JP4843684B2 - 集積電子構成部材ならびに集積電子構成部材に対する冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された集積電子構成部材ならびに請求項１０の上位概念に記載された集積電子構成部材に対する冷却装置をその出発点とする。

従来の技術
集積電子構成部材にはふつう少なくとも１つのプリント基板と、このプリント基板に配置される電子パワー素子と、このプリント基板を少なくとも部分的に包囲するケーシングとが含まれている。問題なのは上記のパワー素子の放熱である。まさにケーシングにおけるパッケージ密度が高いことならびにコンパクトな構造形状によって放熱は困難になっている。従来技術では、集積電子構成部材のパワー素子、例えば２次元ＳＭＤ実装（surface mounted device Montage）に対する集積電子構成部材のパワー素子は、プリント基板により、多くの場合に金属であるケーシングに放熱される。ここではプリント基板を通る熱流は、いわゆる熱ヴィアによって改善される。ここでこの熱ヴィアは、小さな孔または止まり孔であり、これらはレーザ技術を用いてまたはマイクロドリルによって機械的に作製され、熱を導くのに利用される。熱伝導率を高めるため、これらのヴィアは、銅被覆される。ここではプリント基板の下側は、パワー素子のすぐ下で上記のケーシングに結合されており、これによってできる限り迅速に熱をケーシングに伝えている。熱の伝わりを評価するため、いわゆる熱抵抗が使用される。ここでこの熱抵抗は、所定の損失出力における熱経路の開始部と終了部との間の温度差を示すものである。この熱抵抗はＫ／Ｗで測定され、熱流が乗り越えて行かなければならない上記の経路の複数のセグメントの熱抵抗を加算すること得られる。プリント基板からケーシングに至る接触熱抵抗（thermische Uebergangswiderstand）を最小化するために公知であるのは、ペースト、接着剤またはシートの形態の熱伝導媒体をプリント基板とケーシングとの間に入れることである。この際に不利であるのは、プリント基板下側に構成部材を配置できないことである。さらに上記の構造により、中間層が熱ヴィアによって中断されてしまうことになる。これにより、パワー素子の配置および配線の点においてレイアウトが付加的に不利な制限を受けてしまうのである。

発明の利点
本発明の集積電子構成部材において、プリント基板は、熱伝導性材料製の少なくとも１つの内部層を有する。ここでの大きな利点は、プリント基板に配置されるパワービルダ（Leistungsbautraeger）からケーシングに至る有利な放熱である。

有利な実施形態では、上記の内部層は中実の銅から形成される。殊に有利には上記のプリント基板は２つの内部層を有する。これらの銅内部層の有利な厚さとして提案されるのは、例えば１０５μｍ，２１０μｍまたは４００μｍの層厚である。この内部層は、有利には構造化（エッチング）することができる。

上記のパワー素子は、プリント基板に対して横向きに配置されている少なくとも１つのコンタクト開口部を介して内部層に熱結合され、これらのパワー素子によって形成される熱をこの内部層に排出することができる。有利なコンタクト開口部として、孔の形態の貫通コンタクト部を構成することができ、これはプリント基板に対して垂直に形成される。殊に有利な実施形態ではコンタクト開口部として止まり穴（μヴィアないしはマイクロヴィア）が構成される。これは有利にはレーザで穿孔される。標準プリント基板を通るμヴィアは、例えば約２００Ｋ／Ｗの熱抵抗を有する。要求に応じて相応数のμヴィアが平行にプリント基板に配置される。ここでの大きな利点は、プリント基板下側にもパワー素子を配置できることである。これによってケーシング構造とレイアウトとの間で有利なデカップリングが行われ、また付加的に利用可能なプリント基板面積を有利にも増大させることができる。

上記の内部層からケーシングに熱を導くために有利にはクランプエッジ（Klemmrand）を構成する。ここでは熱は、内部層の横方向線路を介してこのクランプエッジに排出される。有利にもこの構造においては、もはやケーシングとプリント基板との間の銅面上にパワー素子を直接配置する必要がない。このため、構成部材を配置する際に付加的に自由な構成が可能となる。

上記のプリント基板がクランプエッジの領域に、プリント基板に対して横向きに配置された少なくとも１つのコンタクト開口部を有する場合、殊に有利に熱が導かれる。外側に向かって内部層を電気絶縁するために有利には、含浸有機基体製の材料が設けられており、この材料は、改善された熱伝導率を有する。例えば、いわゆるプレプレグを設けることができる。ここでこれは接着シートであり、例えば、多層プリント基板を構成するためにエポキシ樹脂を注入してプレポリマ化されたガラス硬化接着シートであり、これは有利には少なくとも１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。流動性が良好であることにより、すべての中間スペースは空気を含まずに充填され、またプレプレグ層と内部層との有利な層接合および接着力が得られる。この有利な層構造を介して、良好な熱伝導率が得られるのと同時に電気絶縁が保証される。

集積電子構成部材に対する本発明の冷却装置では、パワー素子からの熱を導くため、プリント基板は、熱伝導性材料からなる少なくとも１つの内部層を有する。ここでは有利には２つの内部層が中実の銅から構成される。しかしながら内部層として別の熱伝導性材料、例えばアルミニウムコアを構成することも可能である。パワー素子と、この内部層ないしケーシングに至る内部層とを熱結合するため、有利にはプリント基板に対して横向きに配置された少なくとも１つのコンタクト開口部を構成する。このコンタクト開口部は、例えば、貫通コンタクト部の形態、孔の形態または止り孔（μヴィア）の形態である。止り孔の利点は、プリント基板下側にもパワー素子を配置できることである。上記の内部層からケーシングに熱を導くため、有利にはクランプエッジを構成する。

すべてをまとめると、本発明の構成部材ないしは本発明の冷却装置により、適合化された装置コンセプトの枠内で、一層コンパクトな構造が得られる可能性が提供され、ここではさらに同等の信頼性を有する放熱ないしは一層改善された放熱が行われる。殊にここで提案される解決手段により、有利にもプリント基板にスペースが得られる。さらに本発明の解決手段は、これが独立した冷却コンセプトであるという利点を有する。それは上記のクランプエッジがこの冷却コンセプトを定めるからである。提案されたこの解決手段は、例えば、プリント基板技術のすべての原動機制御装置に使用可能である。

図面
本発明の別の実施形態、側面および利点は、特許請求の範囲でのまとめ方とは無関係に、また一般性を制限することなく、以下に図面に基づいて示した本発明の実施例からも得られる。

以下では概略断面図で、
図１は、コンタクト開口部と、クランプエッジと、片側にパワー素子が取り付けられたプリント基板とを有する集積電子構成部材を示しており、
図２は、μヴィアと、両側にパワー素子が取り付けられたプリント基板とを有する図１の択一な実施形態を示しており、
図３は、クランプエッジの領域に付加的なコンタクト開口部を有する図１の択一的な変形実施形態を示しており、
図４は、クランプエッジの領域においてプリント基板の両側に配置されたμヴィアを有する、図３の択一的な実施形態を示しており、
図５は、両側にパワー素子が配置された図３の変形実施形態を示しており、
図６は、両側にパワー素子が配置された図１の択一的な実施形態を示している。

実施例の説明
図１〜６には本発明の集積電子構成部材１７の択一的な実施形態が断面図でそれぞれ示されている。複数の図において同じ素子にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。集積電子構成部材１７には１つずつのプリント基板１０、殊に多層プリント基板１０と、このプリント基板１０に配置された少なくとも１つの電子パワー素子１１と、図示しないケーシングと含まれており、ここでこのケーシングはプリント基板１０を少なくとも部分的に包囲している。プリント基板１０は、熱伝導性材料からなりかつ構造化可能な２つずつの内部層１２を有しており、ここでこれらの内部層１２はそれぞれ中実な銅から構成されている。パワー素子１１は、プリント基板１０に対して横向きに配置されたコンタクト開口部１３を介して内部層１２にそれぞれ熱結合可能であり、パワー素子１１の放熱が行われる。内部層１２からケーシングに熱を導くため、１つずつのクランプエッジ１６が構成されており、ここで放熱は、２つの内部層１２の横方向線路１８を介してクランプエッジ１６に向かって行われる。クランプエッジ１６は、プリント基板１０の外側エッジを少なくとも部分的に包囲しており、またプリント基板１０の上側２１および下側２２から離れている自由な脚部２０，２０′によって実質的にＵ字形に構成されている。外側に向かって内部層１２を電気絶縁するために、含浸有機基体製の材料、例えば１つずつのプレプレグ層１９が設けられる。

図１ではパワー素子１１を放熱するため、貫通コンタクト部が設けられており、これは、例えば、プリント基板１０に対して横向き配置された貫通式の孔１４の形態の、平行に配置されたコンタクト開口部１３である。図１においてプリント基板１０には上側２１の片側にパワー素子１１が取り付けられている。

図２においてコンタクト開口部１３は止り穴１５（μヴィア）として構成されている。止り穴１５を介してパワー素子１１の熱は内部層１２に、さらに内部層１２の横方向線路１８を介してクランプエッジ１６に導かれ、ここで熱伝導性有機プレプレグ層１９を介して熱が外部に導かれる。この構造により、有利にもプリント基板１０の上側２１および下側２２の両側にパワー素子１１，１１′を取り付けることができる。

図３には図１の実施形態の１変形実施形態が示されており、この実施形態の構造は実質的に図１の図に相応する。図１とは異なり、図３に示した実施形態のプリント基板１０は、プリント基板１０に対して横向きに配置された孔１４の形態のコンタクト開口部１３をクランプエッジ１６の領域に有する。この構造は、ポテンシャルフリーに取り付ける必要のないパワー素子１１に制限される。

図３の１変形実施形態において、図４のプリント基板１０は、プリント基板１０に対して横向きに配置されかつ１つずつの止り穴１５の形態のコンタクト開口部１３をクランプエッジ１６の領域に有しており、ここでこの止り穴１５は、プリント基板１０の上側２１からも、プリント基板１０の下側２２からも共に内側に向かって穿孔されており、この止り穴を介して、クランプエッジ１６を介しケーシングに向かって内部層１２の放熱が行われる。

図５には図１の択一的な実施形態が示されている。パワー素子１１を内部層１２に向かって放熱するため、貫通コンタクト部が設けられており、これは、例えば、プリント基板１０に対して横向き配置された貫通式の孔１４の形態の平行に配置されたコンタクト開口部１３である。さら孔１４として構成された別の貫通コンタクト部を介して内部層１２からケーシングへの放熱が行われ、これは横方向線路１８に沿い、クランプエッジ１６に向かって行われる。提案したこの解決手段により、ここでもプリント基板１０からケーシングに至る接触熱抵抗が最小化されるため、プリント基板両側にパワー素子１１，１１′を取り付けることができる。

プリント基板１０の上側２１および下側２２にパワー素子１１，１１′を取り付けられるようにする別の択一的な実施形態は図６に示されている。パワー素子１１，１１′で形成された熱は、孔１４の形態のコンタクト開口部１３を介して内部層１２に導かれる。内部層１２からケーシングへの熱伝導は、内部層１２の横方向線路１８を介してクランプエッジ１６に向かって行われる。クランプエッジ１６により、上記の接触熱抵抗が低減されるため、プリント基板１０の両側にパワー素子１１を取り付けることができる。

コンタクト開口部と、クランプエッジと、片側にパワー素子が取り付けられたプリント基板とを有する集積電子構成部材を示す図である。 μヴィアと、両側にパワー素子が取り付けられたプリント基板とを有する図１の択一な実施形態を示す図である。 クランプエッジの領域に付加的なコンタクト開口部を有する図１の択一的な変形実施形態を示す図である。 クランプエッジの領域においてプリント基板の両側に配置されたμヴィアを有する、図３の択一的な実施形態を示す図である。 両側にパワー素子が配置された図３の変形実施形態を示す図である。 両側にパワー素子が配置された図１の択一的な実施形態を示す図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのプリント基板（１０）と、該プリント基板（１０）に配置される少なくとも１つの電子パワー素子（１１）と、前記のプリント基板（１０）を少なくとも部分的に包囲するケーシングとを有する集積電子構成部材において、
   前記のプリント基板（１０）は、熱伝導性材料製の少なくとも１つの内部層（１２）を有しており、
   前記の内部層（１２）からケーシングに熱を導くためのクランプエッジ（１６）が設けられていることを特徴とする
   集積電子構成部材。
2. 前記の少なくとも１つの内部層（１２）は、中実の銅から構成されている、
   請求項１に記載の集積電子構成部材。
3. 前記の内部層（１２）は、孔を有する、
   請求項１または２に記載の集積電子構成部材。
4. 前記の電子パワー素子（１１）は、プリント基板（１０）に対して横向きに配置される少なくとも１つコンタクト開口部（１３）を介して内部層（１２）に熱結合可能である、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の集積電子構成部材。
5. 前記のコンタクト開口部（１３）が孔として構成されている、
   請求項４に記載の集積電子構成部材。
6. 前記のコンタクト開口部（１３）が止り孔（１５）として構成されている、
   請求項４または５に記載の集積電子構成部材。
7. 前記のプリント基板（１０）は、当該プリント基板（１０）に対して横向き配置されている少なくとも１つのコンタクト開口部（１３）をクランプエッジ（１６）の領域に有する、
   請求項６に記載の集積電子構成部材。
8. 前記の内部層（１２）を外側に向かって電気絶縁するため、含浸有機基体製の材料が設けられており、該含浸有機基体製の材料は、エポキシ樹脂を注入してプレポリマ化されたガラス硬化接着シートであるプレプレグである、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の集積電子構成部材。
9. 少なくとも１つのプリント基板（１０）と、該プリント基板（１０）に配置される少なくとも１つの電子パワー素子（１１）と、ケーシングとを有する集積電子構成部材（１７）に対する冷却装置において、
   前記のプリント基板（１０）は、電子パワー素子（１１）から熱を導くため、熱伝導性材料製の少なくとも１つの内部層（１２）を有しており、
   前記の内部層（１２）からケーシングに熱を導くため、クランプエッジ（１６）が構成されていることを特徴とする
   冷却装置。
10. 前記の集積電子パワー素子（１１）と、１つの内部層（１２）ないしは複数の内部層（１２）とをケーシングに向かって熱結合するため、プリント基板（１０）に対して横向きに配置される少なくとも１つのコンタクト開口部（１３）が構成されている、
    請求項９に記載の冷却装置。

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