DE19532992A1 - Leiterplatte - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine einseitig mit elektrischen
und/oder elektronischen Bauelementen bestückte, auf der Rück
seite mit einer Zwischenschicht und einer Kühlplatte versehene
Leiterplatte.
In den letzten Jahren haben sogenannte SMD-bestückte Leiter
platten (SMD ist Abkürzung für Surface Mounted Device) an Be
deutung gewonnen. Um auch Leistungskomponenten aufbringen zu
können, wird die Rückseite dieser Leiterplatten, also die der
Bestückungsseite gegenüberliegende Oberfläche, mit einem Kühl
körper in Gestalt einer Platte aus Aluminium oder Kupfer ver
sehen. Leiterplatte und Kühlkörper sind durch eine dünne, iso
lierende Zwischenschicht, die den Wärmeübergang von der be
stückten Leiterplatte zu der Kühlfläche so wenig wie möglich
behindern sollte, miteinander verbunden. Diese Zwischenschicht
entsteht beim Aufkleben der Kühlplatte auf die Rückseite der
Leiterplatte.
Aluminium zeichnet sich gegenüber Kupfer durch eine besonders
hohe Wärmekapazität, geringes Gewicht und relativ geringen
Preis aus. Kupfer besitzt dagegen eine bessere Wärmeleitfähig
keit und läßt sich besonders gut löten.
Wird die Leiterplatte mit Bauelementen bestückt, die relativ
hohe Verlustleistung aufbringen und daher thermisch kritisch
sind, bemüht man sich, durch eine hohe Anzahl von Durchkontak
tierungen durch die eigentliche Leiterplatte hindurch eine
akzeptable Wärmeleitfähigkeit von der Wärmequelle bis zur Zwi
schenschicht zu erreichen. Der Wärmeübergang von der Leiter
platte zur Kühlplatte wird durch besonders geeignete Klebe
techniken, bei denen Kühlplatte und die eigentliche Leiter
platte mit hohem Druck aufeinandergepreßt werden und bei denen
die Zwischenschicht besonders dünn wird, soweit wie möglich
erhöht. Die auf diese Weise erreichten thermischen Übergangs
widerstände sind zwar recht niedrig, gegenüber einer direkten
Montage der elektronischen Bauelemente durch Aufklemmen oder
Aufschrauben und ggf. Einfügen einer zusätzlichen Wärmeleitpa
ste, deutlich schlechter. Das direkte Auflöten eines Kühlkör
pers auf das thermisch kritische Bauelement führt zu den be
sten Ergebnissen, ist jedoch wegen des hohen Bauteile- und
Herstellungsaufwandes für sehr viele Anwendungsfälle indisku
tabel.
Der Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zugrunde, die
Wärmeableitung von den Bauelementen auf einer einseitig be
stückten Leiterplatte, und speziell von den Bauelementen zu
der auf der Rückseite aufgebrachten Kühlplatte, erheblich zu
verbessern, ohne dadurch den Herstellungsaufwand wesentlich zu
erhöhen.
Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch die im Anspruch 1
beschriebene Leiterplatte gelöst werden kann, deren Besonder
heit darin besteht, daß eines oder mehrere der thermisch hoch
belastbaren Bauelemente, mit denen die eigentliche Leiterplat
te bestückt ist, mit der Kühlplatte durch eine Wärmeleitbrücke
verbunden ist, wobei diese Wärmeleitbrücke die Form eines Me
tallkörpers besitzt, der in einer Aussparung sitzt, die sich
von der Auflagefläche des zu kühlenden Bauelementes bzw. Löt
fläche eines SMD-Bauteils durch die Zwischenschicht und die
Kühlplatte hindurch erstreckt. Der Metallkörper ist vorzugs
weise in diese Aussparung eingepaßt.
Der Metallkörper kann in Form eines Bolzens oder eines ähnli
chen Körpers ausgebildet sein, der sich von der Auflagefläche
des zu kühlenden Bauelementes mindestens bis zur freien Ober
fläche der Kühlplatte erstreckt.
Aus den beigefügten Unteransprüchen gehen noch einige weitere,
besonders vorteilhafte Ausführungsarten der Erfindung hervor.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung der
einseitig bestückten, auf der anderen Seite mit der Kühlplatte
versehenen Leiterplatte wird eine wesentliche Erhöhung der
Wärmeleitung von dem thermisch hochbelasteten Bauelement zu
der Kühlplatte erreicht. Der Aufwand für den Metallkörper bzw.
für den Kupferbolzen und für die Einpassung dieses Körpers in
Leiterplatte und Kühlplatte erfordert nur minimalen Aufwand.
Bei dem ohnehin, nämlich zum Verkleben der eigentlichen Lei
terplatte mit der Kühlplatte, erforderlichen Zusammenpressen
dieser beiden Bauteile wird der in die Bohrung bzw. Aussparung
eingesetzte, z. B. aus Kupfer bestehende Bolzen gestaucht und
dadurch ein Einpassen und ein inniger Wärmekontakt zwischen
dem Kupferbolzen und der Innenwandung dieser Aussparung her
gestellt. Anhand der beigefügten Abbildung wird dies nachste
hend noch näher erläutert.
Durch die erfindungsgemäß erreichte Erhöhung des Wärmeüber
gangs bzw. Verringerung des thermischen Widerstandes zwischen
dem hochbelasteten Bauelement und der Kühlplatte wird eine
Erhöhung der zulässigen Belastbarkeit des elektronischen Bau
elementes und/oder durch die geringere Erwärmung des Bauele
mentes eine verlängerte Lebensdauer erreicht. Folglich werden
die Vorteile des direkten Auflötens des Bauelementes aufeinen
Kühlkörper durch ein einfaches und kostengünstiges Fertigungs
verfahren erzielt.
Weitere Vorteile, Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und De
tails gehen aus der folgenden Schilderung anhand der beige
fügten Abbildungen hervor.
Es zeigen schematisch vereinfacht und im Querschnitt
Fig. 1 eine komplette Leiterplatte nach der
Erfindung und
Fig. 2 bis Fig. 4 im Fertigungsprozeß die Einzelteile
(Fig. 2), die Anordnung der Teile in der
Presse (Fig. 3) sowie die erfindungsgemäße
Leiterplatte nach dem Verpressen, jedoch vor
der Bestückung.
Fig. 1 zeigt eine vollständige, bestückte Leiterplatte der
erfindungsgemäßen Art. Es handelt sich um eine sogenannte SMD-
bestückte Leiterplatte 1, auf der oder in der sich die Leiter
bahnen befinden und die einseitig mit elektrischen bzw. elek
tronischen Bauteilen 3, 4 bestückt ist. Die Zwischenschicht 2
stellt die Verbindung her zwischen der Leiterplatte 1 und ei
ner aus Aluminium bestehenden Kühlplatte 5.
In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Bauelement 4 um ein
thermisch hochbelastbares Teil, beispielsweise um einen Lei
stungstransistor. Im Bereich dieses thermisch kritischen Bau
elementes 4 ist daher eine Wärmeleitbrücke vorgesehen, die
hier in Form eines Metallkörpers 6 bzw. eines aus Kupfer be
stehenden Bolzens ausgebildet ist. Der Kupferbolzen 6 füllt
eine entsprechende Aussparung, die sich von der Auflagefläche
des Bauelementes 4 durch die Leiterplatte 1, die Zwischen
schicht 2 und die Kühlplatte 5 hindurch bis zur freien Fläche
der Kühlplatte 5 erstreckt. Ein Kragen oder eine Erweiterung
des zylinderförmigen Kupferbolzens 6 an der freien Seite der
Kühlplatte 5 ist beim Zusammenpressen der Leiterplatte 1 mit
der Kühlplatte 5 entstanden, wobei der Bolzen 6 gestaucht wur
de, um einen innigen Kontakt mit der Innenwandung der Ausspa
rung in der Kühlplatte 5, in der sich der Bolzen befindet,
herzustellen. Der Wärmeübergang von dem Kupferbolzen 6 zu der
Kühlplatte 5 wird dadurch erleichtert bzw. der thermische Wi
derstand zwischen dem Bolzen 6 und der Kühlplatte verringert.
Fig. 2 zeigt die Einzelteile der erfindungsgemäßen, noch nicht
bestückten Leiterplatte vor dem Zusammenfügen der einzelnen
Teile. Am Ort der späteren Bestückung mit dem Leistungs-Bau
element 4 wurde die Leiterplatte 1 einschließlich der Zwi
schenschicht 2 und des Kühlkörpers 5 durchbohrt, um die Aus
nehmung für den Kupferbolzen oder Kupferniet 6′ herzustellen.
Die Abmessungen der Innenbohrung 7 und des Kupferbolzens oder
Kupferniets 6′ sind so aufeinander abgestimmt, daß der Bolzen
leicht eingesetzt werden kann, nach dem Zusammenpressen und
Stauchen jedoch in innigen Kontakt mit dem Aluminium gelangt.
Fig. 3 veranschaulicht das Verpressen der in Fig. 2 darge
stellten Einzelteile. Mit Hilfe der Preßstempel 8 und 9 werden
Leiterplatte 1, Zwischenschicht oder Klebefolie 2 und Aluplat
te zusammengepreßt und dabei der Bolzen in der Bohrung 7 ver
nietet.
Nach dem Verpressen ist die in Fig. 4 dargestellte Leiterplat
te entstanden, die dann zur Fertigstellung nur noch bestückt
zu werden braucht.
Im Vergleich zur herkömmlichen, SMD-bestückten Leiterplatte
mit aufgeklebter Kühlplatte ist nur eine geringfügige Änderung
des Herstellungsprozesses erforderlich. Die Leiterplatte wird
zweckmäßigerweise mit der Bestückungsseite nach unten in die
Presse eingelegt. Auf die Platte 1 wird dann zur Herstellung
der Zwischenschicht 2 eine Klebefolie zwischen die Platten
gelegt und die Aluminiumplatte 5 aufgelegt. In die Durchboh
rung 7 wird der Kupferbolzen 6′ eingesteckt; der Kupferbolzen
hat mindestens die Höhe der aufeinandergelegten, verpreßten
Teile, vorteilhafterweise, wie dargestellt, ein Übermaß.
Es werden nun die Teile wie üblich verpreßt und dabei der Kup
ferbolzen gestaucht. Gleichzeitig wird eine glatte Oberfläche
des Kupferbolzens 6 auf der Bestückungsseite der Leiterplatte
1 erzeugt.
Durch eine ohnehin auf zubringende Zinnschicht auf die Leiter
platte 1 (Verzinnung der "Löt-Pads"), bzw. bei vorheriger Ver
zinnung der Leiterplatten-Pads, durch Einbringung eines Kupfer
bolzens in verzinnter Ausführung ist eine gute Lötbarkeit ge
währleistet.
Durch den dargestellten, fertigungstechnisch einfachen Vorgang
läßt sich die gute Lötbarkeit von Kupfer und die hervorragende
Wärmeleitfähigkeit dieses Materials mit der sehr hohen Wärme
kapazität und dem relativ geringen Volumenpreis des Alumini
ums, aus dem die Kühlplatte 5 besteht, vereinen. Der thermi
sche Widerstand für das zu kühlende Bauteil, nämlich für das
Leistungs-Bauelement 4, lag bei einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung um gut 70% unter dem thermischen Widerstand der
vergleichbaren Leiterplatte ohne den erfindungsgemäß vorgese
henen Kupferbolzen.
Außer den geschilderten, erfindungswesentlichen Eigenschaften
des Kupferbolzens kann auf diese Art und Weise gleichzeitig
eine Fixierung der aufeinanderzubringenden Teile erreicht wer
den; gelegentlich werden allein für diesen Positionierungs
vorgang in den Randzonen Eisenbolzen mit eingepreßt.
Werden mehrere Leistungs-Bauelemente 4 in der beschriebenen
Weise auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit Kupferbolzen 6
bzw. einer Wärmeleitbrücke der beschriebenen Art versehen, so
ist zu bedenken, daß die Bolzen über die Aluminiumplatte, die
als Kühlkörper 5 dient, ein gemeinsames Potential haben. Dies
dürfte in vielen Fällen von Vorteil sein und das Layout ver
einfachen, da die Aluminiumplatte als sehr niederohmige Ver
bindungsleitung genutzt werden kann. Ist eine leitende Verbin
dung nicht erwünscht, so können getrennte Kühlplatten anstelle
der dargestellten abgeschlossenen Kühlplatte verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird also auf extrem einfache Weise eine ent
scheidende Verbesserung erreicht. Da in manchen Fällen anstel
le der bisherigen Leitungs-Bauelemente 4 gleichartige elektro
nische Bauelemente geringerer Verlustleistung eingesetzt wer
den können, ergibt sich insgesamt sogar eine Einsparung gegen
über dem Stand der Technik.
Claims (7)
1. Einseitig mit elektrischen und elektronischen Bauelemen
ten bestückte, auf der Rückseite mit einer Zwischen
schicht und einer Kühlplatte versehene Leiterplatte, da
durch gekennzeichnet, daß eines oder einige der thermisch
hochbelastbaren Bauelemente (4), mit denen die Leiter
platte (1) bestückt ist, mit der Kühlplatte (5) jeweils
durch eine Wärmeleitbrücke (6) verbunden sind, und daß
die Wärmeleitbrücke (6) in Form eines Metallkörpers aus
gebildet ist, der in einer die Auflagefläche des zu küh
lenden Bauelementes (4) durch die Zwischenschicht (2)
hindurch mit der Kühlplatte (5) verbindenden Aussparung
(7) sitzt.
2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Metallkörper (6) in eine durch die Leiterplatte 1,
die Zwischenschicht (2) und die Kühlplatte (5) hindurch
gehende Aussparung (7) eingepaßt ist.
3. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Metallkörper (6) in Form eines Bolzens (6′) oder ei
nes ähnlichen Körpers ausgebildet ist, der sich von der
Auflagefläche des zu kühlenden Bauelementes (4) minde
stens bis zur freien Oberfläche der Kühlplatte (5) er
streckt.
4. Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (6) mit
der Innenwandung der Aussparung (7) in der Kühlplatte (5)
in innigem Kontakt steht.
5. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der innige Kontakt zwischen dem Metallkörper (6) und der
Innenwandung der Aussparung (7) durch Einsetzen eines
metallischen Körpers (6′) in die durch die Leiterplatte
(1) und durch den Kühlkörper (5) hindurchgehende Ausspa
rung (7) und durch Stauchen des metallischen Körpers (6′)
hergestellt ist.
6. Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (6, 6′)
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Kühlplatte
5 aus Aluminium bestehen.
7. Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2)
eine Klebeschicht ist, die die Kühlplatte (5) mit der
Leiterplatte (1) verbindet.
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