DE20100984U1

DE20100984U1 - Anordnung zur Entwärmung eines Bauelements

Info

Publication number: DE20100984U1
Application number: DE20100984U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2011-01-20

Description

GR 2001G00216DE

Beschreibung

Anordnung zur Entwärmung eines elektrischen Bauelements

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Entwärmung eines elektrischen Bauelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Auf einem Schaltungsträger, beispielsweise auf einer Leiterplatte für elektrische und elektronische Bauelemente, entsteht beim Betrieb dieser Bauelemente häufig thermische Verlustleistung. Diese Verlustleistung muss an die Umgebung abgeführt werden. Bei einen Entwärmungskonzept, bei welchem die Wärmeenergie über einen möglichst kleinen thermischen Widerstand an die Luft abgegeben wird, wird die Energie durch die Leiterplatte an einen mit der Unterseite, d.h. der dem Bauelement gegenüber liegenden Seite, der Leiterplatte verbundenen Kühlkörper, der häufig als Heatsink oder Wärmesenke bezeichnet wird, geleitet. Für die praktische Realisierung von flächig mit der Leiterplatte verbundenen Wärmesenken werden derzeit zwei prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten eingesetzt.

Aus der Zeitschrift &ldquor;Lpinfos* Ausgabe 28, Lackwerke Peters GmbH & Co KG, Kempten, Deutschland, ist es bekannt, zur Wärmeabfuhr von den Wärmequellen auf einer Leiterplatte eine Wärmeleitpaste zu verwenden. Diese Wärmeleitpaste, beispielsweise des Typs HSP 2741 der Lackwerke Peters GmbH, ist thermisch relativ gut leitend und wird ganzflächig mittels Siebdruck oder mittels eines anderen geeigneten Verfahrens auf die Seite der Leiterplatte aufgetragen, die dem thermische Verlustleistung erzeugenden Bauelement gegenüberliegt. Dabei werden Wärmeleitbohrungen, die zur thermischen Kopplung des Bauelements mit der Wärmeleitpaste dienen, teilweise mit Paste befüllt. Die Schichtdicke der Wärmeleitpaste kann bis zu einigen Millimetern betragen.

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Eine andere Möglichkeit zur Entwarnung besteht darin, ein als Wärmesenke geeignetes Teil, beispielsweise eine Aluminiumplatte, mit einem Kleber oder mit einer Klebefolie, z.B. des Typs VHB 94 69 der Firma 3M, auf die dem Bauelement gegenüberliegende Seite der Leiterplatte zu lamininieren. Dabei verringert jedoch die relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit des Klebers die Qualität der Wärmekopplung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Entwärmung eines elektrischen Bauelements zu schaffen, die eine verbesserte Wärmeableitung bei einfacher Herstellung gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Anordnung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass über die Leitpaste hinweg 0 eine sehr gute thermische Kopplung zwischen dem Verlustleistung erzeugenden Bauelement und dem Kühlkörper erreicht wird. Zudem ist die Wärmeleitpaste in einer Dicke auftragbar, durch welche eine elektrische Durchschlagfestigkeit zwischen Leiterbahnen auf der Leiterplatte und dem metallischen Kühlkörper gewährleistet ist.

Ein für elektrische Durchschlagfestigkeit erforderliches Mindestmaß der Schichtdicke der Wärmeleitpaste kann in einfacher Weise sichergestellt werden, wenn in der Schicht aus Wärmeleitpaste Abstandhalter eingelagert sind.

Mit derselben Wärmeleitpaste können vorteilhaft verschiedene Dickenvarianten hergestellt werden, wenn ein Gewebe in die Wärmeleitpaste als Abstandhalter eingelagert ist, das die gewünschte Dicke der Schicht aus Wärmeleitpaste bestimmt.

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Ein zusätzlicher Arbeitsschritt für das Einlegen des Gewebes wird in vorteilhafter Weise bei der Herstellung der Anordnung dadurch vermieden, dass Wärmeleitpaste verwendet wird, in welche nichtleitende Partikel als Abstandhalter eingelagert sind. Die Größe der Partikel bestimmt dabei den Abstand zwischen metallischem Kühlkörper und Leiterplatte.

Vorteilhaft sind keinerlei zusätzliche Materialien als Abstandhalter in die Wärmeleitpaste einzubringen, wenn die Abstandhalter bereits als Erhöhungen am metallischen Kühlkörper angebracht sind, welche bei der Montage in die Wärmeleitpaste hineingedrückt werden und somit bei einer fertig gestellten Anordnung in die Paste hineinragen.

Die wesentlichen Vorteile der neuen Anordnung sind somit:

- Die thermische Leitfähigkeit der Paste ist besser als die eines geeigneten Klebers.

Die Haftfestigkeit der Paste auf dem Schaltungsträger und auf dem Kühlkörper ist wesentlich besser als die Haftfestigkeit der in der Regel zum Einsatz kommenden Kleber.

- Der zusätzliche thermische Widerstand, der beim Verwenden von Klebern oder Klebefolien an den beiden Klebergrenzschichten vorhanden ist und in derselben Größenordnung wie der thermische Widerstand des Klebers selbst liegt, ist bei der Verwendung einer Paste vernachlässigbar.

Ein Konturfräsen oder Konturschneiden der Klebefolien sowie ein lagegenaues Aufbringen der Folie auf den Schaltungsträger oder auf den Kühlkörper entfallen. Es wird keine Presse benötigt.
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Anhand der Zeichnung, in welcher ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Leiterplatte 1, die an ihrer Oberseite ein thermische Verlustleistung erzeugendes Bauelement 2 trägt. Die Leiterplatte 1 ist teilweise mit einer Kupferlage

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8 kaschiert und im Bereich des Bauelements 2 mit Wärmeleitbohrungen 3 versehen. Auf der Unterseite der Leiterplatte 1, welche dem Bauelement 2 gegenüberliegt, ist eine Wärmeleitpaste 4 aufgetragen, welche die Wärmeleitbohrungen 3 teilweise befüllt. Auf die Unterseite ist weiterhin ein Kühlkörper 5 aufgesetzt, der mit einer Erhöhung 6 im Randbereich und mit Domen 7 im inneren Bereich auf der Leiterplatte 1 aufliegt.

Bei der Fertigung wird auf die zu entwärmende Leiterplattenseite oder auf die Seite des Kühlkörpers 5, die mit der Leiterplatte 1 verbunden werden soll, mittels Siebdruck oder eines anderen geeigneten Verfahrens die Wärmeleitpaste 4 in einer Schichtdicke von etwa 50 bis 200 Mikrometern aufgetragen. Es kann selbstverständlich auch eine davon abweichende Dicke gewählt werden. Um die notwendige elektrische Durchschlagfestigkeit zu erreichen, sollte die Schichtdicke der elektrisch isolierenden Wärmeleitpaste jedoch ein Mindestmaß nicht unterschreiten. Zur Gewährleistung dieses Mindestmaßes können in der Praxis verschiedene Lösungen zur Realisierung von Abstandshaltern gewählt werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, auf die Wärmeleitpaste ein Gewebe, z.B. ein Glasfasergewebe, das auch als Rohmaterial der Leiterplatte verwendet wird, oder ein geeignetes Kunststoffgewebe aufzulegen, das beim späteren Zusammenfügen der beiden Teile Leiterplatte 1 und Kühlkörper 5 einen Mindestabstand gewährleistet. Dieses Gewebe hat eine Maschenweite, welche die Paste unter Druck noch durchfließen lässt. Der Schaltungsträger, hier die Leiterplatte 1, und der Kühlkörper 5 werden zusammengefügt und die Wärmeleitpaste 4 unter Druck und Temperaturerhöhung ausgehärtet.

Entsprechend einer anderen Möglichkeit wird die Wärmeleitpaste 4 mit elektrisch nichtleitenden Partikeln von definierter Korngröße angereichert. Die Partikel dienen beim Zusammenfügen und Verpressen des Verbundes aus Leiterplatte 1,

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Wärmeleitpaste 4 und Kühlkörper 5 als Anschlag und bestimmen somit den Mindestabstand zwischen Leiterplatte 1 und Kühlkörper 5.

Bei der in der Figur dargestellten Realisierungsmöglichkeit sind Erhöhungen 6 und 7 auf die Oberfläche des Kühlkörpers 5, die mit der Wärmeleitpaste 4 verbunden wird, angebracht. Diese Erhöhungen werden ebenso hoch gewählt wie das Mindestmaß der Schichtdicke der Wärmeleitpaste 4. Vorteilhaft können in der Druckgeometrie der Wärmeleitpaste 4 an den entsprechenden Positionen der Erhöhungen 6 und 7 Aussparungen vorgesehen werden. Dadurch können die Erhöhungen 6 und 7 beim Aufbringen des Kühlkörpers 5 auf die Wärmeleitpaste 4 bis auf Anschlag auf die Leiterplatte 1 gedrückt werden, ohne dass der gewünschte Mindestabstand unterschritten wird. Dieses Prinzip lässt sich bei einer Erhöhung 6 im Randbereich wie auch bei Domen 7 im inneren Bereich des Kühlkörpers anwenden.

Claims

1. Anordnung zur Entwärmung eines elektrischen Bauelements, das thermische Verlustleistung erzeugt und auf eine Leiterplatte (1) montiert ist, wobei die Leiterplatte (1) im Bereich des Bauelements (2) mit Wärmeleitbohrungen (3) versehen ist und auf die dem Bauelement (2) gegenüberliegende Seite der Leiterplatte (1) eine Wärmeleitpaste (4) aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wärmeleitpaste (4) ein Kühlkörper (5) aus Metall angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht aus Wärmeleitpaste (4) Abstandhalter (6, 7) eingelagert sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandhalter ein Gewebe in die Wärmeleitpaste eingelagert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandhalter nichtleitende Partikel in die Wärmeleitpaste eingelagert sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandhalter Erhöhungen (6, 7) am metallischen Kühlkörper (5) angebracht sind, welche in die Wärmeleitpaste (4) hineinragen.