DE602005001297T2

DE602005001297T2 - Hitzemanagement in Leiterplattenanordnungen

Info

Publication number: DE602005001297T2
Application number: DE602005001297T
Authority: DE
Inventors: Robert Mowat Towcester Ireland; Graham Charles Buckingham Kirk; John Albert Gamlingay Sandy Boocock; Michael Arthur Brackley Isles
Original assignee: Radstone Technology PLC
Current assignee: Abaco Systems Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: ATE364308T1; PT1610596E; US20050281007A1; GB0413420D0; SI1610596T1; GB2415297A; EP1610596B1; PL1610596T3; GB0511880D0; ES2287875T3; EP1610596A1; DK1610596T3; US7660125B2; DE602005001297D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Hitzemanagement in Leiterplattenanordnungen (nachstehend als CCAs bezeichnet) und schafft in einer bevorzugten Ausführungsform einen CCA mit verbesserten Einrichtungen zum Abführen von Wärme aus den Hitzemanagement-Schichten der gedruckten Schaltung (nachstehend PCB) und der Anordnung.
In der Elektroindustrie ist die Bereitstellung von PCBs mit Hitzemanagement-Schichten gut bekannt. Eine Hitzemanagement-Schicht besteht aus einer Schicht Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit, die in einem CCA und/oder einer PCB integriert ist, um die Entfernung der Wärme aus dem CCA zu unterstützen. In typischen Mehrschicht-PCBs und -CCAs können mehrere Hitzemanagement-Schichten bereitgestellt sein.
Bis jetzt bestand die gewöhnliche Anordnung zur Abfuhr der Wärme aus den Hitzemanagement-Schichten aus dem Bereitstellen einer Vielzahl Durchkontaktierungen in einem oder mehreren Kantengebieten der PCBs, wobei die Durchkontaktierungen durch die bzw. jede Hitzemanagement-Schicht durchgehen. Die Durchkontaktierungen wurden durch eine Metallschicht durchplattiert, welche die bzw. jede Hitzemanagement-Schicht kontaktiert und sich durch die gesamte Dicke der PCB erstreckt. Eine Fläche der PCB wurde mit einer Metallschicht versehen, an der eine Leiste durch Löten sicher befestigt wurde. Während des Lötvorgangs füllte das Lötmetall die Durchkontaktierungen und den Zwischenraum zwischen der Leiste und der Metallschicht auf der Oberfläche der PCB. Der CCA mit der angebrachten Leiste wurde anschließend mit einer geeigneten Wärmeableitungseinheit verbunden, wobei die Leiste eine Einrichtung schafft, die Wärme aus den Hitzemanagement-Schichten über die Plattierung der Durchkontaktierungen an die Wärmeentfernungseinheit leitet, und das Lötmetall die Durchkontaktierungen, den Zwischenraum zwischen der Leiste und der PCB und die Leiste selbst füllt.
US-A-5986887, auf der der vorcharakterisierende Paragraph von Anspruch 1 basiert, offenbart eine gestapelte Leiterplattenanordnung mit einer Mehrzahl gestapelter Leiterplatten, welche leitfähige Leisten zwischen den benachbarten Platten aufweisen. Jede Platte weist eine leitfähige Schicht auf, die sich in die Fläche der Platten erstreckt und leitfähige Durchkontaktierungen, die die Platte durchdringen, um die leitfähige Schicht mit der oberen und unteren leitfähigen Leiste zu koppeln, um die Wärme von der Platte wegzuleiten. Die Möglichkeit der leitfähigen Leisten, sich teilweise oder vollständig in oder durch die Leiterplatten zu erstrecken, wird ebenfalls erwähnt.
Wir haben nun eine verbesserte CCA-Anordnung entwickelt, die gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen bietet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Leiterplattenanordnung geschaffen, die eine PCB umfasst, welche eine erste und eine zweite sich jeweils gegenüberliegende Hauptfläche mit mindestens einer verlängerten Außenkante aufweist, die sich zwischen diesen Flächen erstreckt; sowie mindestens eine Hitzemanagement-Schicht innerhalb des CCAs, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie sich bis zu der Außenkante erstreckt; sich eine wärmeleitfähige Leiste an der Kante befindet und sich mindestens über die Dicke der PCB erstreckt; und dadurch, dass die Kante mit einem wärmeleitfähigen Material beschichtet ist, welches die bzw. jede Hitzemanagement-Schicht thermisch mit der wärmeleitfähigen Leiste verbindet, um die Wärme von der bzw. jeder Hitzemanagement-Schicht direkt zu der Leiste zu leiten.
Der vorstehende und nachstehende Bezug auf PCB meint gedruckte Schaltungen, gedruckte Leiterplatten und Ähnliches.
Bei solch einer Anordnung befindet sich die wärmeleitfähige Leiste eher in derselben Fläche wie die PCB als auf der Oberfläche der PCB, wie im Stand der Technik. Die Leiste ist wünschenswerterweise etwas dicker als die PCB und ragt bis zu diesem Maße auf mindestens einer Seite der PCB über die Oberfläche der PCB hinaus. Jedoch liegt die kritische Eigenschaft darin, dass sich die wärmeleitfähige Leiste innerhalb der Dicke der PCB erstreckt, wodurch die Hitzemanagement-Schichten im Wesentlichen direkt mit der wärmeleitfähigen Leiste verbunden werden können. Das steht im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem die Hitzemanagement-Schichten durch das Kontaktieren mit der (den) Hitzemanagement-Leiste(n) verbunden wurden, und das Lötmetall die in der PCB bereitgestellten Durchkontaktierungen füllte.
Die Kante kann eine Kante aus einem in der PCB gebildeten Schlitz oder eine Seitenkante der PCB sein.
Vorzugsweise wird die Kante unter Verwendung eines geeigneten wärmeleitfähigen Materials (zum Beispiel Kupfer, Zinn, Nickel) plattiert und das Plattierungsmaterial durch ein geeignetes stark wärmeleitfähiges Material, zum Beispiel Lötmetall, oder eine nicht-metallische wärmeleitfähige Verbindung mit der wärmeleitfähigen Leiste verbunden.
Zusätzlich zur Bereitstellung einer verbesserten Wärmeentfernung aus den Hitzemanagement-Schichten bietet die vorliegende Erfindung eine Reihe zusätzlicher Vorteile. Insbesondere die Gesamtdicke des CCA in dem Bereich der wärmeleitfähigen Leiste kann mithilfe der Dicke der wärmeleitfähigen Leiste selbst bestimmt werden. Da die Dicke mit einem hohen Maß an Genauigkeit bestimmt werden kann, können CCAs leicht mit einer bekannten Dicke in dem Bereich der wärmeleitfähigen Leiste hergestellt werden. Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem die Hitzemanagement-Leiste durch Löten sicher an der Oberfläche der PCB angebracht wird. Bei einer solchen Anordnung wäre die Gesamtdicke des CCAs im Bereich der Hitzemanagement-Leiste die Summe der Dicke der PCB, der Dicke einer jeden auf der Oberfläche der PCB aufgebrachten Kontaktierung, die Dicke eines jeden Lötmetalls zwischen der PCB und der Hitzemanagement-Leiste und der Dicke der Hitzemanagement-Leiste selbst. Die Ansammlung von Herstellungstoleranzen innerhalb der die Gesamtdicke bildenden verschiedenen Bestandteile bedeutet, dass im Stand der Technik, es sei denn, es wurden spezielle Schritte (wie z.B. ein Vorfrässchritt zur Reduzierung der Dicke der PCB auf einen bekannten Wert) unternommen, die Gesamtdicke des CCA im Bereich der Hitzemanagement-Leiste stark variabel war.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die wärmeleitfähige Leiste eine starke wärmeleitfähige Verbindung bereitstellt, welche sich durch die gesamte Dicke der PCB erstreckt. Wenn eine Wärmeableitung bereitgestellt ist, um die Wärme von der Leiste zu entfernen oder die Wärme direkt von den an dem CCA angebrachten Bestandteilen zu entfernen, kann die Wärmeableitung in direkten Wärmekontakt mit der wärmeleitfähigen Leiste gebracht werden, indem entweder die Peripherie der Wärmeableitung an die wärmeleitfähige Leiste geklemmt oder ein geeignetes wärmeleitfähiges Material (zum Beispiel eine stark wärmeleitfähige Verbindung oder ein Lötmetall) zwischen der Wärmeableitung und der wärmeleitfähigen Leiste aufgebracht wird. Bei solch einer Anordnung können der CCA und die Wärmeableitungseinheit an eine Wärmeentfernungseinheit (zum Beispiel eine Box mit gekühlten Wänden) geklemmt werden, indem die Wärmeableitung und die Leiste des CCA gegen die an der Wärmeentfernungseinheit bereitgestellten gegenüberliegenden Flächen geklemmt werden. Solch eine Anordnung bietet eine hocheffektive Entfernung von Wärme aus dem CCA und der Wärmeableitungseinheit.
Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die lediglich ein Beispiel darstellen soll, mit Bezug auf die beiliegenden Figuren besser verständlich werden, in denen:
1 eine Draufsicht auf eine PCB zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Querschnitt entlang der Linie II-II in 1 ist.
Zunächst wird mit Bezug auf Figur eine Mehrschicht-PCB 1 dargestellt. Wie Fachleute anerkennen werden, sind in einer typischen Mehrschicht-PCB mindestens eine und wahrscheinlich eine Mehrzahl Hitzemanagement-Schichten innerhalb der Dicke der PCB bereitgestellt, um die Wärme von den zentralen Bereichen der PCB zu den Kanten 2, 3 zu leiten. Wie Fachleute anerkennen werden, wäre im Stand der Technik der Bereich der PCB, der an die Kanten 2, 3 grenzt, mit einer Mehrzahl gebohrter Durchkontaktierungen versehen, die durchplattiert sind, um eine Wärmeverbindung mit den Hitzemanagement-Schichten bereitzustellen. Die Oberfläche der PCB 1 in dem Bereich der Kanten 2, 3 wäre mit einer Metallschicht versehen, die mit der Plattierung auf den Durchkontaktierungen wärmeverbunden ist und eine Hitzemanagement-Leiste wäre mit der Oberfläche der PCB verlötet, wobei das Lötmetall den Zwischenraum zwischen der Hitzemanagement-Leiste und der Oberflächenplattierung füllt und ebenfalls die plattierten Durchkontaktierungen durchdringt, um eine zusätzliche Wärmeleitfähigkeit zu bieten.
Im Gegensatz dazu ist im Fall der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kante 4, 5 bereitgestellt, die die dargestellte Oberseite der PCB mit der Unterseite verbindet. Im Falle der Kante 4, wird die Kante durch einen Schlitz 6 bereitgestellt, der durch die Dicke der PCB in dem Bereich der Kante 2 gefräst ist. Im Falle der Kante 5, wird die Kante durch eine Aussparung 7 bereitgestellt, die in die Kante der PCB 3 gefräst ist. In beiden Fällen unterbrechen die Kanten 4, 5 die Hitzemanagement-Schichten, so dass jede Hitzemanagement-Schicht an einer Kante der entsprechenden Kante 4 oder 5 frei liegt. Es wird anerkannt werden, dass in den meisten Installationen entweder ein gefräster Schlitz 6 an beiden gegenüberliegenden Kanten der PCB oder eine gefräste Aussparung 7 an beiden gegenüberliegenden Enden der PCB bereitgestellt wird. Eine PCB mit einem gefrästen Schlitz und einer Aussparung ist nur dargestellt, um alternative Möglichkeiten zur Bereitstellung einer Kante darzustellen, wie sie von der vorliegenden Erfindung gefordert wird.
Mit Bezug auf 2 wird nun ein Bereich entlang der Linie II-II in 1 gezeigt. Die Kante 4 wird vorzugsweise metallplattiert, um eine sehr gute Wärmeverbindung mit den freiliegenden Kanten der bzw. jeder Hitzemanagement-Schicht bereitzustellen. Eine wärmeleitfähige Leiste 8 befindet sich innerhalb des Schlitzes 6 und erstreckt sich von der benachbarten Oberseite 9 der PCB 10 abwärts über die Unterseite 10 der PCB 1 hinaus. Die Leiste 8 ist durch ein geeignetes Wärmebefestigungsmaterial zum Beispiel ein Lötmetall oder ein nicht-metallisches Wärmebefestigungsmaterial mit der Kante 4 verbunden. Die Wirkung dieser Anordnung liegt in der Bereitstellung einer viel direkteren Wärmeverbindung zwischen den Hitzemanagement-Schichten der PCB 1 und der wärmeleitfähigen Leiste 8, als es im Stand der Technik möglich war, in dem eine Hit zemanagement-Leiste sicher an eine der Hauptflächen der PCB angebracht war.
Wie dargestellt, ist die PCB 1 mit einer Wärmeableitung 11 versehen. Die Wärmeableitung 11 umfasst einen peripheren Flansch 12, der in direktem Wärmekontakt mit der Leiste 8 steht. Ein geeignetes metallisches oder nichtmetallisches Wärmeschnittstellenmaterial kann, falls gewünscht, zwischen dem Flansch 12 und der Leiste 8 bereitgestellt werden. Die Wärmeableitung 11 kann entweder als Einrichtung zum Entfernen von Wärme von der Leiste 8 oder als Einrichtung zum Entfernen von Wärme von einem an dem CCA angebrachten Bestandteil bereitgestellt werden. Im letzteren Fall wird die Wärme aus dem gesamten Bausatz entfernt, indem die Leiste 8 und der Flansch 12 zwischen geeignete Bestandteile der Wärmeentfernungseinheit, zum Beispiel Schlitze in einer Wand der Kühlbox, geklemmt werden. Es wird angemerkt, dass die Gesamtdicke des Bausatzes im Klemmbereich im Wesentlichen aus der gesamten Dicke der wärmeleitfähigen Leiste 8 und der Dicke des Flansches 12 gebildet wird. Die Dicke dieser Bestandteile kann gut gesteuert werden und dementsprechend können relativ geringe Toleranzabweichungen in der Gesamtdicke des Bausatzes erwartet werden. Das ist äußerst wünschenswert, wenn der Bausatz in einem Bausatz mit enger Toleranz verwendet werden soll.
Da die Leiste 8 und die Wärmeableitung 11 außerdem aus einem nicht-komprimierbaren Material bestehen können, zum Beispiel einem Festmaterial, können zwischen ihnen viel höhere Klemmkräfte über einen breiteren Temperaturbereich aufrechterhalten werden und dann wäre die Wärmeentfernungsstruktur mit dem Stand der Technik möglich.

Claims

Leiterplattenanordnung, die eine gedruckte Schaltung (1) umfasst, welche eine erste und eine zweite sich jeweils gegenüberliegende Hauptfläche (9, 10) mit mindestens einer verlängerten Außenkante (4, 5) aufweist, welche sich zwischen diesen Flächen erstreckt; sowie mindestens eine Hitzenmanagement-Schicht innerhalb der Leiterplattenanordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie sich bis zu der Außenkante erstreckt; wobei sich die wärmeleitfähige Leiste (8) an der Kante befindet und sich mindestens über die Dicke der gedruckten Schaltung (1) erstreckt; und an der Kante (4, 5) mit einem wärmeleitfähigen Material beschichtet ist, welches die bzw. jede Hitzemanagement-Schicht in Bezug auf den Wärmeaustausch mit der wärmeleitfähigen Leiste (8) verbindet, so dass Wärme von der bzw. jeder Hitzemanagement-Schicht direkt zu der Leiste (8) geleitet wird.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede verlängerte Kante eine darin geformte Aussparung (7) aufweist, in welcher die dazugehörige leitfähige Leiste (8) platziert ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähigen Materialien an der oder an jeder Kante (4, 5) durch ein stark wärmeleitfähiges Material mit einer wärmeleitfähigen Leiste (8) verbunden sind.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das stark wärmeleitfähige Material aus der Gruppe ausgewählt wird, welche Lötmetall, plattiertes Metall und eine nicht-metallische wärmeleitfähige Verbindung umfasst.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede wärmeleitfähige Leiste (8) mit mindestens der ersten gegenüberliegenden Hauptfläche (9) bündig ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltung (1) ein sich gegenüberliegendes Paar von verlängerten Kanten (4, 5) aufweist, wobei jedes der entgegengesetzten Kantenpaare (4, 5) eine wärmeleitfähige Leiste (8) aufweist, die ebendort platziert ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von leitfähigen Leisten (8) von einheitlicher Dicke und dicker als die gedruckte Schaltung (1) ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leiste (8) an der jeweils dazugehörigen Kante (4, 5) bündig mit der ersten Hauptfläche (9) des gedruckten Schaltkreises (1) anliegt und sich bis jenseits der zweiten Hauptfläche (10) des gedruckten Schaltkreises (1) erstreckt.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leiste (8) so an der jeweils da zugehörigen Kante (4, 5) liegt, dass sie jeweils sowohl über die erste als auch über die zweite Hauptfläche (9, 10) des gedruckten Schaltkreises (1) hinausragt, wobei jede Leiste (8) um dieselbe Länge über die erste Hauptfläche (9) hinausragt.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede wärmeleitfähige Leiste (8) sich innerhalb derselben Ebene wie der gedruckte Schaltkreis (1) erstreckt.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Wärmeableitungseinrichtung (11) umfasst, die in direktem thermaischen Kontakt mit der oder jeder leitfähigen Leiste (8) steht.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherie (12) der Wärmeableitung an die oder an jede der leitfähigen Leisten (8) geklemmt ist.
Leiterplattenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Material zwischen der Wärmeableitung (11) und der oder jeder leitfähigen Leiste (8) angebracht ist.
Leiterplattenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitung (11) fest in die oder jede leitfähige Leiste (8) integriert ist.