DE4220966A1 - Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte für elektrische Bauteile, bei dem eine bauteilseparate Wärmesenke zum Ableiten der Verlustwärme eines zu kühlenden Bauteils in einer Durchgangsöffnung der Trägerplatte fixiert wird.
Bei einem derartigen, aus der EP-A1-0 308 296 bekannten Verfahren wird in einer Trägerplatte jeweils seitlich eines zu kühlenden Bauteiles eine Durchgangsöffnung vor­ gesehen, in der durch Schwallöten eine bauteilseparate Wärmesenke fixiert wird. Die Wärmesenke ist Teil eines großflächigen Kühlkörpers. Auf die Trägerplatte wird eine dünne Schicht aus gut wärmeleitendem Material aufge­ bracht, die über eine Lotstrecke mit der Wärmesenke wärmeleitend verbunden ist. Zwischen der wärmeableitenden dünnen Schicht und der Unterseite des zu kühlenden Bau­ teils befindet sich ein schmaler Luftspalt.
Da die Wärmesenke nur in seitlicher Nähe zu dem zu küh­ lenden Bauteil angeordnet ist und zwischen der Schicht und dem Bauteil ein Luftspalt existiert, ist die Kühlleistung bei der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Träger­ platte bei Bauteilen mit einer besonders großen Verlust­ wärme möglicherweise nicht mehr ausreichend. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die über die Wärmesenke dem Kühlkörper zugeleitete Wärme auf der Bauteilseite abge­ geben wird bzw. abgeführt werden muß. Der daher notwen­ dige, verhältnismäßig große Kühlkörper erfordert ein ver­ gleichsweise großes Einbauvolumen der bekannten Träger­ platte. Mit dem bekannten Verfahren ist die Herstellung von Trägerplatten, die anschließend mit Bauteilen für die Oberflächenmontage (SMD-Bauteilen) bestückt werden soll­ ten, problematisch, weil die auf der Seite der wärmeab­ leitenden Schicht anzuordnenden Kontaktierungspunkte den Schichtverlauf erheblich einschränken und weil bei einer derartigen Kontaktierung der Bauteile Lötvorgänge zumeist unerwünscht sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Herstellen einer Trägerplatte zu schaffen, bei der eine äußerst effektive Wärmeabfuhr gewährleistet ist und die Wärmesenke lotfrei fest und präzise zur Träger­ plattenunterseite fixiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Durchgangs­ öffnung unterhalb des zu kühlenden Bauteils erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Wärmesenke mit hoher Genauigkeit z. B. parallel zur Trägerplatten­ unterseite ausgerichtet und beispielsweise durch Klebung oder Preßsitz fixiert werden; die Wärmesenke kann an der Trägerplattenunterseite bedarfsweise exakt an einen wei­ teren Kühlkörper thermisch angekoppelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Trägerplatte ge­ schaffen, bei der ein besonders inniger (Klebe-)Kontakt zwischen dem zu kühlenden Bauteil und der Wärmesenke besteht. Da die Durchgangsöffnung unmittelbar unter dem Bauteil angeordnet wird, ist eine besonders effektive, direkte Wärmeabfuhr gewährleistet.
Eine bevorzugte Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens besteht darin, daß die Wärmesenke in die Durchgangs­ öffnung eingepreßt wird. Durch diese äußerst feste und ohne zusätzliches Verbindungsmittel mögliche Fixierung der Wärmesenke können insbesondere gehäuselose integrierte Schaltungen auf SMD-bestückten Leiterplatten höchst effektiv gekühlt werden. Durch den Preßsitz der Wärmesenke werden von dieser die beim Drahtbonden eine auf ihr ange­ ordneten gehäuselosen Schaltung auftretenden Kräfte zu­ verlässig aufgenommen. Vorzugsweise wird die Durchgangs­ öffnung als kreiszylindrische Durchgangsbohrung ausge­ staltet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Wärmesenke bezüglich der Durchgangsöffnung im Untermaß ausgebildet und nach dem Einbringen in die Durchgangsöffnung unter Bildung eines Preßsitzes plastisch verformt wird. Ein wesentlicher Vor­ teil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch den anschließenden Verformungs­ vorgang für die Herstellung der Durchgangsöffnung und der im Untermaß ausgebildeten Wärmesenke eine äußerst hohe Fertigungstoleranz besteht.
Eine fertigungstechnisch und hinsichtlich des Werkzeug­ bedarfs vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Wärmesenke durch axiale Stauchung verformt wird.
Um dem Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Wärme­ senke einen besonders hohen Wirkungsgrad zu verleihen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das zu kühlende Bauteil mit der ihm zugewandten Seite der Wärmesenke thermisch leitend verklebt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens besteht darin, daß die dem zu kühlenden Bauteil abgewandte Seite der Wärmesenke mit einem Metall­ teil verklebt wird, das Teil eines die Trägerplatte aufnehmenden Gehäuses ist; das Gehäuse bzw. das Gehäuse­ teil dienen damit in vorteilhafter Weise zusätzlich auch als Kühlkörper.
Um die Entstehung von Oberflächen-Rissen während des Einpressens oder der Verformung der Wärmesenke zuverlässig zu vermeiden, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestal­ tung der Erfindung vor, daß die Wärmesenke vor dem Ein­ setzen mit einem duktilen Material, vorzugsweise mit Weichgold, beschichtet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich hervorragend zur Herstellung von relativ dicken und/oder mehrlagigen Trägerplatten mit ausgezeichneter, integrierter Kühlung, wobei die Verlustwärme direkt auf die dem zu kühlenden Bauteil abgewandte Trägerplattenseite abgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend beispiel­ haft anhand einer Zeichnung weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Trägerplatte in einem Gehäuse;
die Fig. 2, 3 und 4 illustrieren wesentliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Fixierung einer Wärmesenke.
Fig. 1 zeigt eine Trägerplatte 1 für elektrische Bautei­ le, bei denen es sich beispielsweise um einen integrierten Schaltkreis 2, ein Bauteil 3 in Form einer gehäuselosen integrierten Schaltung und Widerstände 4 handelt. Während des Betriebs der auf der Trägerplatte 1 aufgebauten Schal­ tung entsteht in der integrierten Schaltung 3 wegen hoher Verlustleistung eine erhebliche Verlustwärme. Um das Bauteil (Schaltung) 3 zu kühlen, weist die Trägerplatte 1 eine unterhalb des Bauteils 3 angeordnete Durchgangsöff­ nung in Form einer kreiszylindrischen Durchgangsbohrung 5 auf. In die Durchgangsbohrung 5 ist eine aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellte Wärmesenke 6 einbringbar. Die Wärmesenke 6 kann bezüglich der Durchgangsbohrung 5 mit einem Untermaß versehen sein, so daß die Wärmesenke 6 mit Spiel in die Durchgangsbohrung 5 eingelegt werden kann. Das Bauteil 3, die Durchgangsboh­ rung 5 und die Wärmesenke 6 sind in Fig. 1 nur aus Dar­ stellungsgründen voneinander getrennt gezeichnet; tatsäch­ lich sind sie in der nachfolgend geschilderten Weise miteinander verbunden.
Fig. 2 zeigt im Zusammenhang mit dem Verfahrensschritt des Einlegens der Wärmesenke 6 in die Durchgangsbohrung 5 den entsprechenden Bereich der Fig. 1 in stark vergrö­ ßerter Schnitt-Darstellung. Die Wärmesenke 6 weist etwa in ihrem mittleren Bereich eine umlaufende Verdickung 7 mit jeweils einen Übergang bildenden Fasen 8 und 9 auf. Die Wärmesenke 6 wird vor dem Einsetzen in die Durchgangs­ bohrung 5 mit einem duktilen Material 10, vorzugsweise mit Weichgold, beschichtet.
Wie Fig. 3 illustriert, bewirken in Axialrichtung 11 auf die Wärmesenke 6 einwirkende Kräfte F eine plastische Verformung der Wärmesenke 6, durch die eine die Wärmesenke 6 verbreiternde Stauchung eintritt. Die Wärmesenke 6 weist damit die in Fig. 3 gezeigte Form auf, während ihre ur­ sprüngliche Form lediglich zur Verdeutlichung gestrichelt dargestellt ist. Die plastische Verformung erzeugt zumin­ dest im Bereich der Verdickung 7 einen Preßsitz der Wär­ mesenke 6 in der Durchgangsbohrung 5, durch den die Wär­ mesenke 6 außerordentlich fest und mit ihrer Unterseite 12 exakt parallel zur Leiterplattenunterseite 13 fixiert ist.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Fixierung einer Wärmesenke 6′ in einer Durchgangsöffnung 5′ einer Trägerplatte 1′. Die Wärmesenke 6′ ist bezüglich der Durchgangsöffnung 5′ mit einem Übermaß ausgebildet. Bevor die Wärmesenke 6′ in die Durchgangsöffnung 5′ eingepreßt worden ist, wurde sie mit einem duktilen Material zur Ver­ meidung einer Rißbildung beschichtet. Die Wärmesenke 6′ ist in der Durchgangsöffnung 5′ nach dem Einpressen fest in einem Preßsitz gehalten. Unterhalb der verhältnismäßig dicken Trägerplatte 1′ befindet sich ein Kühlkörper 15, der mit der Wärmesenke 6′ in direktem wärmeaustauschenden Kontakt steht. Die Wärmesenke 6′ kann an dem Kühlkörper 15 auch direkt angeformt sein. Alternativ könnte eine mit Untermaß ausgebildete Wärmesenke in der Durchgangsöffnung auch eingeklebt sein.
Nach der Fixierung der Wärmesenke 6 wird das Bauteil 3 bzw. 3′ mit der ihm zugewandten Seite 20, 20′ (Fig. 1 und 4) der Wärmesenke 6, 6′ thermisch leitend verklebt. Anschließend werden zur Herstellung elektrischer Verbin­ dungen (nur in der Fig. 4 näher dargestellte) Bond-Drähte 21 von Anschlußpunkten 22, 22′ des Bauteils 3, 3′ zu ent­ sprechenden Anschlußpunkten 23, 23′ auf der Trägerplatte 1, 1′ gezogen. Obwohl dabei hohe mechanische Belastungen auf das Bauteil 3, 3′ und die Trägerplatte 1, 1′ ein­ wirken, ist die Wärmesenke 6, 6′ durch ihren Preßsitz zuverlässig fest in der Durchgangsbohrung 5, 5′ fixiert.
Anschließend wird die Trägerplatte 1 in ein andeutungs­ weise dargestelltes Gehäuse 25 (Fig. 1) eingebracht, wo­ bei die dem Bauteil 3 abgewandte Seite 26 der Wärmesenke 6 mit einem Metallteil 27 - vorzugsweise mit dem Boden des Gehäuses 25 - verklebt wird. Eine Leuchtdiode 30 wird über Anschlüsse 31 und 32 mit der auf der Trägerplatte 1 ausge­ bildeten Schaltung verbunden. Die so aufgebaute Einheit bildet ein Modul zur Umwandlung digitaler Signale in Licht­ signale, die an einen an das Modul angeschlossenen Licht­ wellenleiter 33 abgegeben von diesem empfangen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Trägerplatte mit sehr effektiver direkter Verlustwärmeabfuhr herstell­ bar; das Stauchen der Wärmesenke 6 gestattet eine äußerst hohe Fertigungstoleranz der Maße der Wärmesenke 6 und der Durchgangsbohrung 5, weil diese Toleranz in vorteilhafter Weise durch den plastischen Verformungsvorgang dieser beiden Fügeteile ausgeglichen werden kann. Das Gehäuse 25 dient über die Wärmesenke 6 gleichzeitig als Kühlkörper, so daß eine effektive Kühlung des Bauteils 3 und der ge­ samten Trägerplatte 1 ohne die Notwendigkeit eines zu­ sätzlichen Kühlkörperbauteils erfolgt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte (1) für elektrische Bauteile (2, 3, 4), bei dem eine bauteilseparate Wärmesenke (6) zum Ableiten der Verlustwärme eines zu küh­ lenden Bauteils (3) in einer Durchgangsöffnung (5) der Trägerplatte (1) fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (5) unterhalb des zu kühlenden Bau­ teils (3) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (6) in die Durchgangsöffnung (5) einge­ preßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (6) bezüglich der Durchgangsöffnung (5) im Untermaß ausgebildet und nach dem Einbringen in die Durch­ gangsöffnung (5) unter Bildung eines Preßsitzes plastisch verformt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (6) durch axiale Stauchung verformt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Bauteil (3) mit der ihm zugewandten Seite (20) der Wärmesenke (6) thermisch leitend verklebt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu kühlenden Bauteil (3) abgewandte Seite der Wär­ mesenke (6) mit einem Metallteil (27) verklebt wird, das Teil eines die Trägerplatte (1) aufnehmenden Gehäuses (25) ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (6) vor dem Einsetzen mit einem duktilen Mate­ rial (10), vorzugsweise mit Weichgold, beschichtet wird.
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