DE19533251A1 - Verfahren zur wärmeleitenden Befestigung eines elektronischen Leistungsbauelementes auf einer Leiterplatte mit einem Kühlblech oder Kühlkörper - Google Patents
Verfahren zur wärmeleitenden Befestigung eines elektronischen Leistungsbauelementes auf einer Leiterplatte mit einem Kühlblech oder KühlkörperInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur wärmeleitenden Befestigung eines
elektronischen Bauelementes auf einer Leiterplatte in Verbindung mit einem Kühlblech
oder Kühlkörper zur Wärmeabfuhr sowie ein mit einem Kühlblech oder Kühlkörper
verbundenes Leistungsbauelement.
Es ist einerseits bereits ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, SMD-
Leistungshalbleiter direkt auf eine doppelseitig kaschierte, durchkontaktierte Leiterplatte
zu kleben und anschließend eine elektrische Kontaktierung der Anschlüsse durch Löten
herzustellen. Die Wärme wird hierbei über die metallisierten Bohrungen unter den
Leistungsbauelementen auf die Rückseite der Leiterplatte geführt und dort abgeleitet.
Dort befindet sich meistens ein z. B. durch Kleben befestigter Kühlkörper zur Erhöhung
der Wärmekapazität und Vergrößerung der Wärmeabgabefläche.
Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem ein elektronisches Leistungsbauelement,
wie z. B. eine Diode, ein Transistor, ein Thyristor oder ein Triac, an einem Kühlblech
befestigt ist. Diese Befestigung erfolgt dabei beispielsweise mittels Vernieten,
Verschrauben oder mittels eines Klemmbügels. Das Leistungsbauelement ist mit einem
Kühlblech verbunden, um die entstehende Verlustwärme in dem Leistungsbauelement
abzuführen. Durch die relativ große Oberfläche des Kühlbleches ist somit eine größere
Wärmeabfuhr pro Zeiteinheit möglich, als wenn das Leistungsbauelement nicht mit
einem Kühlblech verbunden ist. Eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem
Leistungsbauelement und dem Kühlblech wird dabei unter Verwendung einer
Wärmeleitpaste und Glimmerscheiben herbeigeführt. Es ist auch bereits grundsätzlich
bekannt, eine derartige Verbindung durch eine Verlötung herbeizuführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die wärmeleitende
Befestigung eines Leistungsbauelementes möglichst einfach vonstatten gehen soll.
Nach der erfindungsgemäßen Lösung kann dabei ein SMD-Leistungsbaulement oder ein
anderes elektronisches Leistungsbauelement im Rahmen eines automatischen
Fertigungsprozesses mit geringem Aufwand im Rahmen des automatischen
Fertigungsprozesses wärmeleitend befestigt und elektrisch kontaktiert werden.
Gleichzeitig wird die vergleichsweise kleine Wärmekapazität der mit Kupfer kaschierten
Leiterplatte vergrößert, so daß die Wärmemenge, die beim Betrieb des
Leistungsbauelementes entsteht, von dem Leistungsbauelement weg abgeführt werden
kann.
Bei der vorliegenden Erfindung wird gemäß dem Verfahren zur wärmeleitenden
Befestigung eines elektronischen Leistungsbauelementes an einem Kühlblech oder
Kühlkörper gemäß Patentanspruch 1 das Leistungsbauelement direkt an dem
Kühlelement, das ein Kühlblech oder ein Kühlkörper sein kann, angelötet. Der Anspruch
10 betrifft dann die Verbindung des Leistungsbauelementes mit dem Kühlelement.
Vorteilhaft wirkt sich bei der gelöteten Verbindung des Leistungsbauelementes mit dem
Kühlelement aus, daß sich gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Befestigung des
Leistungsbauelementes am Kühlelement ein verbesserter Wärmeübergang ergibt. Dies
läßt sich dadurch erklären, daß durch das Löten eine metallische Verbindung zwischen
dem Leistungsbauelement und dem Kühlelement realisiert ist, so daß daraus ein guter
Wärmeübergang resultiert. Dies wird weiterhin dadurch erzielt, daß die Verlötung des
Leistungsbauelementes mit dem Kühlelement flächig erfolgt, so daß eine große
Kontaktfläche entsteht. Als weiterer Vorteil ergibt sich bei der Montage des
Leistungsbauelementes auf einer Leiterplatte, daß die gelötete Verbindung des
Leistungsbauelementes mit dem Kühlelement fertigungstechnisch einfacher zu
realisieren ist. Üblicherweise werden nämlich SMD-Bauteile mit sehr geringer Leistung
auf eine Leiterplatte aufgebracht und auf dieser Leiterplatte entsprechend dem
elektrischen Schaltplan verlötet. Wird nun auch die wärmeleitende Verbindung zwischen
dem Leistungsbauelement und einem Kühlelement durch Löten hergestellt, so stellt dies
einen weiteren integrierten Vorgang in dem Verfahren zur Herstellung der gesamten
Leiterplatte dar. Dies wirkt sich insbesondere bei der automatischen Bestückung der
Leiterplatte vorteilhaft aus. Der weitere Lötvorgang ist nämlich verfahrenstechnisch
insofern einfacher als die bisher realisierten Verfahren zur wärmeleitenden Befestigung,
als dies in einem Arbeitsgang zusammen mit der elektrischen Kontaktierung
vorgenommen werden kann.
Durch die weiteren Maßnahmen des Anspruches 1 wird erreicht, daß sich während des
Lötvorganges definiert ein solcher Abstand zwischen dem Leistungsbauelement und dem
Kühlelement einstellt, daß das Lot einfach einbringbar ist. Durch den Abstand zwischen
dem Leistungsbauelement und dem Kühlelement wird das flüssige Lot wegen der
eintretenden Kapillarwirkung zwischen das Leistungsbauelement und das Kühlelement
gezogen. Der Abstand wird dabei vorteilhafter Weise so bestimmt, daß eine möglichst
gute Kapillarwirkung für das flüssige Lot zwischen dem Leistungsbauelement und dem
Kühlelement eintritt. Es kommt daher zu einer besonders guten flächigen Verlötung von
dem Leistungsbauelement und dem Kühlelement, wobei das Lot gleichzeitig einfach von
wenigstens einer Seite aus einbringbar ist.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 2 wirkt sich vorteilhaft aus, daß bei einer
automatischen Bestückung alle Bauteile einschließlich des elektronischen
Leistungsbauelementes in einer Höhe positioniert werden. Das erleichtert die Anbringung
mit einem Bestückungsautomaten. Weiterhin ist dadurch, daß sich alle Bauteile auf
derselben Höhe befinden, beim Löten zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung in
einfacher Weise eine Verlötung des bzw. der elektronischen Leistungsbauelemente zu
deren wärmeleitender Befestigung möglich ohne daß die Löteinrichtung aufwendig
justiert werden muß. Das Merkmal des Anspruches 2 kann dabei realisiert sein, indem
sich das Kühlelement zumindest teilweise in einem Ausschnitt der Leiterplatte befindet
oder sich an die Leiterplatte anschließt, d. h. also quasi an der Leiterplatte "anhängt".
Das Kühlelement muß dabei entsprechend gebogen sein, daß der Teil des
Kühlelementes, mittels dem das Kühlelement an der Leiterplatte befestigt wird, sich
unterhalb der Leiterplatte befindet. Im Bereich des Ausschnittes der Leiterplatte weist
dabei das Kühlelement zumindest dort, wo das Leitungsbauelement befestigt wird, eine
Erhebung auf, so daß sich dort die Kühlelementoberfläche mit der
Leiterplattenoberfläche in einer Ebene befindet.
Vorteilhaft wirkt sich bei dem Verfahren gemäß Anspruch 3 aus, daß das Kühlelement
aus diesen Materialien eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dadurch ist nach der
Verlötung ein besonders guter Wärmetransport gegeben.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 4 wirkt sich vorteilhaft aus, daß die Verlötung des
elektronischen Leistungsbauelementes mit dem Kühlelement einfach realisierbar ist. Es
wird dadurch eine sicherere Lötverbindung hergestellt und der Effekt der
Oberflächenoxidation kann weitgehend vermieden werden. Wenn nur ein Teil des
Kühlelementes, nämlich der Teil, an dem das elektronische Leistungsbauelement an dem
Kühlelement angebracht ist, veredelt wird, ergibt sich als weiterer Vorteil, daß der
Arbeitsschritt der Veredelung des Kühlelementes möglicherweise einfacher
durchzuführen ist. Wegen der Größe hat das Kühlelement insgesamt eine relativ große
Wärmekapazität. Wenn also das Kühlelement insgesamt in ein Lötbad eingebracht wird,
entzieht es diesem Lötbad eine relativ große Wärmemenge. Um daraus resultierende
Probleme zu umgehen, ist es vorteilhaft, nur den Teil des Kühlelementes zu veredeln, an
dem das Leistungsbauelement wirklich festgelötet werden soll. Dadurch wird nur ein
geringerer Teil des Kühlelementes in das Lötbad eingebracht, so daß auch nur eine
geringere Wärmemenge diesem Lötbad entzogen wird. Die Veredelung kann dabei z. B.
galvanisch erfolgen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 5 zeigt sich vorteilhaft, daß eventuell auftretende
Probleme infolge einer Veredelung der Oberfläche des Kühlelementes vermieden werden
können. Wurde die Veredelung beispielsweise durch Verzinnen herbeigeführt, so erreicht
diese Veredelung beim Befestigen des Leistungsbauelementes mittels Verlöten
wiederum ihren Schmelzpunkt. Vor dem Verlöten wird das Leistungsbauelement
punktuell fixiert beispielsweise mittels eines oder mehrerer Klebertropfen. Beim
Aufschmelzen der Veredelung schmilzt also der Untergrund des Klebers. Dadurch ist
dann keine Fixierung des Leistungsbauelementes mehr gegeben, so daß es zu einer
Verschiebung des Leistungsbauelementes - also zu einem Wegschwimmen - kommen
kann. Indem das Kühlelement von der Oberseite des Kühlelementes - also von der Seite,
auf der das Leistungsbauelement befestigt wird - vor dem Bestücken gekörnt wird,
kommt es in der durch die Körnung entstehenden Vertiefung zu einem Verdrängen der
Veredelung. Es liegt also dort das bloße Material des Kühlelementes vor. Wird nun der
Kleber in diese durch die Körnung entstandenen Vertiefungen eingebracht, so ist durch
das Fehlen der Veredelung in der Vertiefung gewährleistet, daß beim Aufschmelzen der
Verzinnung der Kleber wenigstens an den Stellen haftet, die nicht veredelt sind. Dadurch
kommt es an diesen Stellen nicht zu einem Aufschmelzen des Untergrundes des Klebers,
so daß die Fixierung des Leistungsbauelementes auch bei einem Aufschmelzen der
Veredelung während des Lötvorganges gewährleistet ist.
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 6 zeigt sich vorteilhaft, daß eine besonders
einfache Verlötung des Leistungsbauelementes mit dem Kühlelement gegeben ist, wenn
das Kühlelement vorgeheizt wurde.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 7 ist das Kühlelement dann einfach auf einer
Leiterplatte zu befestigen. Werden die Halterungen des Kühlelementes zunächst durch
Löcher der Leiterplatte gesteckt und verschränkt, so ist dies vom Herstellungsverfahren
gegenüber anderen bekannten Befestigungsarten, wie z. B. Verschrauben oder Vernieten,
einfacher durchzuführen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 wirkt sich besonders vorteilhaft aus, daß
Wärmeausdehnungen des Kühlelementes sowie des Leistungsbauelementes aufgrund
der in dem Leistungsbauelement erzeugten Verlustwärme zu allenfalls geringen
mechanischen Verspannungen des Kühlelementes sowie des Leistungsbauelementes
führen. Dadurch, daß das Leistungsbauelement mitsamt dem Kühlelement
beispielsweise nur an einer Seite befestigt ist, können sich diese Wärmeausdehnungen
in die anderen Richtungen erstrecken, ohne zu Beschädigungen mechanischer oder
elektrischer Verbindungen mit der Leiterplatte zu führen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 9 wirkt sich besonders vorteilhaft aus, daß das
Kühlelement nochmals verbessert mit der Leiterplatte verbunden wird.
In vorteilhafter Weise kann bei dem Verfahren nach Anspruch 10 ein nach außen
geführter Leitungsanschluß des Leistungsbauelementes entfallen. Es ist dann einfacher
möglich, zwischen den verbleibenden Leitungsanschlüssen einen Mindestabstand
einzuhalten. Es ist beispielsweise möglich, das Leistungsbauelement über das
Kühlelement durch die Verlötung mit einem elektrischen Potential der Leiterplatte zu
verbinden.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 11 zeigt sich, daß eine besonders einfache Kontrolle
der Verlötung möglich ist. Durch das Loch in dem Kühlelement, das an einer Stelle
angebracht ist, die von der Seite, an der das Lot eingebracht wird, entfernt ist, wird es
möglich, eine Kontrolle der Verlötung durchzuführen. Es kann nämlich nur dann Lot
durch dieses Loch hindurch austreten, wenn die Fläche zwischen dem
Leistungsbauelement und dem Kühlelement zumindest bis zu diesem Loch mit Lot gefüllt
ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, wenn die zylindrische
Innenfläche des Loches ebenfalls mit einer Veredelungsschicht - wie im Anspruch 4
genannt - mit veredelt ist. Dies ermöglicht in besonders einfacher Weise ein
hindurchtreten des Lotes durch das Loch, wenn das flüssige Lot beim Verlöten dieses
Loch erreicht hat.
Mit der Ausführungsform nach Anspruch 12 ist es möglich, bei beengten
Platzverhältnissen auf der Leiterplatte eine bestimmte Größe des Kühlelementes zu
erreichen, ohne dafür übermäßig viel Platz auf der Leiterplatte selbst zu verbrauchen.
Durch die Abwinkelung des Kühlelementes kann dabei eine Größe des Kühlelementes
erreicht werden, durch die eine hinreichend große Wärmekapazität sowie eine
hinreichend große Wärmeabgabefläche erzielbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 die Verlötung eines elektronischen Leistungsbauelementes mit einem
Kühlelement,
Fig. 2 die Anbringung des Kühlelementes mit dem Leistungsbauelement auf einer
Leiterplatte und
Fig. 3 eine alternative Ausbildung eines Kühlelementes.
Fig. 1 zeigt ein Kühlelement 101, das ein Kühlblech oder ein Kühlkörper sein kann. Im
folgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung anhand eines Kühlbleches
beschrieben. Anstelle des Kühlbleches kann dabei auch ein Kühlkörper Verwendung
finden mit einer anderen geometrischen Ausbildung und/oder aus einem anderen
Material. Dieses Kühlblech weist zwei äußere Bereiche 102 auf sowie einen mittleren
Bereich 103 auf, der gegenüber den äußeren Bereichen 102 erhoben ist. In den beiden
Bereichen 102 befindet sich jeweils eine Halterung 104, die von der Fläche des
Kühlbleches senkrecht nach oben geht. Das Kühlblech weist dabei einen Bereich 105
auf, an den das Leistungsbauelement 106 angelötet wird. Daß dieses
Leistungsbauelement an diesen Bereich angelötet wird, ist durch den Pfeil 108
dargestellt. Das Leistungsbauelement 106 weist dabei elektrische Anschlüsse 107 auf.
Durch die Verlötung des Leistungsbauelementes mit dem Kühlblech 101 wird eine
metallische Verbindung zwischen dem Leistungsbauelement 106 und dem Kühlblech
101 erzielt. Dadurch findet ein sehr effizienter Wärmeübergang und damit eine sehr gute
Abfuhr der in dem Leistungsbauelement erzeugten Verlustwärme statt. Eine besonders
gute Abfuhr der Wärme ist dann gegeben, wenn das Kühlblech 101 aus Kupfer,
Messing, Weißblech, veredeltem Aluminium o. ä. besteht. Das Verlöten gestaltet sich
insbesondere dann besonders einfach, wenn das Kühlblech 101 veredelt, wie z. B.
verzinnt ist. Andere Arten der Veredelung können dabei in einer Beschichtung mittels
Silber, Gold, Nickel, Palladium und/oder speziellen Lacken bestehen. In vorteilhafter
Weise wird dabei nur der Bereich 105 veredelt, an dem das Leistungsbauelement 106
angelötet wird. Durch die relativ große Wärmekapazität des Kühlbleches insgesamt wird
bei einer Vollveredelung des Kühlbleches dem Lötbad eine zu große Wärmemenge
entzogen. Durch die Veredelung lediglich des Bereiches 105 sind geringere
Anforderungen an die Temperaturregelung bei der Verlötung des Kühlbleches zu stellen.
Weiterhin ist die Verlötung besonders einfach dann möglich, wenn das Kühlblech 101
zum Zeitpunkt der Verlötung vorgeheizt ist.
Weiterhin hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn während des
Lötvorganges mittels Abstandshaltern 109 ein definierter Abstand zwischen dem
Leistungsbauelement 106 und dem Kühlblech 101 hergestellt wird. Diese
Abstandshalter 109 können dabei vor dem Lötvorgang aufgelegt werden. Eine andere
Möglichkeit der Realisierung besteht darin, daß das Kühlblech 101 an der Unterseite an
den entsprechenden Stellen der Abstandshalter 109 mit einer Prägung versehen wird, so
daß durch die Materialdeformation des Kühlbleches 101 an den entsprechenden Stellen
der Oberseite die Abstandshalter 109 entstehen. Ebenso können diese Abstandshalter
aber auch an dem Leistungsbauelement 106 angebracht werden. Mittels dieser
Abstandshalter wird dabei während des Lötvorganges ein definierter Abstand zwischen
dem Leistungsbauelement 106 und dem Kühlblech 101 eingehalten. Dieser definierte
Abstand beträgt dabei vorteilhaft bis zu einer Größenordnung von einem Millimeter und
dient dazu, daß das Lot während des Lötvorganges durch die Kapillarwirkung zwischen
dem Kühlblech 101 und dem von diesem Kühlblech 101 beabstandeten
Leistungsbauelement 106 eingezogen wird. Dabei wird das Lot in dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 von der Seite 111 zwischen das Kühlblech 101 und das
Leistungsbauelement 106 eingebracht. Es ist dabei selbstverständlich möglich, das Lot -
anstelle der Seite 111 oder auch zusätzlich zur Seite 111 - von einer anderen Seite
einzubringen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist weiterhin zu sehen, daß in das
Kühlblech 101 ein Loch 110 in dem Teil des Kühlbleches, an dem das
Leistungsbauelemente 106 verlötet ist, eingebracht ist und das der Seite 111, an der
das Lot eingebracht wird, gegenüber liegt. Dadurch ist eine möglichst weite Entfernung
des Loches 110 von der Seite 111 gegeben. Vorteilhaft ist dieses Loch ebenso wie der
Bereich 105 veredelt. Durch dieses Loch 110 ist es in einfacher Weise möglich, eine
Kontrolle der Verlötung durchzuführen. Für die Wärmeabfuhr ist eine flächige Verlötung
wichtig. Mittels des Loches 110 kann die Verlötung überprüft werden, da beim Löten
nur dann Lot in dem Loch 110 aufsteigen kann, wenn das Lot flächig zwischen das
Leistungsbauelement 106 und das Kühlblech 101 eingezogen wurde. Diese Überprüfung
kann dabei mittels einer Sichtkontrolle erfolgen oder auch auf elektrische Weise mittels
einer Prüfspitze. Wird dabei das Lot von mehreren Seiten zwischen das
Leistungsbauelement 106 und das Kühlblech 101 eingebracht, wird in vorteilhafter
Weise die Position des Loches 110 entsprechend geändert, beispielsweise zur Mitte der
Fläche des Kühlbleches 101, an der das Leistungsbauelement 106 befestigt wird.
Dadurch wird wiederum über einen entsprechend größeren Abstand zu den
entsprechenden Seiten die Qualität der flächigen Verlötung kontrollierbar. Ebenso ist es
auch denkbar, mehrere Löcher 110 in dem Kühlblech vorzusehen.
Damit eine effiziente Montage ermöglicht wird, ist es sinnvoll, zuerst das Kühlblech auf
die Leiterplatte zu bestücken. Dabei wird das Kühlblech an die Leiterplatte 201
herangeführt, derart, daß die Halterungen 104 durch die Löcher 202 der Leiterplatte 201
durchragen. Der gegenüber den beiden Bereichen 102 des Kühlbleches 101 erhobene
Bereich 103 schließt dabei bündig mit der Öffnung 204 der Leiterplatte ab. Dadurch ist
gewährleistet, daß das Leistungsbauelement bei der nachfolgenden Bestückung mit den
Bauteilen auf derselben Höhe positioniert wird wie die übrigen Bauelemente. Eine
Befestigung des Kühlbleches erfolgt dabei derart, daß die Halterungen 104, soweit sie
aus den Löchern 202 herausragen, verschränkt werden. Durch dieses Verschränken ist
zumindest eine erste mechanische Befestigung des Kühlbleches 101 mitsamt dem
Leistungsbauelement 106 an der Leiterplatte gegeben.
Im Anschluß daran erfolgt dann das Aufbringen des Leistungsbauelementes im Rahmen
der erforderlichen Bestückung. Im Falle einer eventuell anzuwendenden SMD-
Bestückungstechnologie wird das SMD-Leistungsbauelement zunächst durch einen
SMD-Kleber in der zu verlötenden Position gehalten.
Wenn hierbei zuvor als Veredelung der Kühlblechoberfläche eine Verzinnung gewählt
wurde, kann sich die Schwierigkeit ergeben, daß im Moment des Aufschmelzens der
Verzinnung beim Verlötungsvorgang der Untergrund mit dem SMD-Kleber und dem
Leistungsbauelement wegschwimmt, so daß das Leistungsbauelement aus seiner
Position gebracht wird. Um diesen unerwünschten Effekt zu vermeiden, wird an die
Position des aufzubringenden SMD-Klebers auf dem Kühlblech zuvor eine Körnung
angebracht, wobei bei dem Körnungsvorgang die verzinnte Oberfläche in der Weise
verdrängt wird, daß in der kegelförmigen Innenfläche der Körnung anschließend das
zinnfreie Basismaterial hervortritt. Die Körnung erfolgt also von der Oberseite des
Bereiches 105. Auf diese Position des zinnfreien Körnerpunktes bzw. der zinnfreien
Körnerpunkte wird nach der Kühlblechbestückung auf der Leiterplatte der SMD-Kleber
aufgebracht.
Als Alternative zu der hier genannten Montagefolge kann auch zunächst das
Leistungsbauteil mit dem Kühlblech verlötet werden. Im Anschluß daran wird das
Kühlblech mitsamt dem Leistungsbauelement in der bereits genannten Weise an der
Leiterplatte befestigt.
Vorteilhaft ergibt sich, daß bei der SMD-Bestückung nur ein Arbeitsgang beim Löten
notwendig ist. Das heißt, die elektrische Kontaktierung aller Bauteile dieser Leiterplatte
erfolgt in einem Arbeitsgang zusammen mit der wärmeleitenden Befestigung des bzw.
der Leistungsbauelemente.
Das auf den Bereich 105 aufgelötete Leistungsbauelement 106 ist damit also insgesamt
über die Leiterplatte 201 erhaben. Die elektrischen Anschlüsse 107 werden dabei an
den dafür vorgesehenen Punkten 203 der Leiterplatte 201 angelötet. In vorteilhafter
Weise werden die verschränkten Halterungen 104 zudem noch an der Leiterplatte 201
verlötet, so daß sich eine besonders feste mechanische Verbindung ergibt. Bei dieser
Verlötung ist es ebenfalls möglich, das Kühlblech 101 auf ein elektrisches Potential der
Leiterplatte 201 zu legen. In besonders vorteilhafter Weise kann dann ein nach außen
geführter Leitungsanschluß des Leistungsbauelementes entfallen, wenn dieser
elektrische Anschluß dann über die wärmeleitende Befestigung mit dem elektrisch
leitenden Kühlblech 101 über die Halterungen 104 mitsamt der Verlötung zu dem
entsprechenden elektrischen Potential der Leiterplatte 201 geführt ist. Die in diesem
Absatz beschriebenen Verfahrensschritte zur Verlötung können dabei bei einer SMD-
Bestückungstechnologie ebenfalls im gleichen Arbeitsgang mit der elektrischen
Kontaktierung der übrigen Bauelemente erfolgen.
In vorteilhafter Weise sind weiterhin die Halterungen 104 unmittelbar in dem Bereich
105 vorgesehen, an dem das Leistungsbauelement 106 angelötet ist. Dadurch befinden
sich die Befestigungen des Kühlbleches mitsamt dem Leistungsbauelement 106, die eine
Verbindung zu der Leiterplatte aufweisen, alle auf derselben Seite. Wenn das
Leistungsbauelement also Verlustwärme erzeugt und das Kühlblech mitsamt dem
Leistungsbauelement deswegen erwärmt wird und sich dabei ausdehnt, kommen also
durch diese schwimmende Befestigung des Kühlbleches mitsamt dem
Leistungsbauelement an der Leiterplatte keine mechanischen Spannungen zum Tragen.
Die Ausdehnung des Kühlbleches kann also in den Bereichen, in denen das Kühlblech
nicht aufgehängt ist, frei erfolgen.
Die Beschreibung der Reihenfolge der Montage erfolgte gemäß den Fig. 1 und 2, um
klarzustellen, wie das fertige Produkt aussieht. Für die tatsächliche Reihenfolge der
Montage ist es jedoch effizienter, zunächst das Kühlblech an die Leiterplatte zu
montieren und anschließend bei der Bestückung der SMD-Bauteile dann nicht nur die
Leitungsanschlüsse anzulöten, sondern bei den Leistungsbauelementen gleichzeitig die
wärmeleitende Befestigung mit dem Kühlblech durch Löten herzustellen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit für das Kühlblech. Identische
Bestandteile tragen bei der Fig. 3 dieselben Bezugszeichen wie bei der Fig. 1. Bei dem
Kühlblech nach der Fig. 3 ist der erhabene Bereich 103 räumlich begrenzt. Beginnend
von der Linie 301 verläuft der erhabene Bereich 103 so, daß er bis zur Linie 302 in einer
Ebene mit dem Bereich 102 liegt. Es ist dabei ebenfalls möglich, den erhabenen Bereich
103 kontinuierlich in eine Ebene mit dem Bereich 102 verlaufen zu lassen. Entlang der
Linie 302 erfolgt dann eine Abknickung des Kühlbleches 101. In dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist weiterhin zu sehen, daß ein weiterer Knick 303
vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, unter Beibehaltung einer gewissen Größe des
Kühlbleches und einer damit verbundenen hinreichend großen Wärmekapazität und
Wärmeabgabefläche dessen Platzbedarf auf der Leiterplatte zu beschränken. Das
Kühlblech kann durch die entsprechenden Knicke den Platzverhältnissen auf der
Leiterplatte sowie in dem Gerät, in das Leiterplatte eingesetzt werden soll, angepaßt
werden.
Claims (13)
1. Verfahren zur wärmeleitenden Befestigung eines elektronischen
Leistungsbauelementes (106) auf einer Leiterplatte mit einem Kühlelement (101),
das ein Kühlblech oder ein Kühlkörper sein kann,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leistungsbauelement (106) an dem Kühlelement (101) flächig angelötet
ist, wobei zumindest während des Lötvorganges wenigstens ein Abstandshalter
(109) zwischen dem Kühlelement (101) und dem Leistungsbauelement (106)
vorgesehen ist.
2. Verfahren zur wärmeleitenden Befestigung eines elektronischen
Leistungsbauelementes (106) auf einer Leiterplatte mit einem Kühlelement (101),
das ein Kühlblech oder Kühlkörper sein kann,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest der Bereich der Verbindungsstelle (105), in dem das
Leistungsbauelement (106) mit dem Kühlelement (101) befestigt werden soll, sich
auf einer Ebene mit der Bestückungsseite bzw. der Lötseite der
Leiterplattenoberfläche befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (101) aus Kupfer, Messing, Weißblech oder veredeltem
Aluminium besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (101) zumindest im Bereich der Verbindungsstelle (105) des
Kühlelementes (101) mit dem Leistungsbauelement (106) veredelt ist wie
beispielsweise durch eine Beschichtung mit Zinn, Gold, Silber, Nickel, Palladium,
einer zinnhaltigen Legierung wie z. B. Blei-Zinn und/oder wenigstens einem
Beschichtungslack.
5. Verfahren nach einem Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Seite des Kühlelementes, an der das Leistungsbauelement befestigt
werden soll, mit wenigstens einem Körnerpunkt versehen wird und daß die
entstandene Innenfläche des wenigstens einen Körnerpunktes vor dem Verlöten
mit einem Kleber gefüllt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (101) im Zeitpunkt der Verlötung vorgeheizt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß Halterungen (104) des Kühlelementes (101) durch entsprechende Löcher
(202) einer Leiterplatte (201) gesteckt und verschränkt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterungen (104) in der Nähe der elektrischen Anschlüsse (107) des
Leistungsbauelementes (106) positioniert sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterungen (104) mit der Leiterplatte (201) nach dem Verschränken
verlötet sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein elektrischer Anschluß des Leistungsbauelementes (106) derart realisiert
ist, daß über die wärmeleitende Befestigung zugleich ein elektrischer Anschluß des
Leistungsbauelementes (106) mit dem Kühlelement (101) realisiert ist und daß das
Kühlelement (101) über die Verlötung wenigstens einer der Halterungen (104) mit
einem elektrischen Potential der Leiterplatte (201) verbunden ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Kühlelement (101) an einer Stelle, die von der Seite (111), an der das
Lot eingebracht wird, entfernt ist und die sich in dem Bereich des Kühlelementes
(101) befindet, an dem das Leistungsbauelement (106) verlötet ist, wenigstens ein
Loch (110) eingebracht ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlelement (101) gewinkelt ist (302, 303).
13. Elektronisches Leistungsbauelement, verbunden mit einem Kühlelement,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 hergestellt ist.
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