DE4304654A1 - Method and arrangement for the temperature regulation of a component - Google Patents

Method and arrangement for the temperature regulation of a component

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Abstract

The invention relates to a method and an arrangement for the temperature regulation of a component, in particular a component arranged on a populated printed circuit board. In this case, there is fitted in the substrate (printed circuit board), underneath said component, a (semiconductor) cooling element, which is preferably designed as a Peltier element and effects a control and/or regulation of the temperature of the component when a direct current flows. This makes possible, by way of advantage, a specific, discrete temperature regulation of components.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Temperierung eines Bauelementes nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.The invention relates to a method and an arrangement for tempering a component according to the generic terms of claims 1 and 5.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Kühlung von Bau­ elementen, die in der Elektrotechnik zur Herstellung von Schaltungsanordnungen verwendet werden. Solche Schaltungs­ anordnungen enthalten aktive und/oder passive elektrische Bauelemente, die im allgemeinen auf einem Substrat ange­ ordnet werden. Mit zunehmender Verkleinerung der Bauele­ mente erhöht sich die mögliche Packungsdichte (Anzahl der Bauelemente pro Flächeneinheit) auf dem Substrat. Mit zu­ nehmender Packungsdichte erhöht sich im allgemeinen auch die störende Verlustwärme, die beim Betrieb der Schal­ tungsanordnung entsteht. Oftmals sind auf dem Substrat einzelne Bauelemente angebracht, welche besonders viel Verlustwärme und/oder eine besonders hohe störende Tempe­ ratur erzeugen.The invention particularly relates to the cooling of construction elements used in electrical engineering to manufacture Circuit arrangements are used. Such circuit arrangements contain active and / or passive electrical Components generally attached to a substrate be classified. With increasing shrinkage of the components the possible packing density (number of Components per unit area) on the substrate. With too  increasing packing density generally also increases the annoying heat loss when operating the scarf arrangement arises. Often are on the substrate individual components attached, which a lot Heat loss and / or a particularly high annoying temperature generate ratur.

Zur Kühlung, das heißt zur Ableitung störender Verlust­ wärme, derartiger Schaltungsanordnungen sind eine Vielzahl von Verfahren und/oder Anordnungen bekannt. Beispielsweise ist eine Kühlung mit Hilfe eines Luft- und/oder Gasstromes möglich. Ein solches Verfahren hat insbesondere den Nach­ teil, daß im allgemeinen lediglich eine großflächige Küh­ lung möglich ist. Einzelne Bauelemente, die besonders viel Verlustwärme erzeugen und/oder eine besonders hohe Tempe­ ratur erzeugen, sind mit einem derartigen Verfahren allen­ falls mit einem hohen technischen Aufwand, z. B. einem spe­ ziellen Düsensystem, kühlbar.For cooling, that is, for dissipative loss heat, such circuit arrangements are a variety of methods and / or arrangements known. For example is cooling with the help of an air and / or gas flow possible. Such a procedure has in particular the after part that generally only a large-scale cooling is possible. Individual components that do a lot Generate heat loss and / or a particularly high temperature Generate ratur are with such a method everyone if with a high technical effort, e.g. B. a spe central nozzle system, coolable.

Alternativ und/oder als Ergänzung zu diesem Verfahren ist es möglich, einzelne Bauelemente in einem Wärmekontakt zu einem Kühlkörper zu bringen. Letztere besitzen im allge­ meinen eine relativ große Oberfläche zur Ableitung der Verlustwärme, sind daher großvolumig und bewirken daher eine Verringerung der aus elektrischer Sicht an sich mög­ lichen Packungsdichte.Alternatively and / or as a supplement to this procedure it is possible to connect individual components in a thermal contact to bring a heat sink. The latter generally have mean a relatively large surface for deriving the Heat loss, are therefore large-volume and therefore cause a reduction from the electrical point of view is possible pack density.

Es ist weiterhin möglich, ein Substrat zu verwenden, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit besitzt. Solche Substrate bestehen z. B. aus einem metallischen Kern, z. B. einem metallischen Blech, auf dem ein - oder beidseitig eine elektrisch iso­ lierende Schicht, z. B. Kunststoff oder Glas oder Keramik, aufgebracht ist. Solche Schichtwerkstoffe sind in nachtei­ liger Weise kostenungünstig, besitzen ein hohes spezifi­ sches Gewicht und sind insbesondere ungeeignet, wenn le­ diglich einzelne Bauelemente gekühlt werden müssen.It is also possible to use a substrate that good thermal conductivity and high electrical Insulation ability. Such substrates exist e.g. B. from a metallic core, for. B. a metallic Sheet metal with an electrically iso on one or both sides  lier layer, z. B. plastic or glass or ceramic, is applied. Such coating materials are disadvantageous liger inexpensive, have a high spec cal weight and are particularly unsuitable when le only individual components must be cooled.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Anordnung anzuge­ ben, welche insbesondere eine kostengünstige und zuverläs­ sige Kühlung einzelner Bauelemente, die auf nahezu belie­ bigen Substraten angeordnet werden können, ermöglichen.The invention has for its object a genus suit and a generic arrangement ben, which in particular an inexpensive and reliable cooling of individual components, which almost bige substrates can be arranged, allow.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characterizing Parts of claims 1 and 5 specified features. Advantageous refinements and / or further developments are the dependent claims.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine einfache mechanische Trennung eines Kühlkörpers von dem zu kühlenden Bauelement möglich ist.A first advantage of the invention is that a simple mechanical separation of a heat sink from the cooling component is possible.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß das Substrat mit an sich bekannten Verfahren und Anordnungen mit Bauelementen bestückt werden kann, so daß dabei allenfalls vernachläs­ sigbare Änderungen erforderlich sind.A second advantage is that the substrate with known methods and arrangements with components can be equipped, so that it is neglected at most visible changes are required.

Weitere Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung ent­ nehmbar.Further advantages can be found in the description below acceptable.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispieles und unter Bezugnahme auf eine schematische dar­ gesellte Figur näher erläutert. The invention is based on an embodiment example and with reference to a schematic associated figure explained in more detail.  

Die Figur zeigt ein Substrat 1, z. B. eine sogenannte Lei­ terplatte, die mehrere Leiterbahnebenen enthält. Ein sol­ ches plattenförmiges Substrat hat z. B. eine Dicke aus ei­ nem Bereich von ungefähr 1,5 mm bis ungefähr 2,5 mm. Dabei ist ein alternativer Schichtaufbau aus metallischen Lei­ terbahnebenen und elektrisch isolierenden Schichten, z. B. Kunststoffschichten, vorhanden. Solche elektrisch isolie­ renden Schichten besitzen im allgemeinen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, so daß das Substrat 1 als Ganzes in Richtung seiner Flächennormalen eine schlechte Wärmeleit­ fähigkeit besitzt. Ein solches Substrat 1 besitzt zwei parallel zueinander verlaufende Oberflächen, die soge­ nannte B-Seite (Bestückungsseite), auf welcher die Mehr­ zahl elektronischer aktiver und/oder passiver Bauelemente 3 angeordnet werden, z. B. durch Löt- und/oder elektrisch leitende Klebeverbindungen, und die sogenannte L-Seite, welche die von der B-Seite abgewandte Seite ist und auf welcher elektrische Leiterbahnen in Form einer gedruckten Schaltung angeordnet sein können. Vielfach sind auch auf der B-Seite Leiterbahnen angeordnet. Die Bauelemente 3, z. B. sogenannte SMD-Bauelemente ("Surface mounted devi­ ces") sind entweder lediglich mit den Leiterbahnen auf der B-Seite verbunden und/oder mit Hilfe sogenannter Durchkon­ taktierungen alternativ und/oder zusätzlich mit Leiterbah­ nen innerhalb des Substrates und/oder auf der L-Seite. Die Figur zeigt ein wärmeerzeugendes aktives und/oder passives Bauelement 3, z. B. ein Halbleiterbauelement oder eine so­ genannte Hybridschaltung, welche selbst aus aktiven und/oder passiven Bauelementen besteht. In der Figur sind die elektrischen Anschlüsse des Bauelements 3, z. B. SMD- Anschlüsse oder metallische Anschlußstifte, nicht darge­ stellt. Unterhalb des Bauelementes 3, vorzugsweise an den­ jenigen Stellen, welche den überwiegenden Teil der Wärme erzeugen, befindet sich ein Durchbruch 2, z. B. eine Durch­ gangsbohrung mit einem Durchmesser von ungefähr 1,3 mm, in dem Substrat 1. Der Durchmesser der Bohrung kann in einem weiten Bereich nahezu beliebig gewählt werden und ist da­ mit an den Durchmesser des Kühlelementes 4 anpaßbar. In diesen Durchbruch 2 wird nun ein elektrothermisches Kühl­ element 4 eingefügt und elektrisch leitend, z. B. über Löt- und/oder Klebverbindungen 5, mit den zugehörigen Leiter­ bahnanschlüssen 6, 7 verbunden. Das Kühlelement 4 ist vor­ zugsweise ein als Peltier-Element ausgebildetes Halblei­ terbauelement mit mindestens einem PN-Übergang. Als Halb­ leitermaterial wird dabei z. B. Selentellurid verwendet, das mit Antimon (p-Dotierung) und Wismut (n-Dotierung) do­ tiert ist. Die Länge und die Anordnung des Kühlelementes 4 in dem Substrat 1 werden vorzugsweise so gewählt, daß das Kühlelement 4 das zu kühlende Bauelement 3 berührt. Ein besonders guter Wärmeübergang entsteht, wenn zwischen Kühlelement 4 und Bauelement 3 eine Wärmeleitpaste oder ein ähnliches wärmeleitendes Medium eingefügt wird. Auf der Unterseite (L-Seite) hat das Kühlelement 4 einen guten Wärmekontakt, z. B. ebenfalls mit Hilfe von Wärmeleitpaste, zu einem Kühlkörper 8. Dieser kann z. B. aus einem die Wärme gut leitendem Metall, z. B. Kupfer, bestehen oder z. B. ein sogenanntes Wärmeleitrohr ("heat pipe") sein.The figure shows a substrate 1 , e.g. B. a so-called Lei terplatte, which contains several interconnect levels. Such a plate-shaped substrate z. B. a thickness from egg nem range from about 1.5 mm to about 2.5 mm. It is an alternative layer structure of metallic Lei terbahnebenen and electrically insulating layers, for. B. plastic layers available. Such electrically insulating layers generally have poor thermal conductivity, so that the substrate 1 as a whole has poor thermal conductivity in the direction of its surface normal. Such a substrate 1 has two mutually parallel surfaces, the so-called B-side (component side), on which the number of electronic active and / or passive components 3 are arranged, for. B. by soldering and / or electrically conductive adhesive connections, and the so-called L-side, which is the side facing away from the B-side and on which electrical conductor tracks can be arranged in the form of a printed circuit. In many cases, conductor tracks are also arranged on the B side. The components 3 , z. B. so-called SMD components ("Surface mounted devi ces") are either only connected to the conductor tracks on the B side and / or with the help of so-called through contacts alternatively and / or additionally with conductor tracks within the substrate and / or on the L side. The figure shows a heat-generating active and / or passive component 3 , for. B. a semiconductor component or a so-called hybrid circuit, which itself consists of active and / or passive components. In the figure, the electrical connections of the component 3 , for. B. SMD connectors or metallic pins, not Darge provides. Below the component 3 , preferably at those locations that generate the majority of the heat, there is an opening 2 , z. B. a through hole with a diameter of about 1.3 mm in the substrate. 1 The diameter of the bore can be chosen almost arbitrarily over a wide range and can therefore be adapted to the diameter of the cooling element 4 . In this breakthrough 2 , an electrothermal cooling element 4 is now inserted and electrically conductive, for. B. via solder and / or adhesive connections 5 , with the associated conductor rail connections 6 , 7 connected. The cooling element 4 is preferably a semiconductor device formed as a Peltier element with at least one PN junction. As a semi-conductor material z. B. selenium telluride, which is doped with antimony (p-doping) and bismuth (n-doping). The length and the arrangement of the cooling element 4 in the substrate 1 are preferably chosen so that the cooling element 4 touches the component 3 to be cooled. A particularly good heat transfer occurs when a heat-conducting paste or a similar heat-conducting medium is inserted between the cooling element 4 and the component 3 . On the underside (L side), the cooling element 4 has good thermal contact, e.g. B. also with the help of thermal paste, to a heat sink 8th This can e.g. B. from a heat conductive metal, z. B. copper, exist or z. B. be a so-called heat pipe.

Das als Peltierelement ausgebildete Kühlelement 4 wird nun über die Anschlüsse 6, 7 derart an eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle angeschlossen, daß ein Wärmetrans­ port von dem Bauelement 3 zu dem Kühlkörper 8 erfolgt. Es ist ersichtlich, daß durch Wahl der an dem Kühlelement 4 anliegenden Gleichspannung und/oder des durchfließenden Gleichstromes in vorteilhafter Weise eine Steuerung und/oder Regelung des Wärmtransportes und damit der Tempe­ ratur des Bauelementes 3 erfolgen kann. Falls erforder­ lich, kann die Richtung des Gleichstromes geändert werden und/oder das Kühlelement 4 umgedreht werden. In diesem Fall erfolgt ein Wärmetransport von dem Kühlkörper 8 zu dem Bauelement 3, das dadurch erwärmt wird. Auf diese Art und Weise ist eine Regelung der Temperatur des Bauelemen­ tes 3, z. B. eines Schwingquarzes möglich.The cooling element 4 designed as a Peltier element is now connected via the connections 6 , 7 to a direct voltage or direct current source such that heat transfer from the component 3 to the cooling body 8 takes place. It can be seen that the choice of the DC voltage applied to the cooling element 4 and / or the direct current flowing through advantageously controls and / or regulates the heat transport and thus the temperature of the component 3 . If required, the direction of the direct current can be changed and / or the cooling element 4 can be turned over. In this case, heat is transported from the heat sink 8 to the component 3 , which is heated thereby. In this way, a regulation of the temperature of the Bauelemen tes 3 , z. B. a quartz crystal possible.

Bei großflächigen Bauelementen 3 und/oder zum Transport größerer Wärmemengen ist es zweckmäßig, mehrere derartiger Kühlelemente 4 räumlich und elektrisch parallel anzuord­ nen. Es ist ersichtlich, daß mit derartigen Anordnungen von Kühlelementen eine sehr selektive Kühlung von Bauele­ menten vorgenommen werden kann. Beispielsweise können le­ diglich diejenigen Bauelemente und/oder Stellen gekühlt werden, die sich besonders stark erhitzen. Diese Stellen werden auch "hot spots" ("heiße Punkte") genannt.For large-area components 3 and / or for transporting larger amounts of heat, it is expedient to arrange several such cooling elements 4 spatially and electrically in parallel. It can be seen that with such arrangements of cooling elements a very selective cooling of components can be made. For example, only those components and / or locations that heat up particularly strongly can be cooled. These spots are also called "hot spots".

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern in vielfältiger Weise auf weitere anwendbar. Beispielsweise kann das Substrat 1 z. B. ein Keramiksubstrat einer sogenannten Hybridschaltung sein. Weiterhin kann das Substrat auch ein Gehäuse, z. B. ein Kunststoffgehäuse einer integrierten Schaltung und/oder eine Hochleistungs-Halbleiterbauelementes ein.The invention is not limited to the described embodiment, for example, but can be used in many other ways. For example, the substrate 1 z. B. a ceramic substrate of a so-called hybrid circuit. Furthermore, the substrate can also be a housing, e.g. B. a plastic housing of an integrated circuit and / or a high-performance semiconductor device.

Es ist von Vorteil, daß derartige Kühlelemente mit in der Schaltungs- und/oder Halbleitertechnologie üblichen Metho­ den und/oder Verfahren in das Substrat 1 einfügbar sind. It is advantageous that cooling elements of this type can be inserted into the substrate 1 using methods and / or methods customary in circuit and / or semiconductor technology.

Bei der Verwendung derartiger Kühlelemente in Leiterplat­ ten ist es vorteilhafterweise möglich, elektrische Bauele­ mente, z. B. integrierte Schaltungen, in Gehäusen mit mög­ lichst dünnen Anschlußstiften zu verwenden. Denn eine der­ zeit übliche Wärmeableitung über diese Stifte wird dann nicht mehr benötigt, so daß eine weitere Erhöhung der Packungs- und/oder Leiterbahndichte möglich ist. Eine hohe Packungsdichte bedeutet im allgemeinen eine Verwendung der SMD-Technologie.When using such cooling elements in printed circuit boards It is advantageously possible to use electrical components elements, e.g. B. integrated circuits, in housings with poss as thin as possible to use pins. Because one of the then usual heat dissipation via these pins no longer needed, so that a further increase in the pack and / or Conductor density is possible. A high Packing density generally means using the SMD technology.

Bei dieser besitzen die SMD-Bauelemente keine Anschluß- und/oder Lötstifte, welche durch die Leiterplatte hin­ durchführen und welche einen Wärmetransport zu der L-Seite bewirken können.In this, the SMD components have no connection and / or Solder pins that go through the circuit board perform and which a heat transfer to the L-side can effect.

Derart mit Kühlelementen bestückte Substrate, z. B. Leiter­ platten, sind vorteilhafterweise mechanisch robust, leicht und haben ein geringes Volumen, so daß insbesondere eine kostengünstige Lagerhaltung möglich ist.Such substrates equipped with cooling elements, for. B. Head plates, are advantageously mechanically robust, light and have a small volume, so that in particular a inexpensive warehousing is possible.

Claims (8)

1. Verfahren zur Temperierung eins Bauelementes, welche auf einem elektrisch isolierendem Substrat angebracht wird und bei welchem ein Wärmekontakt zu einer Wärmesenke er­ möglicht wird, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in dem Substrat (1) ein Durchbruch (2) erzeugt wird, welcher im Bereich des wärmeerzeugenden Bau­ elementes (3) liegt,
  • - daß in dem Durchbruch (2) ein thermoelektrisch ar­ beitendes Kühlelement (4), das beim Fließen eines elektrischen Stromes durch das Kühlelement (4) einen Wärmetransport von dem Bauelement (3) zu der Wärmesenke ermöglicht, angebracht wird und
  • - daß zwischen dem Bauelement (3) und dem Kühlele­ ment (4) ein Wärmekontakt hergestellt wird.
1. A method for tempering a component which is attached to an electrically insulating substrate and in which thermal contact with a heat sink is made possible, characterized in that
  • - That in the substrate ( 1 ) an opening ( 2 ) is generated, which is in the region of the heat-generating construction element ( 3 ),
  • - That in the breakthrough ( 2 ) a thermoelectrically ar working cooling element ( 4 ), which allows heat transfer from the component ( 3 ) to the heat sink when an electrical current flows through the cooling element ( 4 ), is attached and
  • - That between the component ( 3 ) and the Kühlele element ( 4 ) a thermal contact is made.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement als Halbleiterbauelement ausgebildet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the cooling element is designed as a semiconductor component. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchbruch (2) als eine durch das Substrat (1) hindurchgehende Bohrung ausgebildet wird.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the opening ( 2 ) is formed as a through the substrate ( 1 ) passing bore. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der durch das Kühlelement (4) fließende elektrische Strom in Abhängigkeit von der in dem Bauelement (3) erzeugten Temperatur und/oder Wärmemenge gesteuert und/oder geregelt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical current flowing through the cooling element ( 4 ) is controlled and / or regulated depending on the temperature and / or amount of heat generated in the component ( 3 ). 5. Anordnung zur Temperierung eines Bauelementes, welches auf einem elektrisch isolierendem Substrat angebracht ist und bei welchem ein Wärmekontakt zu einer Wärmesenke vor­ handen ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in dem Substrat (1) ein als Peltierelement ausgebildetes Kühlelement (4) vorhanden ist und
  • - daß zwischen dem zu temperierenden Bauelement (3) und dem Kühlelement (4) ein wärmeleitendes Medium angeordnet ist.
5. Arrangement for the temperature control of a component which is attached to an electrically insulating substrate and in which a thermal contact with a heat sink is present, characterized in that
  • - That in the substrate ( 1 ) is designed as a Peltier element cooling element ( 4 ) and
  • - That between the component to be tempered ( 3 ) and the cooling element ( 4 ) a heat-conducting medium is arranged.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Medium eine Wärmeleitpaste ist. 6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the heat-conducting medium is a thermal paste.   7. Anordnung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem für elektri­ sche Leiterplatten geeignetem Material besteht.7. Arrangement according to claim 5 or claim 6, characterized in that the substrate ( 1 ) consists of a material suitable for electrical cal printed circuit boards. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Bestandteil eines Gehäuses zu temperierenden Bauelementes ist.8. Arrangement according to one of claims 6 to 6, characterized in that the substrate ( 1 ) is part of a housing to be tempered component.
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