DE10065857A1 - Wärmeableitung aus Kunststoffgehäusen elektronischer Baugruppen - Google Patents

Abstract

Mit zunehmender Miniaturisierung elektronischer Baugruppen, die zu einer Steigerung der Verlustwärmedichte führt, stößt die Wärmeableitung auf mehr und mehr Schwierigkeiten. DOLLAR A Zur Behrrschung dieses Problems wird vorgeschlagen, daß eine Gehäusewand (1) einer elektronischen Baugruppe mindestens einen Bereich erhöhter thermischer Leitfähigkeit aufweist, indem dieser als eine Komponente aus einem wärmeleitenden Kunststoff beim Mehrkomponentenspritzgießen oder durch Umspritzen eines Inserts aus einem wärmeleitenden Kunststoff oder aus Metall hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Wärmeableitung aus Kunststoffge­ häusen elektronischer Baugruppen, insbesondere aus Gehäusen, die unmittelbar als Schaltungsträger fungieren.

Die Wärmeableitung von elektronischen Schaltungen erfolgt üb­ licherweise durch Herausleiten der Wärme über den Substrat­ werkstoff auf die Gehäuseaußenseite oder durch Anbringen von separaten metallischen Kühlkörpern. Diese geben ihre Wärme an die Umgebung innerhalb des Gehäuses ab. Bei hohen Verlust­ leistungen der elektronischen Schaltungen müssen deshalb die Gehäuse eine entsprechende Luftzirkulation ermöglichen. Gege­ benenfalls werden zusätzlich Lüfter oder zumindest Luftaus­ lässe zur Erzielung einer Konvektion eingebaut.

Mit zunehmender Miniaturisierung elektronischer Baugruppen, die zu einer Steigerung der Verlustwärmedichte führt, stößt die Wärmeableitung auf mehr und mehr Schwierigkeiten.

So hat der Trend zur Miniaturisierung und zur technologisch einfachen Herstellung von Elektronik-Bauteilen in jüngster Zeit z. B. zu Systemen geführt, bei denen Leiterbahnen direkt in die innenseitige Oberfläche von Kunststoffgehäusen integriert und von dort mit Mikroprozessoren, Sensoren, Schaltern etc. verbunden sind. Auf eine separate Leiterplatte kann dann verzichtet werden. Die Wärmeableitung von leistungselektronischen Bauelementen erfolgt in herkömmlicher Weise durch Kühlkörper, die nach dem Spritzgießen des Gehäu­ ses und erfolgter Verschaltung durch Durchbrüche im Gehäuse auf die leistungselektronischen Bauelemente aufgesetzt wer­ den. Gegebenenfalls wird zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Bauelement und Kühlkörper noch eine Wärmeleitpaste eingebracht. Dieser Aufbau erfordert mehrere technologische Arbeitsgänge mit erheblichem Arbeitsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für Kunststoffgehäuse elektronischer Baugruppen anzugeben, mit der die Wärmeableitung aus dem Gehäuseinneren optimiert und gleichzeitig der technologische Aufwand für die Herstellung der Gehäuse plus der wärmeableitenden Bauteile und Maßnahmen minimiert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach erfolgt eine Wärmeableitung aus dem Gehäuseinneren nach außen oder eine Wärmespreizung innerhalb des Gehäuses dadurch, daß eine Gehäusewand mindestens einen Bereich erhöh­ ter thermischer Leitfähigkeit aufweist, indem dieser als eine Komponente aus einem wärmeleitenden Kunststoff beim Mehrkom­ ponentenspritzgießen oder durch Umgießen eines Inserts aus einem wärmeleitenden Kunststoff oder aus Metall hergestellt ist.

Kunststoffe sind aufgrund der fehlenden freibeweglichen Elektronen schlechte Wärmeleiter. Ihre Wärmeleitfähigkeit liegt um ein mehrfaches niedriger als die von Metallen.

Zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit können Kunst­ stoffe mit Metall- oder Keramikpulvern compoundiert werden. In den Fällen, wo bei Verwendung von Metallpulver die erhöhte elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffes unerwünscht ist, ist der Einsatz von keramischen Füllstoffen wie Silikatoxid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid angezeigt. Gezielt einge­ brachte Anisotropien der Wärmeleitfähigkeit mit einer Vor­ zugsrichtung, z. B. durch faserförmige Füllstoffe, können ge­ zielt genutzt werden, um die Wärme gerichtet durch das Bau­ teil abzuleiten.

Alternativ dazu ist es möglich, nur mit einer Spritzgusskom­ ponente zu arbeiten und vorgefertigte Inserts aus thermisch leitfähigem Kunststoff oder aus Keramik oder Metall, z. B. Magnesium oder Aluminium, in den Kunststoff einzubringen.

Thermisch leitfähige Bereiche eines Kunststoffgehäuses können nicht nur zur Ableitung entstehender Wärme von Leistungsbau­ elementen dienen. Sie können auch dort zur Wärmeübertragung genutzt werden, wo gezielt Wärme durch ein Widerstandsheiz­ element erzeugt wird, um z. B. eine elektronische Baugruppe auf einer optimalen oder für deren Funktion nötigen Mindest­ temperatur zu halten oder um aus Gründen des Bedienkomforts ein "warmes" Bedienelement zur Verfügung zu haben. So können beispielsweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen (weniger als -10°C) Bedienarmaturen in Automobilen wie Schalter oder ein Fingerprintsensor bei Fahrtbeginn so kalt sein, daß ein Finger durch Anhaften der Haut zum "Klebenbleiben" neigt. Durch Heizen eines in ein elektronisches Bauteil integrierten Bedienelements mittels Widerstandsheizung und der Wärmelei­ tung und -verteilung von dort über einen thermisch leitfähi­ gen Bereich im Gehäuse, z. B. dem Bereich unter einem Schal­ ter, gelingt es, derartiges Anhaften zu verhindern.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß auf das separate Anbringen von Kühlkörpern nunmehr verzichtet werden kann. Die Wärme wird dicht am Entstehungsort aufgenommen. Außerdem werden neue gestalterische Lösungen ermöglicht.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ piels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Gehäuseteil eines elektronischen Bauteils mit einer Schaltung, die in die innere Oberfläche des Gehäuses integriert ist.

Derartige Bauteile sind unter dem Begriff 3D-MID bekannt ge­ worden. 3D-MID sind multifunktionale, produktspezifische Bauteile mit integrierten elektrischen und gegebenenfalls weite­ ren mechanischen oder optischen Funktionen.

Ein Gehäuseteil 1 aus Kunststoff trägt in seiner inneren Oberfläche Leiterbahnen 2, die mit einem Chip 3 beispiels­ weise zur Verarbeitung von Sensordaten verbunden sind. Das Gehäuseteil 1 wird im Mehrkomponentenspritzgießverfahren spritzgegossen, wobei ein Kühlkörper 4 aus wärmeleitendem Kunststoff mit angegossen wird. Auf den Kühlkörper 4 wird nach dem Spritzgießen der Chip 3 aufgesetzt. Der wärmelei­ tende Kühlkörper 4 ist ein Compound aus Kunststoff und Kera­ mikpulver.

Neben dem Kühlkörper 4 wird ein zweiter thermisch gut leiten­ der Bereich, nämlich ein Heizbereich 5 mit angegossen, über dem später ein Fingerprintsensor 6 angeordnet ist. In den Spritzguß integriert ist ein Widerstandsheizelement 7, mit dem der Heizbereich 5 bei niedriger Außentemperatur beheizt werden kann, so daß bei der Bedienung ein Finger nicht auf dem Fingerprintsensor 6 aufgrund der Kältewirkung anhaftet.

Claims (6)

1. Wärmeableitung aus Kunststoffgehäusen elektronischer Bau­ gruppen, insbesondere aus Gehäusen, die unmittelbar als Schaltungsträger fungieren, dadurch gekennzeichnet, daß, eine Gehäusewand (1) mindestens einen Bereich erhöhter ther­ mischer Leitfähigkeit aufweist, indem dieser als eine Kompo­ nente aus einem wärmeleitenden Kunststoff beim Mehrkomponen­ tenspritzgießen oder durch Umspritzen eines Inserts aus einem wärmeleitenden Kunststoff oder aus Metall hergestellt ist.

2. Wärmeableitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der wärmeleitenden Kunststoffkomponente Metallpul­ ver beigemischt ist.

3. Wärmeableitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der wärmeleitenden Kunststoffkomponente Keramikpul­ ver beigemischt ist.

4. Wärmeableitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der wärmeleitenden Kunststoffkomponente Fasermate­ rial beigemischt ist.

5. Wärmeableitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich erhöhter thermi­ scher Leitfähigkeit in Verbindung mit einem Bedienelement (6) steht und durch ein Widerstandsheizelement (7) beheizt ist.

6. Wärmeableitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich erhöhter thermischer Leit­ fähigkeit in Verbindung mit einer elektronischen Baugruppe steht und durch ein Widerstandsheizelement (7) beheizt ist.