DE102022202601A1

DE102022202601A1 - Mehrlagiges substrat für eine elektronische vorrichtung und elektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE102022202601A1
Application number: DE102022202601.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Burger; Sagardas Sagardas
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Robert Bosch Engineering and Business Solutions Pvt Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Bosch Global Software Technologies Pvt Ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges Substrat 100 für eine elektronische Vorrichtung 200. Das mehrlagige Substrat 100 umfasst eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten 10 mit elektronischen Bauelementen und eine wärmeleitende Schicht 20. Die elektrisch leitende Schicht 10 umfasst ein oder mehrere Durchgangslöcher 40 zur thermischen Verbindung mit der elektrisch leitenden Schicht 10. Die wärmeleitende Schicht 20 weist einen oder mehrere Kühlkanäle 50 für Kühlmittelfluss auf.

Description

Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrlagiges Substrat für eine elektronische Vorrichtung. Insbesondere betrifft sie eine Wärme abführende Anordnung eines mehrlagigen Substrats und eine elektronische Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Das Packaging von elektronischen Vorrichtungen erfährt einen evolutionären Wandel, und infolgedessen werden die Größen der Packages auf einen ultrakleinen Maßstab reduziert. Wärmeabführung und Wärmemanagement solcher kleinen Packages ist eine große Herausforderung.
Die EP0844808B2 offenbart eine Leiterplattenvorrichtung. Sie weist mindestens zwei Leiterplatten auf, die wärmeerzeugende Bauelemente stützen, wobei eine Kühlplatte Kühlkanäle enthält, die einen integralen Teil der Vorrichtung bilden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges Substrat für eine elektronische Vorrichtung. Das mehrlagiges Substrat umfasst eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten mit elektronischen Bauelementen und eine wärmeleitende Schicht. Die elektrisch leitende Schicht weist ein oder mehrere Durchgangslöcher zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht auf. Die wärmeleitende Schicht weist einen oder mehrere Kühlkanäle für Kühlmittelfluss auf.
Die wärmeleitende Schicht ist durch eine Isolationsschicht von der elektrisch leitenden Schicht isoliert. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Durchgangsloch mit einem wärmeleitenden Material gefüllt. Beispiele für die elektrisch leitende Schicht beinhalten eine Kupferschicht. Analog dazu beinhalten Beispiele für die wärmeleitende Schicht eine Kupferschicht. Das Durchgangsloch kann auch ein hohles Durchgangsloch sein. Der Kühlkanal ist durch einen Prozess wie Stanzen, Pressen, Formen, Metallguss usw. auf der wärmeleitenden Schicht ausgebildet. Ein Einlass des Kühlkanals weist einen Dichtungsring auf. Der Kühlkanal weist auch einen Auslass mit einem Dichtungsring auf.
Eine elektronische Vorrichtung umfasst ein mehrlagiges Substrat. Das mehrlagige Substrat weist eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten mit elektronischen Bauelementen und eine wärmeleitende Schicht auf, die mindestens einen Kühlmittelkanal mit einem Einlass und einen Auslass aufweist. Ein geformtes Harzgehäuse umschließt das mehrlagige Substrat. Der Einlass des Kühlkanals weist einen Dichtungsring auf. Der Einlass weist ein abgestuftes Profil auf. Der Auslass weist auch ein abgestuftes Profil und einen Dichtungsring auf. Die elektrisch leitende Schicht weist ein oder mehrere Durchgangslöcher zur elektrischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht auf.
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein mehrlagiges Substrat eine oder mehrere erste elektrisch leitende Schichten mit elektronischen Bauelementen, eine wärmeleitende Schicht und eine oder mehrere zweite elektrisch leitende Schichten mit elektronischen Bauelementen. Die erste elektrisch leitende Schicht und die zweite elektrisch leitende Schicht weisen ein oder mehrere Durchgangslöcher zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht auf. Die wärmeleitende Schicht weist einen oder mehrere Kühlkanäle für Kühlmittelfluss auf.
Figurenliste
Es wird eine Ausführungsform der Offenbarung unter Bezugnahme auf die folgende beigefügte Zeichnung beschrieben.

1 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines mehrlagigen Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
2 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines mehrlagigen Substrats gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
3 stellt eine schematische Ansicht einer wärmeleitenden Schicht mit einem Kühlkanal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
4 stellt eine Ausbildung eines Kühlkanals auf einer wärmeleitenden Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
5 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
6 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
7 stellt eine perspektivische Ansicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
1 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines mehrlagigen Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das mehrlagige Substrat 100 umfasst eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten 10 und eine wärmeleitende Schicht 20. Die elektrisch leitenden Schichten 10 werden als PCB-Schichten bezeichnet und werden zum Montieren von elektronischen Bauelementen verwendet. Beispiele für die elektrisch leitende Schicht 10 können eine Kupferschicht beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Analog dazu können Beispiele für die wärmeleitende Schicht 20 eine Kupferschicht beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Die elektrisch leitende Schicht 10 weist ein oder mehrere Durchgangslöcher 40 zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht 20 auf. Die wärmeleitende Schicht 20 weist einen oder mehrere Kühlkanäle 50 für Kühlmittelfluss auf.
In 1 werden nur eine elektrisch leitende Schicht 10 und eine wärmeleitende Schicht 20 als Beispiel gezeigt. Es können jedoch mehrere elektrisch leitende Schichten 10, 30 über bzw. unter der mittleren Kupferschicht 20 gebildet werden. 2 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines mehrlagigen Substrats gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 2 gezeigt ist, werden eine erste elektrisch leitende Schicht 10 eine wärmeleitende Schicht 20 und eine zweite elektrisch leitende Schicht 30 nacheinander gebildet. Die erste und zweite elektrisch leitende Schicht 10, 30 weisen ein oder mehrere Durchgangslöcher 40 zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht 20 auf. Die wärmeleitende Schicht 20 weist einen oder mehrere Kühlkanäle 50 für Kühlmittelfluss auf. Von den auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 10 und der zweiten elektrisch leitenden Schicht 30 montierten elektronischen Bauelementen erzeugte Wärme wird über die jeweiligen Durchgangslöcher 40 zu der wärmeleitenden Schicht 20 abgeführt. Die wärmeleitende Schicht 20 weist einen Kühlkanal 50 auf, in dem Kühlmittel, z. B. Glykol, zirkuliert wird, um die Wärme aus dem mehrlagigen Substrat 100 abzustrahlen. Der Kühlkanal 50 und die Durchgangslöcher 40 führen die Wärme effektiv von den auf den elektrisch leitenden Schichten 10, 30 montierten elektronischen Bauelementen ab. Infolgedessen wird die Betriebseffizienz der elektronischen Bauelemente deutlich verbessert. Die Erfindung erleichtert das Montieren von elektronischen Bauelementen auf beiden Seiten der wärmeleitenden Schichten über die erste elektrisch leitende Schicht 10 und die zweite elektrisch leitende Schicht 30. Infolgedessen wird eine Raumoptimierung erreicht und doch die Wärmeeffizienz deutlich verbessert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Durchgangsloch 40 mit einem wärmeleitenden Material wie beispielsweise Kupfer gefüllt. Das Durchgangsloch 40 kann auch ein hohles Durchgangsloch sein.
3 stellt eine schematische Ansicht einer wärmeleitenden Schicht mit einem Kühlkanal gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Kühlkanal 50 ist durch Prozesse wie Stanzen, Pressen, Formen, Metallguss usw. auf der wärmeleitenden Schicht 20 ausgebildet.
4 stellt eine Ausbildung eines Kühlkanals 50 auf einer wärmeleitenden Schicht 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Zwei Filme 20a, 20b mit Kühlkanalhohlräumen 50a, 50b oder Vertiefungen sind in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Pressen zum Bilden einer wärmeleitenden Schicht 20 mit einem Kühlkanal 50 miteinander verbunden.
5 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die elektronische Vorrichtung 200 umfasst ein mehrlagiges Substrat 100. Das mehrlagige Substrat 100 umfasst eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten 10 mit elektronischen Bauelementen und eine wärmeleitende Schicht 20. Die wärmeleitende Schicht 20 weist einen oder mehrere Kühlkanäle 50 für Kühlmittelfluss auf. Der Kühlkanal 50 weist einen Einlass 80 und einen Auslass 140 auf.
Die elektrisch leitende Schicht 10 weist ein oder mehrere Durchgangslöcher 40 zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht 20 auf. Von den auf den elektrisch leitenden Schichten 10 montierten elektronischen Bauelementen erzeugte Wärme wird über die jeweiligen Durchgangslöcher 40 an die wärmeleitende Schicht 20 abgeführt. In dem Kühlkanal 50 wird Kühlmittel, z. B. Glykol) zirkuliert, um die Wärme aus dem mehrlagigen Substrat 100 und der elektronischen Vorrichtung 200 abzustrahlen. Der Kühlkanal 50 und die Durchgangslöcher 40 führen die Wärme effektiv von den elektronischen Bauelementen auf beiden Kupferschichten 10 ab.
Ein geformtes Harzgehäuse 110 umschließt das mehrlagige Substrat 100. Der Einlass 80 des Kühlkanals 50 weist einen Dichtungsring 120 auf. Der Dichtungsring 120 verhindert ein Leck des Kühlmittels in der elektronischen Vorrichtung 200. Der Einlass 80 des Kühlkanals 50 weist ein abgestuftes Profil auf. Das abgestufte Profil erleichtert eine effektive Abdichtung durch den Dichtungsring 120.
Wie in 5 gezeigt ist, ist die wärmeleitende Schicht 20 durch eine erste Isolationsschicht 60 von der ersten elektrisch leitenden Schicht 10 elektrisch isoliert. Analog dazu ist die wärmeleitende Schicht 20 durch eine zweite Isolationsschicht 70 von der zweiten elektrisch leitenden Schicht 30 elektrisch isoliert. Ein Einlass des Kühlkanals 50 weist einen Dichtungsring auf. Der Dichtungsring verhindert ein Leck des Kühlmittels und vermeidet dadurch damit zusammenhängende Probleme. Der Auslass 90 weist auch ein abgestuftes Profil und einen Dichtungsring auf.
Die elektrisch leitenden Schichten 10, 30 weisen Durchgangslöcher 40 zum Verbinden der wärmeleitenden Schicht 20 auf. Von den elektronischen Bauelementen auf den elektrisch leitenden Schichten 10, 30 erzeugte Wärme wird über die Durchgangslöcher 40 zu der wärmeleitenden Schicht 20 abgeführt. Durch die Kühlkanäle 50 der wärmeleitenden Schicht 20 fließendes Kühlmittel führt die Wärme weiter effektiv ab.
6 stellt eine perspektivische Explosionsdarstellung einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die elektronische Vorrichtung 200 umfasst ein geformtes Harzgehäuse 110, das, wie in den vorherigen Abschnitten erläutert wurde, ein mehrlagiges Substrat 100 umschließt. 6 zeigt einen Kühlkanal 50 mit einem Einlass 80 und einem Auslass 140. Der Einlass 80 und Auslass 140 weisen ein abgestuftes Profil und Dichtungsringe auf.
7 stellt eine perspektivische Ansicht einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 6 gezeigt ist, umfasst die elektronische Vorrichtung 200 ein mehrlagiges Substrat 100. Das mehrlagige Substrat 100 umfasst eine oder mehrere erste elektrisch leitende Schichten 10 mit elektronischen Bauelementen, eine wärmeleitende Schicht 20 und eine oder mehrere zweite elektrisch leitende Schichten 30 mit elektronischen Bauelementen. Die erste elektrisch leitende Schicht 10 und die zweite elektrisch leitende Schicht 30 umfassen ein oder mehrere Durchgangslöcher 40 zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht 30. Die wärmeleitende Schicht 20 weist einen oder mehrere Kühlkanäle 50 für Kühlmittelfluss auf.
Die elektronische Vorrichtung 200 weist durch den Kühlkanal 50 und die wärmeleitenden Durchgangslöcher 40 eine verbesserte Wärmeeffizienz auf. Sie optimiert auch den Montageraum, da sie das Montieren von elektronischen Bauelementen auf zwei elektrisch leitenden Schichten 10, 50 gestattet und doch die Wärmeabführung verbessert.
Es versteht sich, dass in der obigen Beschreibung erläuterte Ausführungsformen nur veranschaulichend sind und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken. Viele solcher Ausführungsformen und andere Modifikationen und Änderungen der in der Beschreibung erläuterten Ausführungsformen kommen in Betracht. Der Schutzumfang der Erfindung wird lediglich durch den Schutzumfang der Ansprüche beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0844808 B2 [0003]

Claims

Mehrlagiges Substrat (100) für ein elektronische Vorrichtung (200), wobei das mehrlagige Substrat (100) Folgendes umfasst: - mindestens eine elektrisch leitende Schicht (10, 30) mit elektronischen Bauelementen; - eine wärmeleitende Schicht (20); dadurch gekennzeichnet, dass in dem mehrlagigen Substrat (100) die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (10, 30) mindestens ein Durchgangsloch (40) zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht (20) aufweist; und die wärmeleitende Schicht (20) mindestens einen Kühlmittelkanal (50) für Kühlmittelfluss aufweist.
Mehrlagiges Substrat (100) nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Schicht (20) durch mindestens eine Isolationsschicht (60, 70) von der elektrisch leitenden Schicht (10) elektrisch isoliert ist.
Mehrlagiges Substrat (100) nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitende Schicht (10, 30) eine Kupferschicht ist.
Mehrlagiges Substrat (100) nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Schicht (20) eine Kupferschicht ist.
Mehrlagiges Substrat (100) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Kühlmittelkanal (50) durch mindestens eines von Stanzen, Pressen, Formen, Metallguss usw. auf der wärmeleitenden Schicht (20) gebildet ist.
Mehrlagiges Substrat (100) nach Anspruch 1, wobei ein Einlass (80) des mindestens einen Kühlmittelkanals (50) einen Dichtungsring (120) aufweist.
Elektronische Vorrichtung (200) umfasst ein mehrschichtiges Substrat (100), ein geformtes Harzgehäuse (110), das das mehrschichtige Substrat (100) umschließt, wobei das mehrschichtige Substrat (100) Folgendes umfasst: - mindestens eine elektrisch leitende Schicht (10) mit elektronischen Bauelementen; dadurch gekennzeichnet, dass - eine wärmeleitende Schicht (20) mindestens einen Kühlkanal (50) mit einem Einlass (80) und einem Auslass aufweist; - der Einlass (80) des mindestens einen Kühlkanals (50) einen Dichtungsring (120) aufweist; und - die mindestens elektrisch leitende Schicht (10) mindestens ein Durchgangsloch (40) zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht (20) aufweist.
Elektronische Vorrichtung (200) nach Anspruch 7, wobei der Einlass (80) ein abgestuftes Profil aufweist.
Elektronische Vorrichtung (200) nach Anspruch 7, wobei die wärmeleitende Schicht (20) durch mindestens eine Isolationsschicht (60, 70) von der elektrisch leitenden Schicht (10) elektrisch isoliert ist.
Mehrlagiges Substrat (100) für ein elektronische Vorrichtung (200), wobei das mehrlagige Substrat (100) Folgendes umfasst: - mindestens eine erste elektrisch leitende Schicht (10) mit elektronischen Bauelementen; - eine wärmeleitende Schicht (20); - mindestens eine zweite elektrisch leitende Schicht (30) mit elektronischen Bauelementen; dadurch gekennzeichnet, dass in dem mehrlagigen Substrat (100) die mindestens eine erste elektrisch leitende Schicht (10) und die mindestens eine zweite elektrisch leitende Schicht (30) mindestens ein Durchgangsloch (40) zur thermischen Verbindung mit der wärmeleitenden Schicht (20) aufweisen; und die wärmeleitende Schicht (20) mindestens einen Kühlmittelkanal (50) für Kühlmittelfluss aufweist.