DE3531729C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es wurde gefunden, daß sich Wärme von Elektronikbauteilen sehr effektiv durch Verwendung einer Keramikplatte abführen läßt, welche die Wärme von den Bauteilen an einer Oberfläche aufnimmt und eine Vielzahl getrennter, beabstandeter metallischer wärmeleitender Elemente aufweist, die sich auf der anderen Oberfläche der Keramikplatte befinden und von dort wegstehen. Bei einer aus dem DE-GM 78 21 509 bekannten Wärmeableitvorrichtung der vorliegenden Art ist das Keramiksubstrat an der einen Seite mit einem zu kühlenden integrierten Schaltkreis direkt verbunden, während auf die andere Seite des Keramiksubstrats wärmeleitende Elemente zur Abgabe der im Betrieb entstehenden Wärme direkt aufgelötet sind. Hier besteht das Problem, daß bei starker Wärmeentwicklung eine örtliche Überhitzung des Keramiksubstrats möglich ist, wodurch die Haltbarkeit der Lötstellen zwischen dem Keramiksubstrat und dem Wärmeableitelement und somit die Zuverlässigkeit beeinträchtigt werden. Zudem ist es schwierig, die Wärmeableitvorrichtung nachträglich auf ein mit elektronischen Schaltkreisen bestücktes Substrat aufzubringen.

Aus der EP-OS 53 967 ist eine Wärmeableitvorrichtung für integrierte Schaltkreise bekannt, die auf einem Aluminiumoxid-Substrat befestigt sind. Die Kühlung des Substrats bzw. der integrierten Schaltkreise erfolgt durch einen einstückigen, mit einer Vielzahl von Kühlleisten versehenen Kühler, der als Ganzes auf das Substrat aufgeklebt wird. Da der Kühler nicht aus einzelnen voneinander getrennten Wärmeableitstiften besteht, ergeben sich bei dieser Anordnung aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Substrates bzw. des Kühlers Spannungen in der Grenzschicht, die zu einem Ablösen des Kühlers führen könnten. Deshalb sind zwischen dem Substrat und dem Kühler mehrere die Ausdehnungskoeffizienten angleichende Schichten vorgesehen.

Aus der US-PS 42 92 647 ist eine Halbleiter-Baugruppe mit einer Vielzahl elektronischer Chips bekannt, die auf einem keramischen Substrat befestigt und mit individuellen, direkt über ihnen angeordneten wärmeleitenden Elementen versehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Wärmeableitvorrichtung zu schaffen, welche die Überhitzungsgefahr des Keramiksubstrats erheblich vermindert und es gleichzeitig ermöglicht, Keramiksubstrate in einfacher Weise nachträglich mit Wärmeableitvorrichtungen zu versehen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Wärmeableitvorrichtung gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Keramikplatte, an der die metallischen Elemente angeordnet sind, ein gesonderter Körper gegenüber einem keramischen Substrat, auf dem sich die Elektronikbauteile befinden. Die mit den metallischen Elementen versehene Keramikplatte enthält ein Klebemittel, um sie an dem die Elektronikbauteile tragenden keramischen Substrat anzukleben. Vorteilhafterweise sind die metallischen Elemente zylindrische Kupferstifte, die über Lot und metallische Kissen, welche als Belag auf die Keramikplatte aufgebracht wurden, mit dieser Platte verbunden sind.

Da beide Platten aus Keramik bestehen, gibt es zwischen ihnen keine Wärmespannungen. Außerdem verteilt sich Wärme in der Keramikplatte gut, wodurch der Temperaturunterschied zwischen den verschiedenen Stiften gering bleibt und eine wirksame Wärmeableitung gefördert wird. Schließlich sorgen die Kupferstifte für gute Wärmeübertragung an die in ihrer Nähe vorbeistreichende Luft und für geringen Druckabfall in dieser Luft, und das Lot sorgt für gute Haftfestigkeit und bietet einen geringen Wärmewiderstand für die hindurchfließende Wärme.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform trägt die Keramikplatte, die auf ihrer einen Oberfläche die metallischen wärmeleitenden Elemente hält, auch auf ihrer anderen Oberfläche die Elektronikbauteile.

Zur Erläuterung der Erfindung werden nachstehend Aufbau, Herstellung und Wirkungsweise einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 schematisch in perspektivischer Ansicht, teilweise aufgebrochen, eine Wärmeableitvorrichtung in Verbindung mit einem keramischen Substrat, das Elektronikbauteile trägt;

Fig. 2 eine Unteransicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 3 die Ansicht eines vertikalen Schnittes durch einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1, und zwar gemäß der Linie 3-3 der Fig. 1 und in einer gegenüber dieser Figur auf den Kopf gestellten Orientierung.

In der Fig. 1 ist ein keramisches Substrat 10 zu erkennen, das auf seiner oberen Fläche Elektronikbauteile 12 trägt und mit seiner unteren Oberfläche an der Wärmeableitvorrichtung 14 befestigt ist. Die Elektronikbauteile 12 sind elektrisch miteinander über Metallisierungen 16 verbunden, die sich auf der oberen und der unteren Oberfläche der Keramikplatte 10 befinden, wobei die obere Oberfläche der Platte 10 zusätzlich noch einen isolierenden Überzug 18 über der Metallisierung 16 trägt. Die Wärmeableitvorrichtung 14 enthält eine Keramikplatte 20 (95% reines Aluminiumoxid), eine hitzehärtbare (duroplastische) Klebstoffschicht 22 (ungefähr 0,13 mm dick) und metallische wärmeleitende Stifte 24 auf ihrer unteren Oberfläche.

In der Fig. 2 ist die Anordnung der Stifte 24 auf der unteren Oberfläche der Platte 20 zu erkennen. Die Stifte 24 sind auf quadratischen Kissen 26 befestigt, bestehend aus einem im Vakuum aufgebrachten Palladium/Silber-Niederschlag. Die Kissen haben eine Seitenlänge von jeweils 3,175 mm, ihr gegenseitiger Abstand beträgt 2,388 mm in Richtung der Breite und 2,743 mm in Richtung der Länge. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, haben die Stifte 24, deren Durchmesser ungefähr 2,54 mm und deren Länge ungefähr 6,35 mm beträgt, einen Kupferkern 28 und einen dünnen Überzug 30. Die Stifte 24 sind mittels Lot 32 an den Kissen 26 befestigt.

Zur Herstellung der Wärmeableitvorrichtung 14 werden die Stifte 24 in einer Schablone befestigt, welche sie in der richtigen gegenseitigen Anordnung hält. Dann wird eine Lötpaste auf die freiliegenden Enden der Stifte 24 aufgebracht. Die Keramikplatte 20 mit den darauf befindlichen Kissen 26 wird auf die freistehenden Enden der Stifte 24 gesetzt, und die Stifte 24 werden durch Dampflötung miteinander verbunden. Nach dem Abkühlen des Stift/Keramik- Aufbaus wird die Klebstoffschicht 22 aufgebracht, die mit einer Ablöseschicht (nicht dargestellt) bedeckt wird, welche vor dem Aufkleben an das Substrat 10 entfernt wird. Die Wärmeableitvorrichtung 14 wird leicht an das Substrat 10 angeklebt, indem die untere Oberfläche der Keramikplatte 10 in Berührung mit der freigelegten Klebstoffschicht 22 gebracht wird, die im Gebrauch aushärtet. Die Klebstoffschicht 22 ist ungefähr 0,13 mm dick, um Unebenheiten in den Oberflächen der Keramikplatten auszugleichen.

Im Betrieb wird Wärme, die von den Elektronikbauteilen 12 kommt, durch die Keramikschichten 10 und 20 hindurch zu den wärmeleitenden Stiften 24 geleitet, von wo die Wärme an die vorbeifließende Umgebungsluft übertragen wird. Da die Keramikplatte 20 Wärme gut verteilt, ist die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Stiften 24 gering, und die Wärmeabfuhr in die Luft ist effizient. Weil die Platten 20 und 10 beide aus Keramik bestehen, treten keine Wärmespannungen zwischen ihnen auf. Die Kupferstifte 24 bewirken eine gute Wärmeübertragung in die vorbeiströmende Luft und einen geringen Strömungswiderstand in dieser Luft. Das Lot 32 sorgt für gute Haftfestigkeit und bietet der hindurchgeleiteten Wärme einen geringen Wärmewiderstand.

Neben dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind auch andere Ausführungsformen möglich.

Claims (5)

1. Wärmeableitvorrichtung für elektronische Bauteile mit einem Keramiksubstrat, mit an der einen Seite des Keramiksubstrats angeordneten elektrischen Bauelementen, mit einer Vielzahl von mit den elektrischen Bauelementen in wärmeleitender Verbindung stehenden, voneinander getrennten, freistehenden, beabstandeten, metallischen, wärmeleitenden Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß
die wärmeleitenden Elemente (24) auf mindestens einer zusätzlichen Keramikplatte (20) angebracht sind, und daß
die Keramikplatte (20) mit der den wärmeleitenden Elementen (24) abgewandten Seite auf die andere Seite des Keramiksubstrats (10) mittels einer Klebstoffschicht (22) aufgeklebt ist.

2. Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (24) auf metallisierte Kissen (26) auf der zweiten Oberfläche der Keramikplatte (20) gelötet sind.

3. Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (24) aus Kupfer bestehen.

4. Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Kissen (26) aus einer Palladium/Silber-Legierung bestehen.

5. Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (24) kreisförmigen Durchmesser haben, um niedrigen Druckabfall in an ihnen vorbeiströmenden Gasen zu bewirken.