-
Seit Jahrzehnten gehen die Entwicklungstrends zu feineren Leiterbahnenstrukturen mit engerer Bestückung auf bedruckten oder kaschierten und geätzten Leiterplatten, gegebenenfalls unter Einsatz von elektronischen Halbleiter-Bauelementen höherer Leistung. Letztere bedingen, die mit der höheren Verlustleistung anwachsende Wärmeentwicklung abführen zu müssen, um einen Leistungs- oder gar Funktionsverlust infolge Parameteränderungen aufgrund überhitzter Sperrschichttemperaturen möglichst zu vermeiden. Das ist besonders kritisch etwa bei Sensorschaltungen für die Fahrzeugtechnik, bei denen die Bauelemente in gegen Umgebungseinflüsse hermetisch abgeschlossenen, kleinvolumigen Kunststoffgehäusen, zumal oft unter erhöhten Umgebungstemperaturen, betrieben werden. Zumindest muss dann zusätzlicher Raum für eine Montage von kritisch wärmeentwickelnden Bauelementen auf großvolumigen Kühlkörpern bereitgestellt werden, deren Wirkung aber gerade in geschlossenen Kunststoffgehäusen mangels Konvektion doch nur beschränkt ist; und zusätzliches Einbauvolumen wird für die mechanische Sicherung der Kühlkörpermassen gegen die Auswirkung mechanischer Betriebsbeanspruchungen erforderlich, um einen Schaltungsausfall infolge schwingungsbedingten Kontakt- und Leitungsbruches oder gar eines Abreißens der Kühlkörperhalterung zuverlässig ausschließen zu können. Neben diesem betriebstechnischen ist auch ein fertigungstechnischer Gesichtspunkt von praktischer Bedeutung: Für eine zuverlässige Lötverbindung sollten die miteinander zu verlötenden Teile vorübergehend gleiche Temperatur aufweisen. Die Löttemperatur ist aber kritisch hoch für viele elektronische Halbleiter-Bauelemente, zumal bei einer modernen SMD-Bestückung; und bei großvolumigen Bauelemententrägern wie Stanzgittern ist aufgrund der Wärmeableitung die erforderliche Dauer des Wärmeeintrags bis zum Erreichen der Löttemperatur an der Bestückungsstelle zusätzlich kritisch. So kommt es, dass manches Bauelement thermisch vorbelastet in den rauen Betrieb geht, wodurch die Funktionszuverlässigkeit der Schaltung schon a priori verringert ist.
-
In der
DE 1 00 65 857 A1 ist es hinsichtlich der Betriebserwärmung als gleichermaßen nützlich beschrieben, ein Bauelement mit hoher Verlustleistung einzugießen, oder im Zweikomponentenspritzguss thermische Leitstrukturen zur Wärmespreizung längs einer Gehäusewandung zu erstellen, oder aber das Bauelement auf einen massiven Kühlkörper zu montieren, der in eine Gehäusewandung – diese durchragend – eingespritzt wird.
-
Das
US-Patent 6,180,045 B1 zeigt eine höhenprofilierte Metallplatte, auf deren Pfosten – rückwärtig mittels einer Platine verschaltete – Bauelemente montiert sind; mit abschließendem Verguss des Montageraumes beiderseits der Platine. Aus der
DE 1 96 01 649 A1 ist ebenfalls eine einteilig mit ausgeprägten Pfosten höhenprofilierte Metallplatte bekannt, die aber nun auch mehrteilig mit aufgesetzten Pfosten ausgelegt sein kann. Die Pfosten durchragen eine Platine und enden wieder jener gegenüber unter den auf der Platine verschalteten Bauelementen.
-
Gemäß
DE 10 2004 042 488 A1 wird eine Wärmesenke durch vergrößerte Flächen beiderseits des Montagebereiches eines Leiterbahnen-Stanzgitters geschaffen, auf welchen die spezifisch wärmeableitende Kontaktfläche eines Bauelementes montiert ist.
-
Die
EP 0 650 315 A2 zeigt eine bestückte Platine, die von drei Schichten gleichen Kunststoffes unterschiedlicher Härte umgossen ist: von einer dünnen Isolierschicht, einer festeren großvolumigen Füllschicht und einer stabilen, wiederum dünnen äußeren Gehäuseschicht. Gemäß
DE 1 97 07 757 A1 wird die bestückte Platine in ein vorgefertigtes Kunststoffgehäuse aus hartem thermoplastischem Material eingesetzt, das daraufhin mit eingespritztem thermoplastischem Material aufgefüllt wird. Eine zur Motorsteuerung bestückte Platine nach
US 2006/0012034 A1 wird unter Freisparen eines Kühlfluidkanales umgossen. Die ebenfalls zur Motorsteuerung ausgelegte Platine nach
DE 10 2006 018 457 A1 wird in einer Spritzgussform unter Ausformen von Kühlrippen eingegossen. Auch aus der
US 2004/0022031 A1 ist es als solches vorbekannt, bei einer in Kunststoff eingebetteten Schaltung die Oberfläche durch Einbringen von Kerben zu vergrößern, um Wärmeabstrahlung zu fördern.
-
In Erkenntnis der eingangs erörterten Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, einen elektromechanischen Schaltungsaufbau anzugeben, der sich bei kostengünstigen Bestückungsgegebenheiten durch verbessertes Wärmemanagement auszeichnet und dadurch insbesondere zu Betrieb in mechanisch hoch beanspruchbaren, hermetisch geschlossenen kleinvolumigen Kunststoffgehäusen eignet.
-
Die Aufgabe ist durch die Kombination der im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach führt es zu einem besonders großflächigen und entsprechend wirksamen Auffächern und Ableiten der von einem Bauelement ausgehenden Verlustwärme, wenn der Wärmefluss über das Gehäuse gespreizt wird, indem das kritische Bauelement wärmeleitend mit dem aus elektrisch isolierendem aber möglichst gut wärmeleitendem Material spritzgegossenen Gehäuse kontaktiert ist. Das Spritzgussgehäuse ist wenigstens zweischalig ausgebildet, mit in ein vorgeformtes Außengehäuse eingespritztem Innengehäuse oder mit einem vom Außengehäuse umspritzten, vorgeformten Innengehäuse. Dabei ist das Innengehäuse mit möglichst dünner Wandstärke ausgelegt, um bei vor allem elektrisch isolierendem Spritzgussmaterial die mittels der Leiterstruktur längs der Gehäuseinnenwandfläche großflächig aufgefächerte Verlustwärme möglichst gut an die Wärmesenke in Form des großflächig anliegenden Außengehäuses zu übertragen. Das besteht aus gut wärmeleitendem Spritzgussmaterial bei vorzugsweise gegenüber dem Innengehäuse wesentlich größerer Wandstärke, also größerem Wandungs-Volumen. Eine Wellen, Rippen- oder Pfeilergeometrie auf der Außenmantelfläche des Innengehäuses und komplementär auf der Innenmantelfläche des Außengehäuses fördert infolge Kontaktflächenvergrößerung den Wärmeübergang von der Leiterstruktur über das Innengehäuse zur Wärmesenke in Form des Außengehäuses. Eine vergleichbar strukturierte Geometrie dessen Außenmantelfläche fördert die konvektive Wärmeweitergabe an das umgebende Fluid. Wenn das Material des Außengehäuses elektrisch leitend ist, wie im Falle eines auf PA basierenden Spritzgussmaterials, geht mit der Funktion als Wärmesenke auch eine wünschenswerte elektromagnetische Abschirmwirkung für die elektrische Schaltung im Gehäuseinneren einher.
-
Wenn einzelne Profile wie etwa Pfeiler auf der Innenmantelfläche des Außengehäuses die Wandung des Innengehäuses örtlich ganz durchdringen, dann können deren Stirnenden zu wärmeleitender aber erforderlichenfalls elektrisch isolierender Aufnahme von Bauelementen ausgelegt sein, um deren Verlustwärme unter Umgehen des schlechter wärmeleitenden inneren Gehäuses unmittelbar in das Außengehäuse abzuführen. Diese Aufnahme kann je nach der Art des Bauelementes etwa materialschlüssig mittels Klebers und kraftschlüssig mittels Schrauben oder Klemmhilfen wie Biegefedern erfolgen. Letztere können an solche Profile angespritzt sein. Auf einem Stanzgitter lässt sich ein Bauelement mittels abgebogener Blechstreifen befestigen.
-
Das mit den Bauelementen bestückte Innengehäuse kann abschließend mit Isolierlack oder mit Thermo- oder Duroplast ausgespritzt oder ganz vergossen werden, um bei dadurch noch erhöhter mechanischer Stabilität einen zusätzlichen Schutz gegen Umwelteinflüsse wie insbesondere Feuchtigkeit zu erzielen.
-
Unter einem Spritzgussgehäuse ist in vorliegendem Zusammenhang auch ein z. B. topfförmiges Gehäuseteil zu verstehen, das durch ein anderes Gehäuseteil oder schlicht durch einen Deckel zum Gehäuse vervollständigt beziehungsweise geschlossen wird. Das elektrisch isolierende aber wärmeleitende und mechanisch widerstandsfähige Gehäuse-Spritzgussmaterial, etwa PBT oder dergleichen gut spritzgussformbares Polyester, beziehungsweise ein Polymer wie PA, kann durch Additive eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit unter Beibehalten seiner elektrischen Isolationseigenschaften erfahren. Eine unebene und dadurch vergrößerte Außenmantelfläche des Gehäuses fördert die Wärmeabgabe an das umgebende Medium, etwa an Luft oder an einen Kühlfluidkreislauf.
-
Damit der Wärmeübergang vom Bauelement auf das wärmeableitende Gehäuse möglichst großflächig erfolgt, ist es zweckmäßig, längs der Gehäuseinnenmantelfläche oder in der Gehäusewandung verlaufend – bezüglich der für die elektrischer Funktionalität erforderlichen Stromdichte – elektrisch überdimensionierte, also im Querschnitt vergleichsweise sehr großvolumige Leiterstrukturen bereitzustellen, zu denen das Bauelement wärmeleitend kontaktiert ist; wobei dieser Vergleich voluminöser Leiterstrukturen sich auf die oben erörterten feinen Leiterbahnen der gängigen Schaltungsplatinen bezieht. Diese Lösung stellt somit eine radikale Abkehr vom Technologietrend immer feinerer Leiterbahnenstrukturen mit Aufnahme von Leistungshalbleitern auf voluminösen Kühlkörpern dar. Entsprechend vereinfacht, verkleinert und verbilligt sich durch Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung der elektromechanische Schaltungsaufbau, und die Funktionstüchtigkeit beziehungsweise -dauer der Halbleiter-Bauelemente wird sogar signifikant verbessert.
-
Als die im Querschnitt großvolumigen Leiterstrukturen können im Mehrkomponentenspritzguss in das Gehäuse eingeformte elektrisch leitende Kunststoffbahnen eingesetzt werden, wie sie in unserem Patent
DE 1 00 48 680 für einen anderen Anwendungsfall näher beschrieben sind.
-
Technologisch weniger anspruchsvoll und hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit vorteilhafter ist es, wenigstens ein, die Leiterstruktur wiedergebendes, vergleichsweise dickes Stanzgitter im Zuge der Spritzgussausformung des Gehäuses einzufassen oder einzugießen; mit, in als solcher Weise bekannten, am Stanzgitter ausgebildeten Schneidklemmen oder Löchern zur Montage von bedrahteten Bauelementen und mit in Steckerkörben endenden Stiften. Für Hochstromanschlüsse sind zusätzliche Schraubverbindungen zweckmäßig.
-
Im Interesse einer flexiblen Schaltungsauslegung sind wenigstens zwei im Wesentlichen in zueinander parallelen Ebenen in die Gehäuse-Innenwand eingefasste solche Stanzgitter vorgesehen. Von denen ist das eine, vorteilhaft wiederum zweiteilig, aus kostengünstigen Kupferlegierungen wie CuSn2 oder CuZn37 geformt, geometrisch ausgelegt zum Anschluss etwa eines SMD-Transistors; und wenigstens ein weiteres Gitter, bestehend vorzugsweise aus relaxionsoptimiertem CuNiSi, weist Öffnungen zum Einpressen von gesondert erstellten und bestückten kleinen Schaltungsplatinen auf.
-
Zum Vermeiden von Löttemperaturbeanspruchungen werden unbedrahtete Bauelemente zweckmäßigerweise mit Leitklebern an vom Einguss freigesparte Bereiche der Stanzgitter elektrisch und mechanisch angeschlossen. Das erleichtert auch die Handhabung beim Bestücken der Schaltung direkt in das Gehäuse hinein.
-
Verfahrenstechnisch noch zweckmäßiger ist es, beim Spritzguss des Gehäuses, entsprechend der Leiterstruktur der Schaltung verlaufend, in die Gehäusewandung eingesenkte Nuten freizusparen oder darauf Kanäle erhaben einzudeichen, in die dann relativ dicke Stränge von Leitlack oder dergleichen Leitpaste als elektrischer und wärmetechnischer Leiter eingespritzt oder sonstwie eingebracht werden können. Das führt bei denkbar geringen Fertigungskosten zu geometrisch exakt gegeneinander abgegrenzten, also zuverlässig isolierten Leitungsverläufen und ist schaltungstechnisch insbesondere dort unkritisch, wo es auf hohe Genauigkeit und Konstanz des Leitungswiderstandes nicht ankommt. Dabei brauchen nur diejenigen von standardmäßig komplexeren Verläufen der Nuten beziehungsweise Kanäle gefüllt zu werden, die für eine aktuelle von mehreren so vorbereiteten Schaltungsvarianten benötigt werden. Wo diese Verläufe nicht bis zu ihrem oberen Rand mit Leitmaterial gefüllt sind, eröffnen sich problemlos isolierte Kreuzungsverläufe durch Aufbringen einfacher Draht- oder Stanzgitter-Stücke. Die können etwa eine Unterbrechung in einem derartigen Verlauf oder die Distanz zwischen einander benachbarten Verläufen überbrücken, indem sie dazu einfach mit ihren beiderseits abgewinkelt verlaufenden Enden in die Leitpaste, zumal in mit Leitpaste gefüllte Sacklöcher, eingedrückt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, Leitpasten mit Klebereigenschaften, also elektrische Leitkleber, etwa auf der Basis von kupfer- oder silberhaltigem Epoxyd oder Polyamid, einzusetzen. Die haften besonders zuverlässig im Nut- oder Kanalgrund; und Bauelemente, die mit ihren Anschlüssen vor dem Aushärten des Leitklebers in diesen eingedrückt werden, sind dadurch ohne besonderen Aufwand gleich mechanisch und elektrisch zuverlässig an die wärmespreizende Leiterstruktur längs der Innenmantelfläche des Gehäuses angeschlossen. Zum Anschluss bedrahteter Bauelemente sind mit Leitkleber gefüllte Sacklöcher zweckmäßig. Insbesondere für die Montage kleiner Bauteile ist andererseits ein dünnflüssiger Leitkleber zu bevorzugen, oder sogar Leitlack oder -tinte mit Additiven auf Basis von Edelmetall, Metall oder Kohlenstoff (vorzugsweise in Nanotechnologie) zum Verbessern der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit dieses dann nur dünn aufgetragenen Leitermaterials.
-
Anwendung findet ein solcher Schaltungsaufbau jedenfalls im Automotive-Umfeld, etwa als Baugruppenträger für Scheinwerfer und andere Leuchten (zumal jeweils mit LED-Bestückung), Wechselrichter und Verstärker, aber auch für Schalt- und dergleichen Module wie Umkehrbrücken, insbesondere für Module in Ausstattung mit IGBT-, Transistor-, Dioden- oder Hallsensor-Bauelementen.
-
Weitere Abwandlungen und zusätzliche Alternativen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch hinsichtlich deren Vorteilen, aus aus nachstehender Beschreibung eines in der einzigen Figur der Zeichnung in abgebrochener Darstellung unmaßstäblich vergrößert auf das Funktionswesentliche abstrahiert skizzierten, schematischen Realisierungsbeispiel es zum Ausführen der Erfindung.
-
Der skizzierte Längsschnitt durch einen elektromechanischen Schaltungsaufbau 11 zeigt ein elektrisches Bauelement 12, das in ein elektrisch isolierendes Spritzguss-Gehäuse 13 hinein auf Leiterstrukturen 14 montiert ist. Das Gehäuse 13 besteht aus einem Innengehäuse 13.1 und einem Außengehäuse 13.2, die direkt aufeinandergespritzt sind und sich deshalb großflächig berühren. Zur Vergrößerung der gegenseitigen, wärmeüberleitenden Berührungsfläche weisen diese wechselweise ineinandergreifende, beispielsweise rippenartige beziehungsweise kanalartige, zueinander komplementäre Profilierungen 15.1, 15.2 auf. Durch vergleichbare Profilierungen 15 ist auch die wärmeabgebende Außenmantelfläche 16 des Außengehäuses 13.2 vergrößert.
-
Die Stärke der Wandung 17.1 des Innengehäuses 13.1 ist im Wesentlichen nur auf ausreichende elektrische Isolation ausgelegt und deshalb sehr viel geringer, als die als Wärmesenke dienende Wandung 17.2 des Außengehäuses 13.2. Von dessen Innenmantelfläche 18 aus durchragt beim skizzierten Realisierungsbeispiel ein Pfeiler 19 die Innengehäuse-Wandung 17.1. Auf dessen Stirn 20 ist das Bauelement 12 wärmeleitend montiert.
-
Die Ableitung der Verlustwärme aus dem Bauelement 12 erfolgt für vorliegende Erfindungserläuterung exemplarisch über dessen vergleichsweise massiven Elektroden 21. Eine seiner Elektroden 21.3 liege an der Unterseite des Bauelementes 12; sie ist mittels Leitklebers 22 elektrisch- und wärmeleitend auf einen Zweig eines ersten Stanzgitters 23.3 der Leiterstruktur 14 geklebt, der hier seinerseits wärmeleitend auf die Pfeiler-Stirn 20 geklebt sei. Eine zweite Elektrode 21.4 des Bauelementes 12 ist anderweitig mittels Leitklebers 22 elektrisch- und wärmeleitend an die Leiterstruktur 14 angeschlossen, nämlich in diesem Beispielsfalle auf einen Zweig eines zweiten Stanzgitters 23.4 geklebt.
-
Über die vergleichsweise massiven Stanzgitter 23 erfolgt eine weit verzweigte Auffächerung der Wärmeableitung aus dem Bauelement 12 in die Innengehäuse-Wandung 17.1, zu großflächiger Übergabe von dort an die Wärmesenke in Form des Außengehäuses 13.2.
-
Auch eine dritte Elektrode 21.5 des Bauelementes 12 ist elektrisch- und wärmeleitend an die Leiterstruktur 14 angeschlossen, nämlich in diesem Beispielsfalle unmittelbar in eine aus einem dicken Strang von Leitkleber 22 gebildete Leiterbahn der Leiterstruktur 14 im Innern des Innengehäuses 13.1 eingetaucht. Der Strang verläuft in diesem Beispielsfalle am Grunde einer in die Innenwandfläche 24 des Innengehäuses 13.1 eingeformten Nut 25, die vorzugsweise (wie oben erläutert) nicht in voller Höhe mit Leitkleber 22 gefüllt ist. Auch über diese Leitkleber-Leiterbahn 14 erfolgt wieder eine Spreizung der Wärmeableitung aus dem Bauelement 12 in die dünne Innengehäuse-Wandung 17.1 hinein, zu großflächiger Übergabe von dort an die Wärmesenke in Form des dagegen wesentlich massiveren Außengehäuses 13.2.
-
Für ein großflächiges Aufspreizen der von einem elektrischen Bauelement 12 abzuführenden Verlustwärme wird dieses somit erfindungsgemäß in wärmeleitenden Kontakt vorzugsweise zunächst zu einer wärmeleitenden, im Querschnitt elektrisch überdimensionierten Leiterstruktur 14 in Form eines insbesondere bereichsweise umspritzten Stanzgitters 23 und/oder eines in einer Nut 25 oder in einem Kanal verlaufenden, relativ dicken Stranges aus vorzugsweise klebender Leitpaste, also Leitkleber 22 gebracht. Derart aufgefächert erfolgt eine großflächige Übergabe in das als Wärmesenke dienende Gehäuse 13.
-
Solch ein die elektrische Leiterstruktur 14 ergebende Verlauf des Leitmaterials, also des Leitklebers 22 oder auch von dagegen dünnflüssigerem Leitlack, kann in problemlos verfügbarer Technologie nadeldosiert, jetdosiert oder gedruckt (dann insbesondere im Tampon- oder im Siebdruck) auf die Gehäuseinnenwandung 17.1 aufgebracht werden. In das noch nicht end-ausgehärtete Material werden die dadurch elektrisch und mechanisch sowie thermisch angeschlossenen Bauelemente 12 mit ihren Elektroden 21 und die abgekanteten Enden von Leiterbrücken eingedrückt.
-
Das Leitmaterial ist vorzugsweise für thermisches Aushärten unter Konvektion bei Raumtemperatur ausgelegt, eventuell gefördert durch ultraviolette oder infrarote Bestrahlung beziehungsweise durch Thermosintern. Zu bevorzugen ist ein Aushärte- beziehungsweise Trocknungsprozess bei Temperaturen unterhalb 250°C, insbesondere zwischen Raumtemperatur und 180°C. Dazu lässt sich das so genannte Niedertemperatur-Sintern einsetzen, aber auch eine chemische beziehungsweise physikalische Oxydations- oder Trocknungs-Reaktion.
-
Stattdessen oder zusätzlich zu derartigen Leitmaterialien können auch Stanzgitter 23 auf die Innenwandfläche 24 des Gehäuses 13 eingespritzt oder nachträglich montiert werden.
-
Die Leiterstruktur 14 verläuft jedenfalls an oder in der Wandung 17 des als Wärmesenke dienenden Spritzguss-Umgehäuses 13. Das ist vorzugsweise wenigstens zweischalig gespritzt, mit einem dünnwandigen Innengehäuse 13.1 für vor allem elektrische Isolierfunktion und einem dagegen dickerwandigen Außengehäuse 13.2 aus jedenfalls gut wärmeleitendem Material als der eigentlichen Wärmesenke. Die kann lokal das Innengehäuse 13.1 durchdringen, um das Bauelement 12 dort auch gleich wärmeleitend auf das Außengehäuse 13.2 zu montieren. Zugleich erbringt das Außengehäuse 13.2 eine wünschenswerte elektromagnetische Abschirmung und dadurch eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit des eingehäusten Schaltungsaufbaues 11, wenn sein Spritzgussmaterial nicht nur gut wärmeleitende Eigenschaften aufweist, sondern auch wenigstens geringfügig elektrisch leitend ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 11
- Schaltungsaufbau
- 12
- Bauelement (auf 14)
- 13
- Gehäuse
- 14
- Leiterstrukturen (aus 22, 23)
- 15
- Profilierungen (auf 13)
- 16
- Außenmantelfläche (von 13)
- 17
- Wandung (von 13)
- 18
- Innenmantelfläche (von 17.2)
- 19
- Pfeiler (auf 18, durch 13.1)
- 20
- Stirn (von 19, innerhalb 13.1)
- 21
- Elektroden (21.3–21.5 von 12, auf 14)
- 22
- Leitkleber (auch Leitlack oder -tinte)
- 23
- Stanzgitter (23.3, 23.4)
- 24
- Innenwandfläche (von 13)
- 25
- Nut (in 24, mit 22)
- x.1
- Innen-...
- x.2
- Außen-...
