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Umfang der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem isolierten
metallischen Substrat mit einem integrierten Kühlsystem, wobei das Kühlsystem
eine oder mehrere Leitungen für
ein wärmetransportierendes
Fluid umfasst.
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Technischer
Hintergrund
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In
Leiterplatten, welche elektrische und elektronische Leistungsbauteile
miteinander verbinden, gibt es einen Nachteil bezüglich der
Ableitung oder Beseitigung der von derartigen Bauteilen erzeugten Wärme. Die
Verwendung von Wärmableitern
oder Kühlkörpern ist
nach dem derzeitigen Stand der Technik bekannt, welche aus Elementen
aus hochwärmeleitenden
Material bestehen, die thermisch entweder direkt oder indirekt mit
den wärmeerzeugenden
Bauteilen oder mit deren Trägersubstrat
verbunden sind, und mit einem großen, häufig durch Rippen ausgebildeten
Oberflächenbereich
in Kontakt mit einem zirkulierenden Medium vorgesehen sind. Die
Patente US-A-5 875 097 und US-A-6
219 246 offenbaren Ausführungsbeispiele
derartiger Kühlkörper und
das Patent US-A-6
181 556 offenbart eine Vorrichtung für eine Wärmeableitung eines elektronischen
Bauteils, die aus einer Kombination von mit Rippen versehenen Kühlkörpern besteht,
die so angeordnet sind, dass sie die zu kühlende Komponente umgeben und
thermisch miteinander mittels thermischer Brückenelemente verbunden sind,
wobei die Kühlkörper einen
von mehreren Lüftern
erzeugten Luftstrom ausgesetzt sind.
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Die
Anwendung von Wärmeleitrohren
(sog. Heat-Pipes) ist ebenfalls bekannt, um eine elektronische Schaltungskomponente
auf einer geeigneten Arbeitstemperatur zu halten. Ein Wärmeleitrohr
umfasst einen Bereich eines an seinen Enden geschlossenes und teilweise
mit einem wärmetransportierenden
Fluid gefülltes
Rohres, wobei das Rohr wenigstens einen Verdampfungsbereich umfasst,
der in der Nähe
oder in Kontakt mit der Wärmequelle
angeordnet ist, und wenigstens einen Kondensationsbereich, welcher
beispielsweise zirkulierender Luft ausgesetzt ist. Das Patent US-A-6
226 178 offenbart ei nen Laptop-Computer, in welchem ein Wärmeleitrohr
einen Verdampfungsbereich in Kontakt mit einem wärmeerzeugenden Mikroprozessor
und zwei getrennte Kondensationsbereiche aufweist, die mit mehreren
entsprechenden unterschiedlichen wärmeableitenden Vorrichtungen
verbunden ist, wovon eines von diesen aus einem Kühlkörper mit
Zwangsventilation besteht und das andere aus einer umfangreichen
passiven Wärmeableitungsplatte,
welche hinter der Anzeige angeordnet ist. Ein Nachteil dieses Systems besteht
darin, dass der Verdampfungsbereich in Kontakt mit der nur einen
Komponente steht, oder mit einer Hilfsplatte, auf welcher die Komponente
angeordnet ist, es jedoch nicht die gesamte Leiterplatte kühlt, auf
welcher mehrere wärmeerzeugende
Komponenten eingebaut sind.
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Das
Patent US-A-6 212 071 verwendet mehrere Leiterbahnen eines wärmeleitenden
Materials, das auf dem Substrat einer herkömmlichen Leiterplatte eingebettet
und thermisch an dem einen Ende mit denjenigen Bereichen oder Komponenten
der Leiterplatte verbunden ist, wo Wärme erzeugt wird, und an dem
anderen Ende, an dem Rande des Substrats, mit mehreren externen
Wärmeableitern,
wie zum Beispiel mit einem die Leiterplatte umgebenden Metallgehäuse. Diese
wärmeleitenden
Bahnen können
in einer Weise analog zu den elektrisch leitenden Leiterbahnen auf
einer mehrlagigen Leiterplatte erzeugt werden, wobei sie in einem
solchen Falle aus Kupfer wären.
Sie können
auch erzeugt werden, indem mehrere Löcher von dem Rand der Platte
aus gebohrt werden und diese Löcher
mit einem geschmolzenen metallischen Material, wie zum Beispiel mit
Schweißmaterial
gefüllt
werden. Jedoch sind sowohl die Kupferbahnen als auch Leitungen und
die mit dem Schweißmaterial
teuer herzustellen und besitzen einen relativ niedrigen Wärmeableitungswirkungsgrad.
Das Patent US-A-6 212 071 schlägt
vor, dass herkömmliche
Wärmeleitrohre
verwendet werden können,
wobei jedoch keine Aufbau- oder Montagedetails angegeben werden,
keine Darstellung bezüglich
ihrer Anordnung beansprucht oder bereitgestellt wird.
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Die
Patente US-A-7 190 941, US-A-6 032 355 und US-A-6 201 300 offenbaren
verschiedene weitere Formen einer Erzeugung von Wärmeleitungspfaden,
ein Substrat auf einer Leiterplatte zum Ableiten von durch verschiedene
Komponenten erzeugter Wärme.
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Eine
Technologie, die eine Möglichkeit
zur Bereitstellung eines hohen Grades an Wärmeableitung für die Trägerplatte
der Komponenten eines Schaltkreises ergibt, ist die Technologie
einer Leiterplatte mit isoliertem metallischem Substrat, welche im
Fachgebiet üblicherweise
als IMS bezeichnet wird. Eine typische Leiterplatte mit isoliertem
metallischem Substrat umfasst wenigstens ein metallisches Trägersubstrat,
im allgemeinem eine Aluminiumlegierung, auf welcher elektrisch leitende
Schaltkreisleiterbahnen, im allgemeinen Kupfer, mittels einer Schicht
elektrisch isolierenden Materials, welches der bestmögliche Wärmeleiter
ist, befestigt sind. Mit dieser Anordnung wird ein Teil der von
den Komponenten erzeugten Wärme
durch das metallische Substrat abgeleitet, welches wie ein Kühlkörper wirkt.
Jedoch ist in Leistungsanwendungen, wie zum Beispiel einem Steuer-
und Verteilerkasten in einem Automobil, die von der Technologie
des isolierten metallischen Substrats bereitgestellte Wärmeableitung nicht
ausreichend, um sicherzustellen, dass keine Verschlechterung oder
Fehlfunktion der Schaltung aufgrund thermischer Ermüdung auftritt.
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Arbeiten
wurden vor kurzem durchgeführt, um
den Wirkungsgrad hinsichtlich der Wärme auf Leiterplatten mit isoliertem
metallischem Substrat zu verbessern. Das Patent US-A-6 201 701 offenbart eine
mehrlagige Struktur von Verbindungsbahnen von Leistungs- und Steuerungskomponenten,
die auf einem dicken isolierten metallischen Substrat angeordnet
sind. Die mehreren elektrisch leitenden Schichten sind durch Schichten
elektrisch isolierenden Materials getrennt und zwischen diesen sind Wärmeübertragungspfade
angeordnet, weiche den Wärmeableitungswirkungsgrad
verbessern. Jedoch werden nur eine Wärmeübertragung von den Komponenten
und den elektrisch leitenden Bahnen zu dem metallischen Substrat
hin verbessert, Jedoch keine Verbesserungen im Hinblick auf die
Wärmeableitung
aus dem metallischen Substrat bereitgestellt.
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Daher
besteht immer noch ein Bedarf für
ein effektiveres, kompaktes und wirtschaftliches Kühlsystem
zum effektiven Ableiten der von elektronischen Komponenten erzeugten
Wärme,
insbesondere von Komponenten, die intensiven Betriebsbedingungen
unterworfen sind, Leiterplatten mit isoliertem metallischem Substrat
in Leistungsanwendungen, wie zum Beispiel in einem Steuer- und Verteilkasten in
einem Automobil.
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Kurzerläuterung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Leiterplatte mit einem isolierten metallischen Substrat, das
mit einem Kühlsystem
versehen ist, das einen oder mehrere Leitungen für ein wärmetransportierendes Fluid
enthält.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe gelöst,
indem eine Leiterplatte mit einem isolierten metallischen Substrat
bereitgestellt wird, welches mehrere Leitungen für das wärmetransportierende Fluid enthält oder
in engem Kontakt mit diesen steht, Leitungen, welche sich aus dem
metallischen Substrat bis zu einem Wärmeübertragungsbereich an einem
externen Medium erstrecken. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind die Leitungen Hohlräume,
die auf dem in einer Richtung, welche im wesentlichen parallel zu
der elektrisch isolierenden Schicht ist, angeordnete metallischen
Substrat ausgebildet sind. Wenigstens eines von den Enden von jedem
der Hohlräume
gelangt zu einer an einem Rand des metallischen Substrates angeordneten Öffnung.
Diese Öffnungen
können
mit verschiedenen Leitungen des wärmetransportierenden Fluids
verbunden sein, welche bis zu dem Wärmeübertragungsbereich verlängert sind.
Somit stellt das metallische Substratmaterial selbst die Leitungswände bereit.
Andererseits sind gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
die Leitungen Leitungen für
das wärmetransportierende
Fluid, die in engem Kontakt mit den Wänden mehreren Hohlräume angeordnet sind,
die auf dem metallischen Substratmaterial in einer Richtung ausgebildet
sind, die im wesentlichen parallel zu der elektrisch leitenden Schicht
ist. In diesem Falle ragen die Leitungen wenigstens an einem Rand
des metallischen Substrates hervor und erstrecken sich auf einen
externen Abschnitt bis zu dem Wärmeübertragungsbereich.
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In
beiden Ausführungsbeispielen
können
die Hohlräume
durch einfaches Bohren des metallischen Substrates erzielt werden.
Jedoch besteht eine kosteneffektivere Form in der Bereitstellung
eines metallischen Substrates, das von zwei miteinander verbundenen
Schichten gebildet wird. Dieses ermöglicht es, dass die Hohlräume durch
das Nebeneinanderlegen von zwei jeweils in jedem einzelnen der metallischen
Substratschichten geformten Halbhohlräumen erzeugt werden.
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Das
zweite vorstehend erwähnte
Ausführungsbeispiel
hat den Vorteil, zu ermöglichen,
daß man
das Substrat leicht durch Extrusion erhält. Dafür sind die Hohlräume parallel
zueinander und besitzen eine Längsöffnung über ihren
gesamten Verlauf, welcher auf einer Seite des metallischen Substrates,
gegenüber
dessen Seite, auf welcher die elektrisch isolierende Schicht und
die elektrisch leitenden Bahnen befestigt sind, offen ist. Daher
hat der Querschnitt des metallischen Substrates eine offene Profilform, welche
dafür geeignet
ist, dass sie leicht durch Extrusion nur einer einzigen Schicht
erzielt werden kann.
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In
jeder von den zwei Ausführungsformen können die
Leitungen für
das wärmetransportierende Fluid
mehrere bekannte Wärmeleitrohre
sein, welche an beiden Enden geschlossen sind und teilweise mit dem
wärmeleitenden
Fluid gefüllt
sind, die einen Verdampfungsbereich innerhalb des metallischen Substrates
und einen sich in einem Abstand davon außerhalb erstreckenden externen
Kondensationsbereich und welcher mit der zirkulierenden Luft in
Kontakt steht, haben. In einer weiteren Wärmetauscherform sind die Leitungen
für das
wärmetransportierende Fluid
mit einem geschlossenen Kreislaufrohrsystem verbunden, das einen
Durchtritt durch den Wärmetauscherbereich
enthält.
In Fällen,
in welchen die Platte in einem Fahrzeug eingebaut ist, um beispielsweise
ein Teil eines Steuer- und Verteilerkasten in einem Automobil zu
bilden, kann ein Abschnitt der Leitung des geschlossenen Kreislaufs
in engem Kontakt mit dem Material des Rahmens oder der Karosserie des
Fahrzeugs stehen, um bei der Wärmeableitung über dieselbe
beizutragen.
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher
aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung ihrer verschiedener
Ausführungsbeispiele
ersichtlich, welche lediglich veranschaulichenden Charakter besitzen
und welche in keinem Falle als den Schutzumfang der Erfindung einschränkend betrachtet
werden sollten.
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Kurzerläuterung
der Zeichnungen
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Die
detaillierte Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
ausgeführt,
in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Leiterplatte mit isoliertem Substratmaterial
mit mehreren Hohlräumen
darstellt, welche für
die Implementation des Kühlsystems
der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist;
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2 einen
Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 einen
Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 und 5 Querschnittsansichten
darstellen, welche unterschiedliche Möglichkeiten der Ausführung der
Hohlräume
darstellen; und
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6 und 7 Querschnittsansichten
unterschiedlicher Arten von Leiterplatten mit isoliertem metallischem
Substrat sind, auf welchen die vorliegende Erfindung implementiert
wurde.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Zuerst
wird gemäß 1 eine
gedruckte Leiterplatte mit einem isolierten metallischen Substrat mit
dem integrierten Kühlsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Die in 1 dargestellte
Leiterplatte ist der einfachste Typ und umfasst ein metallisches
Substrat 10, auf welchem eine elektrisch isolierende Schicht
befestigt und mehrere elektrisch leitende Bahnen auf der elektrisch
isolierenden Schicht 11 befestigt sind. Diese Leiterbahnen
verbinden elektronische Leistungskomponenten 24 miteinander
oder eine Kombination von Leistungskomponenten 24 und Steuerkomponenten 25,
wovon wenigstens einige stark wärmeerzeugend
sind, und diese gekühlt
werden müssen,
um sie in einem geeigneten Temperaturbereich für ihre Funktion zu halten. Die
elektrisch leitenden Bahnen 12 werden im allgemeinen aus
einer auf der Isolationsschicht 11 befestigten Metallschicht
erhalten, die selektiv mittels eines Formungsprozesses, wie zum
Beispiel Ätzen
eliminiert wird. Das Material der Isolationsschicht 11 wird
so ausgewählt,
dass es, obwohl es elektrisch isolierend ist, der bestmögliche Wärmeleiter
ist. Somit wird ein großer
Teil der von den Komponenten 24 erzeugten Wärme auf
das metallische Substrat 10 übertragen, welches typischerweise
eine Aluminiumlegierung ist. Das metallische Substrat 10 enthält oder
steht in engem Kontakt mit mehreren Wärmeleitungskanälen, die
mehrere Leitungen für
ein wärmetransportierendes
Fluid umfassen, die sich aus dem metallischen Substrat heraus bis
zu einem Wärmeübertragungsbereich
bei einem externen Medium erstrecken.
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Dafür umfasst
das metallische Substrat 10 verschiedene Hohlräume 13,
die in einer Richtung angeordnet sind, die im wesentlichen parallel
zu der elektrisch isolierenden Schicht 11 ist. Wenigstens
eines von den Enden von jedem einzelnen der Hohlräume 13 gelangt
in eine Öffnung 14,
die auf wenigstens einem Rand 19 des metallischen Substrates 10 angeordnet
ist. Die Hohlräume 13 sind
bevorzugt Durchgangshohlräume
mit einem runden oder polygonalen Querschnitt, weshalb sie Öffnungen 14 an ihren
zwei Enden besitzen, die an unterschiedlichen gegenüberliegenden
Rändern 19 des
metallischen Substrats 10 angeordnet sind. Unterschiedliche
Möglichkeiten
zum Erzielen der Hohlräume
werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 erläutert.
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2 stellt
ein Ausführungsformbeispiel
der Erfindung dar, in welcher die Leitungen mehrere Leitungen des
wärmetransportierenden
Fluids in engem Kontakt mit den Wänden der Hohlräume 13 sind.
Die Leitungen sind vorteilhafterweise Wärmeleitrohre 20, welche
an beiden Enden geschlossen sind und teilweise mit dem wärmetransportierenden
Fluid gefüllt sind,
mit einem Verdampfungsbereich 21 innerhalb des metallischen
Substrates 10, einem externen Kondensationsbereich 22,
der sich in einem Abstand außerhalb
des metallischen Substrates 10 erstreckt, und welcher mit
der zirkulierenden Luft in Verbindung steht. Dieser Kondensationsbereich 22 kann
mehrere (nicht dargestellte) Rippen enthalten, oder kann mit einer
Wärmeableitungsoberfläche in Kontakt
stehen. Das kondensierte Fluid kehrt durch die Kapillarität und Schwerkraft
durch die Innenwände
des Rohres in den Verdampfungsbereich zurück, weshalb der Bereich 22 gemäß dem in
der Figur dargestellten geneigt ist. Die wiederholten Verdampfungs/Kondensations-Zyklen
des wärmedampftransportierenden
Fluids entziehen Wärme
aus dem metallischen Substrat 10 und übertragen sie an die zirkulierende
Luft.
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3 stellt
ein weiteres Ausführungsformbeispiel
dar, in welchem die Wände
der Hohlräume 13 als
ein Teil der Leitungen für
das wärmetransportierende
Fluid wirken. Dafür
besitzt jeder der Hohlräume 13 ein
geschlossenes Ende 16, während es eine Öffnung 14 auf
nur einem von den Rändern 19 des metallischen
Substrates 10 besitzt. Die Öffnung 14 ist mit
einem Stück
eines Rohres 17 verbunden, das mit einem geschlossenen
distalen Ende 18 versehen ist. Somit bilden der Hohlraum 13 und
das Rohr 17 ein Wär meleitrohr,
in welchem der Hohlraum 13 die Funktionen des Verdampfungsbereiches 21 ausführt und
das Rohrstück 17 die
des Kondensationsbereichs 22 in Kontakt mit der zirkulierenden
Luft. Die Öffnungen 14 weisen
bevorzugt eine Senkungsöffnung 15 für die Aufnahme
der Enden der entsprechenden Stücke
des Rohres 17 auf.
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4 und 5 stellen
einen Querschnitt von 2 unterschiedlichen Möglichkeiten zum Ausführen der
Hohlräume 13 dar.
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In
der Variante in 4 wird das metallische Substrat 10 durch
zwei Schichten 10a, 10b gebildet, welche beispielsweise
mittels einer Kleberschicht 28 oder durch Verschweißung verbunden
sind. Jeder von den Hohlräumen 13 wird
durch das Nebeneinanderlegen von zwei Halbhohlräumen 13a, 13b gebildet,
die jeweils auf einer der Schichten 10a, 10b des metallischen
Substrates 10 ausgebildet. Wenn die Hohlräume 13 die
Form paralleler Durchtrittslöcher besitzen,
nehmen die Halbhohlräume 13a, 13b die Form
paralleler Schlitze an, die auf den entsprechenden Oberflächen der
Schichten 10a, 10b des metallischen Substrates 10 ausgebildet
sind und leicht durch Extrusion, durch maschinelle Bearbeitung oder Formung
erzielt werden können.
Diese Ausführungsform
ist in gleicher Weise zu der Implementation von Wärmeleitrohren 20 in
engen Kontakt mit den Wänden
der Hohlräume 13 gemäß dem Ausführungsformbeispiel
in 2 als auch zu der Anwendung der Wände der
Hohlräume 13 als
ein Teil der Wärmeleitrohre 17 gemäß dem Ausführungsformbeispiel
in 3 kompatibel, obwohl für diesen letzteren Falle das
Erzielen der Halbholräume 13a, 13b durch
Extrusion nicht möglich
wäre.
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In
der Variante in 5 sind die Hohlräume 13 parallel
zueinander und besitzen eine Längsöffnung 29 entlang
ihres gesamten Verlaufs, welcher sich auf einer Seite des metallischen
Substrates 10 gegenüber
dessen Seite öffnet,
auf welcher die elektrisch isolierende Schicht 11 und die
elektroleitenden Bahnen 20 befestigt sind, so dass das
metallische Substrat 10 eine offene Querschnittsprofilform
besitzt, die sehr geeignet ist, dass sie leicht mittels Extrusion
erzielt wird. Diese Ausführungsform
ermöglicht
jedoch nur die Implementation von Wärmeleitrohren 20 in
engem Kontakt mit den Wänden
der Hohlräume 13 gemäß dem Ausführungsformbeispiel in 2.
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6 und 7 stellen
unterschiedliche Typen von Leiterplatten mit einem isolierten metallischen
Substrat dar, das für
die Aufnahme des Kühlsystems
der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
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Die
Leiterplatte in 6 weist ein metallisches Substrat 10 auf
einer Seite auf, auf welcher mehrere abwechselnde Schichten eines
elektrisch isolierenden Materials 10 und elektrisch leitende Bahnen 12 angeordnet
sind. Die Leiterplatte in 7 umfasst
ein metallisches Substrat 10 auf dessen beiden Seiten mehrere
abwechselnde Schichten elektrisch isolierendes Material und elektrisch
leitende Bahnen 12 angeordnet sind. In der Leiterplatte
in 6 sowie in der in 7 ist das
metallische Substrat mit Hohlräumen 13 versehen,
welche beliebige von den Leitungsvarianten für ein wärmetransportierendes Fluid
der vorliegenden Erfindung, gemäß dem was
vorstehend beschrieben wurde, aufnehmen können.
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Ein
Fachmann auf diesem Gebiet kann mehrere Varianten beitragen, ohne
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu ändern, deren Schutzumfang durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert ist.