DE102009051632A1

DE102009051632A1 - Leiterplatte mit Kühlkörper

Info

Publication number: DE102009051632A1
Application number: DE200910051632
Authority: DE
Inventors: Yasar Güncar; Michael Luppold; Alexander Dauth
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Leiterplatte mit einem elektrischen Bauelement (3) und einem Kühlkörper zum Kühlen des Bauelements (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlkörper eine Metallplatte (4) ist, welche die Leiterplatte (1) trägt und eine Erhebung (4a) aufweist, die in eine Ausnehmung der Leiterplatte (1) eingreift und das Bauelement (3) trägt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem elektrischen Bauelement und einem Kühlkörper zum Kühlen des Bauelements.
Elektrische Bauelemente wie beispielsweise Leistungsschalter setzen im Betrieb eine erhebliche elektrische Leistung frei und müssen deshalb gekühlt werden. Insbesondere in Glühkerzensteuergeräten, die mehrere Leistungsschalter enthalten, mit denen durch Pulsweitenmodulation aus einer Bordnetzspannung eine Effektivspannung für die gesteuerten Glühkerzen erzeugt wird, ist eine effiziente Kühlung erforderlich.
Um die Abwärme von elektrischen Bauelementen abzuführen, ist es bekannt, Kühlkörper an dem Bauelement anzubringen. Kühlkörper können beispielsweise auf der Oberseite des Bauelements befestigt werden. Möglich ist es auch, ein Kühlelement in eine Aussparung einer Leiterplatte einzusetzen und das Bauelement auf dem Kühlkörper zu montieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie elektrische Bauteile, insbesondere Leistungsschalter, in einem Glühkerzensteuergerät effizient und mit geringem Aufwand gekühlt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Kühlkörper eine Metallplatte verwendet wird, welche die Leiterplatte trägt und eine Erhebung aufweist, die in eine Ausnehmung der Leiterplatte eingreift und das zu kühlende Bauelement trägt. Indem das zu kühlende Bauelement auf der Erhebung sitzt, ist es thermisch hervorragend an die Metallplatte angekoppelt. Abwärme kann deshalb effizient abgeführt und mit der an der Unterseite der Leiterplatte angeordneten Metallplatte großflächig verteilt werden. Dies führt zu einer effizienten Kühlung von elektrischen Bauelementen wie beispielsweise Leistungshalbleitern, insbesondere Feldeffekttransistoren.
Bevorzugt weist die Metallplatte mehrere Erhebungen auf, die jeweils in eine Ausnehmung der Leiterplatte eingreifen und ein elektrisches Bauelement tragen. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einem Glühkerzensteuergerät, das für jede Glühkerze einen Leistungsschalter aufweist, mit vorteilhaft geringem Montageaufwand eine Kühlung realisiert werden.
Bevorzugt bedeckt die Metallplatte die Leiterplatte an deren Unterseite im Wesentlichen vollständig. Auf diese Weise kann die Fläche zur Verteilung und Abfuhr der Wärme vorteilhaft maximiert werden.
Bevorzugt trägt der Kühlkörper mehrere elektrische Bauelemente, beispielsweise vier oder mehr wärmeerzeugende Leistungsschalter oder andere elektronische Bauelemente.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leiterplatte mit mehreren elektronischen Bauelementen und einer Metallplatte als Kühlkörper;
2 die in 1 dargestellte Leiterplatte ohne zu kühlende Bauelemente;
3 eine Detailansicht des Ausschnitts A von 1; und
4 eine Detailansicht des Ausschnitts B von 2.
1 zeigt schematisch eine Leiterplatte 1 mit verschiedenen elektronischen Bauelementen 2, 3. Die Bauelemente 3 setzen im Betrieb eine erhebliche elektrische Leistung frei und müssen deshalb gekühlt werden. Beispiele derartiger Bauelemente 3 sind insbesondere Leistungsschalter, beispielsweise Feldeffekttransistoren, und High Side Switches HSS. In Glühkerzensteuergeräten werden derartige Leistungshalbleiter, insbesondere MOSFETs, verwendet, um aus einer Bordnetzspannung durch Pulsweitenmodulation eine effektive Spannung zu erzeugen, die an eine Glühkerze angelegt wird. Ein Glühkerzensteuergerät hat typischerweise für jede zu steuernde Glühkerze einen solchen Leistungsschalter, also beispielsweise vier oder sechs Leistungsschalter. In 1 sind der Einfachheit halber nur zwei derartige zu kühlende Bauelemente 3 dargestellt.
Zum Kühlen der Bauelemente 3 ist eine in 3 dargestellte Metallplatte 4 vorgesehen, die an der Unterseite der Leiterplatte 1 angeordnet ist. Die Metallplatte 4 hat stufenförmige Erhebungen 4a, die in Aussparungen der Leiterplatte 1 eingreifen. Die zu kühlenden elektrischen Bauelemente 3 sitzen auf den in die Aussparungen eingreifenden Erhebungen 4a der Metallplatte 4. Auf diese Weise kann von den zu kühlenden elektrischen Bauelementen 3 erzeugte Wärme effizient abgeführt und mit der Metallplatte 4 großflächig verteilt werden.
Die Bauelemente 3 können auf die Erhebungen 4a mit einem Wärmeleitkleber aufgeklebt werden oder auf andere Weise an den Erhebungen befestigt werden, beispielsweise durch Löten. Um die Bauelemente 3 zu kontaktieren weist die Leiterplatte 1 Lötflächen 5, die in 4 dargestellt sind, auf.
Die Erhebungen 4a der Metallplatte 4 können in die Aussparungen der Leiterplatte 1 eingepresst sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Metallplatte 4 mit der Leiterplatte 1 verklebt werden. Bevorzugt ist jedoch, dass zwischen der Metallplatte 4 und der Leiterplatte 1 einen Luftspalt ist. Auf diese Weise kann die Metallplatte noch besser abführen.
Die Aussparungen können in der Leiterplatte 1 ausgestanzt, gebohrt oder gefräst sein. Die von der Metallplatte 4 getragene Leiterplatte 1 kann einen einschichtigen oder mehrschichtigen Aufbau haben.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erhebungen 4a näherungsweise rechteckig geformt. Prinzipiell können die Erhebungen aber beliebige Formen haben. Bevorzugt ist die Oberseite der Erhebungen 4a bündig mit der von der Metallplatte 4 abgewandten Seite der Leiterplatte 1.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Metallplatte 4 dieselbe Fläche wie die Leiterplatte 1. Prinzipiell kann die Metallplatte 4 aber auch eine etwas größere oder kleinere Fläche haben. Für eine effiziente Wärmeverteilung ist die Fläche der Metallplatte 4 aber mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens viermal so groß, wie die Fläche aller Aussparungen zusammen, in die sie mit ihren Erhebungen 4a eingreift. Die Metallplatte 4 kann beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehen.
Der in 1 dargestellte Aufbau aus Metallplatte 4 und Leiterplatte 1 mit den elektrischen Bauelementen 2, 3 kann beispielsweise ein Glühkerzensteuergerät bilden. Die zu kühlenden Bauelemente 3 sind in diesem Fall Leistungsschalter, beispielsweise MOSFETs. In 1 sind der Einfachheit halber nur zwei derartige Bauelemente 3 dargestellt, die auf Erhebungen 4a der Metallplatte 4 sitzen. Bevorzugt sind aber mindestens vier Leistungsschalter 3 vorgesehen, die jeweils auf einer Erhebung 4a der Metallplatte 4 angeordnet sind. Die Leistungsschalter 3 werden von einer Steuereinheit gesteuert, beispielsweise einem Mikroprozessor oder einem ASIC. Die Steuereinheit benötigt in der Regel keine Kühlung und kann deshalb von einem der in 1 schematisch dargestellten Bauelemente 2 gebildet sind.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
2: Bauelement
3: Bauelemente
4: Metallplatte
4a: Erhebung
5: Lötflächen

Claims

Leiterplatte mit einem elektrischen Bauelement (3) und einem Kühlkörper zum Kühlen des Bauelements (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine Metallplatte (4) ist, welche die Leiterplatte (1) trägt und eine Erhebung (4a) aufweist, die in eine Ausnehmung der Leiterplatte (1) eingreift und das Bauelement (3) trägt.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (4a) in die Ausnehmung der Leiterplatte (1) eingepresst ist.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Metallplatte (4) und der Leiterplatte (1) ein Luftspalt ist.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper mehrere Erhebungen (4a) aufweist, die jeweils in eine Ausnehmung der Leiterplatte (1) eingreifen und ein elektrisches Bauelement (3) tragen.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2, 3) ein High Side Switch (HSS) ist.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2, 3) ein Leistungshalbleiter, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, ist.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (4a) bündig mit der von der Metallplatte (4) abgewandten Oberfläche der Leiterplatte (1) angeordnet ist.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (4) aus Aluminium oder Kupfer ist.
Leiterplatte nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (4a) stufenförmig ausgebildet ist.
Glühkerzensteuergerät mit einer Leiterplatte (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die als zu kühlende elektrische Bauelemente mehrere Leistungsschalter (3) aufweist, die jeweils auf Erhebungen (4a) einer Metallplatte (4) sitzen, die in Ausnehmungen der Leiterplatte (1) eingreifen, wobei die Leiterplatte (1) zusätzlich eine Steuereinheit (2) zum Betätigen der Leistungsschalter (3) trägt.