit PCM und das Verschließen
der Befüllöffnungen
erfolgen. Alternativ kann der Schaltungsträgeraufbau zunächst mit noch
leeren Hohlräumen
gefertigt werden, die bei der Bestückung mit PCM gefüllt und
gegebenenfalls verschlossen werden.
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Eine
besonders gute thermische Kopplung zwischen dem Bauelement und dem
PCM lässt
sich in einer Ausführungsform
sicherstellen, bei welcher der Hohlraum zu einer Bestückungsseite
des Schaltungsträgers
hin offen ist. In diesem Fall kann ein Bauelement unmittelbar an
der offenen Seite des Hohlraums angrenzend angeordnet werden und
somit in direkten Kontakt mit dem PCM gebracht werden.
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Die
erfindungsgemäße Elektronikeinheit, umfassend
einen mit wenigstens einem elektronischen Bauelement bestückten Schaltungsträgeraufbau,
ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement gemäß der Erfindung
ausgebildet ist und/oder der Schaltungsträgeraufbau gemäß der Erfindung
ausgebildet ist und/oder in einem Bereich, der thermisch an das
elektronische Bauelement und/oder den Schaltungsträgeraufbau
angekoppelt ist, insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen dem
elektronischen Bauelement und dem Schaltungsträgeraufbau, ein PCM angeordnet
ist. Eine solche Elektronikeinheit kann also im einfachsten Fall
unter Verwendung von herkömmlichen
Bauelementen und herkömmlichen
Leiterplatten hergestellt werden, wobei bei oder nach der Bestückung der
Leiterplatte ein PCM zur Wärmespeicherung
angeordnet wird. Das PCM kann auch in einer mit dem Schaltungsträger verbundenen
Struktur, z. B. einer Wärmesenke
oder einem Elektronikeinheit-Gehäuse, angeordnet
sein.
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Herkömmliche
Elektronikeinheiten, bei welchen bestückte Substrate bzw. Leiterplattenaufbauten
in einer Gehäusestruktur
untergebracht werden, werden oftmals zum mechanischen Schutz der
Bauelemente und Verbindungen vor dem Schließen des Gehäuses oder Aufsetzen eines Gehäusedeckels
mit einem Silgel vergossen, welches dann im Wesentlichen den gesamten
Gehäusein nenraum
ausfüllt.
Gemäß der Erfindung
könnte
das Silgel durch ein geeignetes PCM ersetzt oder damit angereichert
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
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1 ein
elektronisches Bauelement, in dessen Ummantelung ein mit einem Phasenänderungsmaterial
(PCM) gefüllter
Hohlraum ausgebildet ist,
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2 eine
Darstellung zur Veranschaulichung des Vergusses eines auf einem
Keramiksubstrat angeordneten Chips mit einer PCM-Masse,
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3 einen
auf einem Keramiksubstrat angeordneten und mit PCM-Masse vergossenen
Chip,
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4 eine
Darstellung zur Veranschaulichung der Anordnung eines PCM im Übergangsbereich
zwischen einem elektronischen Bauelement und der darunter befindlichen
Leiterplatte,
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5 und 6 einen
Schaltungsträgeraufbau,
mit einem Hohlraum, der ein PCM enthält (6 um 90° gedreht
gegenüber 5),
und
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7 und 8 einen
Schaltungsträgeraufbau ähnlich dem
in den 5 und 6 dargestellten Aufbau, wobei
jedoch der mit PCM gefüllte
Hohlraum nach oben hin offen ist (8 um 90° gedreht gegenüber 7).
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1 zeigt
ein insgesamt mit 10 bezeichnetes elektronisches Bauelement
mit Anschlusspins 12 und 12' zum Anschluss des Bauelements,
die in bekannter Weise aus einem Gehäuse 14 (Ummantelung)
herausragen.
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Das
Gehäuse 14 besteht
in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem Gehäuseboden 16 und
einem darauf aufgesetzten Gehäusedeckel 18.
Diese Gehäuseteile
sind aus Keramik gebildet und begrenzen im Inneren des Bauelements 10 einen
Hohlraum 20, der im Wesentlichen vollständig mit einem Phasenänderungsmaterial,
im Folgenden auch kurz "PCM", gefüllt ist.
Dieses PCM wurde bei der Fertigung des Bauelements 10 in
die nach oben offene Aussparung des Gehäusebodens 16 eingefüllt bevor der
Gehäusedeckel 18 in
einem zweiten Arbeitsschritt aufgesetzt wurde.
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Der
Klarheit der Darstellung halber, und weil dies im Rahmen der Erfindung
eine nebengeordnete Rolle spielt, ist die eigentliche elektronisch
wirksame Struktur, hier also z. B. ein Halbleiterplättchen mit
aktiver Fläche
und Bondungen zu einem "lead
frame", nicht dargestellt.
Dieser elektronisch wirksame Bereich befindet sich bei dem Bauelement 10 unterhalb des
Hohlraums 20 im Gehäuse 14 eingebettet.
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Die
Figur zeigt das Bauelement 10 bereits einsatzbereit auf
einem Leiterplattenaufbau (Schaltungsträgeraufbau) 40 einer
elektronischen Einrichtung montiert.
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Eine
Leiterplatte 42 besteht in an sich bekannter Weise aus
einem kupferbeschichteten elektrisch isolierenden Leiterplattensubstrat.
Nach unten hin schließt
sich daran eine Wärmeableitungslage 44 ("thermal interface
material", kurz "TIM") und eine metallische
Wärmesenke 46 (aus
Aluminium) an. Die Anschlusspins 12 und 12' sind an Lötstellen 48 und 48' über eine
Metallisierungsschicht mit der strukturierten Kupferschicht des
Substrats 42 elektrisch verbunden.
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Dieser
an sich bekannte Leiterplattenaufbau gewährleistet eine mehr oder weniger
gute Abfuhr von Wärme,
die im Betrieb des Bauelements 10 als elektrische Verlustleistung
erzeugt wird. Diese Wärme
wird einerseits über
die Anschlusspins 12 und 12' und über die Lötstellen 48 und 48' und andererseits über eine
Wärmeableitfläche 50 ("heatslug") des Bauelementbodens
und eine Verbindungsschicht (Haftschicht) zur Leiterplatte 42 übertragen.
Dort findet durch die thermisch leitfähigen Lagen (Kupferschichten)
eine horizontale Wärmespreizung
statt. Ferner wird die Wärme
zu einem großen
Teil auch vertikal zur Wärmesenke 46 hin übertragen.
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Unabhängig von
diesen bekannten Wärmeableitungsmaßnahmen
kann durch die Verwendung des dargestellten Bauelements 10 Wärme auch
besonders rasch dem elektronisch aktiven Bereich entzogen und isotherm
in das PCM eingespeichert werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
können somit
kurzzeitig auftretende Verlustleistungsspitzen abgefangen werden.
Das PCM im Hohlraum 20 dient als "Temperaturpuffer". Wenn sich die Verlustleistung des
Bauelements 10 nach einer solchen Leistungsüberhöhung wieder
absenkt (normalisiert), wird die eingespeicherte Wärme reversibel
wieder an die Umgebung abgegeben. Das PCM dient somit als thermischer
Kondensator. Durch die Glättung
des zeitlichen Temperaturverlaufs wird die Lebensdauer des Bauelements 10 und
somit der damit aufgebauten Elektronikeinheit erheblich verlängert.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sieht
das PCM einen Phasenübergang
von fest nach flüssig
bei Überschreiten
einer Temperatur von 140°C
und den reversiblen Übergang
von flüssig nach
fest bei Unterschreiten einer Temperatur von 140°C vor. Sofern bei diesem Phasenübergang,
abhängig
von der Art des PCM, überhaupt
eine nennenswerte Volumen- bzw. Druckänderung stattfindet, kann diese
in der Regel durch die festen Ummantelungsbereiche 16, 18 aufgenommen
werden. Alternativ oder zusätzlich
könnten
Maßnahmen
zur Abmilderung der Wirkung einer Volumen- bzw. Druckänderung
des Materials beim Phasenübergang
getroffen werden, beispielsweise in Form von Druckausgleichsöffnungen
in der Ummantelung 14 und/oder in Form eines kleineren
Füllgrads
(= Volumen des PCM/Hohlraumvolumen). Im letzteren Fall dient der
nennenswerte Anteil an eingeschlossener Luft als "Druckpuffer".
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Wenngleich
eine Verklebung oder Verlötung der
Wärmeableitfläche 50 des
Bauelements 10 der Wärmeableitung
zur Leiterplatte 42 hin förderlich ist, so könnte abweichend
vom dargestellten Beispiel auf eine solche Ankopplung auch verzichtet
werden, zumal dann noch eine Wärmeableitung über die
Anschlusspins 12, 12' stattfindet und die zeitweise
Einspeicherung von Verlustwärme
in das PCM erfolgen kann. Ein zusätzlicher Vorteil wäre hierbei
die bessere Reparaturmöglichkeit
der Elektronikeinrichtung durch problemlosen Austausch des Bauelements 10.
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Abweichend
vom dargestellten Ausführungsbeispiel,
wenn es sich bei dem Bauelement z. B. um einen Chip mit offenem
Gehäuse
handelt, wie dies beispielsweise bei einigen Arten von Sensoren üblich ist,
könnte
das PCM an der offenen Gehäuseseite aufgebracht
werden und, falls erforderlich, mit einer zusätzlichen Flussschutzabdeckung
versehen werden, die ein Herauslaufen des PCM im flüssigen Zustand
verhindert.
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Wenn
ein Phasenübergang
von fest nach "zähflüssig" vorgesehen ist,
so kann in vielen Fällen auf
einen Flussschutz ganz verzichtet werden.
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Ebenfalls
abweichend vom dargestellten Beispiel wäre es vorstellbar, ein PCM
als zusätzliche (strukturierte)
Schicht auf dem Halbleitersubstrat zu verwenden, die bereits bei
der Herstellung des Halbleiterbauelements auf Waferebene durch einen
oder mehrere zusätzliche
Prozessschritte der Halbleitertechnologie aufgebracht und strukturiert
wird. Diese zusätzliche
Schicht, die mangels elektronischer Funktion als ein Teil der Ummantelung
des Bauelements zu betrachten ist, könnte z. B. aus Indium gebildet
werden, das einen Schmelzpunkt von etwa 156°C besitzt. Falls im konkreten
Anwendungsfall erforderlich, kann diese Schmelztemperatur durch
geeignete Beimischungen noch besser angepasst werden.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für analoge Komponenten
die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur
Unterscheidung der Ausführungsform.
Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw.
den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich auf
die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen
jeweils beschriebenen Besonderheiten können vorteilhaft zumeist auch
kombiniert werden.
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2 veranschaulicht
die Einbettung eines ungehäusten
und auf einer Keramik 40a montierten Bauelements (IC-Chip) 10a in
einer PCM-Masse. Hierzu wird zunächst
ein Flussbegrenzungsrahmen 56a das Bauteil 10a umgebend
aufgesetzt, wie in 2 links ersichtlich. Dieser
Rahmen 56a ist aus Kunststoff ge bildet und wird wie ein
Bauteil montiert und über
das betreffende elektronische Bauteil 10a gesetzt. Der
Rahmen 56a dient als Flussbegrenzung für den nachfolgenden Verguss
mit einer PCM-Masse, welche als pastöse Mischung des eigentlichen PCM
und einer auch nach einer gewissen Aushärtung dauerelastischen Vergussmasse
aufgetragen wird. Alternativ ist es möglich, ein elastisches PCM aufzutragen.
Der vergossene Zustand ist in 2 rechts
ersichtlich. Bis auf die Verwendung einer PCM-Masse, also einer
ein PCM enthaltenden oder ein PCM ausbildenden Vergussmasse, entspricht dieses
Verfahren dem an sich bekannten "Glob Top"-Verguss, der herkömmlicherweise
als mechanischer Schutz der Bonddrähte dient und ebenfalls mittels
eines Kunststoffrahmens als Flussbegrenzung durch einen Dispenser
in den Rahmen eingegossen wird. Bei der in 2 dargestellten
Ausführung
dient dieser Verguss jedoch gleichzeitig als Wärmespeicher zum Abfangen von
zeitweisen Verlustleistungsabweichungen. Ferner dient dieser Rahmen 56a auch
als Flussschutz nach einer Verflüssigung
des PCM im Betrieb.
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Hinsichtlich
der Befüllung
des Flussbegrenzungsrahmens 56a ist anzumerken, dass durch
Zugabe geeigneter Füllmaterialien
das PCM so modifiziert werden kann, dass die mechanischen Eigenschaften
(thermischer Ausdehnungskoeffizient, Elastizitätsmodul etc.) denen der herkömmliche
Glob Top-Masse entsprechen. Der Zustand des PCM könnte beim
Einfüllen
fest (z. B. als Pulver) oder flüssig
sein. In letzterem Fall unter der Bedingung, dass die Temperatur
der flüssigen
PCM-Masse eine hinsichtlich einer Schädigung des betreffenden Bauteils kritische
Temperatur nicht überschreitet.
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Eine ähnliche
Anwendung ist auch bei "Flip Chip"-Bauelementen möglich, wie
in 3 veranschaulicht. Ebenso wie bei dem "Chip on Board"-Aufbau von 2 wird
auch hier ein Rahmen 56b für die PCM-Begrenzung verwendet.
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Im
Unterschied zu der Ausführungsform nach 2 ist
das Bauelement 10b (IC-Chip) an dessen Unterseite kontaktiert.
In der Figur ist eine der Verbindungsstellen mit 48b gekennzeichnet.
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Die
Verbindungsstellen 48b in Form so genannter "balls" dienen zur elektrischen
Kontaktierung des dargestellten "Flip
Chips" 10b auf
der Keramik 40b. Solche "balls" bestehen üblicherweise aus Lot oder elektrisch
leitfähigem
Kleber (z. B. Silberleitkleber). Alternativ könnte z. B. Indium oder eine
andere elektrisch leitfähige
PCM-Masse an dieser Stelle eingesetzt werden, so dass die "balls" sowohl elektrisch kontaktieren
als auch zur Wärmespeicherung
dienen. Üblicherweise
werden die "balls" mit einem "underfill" umschlossen, welches
mittels einer seitlich angesetzten Düse und durch Kapillarkräfte in den Zwischenraum
eingebracht wird. Im Rahmen der Erfindung könnte das "underfill"-Material durch ein PCM ersetzt oder
damit gemischt verwendet werden. Eine andere Möglichkeit hierzu wäre es, bei
den derzeitigen Aufbauten zusätzliche "thermische balls", bestehend aus einem
PCM, hinzuzufügen.
Diese zusätzlichen "balls" müssten hierbei
keine mechanischen oder elektrischen Funktionen übernehmen und lediglich die
Wärmespeicherfunktion
bereitstellen.
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4 veranschaulicht
eine Umspritzung der Lötverbindungen
zu einer Leiterplatte 42c hin mit einem PCM. Ein gehäustes Bauelement 10c (hier:
ein Leistungshalbleiter mit verlötetem "heatslug") ist mit den Enden
von Anschlusspins 12c und 12c' mittels Verlötung auf der Bestückungsseite
einer Leiterplatte 42c montiert. Diese Lötverbindungen
nach unten auf die Lei terplatte 42c sind ein Wärmepfad
bei der thermischen Anbindung des Bauelements 10c, neben
einem Hauptwärmepfad über den "heatslug" nach unten. In der
Figur sind die Wärmepfade
durch Pfeile symbolisiert. Insbesondere wenn vergleichsweise viel
Wärme über die
Anschlusspins 12c, 12c' geleitet wird und/oder die Wärmeabfuhr
mittels der Leiterplatte 42c nur unzureichend ist, so kann
es im Bereich der Anschlusspins und deren Verlötung auf der Kupferbeschichtung
des Substrats 42c zu einer nachteiligen Stauung der Wärme kommen.
Dies fördert
eine schnelle Alterung (Ausbildung verschiedener Phasen) der Lötverbindungen,
die zu einem Ausfall der Verbindungen führen können, z. B. durch Risse im Bereich
der Verlötung.
Die nachträgliche
Umspritzung des Übergangsbereiches
zwischen dem Bauelement 10c und der Leiterplatte 42c,
insbesondere im Bereich der Anschlusspins 12c und 12c', schafft jedoch
eine Möglichkeit
zur temporären
Wärmespeicherung
im PCM, so dass dieses umspritzte Material nicht nur zur Temperaturpufferung
hinsichtlich der Betriebstemperatur des Bauteils sondern auch hinsichtlich
der Lötstellentemperatur
dient. Mithin wirkt das PCM bei diesem Ausführungsbeispiel auch besonders
effizient gegen temperaturbedingte Beschädigungen der Lötstellen.
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Beim
Aufbringen des PCM kann als Flussbegrenzung beispielsweise ein Lötstoplack
dienen, der auf Grund der Oberflächenspannung
des PCM verhindert, dass das Material verläuft. Auch im späteren Betrieb
wird damit nach einer Verflüssigung
des PCM dessen Verlaufen verhindert. Alternativ wäre es auch möglich, einen
wie oben bereits beschriebenen Flussbegrenzungsrahmen aufzusetzen,
der dann nicht vollständig
mit PCM-Masse gefüllt
wird, damit das Gehäuse
des Bauteils 10c unbedeckt bleibt.
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Die 5 und 6 zeigen
einen Schaltungsträgeraufbau 40d mit
einem Hohlraum 60d, der ein PCM enthält. Der Aufbau 40d besteht
hier aus einer Leiterplatte 42d, einer Klebefolie (Wärmeableitungslage) 44d und
einer Wärmesenke 46d.
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Die
Temperaturpufferfunktion dieses PCM ist in diesem Beispiel einem
Bauelement 10d zugeordnet bzw. angepasst. Zu diesem Zweck
entspricht die horizontale Ausdehnung des Hohlraums 60d etwa der
Ausdehnung derjenigen Fläche,
in welcher das Bauelement 10d in direktem thermischen Kontakt
mit der Oberseite der Leiterplatte 42d steht.
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Abweichend
vom dargestellten Beispiel könnte
ein solcher Hohlraum 60d auch mehreren Bauelementen zugeordnet
werden, indem z.B. die horizontale Ausdehnung dieses Hohlraums eine Mehrzahl
von Bauelementen überlappt.
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Der
Hohlraum 60d ist durch zwei Kanäle 62d und 62d', die durch
Bohrungen gebildet sind, mit dem Außenraum verbunden. Diese Kanäle dienen
zur Befüllung
des Hohlraums mit PCM (62d) und zur Entlüftung des
Hohlraums während
der Befüllung
(62d').
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Abweichend
vom dargestellten Beispiel könnte
auf die Kanäle 62d, 62d' auch verzichtet
werden, indem z. B. beim Aufbringung einer ausgesparten Klebefolie
bzw. Wärmeableitungslage 44d auf
die Wärmesenke 46d der
ausgesparte Bereich (Hohlraum) sogleich mit PCM gefüllt wird
und dann die Leiterplatte 42d aufgebracht wird, so dass
der befüllte Hohlraum
geschlossen wird. Hierbei ist es von Vorteil hinsichtlich der bei
einem Phasenübergang
gegebenenfalls vorliegenden Volumen- bzw. Druckänderung, den Hohlraum nur teilweise
mit PCM zu füllen.
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Die
Realisierung des Hohlraums als ausgesparter Bereich einer Lage des
Aufbaus 40d ist fertigungstechnisch relativ einfach. Wenn
hierfür
eine relativ dünne
Lage, wie z. B. die dargestellte Klebefolie 44d verwendet
wird, so ist dies von Vorteil für
eine PCM-Befüllung
durch Kapillarwirkung.
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Wenn
die PCM-Befüllung
erst bei der Bestückung
der Leiterplatte 42d erfolgt, so könnten die Öffnungen der Kanäle 62d, 62d' auch z. B.
durch eine Vergussmasse verschlossen werden.
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Bevorzugt
ist, wie dargestellt, der Querschnitt der Kanalöffnungen wesentlich kleiner
als der Querschnitt des Hohlraums 60d. Prinzipiell kann
das PCM in flüssigem
oder festem (z. B. pulverförmigem) Aggregatzustand
in den Hohlraum 60d eingebracht werden. Im Hinblick auf
eine rasche und einfache Befüllung
ist zumeist ein flüssiger
oder zähflüssiger Zustand
zu bevorzugen. Das Befüllen
kann erfolgen durch Einpressen des PCM mit Überdruck oder durch Einsaugen
des PCM mit Unterdruck oder durch die auf das PCM wirkende Kapillarkraft
des Kanals. Bei diesen Verfahrensvarianten kann beispielsweise nach
der Bestückung
der Leiterplatte 42d ein auf die Mündung eines Kanals aufgesetzter
Düsenkopf
zum Befüllen
(oder zur Unterdruckerzeugung) verwendet werden.
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Abweichend
vom dargestellten Ausführungsbeispiel
könnte
der Hohlraum 60d sich alternativ oder zusätzlich auch
in einer anderen vertikalen Position erstrecken, etwa durch entsprechende
Aussparungen im Bereich der Leiterplatte 42d und/oder der Wärmesenke 46d.
Nachfolgend wird eine solche Ausführung beschrieben.
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Die 7 und 8 zeigen
einen Leiterplattenaufbau 40e, bei dem eine Leiterplatte 42e unter
einem Leistungsbauelement 14e vollständig ausgespart ist. Diese
als der Hohlraum 60e dienende Aussparung ist vollständig mit
einem PCM gefüllt,
welches wie dargestellt in direktem Kontakt zu der Unterseite des
Bauelements 10e steht.
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Wenn
bei dieser Variante das PCM einen Fest-Flüssig-Phasenübergang bei der Phasenänderungstemperatur
vorsieht, so muss sichergestellt sein, dass der mechanische Kontakt
zwischen der Bauelementunterseite und der PCM-Oberfläche auch
bei häufiger
Verflüssigung
im Feld erhalten bleibt. In dieser Hinsicht ist abweichend vom dargestellten
Beispiel eine Ausführungsform
interessant, bei welcher ein unterer Abschnitt der Ummantelung 14e des
Bauelements 10e in das PCM "eintaucht". Hierzu können vor der Montage des Bauelements 10e beispielsweise
dessen Anschlusspins nach oben gebogen werden, so dass der montierte
Bauelementkörper
tiefer in die Aussparung bzw. den Hohlraum 60e eingebettet
wird. Bei dieser Ausführungsform könnte vor
der Montage des Bauelements das PCM in festem Zustand eingefüllt werden.
Beim Auflöten (oder
Kleben) der Anschlusspins könnten
durch eine teilweise Verflüssigung
des PCM gegebenenfalls vorhandene Höhenunterschiede der PCM-Oberfläche ausgeglichen
werden.
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Bei
den zuletzt beschriebenen Ausführungsformen
dient die nach oben hin offene Aussparung in der Leiterplatte selbst
als Flussschutz für
das PCM, so dass auf einen wie oben bereits beschriebenen Flussschutzrahmen
verzichtet werden kann. Optional könnte ein Verschluss dieser
Aussparung auch mit dem Bauelement stattfinden.
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Falls
die Phasenänderung
PCM als Verflüssigung
vorgesehen ist und der Leiterplattenaufbau 40e nicht unbedingt
in der dargestellten Orientierung in der fertigen Elektronikeinheit
ver wendet wird, so kann ein Herauslaufen des PCM im verflüssigtem
Zustand zuverlässig
beispielsweise durch einen umlaufenden Verguss des Spalts zwischen
der Ummantelung 14e und dem Rand der Aussparung 60e nach der
Befüllung
verhindert werden. Alternativ könnte eine
Phasenänderung
von fest nach zähflüssig oder ein
Fest-Fest-Phasenübergang
(z. B. eine Änderung der
Kristallstruktur) eine solche Abdichtung entbehrlich machen.