DE4427112A1 - Leiterplattenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplattenanord­ nung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aufgrund der zunehmenden Bauteildichte, jedoch auch der Verkleinerung von Schaltungen der Leistungselektronik ergibt sich das Problem, die im Betrieb dieser Schaltun­ gen zwangsläufig anfallende Verlustwärme wirkungsvoll abführen zu können, um Schäden als Folge lokaler thermi­ scher Überlastung zu vermeiden.

Herkömmliche Leiterplat­ ten bestehen bekanntermaßen aus einer Trägerplatte, auf deren eine Seite nach an sich bekannten additiven oder subtraktiven Verfahren eine gedruckte Schaltung aufge­ bracht wird, welche das, die später anzubringenden elektrischen Bauteile verknüpfende Leiterbild bildet. Die Trägerplatte besteht häufig aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff und es sind zur Wärmeabfuhr metallische Kühlkörper mit der Trägerplatte zu verbin­ den, welche großflächige, zur Wärmeabfuhr geeignete und ausgestaltete Flachen aufweisen, welche jedoch nicht nur das Bauvolumen der Leiterplatte sondern auch deren Herstellungskosten beträchtlich erhöhen. Hinzu tritt, daß der Wirksamkeit derartiger Kühlkörper mit steigender Bauteildichte Grenzen gesetzt sind.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplat­ tenanordnung der eingangs bezeichneten Art dahingehend auszugestalten, daß sich trotz steigender Bauteildichte und damit zunehmender Verlustwärme in einfacher und kostengünstig realisierbarer Weise eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr ergibt. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Leiterplattenanordnung durch die Merkma­ le des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach, daß eine metallische Trägerplatte eingesetzt wird, die beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder einem sonstigen geeigneten Mate­ rial hergestellt ist, die zumindest auf einer Seite ein Leiterbild trägt und die zumindest eine andere Seite aufweist, die zur Wärmeabfuhr bestimmt ist. Die in dem Leiterbild betrieblich entwickelte Verlustwärme wird auf kürzestem Wege auf das Metall der Trägerplatte übertra­ gen und über dessen, dem Leiterbild gegenüberliegende Seite abgeführt. Diese Abfuhr kann im einfachsten Fall durch natürliche Konvektion erfolgen, so daß diese Seite in einem Gerät entsprechend angeordnet werden muß. Es kommt jedoch auch eine erzwungene Konvektion unter Verwendung eines geeigneten Kühlmittels in Betracht. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhreigenschaften kann diese Seite auch profiliert, insbesondere mit Kühlrippen ausgerüstet sein, um die zur Wärmeübertragung zur Verfü­ gung stehende Fläche zu erhöhen. So kann die Träger­ platte beispielsweise gleichzeitig Teil der Außenwandung eines elektrischen Gerätes oder eines sonstigen elektri­ schen Systems sein. Das Leiterbild kann in grundsätzlich beliebigerweise auf die eine Seite der Trägerplatte aufgebracht werden, wobei von sämtlichen üblichen Ver­ fahren des Herstellens und des Aufbringens gedruckter Schaltungen Gebrauch gemacht werden kann. Wesentlich ist insoweit lediglich, daß der zwischen dem metallischen Leiter einerseits und der metallischen Trägerplatte andererseits notwendigerweise vorhandene, durch die elektrische Isolierung bedingte Wärmeübergangswiderstand kleinstmöglich gehalten wird.

Die Merkmale des Anspruchs 2 sind auf eine Ausgestaltung der Schaltungsanordnung insoweit gerichtet, als hiernach mehrere, flächenhafte Leiterbilder unter Zwischenanord­ nung isolierend wirkender Schichten auf einer Seite der metallischen Trägerplatte vorgesehen sein können. Die in Ebenen übereinander angeordneten Leiterbilder stehen hierbei untereinander an definierten Punkten über Boh­ rungen untereinander in Verbindung, die innenseitig oder in sonstiger Weise leitfähig ausgebildet sind. Es können naturgemäß in diesem Sinne nicht beliebig viele Be­ schichtungen vorgenommen werden, da sich mit deren zunehmender Zahl die Wärmeabfuhrverhältnis verschlech­ tern.

Die Herstellung eines Leiterbildes im Siebdruckverfah­ ren, wobei das elektrisch leitfähige Medium durch einen Polymerlack gebildet wird, in den elektrisch leitfähige Partikel, bestehend zum Beispiel aus Cu, SnPb oder dergleichen eingebunden sind, gestaltet sich praktisch vorteilhaft. Dieser Polymerlack ist nicht nur leit­ sondern auch lötfähig.

Liegt das Leiterbild gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 in einer folienhaften, gleichzeitig eine elektrische Isolierung bildenden Schicht vor, kann diese unmittelbar auf eine metallische Trägerplatte aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise in einem Preßverfahren statt­ finden. Die genannte Schicht kann in beliebiger, an sich bekannter Weise hergestellt werden und es ergibt sich auch in diesem Fall eine effektive Wärmeabfuhr.

Die Merkmale der Ansprüche 5 bis 7 sind auf Varianten der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prinzips gerich­ tet. Hiernach können beispielsweise flexible Leiterplat­ tenanordnungen hergestellt werden, die durch flexible Verbindung zweier oder mehrerer Leiterplatten unterein­ ander gebildet werden. Im Rahmen der flexiblen Verbin­ dungen kommen vorzugsweise Folien zum Einsatz, die einen Teil eines Leiterbildes - in elektrisch isolierter Weise - beinhalten. Darüber hinaus sind räumliche Ausgestal­ tungen der Trägerplatten denkbar, indem diese beispiels­ weise als Winkelteil oder als flächenhaftes, schalenar­ tiges räumlich allgemein gekrümmtes Bauteil ausgebildet werden, welches einseitig ein Verlustwärme erzeugendes Leiterbild trägt und wobei die jeweils dem Leiterbild gegenüberliegende Seite als Wärmeabfuhrfläche zur Verfü­ gung steht, d. h. dementsprechend bemessen ist und/oder zwecks Oberflächenvergrößerung profiliert ausgebildet ist. Ergänzend hierzu kann die Wärmeabfuhrfläche wie­ derum einen Teil des Gehäuses eines Gerätes oder eines sonstigen elektrischen Systems bilden.

Wesensmerkmal sämtlicher erfindungsgemäßer Leiterplat­ tenanordnungen ist somit, daß die Funktionen eines Kühlkörpers einerseits und eines Stütz- oder Tragkörpers andererseits für ein Leiterbild in einem einheitlichen Bauteil vereinigt sind, nämlich einer metallischen Trägerplatte. Dies bringt gegenüber bekannten Problem­ lösungen nicht nur eine Verminderung des Bauvolumens mit sich, sondern auch eine Vereinfachung des Herstellungs­ prozesses sowie eine äußerst wirksame Kühlung.

Darüber hinaus kann die Trägerplatte naturgemäß auch zur Montage der Leiterplattenanordnung in einem Gerät be­ nutzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungs­ beispiele näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiter­ platte;

Fig. 2 eine teilweise Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiter­ platte;

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung zweier, flexibel miteinander in Verbindung stehender erfindungsgemäßer Leiterplatten;

Fig. 4 eine teilweise Querschnittsdarstellung einer weiteren, abgewinkelt ausgebildeten Leiterplatte.

Mit 1 ist in Fig. 1 die metallische, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehende ebene Trägerplatte einer elektrischen Leiterplatte bezeichnet. Die Träger­ platte 1 trägt auf ihrer einen Seite beispielsweise eine epoxydharzgetränkte, elektrisch isolierend wirkende Schicht aus Glasfasergewebe, die wiederum auf einer Außenseite eine folienartige, ein elektrisches Leiter­ bild beinhaltende Schicht 3 trägt. Auf eine zeichne­ rische Darstellung des Leiterbildes ist aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit verzichtet worden. Beide Schichten 2, 3 können über einen Preßvorgang auf die Trägerplatte 1 aufgebracht und mit dieser verklebt werden.

Der gezeigte Schichtenaufbau kann noch dadurch ergänzt werden, daß weitere, Leiterbilder enthaltende Folien 3, jeweils unter Zwischenanordnung elektrisch isolierender Schichten 2 nach dem gleichen Verfahren, nämlich durch ein Aufpressen unter Verwendung geeigneter mechanischer Hilfsmittel mit der Trägerplatte 1 verbunden werden. Über Durchgangsbohrungen kann zwischen den einzelnen Schichten 3 eine gewünschte Verbindungsstruktur aufge­ baut werden.

Wesentlich ist nunmehr, daß die Trägerplatte 1, insbe­ sondere deren Seite 4 eine freie Fläche ist, die bei­ spielsweise Teil eines Gehäuses sein kann. Die im Be­ trieb der Leiterplatte in der/den Schichten 3 entwickel­ te unvermeidbare Verlustwärme kann auf diese Weise von der metallischen Trägerplatte 1 aufgenommen und abge­ führt werden. Die Wärmeabfuhr über die Seite 4 kann hierbei als reine Konvektionskühlung oder auch als Fremdkühlung, nämlich durch die erzwungene Bewegung eines Kühlmediums konzipiert sein.

Fig. 2 zeigt eine Variante insoweit, als auf eine Träger­ platte 1 unter Zwischenanordnung einer Isolationsschicht 5 ein Leiterbild 6 aufgebracht ist, wobei die Aufbrin­ gung beispielsweise im Siebdruckverfahren erfolgt. Im Rahmen dieses Siebdruckverfahrens können beispielsweise Polymerlacke verwendet werden, in die in definierter Weise elektrisch leitfähige, z. B. aus Cu, SnPb oder aus einem sonstigen Metall bestehende Partikel eingelagert sind. Derartige Polymerlacke sind nicht nur elektrisch leitfähig sondern auch lötfähig. Das Leiterbild 6 wird anschließend mittels einer, in Fig. 2 nicht gezeigten Isolationsschicht abgedeckt. Wesentlich ist auch hier, daß die metallische Trägerplatte 1 derart angeordnet ist, daß deren Seite 4 als wärmeübertragende Fläche zur Verfügung steht. In jedem Fall erfüllt somit die Träger­ platte 1 eine doppelte Funktion, nämlich einerseits diejenige des Trägers eines Leiterbildes und diejenige einer Wärmesenke, über welche innerhalb des Leiterbildes anfallende Verlustleistung großflächig abgeführt wird.

Grundsätzlich ist eine Wärmeabfuhr auch über die Schmal­ seiten der Trägerplatte 1 möglich - in diesem Fall steht jedoch lediglich eine bedeutend kleinere Fläche für eine Wärmeübertragung zur Verfügung, so daß eine beidseitige Belegung der Trägerplatte 1, d. h. einschließlich Seite 4 mit einem Leiterbild im allgemeinen zu ungünstigeren Ergebnissen hinsichtlich der Kühlwirkung führt.

Erweitert werden kann das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Prinzip unter anderem dahingehend, daß die Seite 4 der Trägerplatte 1 profiliert ausgebildet ist, d. h. bei­ spielsweise ausgeprägte Kühlrippen zeigt, um die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche weiter zu vergrößern.

Das erfindungsgemäße Prinzip kann grundsätzlich bei allen Arten von Leiterplatten Verwendung finden, bei denen als Trägerplatte eine metallische Platte Verwen­ dung findet. So zeigt Fig. 3 eine flexible Leiterplatte, welche aus zwei unterscheidbaren Leiterplatten 6, 7 besteht, deren Schichtenaufbau beispielsweise demjenigen gemäß Fig. 1 entspricht. Es ist lediglich die folienar­ tige Schicht 3, welche ein Leiterbild enthält, nunmehr als verbindendes Element der beiden Leiterplatten ausge­ bildet, deren Winkelorientierung auf diese Weise flexi­ bel gestaltet werden kann. Eine solche flexible Leiter­ platte bietet eine Reihe von praktischen Vorteilen, insbesondere sobald ein Leiterbild eine große flächen­ hafte Erstreckung aufweist und sich der Einbau einer das gesamte Leiterbild erfassenden starren Leiterplatte in das Gehäuse eines Gerätes aus räumlichen Gründen schwie­ rig gestaltet. Besonders vorteilhaft können in diesem Falle die Trägerplatten 8, 9 derart montiert sein, daß deren jeweilige Seiten 4 die Außenseiten eines Gerätege­ häuses bilden und für eine Konvektionskühlung zur Verfü­ gung stehen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Leiterplatte winkelartig ausgebildet und besteht aus einer dementsprechend geformten Trägerplatte 10, auf deren Innenseite sich nacheinander eine Isolations­ schicht 11 und eine, ein Leiterbild beinhaltende Schicht 12 anschließen. In diesem Fall steht die Außenseite 13 der Trägerplatte 10 als Kühlfläche zur Verfügung.

Die gesamte Anordnung gemäß Fig. 4 kann naturgemäß auch seitenvertauscht vorgesehen sein, so daß sich die Schichten 11, 12 auf der Außenseite befinden und die Innenseite als Kühlfläche fungiert.

Gemeinsam ist allen Ausführungsformen des Erfindungsge­ genstands, daß das verlustwärmeerzeugende Leiterbild großflächig unter Zwischenanordnung lediglich geringer Wärmeübergangswiderstände, die durch die Isolations­ schichten gebildet werden, mit einer metallischen Träger­ platte oder sonstigen metallischen Trägerstrukturen in Verbindung steht, die ihrerseits aufgrund ihrer großen Oberfläche eine effektive Wärmeabfuhr ermöglichen, so daß die Wärmebelastung des Leiterbildes und der im praktischen Einsatzfall mit diesem in Verbindung stehen­ den elektrischen Bauteile in Grenzen gehalten werden kann.

Zur Bewirkung dieser Kühlleistung sind im Gegensatz zu dem eingangs dargelegten Stand der Technik keine zusätz­ lichen Bauteile erforderlich, die außerdem das Bauvolu­ men der gesamten Anordnung erhöhen würden. Die funktio­ nelle Zusammenfassung von Wärmesenken bzw. Kühlkörper und Trägerplatte für ein elektrisches Leiterbild stellt insoweit eine kostenmäßig günstig realisierbare, eine wirksame Abführung von Verlustwärme ermöglichende Prob­ lemlösung dar, die sich außerdem durch ein geringstmög­ liches Bauvolumen auszeichnet.

Claims (6)

1. Leiterplattenanordnung, bestehend zumindest aus einer Trägerplatte (1, 8, 9, 10) und einem, isoliert angeord­ neten elektrischen Leiterbild (6) , dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Trägerplatte (1, 8, 9, 10) aus Metall besteht,
• - daß das Leiterbild (6) unter Zwischenanordnung einer isolierend wirkenden Schicht (2, 5) mit der Trägerplatte (1, 8, 9, 10) in Verbindung steht und
• - daß die Trägerplatte (1, 8, 9, 10) zumindest eine freie, zur Abfuhr der durch das Leiterbild ent­ wickelten Verlustwärme bestimmte und ausgestaltete Seite (4, 13) aufweist.

2. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mehrere, durch isolierend wirkende Schichten (2,5) voneinander getrennte, jeweils Leiteranord­ nungen enthaltende Schichten (3) das elektrische Leiterbild darstellen und
• - daß die zur Wärmeabfuhr bestimmte Seite (4, 13) der Trägerplatte (1, 8, 9, 10) der jeweiligen Seite des Leiterbildes gegenüberliegend angeordnet ist.

3. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet

• - durch ein im Siebdruckverfahren aufgebrachtes Leiterbild (6).

4. Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet

• - durch wenigstens eine folienhafte, das Leiterbild beinhaltende Schicht (3)
• 5. Leiterplattenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
• - daß wenigstens zwei, jeweils aus einer metallischen Trägerplatte (1, 8, 9, 10) mit wenigstens einseitig angebrachten Leiterbildern bestehende Leiterplat­ ten (6, 7) in flexibler Verbindung zueinander stehen und
• - daß die flexible Verbindung zumindest durch eine, wenigstens Teile des Leiterbildes aufnehmende flexible Folie gebildet wird.

6. Leiterplattenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Trägerplatte (10) als Winkelteil ausgebil­ det ist und einseitig ein nach Maßgabe des Winkel­ teils sich räumlich erstreckendes Leiterbild auf­ weist und
• - daß die dem Leiterbild jeweils gegenüberliegenden Seiten zur Abfuhr von Verlustwärme bestimmt und ausgestaltet sind.

7. Leiterplattenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Trägerplatte ein flächenhaftes, schalenar­ tiges, räumlich allgemein gekrümmtes Bauteil bil­ det, welches auf einer Seite das Leiterbild trägt und dessen andere Seite zur Abfuhr von Verlustwärme bestimmt und ausgestaltet ist.