DE19711533A1 - Leiterplattenanordnung mit Wärmeaustauscher - Google Patents
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer
Leiterplattenanordnung mit einem Wärmeaustauscher nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung
auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE 38 05 851 A1
bekannt ist. Dort ist eine Leiterplatte mit einer
Kühlvorrichtung angegeben, bei der die elektrische
Verlustleistung elektrischer Bauelemente, die auf einer
Leiterplatte montiert sind, mittels einer Kühlflüssigkeit,
welche durch eine hohle Kupferplatte fließt, abtransportiert
werden kann. Die Leiterplatte kann selbst als Kühlvorrichtung
ausgebildet sein. Dabei weist diese Kühlvorrichtung 2 äußere
Schichten und mindestens eine innere Schicht auf, die
miteinander verklebt oder mit einem sog. Prepreg, d. h. mit
einer glasfaserverstärkten Klebefolie aus einem
anpolymerisierten Kunstharz, durch Heißpressen miteinander
verbunden sind. Aus der inneren Schicht sind Schlitze oder
Aussparungen ausgefräst, ausgestanzt oder ausgeschnitten, die
Kühlkanäle für die Kühlflüssigkeit bilden. Bedrahtete
Bauelemente liegen mit einer großen Kontaktfläche auf einer der
äußeren Schichten dieser Kühlvorrichtung auf.
Oberflächenmontierte Bauelemente sind über einen unbedrahteten
Anschluß mit der Leiterplatte verbunden.
Dabei ist die Wärmeabfuhr insbesondere von
oberflächenmontierbaren Bauelementen unbefriedigend.
Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die DE 38 43 984 A1
verwiesen, aus der es bekannt ist, unterhalb jedes
Lötanschlußelementes eines oberflächenmontierbaren Bauelementes
mindestens ein Lötloch in der Leiterplatte anzuordnen und durch
Fließ- oder Wellenlöten mit Lot zu füllen. Eine besondere
Kühlvorrichtung für die Leiterplatte ist nicht vorgesehen.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst
die Aufgabe, eine Leiterplattenanordnung mit einem
Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art derart
weiterzuentwickeln, daß eine effektivere Kühlung, insbesondere
von oberflächenmontierbaren, elektrischen Bauelementen
resultiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mehr und/oder
leistungsstärkere elektrische Bauelemente auf einer
Leiterplatte montiert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können
doppelseitig und/oder mehrschichtig mit elektrischen
Bauelementen bestückte Leiterplatten verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei
spiels erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ausschnittsweise einen nicht maßstabsgerechten
Querschnitt durch eine Leiterplattenanordnung mit 3
Leiterplatten und daran angelöteten elektrischen
Bauelementen und
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Leiterplattenanordnung gemäß
Fig. 1.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt eine Leiterplattenanordnung mit 3 Leiterplatten (1-3)
aus Polyamid, welche beidseitig eine strukturierte
Kupferbeschichtung aufweisen. Eine 1. Leiterplatte (1) ist über
eine elektrische Isolierschicht (4) aus einer
glasfaserverstärkten Klebfolie aus einem anpolymerisierten
Kunstharz (Prepreg) flächenhaft mit einer 2. Leiterplatte (2)
verbunden. Oberhalb der freien Oberfläche dieser 2.
Leiterplatte (2) ist, mit Abstand zu dieser Oberfläche, ein
oberflächenmontierbares, elektrisches Bauelement (11) über
Lötanschlußelemente (10) mit einer Lötloch- bzw.
Lötmetallisierung (9) mittels eines Lotes (12) verlötet. 2
Lötsacklöcher bzw. Lötlöcher (13) mit einem Lochdurchmesser von
0,1 mm gehen durch beide Leiterplatten (1, 2) und die
Isolierschicht (4) hindurch; sie sind randseitig mit den
Lötmetallisierungen (9) versehen und mit dem Lot (12) gefüllt.
In der 1. Leiterplatte (1) können weitere Lötlöcher (17) mit
Lötmetallisierungen (9) vorgesehen sein, die nur durch die 1.
Leiterplatte (1) hindurchgehen.
Die Unterseite der 1. Leiterplatte (1) steht über eine
elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Thermobeschichtung
bzw. Thermoschicht (5), eine metallische Wärmeaustauscherplatte
(6) und eine Isolierschicht (4') mit der Oberseite einer
Fluidkanalplatte (7), welche einen Fluidkanal (8) aufweist, in
gut wärmeleitender Verbindung.
Die Gestalt der Fluidkanalplatte (7) mit einem mäanderförmig
darin angeordneten Fluidkanal (8) ist besser aus Fig. 2 zu
erkennen. Als Fluid (18) zum Zu- oder Abführen von Wärme über
den Fluidkanal (8) können Wasser, Luft oder Öl verwendet
werden. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist in Fig.
2 nur die Anordnung des elektrischen Bauelements (11) bezüglich
der Fluidkanalplatte (7) angedeutet.
Die Unterseite der Fluidkanalplatte (7) steht über eine
Isolierschicht (4''), eine weitere Wärmeaustauscherplatte (6')
und eine weitere Thermoschicht (5') mit einer Innenseite einer
3. Leiterplatte (3) in gut wärmeleitender Verbindung. Der
Fluidkanal (8) grenzt jeweils unmittelbar an die
Wärmeaustauscherplatten (6, 6') an. Die Isolierschichten (4')
und (4'') bestehen aus dem gleichen Werkstoff wie die
Isolierschicht (4). Die Wärmeaustauscherplatten (6, 6') und die
Fluidkanalplatte (7) bestehen aus einem korrosionsbeständigen
Metall, vorzugsweise aus vernickeltem Kupfer.
Die 3. Leiterplatte (3) weist 2 mit Lot (12) gefüllte Lötlöcher
(13') auf. Unterhalb der freien Oberfläche dieser 3.
Leiterplatte (3) ist, mit Abstand zu dieser Oberfläche, ein
oberflächenmontierbares, elektrisches Bauelement (11') über
Lötanschlußelemente (10') mit einer Lötloch- bzw.
Lötmetallisierung (9) mittels des Lotes (12) verlötet.
Ein von der freien Oberfläche der 2. Leiterplatte (2)
beabstandetes bedrahtetes elektrisches Bauelement (14) ist über
einen Lötanschlußdraht (15) mit einer Lötmetallisierung (9) an
der freien bzw. Lötanschlußseite der 3. Leiterplatte (3)
verlötet. Ein metallischer Einpreßstift bzw. Lötkontaktstift
bzw. Kontaktstift (16), welcher von der Bauelementanschlußseite
der 2. Leiterplatte (2) bis zur Bauelementanschlußseite der 3.
Leiterplatte (3) reicht, ermöglicht über Lötmetallisierungen
(9) eine elektrische Verbindung dieser beiden
Bauelementanschlußseiten.
Eine derartige Leiterplattenanordnung mit Wärmeaustauscher
eignet sich für ein- oder zweiseitige Bestückung mit bedrahteten
und/oder oberflächenmontierbaren elektrischen Bauelementen (14,
11, 11') sowie für mehrschichtige Leiterplatten (1, 2).
Bei nur einschichtiger Leiterplattenanordnung wäre z. B. nur
die 3. Leiterplatte (3) an den Wärmeaustauscher angeschlossen,
wobei die Schichten 1, 2, 4 und 5 gemäß Fig. 1 fehlen würden.
Bei zweiseitiger einschichtiger Leiterplattenanordnung würden z. B.
die Schichten 1 und 4 gemäß Fig. 1 fehlen.
Alle Schichten der Leiterplattenanordnung sind miteinander
verklebt oder mit einem sog. Prepreg durch Heißpressen
miteinander verbunden.
Der Fluidkanal (8) kann statt mäanderförmig auch z. B.
spiralförmig oder mit parallelen Kanälen usw. ausgeführt sein.
Wichtig ist, daß die elektrische Verlustwärme von den
Anschlußkontakten der elektrischen Bauelemente (11, 11', 14)
über Lot (12) in Lötlöchern (13, 13') zu den Thermoschichten
(5, 5') und von dort zum Kühlfluid (18) im Fluidkanal (8)
geleitet wird.
Die Wärmeaustauscherplatten (6, 6') haben den Vorteil, daß sie
die zu übertragende Wärme gleichmäßig über die Fläche
verteilen; sie können jedoch fehlen, wenn die Thermoschichten
(5, 5') genügend dünn und formstabil sind.
Statt zum Kühlen kann die Leiterplattenanordnung mit
Wärmeaustauscher auch zum Erwärmen der elektrischen Bauelemente
(11, 11') verwendet werden, wenn z. B. ein Einsatz der
Leiterplattenanordnung in der Traktion bei Temperaturen
unterhalb von -25°C dies erfordert. In diesem Fall wird das
Kühlfluids als Aufheizfluid verwendet.
Anstelle von Leiterplatten (1-3) können auch Folien verwendet
werden. Die elektrischen Bauelemente (11, 11', 14) müssen nicht
von der Oberfläche der jeweiligen Leiterplatte (2, 3)
beabstandet sein; sie können auch aufliegen (nicht
dargestellt).
Die Lötlöcher (13, 13') sollen einen Durchmesser von ≦ 0,2 mm
aufweisen.
Anstelle einer metallischen Fluidkanalplatte (7) kann z. B.
auch eine metallisierte Kunststoffplatte geringer Masse
verwendet werden.
1
,
2
,
3
Leiterplatten, Polyamidfolien
4
,
4
',
4
'' elektrische Isolierschichten, Isolierfolien,
Klebfolien
5
,
5
' elektrisch isolierende Thermoschichten,
Thermobeschichtungen
6
,
6
' Wärmeaustauscherplatten, Metallplatten
7
Fluidkanalplatte
8
Fluidkanal
9
Lötlochmetallisierung, Lötmetallisierung
10
,
10
' Lötanschlußelemente
11
,
11
' oberflächenmontierbare, elektrische Bauelemente
12
Lot
13
,
13
',
17
Lötlöcher, Lötsacklöcher
14
bedrahtetes Bauelement
15
Lötanschlußdraht
16
Kontaktstift, Einpreßstift
18
Fluid, Kühlfluid, Aufheizfluid
Claims (4)
1. Leiterplattenanordnung
- a) mit mindestens einer 1. Leiterfolie oder Leiterplatte (1, 3),
- b) welche mit einer Fluidkanalplatte (7) in wärmeleitender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
- c) daß die mindestens eine 1. Leiterfolie oder Leiterplatte (1, 3) über eine gut wärmeleitende, elektrisch isolierende Thermoschicht (5, 5') mit der Fluidkanalplatte (7) in wärmeleitender Verbindung steht und
- d) daß diese Thermoschicht (5, 5') in direktem, wärmeleitendem Kontakt mit Lot (12) in wenigstens einem Lötloch (13, 13') steht, welches durch die mindestens eine 1. Leiterfolie oder Leiterplatte (1, 3) hindurchgeht und mit mindestens einem Lötanschlußelement (10, 10') eines elektrischen Bauelements (11, 11') elektrisch verbunden ist.
2. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der Thermoschicht (5, 5') und
der Fluidkanalplatte (7) eine metallische
Wärmeaustauscherplatte (6, 6') angeordnet ist.
3. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß beidseits der Fluidkanalplatte (7)
Leiterfolien oder Leiterplatten (1, 2, 3) angeordnet sind.
4. Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß auf mindestens einer Seite der Fluidkanalplatte (7) mehrere Leiterfolien oder Leiterplatten (1, 2) unter Zwischenschaltung je einer Isolierschicht (4) angeordnet sind und
- b) daß mindestens ein mit Lot (12) gefülltes Lötloch (13) durch alle diese Mehrschicht-Leiterfolien oder Mehrschicht-Leiterplatten (1, 2) und die mindestens eine Isolierschicht (4) hindurchgeht.
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