DE4335946C2 - Anordnung bestehend aus einer Leiterplatte - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung bestehend aus einer Lei
terplatte nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten An
ordnungen dieser Art bereitet es häufig Schwierigkeiten, die in
einem oder mehreren Leistungsbauelementen erzeugte Wärme an eine
Wärmesenke abzuführen, da die Leiterplatte an mindestens einer ihrer
beiden Oberflächen mit einer Vielzahl von verschiedene elektrische
Potentiale führenden Leiterbahnen belegt ist, die untereinander und
mit der Wärmesenke nicht kurzgeschlossen werden dürfen. Es ist zum
Beispiel aus der DE 35 05 167 A1 bekannt, die Wärme des Leistungs
bauelements mit Hilfe von Durchkontaktierungen auf die Unterseite
der Leiterplatte abzuführen. Diese Durchkontaktierungen sind aber im
Bereich der Auflagefläche des Leistungsbauelements auf der Leiter
platte angeordnet. Nach Aufsetzen des Leistungsbauelements sind
diese Durchkontaktierungen aber nicht mehr sichtbar und für Prüfvor
gänge unzugänglich. Ferner ergeben sich Schwierigkeiten mit der
elektrischen Isolation, die durch ein zusätzliches Teil hergestellt
werden muß, was wiederum Wärmeübergangsverluste zur Folge hat.
Aus der GB-A 2 259 408 ist eine Anordnung von
Leistungsbauelementen mit Hilfe einer Lötfläche auf einer
Leiterplatte bekannt. Die von den Leistungsbauelementen
während des Betriebs erzeugte Wärme muß hierbei abgeführt
werden. Hierzu sind Durchkontaktierungen durch die
Leiterplatte vorhanden, die die Wärme zu einer Wärmesenke
abführt. Die Abfuhr der Wärme nur mit Hilfe der
Durchkontaktierungen kann aber zu langsam sein, so daß in
der Leiterplatte ein Wärmestau auftreten kann. Zusätzliche
Wärmeabführungen sind hingegen in der US-A 5 113 315
dargestellt. Hier handelt es sich aber um eine auf eine
Substratleiterplatte abgestimmte Wärmeableitung. Die Wärme
soll senkrecht mit Hilfe von pyramidenartig in die
Leiterplatte ragenden Fortsätzen abgesaugt werden. Diese
Fortsätze werden zum Beispiel mit Hilfe von Laserstrahlen in
aufwendiger Weise in die Leiterplatte eingebracht. Ferner
wird, selbst wenn die Fortsätze später mit gut
wärmeleitendem Material ausgefüllt sind, die Festigkeit der
Leiterplatte verringert. Die Wärme wird in die Leiterplatte
eingeleitet, wobei dich aber ein Wärmestau in der
Leiterplatte nur schwer vermeiden läßt.
Bei der Vorrichtung nach der DE-A1-38 43 787 bestehen alle
Schichten aus Metall und sind somit wärmeleitend. Die
unterschiedliche Ausbildung dieser Schichten steht im
Zusammenhang mit der elektrischen Leitfähigkeit. Der
Wärmefluß fließt hingegen senkrecht durch die Platten
hindurch. Es soll ein Wärmeübergang von einer Oberfläche zur
anderen Oberfläche der Metallschichten durch den
flächenhaften Verbund der einzelnen Lagen erreicht werden.
Auch in der US -A-4 729 061 ist keine Querableitung der Wärme
in der Leiterplatte selbst entnehmbar. Nur im Auflagebereich
des Leistungsbauelements und auf der Außenseite der
Leiterplatte ist eine quer verlaufende, wärmeleitende Bahn
vorhanden. Sonst wird hier die Wärme senkrecht abgeführt.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß gleichzeitig zur
guten Wärmeabfuhr vom Leistungsbauelement zu einer Wärmesenke eine
elektrische Isolation der verschiedenen Leistungsbauelemente unter
einander und auch zur meist metallischen Wärmesenke (Gehäuse oder
Bodenplatte des Gehäuses) gewährleistet ist. Die elektrische Isola
tion ist nicht mehr verdeckt, sondern gut sichtbar und jederzeit
überprüfbar. Die elektrische Isolationsstrecke ist mit geringer
Toleranz herstellbar. Ferner ist die serienmäßige Herstellung der
Leiterplatte in dieser Form wirtschaftlich und preisgünstig, da sie
ohne zusätzliche Arbeitsvorgänge möglich ist. Es sind auch kein zu
sätzliches Isolierteil, keine zusätzliche Montage, keine teuren
innenliegenden Durchkontaktierungen oder zusätzliche Metallkerne zur
Wärmeableitung notwendig.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Merkmale möglich. Die Anordnung eignet sich sowohl für
mehrlagige (Multilayer) als auch für einfache, zweiseitig be
schichtete Leiterplatten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Leiterplatte mit einem
Leistungsbauelement, Fig. 2 eine Draufsicht auf die dem Leistungs
bauelement zugewandte Oberseite der Leiterplatte, Fig. 3 und 4
jeweils eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels und die Fig. 5a
bis 5d jeweils eine Draufsicht auf eine der wärmeleitenden Schichten
der Leiterplatte.
In der Fig. 1 ist mit 10 ein Leistungsbauelement bezeichnet, dessen
bei Betrieb, insbesondere durch die im Siliziumchip 30 entstehende
Wärme, d. h. Verlustwärme, abgeleitet werden soll. Das Leistungsbau
element 10 und der Siliziumchip 30 sind mit der im Leistungsbauele
ment 10 integrierten Kühlplatte 11, die zum Beispiel aus Metall be
stehen kann, auf der Lötfläche 12 einer Leiterplatte 13 angeordnet.
Die Leiterplatte 13 ist mehrschichtig als sogenannte Multi
layer-Platte ausgebildet. Sie besteht aus mehreren Schichten 14, 15,
16 aus elektrischem Isolierstoff, zum Beispiel Glasgewebe. Zwischen
diesen Schichten, d. h. zwischen der Schicht 14 und 15 bzw. zwischen
der Schicht 14 und 16 ist jeweils eine Kupferschicht 21 bzw. 22 an
geordnet. Für die Kupferschicht 21, 22 wäre auch ein anderes Mate
rial, das gut wärmeleitend ist und elektrisch leitende Eigenschaften
aufweist, denkbar. Ferner befindet sich auch zwischen der Lötfläche
12 für das Leistungsbauelement 10 und der Schicht 15 eine Schicht 17
aus Kupfer. Ferner sind außerhalb der Lötfläche 12 und der Auflage
fläche des Leistungsbauelements 10 in der Leiterplatte 13 mehrere
Löcher als Durchkontaktierungen 18 ausgebildet, die durch die ge
samte Dicke der Leiterplatte 13 hindurchführen. Die Wand der Durch
kontaktierungen 18 besteht aus einer dünnen, wärmeleitenden und auch
elektrisch leitenden Schicht 20. Wichtig ist bei der Ausgestaltung
nach der Fig. 1, daß zwischen der Schicht 17 und der Schicht 20 für
die Durchkontaktierungen 18 eine elektrische Isolationsstrecke 19
gebildet wird. In besonders einfacher Weise ist in der Fig. 1 diese
Isolationsstrecke 19 durch eine Unterbrechung der Verbindung
zwischen der Schicht 17 und der Schicht 20 gebildet, d. h. die
Schicht 17 und die Schicht 20 sind nicht miteinander direkt ge
koppelt. Die Schicht 20 liegt ferner wie ein Rohrniet auf der Ober
fläche der Schichten 14, 15, 16 an.
In der Fig. 1 ist zu beiden Seiten des Leistungsbauelements 10 eine
Durchkontaktierung 18 zur Wärmeableitung ausgebildet, so daß die
Zwischenschichten 21, 22 durch die Leiterplatte 13 hindurch von der
Schicht 20 einer Durchkontaktierung 18 zur Schicht 20 der anderen
Durchkontaktierung 18 reichen. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist,
ist das Leistungsbauelement 10 rundherum, d. h. rahmenförmig, von
mehreren Durchkontaktierungen 18 umgeben. Dies bedeutet jeweils, daß
die Zwischenschichten 21, 22 mit der Schicht 20 der Durchkontaktie
rungen 18 in Verbindung stehen, während aber die Schicht 17 an
keiner Stelle direkten Kontakt mit der Schicht 20 der Durchkontak
tierungen 18 Kontakt hat, so daß, weil die Schicht 15 aus elektrisch
isolierendem Material besteht, eine elektrische Isolationsstrecke 19
zwischen der Schicht 17 und der Schicht 20 gebildet wird. Die Anzahl
der Durchkontaktierungen 18 und ob das Leistungsbauelement 10 rund
herum von ihnen umgeben ist, ist von der Menge der abzuführenden
Wärme abhängig. Hierzu kann auf die geometrische Anordnung und Aus
bildung der Durchkontaktierungen 18 Einfluß genommen werden. Auf be
sondere Ausgestaltungen hierzu wird in den Fig. 3 und 5 noch
näher eingegangen.
Ferner verbindet eine Kupferschicht als Bodenschicht 23 der Leiter
platte 13 die Wände 20 der Durchkontaktierungen 18 miteinander. Mit
Hilfe dieser Bodenschicht 23 ist die Leiterplatte 13 auf einem in
der Fig. 1 nicht dargestellten Kühlelement oder Gehäuseteil be
festigt, das als sog. Wärmesenke zum Ableiten der Wärme dient. Es
wäre aber auch möglich, die Leiterplatte 13 frei in einem Gehäuse
hängend zu befestigen und so eine Wärmeableitung zu ermöglichen.
Diese Wärmesenken sind meist metallisch und elektrisch Massepoten
tial führend.
In der Fig. 1 ist mit Hilfe von Pfeilen der entsprechende Wärmefluß
vom Leistungsbauelement 10 zur Wärmesenke hin eingezeichnet. Die
insbesondere am Siliziumchip 30 entstehende Verlustwärme des
Leistungsbauelements 10 gelangt von der integrierten Kühlplatte 11,
über die Lötfläche 12 in die wärme- und elektrisch leitende Schicht
17 der Leiterplatte 13. Mit Hilfe dieser Schicht 17 wird die Wärme
in die Schicht 15 geleitet und über die Schicht aus elektrisch iso
lierendem Material 15, die wärmeleitende Schicht 22 zu der wärme
leitenden Schicht 20 der Durchkontaktierungen 18 geführt. Von den
Durchkontaktierungen 18 wird die Wärme direkt zu der wärmeleitenden
Bodenschicht 23 geleitet. Wärme, die insbesondere wegen Sättigung
nicht von der Schicht 22 aufgenommen wurde, gelangt in die Schicht
14 aus elektrisch isolierendem Material und wird von der nächsten
Schicht 21 aus wärmeleitendem Material aufgenommen und zu der
Schicht 20 der Durchkontaktierungen 18 geführt. Von dort wird die
Wärme wieder über die Bodenschicht 23 zur Wärmesenke geleitet.
Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die
Leiterplatte 13a mit der Auflagefläche 23a nicht ganzflächig auf der
Wärmesenke 35 auf, sondern hat nur teilweise Kontakt mit der Wärme
senke 35. Dies bedeutet, daß die Leiterplatte 13a über die Wärme
senke 35 hinausragt. Die Leiterplatte 13a ist entsprechend dem Aus
führungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ebenfalls als mehr
schichtige Leiterplatte, als sog. Multilayer ausgebildet. Auch sind
die Durchkontaktierungen 18a ebenfalls seitlich neben dem Leistungs
bauelement 10a in der Leiterplatte 13a ausgebildet. Im Unterschied
zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 hat die wärmeleitende
Schicht 17a wenigstens teilweise Kontakt mit der wärmeleitenden
Schicht 20a der Durchkontaktierungen 18a. Dies bedeutet, daß die
Schicht 17a auf der einen Seite, zum Beispiel in der Fig. 3 auf der
linken Seite, mit der Schicht 20a der dort ausgebildeten Durch
kontaktierungen 18a Verbindung hat, während auf der anderen Seite,
d. h. in der Fig. 3 auf der rechten Seite, sich die Schicht 17a und
die Schicht 20a der dort sich befindenden Durchkontaktierungen 18a
nicht berühren. Die notwendige elektrische Isolierung zwischen dem
Leistungsbauelement 10a und der Wärmesenke 35 wird nun dadurch her
gestellt, daß die wärmeleitenden Schichten 22a, 21a und 23a jeweils
wechselseitig nur mit der Schicht 20a der Durchkontaktierungen 18a
verbunden sind, während sie auf der anderen Seite jeweils keinen
Kontakt mit der Schicht 20a aufweisen. Dadurch wird wiederum eine
elektrische Isolationsstrecke 19 zwischen dem Leistungsbauelement
10a und der Wärmesenke 35 hergestellt. Im Ausführungsbeispiel nach
der Fig. 3 bedeutet dies nun, daß die Schicht 22a und die Schicht
23a in der Figur auf der linken Seite keinen Kontakt mit der Schicht
20a der sich dort befindlichen Durchkontaktierungen 18a und somit
eine Isolationsstrecke 19b bzw. 19c haben. Im Unterschied dazu haben
die Schichten 17a und die Schicht 21a auf der rechten Seite in der
Fig. 3 keinen Kontakt mit der Schicht 20a der Durchkontaktierungen
18a und somit auf dieser Seite eine elektrische Isolationsstrecke
19d und 19e. Dadurch ist wieder sichergestellt, daß ein guter Wärme
transport von dem Leistungsbauelement 10a zu der Wärmesenke 35 und
gleichzeitig eine elektrische Isolation zwischen dem Leistungsbau
element 10a und der Wärmesenke 35 vorhanden ist. Der Wärmetransport
selbst ist beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 entsprechend
den Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1. Eine er
hebliche Verbesserung der Wärmeleitung vom Leistungsbauelement 10a
zur Wärmesenke 35 kann noch dadurch erreicht werden, daß die Durch
kontaktierungen 18a, die nicht auf der Wärmesenke 35 aufliegen, mit
wärmeleitendem Material, zum Beispiel Lötzinn 36 ausgefüllt sind.
Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 überdeckt das Leistungs
bauelement 10b teilweise die Durchkontaktierungen 18c. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird auf die Zugänglichkeit von einigen Durch
kontaktierungen 18c verzichtet. Der übrige Aufbau entspricht aber
dem nach der Fig. 3.
In den Fig. 5a bis 5d ist nun die wechselseitige elektrische
Isolierung und somit die Erzeugung einer elektrischen Isolations
strecke 19 nochmals erläutert. In Fig. 5a ist eine Draufsicht auf
die Öffnungen der Durchkontaktierungen 18c und der Schicht 17c zu
erkennen. Es ist die elektrische Isolationsstrecke 36a zwischen der
Schicht 17c und der Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c, auf
der rechten Seite der Fig. 5 sichtbar. Aus der Fig. 5b ist nun er
sichtlich, daß sich die elektrische Isolationsstrecke 36b zwischen
der Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c und der Schicht 22c auf
der anderen Seite befindet. In der Fig. 5c ist verdeutlicht, daß
die Isolationsstrecke 36c wieder auf die in der Zeichnung rechten
Seite verschoben ist und sich zwischen der Schicht 21c und der
Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c befindet. In der Fig. 5d
ist nun die Grundplatte 23c dargestellt und die elektrische Isola
tionsstrecke 36d zu der auf der linken Seite befindlichen Schicht
20c der Durchkontaktierungen 18c sichtbar. Es ist somit erkennbar,
daß in jeder Ebene und auf jeder Wärmeleitschicht 21, 22, 23 min
destens einmal die Isolationsstrecke 19, 36 besteht.
Claims (7)
1. Anordnung bestehend aus einer Leiterplatte (13), mindestens
einem Leistungsbauelement (10), Lötflächen (12) für die das
oder die Leistungsbauelement(e) und mindestens eine
Durchkontaktierung (18) durch die Leiterplatte (13) zur
Wärmeabfuhr von dem oder den Leistungsbauelement(en) (10) zu
einer Wärmesenke (35), wobei die Durchkontaktierung(en) (18)
mindestens teilweise außerhalb der Lötfläche (12) des
jeweiligen Leistungsbauelements (10) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Leistungsbauelement (10) und der
Wärmesenke (35) mindestens eine elektrisch isolierende
Unterbrechung (19) besteht, daß die
Leiterplatte (13) aus mehreren Schichten (14, 15, 16) aus
elektrisch isolierendem und wärmeleitendem Material besteht
und daß von den Durchkontaktierungen (18) Zwischenschichten
(21, 22) aus wärmeleitendem Material in die Leiterplatte
(13) jeweils zwischen den Schichten (14, 15, 16) führen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenschichten (21, 22) eine Schichtdicke von 8 bis 100 µm auf
weisen.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22) bis zu anderen Durch
kontaktierungen (18) führen.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22) wechselseitig zu den
Durchkontaktierungen (18) hin elektrisch isoliert sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22), die Oberfläche (17)
und die Grundfläche (23) wechselseitig zu den Durchkontaktierungen
(18) hin elektrisch isoliert sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrische Isolation eine Unterbrechung (19) der jeweiligen Schicht
(21, 22, 23, 17) ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Durchkontaktierungen (18) mit einem wärmeleitenden
Material, vorzugsweise Zinn, ausgefüllt sind.
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