DE19532992A1 - Leiterplatte - Google Patents

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.