DE4218419A1

DE4218419A1 - Leiterplatte mit einem plattenförmigen Metallkern

Info

Publication number: DE4218419A1
Application number: DE19924218419
Authority: DE
Inventors: Michael Heller; Wolfgang Pytlik; Albrecht Schuh
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: DE4218419C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte

- mit einem plattenförmigen Metallkern,
- mit mindestens einem auf der Leiterplatte ange ordneten elektronischen Bauelement, das über ein gut wärmeleitendes Verbindungsstück mit dem Metallkern verbunden ist, und
- mit einem mit dem Metallkern verbundenen Kühl körper.

Elektronische Bauelemente, insbesondere integrierte Schaltungen, erzeugen abhängig vom Betriebszustand an den Sperrschichten Verlustwärme. Diese Verlust- oder Eigen wärme begrenzt bei natürlicher Konvektion des Bauelementes dessen Anwendungstemperaturbereich. Die Eigenschaft des Bauelementes, Verlustwärme durch Konvektion abzugeben, ist bestimmt durch seine Oberfläche, durch das Material sowie durch die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Bauelementes und dem umgebenden Fluid, z. B. Luft. Besonders bei erhöhten Temperaturen im Inneren elektronischer Einrichtungen und der damit verbundenen kleinen Temperaturdifferenz ist die Eigenschaft des Bau elementes, Verlustwärme abzugeben, begrenzt. Bei den genannten elektronischen Einrichtungen, bei denen erhöhte Temperaturen im Inneren auftreten können, handelt es sich z. B. um Einsätze, Schränke oder um Gestelle der Nach richtentechnik.

Eine Leiterplatte der eingangs genannten Art ist z. B. durch das IBM-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13 Nr. 1, Juni 1970, bekannt geworden. Bei der bekannten Bauart sind an der Oberseite der Leiterplatte angeordnete elektronische Bauelemente vorgesehen, die z. B. über wärmeleitende Stege mit Durchkontaktierungen versehen sind, die als Verbindungsstücke zu dem unterhalb der Leiterplatte angeordneten Metallkern dienen. Anstelle wärmeleitender Stege ist dort bei einem weiteren Aus führungsbeispiel eine unterhalb des elektronischen Bau elementes angeordnete wärmeleitende Platte vorgesehen, die ebenfalls mit den genannten Durchkontaktierungen in wärme leitender Verbindung steht. Der Metallkern seinerseits ist an einem Ende mit einem als Kühlkörper ausgebildeten Block verbunden. Bei dieser Bauart ist die Menge der abgeführten Wärme durch den Querschnitt der Stege und die Wandstärke der Durchkontaktierungen relativ begrenzt. Lokale Temperaturerhöhungen in den heißen elektronischen Bau elementen können durch die vorliegende Methode nicht ver hindert werden. Ferner benötigen die Stege bzw. die unterhalb der Bauelemente angeordneten Platten auf der Oberseits der Leiterplatte eine bestimmte Fläche, die dann nicht mehr für das Layout zur Verfügung steht.

Durch die JP-A 2-301159 ist eine Bauart zur Kühlung von integrierten Schaltkreisen bekannt geworden, wobei ein IC mit Hilfe eines Distanzstückes mit elastischem Teil und einer Befestigungsschraube mit der Leiterplatte verbunden wird. Dabei ist der Schraubenkopf wärmetechnisch mit einer rückseitigen Metallplatte verbunden. Bei dieser Bauart ist die Anbindung an den Kühlkörper immer fest an den IC gebunden. Dies bedeutet eine Kopplung von Layout und Mechanik, was zu großen Einschränkungen in der Plazierung der ICs führt.

Durch die US-PS 48 02 532 ist eine Bauart bekannt geworden, bei der die auf der Oberseite einer Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauelemente durch einen auf der Unterseite der Leiterplatte angeordneten Kühlkörper mit Kühlrippen gekühlt werden. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen den elektronischen Bauelementen und dem Kühlkörper durch eine aufwendige Konstruktion einer Schraubverbindung, wobei die Schraubenköpfe an der Unter seite der elektronischen Bauelemente anliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte erzeugte Verlustleistung möglichst einfach, zuverlässig und wirksam abzuführen, und zwar insbesondere bei solchen Leiterplatten, die mit sehr hohen Verlustleistungen pro Flächeneinheit belastet sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

- daß das Verbindungsstück unterhalb des Bau elementes lösbar in einer Bohrung des Metall kernes befestigt ist und unmittelbar an der Unterseite des Bauelementes anliegt und
- daß der Kühlkörper parallel zur Leiterplatte verlaufend angeordnet und seinerseits über Abstandshalter gut wärmeleitend mit dem Metall kern verbunden ist.

Eine derartige Anordnung ermöglicht eine wirksame Kühlung der elektronischen Bauelemente ohne irgendwelche elektrisch betriebenen Zusatzmaßnahmen, z. B. Lüfter. Insbesondere wird erreicht, eine Verlustleistung pro Bau element von bis zu 5 W und eine Verlustleistung auf einer Baugruppe (30×30 cm) von bis zu 0,07 W/cm² so abzuführen, daß eine maximal zulässige Sperrschichttemperatur von 90°C nicht überschritten wird. Die Anordnung beruht auf einem sehr einfachen mechanischen Konzept. Das gut wärmeleitende und leicht montierbare Verbindungsstück liegt toleranzfrei unmittelbar am Boden des Gehäuses des zu kühlenden elektronischen Bauelementes an und ist mit diesem innig verbunden, so daß sich ein geringer Wärmewiderstand zwischen den beiden Körpern bildet. Der Querschnitt des Verbindungsstückes ist jeweils der Abmessung und der Größe des abzuführenden Wärmestromes des elektronischen Bau elementes entsprechend bemessen. Die gute Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß der gut wärmeleitende Metallkern in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem gut wärmeleitenden Verbindungsstück und dem Kühlkörper steht. Der Metallkern hat die Aufgabe, die von den elektronischen Bauelementen über die Verbindungsstücke an sie abgegebene Verlust leistung (Wärme) über die gesamte Fläche der Leiterplatte gleichmäßig zu verteilen. Dadurch werden lokale Temperaturüberhöhungen vermieden. Wenn die gesamte Fläche der Leiterplatte mit der gleichen Wärmemenge belastet ist, kann die Verlustleistung über die gesamte Oberfläche des Metallkernes optimal an die Umgebungsluft abgegeben werden. Durch die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Metallkern und dem Kühlkörper kann die infolge des Metall kernes über die gesamte Fläche der Leiterplatte gleich mäßig verteilte Verlustwärme nicht nur an die Umgebungs luft, sondern zusätzlich auch an den großflächigen Kühl körper abgegeben werden. Man ist somit nicht an festge legte Übergangsstellen zwischen dem Metallkern und dem Kühlkörper gebunden, was zu einer erheblich größeren Frei heit im Gestalten der Leiterplatte führt.

Durch die erfindungsgemäße Bauart ergibt sich eine mechanische Entkopplung zwischen den elektronischen Bau elementen und dem Kühlkörper und damit eine Plazierung der Bauelemente, die frei ist von irgendwelchen mechanischen Vorgaben des Kühlkörpers.

Eine zuverlässige, leicht herstellbare Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Metallkern erfolgt vorzugsweise dadurch, daß das Verbindungsstück als Metall bolzen ausgebildet ist und unter Druck an dem Gehäuse des Bauelementes anliegt. Die Befestigung in der Bohrung des Metallkernes kann z. B. durch Löten erfolgen. Dazu wird der mit einem Wärmeleitkleber bestrichene Bolzen nach Bestückung der Leiterplatte durch die Bohrung geführt und bis zum Aushärten des Klebers gegen das Bauelement gedrückt. Danach wird die gesamte Platte und damit auch der Bolzen verlötet.

Die Befestigung des Bolzens in der Bohrung kann auch durch Klemmen erfolgen. Dazu wird die Leiterplatte zunächst bestückt und gelötet. Danach wird der mit einem Wärmeleit kleber bestrichene Bolzen gegen das Gehäuse des Bau elementes gedrückt und mit seinem freien, geschlitzten Ende durch Aufweiten in der Bohrung des Metallkernes befestigt.

Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Bolzen als Gewindebolzen ausgebildet und in die mit einem Gewinde versehene Bohrung eingeschraubt und gegebenenfalls durch Löten gegen Herausfallen gesichert. Diese Bauweise hat den Vorteil, daß der Bolzen mit einem zu definierenden Drehmoment genau zum Anliegen am Gehäuse boden des elektronischen Bauelementes, z. B. an einem IC-Gehäuseboden, gebracht und in dieser Stellung auch toleranzfrei fixiert werden kann.

Eine weitere Verbesserung der Leitfähigkeit kann dadurch erreicht werden, daß zwischen dem Gehäuse des Bauelementes und der Anlagefläche des Verbindungsstückes ein Wärmeleit mittel, z. B. eine Wärmeleitpaste, aufgebracht ist und/oder daß die Oberfläche des Verbindungsstückes einen niedrigen Rauhigkeitsgrad aufweist.

Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren der Anordnung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Leiterplatte im Bereich der zu kühlenden Bauelemente von jeglichem Layout freigehalten wird,
b) daß die Leiterplatte im Bereich der freigehaltenen Flächen jeweils mit einer Freisparung versehen wird,
c) daß in den Metallkern im Bereich jeder Freisparung eine Bohrung eingebracht wird,
d) daß die Leiterplatte mit sämtlichen Bauelementen bestückt und verlötet wird,
e) daß danach die Verbindungsstücke in die Bohrungen der Kernplatte eingeschraubt und, nach Anlage am Gehäuse des jeweiligen Bauelementes, mit dem Metallkern fest verbunden, z. B. verlötet werden,
f) daß die Leiterplatte im Bereich der Abstands halter mit zusätzlichen, bis zu dem Metallkern laufenden Freisparungen versehen wird und
g) daß der Kühlkörper über die Abstandshalter und die Freisparungen in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Metallkern gebracht und fixiert wird.

Bei einer Bauart, bei der die Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Metallkern mittels der Verbindungs stücke selbst erfolgt, ist das Montieren eines ein stückigen, großflächigen Kühlkörpers aufgrund der Höhen toleranzen der Verbindungsstücke wärmetechnisch nur schwer möglich. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, den großflächigen Kühlkörper in entsprechende Teilkühlkörper zu teilen, die jeweils mit einem Ver bindungsstück verbunden sind.

In der Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 4 Ausführungs beispiele des Gegenstandes gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine geschnittene Teilseitenansicht einer Leiterplatte mit einem zu kühlenden elektronischen Bau element und einem Verbindungsstück,

Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Leiter platte mit einem unterhalb der Leiterplatte angebrachten einteiligen Kühlkörper,

Fig. 3 zeigt eine Einzelheit aus Fig. 2, und

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Leiterplatte mit drei zu kühlenden elektronischen Bauelementen und mit drei unterhalb der Bauelemente angeordneten Teilkühlkörpern.

Eine Leiterplatte 10 besitzt eine obere Lage 11 als Bau teilseite und eine untere Lage 12 als Lötseite. Dazwischen liegt ein durchlaufender plattenförmiger Kern 13 aus Metall oder aus einer Metallkombination. Mit 14 ist ein zu kühlendes elektronisches Bauelement, z. B. ein IC, bezeichnet, das über Kontaktelemente 14a mit der Bauteil seite 11 der Leiterplatte 10 elektrisch kontaktiert ist. Ein als Metallbolzen ausgebildetes Verbindungsstück 15 ist in eine Bohrung 16 der Kernplatte 13 geschraubt und liegt mit seiner Oberfläche 15a in gut wärmeleitendem Kontakt an der Gehäuseunterfläche 14b des Bauelementes 14 an. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besitzt die Oberfläche 15a einen niedrigen Rauhigkeitsgrad und ist mit einer Wärmeleitpaste bestrichen. Mit 17 ist jeweils eine Freisparung innerhalb dem Lagen 11 und 12 der Leiterplatte 10 bezeichnet.

Gemäß Fig. 2 sind auf der Leiterplatte 10 fünf zu kühlende Bauelemente 14 angeordnet, die entsprechend Fig. 1 jeweils mit einem metallischen Verbindungsstück 15 versehen sind; dies ist jedoch in Fig. 2 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Ein zusätzlich unterhalb der Leiterplatte 10 angebrachter großflächiger Kühlkörper 18 ist über gut wärmeleitende Abstandshalter 19 mit der gut wärmeleitenden Kernplatte 13 der Leiterplatte 10 wärmeleitend verbunden, wie aus der Einzelheit Z gemäß Fig. 3 zu erkennen ist. Die metallische Kernplatte 13 ist über die Abstandshalter 19 an den Kühlkörper 18 angebunden. Dadurch ergibt sich ein geringer Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper 18 und der metallischen Kernplatte 13. Dies führt zu einer effektiven Entwärmung der Leiterplatte 10. Die metallischen Abstandshalter 19 sitzen in Freisparungen 17a der Leiterplatte unmittelbar auf der Kernplatte 13 und sind dort mit einem geringen Wärmewiderstand befestigt.

Anstelle der Abstandshalter 19 könnten auch die in die Kernplatte 13 eingeschraubten, als Befestigungsstücke dienenden Metallbolzen 15 als Träger für den großflächigen Kühlkörper 18 verwendet werden. Da das Montieren eines einstückigen großflächigen Kühlkörpers aufgrund der Höhen toleranzen der Metallbolzen 15 nur schwer möglich ist, wird bei einer solchen Ausführung der Kühlkörper vorzugs weise in Teilkühlkörper 18a, b, c geteilt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Fig. 4 entspricht im übrigen dem Aufbau nach Fig. 1.

Bei der thermischen Kontaktierung vom IC-Gehäuse 14 zur metallischen Kernplatte 13 tritt stets eine Reihe von Wärmeübergängen von einem Material zum nächsten auf, ferner ergeben sich zusätzlich innere Wärmeverluste durch den Wärmetransport innerhalb eines Materials. Jeder Wärme verlust innerhalb eines Materials sowie jeder Wärmeüber gang zwischen zwei Materialien kann dabei in Analogie zur Elektronik als ein thermischer Widerstand dargestellt werden. Die Kontaktierung des IC-Gehäuses 14 an die Kern platte 13 gestaltet sich demnach als eine Kette von thermischen Widerständen. Durch die erfindungsgemäße Bau art wird erreicht, daß die Anzahl der Wärmeübergänge vom IC-Gehäuse 14 zur Kernplatte 13 bzw. zum Kühlkörper 18 so gering wie möglich gehalten ist, wobei der Wert der einzelnen Übergangswiderstände minimiert ist und wobei der Wert der materialimmanenten Wärmewiderstände durch eine Auswahl thermisch geeigneter Materialien ebenfalls minimiert ist.

Claims

1. Leiterplatte (10)

- mit einem plattenförmigen Metallkern (13),
- mit mindestens einem auf der Leiterplatte (10) angeordneten elektronischen Bauelement (14), das über ein gut wärmeleitendes Verbindungsstück (15) mit dem Metallkern (13) verbunden ist, und
- mit einem mit dem Metallkern (13) verbundenen Kühlkörper (19),
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Verbindungsstück (15) unterhalb des Bau elementes (14) lösbar in einer Bohrung (16) des Metallkernes (13) befestigt ist und unmittelbar an der Unterseite des Bauelementes (14) anliegt und
- daß der Kühlkörper (18) parallel zur Leiter platte (19) verlaufend angeordnet und seiner seits über Abstandshalter (19) gut wärmeleitend mit dem Metallkern (13) verbunden ist.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (15) als Metallbolzen ausgebildet ist und unter Druck an dem Gehäuse des Bauelementes (14) anliegt.

3. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen durch Löten in der Bohrung befestigt ist.

4. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen durch Klemmen, z. B. durch Aufweiten des mit einem Schlitz versehenen Bolzens, in der Bohrung befestigt ist.

5. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen als Gewindebolzen (15) ausgebildet, in die mit einem Gewinde versehene Bohrung (16) fest einge schraubt und gegebenenfalls durch Löten gegen Herausdrehen gesichert ist.

6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verbindungs stückes (15) einen niedrigen Rauhigkeitsgrad aufweist und/oder mit einem Wärmeleitmittel versehen ist.

7. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (18) mittels der Verbindungsstücke (15) selbst an dem Metallkern (13) verbunden ist.

8. Leiterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper in den Verbindungsstücken (15) zuge ordnete Teilkühlkörper (18a, b, c) geteilt ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Leiterplatte (10) im Bereich der zu kühlen den Bauelemente (14) von jeglichem Layout freige halten wird,
b) daß die Leiterplatte (10) im Bereich der freige haltenen Flächen jeweils mit einer Freisparung (17) versehen wird,
c) daß in den Metallkern (13) im Bereich jeder Frei sparung (17) eine Bohrung (16) eingebracht wird,
d) daß die Leiterplatte (10) mit sämtlichen Bauelementen bestückt und verlötet wird,
e) daß danach die Verbindungsstücke (15) in die Bohrungen (16) der Kernplatte (13) eingeführt und, nach Anlage am Gehäuse (14) des jeweiligen Bau elementes, mit dem Metallkern (13) fest verbunden, z. B. verlötet, werden,
f) daß die Leiterplatte (10) im Bereich der Abstands halter (19) mit bis zu dem Metallkern (13) laufenden Freisparungen (17a) versehen wird und
g) daß der Kühlkörper (18) über die Abstandshalter (19) und die Freisparungen (17a) in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Metallkern (13) gebracht und fixiert wird.