WO2007080027A1 - Anordnung zur kühlung von leistungsbauelementen auf leiterplatten und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Anordnung zur kühlung von leistungsbauelementen auf leiterplatten und verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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WO2007080027A1
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electrically conductive
heat sink
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Hartmut Seiler
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05K3/0061—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates onto a metallic substrate, e.g. a heat sink

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for cooling of at least one component, in particular a power component, with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for producing an arrangement for cooling of power components on printed circuit boards of the type mentioned above.
  • thermal vias are formed as grid-shaped holes, there is no full-surface contact between the housing bottom of a power device and the copper layer of the circuit board on which they are soldered, and a lower copper layer and the electrically insulating film.
  • a typical device for example, a transistor whose mounting plate has a base area of about 20 mm 2 , a maximum thermal resistance between the junction (junction of the transistor) - housing bottom of about 1, 2 K / W on.
  • the other thermal resistances to the heat sink in a prior art arrangement are:
  • the total thermal resistance in this type of connection is more than three times as high as the thermal resistance between the junction housing bottom.
  • the arrangement according to the invention with the features mentioned in claim 1 offers the advantage that the heat dissipation between the junction of a semiconductor device and a heat sink can be reduced by more than 60%. Because an inner surface of the electrically conductive material is formed by at least one recess in the printed circuit board, at least one component is arranged on the inner surface, and a heat sink is arranged on the outer surface opposite the inner surface, a component only becomes a lower layer made of conductive material on the underside of the PCB separated from the heat sink.
  • the heat sink may consist of aluminum or a suitable aluminum alloy. Alternatively, a heat sink made of another material can also be used.
  • the heat sink and / or the layer of electrically conductive material on the side facing the heat sink has an electrically insulating protective layer.
  • the protective layer may be formed from an anodized layer on the heat sink made of aluminum oxide, if the heat sink is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the protective layer on the heat sink and / or on the underside of the layer of electrically conductive material and / or an electrically non-conductive paint, in particular baked enamel exists.
  • a heat conducting layer is provided between the protective layer and the lower layer of an electrically conductive material.
  • This sauceleit Mrs ensures a full-surface thermal contact without disturbing air films and compensates for unevenness and roughness.
  • the heat conducting layer may be formed of a thermal compound and have a thickness of 10 to 100 microns.
  • baked enamel can be used, in which case the protective layer can be dispensed with, in particular if only small demands are placed on the electrical - A -
  • the heat conducting layer is formed from a thermal paste and / or a good thermal conductivity adhesive
  • the circuit board is formed of epoxy resin, which may be glass fiber reinforced and the conductive material contains copper.
  • the layer of conductive material preferably has a thickness of 30 to 120 ⁇ m, in particular a thickness of 100 to 110 ⁇ m.
  • the circuit board is provided on both sides with a layer of an electrically conductive material, so that both on the top and on the bottom of a layer of electrically conductive material is provided, which after structuring the electrical contacting of components can serve. It is provided in a preferred development of the invention that both layers have substantially the same thickness, which improves the mechanical and thermal properties.
  • the at least one recess is produced by milling or punching, which allows cost-effective and automated series production.
  • the invention relates to a method for producing an arrangement for cooling components on printed circuit boards, in particular of the type described above, with the steps:
  • FIG. 1 shows a section along the line A-A in Fig. 9 by a
  • FIG. 2 is an enlarged detail of Fig. 1;
  • FIG. 3 shows an upper side of a copper coated on one side
  • FIG. 4 shows the printed circuit board of FIG. 3 after a further process step, in which recesses for power components are formed;
  • Figure 5 shows the underside of a printed circuit board on which a second layer of copper has been applied;
  • FIG. 6 shows the upper side of the printed circuit board after application and structuring of the second layer
  • FIG. 7 shows a further process step in which through-contacts are produced from the upper to the lower copper layer
  • FIG. 8 shows a printed circuit board equipped with components.
  • Fig. 1 and 2 show a heat sink 1, for example. Of aluminum or an aluminum alloy, which is connected at its contact surface 2 with a printed circuit board 3.
  • the contact surface 2 is provided with a protective layer 4, which is formed, for example, from an anodized aluminum oxide. Furthermore, a heat-conducting layer 5 is provided between the contact surface 2 and the printed circuit board 3, which, for example, has a thickness of 10 to 100 .mu.m and can be formed from a thermal paste or a thin electrically insulating lacquer layer, for example a baked enamel.
  • the printed circuit board 3 is formed, for example, from epoxy resin 6 and has on its top 7 an upper layer 9 and on its underside 8, a lower layer 10 made of an electrically conductive material, such as. Copper on.
  • the thickness of the layers 9, 7 on the top and bottom 8, 10 is about 30 - 120 microns.
  • two capacitors 11 are arranged along the section along the line AA in FIG. 9 on the upper side 7.
  • the printed circuit board 2 has two recesses 12, in the region of which the epoxy resin 6 and the upper layer 9 are removed in such a way that an inner surface 13 is formed on the lower layer 8 on the lower layer 10.
  • a transistor 14 are each arranged, so that the transistors 14 separated only by the lower layer 10 and by the heat conducting layer 5 of the protective layer 4 of the heat sink 1 are arranged on an outer surface 21 opposite to the inner surface.
  • the transistors 14 each comprise a transistor chip 15, which is fastened by means of a carrier 16 on the lower layer 10 on the upper side 13. For electrical contacting, a bonding wire 17 is led to a terminal 22, which produces an electrical connection with the inner surface 13.
  • FIGS. 3 to 8 a method for producing an arrangement according to the invention, here, for example. Based on a 3-phase motor bridge.
  • the starting point is a printed circuit board 3 made of epoxy resin with a coating of copper applied on one side, which is applied on the upper side 7 as an upper layer 9 on the printed circuit board 3.
  • the upper layer 9 of the printed circuit board 3 is structured. This can be done by means of customary photographic transmission techniques and etching methods.
  • recesses 12 are formed at the locations where transistors 14, e.g. Power transistors to be arranged.
  • the epoxy resin 6 is e.g. completely removed by punching.
  • an approximately 105 ⁇ m thick layer of an electrically conductive material, such as copper, for example, which forms a lower layer 10, is applied to the underside 8 of the printed circuit board.
  • the lower layer 10 forms the outer surface 21, to which a heat sink 1 can be added, for example, by pressing and the outer surface 21 opposite inner surface 13 on which, for example, transistors 14 can be fixed by means of soldering.
  • holes 18 are introduced, which are used as terminals. se for components such as capacitors 11 or transistors 14 serve.
  • positive supply terminals 23, negative supply terminals 24 and motor winding terminals 25 are formed.
  • Fig. 6 shows the top 7 with the upper layer 9 and recesses 12 of the Epoxilymaterials. In the recesses 12, the inner surface 13 of the lower layer 10 is visible.
  • vias 19 are made, e.g. Make connections between the top 7 and the bottom 8.
  • the circuit board 2 is populated.
  • six power transistors 14 are soldered to the inner surface 13 of a respective recess 12 and five capacitors 11 connected in parallel are provided.
  • a shunt resistor 20 for current measurement is provided here in the lower layer 10, which, like the power transistors 14, is thermally tightly connected to a heat sink 1 and two wire bridges 27.
  • the finished printed circuit board 2 is connected to a heat sink 1, for example by means of a leaf spring, which presses on the top of the power transistors 14 (not shown).
  • the pressure of the leaf spring ensures a good thermal contact of the bottom 10 with the heat sink 1 and thereby allows a small layer thickness of the thermal paste.
  • the leaf spring is fixedly connected to the heat sink 1, e.g. by means of a clip connection.
  • the total thermal resistance between the junction of the power transistors and the heat sink in the inventive arrangement is reduced by more than 60%.
  • the heat resistance of the housing bottom-junction is component-specific, and is due to the structure of the semiconductor device (for example, approximately 1.2 K / W in the case of power transistors in the DPack housing).
  • the assembly-related additional thermal resistance according to a known from the prior art arrangement, consisting of thermal vias and insulation film 2.49 K / W, however, according to the invention 0.192 K / WDh, the assembly-related thermal resistance is by the factor reduced by about 13.
  • a shunt resistor which is part of the lower copper layer and has a resistance area of 13 mm 2 , results according to the prior art, a value for the thermal resistance of 4.4 K / W, while this according to the invention to 0.46 K. / W, wherein the proportion of the thermal resistance resulting from the thermal grease is 0.38 K / W and the proportion of the anodized layer is 0.08 K / W. This results in a reduction of the installation-related thermal resistance of the shunt resistor by a factor of 9.6.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von wenigstens einem Bauelement, insbesondere wenigstens einem Leistungsbauelement, wobei das wenigstens eine Bauelement auf einer Leiterplatte befestigt ist, die wenigstens auf einer Seite mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist. Es ist vorgesehen, dass durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in der Leiterplatte (3) eine Innenfläche (13) des elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist, auf der Innenfläche (13) wenigstens ein Bauelement angeordnet ist, und auf der zur Innenfläche (13) gegenüberliegenden Außenfläche (21) ein Kühlkörper (1) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer An- ordnung zur Kühlung von Leistungsbauelementen auf Leiterplatten, insbesondere der oben genannten Art.

Description

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART
Anordnung zur Kühlung von Leistungsbauelementen auf Leiterplatten und Verfahren zur Herstellung derselben
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von wenigstens einem Bauelement, insbesondere einem Leistungsbauelement, mit den im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Merkmalen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Leistungsbauelementen auf Leiterplatten der oben genannten Art.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die von Leistungsbauelementen wie Halbleiterschaltern, Kondensatoren oder Induktivitäten erzeugte Wärme von Leistungswandlern (zum Beispiel Brückenschaltungen von Elektromotoren, DC-DC-Wandlern zur Spannungsversorgung von Computern u. a.), die auf eine Leiterplatte aus Epoxydharz mit einer oberen Kupferschicht aufgelötet sind, über so genannte Thermal Vias von den Leistungsbauelementen durch die Leiterplatte auf deren Rückseite zu führen, wo sie dann über eine elektrisch isolierenden Folie auf einen Kühlkörper geleitet wird. Thermal Vias sind dabei Durchkontak- tierungen der Leiterplatte unter der Montagefläche der Leistungsbauelemente. Jedoch ist bei diesem Aufbau zur Ableitung der Verlustleistung der Leistungsbauelemente der Wärmewiderstand zwischen einem Gehäuseboden eines Leistungsbauelements und dem eine Wärmesenke bildenden Kühlkörper relativ hoch. Den größten Wärmewiderstand weist bei diesem Aufbau eine elektrisch isolierende Folie auf, die zur elektrischen Isolation des Leistungsbauelements vom Kühlkörper erforderlich ist. Da die Thermal Vias bspw. als rasterförmig angeordnete Bohrungen ausgebildet sind, ergibt sich kein vollflächiger Kontakt zwischen dem Gehäuseboden eines Leistungsbauelements und der Kupferschicht der Leiterplatte, auf der diese aufgelötet sind, sowie einer unteren Kupferschicht und der elektrisch isolierenden Folie.
Beispielsweise weist ein typisches Bauelement, bspw. ein Transistor, dessen Montageplatte eine Grundfläche von ca. 20 mm2 aufweist, einen maximalen Wärmewiderstand zwischen Junction (Sperrschicht des Transistors) - Gehäuseboden von ca. 1 ,2 K/W auf. Die weiteren Wärmewiderstände bis zum Kühlkörper bei einer Anordnung gemäß den Stand der Technik sind:
1. Lot: Gehäuseboden - obere Kupferschicht 0,09 K/W
2. Thermal Vias 0,50 K/W
3. Folie (3,5 W/m*K, 0,2 mm) 1 ,90 K/W Summe (Gehäuseboden - Kühlkörper) 2,49 K/W
Junction - Gehäuseboden 1 ,20 K/W Summe (Junction - Kühlkörper) 3,69 K/W
Somit ist der Gesamtwärmewiderstand bei dieser Art der Anbindung mehr als dreimal so hoch wie der Wärmewiderstand zwischen Junction - Gehäuseboden.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass der Wärmewider- stand zwischen der Junction eines Halbleiterbauelements und einem Kühlkörper um mehr als 60 % reduziert werden kann. Dadurch, dass durch wenigstens eine Ausnehmung in der Leiterplatte eine Innenfläche des elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist, auf der Innenflä- che wenigstens ein Bauelement angeordnet ist, und auf der zur Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche ein Kühlkörper angeordnet ist, wird ein Bauelement nur durch eine untere Schicht aus leitfähigem Material an der Unterseite der Leiterplatte vom Kühlkörper getrennt. Dabei kann der Kühlkörper aus Aluminium oder einer geeigneten Aluminiumlegierung bestehen. Alternativ kann auch ein Kühlkörper aus einem anderen Material Verwendung finden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper und/oder die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite eine elektrisch isolierende Schutzschicht aufweist. Dabei kann die Schutzschicht aus einer Eloxalschicht auf dem Kühlkörper aus Aluminiumoxid gebildet sein, wenn der Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
In einer weiter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schutzschicht auf dem Kühlkörper und/oder auf der Unterseite der Schicht aus elektrisch leitenden Material und/oder einem elektrisch nicht leitenden Lack, insbesondere Backlack, besteht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen der Schutzschicht und der unteren Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material eine Wärmeleitschicht vorgesehen ist. Diese Wärmeleitschicht gewährleistet einen vollflächigen Wärmekontakt ohne störende Luftfilme und gleicht Unebenheiten und Rauhigkeiten aus. Die Wärmeleitschicht kann aus einer Wärmeleitpaste gebildet sein und eine Dicke von 10 bis 100 μm aufweisen. Alternativ kann Backlack verwendet werden, wobei in diesem Fall auf die Schutzschicht verzichtet werden kann, wenn insbesondere nur geringe Anforderungen an die elektrische - A -
Isolation bestehen. In diesem Fall kommt auch die Verwendung von Kühlkörpern in Betracht, die aus anderen Materialien als Aluminium oder Aluminiumlegierungen gefertigt sind.
Es ist ferner vorgesehen, dass die Wärmeleitschicht aus einer Wärmeleitpaste und/oder einem gut wärmeleitfähigem Kleber gebildet ist
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leiterplatte aus Epoxydharz gebildet ist, das glasfaserverstärkt sein kann und das leitfähige Material Kupfer enthält. Dabei weist bevorzugt die Schicht aus leitfähigem Material eine Dicke von 30 bis 120 μm, insbesondere eine Dicke von 100 bis 110 μm auf.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leiterplatte beidseitig mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfähigem Material versehen ist, so dass sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen ist, die nach ihrer Strukturierung der elektrischen Kontaktierung von Bauelementen dienen können. Dabei ist in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass beide Schichten im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen, was die mechanischen und thermischen Eigenschaften verbessert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Aussparung durch Fräsen oder Stanzen hergestellt ist, was eine kostengünstige und automatisierte Serienfertigung erlaubt.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der oberen elektrisch leitfähigen Schicht und der unteren elektrisch leitfähigen Schicht weitere elektrisch leitfähige Schichten als Verdrahtungsebenen von Bauelementen angeordnet sind (Mulitlayer). Ferner gehört zur Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Bauelementen auf Leiterplatten, insbesondere der oben beschriebenen Art, mit den Schritten:
Strukturieren einer oberen Schicht einer Leiterplatte, - Herstellen von wenigstens einer Ausnehmung,
Aufbringen einer unteren Schicht, Bestücken der Leiterplatte mit wenigstens einem Bauelement, und
Verbinden der Leiterplatte mit einem Kühlkörper.
Mit diesem Verfahren kann die oben beschriebene Anordnung kostengünstig und automatisiert hergestellt werden. Ferner kann zusätzlich eine Wärmeleitschicht aufgebracht werden, die die thermische Anbindung verbessert.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 9 durch ein
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 ; Figur 3 eine Oberseite einer einseitig mit Kupfer beschichteten
Leiterplatte, wobei eine Oberschicht strukturiert ist; Figur 4 die Leiterplatte der Fig. 3 nach einem weiteren Prozessschritt, bei dem Aussparungen für Leistungsbauelemente gebildet sind; Figur 5 zeigt die Unterseite einer Leiterplatte, auf der eine zweite Schicht aus Kupfer aufgebracht wurde;
Figur 6 zeigt die Oberseite der Leiterplatte nach Aufbringen und Strukturieren der zweiten Schicht; Figur 7 zeigt einen weiteren Prozessschritt, bei dem Durchkon- taktierungen von der oberen zur unteren Kupferschicht hergestellt werden; und
Figur 8 zeigt eine mit Bauelementen bestückte Leiterplatte.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 und 2 zeigen einen Kühlkörper 1 , bspw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der an seiner Kontaktfläche 2 mit einer Leiterplatte 3 verbunden ist.
Dabei ist die Kontaktfläche 2 mit einer Schutzschicht 4 versehen, die bspw. aus einer Eloxalschicht aus Aluminiumoxid gebildet ist. Ferner ist zwischen der Kontaktfläche 2 und der Leiterplatte 3 eine Wärme- leitschicht 5 vorgesehen, die bspw. eine Dicke von 10 bis 100 μm aufweist und aus einer Wärmeleitpaste oder einer dünnen elektrisch isolierenden Lackschicht, bspw. einem Backlack gebildet sein kann.
Die Leiterplatte 3 ist bspw. aus Epoxydharz 6 gebildet und weist an ihrer Oberseite 7 eine obere Schicht 9 und an ihrer Unterseite 8 eine untere Schicht 10 aus einem elektrisch leitfähigem Material, wie bspw. Kupfer, auf. Die Dicke der Schichten 9, 7 auf der Ober- und Unterseite 8, 10 beträgt dabei ca. 30 - 120 μm.
In dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind entlang dem Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 9 auf der Oberseite 7 zwei Kondensatoren 11 angeordnet. Ferner weist die Leiterplatte 2 zwei Ausnehmungen 12 auf, in deren Bereich das Epoxydharz 6 und die obere Schicht 9 derart entfernt sind, dass an der unteren Schicht 10 an der Unterseite 8 eine Innenfläche 13 gebildet ist. Auf dieser Innenfläche 13 sind je ein Transistor 14 angeordnet, so dass die Transistoren 14 nur durch die untere Schicht 10 und durch die Wärmeleitschicht 5 von der Schutzschicht 4 des Kühlkörpers 1 getrennt sind, der an einer zur Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche 21 angeordnet ist.
Die Transistoren 14 umfassen je einen Transistorchip 15, der mittels eines Trägers 16 auf der unteren Schicht 10 an der Oberseite 13 befestigt ist. Zur elektrischen Kontaktierung ist ein Bonddraht 17 zu einem Anschluss 22 geführt, der eine elektrische Verbindung mit der Innenfläche 13 herstellt.
Es wird nun anhand der Fig. 3 bis 8 ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung erläutert, hier bspw. anhand einer 3-phasigen Motorbrücke.
Ausgangspunkt ist eine Leiterplatte 3 aus Epoxydharz mit einer ein- seitig aufgebrachten Beschichtung aus Kupfer, die auf der Oberseite 7 als obere Schicht 9 auf der Leiterplatte 3 aufgebracht ist.
In einem ersten Schritt (siehe Fig. 3) wird die obere Schicht 9 der Leiterplatte 3 strukturiert. Dies kann mittels üblicher fotografischer Übertragungstechniken und Ätzverfahren erfolgen.
In einem zweiten Schritt (siehe Fig. 4) werden Ausnehmungen 12 an den Stellen gebildet, an denen Transistoren 14, wie z.B. Leistungstransistoren, angeordnet werden sollen. Hierzu wird das Epoxydharz 6 z.B. mittels Stanzen vollständig entfernt.
In einem dritten Schritt (siehe Fig. 5) wird auf die Unterseite 8 der Leiterplatte eine ca. 105 μm dicke Schicht aus einem elektrische leitfähigem Material, wie z.B. Kupfer aufgebracht, die eine untere Schicht 10 bildet. Dabei bildet die untere Schicht 10 die Außenfläche 21 , an der ein Kühlkörper 1 z.B. durch Aufpressen angefügt werden kann sowie die zur Außenfläche 21 gegenüberliegende Innenfläche 13, auf der z.B. Transistoren 14 mittels Auflöten befestigt werden können. Ferner werden Bohrungen 18 eingebracht, die als Anschlüs- se für Bauelemente wie Kondensatoren 11 oder Transistoren 14 dienen. Außerdem werden positive Versorgungsanschlüsse 23, negative Versorgungsanschlüsse 24 sowie Motorwicklungsanschlüsse 25 gebildet. Fig. 6 zeigt die Oberseite 7 mit der oberen Schicht 9 sowie Ausnehmungen 12 des Epoxiträgermaterials. In den Ausnehmungen 12 ist die Innenfläche 13 der unteren Schicht 10 sichtbar.
In einem vierten Schritt (siehe Fig. 7) werden Durchkontaktierungen 19 hergestellt, die z.B. Verbindungen zwischen der Oberseite 7 und der Unterseite 8 herstellen.
In einem fünften und letzten Schritt (siehe Fig. 8) wird die Leiterplatte 2 bestückt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs Leistungstransistoren 14 auf die Innenfläche 13 je einer Ausnehmung 12 aufgelötet sowie fünf parallel geschaltete Kondensatoren 11 vorgesehen. Ferner ist hier in der unteren Schicht 10 ein Shunt- Widerstand 20 zur Strommessung vorgesehen, der wie die Leistungstransistoren 14 thermisch eng an einen Kühlkörper 1 angebunden ist sowie zwei Drahtbrücken 27.
Die fertig bestückte Leiterplatte 2 wird mit einem Kühlkörper 1 , bspw. mittels einer Blattfeder, die auf die Oberseite der Leistungstransistoren 14 drückt, verbunden (nicht dargestellt). Dabei gewährleistet der Druck der Blattfeder einen guten thermischen Kontakt der Unterseite 10 mit dem Kühlkörper 1 und erlaubt dabei eine geringe Schichtdicke der Wärmeleitpaste. Die Blattfeder ist mit dem Kühlkörper 1 fest verbunden, z.B. mittels einer Clipverbindung.
Die mit diesem Verfahren erzielbaren Wärmewiderstände betragen: 1. Lot: Gehäuseboden - untere Kupferschicht 0,08 K/W
2. Kupferleitbahn (400 W/m*K, 0,1 mm) 0,012 K/W
3. Wärmeleitpaste ( 2 W/m*K, 0,01 mm) 0,067 K/W
4. Eloxalschicht (30 W/m*K, 0,03 mm) 0,033 K/W Summe (Gehäuseboden - Kühlköper) 0,192 K/W Junction - Gehäuseboden 1 ,20 K/W
Summe (Junction - Kühlkörper) 1 ,392 K/W
Damit ist der gesamte Wärmewiderstand zwischen der Junction der Leistungstransistoren und dem Kühlkörper bei der erfindungsgemäßen Anordnung um mehr als 60 % reduziert.
Es sei angemerkt, dass der Wärmewiderstand Gehäuseboden - Junction bauelementspezifisch ist, und durch den Aufbau des HaIb- leiterbauelements bedingt ist (z.B. bei Leistungstransistoren im DPack-Gehäuse ca. 1 ,2 K/W).
Der montagebedingte zusätzliche Wärmewiderstand beträgt gemäß bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung, beste- hend aus Thermal Vias und Isolationsfolie 2,49 K/W, hingegen gemäß der Erfindung 0,192 K/W. D.h., der durch die Montage bedingte Wärmewiderstand wird um den Faktor ca. 13 reduziert. Für einen Shuntwiderstand, der Teil der unteren Kupferschicht ist und eine Widerstandsfläche von 13 mm2 aufweist, ergibt sich gemäß dem Stand der Technik ein Wert für den Wärmewiderstand von 4,4 K/W, während sich dieser gemäß der Erfindung auf 0,46 K/W erniedrigt, wobei der Anteil des Wärmewiderstands, der von der Wärmeleitpaste herrührt 0,38 K/W beträgt und der Anteil der Eloxalschicht 0,08 K/W beträgt. Somit ergibt sich eine Reduzierung des montagebedingten Wärmewiderstands des Shuntwiderstands um den Faktor 9,6.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Kühlung von wenigstens einem Bauelement, insbesondere wenigstens einem Leistungsbauelement, wobei das wenigstens eine Bauelement auf einer Leiterplatte befestigt ist, die wenigstens auf einer Seite mit einer Schicht aus einem elektrisch leitfä- higen Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens eine Ausnehmung (12) in der Leiterplatte (3) eine Innenfläche (13) des elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist, auf der Innenfläche (13) wenigstens ein Bauelement angeordnet ist, und auf der zur Innenfläche (13) gegenüberliegenden Außenfläche (21 ) ein Kühlkörper (1) angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1 ) und/oder die Schicht (10) aus elektrisch leitfähigem Material auf der dem Kühlkörper (1 ) zugewandten Seite eine elekt- risch isolierende Schutzschicht (4) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) auf dem Kühlkörper (1 ) eine Eloxalschicht aus A- luminiumoxid ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) auf dem Kühlkörper (1 ) und/oder auf der Unterseite der Schicht (10) aus elektrisch leitendem Material aus einem elektrisch nicht leitenden Lack, insbesondere Backlack, besteht.
5. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schutzschicht (4) und der Schicht (10) aus einem elektrisch leitfähigem Material eine Wärmeleitschicht (5) vorgesehen ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeleitschicht (5) aus einer Wärmeleitpaste und/oder einem gut wärmeleitfähigen Kleber gebildet ist.
7. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) aus Epoxydharz (6) gebildet ist und das leitfähige Material Kupfer enthält.
8. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) eine Dicke von 30 bis 120 μm, insbesondere eine Dicke von 100 bis 110 μm aufweist.
9. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) beidseitig mit je einer
Schicht (9, 10) aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schichten (9, 10) im Wesentlichen die gleiche Dicke aufwei- sen.
11. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ausnehmung (12) durch Fräsen oder Stanzen hergestellt ist.
12. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen elektrisch leitfähigen Schicht (9) und der unteren elektrisch leitfähigen Schicht (10) weitere elektrisch leitfähige Schichten als Verdrahtungsebenen von Bauele- menten angeordnet sind (Mulitlayer).
13. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauelement (14), das auf der Innenfläche (13) der leitfähigen Schicht (10) angeordnet ist und/oder die Leiterplatte (3) mittels mechanischer Mittel, z.B. einer Feder auf die Außenfläche (21 ) des Kühlkörpers (1 ) aufgepresst wird.
14. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Kühlung von Bauelementen auf Leiterplatten, insbesondere zur Herstellung einer Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten: Strukturieren einer oberen Schicht (10) einer Leiterplatte (3), - Herstellen von wenigstens einer Ausnehmung (12),
Aufbringen einer unteren Schicht (9), Bestücken der Leiterplatte (3) mit wenigstens einem Bauelement, und
Verbinden der Leiterplatte (3) mit einem Kühlkörper (1 ).
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