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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Konzept zur Befestigung von Bauelementen auf Leiterplatten unter Berücksichtigung von Temperaturvorgaben und insbesondere Integration von Bauelementen in Schaltungen, die eine Wärmesenke zur Abfuhr von Verlustwärme erfordern. Die erfindungsgemäßen Schaltungen sind vor allem zum Einsatz im Automobilbereich geeignet.
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Stand der Technik
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Übliche elektronische Schaltungen sind leiterplattenbasiert, wobei Bauelemente auf eine Leiterplatte montiert sind. Bauelemente mit hoher Verlustwärme weisen Kühlfahnen oder Kühlflächen auf, die an eine Wärmesenke wie beispielsweise einen Kühlkörper angeschlossen werden um zu verhindern, dass das Bauteil eine Maximaltemperatur überschreitet. Es sind so genannte Slug-down- und Slug-up-Gehäuseformen bekannt, wobei bei einem Slug-down-Bauelementetyp Wärmeabgabeflächen des Bauelements zur Leiterplatte hin gewandt sind und mit dieser verbunden sind, um die Abwärme auf diese zu übertragen. Die elektrische Kontaktebene und die Wärmeabgabeebene von Slug-down-Bauelementen befinden sich somit auf der gleichen Seite des Bauelements (auf der Leiterplattenseite). Slug-up-Bauelemente sehen vor, dass die elektrische Kontaktebene auf der Leiterplattenseite ist, wobei Wärmeabgabeflächen auf der entgegengesetzten Seite des Bauelements vorgesehen sind, um auf der Seite, die von der Leiterplatte abgewandt ist, eine Wärmesenke befestigen zu können.
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Üblicherweise wird bei der Slug-up-Bauweise die Wärmeabgabefläche mittels einer wärmeübertragenden Schicht (beispielsweise thermisch leitfähiger Kleber) an beispielsweise einen Deckel gekoppelt oder an Kühlkörper, die auf dem Bauelement aufgesetzt sind.
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Zur mechanischen Befestigung wird bei Slug-up-Bauteilen üblicherweise eine dünne Klebeschicht verwendet, um die Bauelementunterseite mit der Leiterplatte mechanisch zu verbinden. Ein beträchtlicher Teil der Wärme wird daher auch an die Leiterplatte übertragen, so dass die Leiterplatte (wie auch die Wärmeabgabefläche) eine hohe Temperatur erfährt.
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Es wurde erkannt, dass die thermische Übertragung bei üblichen Bauelementkonzepten von Bauelement auf Leiterplatten zu einer ungünstigen Temperaturkonstellation führt. Während bei Chip basierten Bauelementen die maximale Chiptemperatur bei 150°C bis 175°C liegt, ist die maximal zulässige Leiterplattentemperatur bei typischerweise 125°C. Weiterhin werden die Bauelemente insbesondere in der Automobiltechnik in einem geschlossenen Gehäuse vorgesehen, dessen maximal zulässige Innenlufttemperatur typischerweise 105°C beträgt. Bei Slug-down-Bauelementen wird die zur Kühlung vorgesehene Wärmeabgabeflache unmittelbar beim Übertragen an die Leiterplatte angeschlossen, so dass sich im Wesentlichen die gleiche Temperatur für die Leiterplatte wie für den Chip ergibt. Dies trifft auch für Slug-up-Bauelemente zu, bei denen zwar die Wärmeabgabefläche von der Leiterplatte weg weist, jedoch die Unterseite des Bauelements unmittelbar mechanisch mit der Leiterplatte verbunden ist, wobei dies automatisch auch zu einem hohen Wärmeleitwert führt. Daher ergeben sich bei Slug-up-Konzepten die gleichen Probleme, wobei die Leiterplattentemperatur sich der Chiptemperatur auf Grund der Wärmeverbindung annähert.
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Auf Grund dieser Wärmekopplung kann die hohe Maximaltemperatur des Chips (typischerweise 150°C) nie verwendet werden, da auf Grund der Wärmekopplung bei derartigen Temperaturen die maximale Leiterplattentemperatur und die maximale Innenlufttemperatur weit überschritten werden. Bei hohen, jedoch zulässigen Chiptemperaturen wird die Leiterplatte stark thermisch beansprucht, wobei weiterhin über die Leiterplatte auch benachbarte Bauteile gegebenenfalls eine zu hohe Temperatur erfahren.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren vorzusehen, mit dem sich ein effizienteres Wärmemanagement erreichen lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe ist gelöst durch die Vorrichtung und das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung ermöglicht eine thermische Entkopplung von Bauelement und Leiterplatte, so dass die geringere Maximaltemperatur der Leiterplatte nicht mehr beschränkend für die Temperatur des Bauelements ist, das eine höhere Maximaltemperatur aufweist. Das Bauelement kann dadurch besser bis an seine thermische Grenze hin betrieben werden, wodurch sich auf Grund des höheren Temperaturunterschieds auch die Kühleffizienz erhöht. Typischerweise haben Kühlkörper, die auf einem Bauelement aufgesetzt sind, eine höhere Maximaltemperatur als der Chip. Werden beispielsweise übliche Aluminiumkühlkörper verwendet oder auch Gehäusedeckel (üblicherweise aus Stahlblech), können diese mit deutlich höheren Temperaturen (im Wesentlichen lediglich begrenzt durch die maximale Chiptemperatur) betrieben werden; es ergeben sich daher eine deutlich bessere Kühlungseffizienz und eine stärkere Konvektionsströmung an den Kühlkörper. Ferner ermöglicht die gezielte Führung der Wärmeableitung durch den Kühlkörper zu einer Entlastung anderer Bauteile, die gegebenenfalls wärmeempfindlich sind. Damit kann einerseits ein Kühlkörper mit einer sehr hohen Temperatur und somit mit einem hohen Temperaturunterschied betrieben werden, und andererseits werden wärmeempfindlichere Bauteile bzw. Komponenten durch die gezielte thermische Entkopplung geschützt.
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Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept ist es, zwischen wärmeerzeugenden Bauelementen und Leiterplatte eine thermische Entkopplung vorzusehen, d. h. ein thermische Isolation, die es ermöglicht, dass das Bauelement selbst mit hohen Temperaturen betrieben werden kann (wie auch der daran angeschlossene Kühlkörper), ohne das gleichzeitig die Leiterplatte thermisch beansprucht wird. Dieses Konzept ist für Slug-up-Bauelemente geeignet, da diese die Wärme über eine Wärmeabgabefläche abgeben, die der Leiterplatte entgegengesetzt ist. Die elektrischen Anschlüsse sind unmittelbar mit der Leiterplatte verbunden, wobei jedoch auf Grund des geringen Querschnitts nur geringfügig Wärme über die elektrischen Anschlüsse übertragen wird. Zur mechanischen Fixierung wird darüber hinaus das Bauelement über ein Befestigungselement mit der Leiterplatte verbunden, das Wärme isolierend ist. Die Verwendung eines wärmeisolierenden Befestigungselements (anstatt von Befestigungsmechaniken, die eine hohe Wärmeübertragung zwischen Bauelement und Leiterplatte vorsehen) spiegelt das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wieder und bildet die Grundlage für die Wirkungsweise der Erfindung, die zu den oben genannten Vorteilen führt.
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Als Bauelement werden somit Bauelemente verwendet, deren Kontaktebene auf der Seite des Bauelements vorgesehen ist, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der die Wärmeabgabefläche sich erstreckt. Nach einer Seite, d. h. von der Leiterplatte weg, wird daher unter Verwendung von hohen Temperaturen (insbesondere bis zur maximalen Chiptemperatur) die Abwärme abtransportiert, wobei die hohe Temperatur mit hohen Temperaturdifferenzen verknüpft ist, welche in einer hohen Wärmeabgabeeffizienz resultieren. Auf der anderen Seite, entgegengesetzt zu der Richtung des Wärmetransports, wird das Bauelement mechanisch auf der Leiterplatte fixiert und es werden ferner in dieser Richtung die elektrischen Anschlüsse zwischen Bauelement und Leiterplatte vorgesehen.
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Diese Richtungstrennung für Wärmetransport einerseits und mechanische Fixierung/elektrischer Anschluss andererseits ermöglicht eine temperaturspezifische Unterscheidung für die einzelnen Komponenten. Während die Richtung der elektrischen Anbindung (d. h. die Richtung der elektronischen Anschlüsse) optional ist, wird erfindungsgemäß die Wärmeabgabe auf der Bauelementseite vorgesehen, die entgegengesetzt zu der Seite ist, auf der die mechanische Verbindung zwischen Bauelement und Leiterplatte stattfindet. Insbesondere ist die Wärmeabgabefläche und somit die Wärmeabfuhrrichtung entgegengesetzt zu der Seite des Bauelements, auf der die Leiterplatte angeordnet ist. Die mechanische, (und auch elektronische), jedoch wärmeisolierende Verbindung zwischen Bauelement und Leiterplatte ist vorzugsweise zwischen einer Gehäuseseite des Bauelements, die der Leiterplatte zugewandt ist, und der Leiterplatte vorgesehen. Jedoch können auch andere Befestigungselemente vorgesehen sein, die prinzipiell das Bauelement gegenüber der Leiterplatte fixieren (die beispielsweise seitlich oder von der Seite der Wärmeabgabefläche her das Bauelement mechanisch kontaktieren), jedoch gleichzeitig gewährleisten, dass das Bauelement gegenüber der Leiterplatte wärmeisoliert ist.
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Die Erfindung sieht somit eine Schaltung mit einer Leiterplatte und einem wärmeerzeugenden Bauelement vor, wobei elektrische Anschlüsse des Bauelements sich zu der Leiterplatte hin erstrecken und das Bauelement elektrisch mit diesem verbinden. Das Bauelement hat eine der Leiterplatte zugewandte Bauelementsgehäuseseite und eine hierzu entgegensetzte Wärmeabgabefläche, die sich auf der zu der Bauelementgehäuseseite entgegensetzten Seite des Bauelements erstreckt. Die erfindungsgemäße Wärmetrennung wird vorgesehen, in dem die Gehäuseseite über ein Befestigungselement mit der Leiterplatte verbunden ist, das selbst wärmeisolierend ist. Mit dieser Struktur bzw. mit diesem Befestigungselement ist, bezogen auf eine Wärmeübertragung, die Bauelementgehäuseseite von der Leiterplatte getrennt.
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Es werden verschiedene Mechanismen vorgeschlagen, um das Befestigungselement wärmeisolierend vorzusehen. Zum einen kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials selbst verringert werden. Ferner kann das Material in einer Struktur vorgesehen sein, die die Wärmeisolation vorsieht. Zudem kann die Schichtdicke, d. h. der Abstand zwischen Leiterplatte und Bauelementgehäuseseite, die von dem Befestigungselement überbrückt wird, so gewählt werden, dass sich eine gute Wärmeisolation allein auf Grund des Abstands ergibt. Als weitere Maßnahme kann das Befestigungselement auf Grund der Wahl der Fläche, mit dem dieses die Bauelementgehäuseseite und/oder die Leiterplatte berührt, wärmeisolierend vorgesehen sein. Schließlich kann die Wärmeisolation durch das Befestigungselement mittels eines Kontaktwiderstands wärmeisolierend vorgesehen sein.
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Um eine Wärmeisolation vorzusehen, werden daher die folgenden Maßnahmen getroffen, die in beliebiger Weise miteinander kombinierbar sind: Verwenden von geringfügig wärmeleitenden Material für das Befestigungselement (oder eines Teils hiervon), Verwendung von Materialstrukturen, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen (insbesondere Schäume), Verwendung von Befestigungselementen, deren Dicke (d. h. Abstand zwischen Bauelementgehäuseseite und Leiterplatte) deutlich größer sind als übliche Kontaktschichtdicken, insbesondere mehr als 2, 3 oder 5 mm, Verwendung von geringen Kontaktflächen, beispielsweise indem das Befestigungselement einen Querschnitt aufweist, der geringer, insbesondere ein Vielfaches geringer als der Flächeninhalt der Bauelementgehäuseseite ist.
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Es ist daher vorgesehen, wärmeisolierendes Material, insbesondere Kunststoff oder Keramik für das Befestigungselement zu verwenden, das Befestigungselement als Verbindungselement mit einem Kontaktquerschnitt zu verwenden, der wesentlich kleiner als der Inhalt der Fläche der Bauelementgehäuseseite ist, die der Leiterplatte zugewandt ist, das Befestigungselement durch ein Verbindungselement vorzusehen, das einen Abstand zwischen Bauelementgehäuseseite und Leiterplatte überbrückt, der größer als übliche Klebeschichtdicken ist, d. h. insbesondere dicker als die Leiterplatte oder dicker als 2, 3, 5 oder auch 10 mm. Ferner wird erfindungsgemäß als Befestigungselement ein geschäumter Körper verwendet, insbesondere ein geschäumter Festkörper, beispielsweise ein geschäumter Kunststoff oder besonders bevorzugt beschäumter Klebstoff. Ferner eignet sich als Material für das Befestigungselement auch wärmeisolierender Klebstoff, der keine wärmeleitenden Zusätze enthält. Um den Wärmeübertragungsquerschnitt zu verringern, wird das Befestigungselement vorgesehen als dünner Steg, insbesondere aus Kunststoff, als dünner Pin, insbesondere ebenso aus Kunststoff oder eine Vielzahl hiervon. Die Stege und Pins haben jeweils eine Kontaktfläche, die kleiner, insbesondere um ein Vielfaches, als der Inhalt der Fläche der Bauelementgehäuseseite, die der Leiterplatte zugewandt ist. Auch bei der Verwendung von mehreren Stegen oder Pins ist die Gesamtquerschnittfläche der als Befestigungselement verwendeten Stege oder Pins deutlich kleiner als der Inhalt der Fläche der Bauelementgehäuseseite, die der Leiterplatte zugewandt ist. Die Gesamtquerschnittsfläche kann insbesondere weniger als die Hälfte, weniger als ein Viertel, weniger als ein Zehntel oder weniger als ein Zwanzigstel des Flächeninhalts der Bauelementgehäuseseite sein. Als Bauelementgehäuseseite ist insbesondere der Flächenabschnitt des Bauelementgehäuses zu betrachten, der Parallel zur Leiterplatte verläuft. Da gemäß dem Stand der Technik die gesamte Unterseite des Bauelements, d. h. die gesamte Bauelementgehäuseseite mit einer dünnen Klebeschicht mit der Leiterplatte verbunden wird, ergibt sich durch den wesentlich geringeren Querschnitt des Befestigungselements allein auf Grund des geringen Querschnitts ein wesentlich höherer Wärmewiderstand.
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Durch jede einzelne dieser Maßnahmen, die beliebig kombiniert werden können, wird erreicht, dass im Betrieb der Chip und auch die Wärmeabgabefläche eine höhere Temperatur aufweisen können als im Stand der Technik, während die Leiterplatte eine deutlich geringere Temperatur im Vergleich hierzu aufweist. Der sich ergebende Temperaturunterschied zwischen Bauelement und Leiterplatte ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung deutlich größer als bei Schaltungen gemäß dem Stand der Technik. Dieser Temperaturunterschied kann zur Strom- bzw. Spannungsgewinnung verwendet werden mittels Peltier- oder Seebeck-Elemente (oder andere thermoelektrische Elemente), die zwischen Bauelementsgehäuseseite und Leiterplatte vorgesehen werden. Ferner kann die höhere Temperatur des Bauteils verwendet werden, um mit der Wärmeabgabe des Bauteils Heatpipes und deren Sammelmedium auf eine Temperatur zu erhitzen, die höher ist, als die Temperatur, die mit Schaltungen gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist.
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Die Wärmeabgabefläche des Bauteils ist von der Leiterplatte weg gerichtet und ist vorzugsweise Wärme leitend mit einem Kühlkörper verbunden. Diese Verbindung kann direkt, insbesondere über eine Wärmeleitpasteschicht oder über ein Wärmeleitpad vorgesehen werden, oder es kann zusätzlich ein Wärmespreizer vorgesehen sein, der zunächst mit der Wärmeabgabefläche verbunden ist, und an dem der Kühlkörper angeordnet ist. Der Wärmespreizer kann über eine Wärmeleitschicht (Wärmeleitpaste oder Wärmepad) mit der Wärmeabgabefläche des Bauelements verbunden sein. Vorzugsweise wird jedoch der Wärmespreizer unmittelbar an das Bauelement angelötet oder auf andere Weise stoffschlüssig verbunden, wobei der Wärmespreizer, ebenso wie die Wärmeabgabefläche des Bauelements aus Metall vorgesehen ist. Vorteilhafterweise hat der Wärmespreizer einen Querschnitt mit einem Flächeninhalt, der deutlich größer ist als der Inhalt der Wärmeabgabefläche, beispielsweise um 50%, 100% oder 200% größer ist als der Inhalt der Wärmeabgabefläche. Dieser, deutlich über die Wärmeabgabeflache hinausragende Wärmespreizer ist vorzugsweise unmittelbar an der Wärmeabgabefläche angelötet oder mit dieser auf andere Weise stoffschlüssig verbunden.
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Der Kühlkörper und/oder der Wärmespreizer ist aus wärmeleitenden Material vorgesehen, insbesondere aus Aluminium, Kupfer oder Stahl. Der Kühlkörper kann ein individueller Kühlkörper mit entsprechend geformten Wärmeabgabeflächen sein (beispielsweise in Form von Kühlfingern), der auf der Wärmeabgabeflache befestigt ist. Insbesondere eignet sich ein äußeres Gehäuse bzw. eine wärmeleitende Gehäusefläche eines Gehäuses, in dem die Schaltung selbst vorgesehen ist. Die Schaltung ist somit als gekapselte Schaltung vorgesehen, die ein Gehäuse umfasst, in der die Schaltung vorgesehen ist. Ein derartiges Gehäuse ist beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Stahlblech gefertigt oder umfasst zumindest eine Metall- oder Stahlblechfläche. Das hier beschriebene Gehäuse, in dem die Schaltung vorgesehen ist, ist ein Außengehäuse, beispielsweise eines Steuerungsmoduls und umgreift die Schaltung vollständig, um diese einzukapseln. Von diesem äußeren, die gesamte Schaltung umgebenden Gehäuse ist das Bauelementgehäuse selbst strikt zu unterscheiden, welches einen unmittelbar elektrisch oder elektronisch aktiven oder funktionellen Körper umschließt, beispielsweise ein Gussgehäuse eines integrierten Schaltkreises, der einen Halbleiter unmittelbar umschließt. In gleicher Weise ist beispielsweise ein Metall-, Keramik- oder Kunststoffgehäuse eines Leitungshalbleiters oder eines Hochleistungsprozessors anzusehen, wobei das Metall, die Keramik oder der Kunststoff das wärmeerzeugende elektrisch bzw. elektronisch funktionelle bzw. aktive Element selbst umschließt. Im Gegensatz hierzu ist das als Kühlkörper vorgesehene, äußere Gehäuse nicht in unmittelbarer Verbindung mit einem Halbleiterkörper oder einem anderen unmittelbar elektronisch aktiven oder funktionellen Körper.
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Die erfindungsgemäße Schaltung kann ferner mehrere Bauelemente aufweisen, die erfindungsgemäß auf der Leiterplatte fixiert sind. Bei der Verwendung von mehreren Bauelementen ermöglicht die Erfindung, dass diese mit ihren Wärmeabgabeflachen in der gleichen Ebene angeordnet werden, wodurch sich die Anordnung eines Kühlkörpers deutlich vereinfacht. Als ausgleichendes Element kann hier das erfindungsgemäße Befestigungselement verwendet werden, da dessen Höhe beliebig gewählt werden kann, im Gegensatz zu Befestigungselementen gemäß dem Stand der Technik, die so dünn wie möglich sein müssen, um eine geeignete Wärmeleitung zu ermöglichen. Die Schaltung umfasst daher mehrere wärmeerzeugende Bauelemente, die jeweils eine Wärmeabgabefläche aufweisen, wobei die Wärmeabgabeflächen der Bauelemente in einer gemeinsamen Ebene liegen. Insbesondere umfassen die mehrere Bauelemente unterschiedliche Bauelemente, die sich insbesondere in ihrer Höhe bzw. in ihrer Dicke unterscheiden, wodurch sich unterschiedliche Abstände zwischen den Bauelementgehäuseseiten und der Leiterplatte ergeben. Diese unterschiedlichen Abstände werden vollständig von dem Befestigungselement überbrückt, so dass die Befestigungselemente Höhen aufweisen, die den jeweiligen Abständen zwischen Bauelementgehäuseseite und Leiterplatte entsprechen, um die Unterschiede ausgleichen zu können, während die Wärmeabgabeflächen in der gleichen Höhe vorgesehen werden können.
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Bei der Verwendung von mehreren Bauelementen, die jeweils mindestens eine Wärmeabgabefläche aufweisen, umfasst die Schaltung zumindest einen Kühlkörper, einen Wärmespreizer oder eine Gehäusefläche eines Gehäuses, das die Schaltung umgreift, wobei ein einzelner Wärmespreizer, ein einzelner Kühlkörper oder eine einzelne Gehäusefläche auf mindestens zwei oder auf allen Wärmeabgabeflächen gleichzeitig angeordnet ist. Somit weisen Wärmeabgabeflächen unterschiedlicher Bauelemente den gleichen Kühlkörper, den gleichen Wärmespreizer oder die gleiche Gehäusefläche auf, über die diese Wärme abgeben. Insbesondere wenn, wie oben beschrieben, die Wärmeabgabeflächen in einer gemeinsamen Ebene liegen, so erstrecken sich auch der Kühlkörper, der Wärmespreizer bzw. die Gehäusefläche innerhalb dieser Ebene, wodurch sich eine besonders einfache Ausgestaltung des Gehäuses, des Wärmespreizers bzw. des Kühlkörpers ergibt.
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Wie oben bemerkt kann zur Rückgewinnung von Wärme bzw. Energie das Befestigungselement ein Peltier-Element, ein Seebeck-Element oder eine Heatpipe umfassen, wobei das Peltier-Element oder das Seebeck-Element eine Wärmesenkenkontaktfläche aufweisen, die mit der Leiterplatte wärmeleitend verbunden ist, und die eine Wärmequellenkontaktquelle aufweist, die mit dem Bauelement, insbesondere mit der Bauelementgehäuseseite wärmeleitend verbunden ist. Die Heatpipe weist hierbei eine Außenfläche auf, die mit dem Bauelement bzw. mit der Bauelementgehäuseseite wärmeleitend verbunden ist. Somit kann die höhere Temperatur des Bauelements und insbesondere der höhere Temperaturunterschied zwischen Leiterplatte und Bauelement zur effizienteren Energierückgewinnung verwendet werden.
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Das Bauelement ist als elektrisches oder elektronisches Bauelement mit einer thermischen Verlustleistung von mindestens ½, 1, 2, 5 oder 100 Watt vorgesehen und hat auf Grund von hohen Betriebsströmen, einer hohen Leistung und/oder auf Grund einer hohen Arbeitslastfrequenz eine hohe Verlustwärme. Als Bauelement kann vorgesehen sein: ein Transistor, MOSFET, ein Bipolar-Transistor, ein JFET-Transistor, eine Hochleistungsdiode (insbesondere eine Schottly-Diode), ein TRIAC oder andere Leistungshalbleiter, Prozessoren oder andere integrierte Schaltkreise, die eine hohe Verlustwärme aufweisen bzw. gekühlt werden müssen, elektrische Bauteile wie Widerstände oder Spulen, die während des Betriebs eine hohe Verlustwärme aufweisen oder andere Bauelemente, die einer Kühlung bedürfen.
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Die Erfindung wird ferner umgesetzt durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltung, wobei ein wärmeerzeugendes Bauelement auf eine Leiterplatte durch elektrisches Verbinden des Bauelements mit der Leiterplatte verbunden wird, wobei erfindungsgemäß eine Bauelementgehäuseseite des Bauelements mittels eines wärmeisolierenden Befestigungselements auf der Leiterplatte mechanisch befestigt wird, um das Bauelement wärmeisoliert auf der Leiterplatte mechanisch zu fixieren. Das elektrische Verbinden kann mit dem mechanischen Fixieren einhergehen oder es kann zunächst die mechanische Fixierung durchgeführt werden, indem das Befestigungselement angebracht wird, woraufhin die elektrische Verbindung vorgesehen wird. Das elektrische Verbinden des Bauelements auf die Leiterplatte hängt von dem Typ des Bauelements ab, wobei die Bauelemente prinzipiell SMD-Bauteile oder Durchstecktechnik-Bauteile sein können. Das mechanische Befestigen des Bauelements wird durch das Anordnen eines oben beschriebenen Befestigungselements vorgesehen, insbesondere durch Kleben des Befestigungselements. Bei der Verwendung von Klebstoff als Befestigungselement wird die mechanische Fixierung vorgesehen, indem Klebstoff, insbesondere geschäumter Klebstoff in einen Zwischenraum zwischen Leiterplatte und Bauelementgehäuseseite eingebracht wird. Alternativ kann zunächst die Leiterplatte oder die Bauelementgehäuseseite mit Klebstoff, insbesondere geschäumten Klebstoff beschichtet werden, woraufhin Bauelemente und Leiterplatte zusammengefügt werden. Bei der Verwendung von Stegen, Pins oder ähnlichen Festkörpern als Befestigungselement werden diese auf Leiterplatte und Bauelementgehäuseseite geklebt. Insbesondere kann das mechanische Fixieren vorgesehen werden durch eine Vielzahl von aufeinander folgenden Befestigungsschritten, die jeweils Teile des Befestigungselements befestigen, wobei die Teile durch die Vielzahl von Befestigungsschritten und durch deren Aufbau eine Vielzahl von Wärmelücken aufweisen, wodurch die Wärmeisolierung vorgesehen wird.
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Erfindungsgemäß kann ferner das Verfahren ausgeführt werden, indem ein Kühlkörper, eine Gehäusefläche eines Gehäuses oder ein Wärmespreizer mit der Wärmeabgabefläche verbunden wird, insbesondere durch eine Verbindung einer Kombination hiervon. Beispielsweise kann zunächst ein Wärmespreizer auf die Wärmeabgabefläche aufgebracht werden, woraufhin ein Kühlkörper auf den Wärmespreizer aufgebracht wird. Der Wärmespreizer kann ferner zunächst auf den Kühlkörper aufgebracht werden, woraufhin die Wärmeabgabefläche mit dem Wärmespreizer verbunden wird. Das Verbinden kann das Anbringen von Wärmeleitpaste oder von Wärmeleitpads umfassen, insbesondere von Wärmeleitklebstoff. Auch hier kann bei der Verwendung eines Wärmespreizers dieser eine deutlich größere Fläche aufweisen als die Wärmeabgabefläche, wodurch die Wärmespreizung verbessert wird und es insbesondere möglich ist, einen Kühlkörper mit der gleichen Fläche wie der Wärmespreizer oder einer größeren Fläche wie der Wärmespreizer mit geringem Wärmewiderstand aufzubringen.
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Durch die oben dargestellten Vorgehensweisen kann die Wärmeleitfähigkeit des Kontakts zwischen Bauelementgehäuseseite und Leiterplatte gegenüber einer Befestigungsstruktur (beispielsweise einer Klebeschicht) gemäß dem Stand der Technik um den Faktor 10 verringert sein, so dass als wärmeisolierendes Befestigungselement Befestigungselemente vorgesehen werden, deren Wärmeübertragungsfähigkeit um den Faktor 10 verringert sind gegenüber üblichen großflächigen Klebeflächen aus wärmeleitenden Klebstoff.
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Da erfindungsgemäß zwischen Bauteil und Leiterplatte eine Wärmeisolierung vorgesehen ist, kann ferner darauf verzichtet werden, dass Wärmespreizelemente auf der Leiterplatte vorgesehen werden (üblicherweise Abschnitte der Kupferkaschierung), wodurch zusätzlich Rohmaterial eingespart wird und eine höhere Integration der Bauelemente ermöglicht wird. Ferner können Leiterplatten verwendet werden, die keine Wärmeverbindungen durch die Leiterplatte hindurch aufweisen (thermal wires), wodurch die Komplexität der Leiterplatte weiterhin verringert werden kann. Darüber hinaus ergibt sich ein zusätzlich erhöhter Integrationsgrad.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltung 10 mit einer Leiterplatte 20 dargestellt, auf der ein wärmeerzeugendes Bauelement 30, 40, 50 dargestellt ist. Das Bauelement umfasst einen Chip 30, der von einer Mouldmasse bzw. Spritzgussmasse 40 umgeben ist, die das Bauelementgehäuse vorsieht. Der Chip selbst ist ferner auf einem sogenannten Case, d. h. einem Wärmeleitkörper 50 befestigt, der die Wärmeabgabefläche 60 vorsieht. Das Bauelementgehäuse 40 bildet eine Bauelementgehäuseseite 70, die zur Leiterplatte 20 hin gewandt ist. Die Wärmeabgabefläche 60 ist über eine Lotschicht 80 und über eine Klebeschicht 90 mit dem Kühlkörper 100 verbunden, der von einem Gehäusedeckel vorgesehen wird. Die Klebeschicht 90 bzw. die Lotschicht 80 sind optional, beispielsweise kann die Lotschicht 80 weggelassen werden, und die Wärmeabgabeflache 60 ist unmittelbar über die Klebeschicht 90 mit dem Gehäusedeckel 100 verbunden.
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Um die erfindungsgemäße Wärmeisolierung vorzusehen umfasst die Schaltung ferner ein Befestigungselement 110, das in 1 als poröser, d. h. geschäumter Kleber vorgesehen ist. Es ist zu erkennen, dass das Befestigungselement 110 (d. h. die Klebeschicht) nicht die volle Oberfläche der Bauelementgehäuseseite 70 abdeckt. Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Abstand zwischen Leiterplatte 20 und Bauelementgehäuseseite 70, die von dem Befestigungselement 110 überbrückt wird. Alleine durch den Abstand ergeben sich daher hohe Wärmeübertragungswiderstände, wobei diese zusätzlich von dem geschäumten Material des Befestigungselements 110 unterstützt werden. Eine weitere Möglichkeit des Befestigungselements 110, das als Alternative zu dem porösen Kleber anzusehen ist, wird gebildet von einem Kunststoffsteg oder einem Pin 120, der zum einen über eine Klebeschicht 130 mit der Leiterplatte 20 verbunden ist, und zum anderen mit einer weiteren Klebeschicht 140 mit der Bauelementgehäuseseite verbunden ist. Da der Kunststoffsteg bzw. Pin 120 selbst eine ausreichende Länge aufweist und aus wärmeisolierendem Material hergestellt ist (beispielsweise Kunststoff oder Keramik), können die Klebeschichten 130, 140 gegebenenfalls von wärmeleitendem Kleber, jedoch bevorzugt aus einem nicht wärmeleitenden Kleber vorgesehen sein.
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Anhand der Reihenfolge der Schichten 130, 140 und des Pins 120 ist zu erkennen, dass das Befestigungselement aus mehreren Abschnitten bestehen kann (d. h. Klebeschichten und Festkörper), wobei zur Ausführung der Erfindung es erforderlich ist, dass zumindest eines dieser Elemente mit einem hohen Wärmewiderstand vorgesehen ist. Bei Befestigungselementen, die aus mehreren Abschnitten bestehen, sind diese Abschnitte als Serienschaltung von einzelnen Befestigungsteilelementen anzusehen, von denen zumindest eines wärmeisolierend ist, um diese Serienschaltung insgesamt als wärmeisolierendes Befestigungselement vorzusehen.
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Schließlich sind elektrische Anschlüsse 150 vorgesehen, mit denen das Bauelement 30, 40, 50 mit der Oberfläche der Leiterplatte 20 verbunden ist. Im Falle der Ausführungsform von 1 ist das Bauelement als SMD-Bauelement ausgeführt, so dass die elektrische Verbindung zwischen Bauelement und der Oberfläche der Lagerplatte vorgesehen ist, die dem Bauelement zugewandt ist. Bei Bauelementen in Durchstecktechnik (nicht dargestellt) würden die elektrischen Anschlüsse durch die Leiterplatte 20 hindurch verlaufen und auf der Seite der Leiterplatte 20 elektrisch angeschlossen werden, die von dem Bauelement abgewandt ist. Es ist zu erkennen, dass die elektrischen Anschlüsse 150, (obwohl diese aus Metall vorgesehen sind) keine wesentliche Wärmeübertragung vorsehen, alleine auf Grund ihres Querschnitts.
