DE4218419C2 - Leiterplatte mit einem plattenförmigen Metallkern - Google Patents
Leiterplatte mit einem plattenförmigen MetallkernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte
- - mit einem plattenförmigen Metallkern,
- - mit mindestens einem auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauelement, das über ein gut wärmeleitendes Verbindungsstück mit dem Metallkern verbunden ist, und
- - mit einem mit dem Metallkern verbundenen Kühlkörper.
Elektronische Bauelemente, insbesondere integrierte
Schaltungen, erzeugen abhängig vom Betriebszustand an den
Sperrschichten Verlustwärme. Diese Verlust- oder Eigenwärme
begrenzt bei natürlicher Konvektion des Bauelementes dessen
Anwendungstemperaturbereich. Die Eigenschaft des
Bauelementes, Verlustwärme durch Konvektion abzugeben, ist
bestimmt durch seine Oberfläche, durch das Material sowie
durch die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des
Bauelementes und dem umgebenden Fluid, z. B. Luft. Besonders
bei erhöhten Temperaturen im Inneren elektronischer
Einrichtungen und der damit verbundenen kleinen
Temperaturdifferenz ist die Eigenschaft des Bauelementes,
Verlustwärme abzugeben, begrenzt. Bei den genannten
elektronischen Einrichtungen, bei denen erhöhte Temperaturen
im Inneren auftreten können, handelt es sich z. B. um
Einsätze, Schränke oder um Gestelle der Nachrichtentechnik.
Eine Leiterplatte der eingangs genannten Art ist z. B. durch
das IBM-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13 Nr. 1, Juni
1970 S. 58, bekannt geworden. Bei der bekannten Bauart sind
an der Oberseite der Leiterplatte angeordnete elektronische
Bauelemente vorgesehen, die z. B. über wärmeleitende Stege
mit Durchkontaktierungen versehen sind, die als
Verbindungsstücke zu dem unterhalb der Leiterplatte
angeordneten Metallkern dienen. Anstelle wärmeleitender Stege
ist dort bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eine
unterhalb des elektronischen Bauelementes angeordnete
wärmeleitende Platte vorgesehen, die ebenfalls mit den
genannten Durchkontaktierungen in wärmeleitender Verbindung
steht. Der Metallkern seinerseits ist an einem Ende mit einem
als Kühlkörper ausgebildeten Block verbunden. Bei dieser
Bauart ist die Menge der abgeführten Wärme durch den
Querschnitt der Stege und die Wandstärke der
Durchkontaktierungen relativ begrenzt. Lokale
Temperaturerhöhungen in den heißen elektronischen
Bauelementen können durch die vorliegende Methode nicht
verhindert werden. Ferner benötigen die Stege bzw. die
unterhalb der Bauelemente angeordneten Platten auf der
Oberseite der Leiterplatte eine bestimmte
Fläche, die dann nicht mehr für das Layout zur Verfügung
steht.
Durch die JP-A 2-301159 ist eine Bauart zur Kühlung von
integrierten Schaltkreisen bekannt geworden, wobei ein IC mit
Hilfe eines Distanzstückes mit elastischem Teil und einer
Befestigungsschraube mit der Leiterplatte verbunden wird.
Dabei ist der Schraubenkopf wärmetechnisch mit einer
rückseitigen Metallplatte verbunden. Bei dieser Bauart ist
die Anbindung an den Kühlkörper immer fest an den IC
gebunden. Dies bedeutet eine Kopplung von Layout und
Mechanik, was zu großen Einschränkungen in der Plazierung der
ICs führt.
Durch die US-PS 48 02 532 ist eine Bauart bekannt geworden,
bei der die auf der Oberseite einer Leiterplatte angeordneten
elektronischen Bauelemente durch einen auf der Unterseite der
Leiterplatte angeordneten Kühlkörper mit Kühlrippen gekühlt
werden. Dabei erfolgt die Verbindung zwischen den
elektronischen Bauelementen und dem Kühlkörper durch eine
aufwendige Konstruktion einer Schraubverbindung, wobei die
Schraubenköpfe an der Unterseite der elektronischen
Bauelemente anliegen.
Durch EP 0 180 730 ist eine Anordnung zur Wärmeabführung an
einem elektronischen Bauelement bekannt geworden, bei der ein
Wärmeübertragungsteil aus einer parallel zur Leiterplatte
verlaufenden Scheibe und einem Bolzen gebildet wird. Dabei
ist die Wärmeabfuhr an ein parallel zur Leiterplatte
vorgesehenes Kühlteil durch den Querschnitt der Bolzen
begrenzt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 33 15 583 A1 ist ein kühlbares
Schaltungsmodul bekannt, bei dem ebenfalls die Wärme durch
einen metallischen, in einem Keramik- oder Kunststoffträger
angebrachten Kühlblock abgeführt wird. Auch hier kann die
Wärme nicht durchgehend über die gesamte Fläche des Trägers
abgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von
elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte erzeugte
Verlustleistung möglichst einfach, zuverlässig und wirksam
abzuführen, und zwar insbesondere bei solchen Leiterplatten,
die mit sehr hohen Verlustleistungen pro Flächeneinheit
belastet sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
- - das Verbindungsstück unterhalb des Bauelementes lösbar in einer Bohrung des Metallkerns befestigt ist und unmittelbar an der Unterseite des Bauelementes anliegt und
- - daß der Kühlkörper parallel zur Leiterplatte verlaufend angeordnet und seinerseits über Abstandshalter gut wärmeleitend mit dem Metallkern verbunden ist.
Eine derartige Anordnung ermöglicht eine wirksame Kühlung
der elektronischen Bauelemente ohne irgendwelche elektrisch
betriebenen Zusatzmaßnahmen, z. B. Lüfter. Insbesondere wird
erreicht, eine Verlustleistung pro Bauelement von bis zu 5 W
und eine Verlustleistung auf einer Baugruppe (30 × 30 cm2)
von bis zu 0,07 W/cm2 so abzuführen, daß eine maximal
zulässige Sperrschichttemperatur von 90°C nicht überschritten
wird. Die Anordnung beruht auf einem sehr einfachen
mechanischen Konzept. Das gut wärmeleitende und leicht
montierbare Verbindungsstück liegt toleranzfrei unmittelbar
am Boden des Gehäuses des zu kühlenden elektronischen
Bauelementes an und ist mit diesem innig verbunden, so daß
sich ein geringer Wärmewiderstand zwischen den beiden Körpern
bildet. Der Querschnitt des Verbindungsstückes ist jeweils
der Abmessung und der Größe des abzuführenden Wärmestromes
des elektronischen Bauelementes entsprechend bemessen. Die
gute Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß der gut
wärmeleitende Metallkern in gut wärmeleitendem
Kontakt mit dem gut wärmeleitenden Verbindungsstück und dem
Kühlkörper steht. Der Metallkern hat die Aufgabe, die von den
elektronischen Bauelementen über die Verbindungsstücke an sie
abgegebene Verlustleistung (Wärme) über die gesamte Fläche
der Leiterplatte gleichmäßig zu verteilen. Dadurch werden
lokale Temperaturüberhöhungen vermieden. Wenn die gesamte
Fläche der Leiterplatte mit der gleichen Wärmemenge belastet
ist, kann die Verlustleistung über die gesamte Oberfläche des
Metallkernes optimal an die Umgebungsluft abgegeben werden.
Durch die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Metallkern
und dem Kühlkörper kann die infolge des Metallkernes über die
gesamte Fläche der Leiterplatte gleichmäßig verteilte
Verlustwärme nicht nur an die Umgebungsluft, sondern
zusätzlich auch an den großflächigen Kühlkörper abgegeben
werden. Man ist somit nicht an festgelegte Übergangsstellen
zwischen dem Metallkern und dem Kühlkörper gebunden, was zu
einer erheblich größeren Freiheit im Gestalten der
Leiterplatte führt.
Durch die erfindungsgemäße Bauart ergibt sich eine
mechanische Entkopplung zwischen den elektronischen
Bauelementen und dem Kühlkörper und damit eine Plazierung der
Bauelemente, die frei ist von irgendwelchen mechanischen
Vorgaben des Kühlkörpers.
Eine zuverlässige, leicht herstellbare Verbindung zwischen
dem elektronischen Bauelement und dem Metallkern erfolgt
vorzugsweise dadurch, daß das Verbindungsstück als
Metallbolzen ausgebildet ist und unter Druck an dem Gehäuse
des
Bauelementes anliegt. Die Befestigung in der Bohrung des
Metallkernes kann z. B. durch Löten erfolgen. Dazu wird der
mit einem Wärmeleitkleber bestrichene Bolzen nach
Bestückung der Leiterplatte durch die Bohrung geführt und
bis zum Aushärten des Klebers gegen das Bauelement
gedrückt. Danach wird die gesamte Platte und damit auch
der Bolzen verlötet.
Die Befestigung des Bolzens in der Bohrung kann auch durch
Klemmen erfolgen. Dazu wird die Leiterplatte zunächst
bestückt und gelötet. Danach wird der mit einem Wärmeleit
kleber bestrichene Bolzen gegen das Gehäuse des Bau
elementes gedrückt und mit seinem freien, geschlitzten
Ende durch Aufweiten in der Bohrung des Metallkernes
befestigt.
Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
der Bolzen als Gewindebolzen ausgebildet und in die mit
einem Gewinde versehene Bohrung eingeschraubt und
gegebenenfalls durch Löten gegen Herausfallen gesichert.
Diese Bauweise hat den Vorteil, daß der Bolzen mit einem
zu definierenden Drehmoment genau zum Anliegen am Gehäuse
boden des elektronischen Bauelementes, z. B. an einem
IC-Gehäuseboden, gebracht und in dieser Stellung auch
toleranzfrei fixiert werden kann.
Eine weitere Verbesserung der Leitfähigkeit kann dadurch
erreicht werden, daß zwischen dem Gehäuse des Bauelementes
und der Anlagefläche des Verbindungsstückes ein Wärmeleit
mittel, z. B. eine Wärmeleitpaste, aufgebracht ist und/oder
daß die Oberfläche des Verbindungsstückes einen niedrigen
Rauhigkeitsgrad aufweist.
Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren der Anordnung gemäß
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- a) daß die Leiterplatte im Bereich der zu kühlenden Bauelemente von jeglichem Layout freigehalten wird,
- b) daß die Leiterplatte im Bereich der freigehaltenen Flächen jeweils mit einer Freisparung versehen wird,
- c) daß in den Metallkern im Bereich jeder Freisparung eine Bohrung eingebracht wird,
- d) daß die Leiterplatte mit sämtlichen Bauelementen bestückt und verlötet wird,
- e) daß danach die Verbindungsstücke in die Bohrungen der Kernplatte eingeschraubt und, nach Anlage am Gehäuse des jeweiligen Bauelementes, mit dem Metallkern fest verbunden, z. B. verlötet werden,
- f) daß die Leiterplatte im Bereich der Abstands halter mit zusätzlichen, bis zu dem Metallkern laufenden Freisparungen versehen wird und
- g) daß der Kühlkörper über die Abstandshalter und die Freisparungen in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Metallkern gebracht und fixiert wird.
Bei einer Bauart, bei der die Verbindung zwischen dem
Kühlkörper und dem Metallkern mittels der Verbindungs
stücke selbst erfolgt, ist das Montieren eines ein
stückigen, großflächigen Kühlkörpers aufgrund der Höhen
toleranzen der Verbindungsstücke wärmetechnisch nur schwer
möglich. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, den großflächigen Kühlkörper in entsprechende
Teilkühlkörper zu teilen, die jeweils mit einem Ver
bindungsstück verbunden sind.
In der Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 4 Ausführungs
beispiele des Gegenstandes gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine geschnittene Teilseitenansicht einer
Leiterplatte mit einem zu kühlenden elektronischen Bauelement
und einem Verbindungsstück,
Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Leiterplatte
mit einem unterhalb der Leiterplatte angebrachten einteiligen
Kühlkörper,
Fig. 3 zeigt eine Einzelheit aus Fig. 2, und
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Leiterplatte mit drei zu
kühlenden elektronischen Bauelementen und mit drei unterhalb
der Bauelemente angeordneten Teilkühlkörpern.
Eine Leiterplatte 10 besitzt eine obere Lage 11 als
Bauteilseite und eine untere Lage 12 als Lötseite. Dazwischen
liegt ein durchlaufender Kern 13 aus Metall
oder aus einer Metallkombination. Der durchlaufende Kern 13
ist vorzugsweise als Kernplatte ausgebildet. Mit 14 ist ein
zu kühlendes elektronisches Bauelement, z. B. ein IC,
bezeichnet, das über Kontaktelemente 14a mit der Bauteilseite
11 der Leiterplatte 10 elektrisch kontaktiert ist. Ein als
Metallbolzen ausgebildetes Verbindungsstück 15 ist in eine
Bohrung 16 der Kernplatte 13 geschraubt und liegt mit seiner
Oberfläche 15a in gut wärmeleitendem Kontakt an der
Gehäuseunterfläche 14b des Bauelementes 14 an. Zur
Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besitzt die Oberfläche
15a einen niedrigen Rauhigkeitsgrad und ist mit einer
Wärmeleitpaste bestrichen. Mit 17 ist jeweils eine
Freisparung innerhalb der Lagen 11 und 12 der Leiterplatte 10
bezeichnet.
Gemäß Fig. 2 sind auf der Leiterplatte 10 fünf zu kühlende
Bauelemente 14 angeordnet, die entsprechend Fig. 1 jeweils
mit einem metallischen Verbindungsstück 15 versehen sind;
dies ist jedoch in Fig. 2 aus Übersichtsgründen nicht
dargestellt. Ein zusätzlich unterhalb der Leiterplatte 10
angebrachter großflächiger Kühlkörper 18 ist über gut
wärmeleitende Abstandshalter 19 mit der gut wärmeleitenden
Kernplatte 13 der Leiterplatte 10 wärmeleitend verbunden, wie
aus der Einzelheit Z gemäß Fig. 3 zu erkennen ist. Die
metallische Kernplatte 13 ist über die Abstandshalter 19 an
den Kühlkörper 18 angebunden. Dadurch ergibt sich ein
geringer Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper 18 und der
metallischen Kernplatte 13. Dies führt zu einer effektiven
Kühlung der Leiterplatte 10. Die metallischen
Abstandshalter 19 sitzen in Freisparungen 17a der
Leiterplatte unmittelbar auf der Kernplatte 13 und sind dort
mit einem geringen Wärmewiderstand befestigt.
Anstelle der Abstandshalter 19 könnten auch die in die
Kernplatte 13 eingeschraubten, als Befestigungsstücke
dienenden Metallbolzen 15 als Träger für den großflächigen
Kühlkörper 18 verwendet werden. Da das Montieren eines
einstückigen großflächigen Kühlkörpers aufgrund der
Höhentoleranzen der Metallbolzen 15 nur schwer möglich ist,
wird bei einer solchen Ausführung der Kühlkörper vorzugsweise
in Teilkühlkörper 18a, b, c geteilt, wie dies in Fig. 4
dargestellt ist. Fig. 4 entspricht im übrigen dem Aufbau nach
Fig. 1.
Bei der thermischen Kontaktierung vom IC-Gehäuse 14 zur
metallischen Kernplatte 13 tritt stets eine Reihe von
Wärmeübergängen von einem Material zum nächsten auf, ferner
ergeben sich zusätzlich innere Wärmeverluste durch den
Wärmetransport innerhalb eines Materials. Jeder Wärmeverlust
innerhalb eines Materials sowie jeder Wärmeübergang zwischen
zwei Materialien kann dabei in Analogie zur Elektronik als
ein thermischer Widerstand dargestellt werden. Die
Kontaktierung des IC-Gehäuses 14 an die Kernplatte 13
gestaltet sich demnach als eine Kette von thermischen
Widerständen. Durch die erfindungsgemäße Bauart wird
erreicht, daß die Anzahl der Wärmeübergänge vom IC-Gehäuse 14
zur Kernplatte 13 bzw. zum Kühlkörper 18 so gering wie
möglich gehalten ist, wobei der Wert der einzelnen
Übergangswiderstände minimiert ist und wobei der Wert der
materialimmanenten Wärmewiderstände durch eine Auswahl
thermisch geeigneter Materialien ebenfalls minimiert ist.
Claims (11)
1. Leiterplatte (10)
- - mit einem plattenförmigen Metallkern (13),
- - mit mindestens einem auf der Leiterplatte (10) angeordneten elektronischen Bauelement (14), das über ein gut wärmeleitendes Verbindungsstück (15) mit dem Metallkern (13) verbunden ist, und mit einem mit dem Metallkern (13) verbundenen Kühlkörper (19),
- - daß das Verbindungsstück (15) unterhalb des Bauelementes (14) lösbar in einer Bohrung (16) des Metallkernes (13) befestigt ist und unmittelbar an der Unterseite des Bauelementes (14) anliegt und
- - daß der Kühlkörper (18) parallel zur Leiterplatte (19) verlaufend angeordnet und seinerseits über Abstandshalter (19) gut wärmeleitend mit dem Metallkern (13) verbunden ist.
2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verbindungsstück (15) als Metallbolzen ausgebildet ist
und unter Druck an dem Gehäuse des Bauelementes (14) anliegt.
3. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bolzen durch Löten in der Bohrung befestigt ist.
4. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bolzen durch Klemmen
in der Bohrung befestigt ist.
5. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Klemmen des Bolzens durch Aufweiten des mit einem Schlitz
versehenen Bolzens vollzogen wird.
6. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bolzen als Gewindebolzen (15) ausgebildet, in die mit
einem Gewinde versehene Bohrung (16) fest eingeschraubt und
gegebenenfalls durch Löten gegen Herausdrehen gesichert ist.
7. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verbindungsstückes
(15) einen niedrigen Rauhigkeitsgrad aufweist und/oder mit
einem Wärmeleitmittel versehen ist.
8. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper (18) mittels der Verbindungsstücke (15)
selbst an dem Metallkern (13) verbunden ist.
9. Leiterplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkörper in den Verbindungsstücken (15) zugeordnete
Teilkühlkörper (18a, b, c) geteilt ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte nach einem
der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß die Leiterplatte (10) im Bereich der zu kühlenden Bauelemente (14) von jeglichem Layout freigehalten wird,
- b) daß die Leiterplatte (10) im Bereich der freigehaltenen Flächen jeweils mit einer Freisparung (17) versehen wird,
- c) daß in den Metallkern (13) im Bereich jeder Freisparung (17) eine Bohrung (16) eingebracht wird,
- d) daß die Leiterplatte (10) mit sämtlichen Bauelementen bestückt und verlötet wird,
- e) daß danach die Verbindungsstücke (15) in die Bohrungen (16) des Metallkerns (13) eingeführt und, nach Anlage am Gehäuse (14) des jeweiligen Bauelementes, mit dem Metallkern (13) fest verbunden werden,
- f) daß die Leiterplatte (10) im Bereich der Abstandshalter (19) mit bis zu dem Metallkern (13) laufenden Freisparungen (17a) versehen wird und
- g) daß der Kühlkörper (18) über die Abstandshalter (19) und die Freisparungen (17a) in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Metallkern (13) gebracht und fixiert wird.
11. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte nach
Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungsstücke (15) mit dem Metallkern (13) durch
Löten verbunden werden.
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DE19924218419 DE4218419C2 (de) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Leiterplatte mit einem plattenförmigen Metallkern |
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