DE3935662C2 - Auf einem Substrat angeordnete elektronische Schaltung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schal­ tung mit einem Substrat, das mit einem Träger verbunden ist, der auch durch die Wandung eines Gehäuses gebildet sein kann, in das Kühlflüssigkeit eingebracht ist.

Bei elektronischen Schaltungen, insbesondere in Hy­ bridausbildung, treten oftmals Probleme der mech­ anischen Befestigung, der Wärmeabfuhr und des Feuchtigkeitsschutzes auf. Es ist bekannt, bei den bisherigen Konstruktionen sowohl eine mechanische Befestigung als auch eine Wärmeabfuhr durch eine ganzflächige Verklebung des Substrats zu erzielen und einen Feuchteschutz durch einen Silikonverguß herzustellen. Die Verklebung erfolgt vorzugsweise mit einer metallischen Montagefläche. Bei den Hy­ briden und auch bei der Montagefläche treten oft­ mals erhebliche Unebenheiten ihrer Befestigungs­ flächen auf. Dieses gilt insbesondere dann, wenn großflächige Konstruktionen vorliegen. Damit trotz­ dem eine effektive Wärmeübertragung an die Montage­ fläche möglich ist, wurde - wie erwähnt - der gesamte Zwischenraum mit Kleber ausgefüllt, wodurch das Hy­ brid - neben der Wärmeabfuhr - gleichzeitig mit der Montagefläche mechanisch verbunden wurde. Eine be­ kannte Verfahrensweise ist es, die Kleberschicht mit homogener Dicke aufzubringen und durch An­ drücken des Hybrids und Herausdrücken des über­ schüssigen Klebers den notwendigen Kontakt herzu­ stellen. Bei großen Hybriden läßt sich dieses Ver­ fahren nur mit mäßigem Erfolg anwenden, da das Her­ ausdrücken des überschüssigen Klebers zumeist nicht einwandfrei gelingt. Denkbar, aber in der Durchfüh­ rung schwierig, wäre auch ein Aufspachteln einer Kleberschicht sowohl auf das unebene Hybrid als auch auf die unebene Montagefläche, so daß jeweils ebene Kleber-Oberflächen entstehen, die dann zusam­ mengefügt werden. Hierbei ist die Gesamt-Kleber­ schicht jedoch unterschiedlich stark, insbesondere an bestimmten Stellen sehr dick, wodurch der Wärme­ transport behindert wird. Dieses gilt auch für die Verfahrensweise, bei der ein Herausdrücken des Kle­ bers vorgenommen wird.

Die Druckschrift DE-OS 36 19 226 beschreibt einen Verdrahtungsträger, der auf seiner Oberseite Schaltkreise aufweist und aus Epoxidharz mit eingelegten Wärmeleitstempeln besteht. Auf der Unterseite des Verdrahtungsträgers ist eine Kappe befestigt, die einen Hohlraum bildet. In die Kappe sind seitlich Rohre zur Zu- und Ableitung einer Kühlflüssigkeit eingebracht. Die Schaltkreise werden durch die Kühlflüssigkeit, die durch die Kappe fließt, gekühlt. Die Oberseite des Verdrahtungsträgers ist mit einer Gehäusekappe gegen Berührung geschützt.

Die Druckschrift US-4 053 942 beschreibt eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung besteht aus einem Substrat, das Bauelemente mit elektronischen Schaltungen und zwei Platten auf seiner Oberfläche trägt. Auf das Substrat ist eine Abdeckung aufgebracht, so daß sich die Bauelemente und die Platten in einem geschlossenen Hohlraum befinden. Der Hohlraum ist mit Flüssigkeit gefüllt. Die Bauelemente sind in Flip-Chip-Technik auf das Substrat gelötet und somit elektrisch und mechanisch mit dem Substrat verbunden. Die zwei Platten sind über Lötpunkte mit den Flächen parallel zueinander zusammengelötet. Zwischen den Platten ist ein Heizelement angebracht. Das Heizelement wird erhitzt, wodurch sich Blasen bilden, die nach oben steigen und somit sich die Verunreinigungen, die nicht verdampfen, auf den Innenseiten der Platten absetzen.

Die Druckschrift GB-1 431 560 beschreibt ein Gefäß, in dem Leiterplatten mit elektronischen Schaltungen eingebracht sind. Das Gefäß ist mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt. Aufgrund der gewählten Anordnung der Leiterplatten wird durch die Erwärmung der elektronischen Schaltungen eine Konvektion der Kühlflüssigkeit um die Leiterplatte erreicht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß zwar weiterhin eine Verbindung des die elektronische Schaltung aufweisenden Substrats mit einem Träger erfolgt, wobei jedoch nur ein Teilbereich verbunden und der verbleibende Hohlraum zwischen Substrat und Träger von einer Kühlflüssigkeit, ausgefüllt wird. Die Verbindung wird dabei derart dimensio­ niert, daß sie lediglich den mechanischen Zusammen­ halt gewährleistet. Die Wärmeabfuhr wird von der Kühlflüssigkeit übernommen. Hierdurch ist auf ein­ fache Weise eine mechanische Befestigung und auch eine besonders effektive Wärmeabfuhr sicherge­ stellt.

Es erfolgt lediglich eine punktförmige Verklebung zwischen Substrat und Träger. Insofern steht der weitaus größte Zwischenraumbereich für die Kühlfunktion zur Verfügung.

Insbesondere ist vorgesehen, daß die Verklebung eine Schichtdicke aufweist, die relative Wärmeaus­ dehnungen zwischen Substrat und Träger aufnimmt. Hierdurch ergibt sich eine Lösung des bei den be­ kannten Anordnungen kritischen Problems unter­ schiedlicher Längenausdehnung, die daraus resul­ tiert, daß das Substrat und der Träger unterschied­ liche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Eine sehr starre Verbindung beider Teile würde zu einem Bruch des Substrats führen, insbesondere wenn die­ ses als Keramik-Hybrid ausgebildet ist. Die erfin­ dungsgemäße, nur in Teilbereichen erfolgende Ver­ klebung wird daher derart ausgebildet, daß aufgrund ihrer - durch die kleine Fläche und auf ein bestimm­ tes Maß eingestellten Schichtdicke - vorhandenen Flexibilität ein durch Temperaturspiel erfolgender Längenausgleich zerstörungsfrei möglich ist. Bei dem bekannten Konzept mußte stets ein schlechter Kompromiß eingegangen werden, denn einerseits war es für den erwähnten Längenausgleich erforderlich, eine möglichst dicke Kleberschicht einzusetzen, wo­ bei dann jedoch relativ schlechte Wärmeabfuhrergeb­ nisse zu erzielen waren. Durch die erfindungsgemäße Kühlflüssigkeit führt das neue Konzept zu wesent­ lich besseren Ergebnissen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß für eine große Schichtdicke des Klebers der Träger und/oder das Substrat Kleberaufnahmevertiefungen aufweist. Aufgrund dieser Kleberaufnahmevertiefungen ergibt sich dennoch ein relativ schmaler Spalt zwischen Substrat und Träger, so daß die dort vorhandene Kühlflüssigkeit eine besonders effektive Wärmeüber­ tragung vornehmen kann. Die Kleberschichtdicke kann also den mechanischen Problemen ohne negative Aus­ wirkungen auf die Wärmeabfuhr angepaßt werden.

Wie bereits erwähnt, ist das Substrat vorzugsweise als Keramik-Hybrid ausgebildet. Der Träger kann von einer ebenen Montagefläche gebildet sein. Insbeson­ dere ist es möglich, daß der Träger Teil eines Ge­ häuses für die elektronische Schaltung ist.

Sofern eine Kühlflüssigkeit mit niedriger Viskosi­ tät eingesetzt wird, kann der aus dem Stand der Technik bei Silikonvergüssen bekannte, notwendige Schwabbelschutz, insbesondere bei Dünndrahtbonds entfallen, da selbst bei Bewegungen/Strömen einer derartigen Kühlflüssigkeit keine derart großen Kräfte auftreten, die zu einer Zerstörung der Dünn­ drahtbonds führen.

Besonders gute Wärmeableiteigenschaften stellen sich ein, wenn die Kühlflüssigkeit die gesamte elektronische Schaltung umgibt. Hierdurch ist dann auch ein hermetisch dichter Abschluß gegeben, der unter anderem einen Feuchteschutz darstellt.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel füllt die Kühlflüssigkeit den Innenraum des Gehäuses vollständig aus. Dieses ist aufgrund der niedrigen Viskosität der Kühlflüssigkeit ohne weiteres mög­ lich. Wird als Kühlflüssigkeit ein Medium mit ge­ ringem Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt, so kann der bei Silikon wegen dessen thermischer Ausdehnung notwendige Hohlraum innerhalb des Gehäuses entfal­ len, der stets dazu führte, daß zum Beispiel Ge­ häusebonds und/oder Bondzungen nicht vollständig geschützt wurden.

Um ein Verdampfen der Kühlflüssigkeit zu verhin­ dern, wird deren Siedepunkt derartig eingestellt, daß er oberhalb einer Junctiontemperatur der elek­ tronischen Schaltung liegt.

Für einen guten Feuchteschutz wird eine Kühlflüs­ sigkeit eingesetzt, die nicht oder nur geringfügig hygroskopisch ist.

Vorzugsweise ist das Gehäuse mit einer Einfüll- und Entlüftungsvorrichtung versehen. Die Kühlflüssig­ keit kann dann ohne das Hohlräume oder Taschen im Gehäuse entstehen - wie das bei dem bekannten Sili­ kon-Konzept unvermeidbar war - auf einfache Weise und unter vollständigem Ausfüllen des Gehäuseinnen­ raumes eingebracht werden.

Für eine gute Wärmeabfuhr ist vorgesehen, daß der Träger einen aus Metall bestehenden Kühlkörper bil­ det. Der Träger kann - wie bereits erwähnt - auch Teil eines Gehäuses sein, wobei die Gehäusewandung dann die Kühlkörperfunktion übernimmt. Hierzu kön­ nen am Gehäuseäußeren auch entsprechende Ausbil­ dungen, wie Kühlrippen oder dergleichen, vorgesehen sein.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine auf einem Substrat angeordnete elek­ tronische Schaltung, die an ihrer Auf­ lagefläche mit einem Träger verklebt ist,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechenden Anord­ nung, wobei der Träger jedoch Kleberauf­ nahmevertiefungen aufweist und

Fig. 3 ein die elektronische Schaltung auf­ nehmendes Gehäuse, das vollständig mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist.

Die Fig. 1 zeigt eine elektronische Schaltung 1, die auf einem Substrat 2 angeordnet ist (die Dar­ stellung ist lediglich schematisch, so daß einzelne Bauelemente nicht ersichtlich sind). Das Substrat 2 ist ein Keramik-Hybrid 3. Es besitzt eine ebene Auflagefläche 4. Die Auflagefläche 4 ist mit punkt­ förmigen Verklebungen 5 auf der Oberseite 6 eines Trägers 7 befestigt. Insofern ist nur ein Teilbe­ reich 8 der Auflagefläche 4 mit dem Träger 7 ver­ bunden. Der verbleibende Hohlraum 9 zwischen Sub­ strat 2 und Träger 7 ist von einer Kühlflüssigkeit 10 ausgefüllt. Die Größe der Verklebungsflächen, sowie die Schichtdicke d des Klebers 11 ist derart ausgelegt, daß die mechanische Festigkeit des Kera­ mik-Hybrids 3 sichergestellt ist und überdies rela­ tive Wärmeausdehnungen zwischen Substrat 2 und Trä­ ger 7 vom Kleber 11 aufgenommen werden können, ohne daß es zu einem Bruch des Keramik-Hybrids 3 kommt. Die Kühlflüssigkeit 10 überträgt die von der elek­ tronischen Schaltung 1 erzeugte Wärme auf den Trä­ ger 7, der quasi einen Kühlkörper bildet.

Die Fig. 2 zeigt ein der Fig. 1 entsprechendes Ausführungsbeispiel, wobei der Träger 7 jedoch mit Kleberaufnahmevertiefungen 12 versehen ist. Hier­ durch wird gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine größere Schichtdicke d des Klebers 11 erzielt, wobei dennoch der Hohlraum 9 zwischen der Auflagefläche 4 des Keramik-Hybrids 3 und der Ober­ seite 6 des Trägers 7 sehr schmal ausgebildet bleibt, so daß die Flüssigkeit 10 eine effektive Wärmeübertragung zum Träger 7 vornehmen kann.

Der Träger 7 bildet für das Substrat 2 der elek­ tronischen Schaltung 1 in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 eine ebene Montagefläche 13.

Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kann der Träger 7 auch ein Teil eines Gehäuses 14 bilden. Dieses Gehäuseteil ist beispielsweise die Bodenwan­ dung 15 des Gehäuses 14. Wiederum ist das Substrat 2 auf den als Bodenwandung 15 ausgebildeten Träger 7 punktförmig aufgeklebt, so daß die Ausführungen zu den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen hier ebenfalls Gültigkeit haben. Dieses gilt auch für die Ausbildung von Kleberaufnahmevertiefungen 12.

In Abweichung zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 ist in der Darstellung der Fig. 3 der Innenraum 16 des Gehäuses 14 vollständig mit Kühlflüssigkeit 10 ausgefüllt. Insofern erfolgt nicht nur eine Kühlung im Hohlraum 9 zwischen Sub­ strat und Träger 7, sondern auch von der Oberseite der elektronischen Schaltung 1 her. Die Kühlflüs­ sigkeit 10 weist eine niedrige Viskosität auf, wo­ durch Dünndrahtbonds 17, die von der elektronischen Schaltung 1 zum Beispiel zu das Gehäuse 14 durch­ setzenden Anschlüssen 18 führen, keinen Schwabbel­ schutz oder dergleichen benötigen, da selbst dann, wenn das Gehäuse 14 nicht vollständig von der Kühl­ flüssigkeit 10 ausgefüllt ist, keine derart großen Kräfte auftreten, die eine Beschädigung der Dünn­ drahtbonds 17 mit sich bringen.

Als Kühlflüssigkeit 10 wird ein Fluid mit guter Wärmeleitung und vorzugsweise einem Siedepunkt oberhalb einer maximalen Junctiontemperatur der elektronischen Schaltung 1 gewählt. Ferner ist auf eine gute Benetzungsfähigkeit von Hybrid, Gehäuse­ material und so weiter zu achten. Angestrebt wird ferner ein geringer Ausdehnungskoeffizient sowie eine hohe Kompressibilität der Kühlflüssigkeit 10. Weitere Eigenschaften sind eine gute chemische Ver­ träglichkeit mit den Gerätebestandteilen, eine ge­ ringe Wasseraufnahme sowie Ungiftigkeit und ein niedriger Preis. Die Anforderungen an die Gehäuse­ konstruktion sind: Dichtigkeit bezüglich der Kühl­ flüssigkeit 10 sowie die Ausbildung mit einer (nicht dargestellten) Einfüll- und Entlüftungsvor­ richtung für die Kühlflüssigkeit 10. Das Gehäuse 14 muß Kräfte aufnehmen können, die aus den thermi­ schen Ausdehnungen der Kühlflüssigkeit 10 resul­ tieren.

Claims (13)

1. Elektronische Schaltung (1) mit einem Substrat (2), das mit einem Träger (7) verbunden ist, der auch durch die Wandung eines Gehäuses gebildet sein kann, in das Kühlflüssigkeit (10) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) mit mindestens einer punktförmigen Verklebung (5) auf den Träger (7) geklebt ist, daß zwischen Substrat (2) und Träger (7) ein Raum (9) gebildet ist, und daß mindestens dieser Raum (9) mit Kühlflüssigkeit (10) gefüllt ist.

2. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung (5) eine Schichtdicke (d) aufweist, die relative Wärme­ ausdehnungen zwischen Substrat (2) und Träger (7) aufnimmt.

3. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung ei­ ner großen Schichtdicke (d) des Klebers (11) der Träger (7) und/oder das Substrat (2) Kleberauf­ nahmevertiefungen (12) aufweist.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) als Keramik-Hybrid (3) ausgebildet ist.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) als ebene Montagefläche (13) ausgebildet ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) Teil eines Gehäuses (14) für die elektronische Schaltung (1) ist.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssig­ keit (10) eine niedrige Viskosität aufweist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssig­ keit (10) die gesamte elektronische Schaltung (1) umgibt.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssig­ keit (10) den Innenraum (16) des Gehäuses (14) vollständig ausfüllt.

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssig­ keit (10) einen Siedepunkt oberhalb einer Junc­ tiontemperatur der elektronischen Schaltung (1) aufweist.

11. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssig­ keit nicht oder nur gering hygroskopisch ist.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) mit einer Einfüll- und einer Entlüftungsvorrichtung versehen ist.

13. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) einen aus Metall bestehenden Kühlkörper bildet.