WO2020144017A1 - Elektronisches gerät und verfahren zum zusammenbau eines elektronischen geräts - Google Patents

Elektronisches gerät und verfahren zum zusammenbau eines elektronischen geräts Download PDF

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control

Definitions

  • the invention relates to an electronic device and a method for assembling an electronic device according to the type of the independent claims che.
  • the published patent application DE 10 2015 204 905 A1 discloses an electronic control device with a housing, a circuit carrier with an electronic power component arranged thereon, the circuit carrier and the electronic power component being contacted with the housing by means of a heat-conducting medium, the heat of the power component being Scarf device carrier can be removed away and the circuit carrier is fixed in the housing by means of the heat conducting medium.
  • the electronic device according to the invention and the method according to the invention for assembling an electronic device with the features of the independent claims have the advantage that the connection between an electronic component on the circuit board and a heat sink is now performed without force. This means that there are no mechanical requirements for the connection between the heat sink and the electronic module. Incidentally, the assembly is also simpler and less demanding since a mechanical load does not have to be absorbed as described in the prior art.
  • an electronic device is to be understood to mean, for example, a control device or another electronic circuit which is built into a housing or at least has the assembly with a heat sink.
  • control devices for the evaluation of sensor signals and the generation of control signals for vehicle systems are to be understood by this.
  • the electronic device has at least one electronic component.
  • This electronic module is, for example, a processor or a power module that generates heat that has to be dissipated in order to Maintain operation of the electronic device and thus the module.
  • the block is arranged on a printed circuit board, that is, for example, soldered or glued or plugged in, and connected on the upper side with a heat sink in accordance with the invention without any force.
  • the printed circuit board can be a single-layer or multilayer printed circuit board which has the electronic components on one side in particular in order to be able to connect them to the heat sink.
  • the electronic component is to provide an area on the circuit board that is contacted by the heat sink without force in order to dissipate the heat that flows there.
  • the heat sink is a structure made of aluminum, for example, with material accumulations that extend to the electronic components, so that a force-free connection is made possible, for example, by a thermal paste.
  • the heat sink is then connected, for example via a cooling structure, to an air flow or liquid flow which ultimately dissipates the heat absorbed by the heat sink and thus enables cooling.
  • the method for assembling an electronic device is easily seen.
  • the printed circuit board is provided with the at least one electronic component and then assembled together with the heat sink to dissipate heat.
  • the connection between the heat sink and the at least one electronic component is made force-free, that is, the component is not stressed by this connection.
  • the heat sink is adapted to the existing topography in such a way that there is a defined air gap between the heat sink and the at least one electronic module.
  • Under the The topography of the printed circuit board means the three-dimensional shape, so that the heat sink can adapt to this shape.
  • the air gap is then filled with the thermally conductive material, so that heat conduction is established between the heat sink and the at least one electronic module.
  • thermally conductive material is a gap filler.
  • a gap filler is a thermally conductive paste that has silver particles, for example, and is characterized by its special thermal conductivity.
  • the extent in height is dealt with.
  • a defined air gap is generated by the previous measurement of the printed circuit board with the electronic components and pairing with a suitable heat sink.
  • the air gap is then filled with the thermally conductive material, so that heat conduction between the heat sink and the at least one electronic module is established.
  • a spacer element is provided between the heat sink and the at least one electronic module in order to adjust the thickness of the air gap.
  • This spacer is glued to the heat sink, for example, welded or screwed, and extends in the direction of the electronic device. In the present case, too, the extent in height is dealt with by the previous measurement of the printed circuit board with the electronic components.
  • the method according to the invention provides that a thermally conductive material is applied to the electronic component and then the heat sink with the spacer element is built thereon. A gap filler can then advantageously be used for this. Furthermore, it is provided that a section of the heat sink which is connected to the heat-conductive material is designed as a cooling structure.
  • the cooling structure can protrude, for example, into a fluid so that the heat can be removed via it.
  • the method has a spacer between the heat sink and the printed circuit board in order to adjust the thickness of the air gap.
  • This spacer is designed such that the air gap has a certain thickness. This requires measuring the topography of the circuit board.
  • Another embodiment, which can be used in addition or instead of, is the spacer element on the heat sink to the electronic component, which is then connected to the component via the thermal paste.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the electronic Ge device according to the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the electronic Ge device according to the invention
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the electronic device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a flow diagram of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the electronic device according to the invention.
  • An electronic chip CHIP is arranged on a printed circuit board LP, then a thermal paste TIM and then a heat sink HS.
  • the heat sink HS is also on the circuit board LP in at least two places.
  • the topography of the printed circuit board LP with the electronic components is determined so that the heat sink HS can be adapted accordingly. This can be done by machining the heat sink HS.
  • the thermal paste TIM is applied to the electronic component CHIP, since the air gap between the heat sink HS and the electronic component CHIP is known.
  • the thermal paste TIM is therefore applied in a corresponding thickness.
  • a force-free, thermally conductive connection between the CHIP electronic module and the HS heat sink is established.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the electronic device according to the invention.
  • the heat sink HS is applied to a printed circuit board LP.
  • the electronic component CHIP to which the thermally conductive material TIM is applied, is arranged on the printed circuit board LP.
  • the thickness of the spacer AH is set in accordance with the measurement of the printed circuit board LP with the electronic components located thereon.
  • FIG 3 shows the third exemplary embodiment of the electronic device according to the invention.
  • the heat sink HS is applied to the printed circuit board LP via spacer elements AE. Furthermore, there is a single electronic chip CHIP on the PCB LP as an example.
  • the thermally conductive material TIM is in turn applied between the electronic component CHIP and the heat sink HS.
  • the spacing elements AE are correspondingly thick, so that the air gap between the electronic chip CHIP and the heat sink HS adjusts accordingly.
  • Fig. 4 shows the manufacturing process for assembling the electronic device Ge.
  • Method step 400 we measure the circuit board LP, either with a laser measurement or with a sensor to determine a three-dimensional map of the circuit board.
  • the heat sink HS is then designed or the spacer elements AE or the spacer H or the heat sink HS.
  • the Assembly by applying the thermally conductive material TIM to the electronic component or components CHIP in order to fill the air gap between the cooling structure and the electronic component chip. This happens in procedural step 401.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Es wird ein elektronisches Gerät mit wenigstens einem elektronischen Baustein (CHIP), der auf einer Leiterplatte angeordnet ist (LP), und der auf der Oberseite mit einer Wärmesenke (HS) kräftefrei verbunden ist, vorgeschlagen. Weiterhin wird ein Verfahren zum Zusammenbau dieses elektronischen Geräts vorgeschlagen, wobei eine Leiterplatte (LP), die mit wenigstens einem elektronischen Baustein (CHIP) versehen ist, mit einer Wärmesenke (HS) zur Abfuhr von Wärme von dem von wenigstens einem elektronischen Baustein (CHIP) zusammengebaut wird, wobei die Verbindung zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wenigstens einen elektronischen Baustein (CHIP) kräftefrei hergestellt wird.

Description

Elektronisches Gerät und Verfahren zum Zusammenbau eines elektronischen Geräts
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät bzw. ein Verfahren zum Zusammen bau eines elektronischen Geräts nach der Gattung der unabhängigen Patentansprü che.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2015 204 905 A1 offenbart eine elektronische Steuer vorrichtung mit einem Gehäuse, einem Schaltungsträger mit einem darauf angeord neten elektronischen Leistungsbauelement, wobei der Schaltungsträger und das elektronische Leistungsbauelement mittels eines Wärmeleitmediums mit dem Ge häuse kontaktiert sind, wobei die Wärme des Leistungsbauelements vom Schal tungsträger weggerichtet abführbar ist und wobei der Schaltungsträger im Gehäuse mittels des Wärmeleitmediums fixiert ist.
Das erfindungsgemäße elektronische Gerät bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Zusammenbau eines elektronischen Geräts mit den Merkmalen der unabhängi gen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr die Verbin dung zwischen einem elektronischen Baustein auf der Leiterplatte und einer Wärme senke kräftefrei ausgeführt ist. Damit müssen an die Verbindung zwischen der Wär mesenke und dem elektronischen Baustein keine mechanischen Anforderungen ge stellt werden. Im Übrigen ist damit auch der Zusammenbau einfacher und weniger anspruchsvoll, da eine mechanische Belastung nicht abgefangen werden muss, wie sie im Stand der Technik beschrieben ist.
Unter einem elektronischen Gerät ist vorliegend beispielsweise ein Steuergerät oder eine andere elektronische Schaltung zu verstehen, die in ein Gehäuse eingebaut ist oder zumindest den Zusammenbau mit einer Wärmesenke aufweist. Insbesondere Steuergeräte für die Auswertung von Sensorsignalen und die Erzeugung von Steuer signalen für Fahrzeugsysteme sind darunter zu verstehen.
Das elektronische Gerät weist wenigstens einen elektronischen Baustein auf. Unter diesem elektronischen Baustein ist beispielsweise ein Prozessor oder ein Leistungs baustein zu verstehen, der Wärme erzeugt, die abgeführt werden muss, um einen Betrieb des elektronischen Geräts und damit des Bausteins aufrechtzuerhalten. Der Baustein ist auf einer Leiterplatte angeordnet, das heißt beispielsweise gelötet oder geklebt oder gesteckt, und auf der Oberseite mit einer Wärmesenke erfindungsge mäß kräftefrei verbunden.
Die Leiterplatte kann eine Einschicht- oder Mehrschichtleiterplatte sein, die die elekt ronischen Bausteine auf einer Seite insbesondere aufweist, um sie mit der Wärme senke verbinden zu können. Darüber hinaus kann es sein, dass unter dem elektroni schen Baustein verstanden wird, eine Fläche auf der Leiterplatte vorzusehen, die von der Wärmesenke kräftefrei kontaktiert wird, um die dort angeströmte Wärme abzu führen.
Die Wärmesenke ist eine beispielsweise aus Aluminium gefertigte Struktur mit Mate rialanhäufungen, die sich zu den elektronischen Bausteinen erstrecken, damit eine kräftefreie Verbindung beispielsweise durch eine Wärmeleitpaste ermöglicht wird. Die Wärmesenke ist dann beispielsweise über eine Kühlstruktur mit einem Luftstrom oder Flüssigkeitsstrom verbunden, der die aufgenommene Wärme von der Wärmesenke letztlich abführt und damit die Kühlung ermöglicht.
Weiterhin ist das Verfahren zum Zusammenbau eines elektronischen Geräts vorge sehen. Dabei wird zunächst die Leiterplatte mit dem wenigstens einen elektronischen Baustein versehen und dann mit der Wärmsenke zur Abfuhr von Wärme zusammen gebaut. Die Verbindung zwischen der Wärmesenke und dem wenigstens einen elekt ronischen Baustein wird dabei kräftefrei hergestellt, das heißt, der Baustein wird durch diese Verbindung kräftemäßig nicht beansprucht.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen weiter definiert.
Durch eine entsprechende geometrische Vermessung der Topografie der Leiterplatte mit dem wenigstens einen elektronischen Baustein wird die Wärmsenke auf die vor liegende Topographie derart angepasst, dass ein definierter Luftspalt zwischen der Wärmesenke und dem wenigstens einen elektronischen Baustein vorliegt. Unter der Topografie der Leiterplatte ist die dreidimensionale Ausprägung gemeint, so dass die Wärmesenke sich entsprechend dieser Ausprägung anpassen kann.
Der Luftspalt ist dann mit dem wärmeleitfähigen Material ausgefüllt, so dass eine Wärmeleitung zwischen der Wärmesenke und dem wenigstens einen elektronischen Baustein hergestellt ist.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das wärmeleitfähige Material ein Gapfiller ist. Ein Gapfiller ist eine wärmeleitfähige Paste, die beispielsweise Silberpartikel aufweist und durch ihre besondere Wärmeleitfähigkeit sich auszeichnet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen der Wärmesenke und dem wenigstens ei nen elektronischen Baustein mit einer Materialanhäufung auf die Erstreckung in der Höhe eingegangen wird. Vorliegend wird durch die vorhergehende Vermessung der Leiterplatte mit den elektronischen Bausteinen und Paarung mit einer geeigneten Wärmesenke ein definierter Luftspalt erzeugt. Der Luftspalt ist dann mit dem wärme leitfähigen Material ausgefüllt, so dass eine Wärmeleitung zwischen der Wärme senke und dem wenigstens einen elektronischen Baustein hergestellt ist.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass zwischen der Wärmesenke und dem wenigstens einen elektronischen Baustein ein Abstandselement vorgesehen ist, um die Dicke des Luftspalts einzustellen. Dieses Abstandselement wird an die Wärmesenke bei spielsweise angeklebt, angeschweißt oder angeschraubt und erstreckt sich in Rich tung des elektronischen Bausteins. Auch vorliegend wird durch die vorhergehende Vermessung der Leiterplatte mit den elektronischen Bausteinen auf die Erstreckung in der Höhe eingegangen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, dass ein wärmeleitfähiges Material auf den elektronischen Baustein aufgebracht wird und dann die Wärmesenke mit dem Abstandselement darauf aufgebaut ist. Dafür kann dann vorteilhafterweise ein Gapfiller verwendet werden. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Abschnitt der Wärmesenke, der mit dem wärme leitfähigen Material verbunden ist, als Kühlstruktur ausgebildet ist. Die Kühlstruktur kann bspw. in ein Fluid ragen, damit darüber die Wärme abtransportiert werden kann.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Abstandshalter zwischen der Wärmesenke und der Leiterplatte aufweist, um die Dicke des Luftspalts einzustellen. Dieser Abstandshalter wird derart ausgebildet, dass der Luftspalt eine bestimmte Di cke aufweist. Dies erfordert eine Vermessung der Topografie der Leiterplatte.
Eine weitere Ausführungsform, die zusätzlich oder anstatt verwendet werden kann, ist das Abstandselement an der Wärmesenke zum elektronischen Baustein vorhan den ist, der dann über die Wärmeleitpaste mit dem Baustein verbunden wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und werden in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Ge räts;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Ge räts;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts und
Fig. 4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts. Auf einer Leiterplatte LP ist ein elektronischer Baustein CHIP angeordnet, darauf eine Wärmeleitpaste TIM und darauf eine Wärmesenke HS. Die Wärme senke HS liegt auch noch auf der Leiterplatte LP an wenigstens zwei Stellen auf. Zu nächst wird die Topografie der Leiterplatte LP mit den elektronischen Bausteinen er mittelt, so dass die Wärmesenke HS entsprechend darauf angepasst werden kann. Dies kann durch eine Bearbeitung der Wärmesenke HS geschehen. Dann wird auf den elektronischen Baustein CHIP die Wärmeleitpaste TIM aufgebracht, da der Luft spalt zwischen Wärmesenke HS und dem elektronischen Baustein CHIP bekannt ist. Die Wärmeleitpaste TIM wird daher in einer entsprechenden Dicke aufgebracht. Da mit ist eine kräftefreie wärmeleitfähige Verbindung zwischen dem elektronischen Baustein CHIP und der Wärmesenke HS hergestellt.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts. Auf einer Leiterplatte LP ist die Wärmesenke HS aufgebracht. Weiterhin ist auf der Leiterplatte LP der elektronische Baustein CHIP angeordnet, auf den das wärmeleitfähige Material TIM aufgebracht ist. Darauf befindet sich dann ein Ab standshalter AH, der mit der Wärmesenke HS fest verbunden ist. Die Dicke des Ab standshalters AH ist entsprechend eingestellt der Vermessung der Leiterplatte LP mit den darauf befindlichen elektronischen Bausteinen.
Fig. 3 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts. Auf der Leiterplatte LP ist die Wärmesenke HS über Abstandselemente AE aufgebracht. Weiterhin befindet sich auf der Leiterplatte LP beispielhaft ein einziger elektronischer Baustein CHIP. Zwischen dem elektronischen Baustein CHIP und der Wärmesenke HS ist wiederum das wärmeleitfähige Material TIM aufgebracht. Die Abstandselemente AE sind entsprechend in ihrer Dicke, sodass der Luftspalt zwi schen dem elektronischen Baustein CHIP und der Wärmesenke HS entsprechend einstellt.
Fig. 4 zeigt das Herstellungsverfahren zum Zusammenbau des elektronischen Ge räts. Verfahrensschritt 400 wir die Leiterplatte LP vermessen, entweder mit einer La servermessung oder mit einem Fühler, um eine dreidimensionale Karte der Leiter platte zu ermitteln. Danach wird die Wärmesenke HS ausgelegt bzw. die Abstandse lemente AE oder der Abstandshalter H oder die Wärmesenke HS. Dann erfolgt der Zusammenbau, indem auf den elektronischen Baustein oder Bausteinen CHIP das wärmeleitfähige Material TIM aufgebracht wird, um den Luftspalt zwischen der Kühl struktur und dem elektronischen Baustein Chip auszufüllen. Dies geschieht in Verfah re nssch ritt 401 .
Bezuaszeichen
HS Wärmesenke
TIM wärmeleitfähiges Material
Chip elektronischer Baustein
LP Leiterplatte
AH Abstandshalter
AE Abstandselement
400, 401 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1 . Elektronisches Gerät mit wenigstens einem elektronischen Baustein (CHIP), der auf einer Leiterplatte angeordnet ist (LP), und der auf der Oberseite mit einer Wärme senke (HS) kräftefrei verbunden ist.
2. Elektronisches Gerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme senke (HS) derart angeordnet ist, dass ein Luftspalt zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wenigstens einen elektronischen Baustein (CHIP) vorliegt, wobei ein wär meleitfähiges Material (TIM) zum Ausfüllen des Luftspalts vorgesehen ist, das eine Wärmeleitung zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wenigstens einen elektroni schen Baustein (CHIP) herstellt.
3. Elektronisches Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wärme leitfähige Material (TIM) ein Gapfiller ist.
4. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Wärmesenke (HS), der mit dem wärmeleitfähigen Material (TIM) verbunden ist, als Kühlstruktur ausgebildet ist.
5. Elektronisches Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmesenke (HS) und der Leiterplatte (LP) zumindest ein Abstandshalter (AH) vorgesehen ist, um die Dicke des Luftspalts einzustellen.
6. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zwischen der Wärmsenke (HS) und der dem wärmeleitfähigen Material (TIM) wenigstens ein Abstandselement (AE) vorgesehen ist.
7. Verfahren zum Zusammenbau eines elektronischen Geräts, wobei eine Leiter platte (LP), die mit wenigstens einem elektronischen Baustein (CHIP) versehen ist, mit einer Wärmesenke (HS) zur Abfuhr von Wärme von dem wenigstens einem elekt ronischen Baustein (CHIP) zusammengebaut wird, wobei die Verbindung zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wenigstens einen elektronischen Baustein (CHIP) kräftefrei hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftspalt zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wenigstens einen elektronischen Baustein (CHIP) vorgesehen wird, wobei ein wärmeleitfähiges Material (TIM) verwendet wird, das eine Wärmeleitung zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wenigstens einen elektroni schen Baustein (CHIP) herstellt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als das wärmeleitfä hige Material (TIM) ein Gapfiller verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Wärmesenke (HS), der mit dem wärmeleitfähigen Material (TIM) ver bunden wird, als Kühlstruktur ausgebildet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmesenke (HS) und der Leiterplatte (LP) zumindest ein Abstands halter (AH) verwendet wird, um die Dicke des Luftspalts einzustellen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmesenke (HS) und dem wärmeleitfähigen Material (TIM) wenigs tens ein Abstandselement (AE) verwendet wird.
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