DE10352711A1

DE10352711A1 - Leiterplattenanordnung

Info

Publication number: DE10352711A1
Application number: DE2003152711
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Kastelnik
Original assignee: Wuerth Elektronik Rot am See GmbH and Co KG
Current assignee: Wuerth Elektronik Rot am See GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: DE10352711B4

Abstract

Eine Leiterplatte wird mit ihrer Rückseite mit einem Leiterplattenträger verbunden, der aus einem Metallschaum aufgebaut ist. Der Leiterplattenträger bietet eine große Stabilität bei geringem Gewicht und eröffnet die Möglichkeit, durch Verwendung eines Wärmeträgerfluids eine Kühlung und/oder eine Erwärmung der Leiterplatte über praktisch ihre gesamte Fläche zu bewirken. Mit Hilfe eines integrierten Temperatursensors und einer Steuerung ist es möglich, durch das Wärmeträgerfluid die Baugruppen auf Temperatur zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Träger.
Es ist bekannt, dass die auf den Leiterplatten angeordneten elektronischen Bauelemente zum Teil Wärme entwickeln. Diese Wärme muss abgeführt werden, um das korrekte Funktionieren der Baugruppen zu gewährleisten.

Es ist zu diesem Zweck bekannt, auf die Leiterplatten mit Hilfe von elektrisch leitenden Klebern so genannte heat sinks anzubringen, die eine vergrößerte Oberfläche aufweisen und dadurch zu einer besseren Wärmeabgabe an die umgebende Luft führen (EP-A-1103170).

Weiterhin ist es bekannt, zum Abführen der Wärme der an einer Leiterplatte angebrachten Bauteile die Leiterplatte an mindestens einer Stelle mit einem Ankopplungsbereich zu versehen, der mit Hilfe eines thermisch leitenden Klebers an einem Träger angeklebt wird, der ebenfalls Wärme leitende Eigenschaften aufweist (EP-A2-1049362).

Solche Träger dienen auch zur mechanischen Stabilisierung der Leiterplatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Leiterplattenanordnung im Hinblick auf gute Wärmeabführeigenschaften als auch mechanische Stabilisierung weiter zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Als die Leiterplatte stabilisierende Trägerplatte wird ein Element aus einem Schaum verwendet, der aus Zellen aufgebaut ist und dadurch eine große mechanische Stabilität aufweist. Der Schaum ist mindestens teilweise metallisch, so dass er zusätzlich zu der mechanischen Stabilität auch eine gute Wärmeleitfähigkeit mit einer großen Oberfläche aufweist. Die Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Leiterplattenträger geschieht durch die Zwischenschicht, die beispielsweise die einander zugewandten Flächen von Leiterplatte und Trägerelement vollständig abdecken kann. Die Zwischenschicht kann auch dazu dienen, Unterschiede in der thermischen Ausdehnung der beiden Elemente aufzunehmen und auszugleichen, ebenso Unterschiede in der Oberflächenstruktur oder durch Toleranzen entstehende Unregelmäßigkeiten.

Die Herstellung solcher Schäume oder Schwämme ist an sich bekannt, so dass sie hier als bekannt vorausgesetzt werden kann.

Da der Leiterplattenträger eine homogene Struktur aufweisen kann, ist es möglich, die Leiterplatte über ihre gesamte Fläche mit einer Kühlmöglichkeit zu versehen.

Als Metall für den Leiterplattenträger kommt beispielsweise Aluminium, Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel in Frage.

Auf Grund der Ausbildung des Leiterplattenträgers als Schaum bzw. Schwamm verringert sich bei dennoch sehr großer Stabilität das Gewicht und die Masse der Leiterplattenanordnung.

Das geschäumte Material des Leiterplattenträgers kann beispielsweise eine offenzellige Struktur aufweisen. Es ist aber ebenfalls möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Leiterplattenträger eine geschlossene Struktur aufweist.

Besonders günstig ist es aber, wenn das geschäumte Material des Leiterplattenträgers eine Kombination aus offenen und geschlossenen Zellen aufweist, wobei gegebenenfalls je nach Anwendungsfall auch unterschiedlich große Zellen verwendet werden können.

Die offenen Zellen können als Strömungskanäle für ein Kühlmittel ausgebildet sein, was besonders vorteilhaft ist, da sich durch die vielen die Zellen verbindenden Teile der Struktur eine große Oberfläche bildet, die für einen Wärmeaustausch geeignet ist. Das Kühlmittel kann auch dazu verwendet werden, eine Baugruppe in den Bereich einer optimalen Betriebstemperatur zu führen. Insbesondere kann es in Verbindung mit einem Temperatursensor und einer entsprechenden Steuerung dazu verwendet werden, eine Betriebstemperatur einzuhalten.

Die geschlossenen Zellen können ebenfalls ausgenutzt werden und zwar insbesondere dazu, eine Trennung zwischen dem Kühlmittel und der Leiterplatte beziehungsweise der Verbindungsschicht zwischen Leiterplatte und Leiterplattenträger zu bewirken.

Im Normalfall sieht der Leiterplattenträger ähnlich aus wie die Leiterplatte selbst, das heißt, er ist als etwas dickeres Plattenelement ausgebildet, wobei die Platten ebenso wie die Leiterplatten im Normalfall eben sind. Der Leiterplattenträger kann je nach Anwendungsfall auch eine unterschiedliche Dicke aufweisen, wobei seine der Leiterplatte zugewandte Fläche der Form der Leiterplatte angepasst ist, während die gegenüberliegende Seite sich an die Einbauverhältnisse anpassen kann.

Aber auch die der Leiterplatte zugewandte Fläche kann von einer ebenen Fläche abweichen. Dies kann bewusst oder auch auf Grund von Fertigungstoleranzen vorhanden sein. Bei Fertigungstoleranzen kann der Ausgleich durch die Zwischenschicht geschehen, während bei einem bewussten Abweichen von der ebenen Form auch die Leiterplatte selbst von der ebenen Form abweichen kann. Dadurch lassen sich die Leiterplattenanordnungen an die speziellen Einbauverhältnisse anpassen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Leiterplattenträger ein tragendes Gehäusebauteil ist, so dass er nicht nur zur Stabilisierung der Leiterplattenanordnung, sondern auch zur Stabilisierung des Gehäuses beiträgt.

Es ist möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, dass zwei Leiterplatten über je eine Zwischenschicht mit einem einzigen Leiterplattenträger verbunden werden, so dass der Leiterplattenträger praktisch zwischen den Leiterplatten sitzt. Auch hier kann durch geeignete Führung eines Kühlmediums eine Kühlmöglichkeit für beide Leiterplatten hergestellt werden.

Der Leiterplattenträger kann beispielsweise aus metallisiertem Kunststoff aufgebaut sein, also einem Kunststoffmaterial, das dann anschließend beidseits metallisiert wird.

Besonders sinnvoll ist es aber, wenn der Leiterplattenträger aus einem Metallschaum aufgebaut ist, der insgesamt aus Metall besteht.

Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Leiterplattenträger ein spezifisches Gewicht von < 0,9 aufweist.

Die Verbindungsschicht kann mit Vorteil so ausgebildet sein, dass sie durch Wärme aktivierbar ist, also beispielsweise als Heißschmelzkleber ausgebildet ist.

Eine Leiterplattenanordnung kann so hergestellt werden, dass auf die schon bestückte oder noch nicht bestückte Leiterplatte eine Verbindungsschicht angebracht wird, auf die dann der bereits fertige Leiterplattenträger angelegt oder angedrückt wird. Die eigentliche feste Verbindung kann dann durch spätere Maßnahmen, beispielsweise ein Erwärmen, erfolgen.

Beispielsweise ist es möglich, die Rückseite einer Leiterplatte mit einer Paste zu bedrucken, die durch Wärme aktivierbar ist. Anschließend wird auf diese Anordnung der Leiterplattenträger aufgelegt, gegebenenfalls auch angedrückt. Beim Löten der Bauelemente wird dann so viel Wärme erzeugt, dass die Verbindungsschicht aktiviert wird und sich mit der Leiterplatte und dem Leiterplattenträger verbindet.

Ein Beispiel für eine derartige Paste ist eine Lötpaste, die zu einer sehr festen und sehr guten thermischen Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Leiterplattenträger führt. Das Löten ist auch ein Vorgang, der bei ihm der Fertigstellung der Leiterplatte sowie so auftritt.

Es kann auch eine Wärmeleitpaste verwendet werden, die ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, jedoch auch dazu dienen kann, den Metallschaum elektrisch zu isolieren.

Die Verwendung eines Klebers hat den Vorteil, dass Standardprozesse zum Aufbringen verwendet werden können, und dass sehr hohe Haftfestigkeiten entstehen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, deren Wortlaut ebenso wie der Wortlaut der Zusammenfassung durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:
1 schematisch einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung nach der Erfindung;
2 eine der 1 entsprechende Darstellung bei einer zweiten Ausführungsform;
3 einen Schnitt durch eine Leiterplattenanordnung mit einer von der ebenen Fläche abweichenden Vorder- und Rückseite.
4 eine den vorhergehenden Figuren entsprechende Darstellung bei einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt sehr stark vereinfacht eine Leiterplattenanordnung nach der Erfindung. Die Anordnung enthält eine ebene flache Leiterplatte 1 üblichen Aufbaus. Die Leiterplatte 1 enthält eine ebene Vorderseite 2 und eine ebene Rückseite 3. Mit Hilfe einer Zwischenschicht 4, beispielsweise einem Kleber, ist die Leiterplatte 1 mit ihrer Rückseite 3 auf die Vorderseite 5 eines ebenfalls plattenförmigen Trägers 6 aufgeklebt. Der Träger 6 weist eine deutlich größere Dicke auf als die eigentliche Leiterplatte 1 selbst. Der Leiterplattenträger 6 ist aus einem Metallschaum oder einem Kunststoffschaum aufgebaut, der später metallisiert ist. Die Herstellung solcher Metallschäume oder metallisierter Kunst stoffschäume ist bekannt, sie können galvanisch oder gießtechnisch hergestellt werden. Die Zellen des Schaums können geschlossen oder offen sein. Insbesondere ist in einem benachbart zur Verbindungsschicht 4 liegenden Bereich eine geschlossenzellige Struktur bevorzugt, während im weiter von der Leiterplatte abgewandten Bereich eine offenzellige Struktur bevorzugt wird.
Während bei der Anordnung der 1 die Leiterplatte 1 und der Leiterplattenträger 6 die gleiche Größe mit Ausnahme der Dicke aufweisen, zeigt 2 eine Anordnung, bei der die Leiterplatte 1 an einer Seite über das entsprechende Ende des Leiterplattenträgers 16 hinausragt. Der Leiterplattenträger 16 weist eine unterschiedliche Dicke auf, in einen Bereich ist er weniger dick als im anderen. Dadurch bildet sich eine abgestufte Rückseite 7. Dies kann zur Anpassung an bestimmte Einbausituationen verwendet werden, insbesondere dann, wenn der Leiterplattenträger 16 noch tragende Funktionen in einem Gehäuse übernimmt. Die Verbindungsschicht 4 braucht auch nicht an allen Stellen vorhanden zu sein, es kann unter Umständen ausreichen, die Verbindungsschicht nur an einigen Stellen anzubringen, je nach Festigkeit des verwendeten Verbindungsmittels.
3 zeigt eine ebenfalls schematische Darstellung, wo die Vorderseite des Leiterplattenträgers gekrümmt verläuft, und die Leiterplatte 1 selbst ist ebenfalls gekrümmt. Selbstverständlich sind auch andere Formen der Krümmung und der Formgebung möglich.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Leiterplattenträger 6 einen Bereich 6a mit geschlossenen Zellen und einen Bereich 6b mit offenen Zellen aufweist. Der Bereich 6a mit den geschlossenen Zellen ist durch eine andere Schraffierung gekennzeichnet. Er verläuft in diesem Ausführungsbeispiel quer zur Ebene der Leiterplatte 1.
Zusätzlich unterscheidet sich die Ausführungsform nach 4 dadurch, dass an einem Leiterplattenträger 6 zwei Leiterplatten 1 angebracht sind, nämlich auf beiden gegenüberliegenden Seiten. Zur Verbindung dient jeweils eine Verbindungsschicht 4, beispielsweise aus Kleber.
Zwischen der Leiterplatte 1 und dem Leiterplattenträger 6 ist ein Sensor 7 mit einer elektronischen Steuerung eingebaut, der dazu dient, die Temperatur der Leiterplatte 1 zu messen und in Abhängigkeit davon eine Einrichtung zu veranlassen, ein durch die offenen Zellen des Leiterplattenträgers 6 zirkulierendes Wärmeträgerfluid zu erwärmen oder abzukühlen.
Es ist natürlich auch denkbar, den Bereich 6a mit den geschlossenen Zellen anders zu orientieren, beispielsweise in einer Ebene zwischen den beiden Leiterplatten, um auf diese Weise die beiden Leiterplatten unterschiedlich beeinflussen zu können.

Claims

Leiterplattenanordnung, mit 1.1 einer Leiterplatte (1) mit einer Vielzahl von Bauteilen, 1.2 einem Leiterplattenträger (6, 16, 26), der 1.2.1 aus geschäumtem mindestens teilweise metallischem Material besteht und 1.2.3 mit der Leiterplatte (1) durch eine Zwischenschicht (4) verbunden ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) eine offenzellige Struktur aufweist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) eine geschlossenzellige Struktur aufweist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) eine Kombination aus offenen und geschlossenen Zellen aufweist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zellen unterschiedlich groß sind.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die offenen Zellen als Strömungskanäle für ein Wärmeträgerfluid, insbesondere ein Kühlmittel ausgebildet sind.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die geschlossenen Zellen als Trennung zwischen dem Kühlmittel und der Leiterplatte (1) beziehungsweise der Verbindungsschicht (4) dienen.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) Plattenform mit gegebenenfalls abschnittsweise unterschiedlicher Dicke aufweist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die der Leiterplatte (1) zugewandte Fläche (5) des Leiterplattenträgers (26) und gegebenenfalls die Leiterplatte (1) selbst von einer ebenen Fläche abweichen.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) ein tragendes Gehäusebauteil ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an beiden gegenüberliegenden Flachseiten des Leiterplattenträgers (6, 16, 26) je eine Leiterplatte (1) angebracht ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) mindestens teilweise aus metallisiertem Kunststoff aufgebaut ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) mindestens teilweise aus Metallschaum aufgebaut ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leiterplattenträger (6, 16, 26) ein spezifisches Gewicht von weniger als 0,9 aufweist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verbindungsschicht (4) durch Wärme aktivierbar ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Temperatursensor (7) zur Ermittlung der Temperatur der Leiterplatte (1).
Verfahren zum Herstellen einer Leiterplattenanordnung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 17.1 eine Leiterplatte (1) auf ihrer Rückseite (3) mit einer durch Wärme aktivierbaren Paste bedruckt wird, 17.2 eine Trägerplatte (6, 16, 26) aus mindestens teilweise metallischem Schaum auf die Schicht Paste angedrückt und 17.3 die Bauelemente mit der Leiterplatte (1) verlötet werden, wodurch 17.4 sich die Paste mit der Leiterplatte (1) und der Trägerplatte (6, 16, 26) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem eine Lötpaste verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem eine Wärmeleitpaste verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem ein Kleber verwendet wird.