DE102017220417A1 - Elektronisches Modul - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit verringerter elektromagnetischer Störabstrahlung. Dieses umfasst eine mehrlagige Leiterplatte (10) mit einer elektrisch leitenden Außenlage (11) und zumindest einer elektrisch leitenden Innenlage (12), ein elektronisches Bauelement (20), eine Wärmesenke (30) und eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40). Das elektronische Bauelement (20) ist auf der Außenlage (11) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden. Die Wärmesenke (30) ist an die mehrlagige Leiterplatte (10) über eine elektrische Isolationsschicht (35) thermisch angebunden. Über die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) kann im Betrieb des elektronischen Bauelements (20) erzeugte Wärme an die Wärmesenke (30) abgeführt werden. Die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) weist keine elektrische Verbindung zu der Außenlage (11) auf.
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit einer mehrlagigen Leiterplatte, einem elektronischen Bauelement und einer Wärmesenke.
- Bei elektronischen Modulen besteht das Problem, die im Betrieb eines elektronischen Bauelements anfallende Wärme durch die Leiterplatte hindurch an eine Wärmesenke abgeben zu können. Die Wärmesenke besteht zwecks guter Wärmeabfuhr in der Regel aus einem Metall. Zur Wärmeleitung werden in der Leiterplatte, die einen thermischen Widerstand darstellt, thermische Durchkontaktierungen (engl. : Vias) vorgesehen, die sich unterhalb des zu kühlenden elektronischen Bauelements von diesem in Richtung der Wärmesenke erstrecken. Thermische Durchkontaktierungen sind durch die Leiterplatte hindurchgehende und mit wärmeleitendem Material, in der Regel Kupfer, ausgefüllte Bohrungen. Die thermischen Durchkontaktierungen tragen in der Regel nicht zur Signalführung bei, sondern dienen ausschließlich der Wärmeleitung. Um eine elektrische Isolation zwischen der Wärmesenke und der Leiterplatte sicherzustellen, ist zwischen der Wärmesenke und der Leiterplatte eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen. Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmewiderstands wird diese elektrische Isolationsschicht sehr dünn ausgeführt.
- Die elektrische Isolationsschicht stellt eine (parasitäre) kleine elektrische Kapazität dar, deren Größe von der Dicke, Größe der Fläche und dem verwendeten Material abhängt. Über diese parasitäre Kapazität kann höher-frequente elektromagnetische Strahlung auf die Wärmesenke (z.B. ein metallisches Gehäuse, in dem das elektronische Modul angeordnet ist) übertragen und von dort abgestrahlt werden. Die Höhe bzw. Intensität der elektromagnetischen Strahlung ist abhängig von der Qualität bzw. Zuverlässigkeit der Erdung des metallischen Gehäuses, z.B. in einem Fahrzeug.
- Es wäre wünschenswert, die Erzeugung elektromagnetischer Abstrahlung bereits aufgrund der Konstruktion des elektronischen Moduls unterdrücken oder verringern zu können, unabhängig von der Qualität der späteren elektrischen Anbindung des elektronischen Moduls in einem metallischen Gehäuse und/oder dem Verbau des elektronischen Moduls bei einem Kunden.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Modul anzugeben, das funktionell und/oder baulich derart verbessert ist, dass die Gefahr elektromagnetischer Störabstrahlung verringert oder eliminiert ist.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Modul gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektronisches Modul vorgeschlagen, das eine mehrlagige Leiterplatte, ein elektronisches Bauelement, eine Wärmesenke und eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen umfasst. Die mehrlagige Leiterplatte umfasst eine elektrisch leitende Außenlage und zumindest eine elektrisch leitende Innenlage. Das elektronische Bauelement ist auf der Außenlage angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden. Die Wärmesenke ist an die mehrlagige Leiterplatte über eine elektrische Isolationsschicht thermisch angebunden. Über die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen kann die im Betrieb des elektronischen Bauelements erzeugte Wärme an die Wärmesenke abgeführt werden. Dabei weist die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen keine elektrische Verbindung zu der Außenlage auf.
- Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Modul erfolgt an einer Oberseite der mehrlagigen Leiterplatte eine elektrische Trennung zwischen der elektrisch leitenden Außenlage, auf der das elektronische Bauelement angeordnet ist, und den thermischen Durchkontaktierungen. Hierdurch kann elektromagnetische Störabstrahlung über die Wärmesenke oder ein metallisches Gehäuse, mit dem das elektronische Modul verbunden ist, verringert oder vermieden werden.
- Es ist zweckmäßig, wenn die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen eine erste Gruppe an Durchkontaktierungen umfasst, welche in einer Schnittansicht außerhalb einer Fläche der Außenlage angeordnet ist. Insbesondere kann die Anzahl an Durchkontaktierungen der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen bis zu einer Grenzfläche einer Isolationsschicht reichen, auf der die Außenlage angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die Außenlage der mehrlagigen Leiterplatte nicht über die gesamte Fläche der Leiterplatte ausgebildet, sondern spart zumindest den Bereich der Leiterplatte, in dem die erste Gruppe an Durchkontaktierungen vorgesehen ist, aus. Die derart „strukturierte“ Außenlage kann im Rahmen der Herstellung der Leiterplatte durch ein subtraktives oder ein additives Verfahren erfolgen.
- Gemäß einer anderen Ausgestaltung umfasst die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen eine zweite Gruppe an Durchkontaktierungen, welche in einer Schnittansicht unterhalb der Außenlage angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Außenlage im Bereich der thermischen Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen eine Aussparung aufweist. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt zwischen der Außenlage und den Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen vermieden. Die Aussparung der Außenlage kann im Rahmen der Herstellung der Leiterplatte durch ein additives oder subtraktives Verfahren erzeugt werden.
- Es kann weiterhin vorgesehen sein, wenn die freien Enden der Anzahl an Durchkontaktierungen der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen und/oder die Anzahl an Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen auf oder unterhalb der Grenzfläche der Isolationsschicht, auf der die Außenlage angeordnet ist, mit einem Isolationsmaterial, insbesondere einem Lötstopplack, bedeckt sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Außenlage und den thermischen Durchkontaktierungen besteht, wenn die Außenlage über die Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen hinweg führt, also in diesem Bereich keine Aussparung aufweist. Durch die Vermeidung eines elektrischen Kontakts zwischen der Außenlage und den Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen elektromagnetische Störstrahlung reduziert oder vermieden werden.
- Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen elektrisch mit der zumindest einen Innenlage und/oder einer weiteren Außenlage verbunden ist, welche jeweils ein Bezugspotential aufweisen. Dadurch, dass die thermischen Durchkontaktierungen, welche ausschließlich der Wärmeübertragung dienen, mit einem Bezugspotential (z.B. einem Massepotential) verbunden sind, können höher-frequente Störstrahlungen aufgrund eines kapazitiven Übergangs der Außenlage zur ersten Innenlage stark gedämpft werden. Ferner ist eine gute Wärmeverteilung über die Breite der Leiterplatte sichergestellt.
- Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen elektrisch zumindest mit der Innenlage verbunden ist, welche der Außenlage als nächstes benachbart ist. Hierdurch ist eine gute Wärmeverteilung über die Breite der Leiterplatte mittels der elektrisch und damit thermisch miteinander verbundenen thermischen Durchkontaktierungen gewährleistet. Insbesondere kann dadurch die Verteilung der Wärme bereits unmittelbar unterhalb des elektronischen Bauelements bewirkt werden, wobei am Wärmetransfer jedoch nicht die Außenlage, sondern als erstes diejenige Innenlage beteiligt ist, welche der Außenlage als nächstes benachbart ist.
- Der Erfindung liegt zusammenfassend die Überlegung zugrunde, dass zwei elektrisch isolierte Lagen einer Leiterplatte zueinander eine elektrische Kapazität darstellen. Hochfrequente Schwingungen können deshalb kapazitiv von einer elektrisch isolierten Lage auf eine andere elektrisch leitende Lage übertragen werden. Bekannte Lösungen versuchen, den kapazitiven Wert der elektrischen Isolationsschicht sehr klein zu halten, um die kapazitive Übertragung auf die Wärmesenke zu verringern. Dies führt jedoch meist zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs von der elektrischen Isolationsschicht zu der Wärmesenke. Die kapazitive Übertragung von hochfrequenten Schwingungen zwischen der Außenlage zu der Innenlage kann stark gedämpft werden, indem mindestens eine der Lagen, die mit den thermischen Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind, mit Bezugspotential, z.B. Masse, verbunden werden. Dadurch wird die Übertragung der hochfrequenten Schwingung zum Gehäuse quasi kurzgeschlossen. In der vorgeschlagenen Anordnung kann der Wärmeübergang von der elektrischen Isolationsschicht zu der Wärmesenke daher optimiert werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Moduls; und -
2 eine vergrößerte Ansicht des in1 mit II gekennzeichneten Bereichs. -
1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein erfindungsgemäßes elektronische Modul1 . Das elektronische Modul1 umfasst eine mehrlagige Leiterplatte10 . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte10 als vierlagige Leiterplatte ausgeführt, d.h. die Leiterplatte10 umfasst vier elektrisch leitende Schichten (Lagen) . Die Anzahl der Lagen kann auch größer als vier sein. - Die Leiterplatte
10 umfasst einen Leiterplattenkern13 , wobei beidseitig des Leiterplattenkerns13 jeweils elektrisch leitende Lagen vorgesehen sind. Die Leiterplatte10 umfasst von oben nach unten eine (strukturierte) Außenlage11 , eine Isolationsschicht11S der Außenlage11 , eine (strukturierte) Innenlage12 (erste oder zu der Außenlage11 als nächstes benachbarte Innenlage), eine Isolationsschicht12S der Außenlage12 , den Leiterplattenkern13 , eine Isolationsschicht14S , eine (strukturierte) Innenlage14 , eine Isolationsschicht15S einer Außenlage15 , die (strukturierte) Außenlage15 . Die Herstellung einer derartigen, mehrlagigen Leiterplatte ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine eingehende Beschreibung des Herstellungsvorgangs verzichtet wird. - Auf einer Fläche der Außenlage
11 der Leiterplatte10 ist ein elektronisches Bauelement20 , z.B. ein Leistungshalbleiterschaltmodul oder -element, angeordnet. Das elektronische Bauelement20 ist beispielsweise durch Verlöten mit der Außenlage11 elektrisch verbunden. Die Außenlage11 ist in der Regel Bestandteil eines elektrischen Schaltkreises des elektronischen Moduls1 . Die Außenlage11 nimmt eine kleinere Fläche als die Fläche der darunter liegenden Isolationsschicht11S ein. Dies kann durch z.B. ein subtraktives oder ein additives Verfahren zum Aufbringen der Außenlage11 auf die Isolationsschicht erfolgen. Die entsprechenden Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird. - Die Leiterplatte
10 ist mit der anderen (weiteren) Außenlage15 über eine elektrische Isolationsschicht35 mit einer Wärmesenke30 verbunden. Die Wärmesenke30 stellt beispielsweise eine Kühlfläche oder ein Gehäusebauteil, welches die Funktion einer Wärmesenke übernimmt, dar und ist aus einem gut Wärmeleitenden Material, z.B. Metall gebildet. Die elektrische Isolationsschicht35 , auch als TIM (Thermal Insulating Member) bezeichnet, ist so dünn ausgeführt, dass ein ausreichend guter Wärmeübergang von der Leiterplatte10 an die Wärmesenke30 gegeben ist. - Die im Betrieb des elektronischen Bauelements
20 erzeugte Wärme wird über eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen40 an die Wärmesenke30 abgeführt. Das Vorsehen der Anzahl und/oder die Anordnung an thermischen Durchkontaktierungen40 berücksichtigt den Umstand, dass insbesondere der Leiterplattenkern13 einen vergleichsweise hohen thermischen Widerstand aufweist, der die Wärmeabfuhr in Richtung der Außenlage15 und an die Wärmesenke30 in störender Weise behindert. - Die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen
40 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu Zwecken der Illustration in zwei Gruppen unterteilt. In einer praktischen Realisierung ist es ausreichend, wenn nur eine der Gruppen (d.h. entweder die erste Gruppe oder die zweite Gruppe) an Durchkontaktierungen40 vorgesehen ist. Beispielhaft zwei erste Gruppen41 ,42 von Durchkontaktierungen40 sind in der in1 gezeigten Schnittansicht außerhalb der Fläche der Außenlage11 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung weisen die Durchkontaktierungen40 der ersten Gruppe41 ,42 keine elektrische Verbindung zu der Außenlage11 auf. - Die Durchkontaktierungen
40 der ersten Gruppe41 unterscheiden sich von den Durchkontaktierungen40 der ersten Gruppe42 dadurch, dass die Durchkontaktierungen40 der ersten Gruppe41 bis an eine Grenzfläche11G der Isolationsschicht11S reichen, auf welcher die Außenlage11 angeordnet ist. Da die Außenlage11 die freien Enden der Durchkontaktierungen40 nicht überstreift und daher keinen elektrischen Kontakt zu den an die Grenzfläche11G der Isolationsschicht11S ragenden Durchkontaktierungen40 der ersten Gruppe41 aufweist, müssen keine gesonderten Isolationsmaßnahmen getroffen werden. - Demgegenüber sind die freien Enden der Durchkontaktierungen
40 der ersten Gruppe42 nicht bis an die Grenzfläche11G der Isolationsschicht11S geführt. Vielmehr sind diese unterhalb (alternativ: auf) der Grenzfläche11G mit einem Isolationsmaterial44 , z.B. einem Lötstopplack, bedeckt. Dieses Vorgehen ist auch bei den Durchkontaktierungen40 der zweiten Gruppe43 an Durchkontaktierungen vorgesehen, welche in der Schnittansicht gemäß1 unterhalb der Außenlage11 angeordnet ist. - Dieser Sachverhalt ist vergrößert in
2 dargestellt, wobei2 den in1 mit II gekennzeichneten Bereich illustriert. Aus dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass die Durchkontaktierungen40 der zweiten Gruppe43 nicht bis an die Grenzfläche11G ragen, sondern ein zwischen der Grenzfläche11G und den freien Enden der Durchkontaktierungen40 gebildeter Bereich durch das Isolationsmaterial44 gefüllt ist. - Die Durchkontaktierungen
40 der ersten Gruppe41 ,42 und/oder die Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe43 sind elektrisch zumindest mit der Innenlage12 verbunden, welche der Außenlage11 als nächstes benachbart ist. Optional sind die Durchkontaktierungen40 der ersten Gruppe41 ,42 und/oder die Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe43 elektrisch auch mit der Innenlage14 und/oder der Außenlage15 verbunden. Die Innenlage12 , sowie optional die Innenlage14 und/oder die Außenlage15 , weisen ein Bezugspotential auf. - Durch die elektrische Verbindung zumindest einer Innenlage
12 ,14 der Leiterplatte10 und der der Wärmesenke30 benachbarten Außenlage15 kann eine Wärmeverteilung in Breitenrichtung (d.h. in Blattebene von links nach rechts) erfolgen. - Für den Fachmann ist klar, dass unter der Bezeichnung „die Innenlage
12 und/oder die Innenlage14 und/oder die Außenlage15 weisen ein Bezugspotential auf“ nicht so zu verstehen ist, dass die Innenlagen12 und/oder14 ausschließlich mit einem Bezugspotential beaufschlagt sind. Vielmehr sind entsprechende Leiterzugstrukturen der jeweiligen Innenlage12 und/oder14 mit einem Bezugspotential, z.B. Massepotential, verbunden, wobei diese Leiterzugstrukturen dann eine elektrische Verbindung zu den thermischen Durchkontaktierungen40 aufweisen. Andere Teile der Leiterzugstrukturen können zur Signalleitung mit anderen Spannungspotentialen beaufschlagt sein. - Bei dem vorgeschlagenen elektronischen Modul weist die Außenlage
11 , welche eine große Befestigungsfläche (Lötfläche) für das elektronische Bauelement20 umfasst, keine direkte elektrische und thermische Verbindung zu thermischen Durchkontaktierungen in Richtung der Wärmesenke30 auf. Ein Wärmeübergang wird über die dünne Isolationsschicht11S der Außenlage11 realisiert. Die der Außenlage11 als nächstes benachbarte Innenlage12 ist direkt mit einem Bezugspotential verbunden. Die mit dieser Innenlage12 elektrisch und damit thermisch verbundenen thermischen Durchkontaktierungen40 übertragen dann die Wärme von der Innenlage12 in Richtung der Wärmesenke30 , wobei ein Wärmeübergang in bekannter Weise von der elektrischen Isolationsschicht35 an die Wärmesenke30 erfolgt. - Eine Reduktion des thermischen Widerstands kann, wie beschrieben, dadurch realisiert werden, dass die Durchkontaktierungen
40 elektrisch nicht nur mit der Innenlage12 , sondern auch mit der weiteren Innenlage14 , und optional der Außenlage15 verbunden sind, wobei diese dann (bzw. entsprechende Leiterzugstrukturen) mit Bezugspotential verbunden sind. - Grundsätzlich kann das elektronische Modul
1 derart ausgestaltet sein, dass lediglich Durchkontaktierungen40 der ersten Gruppe41 oder42 an Durchkontaktierungen vorgesehen sind. Eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr ergibt sich durch das zusätzliche Vorsehen der thermischen Durchkontaktierungen40 der zweiten Gruppe43 . - Dadurch, dass eine elektrische Isolationsschicht an der Seite der Leiterplatte
10 , auf der das elektronische Bauelement20 aufgebracht wird (sog. Bestückseite) erfolgt, kann eine elektromagnetische Störabstrahlung über die Wärmesenke30 reduziert werden. Insbesondere werden vorhandene höher-frequente Strahlungen bereits stark gedämpft. - Die beschriebene Umsetzung verbessert zusätzlich die ESD-Empfindlichkeit. Bei einer Endladung eines ESD-Pulses auf das die Wärmesenke darstellende Metallgehäuse wird die hohe Spitzen-Spannung (Energie) durch die doppelte Barriere (isolierter Übergang vom Metallgehäuse zur Leiterplatte und isolierter Übergang von der Leiterplatte zu dem oder den Bauelementen) stark reduziert und somit eine Gefährdung bzw. Schädigung des oder der Bauelemente vermieden.
Claims (8)
- Elektronisches Modul, umfassend - eine mehrlagige Leiterplatte (10) mit einer elektrisch leitenden Außenlage (11) und zumindest einer elektrisch leitenden Innenlage (12); - einem elektronischen Bauelement (20), das auf der Außenlage (11) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist; - eine Wärmesenke (30), an den die mehrlagige Leiterplatte (10) über eine elektrische Isolationsschicht (35) thermisch angebunden ist; - eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40), über die im Betrieb des elektronischen Bauelements (20) erzeugte Wärme an die Wärmesenke (30) abgeführt werden kann, wobei die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) keine elektrische Verbindung zu der Außenlage (11) aufweist.
- Elektronisches Modul nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) eine erste Gruppe an Durchkontaktierungen (41, 42) umfasst, welche in einer Schnittansicht außerhalb einer Fläche der Außenlage (11) angeordnet ist. - Elektronisches Modul nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Durchkontaktierungen (40) der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen (41, 42) bis zu einer Grenzfläche (11G) einer Isolationsschicht (11S) reicht, auf der die Außenlage (11) angeordnet ist. - Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) eine zweite Gruppe an Durchkontaktierungen (43) umfasst, welche in einer Schnittansicht unterhalb der Außenlage (11) angeordnet ist.
- Elektronisches Modul nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (11) im Bereich der thermischen Durchkontaktierungen (40) der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen (43) eine Aussparung aufweist. - Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Anzahl an Durchkontaktierungen (40) der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen (41, 42) und/oder die Anzahl an Durchkontaktierungen (40) der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen (43) auf oder unterhalb der Grenzfläche (11G) der Isolationsschicht (11S), auf der die Außenlage (11) angeordnet ist, mit einem Isolationsmaterial (44), insbesondere einem Lötstopplack, bedeckt sind.
- Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) elektrisch mit der zumindest einen Innenlage (12) und/oder einer weiteren Außenlage (15) verbunden ist, welche ein Bezugspotential aufweist.
- Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) elektrisch zumindest mit der Innenlage (12) verbunden ist, welche der Außenlage (11) als nächstes benachbart ist.
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