DE8114325U1

DE8114325U1 - Wärmeableitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE8114325U1
Application number: DE19818114325
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1981-05-14
Publication date: 1982-09-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeableitungsvorrichtung für gehäuselos auf Mehrlagenleiterplatten montierte elektronische Bauteile mit hoher Verlustleistung.

Im Rahmen der Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise und zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von elektronischen Einbausystemen werden auf mehrlagigen Leiterplatten die großintegrierten Bausteine in geringem Abstand gehäuselos montiert.

Die beim Betrieb der integrierten Schaltkreise als Wärme freiwerdende Verlustleistung muß über geeignete Wärmeableitungssysteme abgeführt werden, wobei wegen der hohen Packungsdichte der Bauelemente die Verlustleistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Systemen beträchtlich gestiegen ist.

Die bisher üblichen Verfahren der Wärmeabfuhr beruhen darauf, daß die integrierten Schaltkreise in geschlossenen Gehäusen aus gut wärmeleitenden Materialien montiert sind, so daß die im Chip entstehende Verlustwärme durch

Wärmeleitung an die Gehäuseoberfläche transportiert und von hier durch vorbeiströmende Kühlluft durch Eigen- oder Zwangskonvektion an die Umgebung abgeführt wird, wobei durch die bisher übliche Befestigungsart der Gehäuse in den Trägerplatten durch Einlöten der Bausteinpins .. . eine zusätzliche Wärmeverteilung gegeben ist.

Weiterhin kann durch zusätzliches Aufbringen eines großflächigen Kühlkörpers auf die im Luftstrom liegende Gehäuseseite eine weitere Vergrößerung der wärmeabgebenden Zk 1 Pdl/15. 4. ,1981_kiii> „

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Fläche und damit eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr erzielt werden.

Bei einer Montagetechnik, bei der die integrierten Schaltkreise auf die Trägerplatte ohne Gehäuse unmittelbar aufgebracht sind, ist eine wie oben beschriebene Abfuhr der Verlustwärme an vorbeiströmende Kühlluft nicht mehr ohne weiteres möglich, da bei Einbausystemen mit hoher Packungsund Verlustleistungsdichte ein direktes Anblasen der HaIbieiterchips - auch mit hohen Luftgeseirwindigkeiten - wegen der nur kleinen wirksamen wärmeabgebenden Fläche keine hohe wärmetechnische Effektivität besitzt und es aufgrund der mechanischen Beanspruchung und der hohen Verschmutzungsgefahr leicht zu einer Beeinträchtigung der Funktions- fähigkeit oder völligen Zerstörung der Bauelemente kommen kann.

Auch die Montage eines JCühlkörpers auf die Halbleiter-Rückseite ist au. s mechanischen Gründen nicht möglich und würde zudem den aus Prüfzwecken notwendigen freien Zugang zu den Bauteileanschlüssen wesentlich erschweren oder fast unmöglich machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirksame Wärmeableitungsvorrichtung für mit gehäuselosen elektrischen Bausteinen bestückten Leiterplatten zu schaffen, wobei Zugänglichkeit zu den Bausteinen im Rechnerbetrieb gewähr- ** Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die Warmeableitungsvorrichtung derart ausgebildet, daß die integrierten Bauteile über eine gut wärmeleitende Schicht auf der Mehrlagenleiterplatte montiert sind, und daß unterhalb dieser Schicht mindestens eine Wärmeleitbohrung vorgesehen ist, die gut wärmeleitendes Material enthält, daß auf der gegenüberliegenden Seite d.er Mehrlagenleiterplatte mit einer Wärmeleitfläche verbunden ist.
** leistet sein soll.

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Durch diese Maßnahmen erhält man eine Wärmeableitungsvorrichtung für Leiterplatten mit Bau- ' teilen, die einen .guten . Transport der Verlustwärme auf die bausteinabgewandte Leiterplattenseite ermöglicht, so daß die Wärmeableitungsvorrichtung mit großer Effektivität und mit geringem konstruktiven Aufwand ermöglicht wird.

Die gut wärmeleitende Schicht kann dabei ein Wärmeleit-1Q klebender eine Wärmeleitplatte sein, während die Wärmeleitfläche aus einer massiven Kupferkaschierung bestehen kann.

Zur Erhöhung der Effektivität des Wärmeableitvorganges können in die Wärmeleitbohrungen Stifte aus gut wärmeleitendem Material eingesetzt werden, die mit der Wärmeleitfläche auf der gegenüberliegenden Leiterplattenseite kontaktiert sind. Dabei können diese Stifte auch über die Wärmeleitfläche hinausragen, wodurch ein zusätzlicher Kühleffekt durch das vorbeistreichende Gas erreicht wird.

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich dann, wenn als Wärmeleitbohrungen aus der elektrischen Verdrahtung der Mehrlagenleiterplatte herausgelöste Durchkontaktierungen verwendet werden. Diese Durchkon¹-taktierungen können zur Verbesserung der Wärmeableitung mit gut wärmeleitendem Material, wie z. B. eine Zinn-Blei-Legierung ausgegossen oder mit einer dicken Cu-Metallisierung versehen sein.

Zur Erreichung eines zusätzlichen Kühleffektes kann die den integrierten Bauteilen·abgewandte Seite der Mehrlagenleiterplatte von einem flüssigen Kühlmedium umspült werden.
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Eine besonders gute Wärmeableitung erhält man dann, wenn

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auf der Wärmeleitflache zusätzlich mit Kühlrippen versehene Kühlkörper aufgebracht sind, an denen Kühlluft vorbeigeführt wird.

5 Anhand der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1. bis j 6 wird die Erfindung näher erläutert.

' Es zeigen:

p Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer mit großintegrierten 10 Bauteilen bestückten Leiterplatte, bei der in den

Wärmeleitbohrungen Stifte eingeführt sind, Fig. 2 eine Anordnung nach Fig. 1, bei der die Stifte

über die Wärmeleitflache hinausragen, Fig. 3 eine Leiterplatte, bei der sowieso vorhandene Durchkontaktierungen als Wärmeableitbohrungen

verwendet werden,

Fig. 4 eine Anordnung nach Fig. 3> bei der die Durchkontaktierungen mit gut wärmeleitendem Material ausgefüllt sind,

Fig. 5 eine Anordnung nach Fig. 3 oder Fig. 4, an deren Unterseite Kühlflüssigkeit vorbeigeführt wird,
Fig. 6 eine Anordnung nach den vorhergehenden Figuren 1 bis 4, die auf der Unterseite zusätzliche Kühlrippen enthält.

der-Zur Fortleitung der/auf dem Chip integrierten Bausteine 1, kurz Chip genannt, entstehenden Verlustwärme wird dieser gut wärmeleitend (z. B. mittels Wärmeleitkleber oder Wärmeleitplatte 2 auf der Trägerplatte 3 befestigt.

Die Trägerplatte 3 enthält - je nach Höhe der Verlustleistung und je nach zur Verfügung stehendem Einbauraum bzw. gegebenen Verdrahtungsverhältnissen auf den einzelnen Lagen der Trägerplatte - eine oder mehrere verschiedenartig ausgebildete Wärmeleitbohrungen 10,

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die zum Wärmetransport auf die bausteinabgewandte Leiterplattenseite dienen..

. In Abhängigkeit von den obengenannten Parametern können die Wärmeleitbohrungen durch einen oder mehrere in die Leiterplatte 3 eingesetzte massive, gut wärmeleitende Stifte 4 erstellt werden, die mit der Trägerplatte bündig abschließen und mit einer gut wärmeleitenden massiven Kupferkaschierung 9 verbunden sind (Fig. 1). Zur weiteren Verbesserung des konvektiven Wärmeübergangs auf der bauteileabgewandten Baugruppenseite können die Stifte 5 auch überstehend ausgebildet werden (Fig. 2),

Eine andere Variante besteht darin, daß die in einem bestimmten Rasterfeld unter dem Baustein 1 angeordneten totalen Durchkontaktierungen 6 aus der elektrischen Verdrahtung der übrigen Leiterplatte herausgelöst werden und den Wärmetransport auf die Kühlseite übernehmen.

Dazu kann beim Herstellen der Leiterplatte der Kupferauftrag 7 in den Wärmeleitbohrungen durch entsprechende galvanische Prozesse so weit verstärkt werden, daß eine ausreichend gute Wärmeleitung ermöglicht wird (Fig. 3).

Ein zusätzliches Füllen der noeh_ .offenen Durchkontakt ierungen mit einem gut wärmeleitenden Mittel, z. B. einer Zinn-Blei-Legierung,, führt zu einer weiteren Reduzierung des Temperaturabfalles in der Leiterplatte (Fig. 4).

Auf der bauteileabgewandten Baugruppenseite ist in allen Beispielen eine möglichst dicke durchgehende Kupferkaschierung 9 aufgebracht, die eine gute Wärmeverteilung von den Wärmeleitbohrungen auf eine große Kühlfläche ermöglicht.

Die weitere Wärmeabfuhr kann durch herkömmliche Verfahren realisiert werden, z. B. durch direkte Bespülung

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der abgedichteten Leiterplatte mit einem flüssigen Kühlmedium (Fig. 5) oder mittels Luftkühlung eines aufgesetzten Kühlkörpers (Fig. 6)

9 Patentansprüche
6 Figuren

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Zusammenfassung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeableitungsvorrichtung für gehäuselos auf Mehrlagenleiterplatten 3 montierte .. elektronische Bauteile 1 mit hoher Verlustleistung/f ßelm Betrieb der integrierten Schaltkreise als Wärme frei werdende Verlustleistung· muß über geeignete Wärmeabieitungssysteme abgeführt werden, wobei wegen der hohen Packungsdichte der Bauelemente die Verlustleistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Systemen beträchtlich gestiegen ist . Die Erfindung sieht hierzu vor, daß die integrierten Bauteile 1 über eine gut'wärmeleitende Schicht 2 auf Mehr]agenleiterplatten 3 montiert sind und daß unterhalb dieser Schicht 2 mindestens eine Wärmeleitbohrung vorgesehen ist, die gut wärmeleitendes Material 4, 7, 8 enthält, das auf der entgegengesetzten Seite der Mehrlagenleiterplatte 3 mit einer Wärmeleitfläche 9 verbunden ist. Die erfindungsgemäße Wärmeableitungsvorrichtung ist insbesondere bei mit großintegrierten Bauteilen versehenen Leiterplatten der Datentechnik geeignet (Fig. 1).

Claims

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1. Wärmeableitungsvorrichtung für gehäuselos auf Mehrlagenleiterplatten montierte elektronische Bauteile mit hoher Verlustleisttongsdichte, dadurch ge -^ kennzeichnet, daß die integrierten Bauteile (1) über eine gut wärmeleitende Schicht (2) auf der Mehrlagenleiterplatte (3) montiert sind, und daß unterhalt» dieser Schicht (2) mindestens eine Wärmeleitbohrung (10) vorgesehen ist, die gut wärmeleitendes Material (4, 7, 8) enthält, daß auf der gegenüberliegenden Seite die Mehrlagenleiterplatte (3) mit einer Wänueleitflache (9) verbunden ist.

2. Wärmeableitungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Schicht (2) ein Wärmeleitkleber- oder eine Wärmeleitplatte ist.

3. Wärmeableitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfläche (9) eine massive Kupferkaschierung ist.

4. Wärmeableitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmeleitbohrungen (10) Stifte (4) aus gut wärmeleitendem Material eingesetzt sind, die mit der Wärmeleitfläche (9) verbunden sind.

5. Wärmeableitungsvorrichtung nach Anspruch 4, d a -

durch gekennzeichnet, daß die Stifte (4) über die Wärmeleitfläche (9) hinausragen.

6. Wä-rmeableitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d'u'r. c h gekennzeichnet,

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daß die Wärmeleitbohrungen (10) aus der elektrischen Verdrahtung der Mehrlagenleiterplatte (3) herausgelöste Durchkontaktierungen sind.

7. Wärmeableittjngsvorrichtung nach Anspruch 6, d a durch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungen mit einem gut wärmeleitendem Material, z. B. einer Zinn-Blei-Legierung ausgegossen sind.

8. Vfärmeableitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den integrierten Bauteilen (1) abgewandte abgedichtete Seite der Mehrlagenleiterplatte (3) von einem flüssigen Kühlmedium (14) umspült ist.

9. Wärmeableitungsvorrichtung nach einem der Patentan- - sprüche"1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Wärmeleitfläche (9) ein mit Kühlrippen (12) versehener Kühlkörper (11) aufgebracht ist, an dem Kühlluft (13) vorbeigeführt wird.