DE202014006215U1

DE202014006215U1 - Leiterplatte mit gekühltem Baustein, insbesondere SMD-Baustein

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Publication number: DE202014006215U1
Application number: DE202014006215.3U
Authority: DE
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2024-08-01

Abstract

Leiterplatte mit gekühltem Baustein (33), insbesondere SMD-Baustein (33'), mit auf der Leiterplatte (21) angelöteten Anschlussfüßchen (39), mit folgenden Merkmalen: – in der Leiterplatte (21) ist eine Leiterplattenausnehmung (23) vorgesehen, – innerhalb der Leiterplattenausnehmung (23) ist ein wärmeleitfähiges Kühlplättchen (3) positioniert, – das Kühlplättchen (3) ist in die Ausnehmung (23) eingesetzt, wobei die dem zu kühlenden Baustein (33) zugewandt liegende Kühlfläche (4) des Kühlplättchens (3) mit der Oberseite (21a) der Leiterplatte (21) und die gegenüberliegende Kühlfläche (5) des Kühlplättchens (3) mit der Unterseite (21b) der Leiterplatte (21) fluchtet oder davon weniger als 10% bezogen auf die Dicke der Leiterplatte (21) abweicht, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: – die beiden Kühlflächen (4; 5) des Kühlplättchens (3) sind unterschiedlich groß, – die zu dem zu kühlenden Bauteil (33) entfernt liegende Kühlfläche (5) des Kühlplättchens (3) ist größer ausgebildet als die dem zu kühlenden Bauteil (33) zugewandt liegende Kühlfläche (4), wobei die größere Kühlfläche (5) zumindest doppelt so groß ist wie die demgegenüber kleinere Kühlfläche (4), und – sowohl für die dem zu kühlenden Bauteil (33) zugewandt liegende kleinere Kühlfläche (4) als auch für die dazu entfernt liegende größere Kühlfläche (5) ist ein Masseanschluss oder eine Masseverbindung (40a, 40b) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem gekühlten Baustein, insbesondere SMD-Baustein nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekanntermaßen werden Leiterplatten nicht nur mit passiven sondern häufig auch mit aktiven Bauelementen bestückt, die im Einsatz durchaus nicht unerhebliche Wärmemengen erzeugen. Bei derartigen aktiven und hitzeerzeugenden Bauelementen kann es sich um SMD-Bausteine handeln, beispielsweise um Verstärkerbausteine.
Dabei ist ferner bekannt, dass derartige elektrische, d. h. aktive und wärmeerzeugende Bausteine, wie sie beispielsweise für die SMD-Montage konzipiert sind, nur in bestimmten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können. Dies erfordert insbesondere eine entsprechende Kühlung.
So ist es beispielsweise üblich, einen SMD-Baustein an seiner Unterseite mit einer metallischen Kühl- und Kontaktfläche zu versehen, über die Wärme abgeführt werden soll. Da der Baustein allerdings auf der Leiterplatte selbst sitzt, ist bereits vorgeschlagen worden, in diesem Bereich die Leiterplatte mit einer Vielzahl feinster, durchkontaktierter Öffnungen zu versehen. Während des Schwalllötens gelangt dann durch diese Perforationen Zinn bis zur Kühl-Kontaktfläche auf der Unterseite des SMD-Bausteines, so dass eine am SMD-Baustein vorgesehene lötfähige Kontaktunterseite über die Perforation mit der Platinenunterseite verlötet ist. Dort wird dann üblicherweise noch eine Wärmeleitfolie aufgebracht, um die unebene Oberfläche auszugleichen. Die Leiterplatte kann mittels Schrauben auf einem darunter befindlichen Kühlkörper oder Gehäuseteil aufgeschraubt werden, so dass der SMD-Baustein mit seiner auf der Unterseite (platinenseitig) vorgesehenen metallischen Fläche ohne Luftspalt mit dem Kühlkörper verbunden ist.
Anstelle des vorstehend erläuterten Schwalllötens ist es ebenso möglich, vor dem SMD-Bestücken auf der Unterseite des Bausteines Lötpaste aufzubringen, so dass beim nachfolgenden Reflow-Löten das Lot aufgeschmolzen und die Kühl-Kontaktfläche auf der Unterseite des Bausteines mit der Leiterplatte verlötet wird. Aber auch hierdurch ist der Kühleffekt durchaus begrenzt, was insbesondere dann große Probleme aufwirft, wenn die Bausteine und insbesondere die SMD-Bausteine aufgrund höherer Leistungen größere Wärmemengen produzieren.
Gemäß der DE 100 64 221 A1 ist auch schon vorgeschlagen worden, eine Leiterplatte mit einer entsprechenden Ausnehmung zu versehen, in welcher ein wärmeleitfähiges Einlegeteil eingefügt wird. In dieser Vorveröffentlichung wird vorgeschlagen, das Einlegeteil mit der Kontakt- oder Kühlfläche an der Unterseite des zu kühlenden Bausteines zu verlöten. Auf der Leiterplattenunterseite ist zumindest ein Plättchen befestigt, welches die Öffnung in der Leiterplatte überdeckt. Dieses eine Plättchen ist oder die gegebenenfalls vorgesehenen beiden Plättchen sind so ausgebildet, dass die der Leiterplatte und damit dem Einlegeteil zugewandt liegende Seite des benachbart liegenden Plättchens lötfähig ist, während die der Leiterplatte abgewandt liegende Seite des zumindest einen Plättchens oder des zuunterst angeordneten Plättchens im Falle von zumindest zwei Plättchen nichtlötfähig oder zumindest lotabweisend ist.
Obgleich damit gegenüber früheren Lösungen eine verbesserte Kühlwirkung möglich ist, ist der gesamte Aufwand, insbesondere der material- oder herstellungsbedingte Aufwand, vergleichsweise hoch.
Schließlich sind auch andersartige Lösungen bekannt geworden, beispielsweise aus der DE 36 10 459 A1 oder der DE 10 2005 049 872 A1 . Gemäß diesen Lösungen wird ein gegenüber der eigentlichen Kühlfläche des zu kühlenden Bauteils großdimensionierter gut wärmeleitfähiger Dom verwendet, der in Richtung Kühlfläche des zu kühlenden Bauteils eine daran angepasste deutlich verkleinerte Kühlfläche aufweist. Mit anderen Worten weist der Dom von seiner, den zu kühlenden Bauteilen entfernt liegenden Seite zu der, den zu kühlenden Bauteilen zugewandt liegenden Seite einen zunehmend kleiner werdenden Querschnitt auf, so dass der so gebildete Dom durch eine größer als sein Querschnitt dimensionierte Öffnung in der Leiterplatte hindurchragen und bis zur Kühlflüche des zu kühlenden Bauteiles reichen kann. Auf dieser Kühlfläche liegt dann der zu kühlende Baustein mit seiner Unterseite an. Dabei ist bei de zuletzt genannten Vorveröffentlichung der Dom so ausgebildet, dass er an seiner, den zu kühlenden Bauteilen entfernt liegenden Seite mit einer Vielzahl von Kühlrippen versehen ist. Dabei erstreckt sich der Dom in Längs- und Querrichtung über die eigentliche Öffnung in der Leiterplatte hinaus.
Bei der zuerst genannten Vorveröffentlichung DE 36 10 459 A1 greift der Dom von der Leiterplatte völlig entkoppelt durch die entsprechende Öffnung in der Leiterplatte hindurch und trägt auf seiner Kühlfläche am verjüngten Ende des Doms den zu kühlende Baustein in Form eines Leistungshalbleiters, und zwar unter Zwischenfügung einer Isolierfolie.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kühlkonzept für wärmeerzeugende Bausteine, insbesondere SMD-Bausteine zu schaffen, welches eine optimale Wärmeableitung ermöglicht, und dies auch bei gegebenenfalls äußerst beengten Verhältnissen innerhalb eines den SMD-Baustein mit der Leiterplatte aufnehmenden Gehäuses.
Die Aufgabe wird entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine überraschend deutlich verbesserte Wärmeabführung für elektrische Bausteine insbesondere in Form von SMD-Bausteinen geschaffen, die aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung derartiger Bausteine eine häufig nur extrem kleine Kühlfläche aufweisen.
Dabei geht die Erfindung davon aus, dass unterhalb des auf einer Leiterplatte anzuschließenden und in der Regel an allen vier umlaufenden Seiten mit Anschlussfüßchen versehenen SMD-Bausteins (wie im Stand der Technik auch) eine Ausnehmung in der Leiterplatte vorgesehen ist, in der ein sich bevorzugt an der Dicke der Leiterplatte orientierendes elektrisch gut wärmeleitfähiges Metallplättchen eingesetzt ist.
Um jedoch auch unter beengten räumlichen Bedingungen eine verbesserte Kühlwirkung zu erzielen, ist im Rahmen der Erfindung dieses Kühlplättchen in Erstreckungsrichtung senkrecht oder quer zur Platine bevorzugt abgestuft, und zwar derart, dass der parallel zur Platine verlaufende Materialquerschnitt des Kühlplättchens an der zur Kühlfläche des zu kühlenden elektrischen Bausteins entfernt liegenden Seite deutlich vergrößert ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die zu dem zu kühlenden Baustein gegenüberliegend ausgebildete Kühlfläche des Kühlplättchens zumindest doppelt so groß ist wie die im eigentlichen Kontakt mit dem zu kühlenden Baustein stehende kleiner dimensionierte Kühlfläche.
Dies eröffnet die Möglichkeit, bereits in dem vergleichsweise dünnen Abschnitt der Leiterplattendicke einen deutlich verbesserten Wärmeabfluss von dem zu kühlenden Bauteil auf die gegenüberliegende Seite der Leiterplatte zu erzeugen.
Bevorzugt ist das erwähnte Kühlteil in der Ausnehmung der Leiterplatte eingepresst gehalten. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt unter Ausbildung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte (Aufkupferung) das Kühlplättchen in der Leiterplattenausnehmung mit den in der Regel aus Kupfer gebildeten Leiterbahnen ”verwächst”.
Damit für diesen Schritt das Kühlplättchen gut und sicher der Leiterplattenausnehmung gehalten ist, ist es bevorzugt nicht konisch geformt und sitzt nicht in einer möglicherweise konischen Öffnung der Leiterplatte, sondern ist bevorzugt abgestuft ausgebildet, so dass zumindest entweder der einen kleineren Materialquerschnitt oder der einen größeren Materialquerschnitt aufweisende Teil des Kühlplättchens in einem entsprechenden Abschnitt der die Leiterplatte durchsetzenden Ausnehmung eingepresst werden kann um mechanisch mit der Leiterplatte verbunden zu sein. Dies erleichtert den nachfolgenden Leiterplattenprozess des Aufkupferns, in welchem das Kühlplättchen dann mit der Leiterplatte verwachsen kann.
Die Gesamtanordnung ist dabei derart, dass sowohl die dem zu kühlenden Baustein zugewandt liegende klein dimensionierte Kühlfläche und die demgegenüber zumindest doppelt so groß dimensionierte Kühlfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte jeweils bevorzugt einen Masseanschluss, d. h. eine Masseverbindung aufweist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der zu kühlende Baustein insbesondere in Form eines SMD-Bausteins, Hochfrequenzen von z. B. über einem GHz verarbeiten soll.
Bei Bedarf kann die Unterseite, also die mit einer größeren Kühlfläche ausgestattete Unterseite des Kühlplättchens im verbauten Zustand direkt oder mittelbar unter Zwischenschaltung einer Ausgleichs-Folie mit einem Kühldom verbunden sein, der beispielsweise aus einem gut wärmeleitfähigen vorstehenden Metallansatz besteht, der an der Innenseite eines Gehäuses oder einer Gehäusewand oder eines Gehäusedeckels ausgebildet ist. Bevorzugt ist ein derartiger Kühlkörper oder Kühldom einstückig, d. h. bevorzugt materialschlüssig mit der entsprechenden Gehäusewand, dem Gehäuseboden oder dem Gehäusedeckel etc. verbunden, um eine nochmals verbesserte Wärmeabfuhr nach außen hin zu ermöglichen. Die Verwendung derartiger Kühlkörper ist aber an sich bekannt.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das erfindungsgemäße Kühlplättchen trotz kleiner Dimensionierung geeignet ist, Verlustleistungen von mehreren Watt (beispielsweise von über 10 W) abzuführen, und dies auch dann, wenn beispielsweise die maximale Gehäusetemperatur eines Bausteins um 100°C betragen darf.
Als vorteilhaft erweist sich im Rahmen der Erfindung die bevorzugt vorgesehene Wärmeverspreizung des Kühlplättchens in der entsprechenden Ausnehmung der Leiterplatte (Leiterplatte), wodurch das Kühlplättchen mit der Leiterplatte auch direkt mechanisch verbunden ist.
Durch den bevorzugten Stufenübergang des Kühlplättchens von einem kleineren Materialquerschnitt zu einem deutlich größeren Materialquerschnitt lässt sich eine deutlich vergrößerte Kühlfläche realisieren, die für sich bereits in vielen Fällen geeignet ist, eine ausreichende Wärmeabfuhr unter Erzeugung des gewünschten Kühleffektes sicherzustellen.
Insbesondere dann, wenn die Kühlflächen des Kühlplättchens auf beiden Seiten der Leiterplatte zumindest näherungsweise im Bereich der zugehörigen Leiterplattenoberfläche enden, lässt sich hier günstig eine bevorzugt vorgesehene Massenanbindung auf beiden Seiten der Leiterplatte für das Kühlplättchen realisieren, was, wie erwähnt, insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn hohe Frequenzen von z. B. über 1 GHz durch den zu kühlenden Baustein verarbeitet werden sollen. Dabei ist eine Anbindung des Kühlplättchens an den zu kühlenden Baustein optional auch unter Verwendung einer Zwischenlage in Form einer Wärmeleitfolie möglich.
Im Rahmen der Erfindung kann das bevorzugt abgestufte Kühlplättchen so ausgebildet sein, dass die dem zu kühlenden Baustein gegenüberliegende Kühlfläche in der Leiterplatte vorzugsweise zumindest dreimal, viermal oder fünfmal so groß ist wie die gegenüberliegende kleindimensionierte Kühlfläche. Dabei sind im Rahmen der Erfindung sogar noch größere Flächenunterschiede möglich und realisierbar.
Die Erfindung kann – wie erörtert – in einer einlagigen Leiterplatte umgesetzt werden. Die Erfindung kann aber auch in zwei- oder mehrlagigen Leiterplatten umgesetzt werden, bei denen beispielsweise zumindest eine Zwischenebene zwischen zwei aufeinanderliegenden Leiterplattenlagen ebenfalls mit Leiterbahnen vorgesehen ist. Dabei kann insbesondere eine mit dem Kühlplättchen verbundene Leiterbahn auf einer derartigen Zwischenebene vorgesehen oder zusätzlich vorgesehen sein, wodurch ein weiterer Masseanschluss für das Kühlplättchen realisiert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
1a: eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlplättchens;
1b: eine Seitenansicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 1a;
1c: eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach 1a bzw. 1b;
2: eine Querschnittsdarstellung senkrecht durch eine Leiterplatte durch das in einer Öffnung der Leiterplatte eingesetzte erfindungsgemäße Kühlplättchen hindurch;
3: eine Querschnittsdarstellung vergleichbar zu 2, jedoch in verbautem Zustand, in dem ein zu kühlendes Bauteil in Kontakt mit dem Kühlplättchen stehend an der Leiterplatte angeschlossen gezeigt ist;
4: eine Unteransicht auf die Leiterplatte unter Wiedergabe einer elektrisch leitfähigen Massefläche, die die größere Kühlfläche des Kühlplättchens überdeckt;
5: eine Darstellung zur Erläuterung, wie die Leiterplatte mit dem Kühlplättchen mit einem größeren Kühlkörper, der gegebenenfalls Teil des Gehäuses ist, zur nochmals verbesserten Wärmeableitung verbunden bzw. verbindbar ist; und
6: eine weitere Querschnittsdarstellung durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einer zweilagigen Leiterplatte und einer dazwischen befindlichen Masseanbindung.
In den 1a bzw. 1b ist in Draufsicht bzw. in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Kühlplättchen dargestellt. In 1c ist das erfindungsgemäße Kühlplättchen in perspektivischer Wiedergabe dargestellt, und zwar in einem Blickwinkel primär auf seine später noch erläuterte, dem zu kühlenden Baustein zugewandt liegende kleinere Kühlfläche.
Das gezeigte Kühlplättchen 3 weist zwei gegenüberliegende Kühlflächen 4 und 5 auf, nämlich eine kleine Kühlfläche 4 und eine demgegenüber große oder größere Kühlfläche 5, die im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zueinander verlaufen.
Das Kühlplättchen 3 ist dabei derart ausgebildet, dass es in einer Richtung quer und insbesondere senkrecht zur Leiterplattenebene E (2) entsprechend der Pfeildarstellung 7 von seiner kleinen Kühlfläche 4 über eine Abstufung 9 in die demgegenüber größere Kühlfläche 5 übergeht.
Mit anderen Worten umfasst das Kühlplättchen 3 einen ersten kleineren Kühlplättchenabschnitt 4a und einen demgegenüber größer dimensionierten zweiten Kühlplättchenabschnitt 5a. Die Abstufung 9 ist dabei mit einer im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zu den Kühlflächen 4 und 5 verlaufenden Stufenfläche 10 versehen, die eine mittlere Ebene zwischen den beiden unterschiedlich groß dimensionierten Kühlflächen oder Kühlebenen 4 und 5 darstellt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kühlplättchen 3 so gestaltet, dass die kleinere Kühlfläche 4 zumindest. näherungsweise rechteckförmig oder fast quadratisch gestaltet ist, vorzugsweise mit abgerundeten Eckbereichen 11a.
Der einen größeren Materialquerschnitt aufweisende zweite Kühlflächenabschnitt 5a ist von der Formgebung her ähnlich gestaltet wie der kleine Kühlflächenabschnitt 4a (obgleich dies nicht notwendig ist), wie aus der Draufsicht gemäß 1b oder in perspektivischer Darstellung gemäß 1c zu ersehen ist. Dabei überragt der zweite Kühlflächenabschnitt 5a den kleineren Materialabschnitt 4a auf allen vier Seiten, also sowohl in Längsrichtung L als auch in Querrichtung Q. Dabei sind auch hier die Eckbereiche 11a und 11b wiederum abgerundet gebildet.
Der zweite Kühlflächenabschnitt 5a ist dabei so dimensioniert, dass dessen Kühlfläche 5 zumindest doppelt so groß ist wie die gegenüberliegend vorgesehene und in die gegenüberliegende Richtung weisende kleiner dimensionierte Kühlfläche 4.
Vorzugsweise ist die Kühlfläche 5 des größeren Kühlflächenabschnitts 5 so ausgestaltet, dass sie zumindest die 2,5-fach, 3-fache, 3,5-fache, 4-fache, 4,5-fache oder zumindest sogar die 5-fache Größe der kleiner dimensionierten Kühlfläche 4 aufweist. Das Verhältnis zwischen größerer und kleinerer Kühlfläche kann dabei noch weit größere Werte annehmen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei der größere Kühlflächenabschnitt 5a bezogen auf eine Zentralachse Z (die das Kühlplättchen 3 und damit auch die Kühlflächenabschnitte 4a und 5a bevorzugt senkrecht durchsetzt) konzentrisch zum kleineren Kühlflächenabschnitt 4a angeordnet, so dass die seitlichen Überstände des größeren Kühlflächenabschnittes 5a in Längs- und Querrichtung bezüglich der beiden gegenüberliegenden Längs- und Quer-Seiten 6a bzw. 6b des kleineren Kühlflächenabschnittes 4a jeweils gleich groß sind.
Die Gesamtdicke 14 des Kühlplättchens 3 gliedert sich also in eine Teildicke 14a hinsichtlich des mit einem geringeren Materialquerschnitt versehenen Kühlflächenabschnitts 4a (wobei der Materialquerschnitt jeweils parallel zu den Kühlflächen definiert ist) und einen weiteren Teildickenabschnitt 14b mit dem größeren Materialquerschnitt (wiederum parallel zu den Kühlflächen 4 bzw. 5 verlaufend).
Die beiden Teildickenabschnitte 14a und 14b können gleich groß sein, so dass jeder Teildickenbereich 50% der Gesamtdicke 14 beträgt.
Die Teildickenbereiche 14a und 14b können aber auch unterschiedlich groß ausgebildet sein. So ist es möglich, dass der Teildickenbereich des einen Kühlflächenabschnitts 4a oder des anderen Kühlflächenabschnitts 5a zumindest 60%, 70% oder zumindest 80% der Gesamtdicke 14 des Kühlplättchens 3 beträgt und der Teildickenbereich des jeweils anderen Kühlflächenbereichs 4a oder 5a jeweils den entsprechenden Restbetrag ausmacht, insbesondere dann, wenn die Gesamtdicke des Kühlplättchens 3 der Dicke der später noch erläuterten zugehörigen Leiterplatte entspricht.
Ein derartiges Kühlplättchen 3 ist dann in einer in 2 im Querschnitt dargestellten Leiterplatte (Platine) 21 eingesetzt.
Dazu weist die Leiterplatte 21 eine entsprechende Ausnehmung oder Öffnung 23 auf, die die Leiterplatte quer zur Leiterplattenebene E durchsetzt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei auch der Ausnehmungsquerschnitt parallel zur Leiterplattenebene E (also entsprechend dem Querschnitt durch das Kühlplättchen 3 parallel zu dessen Kühlflächenabschnitten 4 und 5) mit einer Abstufung 24 versehen, und zwar unter Ausbildung einer parallel zu der oberen und unteren Leiterplattenfläche 21a, 21b verlaufenden Stufenfläche 24a. Dabei sind die Stufenhöhen in der Leiterplatte entsprechend den Teildicken 14a und 14b des Kühlplättchens 3 ausgebildet oder zumindest diesen Teildicken angenähert. Dabei kann grundsätzlich die Stufenfläche 24a ebenso wie die Stufenfläche 10 am Kühlplättchen vorzugsweise auch zumindest leicht geneigt ausgebildet sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei zumindest der im Querschnitt kleiner dimensionierte Ausnehmungsabschnitt 23a oder der demgegenüber mit einem größeren Querschnitt versehene Ausnehmungsabschnitt 23b relativ zur Größe, Dimensionierung und Konturgebung des Kühlplättchens 3 so ausgestaltet, dass das Kühlplättchen 3 vor der nachfolgend nach erörterten weiteren Verarbeitung bevorzugt aufgrund seiner Stufenfräsung direkt in die Ausnehmung 23 der Leiterplatte 21 eingepresst werden kann. Dadurch wird nach dem Einpressvorgang eine mechanische Fixierung oder Vorfixierung des Kühlplättchens 3 in der Ausnehmung 23 gewährleistet. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Außenkontur, also der Umfangsbereich 4b an dem kleiner dimensionierten Kühlflächenabschnitt 4a wie aber auch der Umfangsbereich 5b des größer dimensionierten Kühlflächenabschnitts 5a mit der entsprechenden Innenwandung 23'a bzw. 23'b des kleineren oder größeren Ausnehmungsabschnittes 23a bzw. 23b verpresst ist. Es ist ausreichend, wenn das Kühlplättchen 3 zumindest im Bereich seines kleiner dimensionierten Kühlflächenabschnitts 4a oder im Bereich seines größer dimensionierten Kühlflächenabschnittes 5a mit der Innenwandung 23'a bzw. 23'b des entsprechenden Ausnehmungsabschnittes 23a bzw. 23b verpresst ist.
Aus der Querschnittsdarstellung gemäß 3 (senkrecht zu den beiden parallelen Seitenflächen oder Ebenen 21a bzw. 21b der Leiterplatte 21 und damit senkrecht durch das Kühlplättchens 3 hindurch) ist ersichtlich, dass die an der Unterseite des Bausteins 33 (insbesondere in Form des SMD-Bausteins 33') vorgesehene Kühlfläche 35 bevorzugt in direktem Kontakt oder unter Zwischenschaltung eines Ausgleichs- und/oder Übertragungsmediums oder -folie 36 mit der kleiner dimensionierten Kühlfläche 4 des Kühlplättchens 3 steht. Im verbauten Zustand ist dabei das Kühlplättchen 3 so ausgebildet und/oder in der Ausnehmung 23 angeordnet, dass die kleiner dimensionierte Kühlfläche 4 des Kühlplättchens 3 bevorzugt mit der dem zu kühlenden Baustein 33 zugewandt liegenden ersten Seite oder Oberseite 21a der Leiterplatte 21 fluchtet, wobei in dieser Ebene dann bevorzugt auch die Kühlfläche 35 des Bausteins 33 zu liegen kommt. Ein geringer Über- oder Unterstand der Kühlflächenebene 4 bezogen auf die angrenzende Oberseite, Oberfläche oder Oberflächenebene 21a der Leiterplatte 21 ist möglich. Kommt die Kühlfläche etwas niedriger innerhalb der Ausnehmung 23 in der Leiterplatte 21 zu liegen, also niedriger als die benachbarte Oberseite oder Oberfläche 21a der Platine 21, so kann ein gewisser Ausgleich durch Verwendung einer Wärme gut übertragenden Folie realisiert werden.
Die größer dimensionierte Kühlfläche 5 fluchtet ebenfalls bevorzugt mit der auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 21 ausgebildeten Unterseite 21b, also mit der Unterseitenflächenebene 21b, die die Leiterplatte 21 nach unten hin begrenzt. Mit anderen Worten entspricht die Dicke 14 des Kühlplättchens 3 der Dicke 21c der Leiterplatte 21 oder weicht davon bevorzugt um weniger als ±10%, insbesondere um weniger als ±9%, ±8%, ±7%, ±6%, ±5%, ±4%, ±3%, ±2%, ±1% oder um weniger als ±0,5%, ±0,4%, ±0,3%, ±0,2% oder um weniger als ±0,1% ab.
Bei der Herstellung und Verankerung des Kühlplättchens 3 bevorzugt mit der geschilderten Stufenfräsung wird das Kühlplättchen 3 zunächst in die Ausnehmung 23 eingepresst und damit mechanisch an der Leiterplatte verankert. Die mechanische Verankerung erfolgt dabei über den größeren und/oder den kleineren Kühlflächenabschnitt 4a bzw. 5a. In welchem Bereich das Kühlplättchen 3 in der Ausnehmung gehalten wird ist ohne Bedeutung.
Durch die mechanische Vorfixierung ist es dann möglich, die gesamte Leiterplatte 21 in einem weiteren Herstellungs- und Verarbeitungsprozess im Rahmen der sogenannten Aufkupferung (oder durch Verwendung anderer Leiterbahnmaterialien) mit Leiterbahnen zu versehen, wobei während dieses Verarbeitungs- bzw. Herstellungsschrittes das Kühlplättchen 3 durch Aufbringung des Kupfermaterials (oder des anderen für die Leiterbahnen vorgesehenen elektrisch leitfähigen Materials) verwachsen kann. Dadurch kann sowohl auf der Oberseite 21a der Leiterplatte 21 als auch auf der Unterseite 21b ein entsprechender Masseanschluss für das Kühlplättchen 3 erzeugt werden. Dies ist – wie erwähnt – insbesondere dann von Bedeutung, wenn der zu kühlende Baustein zur Verarbeitung von Hochfrequenzen über 1 GHz eingesetzt wird.
Die erläuterte Ausbildung erlaubt es, dass ein Baustein 33 insbesondere in Form eines SMD-Bausteins 33' auf der Leiterplatte angebonded (angelötet) und gekühlt werden kann, welcher nur eine vergleichsweise gering dimensionierte Kühlfläche 35 auf seiner Unterseite aufweist, welche zudem umlaufend von einer Vielzahl von Anschlussfüßchen 39 umgeben ist oder sein kann. Der Baustein 33 kann dabei so ausgebildet sein, dass zum Beispiel über einen oder zwei derartige Anschlussfüßchen 39' ein Masseanschluss 41 von einer auf Masse liegenden elektrisch leitenden Fläche zu der auf der Unterseite des zu kühlenden Bausteins 33 ausgebildeten Kühlfläche 35 herstellbar ist. Eine Masseverbindung zwischen der unteren Massefläche 43' (also dem unteren Masseanschluss 43 und der oberen Massefläche 41, die auf der kleineren Kühlfläche 4 gebildet ist. Da diese kleinere Kühlfläche 4 mit auf der Unterseite des zu kühlenden Bauteils 33 ausgebildeten Kühlfläche 35 in verbautem Zustand in der Regel in galvanischem Kontakt steht, ist hierüber auch über die oben erwähnten Füßchen 39' des Bauteils 33, 33' eine Masseverbindung zu dem Masseanschluss 41 hergestellt.
Auch auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlplättchens 3, also im Bereich der größeren Kühlfläche 5 ist ein weiterer Masseanschluss 43 vorgesehen.
Dazu ist in 4 eine auszugsweise Unteransicht der Leiterplatte 21 wiedergegeben, und zwar mit einer vergleichsweise groß dimensionierten elektrisch leitfähigen Fläche 43', die die in 4 nur strichliert angedeutete größere Kühlfläche 5 des Kühlkörpers 3 auf allen Seiten überdeckt. Diese elektrisch leitfähige Fläche 43' umfasst Anschlussstellen 43'' mit Bohrungen 44, die die Massefläche 43' sowie die Platine 21 durchsetzen. Dies eröffnet die Möglichkeit, hier die Leiterplatte 21 unter Verwendung von Schrauben an einem nicht näher gezeigten Gehäuseteil oder Bauteil zu befestigen und hierüber die gewünschte Masseanbindung zu realisieren. Diese Massefläche 43' kann dabei ebenso wie die auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 21 ausgebildeten und nicht näher gezeigten Leiterbahnen während des sogenannten Aufkupferns und damit festen Einwachsens und Einbindens des Kühlplättchens 3 erzeugt werden. Dadurch ist die Unterseite des Kühlplättchens 3, also dessen Kühlfläche 5 unter Ausbildung eines Masseanschlusses 43 mit der elektrisch leitfähigen Massefläche 43' galvanisch optimal verbunden. Üblicherweise ist während des Aufkupferns das Kupfermaterial auch im Bereich der Bohrung 23 in der Leiterplatte zumindest teilweise eingedrungen, so dass auch hierüber durch die Bohrung 23 eine Masseverbindung zwischen der unteren Massefläche 43' und der oberen Massefläche 41 auf der kleineren Kühlfläche 4 und damit mit der Kühlfläche 35 auf der Unterseite des zu kühlenden Bauteils 33 hergestellt ist.
Trotz der geringen Gesamtdicke 14 des Kühlplättchens 3 wird durch die Abstufung 9 eine, gegenüber der eigentlichen mit dem zu kühlenden Baustein 33 direkt oder mittelbar über eine wärmeleitfähige (und in der Regel elektrisch leitfähige) Zwischenschicht oder Zwischenfolie in Kontakt stehende Kühlfläche 4, sehr viel stärkere Wärmeableitung über die größere zweite Kühlfläche 5 ermöglicht, so dass auf geringstem Raum eine bisher nicht als möglich gehaltene Wärmeableitung erzielbar ist.
Eine derartige Leiterplatte mit verbautem zu kühlenden Baustein 33 kann ferner in einem Gehäuse so eingebaut oder untergebracht sein, dass beispielsweise ein vorzugsweise an einer Innenwand, einer Innenseite des Bodens oder einem Gehäusedeckel ausgebildeter und vorzugsweise formschlüssig damit verbundener Kühlkörper, Kühldom 51 oder dergleichen mit der größer dimensionierten Kühlfläche 5 kontaktiert ist, beispielsweise ebenfalls wieder unter Zwischenschaltung einer Wärmeleitfolie. Dabei befindet sich die auf Masse 43 liegende elektrisch leitfähige Schicht 43' zwischen der Kühlfläche 5 des Kühlplättchens 3 und der Anlagefläche 51a beispielsweise eines Kühlkörpers oder Kühldoms 51, wie dies anhand von 5 nur näherungsweise wiedergegeben ist. Dadurch kann ein weiterer optimaler Wärmeabtransport über das entsprechende Gehäuseteil nach außen hin realisiert werden, um auch hohe Leistungen von beispielsweise über 10 W nach außen hin abzuführen.
Anhand der Querschnittsdarstellung gemäß 6 ist nur schematisch wiedergegeben, dass der erfindungsgemäße Aufbau grundsätzlich auch bei einer zwei- oder mehrlagigen Leiterplatte 21 möglich ist, zum Beispiel mit einer Leiterplattenebene 121a und 121b.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel umfasst die Leiterplatte 21 zumindest zwei Leiterplatten-Lagen 121a und 121b, die planparallel aufeinander liegen, so dass eine Zwischenschicht 121c entsteht, an der zusätzliche Leiterbahnen ausgebildet sein können. Hier können auch Leiterbahnen vorgesehen sein, worüber das Kühlplättchen 3 beispielsweise im Bereich einer eigentlich stufenförmigen Erweiterung zusätzlich mit einem Masseanschluss versehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10064221 A1 [0006]
DE 3610459 A1 [0008, 0009]
DE 102005049872 A1 [0008]

Claims

Leiterplatte mit gekühltem Baustein (33), insbesondere SMD-Baustein (33'), mit auf der Leiterplatte (21) angelöteten Anschlussfüßchen (39), mit folgenden Merkmalen: – in der Leiterplatte (21) ist eine Leiterplattenausnehmung (23) vorgesehen, – innerhalb der Leiterplattenausnehmung (23) ist ein wärmeleitfähiges Kühlplättchen (3) positioniert, – das Kühlplättchen (3) ist in die Ausnehmung (23) eingesetzt, wobei die dem zu kühlenden Baustein (33) zugewandt liegende Kühlfläche (4) des Kühlplättchens (3) mit der Oberseite (21a) der Leiterplatte (21) und die gegenüberliegende Kühlfläche (5) des Kühlplättchens (3) mit der Unterseite (21b) der Leiterplatte (21) fluchtet oder davon weniger als 10% bezogen auf die Dicke der Leiterplatte (21) abweicht, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale: – die beiden Kühlflächen (4; 5) des Kühlplättchens (3) sind unterschiedlich groß, – die zu dem zu kühlenden Bauteil (33) entfernt liegende Kühlfläche (5) des Kühlplättchens (3) ist größer ausgebildet als die dem zu kühlenden Bauteil (33) zugewandt liegende Kühlfläche (4), wobei die größere Kühlfläche (5) zumindest doppelt so groß ist wie die demgegenüber kleinere Kühlfläche (4), und – sowohl für die dem zu kühlenden Bauteil (33) zugewandt liegende kleinere Kühlfläche (4) als auch für die dazu entfernt liegende größere Kühlfläche (5) ist ein Masseanschluss oder eine Masseverbindung (40a, 40b) vorgesehen.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlplättchen (3) abgestuft ausgebildet ist und einen ersten Kühlplättchenabschnitt (4a) und einen zweiten Kühlplättchenabschnitt (5a) umfasst, wobei der mit der größeren Kühlfläche (5) versehene Kühlplättchenabschnitt (5a) eine größere Querschnittserstreckung parallel zur Ebene (E) der Leiterplatte (21) aufweist als der mit der kleineren Kühlfläche (4) versehene erste Kühlplättchenabschnitt (4a).
Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinere Kühlplättchenabschnitt (4a) über eine Abstufung (9) in den zweiten demgegenüber größeren Kühlplättchenabschnitt (5a) übergeht.
Leiterplatte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (14a) des ersten Kühlplättchenabschnittes (4a) zwischen 10% bis 90% der Gesamtdicke (14) des Kühlplättchens (3) beträgt.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlplättchenabschnitt (5a) eine Dicke (14b) aufweist, die 10% bis 90% der Gesamtdicke (14) des Kühlplättchens (3) entspricht.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlplättchenabschnitte (4a, 5a) konzentrisch zu einer sie durchsetzenden Zentralachse (Z) angeordnet sind.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der größere Kühlplättchenabschnitt (5a) den demgegenüber kleiner dimensionierten Kühlplättchenabschnitt (4a) auf beiden Längsseiten (L) und auf beiden Querseiten (Q) überragt.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenausnehmung (23), an die Formgebung und Kontur des Kühlplättchens (3) angepasst ist, wobei die Leiterplattenausnehmung (23) einen ersten und einen in Querrichtung quer zur Ebene (E) der Leiterplatte (21) versetzt liegenden zweiten Ausnehmungsabschnitt (23a, 23b) umfasst, wobei der zweite Ausnehmungsabschnitt (23b) eine größere Öffnungsweite aufweist als der demgegenüber kleinere erste Ausnehmungsabschnitt (23a).
Leiterplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlplättchen (3) zumindest mit seinem kleiner dimensionierten Kühlplättchenabschnitt (4a) in dem Ausnehmungsabschnitt (23a) mit geringerer Öffnung oder dass zumindest der größere Kühlplättchenabschnitt (5a) in dem größeren Ausnehmungsabschnitt (23b) der Ausnehmung (23) eingepresst gehalten ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenausnehmung (23) mit einer Durchkontaktierung (37) versehen ist, die mit dem Kühlplättchen (3) galvanisch verbunden ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem zu kühlenden Bauteil (33) gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (21) eine die größere Kühlfläche (5) überdeckende, elektrisch leitfähige Schicht (43') unter Ausbildung einer Massefläche (43) oder eines Masseanschlusses (43) ausgebildet ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Bauteil (33) auf seiner dem Kühlplättchen (3) zugewandt liegenden Seite eine Kühlfläche (35) aufweist, die direkt oder unter Zwischenschaltung einer Wärmeleitfolie mit der kleineren Kühlfläche (4) des Kühlplättchens (3) kontaktiert ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Kühlfläche (5) mit einem Kühlkörper oder Kühldom gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Wärmeleitfolie kontaktiert ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche (35) auf der dem Kühlplättchen (3) zugewandt liegenden Seite des Bauteils über zumindest einen Anschlussfuß (3) mit Masse verbunden ist.
Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte zumindest zweilagig oder mehrlagig ausgebildet ist, und zwar unter Ausbildung zumindest einer Zwischenschicht (21c), auf der Leiterbahnen ausgebildet sind und/oder in der ein mit dem Kühlplättchen (3) galvanisch verbundener Masseanschluss vorgesehen ist.