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Die Erfindung beschreibt eine Anordnung mit einer Leiterplatte, mit einem über diese Leiterplatte zu entwärmenden gehausten Leistungshalbleiterbauelement und mit einem Kühlbauteil.
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Allgemein bekannt und fachüblich ist es zu entwärmenden gehauste Bauelemente, wie Leistungshalbleiterbauelemente, auf einer Leiterbahn einer Leiterplatte anzuordnen. Auf einer der Leiterplatte abgewandten zweiten Oberfläche dieser Bauelemente wird hierzu ein Kühlbauteil angeordnet, die mit dieser zweiten Oberfläche in direktem thermischen Kontakt steht.
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In Kenntnis des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit alternativer Ausgestaltung der Kühlung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit einer Leiterplatte, mit einem über diese Leiterplatte zu entwärmenden gehausten Leistungshalbleiterbauelement und mit einem Kühlbauteil, wobei eine erste, auf einer ersten Oberfläche angeorndeten, Lastkontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements auf einer ersten Teilfläche einer ersten Leiterbahn der Leiterplatte angeordnet und mit dieser stoff- oder kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden ist, wobei das Kühlbauteil mit einer ersten Wärmekontaktfläche, angeordnet auf einer der Leiterplatte zugwandten Oberfläche des Kühlbauteils, auf einer zweiten Teilfläche der ersten Leiterbahn angeordnet und mit dieser thermisch leitend verbunden ist, wobei sich ein erster Wärmeleitkanal, also eine mittelbare thermisch leitende Verbindung, ausbildet, der Wärme von der ersten Lastkontaktfläche über die erste Teilfläche in die erste Leiterbahn und von dort über die zweite Teilfläche in die erste Wärmekontaktfläche und damit in das Kühlbauteil abführt. Die Wärmeleitung erfolgt hierbei im Wesentlichen in nur zwei Raumrichtungen, einerseits in z-Richtung aus dem Leistungshalbleiterbauelement heraus, dann orthogonal hierzu innerhalb der Leiterbahn und dann in negative z-Richtung wieder in das Kühlbauteil hinein.
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Hierbei können ein zweiter, und vorzugsweise noch mindestens ein dritter, Wärmeleitkanal ausgebildet sein, der ebenfalls Wärme von der ersten Lastkontaktfläche über die erste Teilfläche in die erste Leiterbahn und von dort über eine weitere Teilfläche in eine weitere zugeordnete Wärmekontaktfläche und damit in das Kühlbauteil abführt. Vorzugsweise entarten hierbei die zweite Teilfläche und die mindestens eine weitere Teilfläche der Leiterbahn zu einer Gesamtteilfläche und alternativ oder sogar weiter bevorzugt entarten die erste Wärmekontaktfläche und die mindestens eine weitere Wärmekontaktfläche des Kühlbauteils zu einer Gesamtwärmekontaktfläche. Hierbei ist es weiterhin bevorzugt, wenn der jeweilige zweite oder dritte Wärmeleitkanal in der ersten Leiterbahn jeweils orthogonal zum ersten Wärmeleitkanal verläuft.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn im Bereich der ersten Leiterbahn der Flächeninhalt der Summe der Querschnittsflächen aller Wärmeleitkanäle mehr als das Doppelte des Flächeninhalts beträgt, der zur Stromleitung zur ersten Lastkontaktfläche notwendig ist.
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Es kann ebenso vorteilhaft sein, wenn die Leiterplatte eine dritte parallel zur ersten angeordnete Leiterbahn aufweist, die mit der ersten Leiterbahn mittels Durchkontaktierungen verbunden und somit einen Bypass mindestens eines der Wärmeleitkanäle ausbildet.
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Es kann bevorzugt sein, wenn das Kühlbauteil stoffschlüssig, vorzugsweise gelötet oder geklebt, oder kraftschlüssig, vorzugsweise mittels einer Spannfeder, mit der Leiterplatte verbunden ist.
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Es kann auch bevorzugt sein, wenn das Kühlbauteil elektrisch leitend mit der ersten Leiterbahn der Leiterplatte verbunden ist.
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In einer bevorzugten Variante ist das Leistungshalbleiterbauelement über eine, einer ersten Oberfläche gegenüberliegenden, zweite Oberfläche zusätzliche mit dem Kühlbauteil thermisch leitend verbunden. Hierbei kann die thermisch leitende Verbindung elektrisch isolierend ausgebildet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Variante weist das Leistungshalbleiterbauelement keine unmittelbare thermisch leitende Verbindung mit dem Kühlbauteil auf.
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Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale oder Gruppen von Merkmalen, insbesondere das Leistungshalbleiterbauelement, mehrfach in der erfindungsgemäßen Anordnung vorhanden sein.
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Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
- 1 zeigt die Draufsicht auf ein gehaustes Leistungshalbleiterbauelement.
- 2 zeigt einen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäße Anordnung.
- 3 bis 5 zeigen verschieden Lagen der ersten erfindungsgemäßen Anordnung in Draufschicht.
- 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Lage einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung.
- 7 zeigt einen Schnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Anordnung.
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1 zeigt die Draufsicht auf ein gehaustes Leistungshalbleiterbauelement 3, hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein Leistungsfeldeffekttransistor. In grundsätzlich gleichartigen Gehäusen sind auch verschieden Varianten von anderen Leistungshalbleiterbauelementen, wie beispielhaft Transistoren, Thyristoren oder Dioden, bekannt. Derartige, fachübliche, Leistungshalbleiterbauelemente 3 weisen ein Gehäuse 30 aus einem Kunststoff auf, das eine erste Oberfläche 32 und eine, der ersten gegenüberliegende, zweite Oberfläche 36, vgl. 2, aufweist. Auf oder an dieser ersten Oberfläche 30 sind verschiedene Kontaktflächen angeordnet, hier eine, großflächig ausgebildete, erste Lastkontaktfläche 32 und mehrere zweite Lastkontaktflächen 38, wie auch eine Hilfskontaktfläche 380, die hier als Steuerkontaktfläche ausgebildet ist.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäße Anordnung 1 mit einer Leiterplatte 2, mit einem über diese Leiterplatte 2 zu entwärmenden gehausten Leistungshalbleiterbauelement 3 gemäß 1 und mit einem Kühlbauteil 4, das hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Luftkühlbauteil ausgebildet ist.
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Die erste Lastkontaktfläche 32 des Leistungshalbleiterbauelements 3 ist auf einer ersten Teilfläche 220 einer ersten Leiterbahn 22 der Leiterplatte 2 angeordnet, wobei von der Leiterplatte 2 hier nur die für die Erfindung wesentliche erste und eine zweite Leiterbahn 22, 28 dargestellt sind. Selbstverständlich kann diese Leiterplatte 2 eine Mehrzahl von Leiterbahnen, auch in mehreren Ebenen aufweisen. Hierdurch werden fachüblich mehrlagige Leiterplatten, sog. Multilayer- Leiterplatten, ausgebildet. Das gehauste Leistungshalbleiterbauelement 3 ist mit der ersten Leiterbahn 2 stoffschlüssig, mittels einer Lötverbindung, und elektrisch leitend verbunden.
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Das Kühlbauteil 4 ist mit einer ersten Wärmekontaktfläche 440, angeordnet auf einer der Leiterplatte 2 zugwandten Oberfläche 44 des Kühlbauteils 4, auf einer zweiten Teilfläche 240 der ersten Leiterbahn 22 angeordnet und mit dieser thermisch leitend verbunden. Zwischen der ersten Wärmekontaktfläche 440 und der zweiten Teilfläche 240 ist ein erstes Verbindungsmittel 50 zur thermisch leitenden und elektrisch ebenfalls leitenden stoffschlüssigen Verbindung angeordnet. Dieses erste Verbindungsmittel 50 ist hier als ein Lot ausgebildet. Das Kühlbauteil 4 ist bei dieser Ausgestaltung weiterhin auch mit der zweiten Leiterbahn 28 thermisch leitend allerdings elektrisch isolierend mittels eines zweiten Verbindungsmittels 52, hier eines Klebstoffs verbunden. Es kann alternativ vorteilhaft sein, auch unabhängig von dieser stoffschlüssigen Verbindung zur zweiten Leiterbahn, diejenige Verbindung zur ersten Leiterbahn 22 mittels des zweiten Verbindungsmittels, also elektrisch isolierend auszubilden.
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Durch diese Anordnung der ersten Wärmekontaktfläche 440 auf der gleichen Leiterbahn 22 wie die erste Lastkontaktfläche 32, und damit in z-Richtung betrachtet auf der gleichen Seite der Leiterplatte 2, bildet sich ein erster Wärmeleitkanal aus, der Wärme von der ersten Lastkontaktfläche 32 über die erste Teilfläche 220 in die erste Leiterbahn 22 und von dort über die zweite Teilfläche 240 in die erste Wärmekontaktfläche 440 und damit in das Kühlbauteil 4 abführt.
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Die Wärmeleitung, mittels dieser mittelbaren thermisch leitende Verbindung zwischen der ersten Lastkontaktfläche 32 und dem Kühlbauteil 4, erfolgt hierbei im Wesentlichen in nur zwei Raumrichtungen, einerseits in z-Richtung aus dem Leistungshalbleiterbauelement 3 heraus, dann orthogonal hierzu innerhalb der Leiterbahn 22 und dann in negative z-Richtung wieder in das Kühlbauteil 4 hinein.
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3 bis 5 zeigen verschieden Lagen 60, 62, 64, vgl. 2, der ersten erfindungsgemäßen Anordnung in Draufschicht. In 3 und damit in einer ersten Lage 60 dargestellt ist das Kühlbauteil 4 in Draufsicht auf ihre erste Oberfläche 40. Dort wird als Teil dieser ersten Oberfläche 40 die erste Wärmekontaktfläche 440 des Kühlbauteils 4 ausgebildet. In einer Ausnehmung des Kühlbauteils 4 ist das Leistungshalbleiterbauelement 3 gemäß 1 angeordnet ohne in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlbauteil 4 zu stehen.
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In 4 und damit in der einer zweiten, in z-Richtung unmittelbar oberhalb der ersten, Lage 62 zusätzlich dargestellt ist die erste Leiterbahn 22 der Leiterplatte 2. Diese erste Leiterbahn 22 überlappt in dieser Ausgestaltung die erste Lastkontaktfläche 32 des Leistungshalbleiterbauelements 3 allseitig und ist somit mit ihrer ersten Teilfläche 220 mit der ersten Kontaktfläche 32 des Leistungshalbleiterbauelements in vollflächigem elektrisch wie auch thermisch leitenden Kontakt. Weiterhin ist die erste Leiterbahn 22 mit ihrer zweiten Teilfläche 240 in thermisch leitendem Kontakt mit der ersten Wärmekontaktfläche 440 der Oberfläche 40 des Kühlbauteils 4. Die erste Leiterbahn 22 weist zwischen der ersten und zweiten Teilfläche 220, 240 eine Querschnittsfläche 230 auf. Diese Querschnittsfläche ist derart ausgebildet, dass sie aufgrund ihrer Funktion zur Wärmeleitung einen wesentlich größeren Flächeninhalt aufweist, als er notwendig wäre, wenn die Leiterbahn nur zur Stromleitung vorgesehen wäre. Die Querschnittsfläche 230 ist hier mehr als doppelt so groß im Vergleich zu einer fachüblichen Auslegung zur reinen Stromleitung.
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In 5 und damit in der einer dritten Lage 64, die in z-Richtung innerhalb der ersten Leiterbahn 22 liegt, dargestellt ist ein erster Wärmeleitkanal, hier, wie auch in den anderen Figuren, symbolisiert durch Pfeile. In z-Richtung aus dem Leistungshalbleiterbauelement 3 über dessen erste Lastkontaktfläche 32 zur ersten Teilfläche 220 der Leiterbahn 22 wird der mit Abstand größte Teil, von bevorzugt über 80%, der im Leistungshalbleiterbauelement 3 erzeugten Wärme in die erste Leiterbahn 22 abgeführt. In der ersten Leiterbahn 22 wird diese Wärme in x-Richtung weiter in Richtung der zweiten Teilfläche 240 geleitet. Über diese zweite Teilfläche 240 wird, in negativer z-Richtung, die Wärme über die erste Wärmekontaktfläche 440 der Kühleirichtung 4 in diese abgeleitet. Bei dieser Erläuterung des ersten Wärmeleitkanals wurden üblicherweise vorhandene Zwischenschichten nicht genannt. Diese Zwischenschichten sind als erste oder zweite Verbindungsmittel, wie unter 2 beschrieben, ausgebildet.
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6 zeigt eine Draufsicht auf eine Lage, analog zu 5, einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung. Im Gegensatz zur 5 sind hier drei Wärmeleitkanäle ausgebildet. Die durch den zweiten und dritten Wärmeleitkanal aufgespannte Ebene in der yz-Richtung steht jeweils orthogonal auf der durch den ersten Wärmeleitkanal in der xz-Richtung aufgespannten Ebene. In anderen Worten, erfolgt die Wärmeleitung im zweiten Wärmeleitkanal von der ersten Teilfläche 220 in y-Richtung innerhalb der ersten Leiterbahn 22 zu einer weiteren Teilfläche 242 der Leiterbahn 22 und dort über eine zweite Wärmekontaktfläche 440 des Kühlbauteils 4 und von dort in das Kühlbauteil 4. Die Wärmeleitung im dritten Wärmeleitkanal erfolgt von der ersten Teilfläche 220 in negative y-Richtung innerhalb der ersten Leiterbahn 22 zu einer weiteren Teilfläche 244 der Leiterbahn 22 und dort über einer dritten Wärmekontaktfläche 444 des Kühlbauteils 4 und von dort in das Kühlbauteil 4. In dieser Ausgestaltung entarten sowohl die drei Teilflächen 240, 242, 244 zu einer Gesamtteilfläche 246 wie auch die drei Wärmekontaktflächen 440, 442, 444 zu einer Gesamtwärmekontaktfläche 446.
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Bei dieser Ausgestaltung beträgt im Bereich der ersten Leiterbahn 22 der Flächenhalt der Summe der Querschnittsflächen aller Wärmeleitkanäle mehr als das Dreifache desjenigen Flächeninhalts, der zur Stromleitung notwendig wäre.
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7 zeigt einen Schnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Anordnung, die sich von derjenigen gemäß 2 und bezüglich der Wärmeleitung innerhalb der Leiterplatte 2 dadurch unterscheidet, dass zwei, in z-Richtung, parallel angeordnete Leiterbahnen 22, 226 an der Wärmeleitung beteiligt sind. Die zweite Leiterbahn 226 ist hierbei nicht an der Oberfläche der Leiterplatte 2, sondern in deren Inneren angeordnet, wie es für sog. Mulitlayer- Leiterplatten fachüblich ist. Hierzu sind zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn fachübliche Durchkontaktierungen 228 vorgesehen, die ausschließlich oder zusätzlich zur Stromleitung der Wärmeleitung in z-Richtung und über die erste Leiterbahn 22 aus dem Leistungshalbleiterbauelement 3 heraus und in negative z-Richtung und wiederum über die erste Leiterbahn 22 in das Kühlbauteil 4 hinein dienen. Diese Durchkontaktierungen 228 samt der dritten Leiterplatte 226 bilden einen Bypass für den unter 2 beschriebenen ersten Wärmeleitkanal aus.
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Grundsätzlich ist es bei allen Ausgestaltungen nicht notwendig, dass ein Teil des Kühlbauteils 4 in negativer z-Richtung fluchtend zum Leistungshalbleiterbauelement 3 angeordnet ist. In anderen Worten, kann das Kühlbauteil 4 auch vollständig neben, betrachtet in der xy-Ebene, dem Leistungshalbleiterbauelement 3 angeordnet sein.
