DE69109624T2

DE69109624T2 - Herstellungsverfahren einer elektronischen Karte mit Wärmeabführung.

Info

Publication number: DE69109624T2
Application number: DE69109624T
Authority: DE
Inventors: Michel Besanger
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1991-10-29
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: CA2054926A1; EP0485308B1; DE69109624D1; EP0485308A1; AU8773291A; JPH04299600A; AU645371B2; US5208733A; FR2669178B1; ES2074684T3; KR920011310A; FR2669178A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit gedruckten Schaltkreisen und ein- oder beidseitig montierten elektronischen Bauelementen, die mit einem Kühlkörper ausgerüstet ist.
Elektronische Bauelemente sind nicht in der Lage, hohen Temperaturen von beispielsweise mehr als 150º standzuhalten, und solche Temperaturen werden schnell erreicht, wenn die von den Bauelementen erzeugte Wärme nicht abgeführt wird. Das Problem der Kühlung der Bauelemente wird noch dadurch erschwert, daß eine große Anzahl von Bauteilen auf einer Isolierstoff-Leiterplatte zusammengefaßt und diese Leiterplatten häufig in dicht verschlossene und an schlecht belüfteten Orten aufgestellte Gehäuse eingebaut werden. Normalerweise wird eine konvektive Kühlung der Gehäuse oder der Leiterplatten selbst vorgenommen, wobei ein Zwangsluftstrom oder eine umlaufende Kühlflüssigkeit zur Abführung der Wärmeenergie eingesetzt werden. Solche Systeme erfordern den Einsatz eines Ventilators oder einer Pumpe, die keine hundertprozentige Zuverlässigkeit bieten und die Gefahr von Ausfällen oder Leckagen sowie andere Beeinträchtigungen mit sich bringen.
Bei einem bekannten System zur Kühlung von Leiterplatten wird eine in die Leiterplatte integrierte Kühlanordnung verwendet. Diese in Form einer Metallplatte ausgeführte Kühlanordnung bringt große Probleme hinsichtlich der elektrischen Isolation sowie der Herstellung einer guten thermischen Verbindung zwischen den zu kühlenden Bauteilgehäusen mit sich. Ein solches System ist kompliziert und wenig wirksam.
In der Druckschrift DE-A- 1 913 679 wird ein Kühlkörper in Form einer Metallplatte beschrieben, die parallel zur Leiterplatte angeordnet und mit einer Kunststoffolie überzogen ist, deren Wärmeleitfähigkeit besser ist als die von Luft. Durch eine Annäherung von Leiterplatte und Metallplatte dringen die Bauelemente teilweise in die Kunststoffolie ein, so daß ein direkter thermischer Übergang zwischen den einzelnen Bauteilen und der Metallplatte entsteht.
In der Druckschrift EP-0 340 520 wird eine andere Ausführungsvariante eines solchen Kühlkörpers mit Bildung eines direkten thermischen Übergangs zwischen jedem Bauelement und der Metallplatte beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaffung einer Leiterplatte mit einem besonders einfachen und wirksamen statischen Kühlkörper zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 erfüllt.
Durch Evakuierung der Umhüllung legt sich diese um die Leiterplatte und die Bauteile, wobei sie sich an die Konturen anschmiegt. Dieses Anschmiegen wird durch das Eingießen des flüssigen Silikons in eine zuvor auf die Leiterplatte aufgesetzte Form noch verstärkt. Dabei ist es besonders einfach, die Leiterplatte in eine horizontale Lage zu bringen und anschließend eine die Bauteile umgebende rahmenförmige Gießform auf die Platte aufzusetzen. Auf diese Weise wird nur die mit Bauteilen bestückte Seite der Leiterplatte mit Silikon vergossen, und die freie Seite dieser Silikonschicht bleibt vollkommen eben und waagerecht, so daß über die gesamte Oberfläche ein guter Kontakt mit der Kühlkörper-Metallplatte gewährleistet ist, die vorteilhaft nach dem Entfernen des Formrahmens montiert wird. Anschließend muß lediglich der Überstand der Isolierfolie, hier einer Polypropylenfolie, entfernt werden, um an die elektrischen Anschlüsse der Leiterplatte zu gelangen. Die Kühlkörper-Metallplatte besteht vorteilhaft aus Aluminium oder Kupfer oder auch aus jedem anderen Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, und ihre Abmessungen, insbesondere ihre Dicke sind so bemessen, daß eine ausreichende Wärmeleitung gewährleistet ist.
Die in Einfach- oder Doppel-Format verwendeten Leiterplatten sowie die elektronischen Bauelemente sind standardmäßig ausgeführt, wobei keinerlei besondere Vorkehrungen erforderlich sind und die Polypropylen-Isolierfolie eine mechanische und elektrische Trennung zwischen der Leiterplatte und den aus der Paste und der Metallplatte bestehenden Kuhlkörpern gewährleistet.
Die Kühlkörper-Metallplatte ist in einem bestimmten Abstand von der Leiterplatte mit den elektrischen Schaltkreisen angeordnet, und der thermische Kontakt zwischen den elektronischen Bauteilen unterschiedlicher Größe ist durch die umgebende, den Raum zwischen den Bauteilen und der Metallplatte ausfüllende Silikonpaste gewährleistet. Zwischen den Metallplatten selbst und den, insbesondere mit Führungsnuten zur Aufnahme der Metallplattenränder versehenen Gehäusewänden besteht ein gute thermische Verbindung. Es ist leicht verständlich, daß die von den Bauteilen erzeugte Wärme über die leitende Paste auf die Metallplatte und das Gehäuse übertragen wird. Die Paste schmiegt sich dabei an die Konturen der Bauteilgehäuse an und gewährleistet so den Kontakt mit sämtlichen Oberflächen dieser Bauteilgehäuse.
Die beispielsweise als Polypropylenfolie mit geringer Dicke ausgeführte Kunststoffolie gewährleistet zum einen eine elektrische Isolation zwischen der Paste und den auf der Leiterplatte vorhandenen Schaltungen und zum anderen eine mechanische Trennung, die ein Abziehen der Paste von den Bauteilen vereinfacht, um für Reparaturen oder sonstige Eingriffe an die Karte zu gelangen. Dieses Abziehen wird durch die Verformbarkeit der Paste erleichtert.
Die Paste besteht vorteilhaft aus Silikonharz, das mit Aluminiurnnitrid oder Aluminiumoxyd versetzt ist, wobei die Gewichtsanteile des Aluminiumnitrids zwischen 10 und 80%, vorzugsweise zwischen 50 und 70% liegen. Das Silikonharz wird im flüssigen Zustand eingegossen und bietet den großen Vorteil einer Kaltvernetzung, so daß jegliche Erwärmung der auf der Leiterplatte montierten Bauelemente vermieden wird. Nach der Vernetzung behält das Harz eine ausreichende Plastizität, gewährleistet jedoch gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Es ist möglich, die gleiche Kühlkörper-Metallplatte mehreren Leiterplatten zuzuordnen, wobei diese Leiterplatten auf einer oder auf beiden Seiten der Metallplatte angeordnet sein können und ihre Anzahl nur durch die Wärmeleitfähigkeit der Metallplatte beschränkt ist. Es können beiden Seiten der Leiterplatte behandelt, insbesondere je einer Kühlkörperplatte zugeordnet sein.
Die Kühlkörperplatte gewährleistet vorteilhaft die mechanische Abstützung der Leiterplatte, wobei diese einfach über einen Steckverbinder mit dem feststehenden Teil des Gehäuses verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Elektronikgehäuses zur besseren Verständlichkeit der Erfindung;
Fig. 2 die vergrößerte Darstellung eines Details aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II aus Fig. 2;
Fig. 4 bis 6 verschiedene Phasen beim Anbringen des Kühlkörpers auf der Leiterplatte.
Die Figuren zeigen mehrere Leiterplatten 10 in einem annähernd kastenförmigen Gehäuse 11 mit Metallwänden 12. Jede aus Isolierstoff bestehende Leiterplatte 10 umfaßt eine gedruckte Schaltung (nicht dargestellt) und ist mit an diese gedruckte Schaltung angeschlossenen Bauelementen 13 bestückt. Die standardmäßig in Einfach- oder Doppelformat ausgeführten Leiterplatten 10 weisen an einer Seite einen unter Fachleuten gut bekannten Steckverbinder 14 in Form einer Klemmleiste auf. Jeder Leiterplatte 10 ist eine, insbesondere aus Aluminium bestehende Metallplatte 15 zugeordnet, die parallel zur Leiterplatte 10 angeordnet ist, so daß die beiden Platten die Bauelemente 13 umgeben. Der Raum zwischen der Leiterplatte 10 und der Metallplatte 15 ist mit einer Paste 16 ausgefüllt, deren Wärmeleitfähigkeit besser ist als die von Luft. Die Paste 16 und die Metallplatte 15 bilden Kühlkörper zur Abfuhr der von den Bauelementen 13 erzeugten Wärmeenergie durch Wärmeleitung. Die Metallplatte 15 weist an zwei Seiten Ränder 17 auf, die die Leiterplatte 10 überragen und in als Gleitschienen ausgeführte, in die Wand 12 des Gehäuses 11 eingearbeitete Nuten 18 eingeschoben werden. Ein in die Nut 18 eingesetztes thermisches Verbindungselement 19 gewährleistet eine gute mechanische und thermische Verbindung zwischen den Rändern 17 und der Wand der Nut 18. Die Paste 16 besteht vorteilhaft aus kaltvergossenem, mit hydriertem Aluminiumoxyd oder Aluminiumnitrid versetztem Silikonharz, wobei die Gewichtsanteile des Aluminiumnitrids zwischen 10 und 80%, vorzugsweise zwischen 50 und 70% liegen. Die Gewichtsanteile des hydrierten Aluminiumoxyds liegen zwischen 50 und 80%. Der direkte Kontakt zwischen der Paste 16 und den Bauelementen 13 bzw. der Leiterplatte 10 ist durch eine zwischengefügte biegsame Kunststoffolie 20 unterbrochen, mit der die Bauelemente 13 und die Leiterplatte 10 überzogen werden. Diese, insbesondere aus Polypropylen bestehende Kunststoffolie mit einer Dicke von einigen Mikrometern erhöht die dielektrische Festigkeit und erleichtert auf die nachstehend beschriebene Art und Weise das Abziehen der Paste 16, um Eingriffe an der Leiterplatte 10 vornehmen zu können.
Zwischen annähernd der gesamten Gehäuseoberfläche der einzelnen Bauelemente 13 und der Kühlpaste 16 besteht ein direkter Kontakt, da das Vorhandensein der Polypropylenfolie vernachlässigt werden kann. Die durch die Bauteile 13 erzeugte Wärme wird über die Paste 16 und die Metallplatte 15 zur Wand 12 des Gehäuses 11 abgeleitet, 50 daß eine unzulässige Erwärmung der Bauelemente 13 der Leiterplatte 10 verhindert wird. Diese Art der Kühlung ist vollkommen statisch und zuverlässig.
Die Wand 12 des Gehäuses 11 kann einen wirksamen Abstrahlungskörper bilden, sofern dieses Gehäuse einer ausreichend niedrigen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Häufig ist es jedoch erforderlich, dieses Gehäuse 11 zu kühlen, und aus Fig. 1 geht insbesondere hervor, daß an zwei Seiten 12 des Gehäuses 11 gut mit der Wand 12 verbundene Kühlplatten 21 angebracht sind. Selbstverständlich können auch alle Seitenwände mit Kühlplatten versehen sein. In die Kühlplatten 21 sind Kanäle (nicht dargestellt) zur Wasserzirkulation eingearbeitet, die zur Oberseite hin mit einem Leitungssystem 22 verbunden sind, durch welches das Wasser zu einer Kältequelle oder einem Kühlaggregat 23 strömt. Die Unterseite der Kühlplatten 21 ist auf analoge Art und Weise über ein Leitungssystem 24 ebenfalls mit dem Kühlaggregat 24 verbunden, das an einem höheren und kälteren Ort aufgestellt ist als das Gehäuse 11. Es ist ersichtlich, daß das Kühlaggregat 23, die Leitungssysteme 22, 24 und die Kühlplatten 21 ein Kühlsystem mit einphasigem natürlichem Wärmeumlauf bilden, mit dessen Hilfe die Wärmeenergie des Gehäuses 11 an die Umgebung abgegeben werden kann. Dieses System ist ausgesprochen einfach und benötigt keinerlei Pumpe, wobei jeder Kontakt zwischen dem Kühlkreislauf 21 und dem elektrischen Teil ausgeschlossen ist.
Die kombinierte Kühlung durch Wärmeleitung über die aus der Kühlpaste 16 und der Metallplatte 15 bestehenden Kühlkörper zum Gehäuse 11 und das mit natürlichem Wärmeumlauf arbeitende konvektive Kühlsystem des Gehäuses erfüllt nahezu alle Anforderungen. Die Metallplatten 15 können als Träger für die Leiterplatten 10 ausgebildet sein, und die durch die Paste 16 gebildete Verbindung kann durch jedes geeignete Mittel, insbesondere durch Schrauben verstärkt werden, falls sie sich als unzureichend erweist. Die Anordnung der Leiterplatten 10 im Gehäuse 11 ist beliebig, und der Metallplatte 15 kann eine auf ihrer gegenüberliegenden Seite montierte zweite Leiterplatte 10 zugeordnet sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehrere Leiterplatten 10 auf der gleichen Metallplatte 15 nebeneinander zu montieren, wenn diese Leiterplatten selbst geringere Abmessungen aufweisen oder einer entsprechend größeren Metallplatte 15 zugeordnet sind.
Die Verbindung der Kühlkörper-Metallplatte 15 mit der Leiterplatte 10 wird vorteilhaft auf die nachstehend beschriebene und in Fig. 4 bis 6 dargestellte Art und Weise ausgeführt.
Die mit ihren Bauelementen bestückte Standard-Leiterplatte 10 wird in einen Beutel bzw. eine Umhüllung eingeführt, die aus einer, insbesondere aus Polypropylen gefertigten biegsamen Folie besteht. Nach dem Verschließen der Umhüllung wird diese evakuiert, so daß sich die Kunststoffolie 25 fest um die Bauelemente 13 der Leiterplatte 10 legt. Anschließend wird diese mit der Polypropylenfolie 25 überzogene Leiterplatte 10 auf eine waagerechte Unterlage gelegt und auf ihrer Gegenseite ein Rahmen 26 aufgesetzt, der die gesamten Bauelemente 13 umgibt. Es muß dann lediglich das flüssige Harz 27 in die Form 26 gegossen und diese Form ausreichend gefüllt werden, um sämtliche Bauelemente 13 abzudecken. Das Vergießen erfolgt im kalten Zustand, und das Harz, im vorliegenden Fall Silikonharz, ist kaltvernetzend, so daß nach Ablauf einer bestimmten Zeit von beispielsweise ein oder zwei Tagen eine elastische Paste 16 entsteht, die sich vollständig an die Konturen der Bauteile 13 und der Leiterplatte 10 anschmiegt. Der Steckverbinder 14 wird vorteilhafterweise außerhalb des Formrahmens 26 angeordnet, um seine Zugänglichkeit nach dem Entfernen des Überstands der Polypropylenfolie 25 zu ermöglichen. Nach dem Abnehmen der Form 26 und Entfernung des Überstands der Polpropylenfolie 25 muß die Kühlkörper-Metallplatte 15 lediglich auf der freien Seite der Paste 16 montiert werden, um eine komplette Einheit aus Leiterplatte und zugehörigem Kühlkörper zu erhalten. Die Paste 16 bleibt ausreichend elastisch, um gegebenenfalls nach dem Abschrauben der Metallplatte 15 von der Leiterplatte 10 und den Bauelementen 13 abgezogen zu werden, wobei die Trennung durch das Vorhandensein der Polypropylenfolie 20 erleichtert wird. Es können auch andere Gießverfahren, insbesondere eine Einspritzung, oder andere Harze, die nach der Vernetzung eine gewisse Elastizität behalten, sowie andere Harzzusätze verwendet werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene besondere Ausführungsform beschränkt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit gedruckten Schaltkreisen und elektronischen Bauelementen (13), die mit einem Kühlkörper (15) ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Bauelementen (13) bestückte Leiterplatte (10) in eine aus einer Kunststoffolie bestehende Umhüllung (25) eingeführt wird und die Kunststoffolie sich durch Evakuierung der Umhüllung anschließend um die Bauelemente legt, daß eine Paste (16) mit guter Wärmeleitfähigkeit auf die Kunststoffolie gegossen und abschließend eine Metallplatte (15) zur Bildung des genannten Kühlkörpers auf der genannten Paste (16) angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form (26) auf die Leiterplatte aufgesetzt, die genannte kaltvernetzende Paste (16) in flüssigem Zustand (27) in die Form gegossen und diese nach der Vernetzung entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht von der genannten Paste (16) bedeckte Teil der Kunststofffolie entfernt wird, um den Zugang zum Steckverbinder (14) der Leiterplatte zu ermöglichen.