DE19859739A1 - Kühlvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem elektronischen Steuergerät - Google Patents

Kühlvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem elektronischen Steuergerät

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Abstract

Um bei einer Kühlvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem elektronischen Steuergerät, welche einen Baugruppenträger mit einer Oberseite und einer Unterseite und einem auf die Unterseite aufgebrachten Kühlkörper umfaßt, wobei wenigstens ein wärmeerzeugendes elektrisches Bauelement in einer Aussparung des Baugruppenträgers eingesetzt ist und mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist, eine Verbesserung der Wärmeableitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung des Bauelementes gegenüber dem Kühlkörper zu erreichen, wird vorgeschlagen, in der Aussparung des Baugruppenträgers eine mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbundene und zugleich von dem Kühlkörper elektrisch isolierte Wärmeleitplatte anzuordnen, auf die das wärmeerzeugende elektrische Bauelement aufgelötet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung mit den im Ober­ begriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Eine solcher Kühlvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 40 30 532 A1 bekannt. Der dort gezeigte Baugruppenträger besteht aus einer in Hybridtechnik aufgebauten Mehrlagenschaltung, die auf einen Kühlkörper aufgebracht ist. Die Mehrlagenschal­ tung weist eine durchgehende Aussparung auf, in der ein Lei­ stungsbauelement angeordnet ist, welches direkt auf den Kühl­ körper aufgeklebt und mit diesem wärmeleitend verbunden ist. Ähnliche Anordnungen sind aus der DE 41 29 835 A1 und aus der DE 41 23 370 A1 bekannt, wobei als Baugruppenträger ein Lei­ terplattensubstrat beziehungsweise eine flexible Leiterfolie verwandt wird.
Da in vielen Fällen das Gehäuse der wärmeerzeugenden Bauele­ mente Potential führt und deshalb von dem Kühlkörper elek­ trisch isoliert werden muß, ist ein direktes Auflöten auf den Kühlkörper, welcher beispielsweise der Gehäuseboden eines elektronischen Steuergerätes sein kann, nicht möglich. Des­ halb werden die wärmeerzeugenden Bauelemente über einen elek­ trisch isolierenden Wärmeleitkleber auf den Kühlkörper aufge­ klebt. Nachteilig dabei ist, daß die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitklebers oft nicht ausreicht, um bei modernen Lei­ stungsbauelementen und anderen elektrischen oder elektroni­ schen Bauelementen, welche sich im Betrieb stark erwärmen, wie z. B. Hochleistungsschaltkreisen, eine Überhitzung der Bauelemente zu vermeiden.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 werden die beim Stand der Technik auftretenden Nachteile vermieden und eine schnelle und effiziente Wärmeableitung der von dem Bauele­ ment abgegebenen Wärme erreicht. Vorteilhaft ist das wärme­ erzeugende Bauelement in einer Aussparung des Baugruppenträ­ gers auf eine Wärmeleitplatte aufgelötet. Die von dem Bau­ element erzeugte Wärme kann somit direkt durch die metalli­ sche Lotschicht an die Wärmeleitplatte abgegeben werden und verteilt sich zunächst in der Wärmeleitplatte. Von der Wär­ meleitplatte wird die Wärme über eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise einen Wärme­ leitkleber, an den Kühlkörper weitergegeben. Insbesondere bei kurzzeitigen Erwärmungen des Bauelementes durch einen Wärmepuls wird daher eine effiziente Wärmeableitung er­ reicht. Darüber hinaus weist die gesamte Anordnung eine ge­ ringe Bauhöhe auf, da der Stapel aus Bauelement, Lotschicht und Wärmeleitplatte in der Aussparung des Baugruppenträgers zumindest teilweise versenkt wird. Dies ermöglicht vorteil­ haft, eine sehr flache und nur wenig Platz beanspruchende Bauweise, was besonders vorteilhaft ist, wenn die Kühlvor­ richtung im elektronischen Steuergerät eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung werden durch die Merkmale der Unteransprüche ermög­ licht.
So ist es vorteilhaft, das wenigstens eine wärmeerzeugende Bauelement mit seiner gesamten Unterseite vollflächig auf die Wärmeleitplatte aufzulöten. Auf diese Weise wird ein be­ sonders guter und schneller Wärmeübergang von dem Bauelement auf die als Wärmesenke dienende Wärmeleitplatte erreicht.
Vorteilhaft ist es, die Wärmeleitplatte mittels eines in die Aussparung eingebrachten Wärmeleitklebers auf den Kühlkörper aufzukleben. Die von der Wärmeleitplatte aufgenommene Wärme kann dann über den Wärmeleitkleber an den eigentlichen Kühl­ körper abgegeben werden.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, den Kühlkörper über eine die Aussparung abdeckende, wärme­ leitfähige Klebefolie auf die Unterseite des Baugruppenträ­ gers aufzukleben und die Wärmeleitplatte in der Aussparung des Baugruppenträgers auf die Klebefolie aufzubringen. Hier­ durch wird eine Montageerleichterung erzielt, da nach der Festlegung des Kühlkörpers an dem Baugruppenträger mit der Klebefolie kein zusätzliches Auftragen von Kleber zur Befe­ stigung der Wärmeleitplatte in der Aussparung des Baugrup­ penträgers nötig ist.
Besonders vorteilhaft kann als Wärmeleitplatte eine vorzugs­ weise aus Kupfer bestehende Metallplatte verwandt werden. Eine besonders gute Wärmeableitung wird erreicht, wenn die seitlichen Abmessungen der Wärmeleitplatte größer als die des wärmeerzeugenden Bauelementes sind.
Vorteilhaft kann der EMV-Schutz (elektromagnetische Verträ­ gerlichkeit) verbessert werden, wenn auf der Oberseite des Baugruppenträgers eine die Aussparung mit dem darin einge­ brachten wärmeerzeugenden Bauelement abdeckende Schutzkappe aufgebracht ist, welche etwas größer als die Aussparung be­ messen ist, so daß das Bauelement und dessen elektrische An­ schlußflächen auf der Oberseite des Baugruppenträgers von der Schutzkappe abgedeckt werden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein elektronisches Steuergerät mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Kühlvorrichtung. Als Baugruppenträger 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrlagenleiterplatte verwandt, wel­ che mehrere durch Isolierstofflagen getrennte Leiterbahnebe­ nen 11, 12, 13, 14 aufweist. Der Baugruppenträger kann aber auch ein beliebiges anderes Substrat, wie beispielsweise ein Kera­ miksubstrat oder ein 3-D MID-Substrat (Molded Interconnect Devices) sein. Auf die Unterseite 16 der Leiterplatte 1 ist ein metallischer Kühlkörper 2 aufgebracht, der beispielsweise über nicht dargestellte Schraub- oder Klemmverbindungen oder in sonstiger Weise mit der Leiterplatte verbunden werden kann. Die Leiterplatte 1 weist eine durchgehende Aussparung 8 auf, in der ein wärmeerzeugendes elektrisches Bauelement 3, beispielsweise ein Leistungsbauelement oder ein integrierter Schaltkreis, zusammen mit einer Wärmleitplatte 4 angeordnet ist. Bei der Herstellung kann so verfahren werden, daß von der Oberseite 18 der Leiterplatte 1 ein elektrisch isolieren­ der Wärmeleitkleber 6 auf den Kühlkörper 2 aufgetragen wird. Anschließend wird die Wärmeleitplatte 4 mit dem Kühlkörper verklebt und dann das Bauelement 3 über eine Lotschicht 5 auf die Wärmeleitplatte aufgelötet. Das Bauelement 3 kann aber auch zuerst auf die Wärmeleitplatte aufgelötet werden und an­ schließend die Wärmeleitplatte mit dem Kühlkörper verklebt werden. Das elektrische Bauelement 3 kann über Bonddrähte 17 mit Anschlußflächen 11 der Leiterbahnen auf der Oberseite 18 der Leiterplatte 1 kontaktiert werden. Als Wärmeleitplatte 4 kann beispielsweise eine Kupferplatte verwandt werden, deren Dicke in Abhängigkeit von der durch das Bauelement 3 erzeug­ ten Wärme und der zulässigen Bauhöhe des aus Bauelement, Lot­ schicht und Wärmeleitplatte gebildeten Stapels den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden kann. Ist beispielsweise eine sehr niedrige Bauhöhe vorgesehen, bei der das Bauelement 3 kaum über den oberen Rand der Aussparung 8 hinausragt, so kann eine etwas dünnere und breitere Wärmeleitplatte mit grö­ ßerer Auflagefläche auf dem Kühlkörper verwandt werden. Eine besonders gute Wärmeableitung wird erzielt, wenn das Bauele­ ment 3 mit seiner gesamten der Wärmeleitplatte 4 zugewandten Unterseite vollflächig auf die Wärmeleitplatte aufgelötet ist. Ist auf der Leiterplatte genügend Platz vorhanden, so kann die Aussparung 8 größer als die seitlichen Abmessungen des Bauelementes ausgestaltet sein, und eine Wärmeleitplatte verwandt werden, deren Auflagefläche auf dem Kühlkörper 2 größer ist als die Auflagefläche des Bauelementes auf der Wärmeleitplatte 4. Bei kurzfristig auftretenden Wärmepulsbe­ lastungen wird hierdurch eine noch bessere Wärmeableitung er­ reicht, da die Wärme von dem Bauelement durch die metallische Lotschicht 5 schnell an die Wärmeleitplatte abgegeben wird und sich in der größeren Wärmeleitplatte zunächst rasch ver­ teilen kann, bevor die Wärme über die Kleberschicht 6 auf den Kühlkörper übertragen wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühl­ körper 2 über eine beidseitig klebende Folie 7 auf die Unter­ seite 16 einer mehrlagigen Leiterplatte 1 mit Leiterbahnlagen 11, 12 und 13 aufgeklebt. Die Klebefolie 7 deckt dabei die un­ tere Öffnung der Aussparung 8 ab. Von der Oberseite 18 der Leiterplatte 1 wird die Wärmeleitplatte 4 mit dem in diesem Ausführungsbeispiel bereits aufgelöteten Bauelement 3 in die Aussparung 8 eingebracht und über die Klebefolie 7 auf den Kühlkörper 2 aufgeklebt. Bonddrähte 17 kontaktieren das Bau­ element 3 mit Anschlußflächen 11 auf der Oberseite 18 der Leiterplatte. Die Anschlußflächen 11 können über nicht ge­ zeigte Durchkontaktierungen mit den Leiterbahnen auf den La­ gen 12 und 13 verbunden sein. Auf die Oberseite 18 der Lei­ terplatte 1 ist am Ort der Aussparung 8 eine Metallkappe 9 aufgebracht. Die Metallkappe kann auf die Oberseite 18 aufge­ klebt oder auf eine nicht dargestellte den Rand der Ausneh­ mung 8 und die Anschlußflächen 11 umgebende, ringförmige Lei­ terbahn auf der Oberseite der Leiterplatte aufgelötet werden. Durch die Metallkappe 9 auf der Oberseite und den Kühlkörper 2 auf der Unterseite wird ein guter EMV-Schutz des Bauelemen­ tes 3 erreicht.
Fig. 3 zeigt die Kühlvorrichtung aus Fig. 2 in einem elektro­ nischen Steuergerät. Die Leiterplatte 1 ist über eine Klebe­ folie 7 auf den metallischen Gehäuseboden 2 des Steuergerätes aufgeklebt. Der Gehäuseboden 2 dient somit gleichzeitig als Kühlkörper. Der Gehäuseboden 2 ist mit einem Steckerteil 21 versehen, welches mit der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte verbundene Steckerstifte 22 aufweist, die durch das Steckerteil nach außen geführt sind. Der Gehäuseboden 2 ist mit einem Gehäusedeckel 20 aus Metall über eine Dichtung 27 verbunden. Durch Gehäuseboden 2 und Gehäusedeckel 20 wird ein geschlossenes Gehäuse für das Steuergerät ausgebildet, in dessen Innerem die Leiterplatte 1 angeordnet ist. Die Leiter­ platte 1 ist auf ihrer Oberseite 18 und gegebenenfalls auch auf der Unterseite 16 mit mehreren eine elektronische Schal­ tung bildenden elektrischen Bauelementen 23, 24, 25 bestückt, die im Betrieb keine große Wärme erzeugen. Ist die Leiter­ platte 1 beidseitig bestückt, so weist der Gehäuseboden 2 Vertiefungen 25 auf, die nicht von der Klebefolie 7 abgedeckt sind und der Aufnahme von solchen Bauelementen 24 dienen, die auf der Unterseite 16 der Leiterplatte 1 bestückt sind. Wie in Fig. 3 weiterhin zu erkennen ist, weist die Leiterplatte l mehrere Aussparungen 8 auf, in denen jeweils ein wärmeerzeu­ gendes Bauelement 3, wie in Fig. 2 gezeigt, auf eine inner­ halb der Aussparung angeordnete Wärmeleitplatte 4 aufgelötet ist. Jede Wärmeleitplatte 4 ist über die Klebefolie 7 auf den Gehäuseboden aufgeklebt. Die wärmeerzeugende Bauelemente 3 sind zusammen mit ihren Anschlüssen 17 mit jeweils einer me­ tallischen Abdeckkappe 9 abgedeckt. Durch Versenkung des aus Bauelement 3, Lotschicht 5 und Wärmeleitplatte 4 gebildeten Stapel in den Aussparungen 8 wird eine besonders flache Bauform des Steuergerätes erzielt.

Claims (7)

1. Kühlvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem elektronischen Steuergerät, umfassend einen Baugruppenträger (1) mit einer Oberseite (18) und einer Unterseite (16) und einem auf die Unterseite aufgebrachten Kühlkörper (2), wobei wenigstens ein wärmeerzeugendes elektrisches Bauelement (3) in einer Aussparung (8) des Baugruppenträgers (1) eingesetzt ist und mit dem Kühlkörper (2) wärmeleitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aussparung (8) des Bau­ gruppenträgers (1) eine mit dem Kühlkörper (2) wärmeleitend verbundene und zugleich von dem Kühlkörper elektrisch iso­ lierte Wärmeleitplatte (4) angeordnet ist, auf die das wär­ meerzeugende elektrische Bauelement (3) aufgelötet ist.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine wärmeerzeugende Bauelement (3) mit seiner gesamten Unterseite (15) vollflächig auf die Wärme­ leitplatte (4) aufgelötet ist.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitplatte (4) mittels eines in die Aussparung (8) eingebrachten Wärmeleitklebers (6) auf den Kühlkörper (2) aufgebracht ist.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlkörper (2) über eine die Aussparung (8) abdeckende, wärmeleitfähige Klebefolie (7) auf die Un­ terseite des Baugruppenträgers (1) aufgeklebt ist und daß die Wärmeleitplatte (4) in der Aussparung (8) des Baugrup­ penträgers auf die Klebefolie (7) aufgebracht ist.
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitplatte (4) eine vorzugsweise aus Kupfer bestehende Metallplatte ist.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Abmessungen der Wärmeleitplatte (4) größer als die des Bauelementes (3) sind.
7. Kühlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite (18) des Bau­ gruppenträgers (1) eine die Aussparung (8) mit dem darin eingebrachten wärmeerzeugenden Bauelement (3) abdeckende Schutzkappe (9) aufgebracht ist, welche Schutzkappe (9) et­ was größer als die Aussparung (8) bemessen ist, so daß das Bauelement (3) und dessen elektrische Anschlußflächen (11) auf der Oberseite (18) des Baugruppenträgers von der Schutz­ kappe abgedeckt werden.
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