DE4335946A1

DE4335946A1 - Anordnung bestehend aus einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE4335946A1
Application number: DE19934335946
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dip Mayer-Steuernagel; Reinhard Fassel; Herbert Klinger; Hans-Joerg Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: EP0674827A1; WO1995011580A1; JPH08505013A; DE4335946C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung bestehend aus einer Lei terplatte nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten An ordnungen dieser Art bereitet es häufig Schwierigkeiten, die in einem oder mehreren Leistungsbauelementen erzeugte Wärme an eine Wärmesenke abzuführen, da die Leiterplatte an mindestens einer ihrer beiden Oberflächen mit einer Vielzahl von verschiedene elektrische Potentiale führenden Leiterbahnen belegt ist, die untereinander und mit der Wärmesenke nicht kurzgeschlossen werden dürfen. Es ist zum Beispiel aus der DE 35 05 167 A1 bekannt, die Wärme des Leistungs bauelements mit Hilfe von Durchkontaktierungen auf die Unterseite der Leiterplatte abzuführen. Diese Durchkontaktierungen sind aber im Bereich der Auflagefläche des Leistungsbauelements auf der Leiter platte angeordnet. Nach Aufsetzen des Leistungsbauelements sind diese Durchkontaktierungen aber nicht mehr sichtbar und für Prüfvor gänge unzugänglich. Ferner ergeben sich Schwierigkeiten mit der elektrischen Isolation, die durch ein zusätzliches Teil hergestellt werden muß, was wiederum Wärmeübergangsverluste zur Folge hat.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß gleichzeitig zur guten Wärmeabfuhr vom Leistungsbauelement zu einer Wärmesenke eine elektrische Isolation der verschiedenen Leistungsbauelemente unter einander und auch zur meist metallischen Wärmesenke (Gehäuse oder Bodenplatte des Gehäuses) gewährleistet ist. Die elektrische Isola tion ist nicht mehr verdeckt, sondern gut sichtbar und jederzeit überprüfbar. Die elektrische Isolationsstrecke ist mit geringer Toleranz herstellbar. Ferner ist die serienmäßige Herstellung der Leiterplatte in dieser Form wirtschaftlich und preisgünstig, da sie ohne zusätzliche Arbeitsvorgänge möglich ist. Es sind auch kein zu sätzliches Isolierteil, keine zusätzliche Montage, keine teuren innenliegenden Durchkontaktierungen oder zusätzliche Metallkerne zur Wärmeableitung notwendig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Die Anordnung eignet sich sowohl für mehrlagige (Multilayer) als auch für einfache, zweiseitig be schichtete Leiterplatten.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Leiterplatte mit einem Leistungsbauelement,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die dem Leistungs bauelement zugewandte Oberseite der Leiterplatte,

Fig. 3 und 4 jeweils eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels und die

Fig. 5a bis 5d jeweils eine Draufsicht auf eine der wärmeleitenden Schichten der Leiterplatte.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Leistungsbauelement bezeichnet, dessen bei Betrieb, insbesondere durch die im Siliziumchip 30 entstehende Wärme, d. h. Verlustwärme, abgeleitet werden soll. Das Leistungsbau element 10 und der Siliziumchip 30 sind mit der im Leistungsbauele ment 10 integrierten Kühlplatte 11, die zum Beispiel aus Metall be stehen kann, auf der Lötfläche 12 einer Leiterplatte 13 angeordnet. Die Leiterplatte 13 ist mehrschichtig als sogenannte Multi layer-Platte ausgebildet. Sie besteht aus mehreren Schichten 14, 15, 16 aus elektrischem Isolierstoff, zum Beispiel Glasgewebe. Zwischen diesen Schichten, d. h. zwischen der Schicht 14 und 15 bzw. zwischen der Schicht 14 und 16 ist jeweils eine Kupferschicht 21 bzw. 22 an geordnet. Für die Kupferschicht 21, 22 wäre auch ein anderes Mate rial, das gut wärmeleitend ist und elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, denkbar. Ferner befindet sich auch zwischen der Lötfläche 12 für das Leistungsbauelement 10 und der Schicht 15 eine Schicht 17 aus Kupfer. Ferner sind außerhalb der Lötfläche 12 und der Auflage fläche des Leistungsbauelements 10 in der Leiterplatte 13 mehrere Löcher als Durchkontaktierungen 18 ausgebildet, die durch die ge samte Dicke der Leiterplatte 13 hindurchführen. Die Wand der Durch kontaktierungen 18 besteht aus einer dünnen, wärmeleitenden und auch elektrisch leitenden Schicht 20. Wichtig ist bei der Ausgestaltung nach der Fig. 1, daß zwischen der Schicht 17 und der Schicht 20 für die Durchkontaktierungen 18 eine elektrische Isolationsstrecke 19 gebildet wird. In besonders einfacher Weise ist in der Fig. 1 diese Isolationsstrecke 19 durch eine Unterbrechung der Verbindung zwischen der Schicht 17 und der Schicht 20 gebildet, d. h. die Schicht 17 und die Schicht 20 sind nicht miteinander direkt ge koppelt. Die Schicht 20 liegt ferner wie ein Rohrniet auf der Ober fläche der Schichten 14, 15, 16 an.

In der Fig. 1 ist zu beiden Seiten des Leistungsbauelements 10 eine Durchkontaktierung 18 zur Wärmeableitung ausgebildet, so daß die Zwischenschichten 21, 22 durch die Leiterplatte 13 hindurch von der Schicht 20 einer Durchkontaktierung 18 zur Schicht 20 der anderen Durchkontaktierung 18 reichen. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Leistungsbauelement 10 rundherum, d. h. rahmenförmig, von mehreren Durchkontaktierungen 18 umgeben. Dies bedeutet jeweils, daß die Zwischenschichten 21, 22 mit der Schicht 20 der Durchkontaktie rungen 18 in Verbindung stehen, während aber die Schicht 17 an keiner Stelle direkten Kontakt mit der Schicht 20 der Durchkontak tierungen 18 Kontakt hat, so daß, weil die Schicht 15 aus elektrisch isolierendem Material besteht, eine elektrische Isolationsstrecke 19 zwischen der Schicht 17 und der Schicht 20 gebildet wird. Die Anzahl der Durchkontaktierungen 18 und ob das Leistungsbauelement 10 rund herum von ihnen umgeben ist, ist von der Menge der abzuführenden Wärme abhängig. Hierzu kann auf die geometrische Anordnung und Aus bildung der Durchkontaktierungen 18 Einfluß genommen werden. Auf be sondere Ausgestaltungen hierzu wird in den Fig. 3 und 5 noch näher eingegangen.

Ferner verbindet eine Kupferschicht als Bodenschicht 23 der Leiter platte 13 die Wände 20 der Durchkontaktierungen 18 miteinander. Mit Hilfe dieser Bodenschicht 23 ist die Leiterplatte 13 auf einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Kühlelement oder Gehäuseteil be festigt, das als sog. Wärmesenke zum Ableiten der Wärme dient. Es wäre aber auch möglich, die Leiterplatte 13 frei in einem Gehäuse hängend zu befestigen und so eine Wärmeableitung zu ermöglichen. Diese Wärmesenken sind meist metallisch und elektrisch Massepoten tial führend.

In der Fig. 1 ist mit Hilfe von Pfeilen der entsprechende Wärmefluß vom Leistungsbauelement 10 zur Wärmesenke hin eingezeichnet. Die insbesondere am Siliziumchip 30 entstehende Verlustwärme des Leistungsbauelements 10 gelangt von der integrierten Kühlplatte 11, über die Lötfläche 12 in die wärme- und elektrisch leitende Schicht 17 der Leiterplatte 13. Mit Hilfe dieser Schicht 17 wird die Wärme in die Schicht 15 geleitet und über die Schicht aus elektrisch iso lierendem Material 15, die wärmeleitende Schicht 22 zu der wärme leitenden Schicht 20 der Durchkontaktierungen 18 geführt. Von den Durchkontaktierungen 18 wird die Wärme direkt zu der wärmeleitenden Bodenschicht 23 geleitet. Wärme, die insbesondere wegen Sättigung nicht von der Schicht 22 aufgenommen wurde, gelangt in die Schicht 14 aus elektrisch isolierendem Material und wird von der nächsten Schicht 21 aus wärmeleitendem Material aufgenommen und zu der Schicht 20 der Durchkontaktierungen 18 geführt. Von dort wird die Wärme wieder über die Bodenschicht 23 zur Wärmesenke geleitet.

Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Leiterplatte 13a mit der Auflagefläche 23a nicht ganzflächig auf der Wärmesenke 35 auf, sondern hat nur teilweise Kontakt mit der Wärme senke 35. Dies bedeutet, daß die Leiterplatte 13a über die Wärme senke 35 hinausragt. Die Leiterplatte 13a ist entsprechend dem Aus führungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ebenfalls als mehr schichtige Leiterplatte, als sog. Multilayer ausgebildet. Auch sind die Durchkontaktierungen 18a ebenfalls seitlich neben dem Leistungs bauelement 10a in der Leiterplatte 13a ausgebildet. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 hat die wärmeleitende Schicht 17a wenigstens teilweise Kontakt mit der wärmeleitenden Schicht 20a der Durchkontaktierungen 18a. Dies bedeutet, daß die Schicht 17a auf der einen Seite, zum Beispiel in der Fig. 3 auf der linken Seite, mit der Schicht 20a der dort ausgebildeten Durch kontaktierungen 18a Verbindung hat, während auf der anderen Seite, d. h. in der Fig. 3 auf der rechten Seite, sich die Schicht 17a und die Schicht 20a der dort sich befindenden Durchkontaktierungen 18a nicht berühren. Die notwendige elektrische Isolierung zwischen dem Leistungsbauelement 10a und der Wärmesenke 35 wird nun dadurch her gestellt, daß die wärmeleitenden Schichten 22a, 21a und 23a jeweils wechselseitig nur mit der Schicht 20a der Durchkontaktierungen 18a verbunden sind, während sie auf der anderen Seite jeweils keinen Kontakt mit der Schicht 20a aufweisen. Dadurch wird wiederum eine elektrische Isolationsstrecke 19 zwischen dem Leistungsbauelement 10a und der Wärmesenke 35 hergestellt. Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 bedeutet dies nun, daß die Schicht 22a und die Schicht 23a in der Figur auf der linken Seite keinen Kontakt mit der Schicht 20a der sich dort befindlichen Durchkontaktierungen 18a und somit eine Isolationsstrecke 19b bzw. 19c haben. Im Unterschied dazu haben die Schichten 17a und die Schicht 21a auf der rechten Seite in der Fig. 3 keinen Kontakt mit der Schicht 20a der Durchkontaktierungen 18a und somit auf dieser Seite eine elektrische Isolationsstrecke 19d und 19e. Dadurch ist wieder sichergestellt, daß ein guter Wärmetransport von dem Leistungsbauelement 10a zu der Wärmesenke 35 und gleichzeitig eine elektrische Isolation zwischen dem Leistungsbau element 10a und der Wärmesenke 35 vorhanden ist. Der Wärmetransport selbst ist beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 entsprechend den Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1. Eine er hebliche Verbesserung der Wärmeleitung vom Leistungsbauelement 10a zur Wärmesenke 35 kann noch dadurch erreicht werden, daß die Durch kontaktierungen 18a, die nicht auf der Wärmesenke 35 aufliegen, mit wärmeleitendem Material, zum Beispiel Lötzinn 36 ausgefüllt sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 überdeckt das Leistungs bauelement 10b teilweise die Durchkontaktierungen 18c. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird auf die Zugänglichkeit von einigen Durch kontaktierungen 18c verzichtet. Der übrige Aufbau entspricht aber dem nach der Fig. 3.

In den Fig. 5a bis 5d ist nun die wechselseitige elektrische Isolierung und somit die Erzeugung einer elektrischen Isolations strecke 19 nochmals erläutert. In Fig. 5a ist eine Draufsicht auf die Öffnungen der Durchkontaktierungen 18c und der Schicht 17c zu erkennen. Es ist die elektrische Isolationsstrecke 36a zwischen der Schicht 17c und der Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c, auf der rechten Seite der Fig. 5 sichtbar. Aus der Fig. 5b ist nun er sichtlich, daß sich die elektrische Isolationsstrecke 36b zwischen der Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c und der Schicht 22c auf der anderen Seite befindet. In der Fig. 5c ist verdeutlicht, daß die Isolationsstrecke 36c wieder auf die in der Zeichnung rechten Seite verschoben ist und sich zwischen der Schicht 21c und der Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c befindet. In der Fig. 5d ist nun die Grundplatte 23c dargestellt und die elektrische Isola tionsstrecke 36d zu der auf der linken Seite befindlichen Schicht 20c der Durchkontaktierungen 18c sichtbar. Es ist somit erkennbar, daß in jeder Ebene und auf jeder Wärmeleitschicht 21, 22, 23 min destens einmal die Isolationsstrecke 19, 36 besteht.

Claims

1. Anordnung bestehend aus einer Leiterplatte (13), mindestens einem Leistungsbauelement (10), Lotflächen (12) für die das oder die Leistungsbauelement(e) (10) und mindestens eine Durchkontaktierung (18) durch die Leiterplatte (13) zur Wärmeabfuhr von dem oder den Leistungsbauelement(en) (10) zu einer Wärmesenke (35), dadurch ge kennzeichnet, daß die Durchkontaktierung(en) (18) mindestens teil weise außerhalb der Lötfläche (12) des jeweiligen Leistungsbauele ments (10) ausgebildet sind und daß zwischen dem Leistungsbauelement (10) und der Wärmesenke (35) mindestens eine elektrisch isolierende Unterbrechung (19) besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei terplatte (13) aus mehreren Schichten (14, 15, 16) aus elektrisch isolierendem und wärmeleitendem Material besteht und daß von den Durchkontaktierungen (18) Zwischenschichten (21, 22) aus wärmeleitendem Material in die Leiterplatte (13) jeweils zwischen den Schichten (14, 15, 16) führen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22) eine Schichtdicke von 8 bis 100 µm auf weisen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22) bis zu anderen Durch kontaktierungen (18) führen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22) wechselseitig zu den Durchkontaktierungen (18) hin elektrisch isoliert sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwischenschichten (21, 22), die Oberfläche (17) und die Grundfläche (23) wechselseitig zu den Durchkontaktierungen (18) hin elektrisch isoliert sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolation eine Unterbrechung (19) der jeweiligen Schicht (21, 22, 23, 17) ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Durchkontaktierungen (18) mit einem wärmeleitenden Material, vorzugsweise Zinn, ausgefüllt sind.