DE3722119A1 - Schaltungsmodul mit einem plattenfoermigen schaltungstraeger aus glas oder keramik - Google Patents

Description

Schaltungsmodul mit einem plattenförmigen Schaltungsträger aus Glas oder Keramik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltungsmodul mit einem plattenförmigen Schaltungsträger aus Glas oder Keramik und mit einer Metallplatte, die mit einer Seite des Schaltungs­ trägers großflächig verbunden ist.

Ein solches Modul ist aus der EP-Bl-00 48 938 bekannt. Die mit dem Schaltungsträger, also z.B. einem Glas- oder Keramik­ substrat großflächig verbundene Metallplatte dient dabei dazu, um die Wärme, die von Bauelementen erzeugt wird, die auf der von der Metallplatte abgewandten Seite des Substrates mit diesem verbunden sind, abzuführen, wodurch örtliche Über­ hitzungen der Substratschaltung verhindert werden und die insgesamt von der Substratschaltung erzeugte Wärme rascher an die Umwelt abgegeben werden kann.

Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß die Metallplatte einen vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, bei besse­ rem Wärmeleitvermögen. Eine unterschiedliche Ausdehnung der Metallplatte und des Substrates führt aber zu einer Überbean­ spruchung der Löt-oder Klebeverbindung zwischen Metallplatte und Substrat eventuell bis zum Bruch und hat weiterhin zur Folge, daß das Substrat so stark verbogen wird, daß auf dem Substrat angeordnete Leiterbahnen abreißen und/oder mit me­ tallisierten Oberflächenbereichen des Substrates verlötete Bauelemente sich vom Substrat lösen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Schaltungs­ modul der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Über­ beanspruchungen der Verbindung Metallplatte-Schaltungsträger (Substrat) und unzulässige Verbiegungen des Schaltungsträgers infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metallplatte und Schaltungsträger ausgeschlossen werden können.

Erfindungsgemäß ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß die Metallplatte als Dreischichtplatte ausgebildet ist, deren beide äußere Schichten jeweils aus einem gut wärmelei­ tenden Metall oder einer gut wärmeleitenden Metallegierung bestehen und deren mittlere Schicht aus einem gegenüber dem Wärmeleitvermögen der beiden äußeren, im wesentlichen gleich dicken Schichten wesentlich weniger gut wärmeleitenden Material hergestellt ist, und daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichten so aufeinander abgestimmt sind, daß sich ein mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schaltungsträgers weitgehend übereinstimmender Koeffizient der Dreischichtplatte ergibt.

Diese Ausbildung des Schaltungsmoduls ermöglicht es vorteil­ haft, die Metallplatte relativ dick auszubilden, also zum Ab­ transport relativ großer Wärmemengen geeignet zu machen, ohne daß es dadurch zwischen Schaltungsträger und Metallplatte zum Auftreten von Scherungskräften kommt, die ein Abreißen der Kle­ be- oder Lötverbindung zwischen Metallplatte und Schaltungsträ­ ger bewirken.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die beiden äußeren Schichten der Dreischichtplatte aus Kupfer und die mittlere Schicht aus Invar besteht.

Kupfer ist ein besonders guter Wärmeleiter. Der relativ große Wärmeausdehnungskoeffizient von Kupfer wird durch den sehr ge­ ringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Invar kompensiert, so daß die Dreischichtplatte insgesamt einen weitgehend mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schaltungsträgers überein­ stimmenden Koeffizienten hat.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Dickenverhältnis der Schichten der Dreischichtplatte etwa 20:60:20 beträgt.

Dieses Dickenverhältnis hat sich bei einer aus Kupfer und In­ var bestehenden Dreischichtplatte als besonders vorteilhaft erwiesen.

Weiter kann vorgesehen sein, daß eine dem Schaltungsträger unmittelbar anliegende äußere Schicht der Dreischichtplatte über den Bereich des Schaltungsträgers hinaus verlängert ist und daß die andere äußere Schicht der Dreischichtplatte mit der über den Schaltungsträger hinaus verlängerten äußeren Schicht einstückig verbunden ist.

Durch die Verlängerung, insbesondere der aus Kupfer bestehen­ den, unmittelbar dem Schaltungsträger anliegenden äußeren Schicht der Dreischichtplatte über den Bereich des Schaltungsträgers hinaus wird eine in besonders innigem Wärmekontakt mit dem Schal­ tungsträger stehende Wärmeleitbahn geschaffen, die z.B. mit einem gesonderten Kühlkörper verbunden sein kann oder zugleich auch zur mechanischen Festlegung des Schaltungsmodules an ei­ ner Gehäuse- oder Gestellwand verwendet werden kann.

Schließlich kann noch vorgesehen sein, daß die Dreischicht­ platte quer zum Verlauf des Schaltungsträgers mit Bohrungen zum Eindrehen von Schrauben versehen ist, daß die Dreischicht­ platte Aussparungen der mittleren Schicht aufweist und daß die beiden äußeren Schichten im Bereich dieser Aussparungen mit­ einander einstückig verbunden sind und daß in wenigstens einem der von der mittleren Schicht ausgesparten Bereiche auf der von dem Schaltungsträger abgewandten Seite der Dreischichtplatte ein thermisch hochbelastetes Bauelement oder eine Schmelzsiche­ rung angeordnet ist und daß der Bauelementkörper in eine diesem Körper angepaßte Vertiefung der Dreischichtplatte eingefügt ist.

Mit Hilfe der Schrauben kann das Schaltungsmodul an einer Ge­ stell- oder Gehäusewand befestigt werden, wobei die Schrauben zusätzliche Wärmeleiter zwischen dem Schaltungsmodul und dem Gehäuse oder Gestell bilden. Durch die im Bereich von Ausspa­ rungen der mittleren Schicht miteinander einstückig verbundenen beiden äußeren Schichten der Metallplatte kann bei relativ­ großflächigen Metallplatten der Wärmeaustausch zwischen der unmittelbar dem Schaltungsträger anliegenden Schicht und der anderen äußeren Schicht der Dreischichtplatte, die ebenfalls gut wärmeleitend ist, wesentlich verbessert werden. Das Ein­ fügen des Schmelzsicherungskörpers in eine diesem Körper an­ gepaßte Vertiefung in einem Bereich der Dreischichtplatte, in welchem die beiden äußeren Schichten einstückig miteinander verbunden sind, ermöglicht es, die Schmelzsicherung an einem für den wirkungsgerechten Einsatz der Schmelzsicherung beson­ ders geeigneten Ort anzuordnen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von sechs Figuren noch näher erläutert.

Dabei zeigen, unter Weglassung aller nicht unbedingt zum Ver­ ständnis des Erfindungsgegenstandes erforderlichen Einzel­ heiten und grob schematisch,

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Schaltungsmodul,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Schaltungsmoduls,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines Schaltungsmoduls,

Fig. 4 und Fig. 5 die Anordnung einer Schmelzsicherung im Be­ reich einer Aussparung der mittleren Schicht der Dreischicht­ platte und

Fig. 6 die Befestigung eines Schaltungsmoduls mittels in die Dreischichtplatte eingedrehter Schrauben an einer Gestell- oder Gehäusewand.

Im einzelnen ist den Figuren zu entnehmen, daß ein plattenförmiger Schaltungsträger 1 aus Keramik auf einer Seite großflächig mit einer Dreischichtplatte 2 durch Kleben oder Löten verbun­ den ist. Die Dreischichtplatte 2 besteht aus einer mittleren Invar-Schicht 3 und zwei äußeren Kupferschichten 4. Eine der beiden Kupferschichten 4 liegt unmittelbar dem Schaltungs­ träger 1 an, während die andere Kupferschicht 4 sich auf der vom Schaltungsträger 1 abgewandten Seite der Invarschicht 3 befindet. Bei einem Dickenverhältnis der Kupferschichten und der Invarschicht von ca. 20:60:20 erhält man einen Wär­ meausdehnungskoeffizienten der Dreischichtplatte 2, der mit dem des Schaltungsträgers 1 weitgehend übereinstimmt. Infol­ gedessen kann die Dreischichtplatte 2 relativ dick ausgebildet werden, ohne daß die Verbindung zwischen der Dreischichtplatte und dem Schaltungsträger 1 bei Temperaturschwankungen überbe­ ansprucht wird. Auch tritt bei einem solchen Schaltungsmodul keine unzulässig große Verbiegung des Schaltungsträgers 1 auf.

Auf der von der Dreischichtplatte 2 abgewandten Seite des Schaltungsträgers 1 kann dieser mit Baulementen 5 bestückt sein. Solche Bauelemente stellen häufig konzentrierte Wär­ mequellen dar, deren Wärme abgeführt werden muß, um örtliche Überhitzungen und damit eine Zerstörung der Bauelemente zu vermeiden. Die erforderliche Wärmeabfuhr wird durch die unmittelbar dem Schaltungsträger anliegende Kupferschicht 4 der Dreischichtplatte 2 bewirkt, während die andere Kupfer­ schicht 4, die sich auf der vom Schaltungsträger 1 abgewandten Seite der Invarschicht 3 befindet, hauptsächlich dazu dient, um ein Bimetallverhalten der dem Schaltungsträger 1 anliegenden Kupferschicht und der mit dieser Kupferschicht verbundenen Invarschicht zu verhindern.

Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß durch Aussparungen 6 in der In­ varschicht 3 und durch eine einstückige Verbindung der beiden Kupferschichten 4 im Bereich einer Aussparung 6 auch die äußere Kupferschicht verstärkt zur Wärmeableitung herangezogen werden kann.

Eine solche Aussparung 6 mit im Bereich der Aussparung 6 ver­ bundenen Kupferschichten ist besonders vorteilhaft dort vorzusehen, wo auf der Bauteileseite 11 des Schaltungsträgers ein Bauelement 5 angeordnet ist, das ein Wärmeerzeuger ist.

Aus den Fig. 1 und 3 ist zu ersehen, daß die Dreischichtplat­ te 2 eine Randzone 7 des Schaltungsträgers 1 unbedeckt läßt, in der der Schaltungsträger 1 auf beiden Seiten klammerartig von Anschlußelementen 8 umfaßt wird.

Fig. 2 zeigt, daß die unmittelbar dem Schaltungsträger 1 an­ liegende Kupferschicht 4 vorzugsweise auf einer von der Rand­ zone 7 abgewandten Seite der Dreischichtplatte 2 über den Schaltungsträger 1 hinaus verlängert ist und mit dieser Ver­ längerung 9 z. B. mit einem Rippen aufweisenden Kühlkörper 10 in innigem Wärmekontakt steht. Die Verlängerung 9 kann auch zur mechanischen Befestigung des aus Schaltungsträger 1 und Drei­ schichtplatte 2 bestehenden Schaltungsmoduls an einem Gehäuse oder Gestell verwendet werden. Fig. 2 zeigt auch, daß die an­ dere Kupferschicht 4 mit der dem Schaltungsträger 1 anliegenden Kupferschicht 4 auf der Seite der Verlängerung 9 einstückig verbunden sein kann, was den Wärmetransport zwischen der Drei­ schichtplatte 2 und dem Kühlkörper 10 noch weiter begünstigt.

Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß das aus Schaltungsträger 1 und Dreischichtplatte 2 bestehende Schaltungsmodul zusammen mit den ggf. auf einer Bauteileseite 11 des Schaltungsträgers 1 vorgesehenen Bauelementen mit einer Gestell-oder Gehäusewand 12 durch Schrauben 13 verbunden sein kann, die quer zum Schaltungs­ träger 1 in die relativ dicke Dreischichtplatte 2 eingedreht worden sind.

Aus den Fig. 4 und 5 ist schließlich noch zu ersehen, daß im Bereich einer Aussparung 6 der Invarschicht 3 der Körper 14 einer Schmelzsicherung oder eines thermisch hochbelasteten Bauelementes in eine diesem Körper angepaßte Vertiefung der Dreischichtplatte 2 eingefügt sein kann, wodurch der Körper 14 in besonders innigem Wärmekontakt zu beiden Schichten 4 und dadurch beispielsweise zu einem Bauelement steht, das auf der Bauteileseite 11 des Schaltungsträgers 1 am Ort der Aussparung 6 angeordnet ist. Ein durch einen Defekt des Bauelementes verursachter Temperaturanstieg führt daher zu einer raschen Erwärmung des Schmelzsicherungskörpers und damit zur Auslösung der Sicherung, bevor der Bauelement-Defekt weitere Schäden zur Folge hat.

Claims (8)

1. Schaltungsmodul mit einem plattenförmigen Schaltungsträger aus Glas oder Keramik und mit einer Metallplatte, die mit einer Seite des Schaltungsträgers großflächig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ platte als Dreischichtplatte (2) ausgebildet ist, deren beide äußere Schichten (4) jeweils aus einem gut wärmeleitenden Metall oder einer gut wärmeleitenden Metallegierung bestehen und deren mittlere Schicht (3) aus einem gegenüber dem Wärmeleit­ vermögen der beiden äußeren, im wesentlichen gleich dicken Schichten (4) wesentlich weniger gut wärmeleitenden Material hergestellt ist, und daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichten (3, 4) so aufeinander abgestimmt sind, daß sich ein mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schaltungsträgers (1) weitgehend übereinstimmender Koeffizient der Dreischichtplatte (2) ergibt.

2. Schaltungsmodul nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden äußeren Schichten (4) der Dreischichtplatte (2) aus Kupfer und die mittlere Schicht (3) aus Invar besteht.

3. Schaltungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dickenverhältnis der Schichten (3, 4) der Dreischichtplatte (2) etwa 20:60:20 beträgt.

4. Schaltungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Schaltungsträger (1) unmittelbar anliegende äußere Schicht (4) der Dreischichtplatte (2) über den Bereich des Schaltungs­ trägers (1) hinaus verlängert (9) ist.

5. Schaltungsmodul nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die andere äußere Schicht (4) der Dreischichtplatte (2) mit der über den Schaltungsträger (1) hinaus verlängerten (9) äußeren Schicht (4) einstückig ver­ bunden ist.

6. Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dreischicht­ platte (2) quer zum Verlauf des Schaltungsträgers (1) mit Bohrungen zum Eindrehen von Schrauben (13) versehen ist.

7. Schaltungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drei­ schichtplatte (2) Aussparungen (6) der mittleren Schicht (3) aufweist und daß die beiden äußeren Schichten (4) im Bereich dieser Aussparungen (6) miteinander einstückig verbunden sind.

8. Schaltungsmodul nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in wenigstens einem der von der mittleren Schicht (3) ausgesparten Bereiche (6) auf der von dem Schaltungsträger (1) abgewandten Seite der Dreischichtplat­ te (2) ein thermisch hochbelastetes Bauelement oder eine Schmelz­ sicherung angeordnet ist und daß der Bauelementkörper (14) in eine diesem Körper angepaßte Vertiefung der Dreischichtplatte (2) eingefügt ist.