DE19711533C2 - Leiterplattenanordnung mit Wärmeaustauscher - Google Patents

Leiterplattenanordnung mit Wärmeaustauscher

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Leiterplattenanordnung mit einem Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der US-A- 4,706,164 bekannt ist. Dort stehen ggf. mehrschichtige gedruckte Schaltungen bzw. Leiterplatten mit elektrischen Bauelementen über eine elektrische Isolierschicht, eine metallische Abdeckplatte und eine Dichtungsschicht mit einer Kühlplatte aus Metall oder Kunststoff in zusammengepreßter, wärmeleitender Verbindung. Die Kühlplatte weist einen gegenüber der Dichtungsschicht offenen, mäanderförmigen Kühlkanal für ein Kühlfluid auf. Zentral unterhalb des Bodens eines elektrischen Bauelementes kann ein Loch angeordnet sein, das durch alle Schichten und auch durch die Kühlplatte hindurch geführt und mit wärmeleitender Paste gefüllt ist. Diese wärmeleitende Paste befindet sich auch zwischen dem Boden des Bauelements und der Leiterplatte; sie kann elektrisch mit einem Hartlot in Verbindung stehen, welches randseitig zwischen dem Bauelement und der Leiterplatte angebracht ist. Nachteilig dabei ist, daß nur eine Gehäusekühlung der elektrischen Bauelemente möglich ist.
In der DE 38 05 851 A1 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.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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.
Bezugszeichenliste
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 (3)

1. Leiterplattenanordnung
  • a) mit mindestens einer 1. Leiterfolie oder Leiterplatte (1, 3),
  • b) welche über eine gut wärmeleitende, elektrisch isolierende Thermoschicht (5, 5') mit einer Fluidkanalplatte (7) in wärmeleitender Verbindung steht,
  • c) mit wenigstens einem metallischen Verbindungselement (12; 13, 13'), welches durch die mindestens eine 1. Leiterfolie oder Leiterplatte (1, 3) hindurchgeht und einerseits mit mindestens einem Lötanschlußelement (10, 10') eines elektrischen Bauelements (11, 11') elektrisch verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß das wenigstens eine metallische Verbindungselement (12; 13, 13') andererseits in der Thermoschicht (5, 5') oder an deren leiterfolien- oder leiterplattenseitigen Oberfläche endet, ohne durch diese Thermoschicht (5, 5') hindurchzugehen.
2. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Verbindungselement ein mit einem Lot (12) gefülltes Lötloch (13, 13') umfaßt.
3. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß beidseits der Fluidkanalplatte (7) je eine metallische Wärmeaustauscherplatte (6, 6') angeordnet ist,
  • b) daß die Fluidkanalplatte (7) mindestens einen Fluidkanal (8) aufweist, der zu beiden Wärmeaustauscherplatten (6, 6') offen ist, und
  • c) daß jede Wärmeaustauscherplatte (6, 6') über eine Thermoschicht (5, 5') mit mindestens einer Leiterfolie oder Leiterplatte (1-3) in Verbindung steht.
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