DE3716196C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Keramiksubstrat, das auf seiner einen Oberfläche elektronische Bauelemente trägt, und mit einer Wärmeabführeinrichtung für die elektronischen Bauelemente versehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß Wärme sehr effektiv von elektronischen Bauelementen abgeführt werden kann, wenn man eine Keramikplatte benutzt, die an ein die elektronischen Bauelemente tragendes und von ihnen die Wärme empfangendes Keramiksubstrat mit ihrer einen Oberfläche geklebt ist und mehrere separate, beabstandete Elemente in Form von Zylindern aus einem metallischen, wärmeleitenden Material aufweist, die auf der anderen Oberfläche der Platte montiert sind und sich von dieser weg erstrecken. Eine solche Anordnung wird in der DE-OS 35 31 729 beschrieben und im Oberbegriff des Anspruchs 1 als bekannt vorausgesetzt.

Das Verhältnis von der durch die freiliegenden Teile der Platte und die freiliegenden Flächen der Zylinder gebildeten kombinierten Oberfläche zur Oberfläche der Platte allein beträgt bei dieser aus der DE-OS 35 31 729 bekannten Anordnung etwa 2,26.

Eine ähnliche Anordnung aus einem Keramiksubstrat, das auf seiner einen Oberfläche elektronische Bauelemente trägt und mit einer Wärmeabführeinrichtung auf der anderen Seite des Keramiksubstrats versehen ist, ist auch aus dem DE-GM 78 21 509 bekannt. Für das Verhältnis der kombinierten Oberflächengröße der mit den wärmeleitenden Elementen versehenen Platte gegenüber der Oberflächengröße der Platte allein ergibt sich hier ein Verhältnis von etwa 2,63.

Aus den in der DE-OS 35 31 729 und der DE-GM 78 21 509 angestellten Überlegungen ergibt sich, daß sich der Fachmann aus einem Oberflächenverhältnis ungefähr zwischen 2,2 und 2,6 den maximalen Vorteil verspricht. Insbesondere in der DE-GM 78 21 509 wird eine Vergrößerung der die wärmeleitenden Elemente bildenden Stifte wegen der Beanspruchung der Verbindungsstelle von Stift und Platte aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten als problematisch angesehen. Ein weiterer Umstand, der den Fachmann aufgrund einfacher Überlegungen davon abhalten dürfte, die wärmeableitenden Elemente gegenüber den in den beiden Entgegenhaltungen vorgeschlagenen Abmessungen weiter zu vergrößern, dürfte darin bestehen, daß eine derartige Vergrößerung eine Verkleinerung des freien Raums zwischen den einzelnen wärmeleitenden Elementen bedeutet, so daß dadurch der vorbeistreichenden kühlenden Luft ein zu großer Strömungswiderstand entgegengesetzt und dadurch die Kühlwirkung nur verschlechtert würde.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der vorausgesetzten Art so weiter zu bilden, daß sich wesentlich verbesserte Wärmeabführeigenschaften ergeben.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß die wärmeleitenden Elemente und freiliegenden Teile der Keramikplatte eine Gesamtoberflächengröße haben, die zwischen dem 3,5fachen und dem 4,0fachen der Oberflächengröße der Keramikplatte allein beträgt.

An dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht einer Wärmeabführeinrichtung, die erfindungsgemäß an einem elektronische Bauelemente tragenden Keramiksubstrat befestigt ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Wärmeabführeinrichtung gemäß Fig. 1 von unten; und

Fig. 3 einen vertikalen, bezüglich Fig. 1 von oben nach unten umgekehrten Schnitt durch einen Teil der Wärmeabführeinrichtung längs der Ebene 3-3 in Fig. 1.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, trägt ein Keramiksubstrat (10) auf seiner oberen Oberfläche elektronische Bauelemente (12) und ist an seiner unteren Oberfläche an einer Wärmeabführeinrichtung (14) befestigt. Die elektronischen Bauelemente (12) sind miteinander elektrisch durch eine Metallisierung (16) auf den oberen und unteren Oberflächen der das Substrat (10) bildenden Keramikplatte verbunden. Die obere Oberfläche der das Substrat (10) bildenden Platte trägt über der Metallisierung (16) auch eine isolierende Schicht (18). Die Wärmeabführeinrichtung (Kühleinrichtung) (14) enthält eine Keramikplatte (20) (95% reines Aluminiumoxid), eine hitzehärtbare Klebschicht (22) (die etwa 0,13 mm dick sein kann und aus im Handel erhältlichem Material besteht) und metallische wärmeleitende Stifte (24) auf ihrer unteren Oberfläche.

Die Anordnung der Stifte (24) auf der Unterseite der Platte (20) ist Fig. 2 zu entnehmen. Die Stifte (24) sind auf im Vakuum niedergeschlagenen, 3,2 mm × 3,2 mm großen quadratischen Unterlageschichten (Pads) (26) aus Palladium/Silber-Legierung montiert, welche einen gegenseitigen Abstand von 2,39 mm in der Breiten­ richtung und 2,74 mm in der Längenrichtung haben können. Die genauer in Fig. 3 erkennbaren Stifte (24) enthalten einen Kupferkern (28) und eine Zinnschicht (30). An den Unterlageschichten (26) sind die Stifte (24) durch Lötmaterial (32) befestigt. Durch die Hinzufügung der Stifte wurde die Gesamtgröße der Wärmeabführoberfläche von derjenigen einer Platte ohne Stifte beträchtlich vergrößert, wobei das Optimum für das Verhältnis der Gesamtflächengröße zu derjenigen der Platte allein zwischen 3,5 und 4,0. liegt

Zur Herstellung der Wärmeabführeinrichtung (14) werden die Stifte (24) in der richtigen Anordnung in einer Einspannvorrichtung befestigt und an ihren freiliegenden Enden mit Lötpaste versehen. Die Keramikplatte (20) wird mit den auf ihr befindlichen Unterlage­ schichten (26) auf die freiliegenden Enden der Stifte (24) gelegt, worauf die Stifte (24) und die Keramikplatte (20) miteinander z.B. durch ein Dampflötverfahren verbunden werden. Nach Abkühlung der aus den Stiften und der Keramikplatte bestehenden Einheit wird die Klebschicht (22) aufgebracht, die mit einer (nicht dargestellten) Ablöseschicht versehen ist oder wird, welche vor dem Ankleben an das Substrat (10) entfernt wird. Die Wärmeabführeinrichtung (14) kann auf einfache Weise an das Substrat (10) geklebt werden, indem die untere Oberfläche der Keramikplatte (10) in Berührung mit der entblößten Klebschicht (22) gebracht wird, welche beim Gebrauch erhärtet. Zweckmäßig ist die Klebschicht (22) etwa 0,13 mm dick, wodurch Unregelmäßigkeiten nicht genau planarer Oberflächen der Keramikplatte kompensiert werden.

Im Betrieb wird Wärme von den elektronischen Bauelementen (12) durch die durch die Keramikplatte (10), die Klebschicht (22) und die Keramikplatte (20) gebildeten Schichten zu den wärmeleitenden Stiften (24) geleitet, von denen die Wärme an die an ihnen vorbeiströmende Umgebungsluft abgeführt wird. Da die Keramikplatte (20) Wärme gut verteilt, ist der Temperaturunterschied zwischen den verschiedenen Stiften (24) untereinander gering und die Wärmeabgabe an die Luft sehr effizient. Da beide Platten (20) und (10) aus Keramik bestehen, treten zwischen ihnen keine thermischen Spannungen auf. Auch hindern die metallischen Elemente nicht die Platte an einer Dehnung, da sie einen geringen Durchmesser haben, auf der Platte voneinander beabstandet sind und freistehende Enden haben, die an nichts befestigt sind, was eine Bewegung der Elemente bei einer Expandierung der Keramikplatte, auf der sie montiert sind, behindern könnte. Der einzige Zweck dieser metallischen Elemente ist die Wärmeabführung. Sie sind nicht elektrisch mit irgendwelchen Bauelementen verbunden. Sie sind auch nicht mit einzelnen, individuellen Bauelementen ausgerichtet, sondern stattdessen in einer solchen Anordnung auf dem Unterteil der Platte montiert, daß sich aufgrund ihrer Fähigkeit, Grenzschichten aufzubrechen, und der zusätzlichen Oberfläche die wirksamste Wärmeableitung ergibt. Die Stifte (24) aus Kupfer gewährleisten gute Wärmeübertragung an die an ihnen vorbeifließende Luft und geringen Druckabfall in derselben. Das Lötmaterial (32) gewährleistet gute Verbindungsfestigkeit und geringen thermischen Widerstand für die hindurchfließende Wärme. Die zylindrische Form der wärmeleitenden Elemente ist ebenfalls sehr wichtig, weil bei der Benutzung der hier beschriebenen zylindrischen Elemente die Luft in jeder Richtung fließen kann und man die Wärmeabführeinrichtung in eine große Kammer mit vielen anderen Bauelementen anordnen kann, welche dazu neigen würden, die Luft in schwierig vorhersehbarer Weise abzulenken. Es ist nicht notwendig, Luftströmung durch Führungen oder auf andere Weise gerichtet auf die wärmeleitenden Elemente zu lenken oder sie in einer speziellen Orientierung anzuordnen, wie es bei flügelartigen oder sonstigen Kühlrippen der Fall ist. Schließlich ist auch die zylindrische Form sehr günstig für eine wirksame Wärmeableitung, weil sich keine Grenzschichten wie bei flachen Rippen oder Platten bilden.

Claims (4)

1. Anordnung aus einem Keramiksubstrat, das auf seiner einen Oberfläche elektronische Bauelemente trägt, und mit einer Wärmeabführeinrichtung für die elektronischen Bauelemente, mit einer angrenzend an das Keramiksubstrat (10) angeordneten Keramikplatte (20), deren erste Oberfläche in wärmeleitender Weise durch eine Klebeschicht (22) an der zu den Bauelementen entgegengesetzten Oberfläche des Substrates (10) haftet, und mehreren gesonderten, beabstandeten, freistehenden, metallischen, zylindrischen wärmeleitenden Elementen (24), die in einer Reihen- oder sonstigen Anordnung auf einer zweiten Oberfläche der Keramikplatte (20) montiert sind und von dieser wegstehen, und die von den elektronischen Bauelementen (12) elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Elemente (24) und freiliegenden Teile der Keramikplatte (20) eine Gesamtoberflächengröße haben, die zwischen dem 3,5fachen und dem 4,0fachen der Oberflächengröße der Keramikplatte (20) allein beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elemente (24) an metallisierte oder durch Metallisierung erzeugte Unterlageschichten (26) auf der zweiten Oberfläche gelötet sind.

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

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Unterlageschichten (26) aus einer Palladium/Silber-Legierung bestehen.