DE4220966A1 - Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Trägerplatte für elektrische Bauteile, bei dem eine
bauteilseparate Wärmesenke zum Ableiten der Verlustwärme
eines zu kühlenden Bauteils in einer Durchgangsöffnung der
Trägerplatte fixiert wird.
Bei einem derartigen, aus der EP-A1-0 308 296 bekannten
Verfahren wird in einer Trägerplatte jeweils seitlich
eines zu kühlenden Bauteiles eine Durchgangsöffnung vor
gesehen, in der durch Schwallöten eine bauteilseparate
Wärmesenke fixiert wird. Die Wärmesenke ist Teil eines
großflächigen Kühlkörpers. Auf die Trägerplatte wird
eine dünne Schicht aus gut wärmeleitendem Material aufge
bracht, die über eine Lotstrecke mit der Wärmesenke
wärmeleitend verbunden ist. Zwischen der wärmeableitenden
dünnen Schicht und der Unterseite des zu kühlenden Bau
teils befindet sich ein schmaler Luftspalt.
Da die Wärmesenke nur in seitlicher Nähe zu dem zu küh
lenden Bauteil angeordnet ist und zwischen der Schicht und
dem Bauteil ein Luftspalt existiert, ist die Kühlleistung
bei der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Träger
platte bei Bauteilen mit einer besonders großen Verlust
wärme möglicherweise nicht mehr ausreichend. Ein weiteres
Problem besteht darin, daß die über die Wärmesenke dem
Kühlkörper zugeleitete Wärme auf der Bauteilseite abge
geben wird bzw. abgeführt werden muß. Der daher notwen
dige, verhältnismäßig große Kühlkörper erfordert ein ver
gleichsweise großes Einbauvolumen der bekannten Träger
platte. Mit dem bekannten Verfahren ist die Herstellung
von Trägerplatten, die anschließend mit Bauteilen für die
Oberflächenmontage (SMD-Bauteilen) bestückt werden soll
ten, problematisch, weil die auf der Seite der wärmeab
leitenden Schicht anzuordnenden Kontaktierungspunkte den
Schichtverlauf erheblich einschränken und weil bei einer
derartigen Kontaktierung der Bauteile Lötvorgänge zumeist
unerwünscht sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren zum Herstellen einer Trägerplatte zu schaffen, bei
der eine äußerst effektive Wärmeabfuhr gewährleistet ist
und die Wärmesenke lotfrei fest und präzise zur Träger
plattenunterseite fixiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Durchgangs
öffnung unterhalb des zu kühlenden Bauteils erzeugt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Wärmesenke
mit hoher Genauigkeit z. B. parallel zur Trägerplatten
unterseite ausgerichtet und beispielsweise durch Klebung
oder Preßsitz fixiert werden; die Wärmesenke kann an der
Trägerplattenunterseite bedarfsweise exakt an einen wei
teren Kühlkörper thermisch angekoppelt werden. Mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Trägerplatte ge
schaffen, bei der ein besonders inniger (Klebe-)Kontakt
zwischen dem zu kühlenden Bauteil und der Wärmesenke
besteht. Da die Durchgangsöffnung unmittelbar unter dem
Bauteil angeordnet wird, ist eine besonders effektive,
direkte Wärmeabfuhr gewährleistet.
Eine bevorzugte Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfah
rens besteht darin, daß die Wärmesenke in die Durchgangs
öffnung eingepreßt wird. Durch diese äußerst feste und
ohne zusätzliches Verbindungsmittel mögliche Fixierung der
Wärmesenke können insbesondere gehäuselose integrierte
Schaltungen auf SMD-bestückten Leiterplatten höchst
effektiv gekühlt werden. Durch den Preßsitz der Wärmesenke
werden von dieser die beim Drahtbonden eine auf ihr ange
ordneten gehäuselosen Schaltung auftretenden Kräfte zu
verlässig aufgenommen. Vorzugsweise wird die Durchgangs
öffnung als kreiszylindrische Durchgangsbohrung ausge
staltet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, daß die Wärmesenke bezüglich der
Durchgangsöffnung im Untermaß ausgebildet und nach dem
Einbringen in die Durchgangsöffnung unter Bildung eines
Preßsitzes plastisch verformt wird. Ein wesentlicher Vor
teil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß durch den anschließenden Verformungs
vorgang für die Herstellung der Durchgangsöffnung und der
im Untermaß ausgebildeten Wärmesenke eine äußerst hohe
Fertigungstoleranz besteht.
Eine fertigungstechnisch und hinsichtlich des Werkzeug
bedarfs vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß die Wärmesenke durch
axiale Stauchung verformt wird.
Um dem Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Wärme
senke einen besonders hohen Wirkungsgrad zu verleihen,
ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß das zu kühlende Bauteil mit der ihm
zugewandten Seite der Wärmesenke thermisch leitend
verklebt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsge
mäßen Verfahrens besteht darin, daß die dem zu kühlenden
Bauteil abgewandte Seite der Wärmesenke mit einem Metall
teil verklebt wird, das Teil eines die Trägerplatte
aufnehmenden Gehäuses ist; das Gehäuse bzw. das Gehäuse
teil dienen damit in vorteilhafter Weise zusätzlich auch
als Kühlkörper.
Um die Entstehung von Oberflächen-Rissen während des
Einpressens oder der Verformung der Wärmesenke zuverlässig
zu vermeiden, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestal
tung der Erfindung vor, daß die Wärmesenke vor dem Ein
setzen mit einem duktilen Material, vorzugsweise mit
Weichgold, beschichtet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich hervorragend
zur Herstellung von relativ dicken und/oder mehrlagigen
Trägerplatten mit ausgezeichneter, integrierter Kühlung,
wobei die Verlustwärme direkt auf die dem zu kühlenden
Bauteil abgewandte Trägerplattenseite abgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend beispiel
haft anhand einer Zeichnung weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Trägerplatte in einem Gehäuse;
die Fig. 2, 3 und 4 illustrieren wesentliche Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der
Fixierung einer Wärmesenke.
Fig. 1 zeigt eine Trägerplatte 1 für elektrische Bautei
le, bei denen es sich beispielsweise um einen integrierten
Schaltkreis 2, ein Bauteil 3 in Form einer gehäuselosen
integrierten Schaltung und Widerstände 4 handelt. Während
des Betriebs der auf der Trägerplatte 1 aufgebauten Schal
tung entsteht in der integrierten Schaltung 3 wegen hoher
Verlustleistung eine erhebliche Verlustwärme. Um das
Bauteil (Schaltung) 3 zu kühlen, weist die Trägerplatte 1
eine unterhalb des Bauteils 3 angeordnete Durchgangsöff
nung in Form einer kreiszylindrischen Durchgangsbohrung 5
auf. In die Durchgangsbohrung 5 ist eine aus Kupfer oder
einem anderen gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellte
Wärmesenke 6 einbringbar. Die Wärmesenke 6 kann bezüglich
der Durchgangsbohrung 5 mit einem Untermaß versehen sein,
so daß die Wärmesenke 6 mit Spiel in die Durchgangsbohrung
5 eingelegt werden kann. Das Bauteil 3, die Durchgangsboh
rung 5 und die Wärmesenke 6 sind in Fig. 1 nur aus Dar
stellungsgründen voneinander getrennt gezeichnet; tatsäch
lich sind sie in der nachfolgend geschilderten Weise
miteinander verbunden.
Fig. 2 zeigt im Zusammenhang mit dem Verfahrensschritt
des Einlegens der Wärmesenke 6 in die Durchgangsbohrung 5
den entsprechenden Bereich der Fig. 1 in stark vergrö
ßerter Schnitt-Darstellung. Die Wärmesenke 6 weist etwa in
ihrem mittleren Bereich eine umlaufende Verdickung 7 mit
jeweils einen Übergang bildenden Fasen 8 und 9 auf. Die
Wärmesenke 6 wird vor dem Einsetzen in die Durchgangs
bohrung 5 mit einem duktilen Material 10, vorzugsweise mit
Weichgold, beschichtet.
Wie Fig. 3 illustriert, bewirken in Axialrichtung 11 auf
die Wärmesenke 6 einwirkende Kräfte F eine plastische
Verformung der Wärmesenke 6, durch die eine die Wärmesenke
6 verbreiternde Stauchung eintritt. Die Wärmesenke 6 weist
damit die in Fig. 3 gezeigte Form auf, während ihre ur
sprüngliche Form lediglich zur Verdeutlichung gestrichelt
dargestellt ist. Die plastische Verformung erzeugt zumin
dest im Bereich der Verdickung 7 einen Preßsitz der Wär
mesenke 6 in der Durchgangsbohrung 5, durch den die Wär
mesenke 6 außerordentlich fest und mit ihrer Unterseite 12
exakt parallel zur Leiterplattenunterseite 13 fixiert ist.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Fixierung
einer Wärmesenke 6′ in einer Durchgangsöffnung 5′ einer
Trägerplatte 1′. Die Wärmesenke 6′ ist bezüglich der
Durchgangsöffnung 5′ mit einem Übermaß ausgebildet. Bevor
die Wärmesenke 6′ in die Durchgangsöffnung 5′ eingepreßt
worden ist, wurde sie mit einem duktilen Material zur Ver
meidung einer Rißbildung beschichtet. Die Wärmesenke 6′
ist in der Durchgangsöffnung 5′ nach dem Einpressen fest
in einem Preßsitz gehalten. Unterhalb der verhältnismäßig
dicken Trägerplatte 1′ befindet sich ein Kühlkörper 15,
der mit der Wärmesenke 6′ in direktem wärmeaustauschenden
Kontakt steht. Die Wärmesenke 6′ kann an dem Kühlkörper 15
auch direkt angeformt sein. Alternativ könnte eine mit
Untermaß ausgebildete Wärmesenke in der Durchgangsöffnung
auch eingeklebt sein.
Nach der Fixierung der Wärmesenke 6 wird das Bauteil 3
bzw. 3′ mit der ihm zugewandten Seite 20, 20′ (Fig.
1 und 4) der Wärmesenke 6, 6′ thermisch leitend verklebt.
Anschließend werden zur Herstellung elektrischer Verbin
dungen (nur in der Fig. 4 näher dargestellte) Bond-Drähte
21 von Anschlußpunkten 22, 22′ des Bauteils 3, 3′ zu ent
sprechenden Anschlußpunkten 23, 23′ auf der Trägerplatte
1, 1′ gezogen. Obwohl dabei hohe mechanische Belastungen
auf das Bauteil 3, 3′ und die Trägerplatte 1, 1′ ein
wirken, ist die Wärmesenke 6, 6′ durch ihren Preßsitz
zuverlässig fest in der Durchgangsbohrung 5, 5′ fixiert.
Anschließend wird die Trägerplatte 1 in ein andeutungs
weise dargestelltes Gehäuse 25 (Fig. 1) eingebracht, wo
bei die dem Bauteil 3 abgewandte Seite 26 der Wärmesenke 6
mit einem Metallteil 27 - vorzugsweise mit dem Boden des
Gehäuses 25 - verklebt wird. Eine Leuchtdiode 30 wird über
Anschlüsse 31 und 32 mit der auf der Trägerplatte 1 ausge
bildeten Schaltung verbunden. Die so aufgebaute Einheit
bildet ein Modul zur Umwandlung digitaler Signale in Licht
signale, die an einen an das Modul angeschlossenen Licht
wellenleiter 33 abgegeben von diesem empfangen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Trägerplatte
mit sehr effektiver direkter Verlustwärmeabfuhr herstell
bar; das Stauchen der Wärmesenke 6 gestattet eine äußerst
hohe Fertigungstoleranz der Maße der Wärmesenke 6 und der
Durchgangsbohrung 5, weil diese Toleranz in vorteilhafter
Weise durch den plastischen Verformungsvorgang dieser
beiden Fügeteile ausgeglichen werden kann. Das Gehäuse 25
dient über die Wärmesenke 6 gleichzeitig als Kühlkörper,
so daß eine effektive Kühlung des Bauteils 3 und der ge
samten Trägerplatte 1 ohne die Notwendigkeit eines zu
sätzlichen Kühlkörperbauteils erfolgt.
Claims (7)
1. Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte (1) für
elektrische Bauteile (2, 3, 4), bei dem eine bauteilseparate
Wärmesenke (6) zum Ableiten der Verlustwärme eines zu küh
lenden Bauteils (3) in einer Durchgangsöffnung (5) der
Trägerplatte (1) fixiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Durchgangsöffnung (5) unterhalb des zu kühlenden Bau
teils (3) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmesenke (6) in die Durchgangsöffnung (5) einge
preßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmesenke (6) bezüglich der Durchgangsöffnung (5) im
Untermaß ausgebildet und nach dem Einbringen in die Durch
gangsöffnung (5) unter Bildung eines Preßsitzes plastisch
verformt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmesenke (6) durch axiale Stauchung verformt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das zu kühlende Bauteil (3) mit der ihm zugewandten Seite
(20) der Wärmesenke (6) thermisch leitend verklebt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dem zu kühlenden Bauteil (3) abgewandte Seite der Wär
mesenke (6) mit einem Metallteil (27) verklebt wird, das
Teil eines die Trägerplatte (1) aufnehmenden Gehäuses (25)
ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmesenke (6) vor dem Einsetzen mit einem duktilen Mate
rial (10), vorzugsweise mit Weichgold, beschichtet wird.
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DE4220966A DE4220966C2 (de) | 1992-06-25 | 1992-06-25 | Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile |
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ID=6461878
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