DE4220966A1 - Mfg. carrier plate for electrical components - providing through opening for heat sink element in form of press-fitting cylindrical plug of metal to contact electronic device - Google Patents
Mfg. carrier plate for electrical components - providing through opening for heat sink element in form of press-fitting cylindrical plug of metal to contact electronic deviceInfo
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Abstract
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.The invention relates to a method for producing a Carrier plate for electrical components, in which one Separate heat sink for dissipating the heat loss of a component to be cooled in a through opening of the Carrier plate is fixed.
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.In such a known from EP-A1-0 308 296 The process is carried out laterally in a carrier plate a through-opening of a component to be cooled seen in which a component separate by wave soldering Heat sink is fixed. The heat sink is part of one large-area heat sink. On the carrier plate a thin layer of good heat-conducting material brings that over a solder path with the heat sink is thermally connected. Between the heat dissipating thin layer and the bottom of the construction to be cooled sometimes there is a narrow air gap.
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.Because the heat sink is only too close to the side to cool lenden component is arranged and between the layer and the component has an air gap is the cooling capacity in the carrier produced by the known method plate for components with a particularly large loss may not be warm enough. Another one The problem is that the heat sink Heat dissipated heat dissipated on the component side will give or must be removed. Therefore necessary dige, relatively large heat sink requires a ver equally large installation volume of the known carriers plate. With the known method is the manufacture of carrier plates, which are then replaced with components for the Surface mounting (SMD components) should be populated problematic because the heat-dependent side contact layer to be arranged in the conductive layer Limit the course of the shift considerably and because with one Such contacting of the components mostly soldering processes are undesirable.
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.The invention is therefore based on the object, a Ver drive to create a backing plate to create which ensures extremely effective heat dissipation and the heat sink solder-free firmly and precisely to the carrier the underside of the plate is fixed.
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.According to the invention, this object is achieved in a method of type mentioned solved in that the passage opening is created below the component to be cooled. In the method according to the invention, the heat sink with high accuracy z. B. parallel to the carrier plates aligned bottom and for example by gluing or press fit can be fixed; the heat sink can at the If necessary, the underside of the carrier plate is exactly on a white tere heat sink are thermally coupled. With the inventive method is a carrier plate ge create a particularly intimate (adhesive) contact between the component to be cooled and the heat sink consists. Since the through hole is immediately below the Component is a particularly effective, direct heat dissipation guaranteed.
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.A preferred further development of the method according to the invention rens is that the heat sink in the passage opening is pressed. Through this extremely firm and possible fixation of the without additional connecting means In particular, heat sinks can be integrated without a housing Circuits on SMD-equipped printed circuit boards be cooled effectively. Through the press fit of the heat sink of this one is attached to it during wire bonding assigned housingless forces to occurring reliably recorded. Preferably the passage Opening out as a circular cylindrical through hole shapes.
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.An advantageous embodiment of the invention The method provides that the heat sink with respect to the Through hole formed in undersize and after Insert into the through hole to form a Press fit is plastically deformed. An essential advantage part of this embodiment of the method according to the invention is that by the subsequent deformation process for the production of the through opening and the an extremely high undersize heat sink Manufacturing tolerance exists.
Eine fertigungstechnisch und hinsichtlich des Werkzeug bedarfs vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Wärmesenke durch axiale Stauchung verformt wird.A manufacturing technology and in terms of the tool advantageous further development of the invention Procedure is that the heat sink through axial compression is deformed.
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. The heat transfer between the component and the heat to give a particularly high efficiency, is according to an advantageous embodiment of the invention provided that the component to be cooled with him facing side of the heat sink thermally conductive is glued.
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.Another advantageous embodiment of the fiction The method consists in that the one to be cooled Side of the heat sink facing away from the component with a metal part is glued, the part of a support plate receiving housing; the housing or the housing thus also serve in an advantageous manner as a heat sink.
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.To prevent the formation of surface cracks during the Pressing in or deformation of the heat sink reliably to avoid sees another advantageous embodiment tion of the invention that the heat sink before the one set with a ductile material, preferably with Soft gold, is coated.
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.The method according to the invention is extremely suitable for the production of relatively thick and / or multilayer Carrier plates with excellent, integrated cooling, the heat loss directly on the one to be cooled Component facing away from the carrier plate side.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend beispiel haft anhand einer Zeichnung weiter erläutert.The method according to the invention is exemplified below further explained with the help of a drawing.
Fig. 1 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Trägerplatte in einem Gehäuse; Fig. 1 shows a support plate produced by the process of this invention in a housing;
die Fig. 2, 3 und 4 illustrieren wesentliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Fixierung einer Wärmesenke. Figs. 2, 3 and 4 illustrate key steps of the inventive method with regard to the fixing of a heat sink.
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. 1 shows a carrier plate 1 for electrical components le, which are, for example, an integrated circuit 2 , a component 3 in the form of a housing-free integrated circuit and resistors 4 . During the operation of the built on the carrier plate 1 scarf device in the integrated circuit 3 due to high power dissipation, a considerable heat loss. In order to cool the component (circuit) 3 , the carrier plate 1 has a passage opening arranged below the component 3 in the form of a circular cylindrical through bore 5 . A heat sink 6 made of copper or another good heat-conducting material can be introduced into the through hole 5 . The heat sink 6 can be provided with an undersize with respect to the through hole 5 , so that the heat sink 6 can be inserted into the through hole 5 with play. The component 3 , the Durchgangsboh tion 5 and the heat sink 6 are shown in Figure 1 only for Dar position reasons separated from each other; in fact, they are connected to each other in the manner described below.
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. FIG. 2 shows in connection with the method step of inserting the heat sink 6 into the through bore 5 the corresponding area of FIG. 1 in a greatly enlarged sectional illustration. The heat sink 6 has a circumferential thickening 7 approximately in its central area, each with a transition 8 and 9 . The heat sink 6 is coated with a ductile material 10 , preferably with soft gold, before insertion into the through hole 5 .
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.As illustrated in FIG. 3, forces F acting on the heat sink 6 in the axial direction 11 cause a plastic deformation of the heat sink 6 , through which a compression widening the heat sink 6 occurs. The heat sink 6 thus has the shape shown in Fig. 3, while its original shape is shown in dashed lines only for clarity. The plastic deformation produces at least in the area of the thickening 7 a press fit of the heat sink 6 in the through hole 5 , through which the heat sink 6 is extremely firmly and with its underside 12 is fixed exactly parallel to the underside 13 of the circuit board.
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. Fig. 4 shows an alternative embodiment of the fixation of a heat sink 6 'in a through opening 5 ' of a carrier plate 1 '. The heat sink 6 'is formed with an oversize with respect to the through opening 5 '. Before the heat sink 6 'has been pressed into the through opening 5 ', it was coated with a ductile material to avoid cracking. The heat sink 6 'is held in the through opening 5 ' after pressing in a press fit. Below the relatively thick carrier plate 1 'there is a heat sink 15 which is in direct heat-exchanging contact with the heat sink 6 '. The heat sink 6 'can also be integrally formed on the heat sink 15 . Alternatively, an undersize heat sink could also be glued into the through opening.
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.After fixing the heat sink 6 , the component 3 or 3 'with the side 20, 20' facing it ( FIGS. 1 and 4) of the heat sink 6 , 6 'is thermally conductively bonded. Subsequently, to produce electrical connections (only shown in FIG. 4 in more detail) bond wires 21 of connection points 22 , 22 'of the component 3 , 3 ' to ent speaking connection points 23 , 23 'on the carrier plate 1 , 1 ' are drawn. Although high mechanical loads on the component 3 , 3 'and the carrier plate 1 , 1 ' act, the heat sink 6 , 6 'is reliably fixed by its press fit in the through hole 5 , 5 '.
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.Subsequently, the carrier plate 1 is 25 (Fig. 1) into a Hint example shown the housing is introduced, where at the the component 3 side facing away from the heat sink 6 with a metal part 27 26 - is glued - preferably with the bottom of the housing 25th A light emitting diode 30 is connected via connections 31 and 32 to the circuit formed on the carrier plate 1 . The unit thus constructed forms a module for converting digital signals into light signals, which are emitted to a light waveguide 33 connected to the module and received by the latter.
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.With the method according to the invention, a carrier plate with very effective direct heat dissipation can be produced; the upsetting of the heat sink 6 allows an extremely high manufacturing tolerance of the dimensions of the heat sink 6 and the through hole 5 , because this tolerance can be compensated for in an advantageous manner by the plastic deformation process of these two joining parts. The housing 25 also serves as a heat sink via the heat sink 6 , so that effective cooling of the component 3 and the entire support plate 1 takes place without the need for an additional heat sink component.
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