Beschreibung
IC-Bauelement mit Kuhlanordnung
Die Erfindung betrifft ein IC-Bauelement mit Kuhlanordnung, die in Form eines Kühlkörper aufweisenden Elektronikgehauses ausgebildet ist, insbesondere für den Automobilbereich.
Ein IC-Baustein, also ein elektronischer Schaltungstrager, welcher keinen integrierten Kühlkörper aufweist, wird aufgrund der Anforderungen bei extremen Betriebszustanden einer für ihn nicht spezifizierten und unzulässigen Erwärmung ausgesetzt. Die unzulässige Erwärmung wird durch die Umgebungsbedingungen, also z. B. durch den Einbauort und durch die Ei- generwarmung seiner eigenen Verlustleistung erreicht. Die
Zeitspanne, in der die Temperaturerhöhung am IC-Baustein anliegt, ist normalerweise im Minutenbereich. Aus diesem Grund wird eine Losung gesucht, die für diesen kurzen Zeitraum die interne Warme vom elektronischen Schaltungstrager wegleitet bzw. die externe Warme abhält. Die Ursache dafür, dass die
Warme mit zusatzlichem Aufwand weggeleitet werden muss, liegt darin, dass der IC-Baustein von Epoxidharz mit Glasfaser und Luft umgeben ist und alle genannten Komponenten schlechte Wärmeleiter sind. Auch wenn zwischen Gehäuse und Leiterplatte Warmeleitpaste, Warmeleitfolie oder ahnliches zur Luftver- drangung aufgebracht wird, hat die Leiterplatte selbst isolierende Wirkung und transportiert die Warme nur sehr schlecht weiter. Der Warmefluss in die Breite, also in X- und Y-Richtung unterhalb des Schaltungstragers ist sogar noch schlechter als durch die Leiterplatte selbst (Z-Richtung) .
Es werden zur Zeit verschiedene Losungswege beschriften, die Uberhitzung des elektronischen Schaltungstragers abzuwenden.
Eine einfache, noch kostengünstige, aber hinsichtlich der
Warmeleitung nicht sehr leistungsfähige Losung sind Kupfer- rohrchen (Heatsinkvias) . Diese Kupferrohrchen sind unter dem IC-Baustein durch die Leiterplatte positioniert und leiten
bis zu einem gewissen Grad die Warme vom IC-Baustein-Boden auf die Unterseite der Leiterplatte weiter. Von hier wird die Wärmeenergie mittels Warmeleitpaste, Warmeleitfolie oder anderen Luftspaltschließern an das Gehäuse abgegeben. Mittels durch Siebdruck aufgebrachter Lotpaste werden beim Lotprozess der IC-Kuhlkorper mit der Leiterplatte und den Kupferrohrchen thermisch gut verbunden. Dieses Konzept bietet auf einfache Weise und ohne zusatzlichen Fertigungsaufwand die Möglichkeit bis zu einem gewissen Grad in geringem Umfang die auftreten- den Temperaturspitzen bzw. Ubertemperaturen abzufedern.
Eine aufwendigere Möglichkeit ist der Einsatz von Metallkernen in der Leiterplatte im Bereich des elektronischen Schal- tungstragers . Der Metallkern wird in den meisten Fallen aus einem leiterplattendicken Kupferblech gestanzt. Zudem wird in der Leiterplatte eine Aussparung in Form des Metallkerns eingebracht. Der Metallkern wird mittels Presssitz vom Leiterplattenhersteller flachengleich (bundig) in die Leiterplatte eingebettet. Durch diese große Kupfermasse kann relativ schnell viel Warme durch die Leiterplattendicke vom IC- Baustein über die Warmeleitpaste bzw. Warmeleitfolie zum Gehäuse wegtransportiert werden. Das Gehäuse hat idealerweise gute Warmeleiteigenschaften und ist mit Kuhlrippen ausgestattet. Die Basis dieser Metallinlay-Losung besteht darin, dass der IC-Baustein über seinen integrierten Kühlkörper mit der
Leiterplatte verlotet wird. Dadurch erhalt er eine ideale Anbindung zum Kupferkern, um die Warme weiterzuleiten. Zwischen der Unterseite des Metallkerns und der Leiterplatte ist ein geringer Absatz. Ein größerer Absatz ist zwischen der Ober- seite des Metallkerns und der Leiterplatte angeordnet. Der dadurch zwischen IC-Kuhlkorper und Metallinlay entstehende Spalt wird durch die mittels Siebdruck aufgebrachte Lotpaste ausgeglichen. Beim Lotprozess entsteht dann die feste Verbindung.
Eine der konstruktiv sowie fertigungstechnisch und finanziell aufwendigsten Möglichkeiten, die Warme über die IC- Bauteiloberseite abzuführen, besteht darin, elastisch-
plastische, nicht komprimierbare Warmeleitkissen (GAP-Pads) zu verwenden. Da dieses Kissen nur bis zu 25% verformt werden sollte und in diesem Fall mit einem Einbau- und Toleranzband des Einsatzortes mit ca. lmm gerechnet werden muss, wird es mit einer Dicke von ca. 4mm ausgelegt. Dies wiederum erfordert, dass dieser Bauraum vorhanden ist und die entstehenden Kräfte beim Umformen des Warmeleitkissens wahrend der Montage von Leiterplatte und Deckel aufgenommen werden können, und die Leiterplatte nicht zu stark verspannt bzw. durchgebogen wird. Dies konnte sonst zur Zerstörung anderer elektronischer Bauteile, wie z. B. keramischer Kondensatoren fuhren.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kuhlanordnung für IC-Bauelemente mit einem möglichst einfach durchzuführenden Montageprozess mit wenig Bauteilen zu schaffen, die eine effiziente, direkte Kühlung am IC-Bauelement ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Kuhlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelost. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildung, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhangigen Ansprüche .
Die erfindungsgemaße Kuhlanordnung für IC-Bauelemente, die in Form eines Kühlkörper (z. B. Kuhlrippen, Kuhldorne) aufweisenden Elektronikgehauses ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das IC-Bauelement direkt an den Kühlkörper im Elektronikgehause angeordnet ist. Dazu wird die um den IC- Baustein befindliche Isolationsschicht aus Luft und Leiterplatte aufgebrochen, so dass der elektronische Schaltungstra- ger direkt an das wärmeleitende Gehäuse angebunden werden kann, welches vorteilhafter Weise aus Aluminium gefertigt ist. An der Position des IC-Bausteins wird die Leiterplatte innerhalb der IC-Beinchen-Anschlusse vorzugsweise rund oder rechteckig ausgespart. Durch diese Öffnung wird das Elektronikgehause bis an den IC-Baustein mittels einer Erhebung herangeführt. Dabei ist vorgesehen, dass der Gehausedom zu die-
ser Offnungsbohrungswand ausreichend Luft hat, so dass keine ÜberbeStimmung bei der Positionierung bzw. beim Einbau der Leiterplatte entsteht. Diese Bohrung in der Leiterplatte kann aber auch in geeigneten Fallen bei Bedarf als Zentriernull- punkt verwendet werden, indem man den Spalt zum Gehausedom minimiert. Der für den Toleranzausgleich notwendige Spalt zwischen IC-Bauteil-Unterseite und der Gehausedomspitze, wird im Endmontageprozess mit Warmeleitpaste ausgefüllt, wodurch die isolierende Luft verdrangt wird. Dadurch ist das IC- Gehäuse direkt mit dem Elektronikgehause verbunden und die
Warme kann über die außerhalb des Elektronikraums angebrachten Kuhlrippen an die Umgebung abgeführt werden.
Beim Montieren der Leiterplatte in das Gehäuse nehmen die IC- Bauteil-Beinchen die Kräfte auf, die durch das seitliche Verdrangen der auf der Gehausedomspitze angehäuften Warmeleitpaste entstehen. Um dies zu verhindern, kann die einwirkende Leiterplatten-Montagekraft mittels eines auf der IC-Bauteil- Oberseite aufsitzenden Montagestempels über das IC-Gehause auf die Warmeleitpaste eingeleitet werden. Auf diesem Wege werden die einwirkenden Zugkräfte von den IC-Bauteil-Beinchen genommen. Des Weiteren können die der Leiterplattenmontage- richtung entgegen wirkenden Kräfte, welche durch die Verdrängung der Warmeleitpaste entstehen, durch Optimierung der Ge- hausedomspitze reduziert werden. Auch werden durch geeignete Profilierungsmaßnahmen der Gehausedomspitze die Abstande zum IC-Baustein reduziert, wodurch die Warmeleitung durch Vergrößerung der Oberflache verbessert wird. Die Montagequalitat wird bei diesem Design im Vergleich zum Stand der Technik durch die Reduzierung der Gesamttoleranzfeidgroße verbessert. Dies wird u. a. auch durch die geringere Anzahl von Toleranzen in der Toleranzkette erreicht.
Die erfindungsgemaße Kuhlanordnung für IC-Bauelemente bietet den Vorteil einer verbesserten Warmeleitung, die u. a. auch durch die optimierte Profilierung des Warmeableitdoms durch Oberflachenerhohung erreicht wird. Zudem kann Luft als Isolator durch die erfindungsgemaße Anordnung ausgeschlossen wer-
den. Zwischen Wärmequelle und Kühlkörper kann die Komponentenanzahl dadurch reduziert werden, dass nur noch eine dünnflächige Wärmeleitpaste dazwischen angeordnet ist. Dadurch ist eine sehr effiziente und rasche Wärmeabfuhr möglich. Es kommt hinzu, dass durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung die Designeinschränkungen dadurch reduziert werden können, dass die relativ große IC-Bauteilhöhentoleranz bei der vorliegenden Kühlanordnung keinen Einfluss mehr hat. Hinsichtlich des Herstellungs- und Montageprozesses besteht der Vor- teil, dass die Kosten durch die relativ einfache Handhabung der Kühlanordnung reduziert werden. So ist beim Leiterplattenhersteller die Fräsbearbeitung der Leiterplatte für die Erstellung der Außenkontur bzw. der Zentrier- und Ausrichtbohrungen bereits im Fertigungsprozess enthalten. Zudem ist bei der Endmontage die Aufbringung von Wärmeleitpaste zwischen Leiterplatte und Gehäuse auch bereits integriert bzw. vorhanden .
Es ist bevorzugt, wenn das Elektronikgehäuse aus einem wärme- leitenden Material, wie z. B. Aluminium gefertigt ist, so dass eine effiziente Wärmeabfuhr nach Außen erfolgen kann. Der Kühlkörper aus Aluminium weist unter der Berücksichtigung des finanziellen Aspekts im Vergleich z. B. mit Kunststoffge- häusen die besten Wärmeleiteigenschaften auf. Der Kühlkörper kann aber auch aus anderen Werkstoffen hergestellt werden. Auch ist es möglich, ihn durch spanende Bearbeitung aus dem vollen zu fräsen. Idealerweise sollte er jedoch aus einem Gießverfahren wie z. B. Aluminiumdruckguss oder Kunststoff- spritzguss produziert werden.
Von Vorteil ist, wenn eine zwischen Elektronikgehäuse und IC- Baustein gelagerte Leiterplatte an der Position des IC- Bausteins eine Aussparung aufweist, so dass das IC-Bauelement in direktem und flächigen Kontakt mit dem Kühlkörper steht.
Es ist bevorzugt, dass das Elektronikgehäuse an der Position des IC-Bausteins einen Gehäusedom aufweist, der als Auflagefläche für den IC-Baustein dient. Dieser Gehäusedom ermög-
licht die direkte Kontaktierung zwischen Kühlelement und IC- Baustein, ohne dass ein weiteres Bauelement, beispielsweise eine Halterung für den IC-Baustein dazwischen geschaltet werden muss.
Vorzugsweise ist das IC-Bauelement durch Wärmeleitpaste mit dem Gehäusedom verbunden, die aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit die Wärme vom IC-Baustein optimal abführt.
Von Vorteil ist auch, wenn der Gehäusedom eine Auflagefläche für den IC-Baustein mit Profil aufweist. Durch die Profilierung der Auflagefläche wird die Oberfläche vergrößert. Dies trägt zur verbesserten Wärmeleitung und zur Reduzierung der Montagekräfte bei.
Die vorliegende Erfindung schafft erstmals vorteilhaft eine Kühlanordnung für IC-Bauelemente, die eine effiziente und direkte Kühlung des IC-Bauelements sowie eine einfache Montage ermöglicht, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Sie eignet sich aufgrund der erhöhten Temperaturanforderungen insbesondere für Anwendungen in Elektronikgehäusen im Automobilbereich.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nach- folgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen schematisch:
FIG. 1 in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Kühlanordnung mit IC-Bauelement;
FIG. 2 in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Kühlanordnung mit IC-Bauelement;
FIG. 3 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung mit IC-Bauelement nach FIG. 2;
FIG. 4 in einer Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;
FIG. 5 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach FIG. 4;
FIG. 6 in einer Schnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;
FIG. 7 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach FIG. 6;
FIG. 8 in einer Schnittdarstellung ein viertes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;
FIG. 9 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach FIG. 8;
FIG. 10 in einer Schnittdarstellung ein fünftes Ausführungs- beispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;
FIG. 11 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach FIG. 10;
FIG. 12 in einer Schnittdarstellung ein sechstes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement und
FIG. 13 in einer Schnittdarstellung die Kühlanordnung nach FIG. 12.
FIG. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2. Das IC- Bauelement 2 kontaktiert über Anschlussbeinchen und Lötzinn 3 eine Leiterplatte 4. Die Leiterplatte 4 ist über eine Schicht aus Wärmeleitpaste 5 mit einer Gehäusewandung 6 verbunden, die in Kühlrippen 7 mündet.
FIG. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2. Aus der Schnittdarstellung geht hervor, dass die Gehäusewand 6 an der Position des IC-Bauelements 2 einen Gehäusedom 8 mit vorzugsweise planarer Auflagefläche aufweist, die aus der Gehäusewand 6 hervorragt und den Auflagebereich des IC-Bauelements 2 umfasst. Im Spalt zwischen Dom und IC-Bauelement ist die Wärmeleitpaste genauso wie zwischen PCB und Gehäuse vorhanden. Des Weiteren weist die Gehäusewandung 6 vorzugsweise zwei kreisförmige Nuten 9 auf, die durch einen kreisförmigen Gehäusesteg 10 voneinander beabstandet sind. Der Gehäusesteg 10 ist so positioniert, dass die Leiterplatte am Lochrand auf dem Steg aufliegt.
FIG. 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, Leiterplatte 4 und der Schicht aus
Wärmeleitpaste 5. Die Leiterplatte 4 weist eine vorzugsweise kreisförmige Aussparung 11 auf, oberhalb der das IC-Bauelement 2 positioniert ist. Dadurch ist es möglich, dass zu kühlende IC-Bauelement 2 in direktem Kontakt mit der Gehäusewan- düng 6 bzw. mit dem Kühlkörper zu bringen. Zur Befestigung der Leiterplatte 4 und des IC-Bauelements 2 wird die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 sowie die planare Auflagefläche um die Nuten 10 der Gehäusewandung 6 herum mit einer Schicht aus Wärmeleitplaste 5 beaufschlagt.
FIG. 4 zeigt in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Gehäusedom 8 eine vorzugsweise konkave Auflagefläche auf.
In der Explosionsdarstellung in FIG. 5 ist eine passend zu der konkaven Auflagefläche des Gehäusedoms 8 ausgeformte konvexe Schicht aus Wärmeleitpaste 5 dargestellt.
FIG. 6 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren
Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in FIG. 7 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 ein
vorzugsweise kreurändelähnliches Profil aufweist. Die auf dem Gehäusedom 8 aufliegende Schicht aus Wärmeleitpaste 5 füllt die sich durch das gerändelte Profil ergebenden Ritzen aus und ist auf der Seite zum IC-Bauelement 2 planar ausgeformt.
FIG. 8 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in FIG. 9 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 durch vorzugsweise in zwei Ebenen spitz zulaufende Keile, deren Spitzen sich im Mittelpunkt der Auflagefläche treffen, ausgebildet ist. Die auf dem Gehäusedom 8 aufliegende Schicht aus Wärmeleitpaste 5 füllt, die sich aus dem Profil ergebenden Ritzen und liegt planar am IC-Bauelement 2 an.
FIG. 10 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in FIG. 11 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 ein vorzugsweise noppenartiges Profil aufweist, wobei die Verteilung der Noppen einem Legostein ähnelt. Die auf dem Gehäusedom 8 aufliegende Schicht aus Wärmeleitpaste 5 füllt die sich durch das noppenartige Profil ergebenden Ritzen aus und ist auf der Oberseite zum IC-Bauelement 2 hin planar ausgebildet.
FIG. 12 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in FIG. 13 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 vorzugsweise rechteckig ausgeformt ist. Dies führt zu einer ebenfalls rechteckigen Aussparung in der Leiterplatte 4 sowie zu rechteckig ausgeführten Nuten 9 bzw. einem rechteckig ausgeführten Gehäusesteg 10. Zudem ist auch in der Schicht aus Wärmeleitpaste 5 die rechteckige Ausformung der Auflagefläche des Gehäusedoms 8 berücksichtigt.
Die vorliegende Erfindung schafft erstmals vorteilhaft eine Kühlanordnung 1 für IC-Bauelemente 2, die eine effiziente und
direkte Kühlung des IC-Bauelements 2 sowie eine einfache Montage ermöglicht, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Sie eignet sich insbesondere für Anwendungen in Elektronikgehäusen im Automobilbereich.