DE19910500A1

DE19910500A1 - Elektrisches Gerät

Info

Publication number: DE19910500A1
Application number: DE19910500A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Rupp; Joerg Sutter; Wolfgang Krauth; Wolfgang Schwenk; Gerd Knoepfel; Claude Berling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2000-10-05

Abstract

Um bei einem elektrischen Gerät, insbesondere Steuergerät, umfassend eine in einem Gehäuse angeordnete Leiterplatte, mit wärmeerzeugenden elektrischen/elektronischen Bauelementen, die auf einer ersten Seite der Leiterplatte auf Leiterbahnen angeordnet sind, die jeweils über eine Anzahl von Durchkontaktierungen mit auf der den Bauelementen gegenüberliegenden zweiten Seite der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind, wobei Kühlkörperelemente mit den auf der zweiten Seite angeordneten Leiterbahnen in thermischen Kontakt stehen, die Wärmeableitung zu verbessern und die Herstellung zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, die Kühlkörperelemente auf die Leiterbahnen der zweiten Seite der Leiterplatte vorzugsweise als SMD-Bauelemente aufzulöten und den Innenraum des Gehäuses zumindest teilweise mit einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Vergußmasse auszufüllen, in welcher die wärmeerzeugenden Bauelemente vollständig und die Kühlkörperelemente wenigstens teilweise eingebettet sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ein derartiges Gerät ist beispielsweise aus der DE 195 06 664 A1 bekannt. Bei dem bekannten Gerät ist eine mit wärmeerzeu genden Bauelementen bestückte Leiterplatte im Gehäuse eines elektronischen Steuergerätes angeordnet. Die Bauelemente sind in SMD-Technik (Surface Mounted Device) auf jeweils eine Lei terbahn der Leiterplattenoberseite aufgelötet, welche über Durchkontaktierungen mit einer Leiterbahn auf der Unterseite der Leiterplatte elektrisch und wärmeleitend verbunden ist. Separate Wärmeableitblöcke sind mit einem wärmeleitenden Kle ber direkt unterhalb der wäremerzeugenden Bauelemente auf die Leiterbahnen der Leiterplattenunterseite aufgeklebt. Die von der Leiterplatte abgewandte Seite der Wärmeableitblöcke steht über eine wärmeleitende Kleberschicht mit dem Gehäuseboden in thermischen Kontakt. Nachteilig bei den bekannten Geräten ist, daß die von den Leistungsbauelementen abgegebene Wärme fast ausschließlich über die Durchkontaktierungen auf die Leiterplattenunterseite abgeleitet wird und von dort über den Wärmeleitkleber, den Wärmeableitblock und die weitere Kleber schicht auf das Gehäuse gelangt, von wo die Wärme an die Um gebung abgegeben wird. Die Wärme muß somit immer die Kleber schicht durchdringen. Bei den von modernen Leistungsbauele menten erzeugten großen Wärmemengen reicht die Wärmeleitfä higkeit der Kleberschicht oft nicht aus, so daß ein Wärmestau auf der Unterseite der Leiterplatte die Folge ist, welcher zu einer Überhitzung der Bauelemente führt. Nachteilig ist auch, daß die Wärme eine weitere Kleberschicht überwinden muß, um an die Umgebung des Steuergerätes gelangen zu können. Weiter hin ist nachteilig, daß die Wärmeableitblöcke nach der Be stückung der Leiterplatte mit SMD-Bauelementen in aufwendiger Weise auf die Leiterplattenunterseite aufgeklebt werden müs sen. Es wird somit ein zusätzlicher Herstellungsschritt benö tigt, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen.

Vorteile der Erfindung

Durch das elektrische Gerät mit den kennzeichnenden Merkma len des Anspruchs 1, werden die bekannten Nachteile bei der Wärmeableitung in elektrischen Geräten vermieden. Da die einzelnen Kühlkörperelemente räumlich und elektrisch ge trennt voneinander auf die Leiterplatte aufgebracht werden, ist es nicht erforderlich, die Kühlkörper von den üblicher weise auf unterschiedlichem Betriebspotential liegenden Bau elementen elektrisch zu isolieren. Durch die direkte Auflö tung der Kühlkörperelemente wird der Wärmeübergang erheblich verbessert, da die von den Bauelementen erzeugte Wärme sehr schnell über eine rein metallische Verbindung auf die Kühl körperelemente übertragen wird und ein Wärmedurchgang durch eine teure Isolierfolie oder Kleberschicht nicht erforder lich ist. Vorteilhaft verhindert die elektrisch isolierende Vergußmasse einen versehentlichen Kurzschluß zwischen den mit den elektrischen/elektronischen Bauelementen elektrisch verbundenen Kühlkörperelementen und verbessert gleichzeitig die Wärmeableitung, da die Wärme von den Bauelementen nicht nur über die Durchkontaktierungen abfließt, sondern auch di rekt auf die Vergußmasse übertragen wird und von dort an das Gehäuse abgegeben werden kann. Außerdem wird die Wärme von den Kühlkörperelementen teilweise an die Vergußmasse abgege ben, wodurch die Kühlung der Bauelemente noch weiter verbes sert wird. Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Verlö tung der Kühlkörperelemente auf der Leiterplatte die Her stellungskosten des Gerätes reduziert werden können. Die Kühlkörperelementen können zusammen mit den Bauelementen auf die Leiterplatte aufgebracht werden. Ein gesonderter Schritt zu Verklebung der Leiterplatte mit den Kühlkörperelementen entfällt.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.

Besonders vorteilhaft ist, die Kühlkörperelemente als SMD- Bauelemente in Oberflächenmontage auf die zweite Seite der Leiterplatte aufzubringen und im Reflow-Lötverfahren mit den Leiterbahnen auf der zweiten Seite der Leiterplatte zu ver löten. Die Kühlkörperelemente können wie die elektrischen/ elektronischen Bauelemente mit einem Bestücker auf die Lei terplatte aufgebracht werden und anschließend im Reflow- Lötverfahren mit Leiterbahnen der Leiterplatte verlötet wer den.

Eine besonders gute Kühlung der Bauelemente wird erreicht, wenn der von der Leiterplatte abgewandte Abschnitt der Kühl körperelemente nicht in die wärmeleitende Vergußmasse einge bettet ist und aus ihr herausragt. Dabei kann der nicht in die wärmeleitende Vergußmasse eingebettete Abschnitt der Kühlkörperelemente zwecks besserer Wärmeabgabe durch eine Öffnung oder Ausnehmung der Gehäusewand aus dem Gehäuse her ausgeführt sein. Die Wärmeabgabe an die Umgebung kann noch dadurch verbessert werden, daß der aus dem Gehäuse herausge führte Abschnitt der Kühlkörperelemente mit Kühlrippen ver sehen ist.

Die Kühlkörperelemente lassen sich besonders leicht auf die Leiterplatte auflöten, wenn die den Leiterbahnen zugewandte Seite der Kühlkörperelemente mit Zinn beschichtet ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß solche Kühlkörperelemente, die mit Bauelementen elektrisch verbunden sind, welche in dem Gehäuse elektrisch isoliert anzuordnen sind und vor ei ner versehentlichen Berührung oder einem Kurzschluß mit an deren Bauelementen geschützt werden müssen, einfach voll ständig in die elektrisch isolierende Vergußmasse eingebet tet werden. Durch die Wärmeleitfähigkeit der Vergußmasse wird dann immer noch eine gute Wärmeabführung erreicht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse 2 eines elektrischen Gerätes. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise um ein elektronisches Steuergerät, das in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden kann. Ein wannenförmi ges Gerätegehäuse 2 aus Metall, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material weist einen Boden 20 und vier Seitenwände auf, von denen in der Figur die Seitenwände 21, 22 dargestellt sind. An der dem Boden 20 gegenüberliegenden Seite weist das Gehäuse 2 eine Öffnung oder Ausnehmung 24 auf, durch welche eine Leiterplatte 3 in das Gehäuse eingesetzt ist. Die Lei terplatte 3 ist auf ihrer Oberseite 4 mit großflächigen Lei terbahnen 13a, 13b, 13c zur Aufbringung von elektrischen/ elektronischen Bauelementen und mit Anschlußleiterbahnen 19a, 19b, 19c zum elektrischen Anschluß der Bauelemente an weitere auf der Leiterplatte angeordnete elektronische Schaltungstei le versehen. Auf jede der Leiterbahnen 13a, 13b, 13c ist je weils ein elektronisches Leistungsbauelement 10a, 10b, 10c in SMD-Technik (Surface Mounted Divice) aufgebracht. Dabei ist jedes wärmeerzeugende Bauelement 10a, 10b, 10c unmittelbar mit seiner Kühlfahne 11a, 11b, 11c auf die diesem Bauelemente zuge ordnete Leiterbahn 13a, 13b, 13c aufgelötet. Elektrische An schlüsse 16a, 16b, 16c der Bauelemente sind mit den Anschluß leiterbahnen 19a, 19b, 19c auf der Oberseite 4 der Leiterplatte verlötet. Die großflächigen Leiterbahnen 13a, 13b, 13c auf der Leiterplattenoberseite 4 sind jeweils über eine Anzahl von Durchkontaktierungen 17a, 17b, 17c mit großflächigen Leiterbah nen 14a, 14b, 14c auf der Unterseite 5 der Leiterplatte 3 elek trisch verbunden. Die Durchkontaktierungen 17a, 17b, 17c können mit Lotpaste oder in anderer Weise gefüllt sein, um eine mög lichst gute Wärmeableitung auf die Leiterbahnen 14a, 14b, 14c der Leiterplattenunterseite 5 zu gewährleisten. Auf jede der Leiterbahnen 14a, 14b, 14c ist ein Kühlkörperelement 15a, 15b, 15c in SMD-Technik direkt aufgelötet. Die Kühlkörperelemente 15a, 15b, 15c können als Stanzteile, Stanzbiegeteile, Strang preßprofil oder in anderer Weise hergestellt sein. Vorzugs weise sind die Kühlkörperelemente aus Kupfer oder Aluminium gefertigt. Die Herstellung der Leiterplatte kann wie folgt durchgeführt werden.

Zunächst wird die Leiterplatte 3 auf den Leiterbahnen 13a, 13b, 13c der Oberseite in bekannter Weise mit einem Lotpasten auftrag versehen. Anschließend werden die elektronischen Lei stungsbauelemente 10a, 10b, 10c und gegebenenfalls noch weitere nicht dargestellte elektrische/elektronische Bauelemente mit einem SMD-Bestücker auf die Lotpaste aufgesetzt und in einem Reflow-Lötofen mit den Leiterbahnen 13a, 13b, 13c verlötet. Da bei können gleichzeitig die Anschlüsse 16a, 16b, 16c mit den Anschlußleiterbahnen 19a, 19b, 19c verlötet werden. Anschlie ßend wird die Leiterplatte gewendet und mit nunmehr nach oben weisender Unterseite 5 auf den großflächigen Leiterbahnen 14a, 14b, 14c mit Lotpaste versehen und dann erneut einem 510- Bestücker zugeführt, welcher nun die Kühlkörperelemente 15a, 15b, 15c als SMD-Bauelemente auf die mit der Lotpaste versehe nen Leiterbahnen 14a, 14b, 14c absetzt. Die den Leiterbahnen 14a, 14b, 14c zugewandte Seite der Kühlkörperelemente ist mit Zinn beschichtet, um eine verbesserte Lötfähigkeit zu erzie len. Anschließend werden die Kühlkörperelemente durch nochma liges Reflow-Löten mit den Leiterbahnen 14a, 14b, 14c verlötet. Um dabei zu verhindern, daß die bereits auf die Leiterplatte aufgelöteten Bauelemente 10a, 10b und 10c auf der bei dem zweiten Reflow-Lötprozeß nach unten weisenden Oberseite 4 der Leiterplatte aufgrund ihrer Gewichtskraft abfallen, können Lotpasten mit verschiedenen Schmelzpunkten für die Oberseite und Unterseite verwandt werden. So ist beispielsweise vorge sehen, die elektrischen/elektronischen Bauelemente 10a, 10b, lQc mit einer hochschmelzenden Lotpaste auf die Oberseite 4 aufzulöten und die Kühlkörperelemente 15a, 15b, 15c mit einer niedrigschmelzenden Lötpaste auf die Unterseite 5 aufzulöten. Beim Reflow-Löten der Kühlkörperelemente wird dann eine Tem peratur oberhalb des Schmelzpunktes der niedrigschmelzenden Lötpaste aber unterhalb des Schmelzpunktes der hochschmelzen den Lotpaste im Reflow-Lötofen eingestellt. Hierdurch wird die Lötverbindung der Bauelemente 10a, 10b, 10c nicht erneut aufgeschmolzen. Gegebenenfalls kann die Oberseite 4 während des zweiten Reflow-Lötverfahrens gekühlt werden, um ein er neutes Aufschmelzen der Lötverbindungen zu vermeiden. Natür lich ist es auch möglich, zuerst die Kühlkörperelemente auf die Leiterplatte zu bestücken und anschließend erst die elek trischen Bauelemente. In diesem Fall wird dann die hoch schmelzende Lotpaste für die Kühlkörperelemente und die nied rigschmelzende Lotpaste für die Bauelemente verwandt.

Nach der Fertigstellung der mit den Bauelementen und Kühlkör perelementen bestückten Leiterplatte 2 wird diese in das wan nenförmige Gehäuse 2 derart eingesetzt, daß die Bauelemente 10a, 10b, 10c der Gehäusewand 20 zugewandt sind und die Kühl körperelemente 15a, 15b, 15c der Ausnehmung 24. Anschließend wird der Gehäuseinnenraum mit einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Vergußmasse 6 ausgegossen. Als Vergußmasse dient beispielsweise Epoxidharz oder Silikon. Wie in der Fi gur erkennbar ist, wird das mit der Kühlfahne 11b des Bauele mentes 10b elektrisch verbundene Kühlkörperelement 15b dabei vollständig in die Vergußmasse eingebettet, während die mit den Bauelementen 10a und 10c verbundenen Kühlkörperelemente 15a und 15c mit einem Abschnitt 18a bzw. 18c aus der Verguß masse 6 herausragen. Der von der Leiterplatte abgewandte Ab schnitt 18a des Kühlkörperelementes 15a ist als ebene Fläche ausgestaltet, während der Abschnitt 18c des Kühlkörperelemen tes 15c zusätzlich mit Kühlrippen versehen ist, die durch die Öffnung 24 in den Außenraum abstehen. Durch die aus der Ver gußmasse ragenden Abschnitte 18a, 18c der Kühlkörperelemente 15a, 15c wird eine besonders wirksame Wärmeabgabe an die Umge bung des Steuergerätegehäuses erreicht, wobei diese Abgabe im Fall des Kühlkörperelementes 15c durch die Kühlrippen noch etwa effektiver ist. Wie in der Figur erkennbar ist, ist der Kühlkörper 15b des Bauelementes 10b vor einem Kurzschluß mit den Kühlkörperelementen 15a, 15c der Bauelemente 10a, 10c durch die elektrisch isolierende Vergußmasse geschützt. Auf diese Weise können alle Kühlkörperelemente von Bauelementen, die auf unterschiedlichem Potential liegen vollständig in die Vergußmasse eingebettet werden, während die Kühlkörperelemen te von nicht potentialführenden Bauelementen oder solchen Bauelementen, die auf gleichem Potential liegen, aus der Ver gußmasse herausragen können. Abweichend von dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist es außerdem möglich, auf solche Leiterbahnen der Leiterplattenunterseite, welche be nachbarten Bauelementen zugeordnet sind, deren Gehäuse auf gleichem elektrischen Potential liegt, ein gemeinsames Kühl körperelement aufzulöten.

Wie in der einzigen Figur zu erkennen ist, erfolgt eine Wär meableitung der von den Bauelementen 10a, 10b, 10c erzeugten Wärme nicht nur über die Durchkontaktierungen 17a, 17b, 17c sondern auch über die Vergußmasse 6, so daß eine wirksame Kühlung der Bauelemente gegeben ist.

Claims

1. Elektrisches Gerät, insbesondere Steuergerät, umfassend eine in einem Gehäuse (2) angeordnete Leiterplatte (3), mit wärmeerzeugenden elektrischen/elektronischen Bauelementen (10a, 10b, 10c), die auf einer ersten Seite (4) der Leiter platte auf Leiterbahnen (13a, 13b, 13c) angeordnet sind, die jeweils über eine Anzahl von Durchkontaktierungen (17a, 17b, 17c) mit auf der den Bauelementen gegenüberliegenden zweiten Seite (5) der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen (14a, 14b, 14c) elektrisch leitend verbunden sind, wobei Kühlkör perelemente (15a, 15b, 15c) mit den auf der zweiten Seite (5) angeordneten Leiterbahnen (14a, 14b, 14c) in thermischen Kon takt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörperele mente (15a, 15b, 15c) auf die Leiterbahnen (14a, 14b, 14c) der zweiten Seite (5) der Leiterplatte aufgelötet sind, und daß der Innenraum des Gehäuses (2) zumindest teilweise mit einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Vergußmasse (6) gefüllt ist, in welcher die wärmeerzeugenden Bauelemente (10a, 10b, 10c) vollständig und die Kühlkörperelemente (15a, 15b, 15c) wenigstens teilweise eingebettet sind.

2. Elektrische Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Kühlkörperelemente (15a, 15b, 15c) als SMD- Bauelemente auf die zweite Seite (5) der Leiterplatte (3) aufgebracht sind und im Reflow-Lötverfahren mit den Leiter bahnen (14a, 14b, 14c) auf der zweiten Seite, der Leiterplatte verlötet sind.

3. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß ein von der Leiterplatte abgewandter Abschnitt (18a, 18c) des wenigstens eines Kühlkörperelementes (15a, 15c) nicht in die wärmeleitende Vergußmasse (6) eingebettet ist.

4. Elektrisches Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der nicht in die wärmeleitende Vergußmasse (6) ein gebettete Abschnitt (18c) des wenigstens einen Kühlkör perelementes (15c) durch eine Ausnehmung (24) aus dem Gehäu se (2) herausgeführt ist.

5. Elektrisches Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der dürch die Ausnehmung (24) aus dem Gehäuse (2) herausgeführte Abschnitt (18c) des wenigstens einen Kühlkör perelementes (15c) mit Kühlrippen versehen ist.

6. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die den Leiterbahnen (141, 14b, 14c) zugewandte Seite der Kühlkörperelemente (15a, 15b, 15c) mit Zinn beschichtet ist.

7. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß solche Kühlkörperelemente (15b), die über Durchkon taktierungen (17b) mit Bauelementen (10b) elektrisch verbun den sind, welche in dem Gehäuse elektrisch isoliert anzuord nen sind, vollständig in die elektrisch isolierende Verguß masse (6) eingebettet sind.