DE4220966C2 - Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile, bei dem unterhalb der Position eines zu kühlenden Bauteils eine Durchgangsöffnung erzeugt wird und bei dem eine bauteilseparate Wärmesenke zum Ableiten der Verlustwärme des zu kühlenden Bauteils in der Durchgangs­ öffnung durch einen Preßsitz fixiert wird.
Bei einem 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, durch den die Kühlleistung bei Bauteilen mit einer besonders großen Verlustwärme möglicherweise nicht mehr ausreichend ist. Da die über die Wärmesenke dem Kühlkörper zugeleitete Wärme auf der Bauteilseite abgegeben wird bzw. abgeführt werden muß, ist ein verhältnismäßig großer Kühlkörper erforderlich.
Aus der US-PS 5,014,904 und der DE-A1-33 15 583 ist jeweils ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Herstellen einer Trägerplatte bekannt, die hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Problematik der aus der EP-A1-0 308 296 bekannten Trägerplatte überlegen ist. Bei diesen bekannten Verfahren wird unterhalb der Position eines zu kühlenden Bauteils eine Durchgangsöffnung in der Trägerplatte erzeugt. In dieser Durchgangsöffnung wird anschließend eine bauteilseparate Wärmesenke fixiert. Die Fixierung kann durch Verkleben oder durch einen Preßsitz (selbstklemmende Befestigung) erfolgen. Zur Schaffung eines besonders festen Preßsitzes kann die Wärmesenke bevorzugt eine gerändelte Mantelfläche aufweisen (DE-A1-33 15 583). Zur Bildung des Preßsitzes wird die bezüglich der Durchgangsöffnung im Übermaß ausgebildete Wärmesenke axial in die Durchgangsöffnung eingepreßt. Beim Einpressen der Wärmesenke wirken auf die Trägerplatte erhebliche Axial­ kräfte. Diese Axialkräfte führen zu Biegespannungen, die die Trägerplatte oder bereits auf die Trägerplatte aufge­ brachte Oberflächenstrukturen gefährden. Zur zuverlässigen Gewährleistung eines festen Preßsitzes müssen zwischen Wärmesenke und Durchgangsbohrung hochwertige Passungen vorgesehen werden. Die bei hochwertigen Passungen ver­ gleichsweise geringen zulässigen Toleranzen erfordern einen erhöhten Fertigungsaufwand mit entsprechenden Kosten.
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 bei hohen zulässigen Fertigungstoleranzen von Wärme­ senke und Durchgangsbohrung die Wärmesenke lotfrei, fest und präzise zur Trägerplattenunterseite fixiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Wärmesenke bezüglich der Durchgangsöffnung im Untermaß ausgebildet wird und daß die Wärmesenke nach dem Einbringen in die Durchgangsöffnung unter Bildung des Preßsitzes durch plastische Verformung verbreitet wird. Die Wärmesenke kann an der Trägerplattenunterseite bedarfsweise exakt an einen weiteren Kühlkörper thermisch angekoppelt werden.
Vorzugsweise wird die Durchgangsöffnung als kreiszylindrische Durchgangsbohrung ausgestaltet.
Ein wesentlicher Vorteil 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 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 und 3 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 ist bezüglich der Durchgangsbohrung 5 mit einem Untermaß versehen, so daß die Wärmesenke 6 mit Spiel in die Durchgangsbohrung 5 eingelegt wird. 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 zu min­ 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.
Nach der Fixierung der Wärmesenke 6 wird das Bauteil 3 mit der ihm zugewandten Seite 20 (Fig. 1) der Wärmesenke 6 thermisch leitend verklebt. Anschließend werden zur Herstellung elektrischer Verbin­ dungen Bond-Drähte von Anschlußpunkten 22 des Bauteils 3 zu ent­ sprechenden Anschlußpunkten 23 auf der Trägerplatte 1 gezogen. Obwohl dabei hohe mechanische Belastungen auf das Bauteil 3 und die Trägerplatte 1 ein­ wirken, ist die Wärmesenke 6 durch ihren Preßsitz zuverlässig fest in der Durchgangsbohrung 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 (5)

1. Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte (1) für elektrische Bauteile (2, 3, 4),
bei dem unterhalb der Position eines zu kühlenden Bauteils (3) eine Durchgangsöffnung (5) erzeugt wird und
bei dem eine bauteilseparate Wärmesenke (6) zum Ableiten der Verlustwärme des zu kühlenden Bauteils (3) in der Durchgangsöffnung (5) durch einen Preßsitz fixiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (6) bezüglich der Durchgangsöffnung (5) im Untermaß ausgebildet wird und daß die Wärmesenke (6) nach dem Einbringen in die Durchgangsöffnung (5) unter Bildung des Preßsitzes durch plastische Verformung verbreitert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (6) durch axiale Stauchung verformt wird.
3. 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.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu kühlenden Bauteil (3) abgewandte Seite der Wärme­ senke (6) mit einem Metallteil (27) verklebt wird, das Teil eines die Trägerplatte (1) aufnehmenden Gehäuses (25) ist.
5. 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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