DE10351826A1

DE10351826A1 - Leiterplatte mit mindestens einem elektronischen Bauelement

Info

Publication number: DE10351826A1
Application number: DE2003151826
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Thiel; Jörg Dipl.-Ing. Graubmann
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Für eine größtmögliche Wärmeabführung bei einer mit einem elektronischen Bauelement (4) bestückten Leiterplatte (1), insbesondere einer Mehrschicht-Leiterplatte mit in Schichten angeordneten leitenden Flächen (2), ist im Auflagebereich (8) eines elektronischen Bauelements (4) zur Wärmeableitung eine Anzahl von die Schichten durchlaufenden Durchkontaktierungen (10) angeordnet, wobei zusätzlich zu den Durchkontaktierungen (10) ein die Schichten durchlaufender Kühlkörper (12) vorgesehen ist, der unmittelbar mit der jeweiligen leitenden Fläche (2) kontaktiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte, insbesondere eine Mehrschicht-Leiterplatte mit in Schichten angeordneten leitenden Flächen und mit mindestens einem elektrischen Bauelement.

Eine solche Mehrschicht-Leiterplatte (auch Multi-Layer-Leiterplatte genannt) umfaßt üblicherweise in Schichten angeordnete leitende Flächen und ist beispielsweise herkömmlich als sogenannte FR4-Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplatte dient beispielsweise der Aufnahme verschiedenartiger elektrischer und elektronischer Bauelemente. Beim Betrieb der elektronischen Bauelemente kommt es zu einer starken Erwärmung, die gewöhnlich mittels Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte im Bereich der Auflageflächen des Bauelements abgeführt wird. Mit anderen Worten: Die Durchkontaktierungen leiten in Form von Hülsen die von dem elektronischen Bauelement erzeugte Verlustwärme ab, indem mittels der Durchkontaktierungen die Wärme von einer Seite der Leiterplatte auf die andere Seite übertragen wird. Eine derartige Leiterplatte ist beispielsweise aus der DE 41 07 312 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leiterplatte, insbesondere eine Mehrschichten-Leiterplatte, anzugeben, welche eine besonders gute Wärmeableitung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dabei weist eine Leiterplatte, insbesondere eine Mehrschicht-Leiterplatte in Schichten angeordnete Wärme leitende Flächen und mindestens ein elektronisches Bauelement auf, in dessen Auflagebereich zur Wärmeableitung eine Anzahl von die Schichten durchlaufenden Durchkontaktierungen angeordnet sind, wobei zusätzlich zu den Durchkontaktierungen ein die Schichten durchlaufenden Kühlkörper vorgesehen ist, der unmittelbar mit der jeweiligen Wärme leitenden Fläche kontaktiert ist.

Zweckmäßigerweise ist der Kühlkörper als Stanzteil gefertigt. Hierdurch ist ein Kühlkörper geschaffen, welcher besonders einfach und effektiv die Wärme abgibt. Der Kühlkörper ist vorzugsweise unbeschichtet aus einer Kupferlegierung, z.B. CuSn6, gefertigt. Eine Potentialtrennung wird dadurch bewirkt, dass sowohl die Auflagefläche des elektronischen Bauelements, die Wärme leitenden Lagen oder Flächen und der Kühlkörper auf Masse liegen.

In Abhängigkeit von der Größe und Art der elektronischen Bauelemente, und daraus resultierend in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärmemenge ist der Kühlkörper aus einem die Schichten durchlaufenden Stift gebildet, der vorzugsweise oberflächenseitig ein- oder beidseitig einen Kühlkopf aufweist. Über den oberflächenseitig ein- oder beidseitig angeordneten Kühlkopf wird die Wärme an die Umgebung der Leiterplatte abgeführt. Bei einem elektronischen Bauelement im Bereich der Leistungselektronik ist der Kühlkörper entsprechend groß in seinen Abmessungen ausgebildet.

Für eine sichere und gegenüber mechanischen Belastungen feste Anordnung des Kühlkörpers ist der Stift vorzugsweise als massiver Einpresspin ausgebildet. Unter massiv wird hierbei ein Einpresspin verstanden, der sich im Gegensatz zu einem flexiblen Einpresspin beim Einpressen nicht verformt. Zweckmäßigerweise weist der Kühlkörper zwei oder mehrere derartige Einpresspins auf, um in Verbindung mit entsprechend ausgebildeten massiven Einpresszonen der Leiterplatte eine möglichst große Wärmeübertragung in der Leiterplatte zu erreichen. Vorzugsweise weist der Einpresspin ein im Querschnitt rechteckförmigen oder kreisförmigen Stiftschaft mit einer Stiftspitze am Schaftende auf. Diese Stiftspitze bildet quasi eine Einpressschräge beim Einsetzen des Kühlkörpers in das den jeweiligen Einpresspin zugeordneten zweckmäßigerweise die Schichten durchkontaktierenden Leiterplattenloch. Dies ermöglicht, insbesondere bei einer automatisierten Leiterplattenbestückung, eine zuverlässige Montage des Kühlkörpers, der hierzu mittel dessen Einpresspins in die durchkontaktierten Leiterplattenlöcher eingepresst wird. Zusätzlich wird ein besonders günstiges Einpressverhalten einerseits und eine besonders zuverlässige Wärme übertragende Kontaktierung sowie mechanische Haltbarkeit andererseits dadurch erzielt, dass die Kanten des rechteckförmigen Stiftschaftes angefast sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkopf darüber hinaus mit einer als eine den Einpresspin seitlich überragenden Anlageschulter ausgebildeten Einpresshilfe versehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch einen die Leiterplatte durchkontaktierenden Kühlkörper, welcher direkt mit den jeweils Wärme leitenden Flächen der Leiterplatte kontaktiert, eine besonders gute Wärmeableitung mit einem besonders hohen Wärmeleitwert erreicht ist. Darüber hinaus ist durch die Ausführung des Stiftes des Kühlkörpers als massivem Einpresspin eine Montagevereinfachung bei gleichzeitig sicherer Wärme übertragender Kontaktierung des Kühlkörpers auf der Leiterplatte erreicht. Insbesondere wird der bei der Leiterplattenbestückung mittels einer Einpress-Station eingepresste Kühlkörper ohne separates oder selektives Löten montiert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch eine Leiterplatte mit mehreren in Schichten angeordneten Flächen, einem elektronischen Bauelement und einem Kühlkörper zur Wärmeableitung, und
2 schematisch im Querschnitt ein Leiterplattenloch mit einem darin angeordneten Kühlkörper.
1 zeigt eine Leiterplatte 1, insbesondere eine Mehrschicht-Leiterplatte. Die Leiterplatte 1 weist mehrere in Schichten angeordnete Wärme leitende Flächen 2 auf. Die Wärme leitenden Flächen 2, insbesondere Kupferlagen, sind oberflächenseitig und/oder innen liegend angeordnet. Des Weiteren ist oberflächenseitig auf der Leiterplatte 1 mindestens ein elektronisches Bauelement 4, z. B. ein Schaltkreis, ein Widerstand oder ein ähnliches elektronisches Halbleiterbauelement, angeordnet. Das elektronische Bauelement 4 ist über Kontakte 6, insbesondere SMD-Kontakte (SMD = surface mounted device) mit einem elektrischen Potential A elektrisch verbunden. Das elektrische Potential A ist üblicherweise durch eine leitende Oberflächenlage auf der Leiterplatte 1 gebildet.
In einem Auflagebereich 8 des elektronischen Bauelements 4 sind zur Wärmeableitung eine Anzahl von Durchkontaktierungen 10 vorgesehen, welche als Bohrungen bei der Herstellung der Leiterplatte 1 in bekannter Weise eingebracht werden. Mittels der Durchkontaktierungen 10 wird somit die im Betrieb des elektronischen Bauelements 4 entstehende Wärme von einer Seite der Leiterplatte 1 auf die andere Seite der Leiterplatte 1 übertragen und dort an die Umgebung abgegeben.
Insbesondere bei der Ausführung des elektronischen Bauelements 4 als Leistungselektronik kommt es zu einer Wärmeentwicklung, bei welcher die Wärmeabführung mittels der Durchkontaktierungen 10 nicht mehr ausreichend ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Abführung der Wärme zusätzlich zu den Durchkontaktierungen 10 ein die Schichten durchlaufender Kühlkörper 12 verwendet. Der Kühlkörper 12 ist dabei in eine durch die Leiterplatte 1 führende Bohrung 14 eingebracht, so dass der Kühlkörper 12 unmittelbar mit der jeweiligen Wärme leitenden Fläche 2 kontaktiert.
Der Kühlkörper 2 ist bevorzugt ein Stanzteil, z. B. aus CuSn6, gefertigt. Sowohl die Auflagefläche 8 des elektronischen Bauelements 4, die Wärme leitenden Flächen 2 als auch der Kühlkörper 12 liegen auf Masse und sind von anderen Potentialen, insbesondere vom elektrischen Potential A getrennt. D.h. die elektrisch leitenden Flächen oder Potentiale A sind von den Wärme leitenden Flächen 2 getrennt.
Je nach Größe und Funktion des elektronischen Bauelements 4 ist der Kühlkörper 12 in seinen Abmessungen entsprechend ausgebildet. Bevorzugt weist der Kühlkörper 12 einen durch die Schichten durchlaufenden Stift 16 auf, der ein- oder beidseitig mit einem Kühlkopf 18 auf einer der Oberflächenseiten der Leiterplatte 1 versehen ist.
Der Stift 16 ist bevorzugt als ein massiver Einpresspin ausgebildet, so dass der Kühlkörper 12 besonders einfach und sicher montiert werden kann. Der als Einpresspin ausgebildete Stift 16 weist hierzu zweckmäßigerweise einen im Querschnitt rechteckförmigen oder kreisförmigen Stiftschaft mit einer Stiftspitze 20 am Schaftende auf. Für eine sichere Anordnung des Kühlkörpers 12 weist der Kühlkopf 18 eine als eine den Einpresspin seitlich überragende Anlageschulter 22 ausgebildete Einpress- oder Fixierhilfe auf. Die Anlageschultern 22 dienen als Einpress- oder Fixierhilfe, indem ein entsprechendes Werkzeugmittel einer (nicht dargestellten) Einpressvorrichtung beim Einpressvorgang an den Anlageschultern 22 angreifen. Der Kühlkopf 18 weist zudem Aufstandsflächen B zur Wegbegrenzung auf.
2 zeigt einen in ein zugeordnetes Leiterplattenloch oder eine zugeordnete Bohrung 14 einer Leiterplatte 1 eingepressten Kühlkörper 12 in Querschnittsdarstellung. Je nach Querschnittsform des Stifts 16 kann beim Einpressen des massiven Kühlkörpers 12 in das zugehörige Leiterplattenloch oder in die Bohrung 14 eine Einpresszone 24 durch eine Verformung der Bohrung 14 entstehen. Der Stift 16 oder Einpresspin, insbe sondere dessen Stiftschaft, verformt sich aufgrund der massiven Ausführungsform beim Einpressen praktisch nicht und weist hierzu im Querschnitt eine größere Diagonale auf als der Durchmesser der Bohrung 14. Aufgrund der Ausbildung des Kühlkörpers 12 in massiver Einpresstechnik kann einerseits ein separates oder selektives Löten entfallen. Andererseits wird in Verbindung mit einer ansonsten in SMD-Technik ausgeführten Bestückung der Leiterplatte 1 mit weiteren Baugruppen oder Bauelementen 4 eines nicht näher dargestellten Steuergerätes, insbesondere eines Steuergerätes für ein Fahrzeug, eine besonders kostengünstige und effektive Leiterplattenmontage oder -bestückung ermöglicht.

1: Leiterplatte
2: kontaktierende Wärme leitende Fläche
4: elektronisches Bauelement
6: Kontakte, insbesondere SMD-Kontakte
8: Auflagebereich
10: Durchkontaktierungen
12: Kühlkörper
14: Leiterplattenloch oder Bohrung
16: Stift
18: Kühlkopf
20: Stiftspitze
22: Anlageschulter
24: Einpresszone
A: elektrisches Potential
B: Aufstandsfläche

Claims

Leiterplatte (1), insbesondere Mehrschicht-Leiterplatte mit in Schichten angeordneten leitenden Flächen (2) und mit mindestens einem elektronischen Bauelement (4), in dessen Auflagebereich zur Wärmeableitung eine Anzahl von die Schichten durchlaufenden Durchkontaktierungen (10) angeordnet ist, wobei zusätzlich zu den Durchkontaktierungen (10) ein die Schichten durchlaufender Kühlkörper (12) vorgesehen ist, der unmittelbar mit der jeweiligen leitenden Flächen (2) kontaktiert ist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper (12) als ein Stanzteil ausgebildet ist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlkörper (12) aus einem die Schichten durchlaufenden Stift (16) mit einem oberflächenseitig ein- oder beidseitig angeordneten Kühlkopf (18) gebildet ist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 3, wobei der Stift (16) als massiver Einpresspin ausgebildet ist.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Einpresspin einen im Querschnitt rechteckförmigen oder kreisförmigen Stiftschaft mit einer Stiftspitze (20) am Schaftende aufweist.
Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Kühlkopf (18) mit einer als eine den Einpresspin seitlich überragenden Anlageschulter (22) ausgebildeten Einpresshilfe versehen ist.
Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die leitenden Fläche (2), insbesondere Kupferlagen, oberflächenseitig und/oder innen liegend angeordnet ist.
Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bauelement (4) oberflächenmontiert ist.