DE4118398A1

DE4118398A1 - Elektronik-baugruppe mit metallgehaeuse

Info

Publication number: DE4118398A1
Application number: DE4118398A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Dipl Ing Diercks; Wolfgang Dipl Ing Betsch
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2011-06-06
Also published as: DE4118398C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Der Stand der Technik ergibt sich aus folgenden Veröffentlichungen:

1) DE OS 37 03 088,
2) DE OS 37 35 985,
3) DE OS 37 08 000,
4) DE OS 38 29 117,
5) R. Strauss, SMD Oberflächenmontierte Bauteile, VTT-Verlag für technische Texte, Bonn, S. 18 . . . 23,
6) Zeitschrift "Elektronik" 1988, H. 23, S. 64 . . . 70,
7) Das SMD-Buch, Surface Mounted Devices, 2. Auflage, 1985, Herausgeber: ELKOSE GmbH, 7141 Möglingen, S. 7 . . . 9.

Eine solche Elektronik-Baugruppe ist aus (1) bekannt. Im Metallgehäuse befindet sich eine Leiterplatte, die mit Halbleiterbauelementen bestückt ist. Halbleiterbauelemente mit hoher Verlustleistung sind zwecks guter Kühlung am Rand der Leiterplatte angeordnet und werden durch Federn an eine Seitenwand des Metallgehäuses angedrückt. So wird der größte Teil der in den Halbleiterbauelementen entstehende Wärme an das Metallgehäuse und von da an die das Metallgehäuse umgebende Luft abgegeben. Die im Metallgehäuse eingeschlossene Luft wird nur wenig erwärmt, da sie zur Wärmeableitung nur wenig beiträgt.

Nachteilig ist, daß nur der Rand der Leiterplatte für die Halbleiterbauelemente mit hoher Verlustleistung zur Verfügung steht, wodurch ihre Anzahl begrenzt ist. Das Erfordernis der Montage am Rand erschwert außerdem das Layout der Leiterbahnführung auf der Leiterplatte. Das Erfordernis der Wärmeableitung an eine Seitenwand läßt nur die Verwendung von Halbleiterbauelementen zu, die zum aufrecht stehenden Einbau ausgebildet sind und nur wenige Anschlußfahnen aufweisen.

Moderne Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel solche in SOIC- (Small Outline Integrated Circuit), Flat-Pack- und PLCC (Plastic-Leaded-Chip-Carrier) Gehäusen weisen sehr viele Anschlußfahnen auf und sind deshalb zum flach auf der Leiterplatte liegenden Einbau ausgebildet. Zum Zwecke der Kühlung ist ein solches Bauelement so ausgebildet, daß die in ihm entstehende Wärme vorwiegend über seine der Leiterplatte abgewandten Flächen abgegeben wird. Einzelheiten der oben genannten und weiterer Gehäuse finden sich in (5).

Auch bei einem solchen Halbleiterbauelement kann eine so hohe Verlustleistung auftreten, daß bei seinem Einbau auf einer in einem geschlossenen Gehäuse untergebrachten Leiterplatte die Kühlung allein durch die im Gehäuse eingeschlossene und das betreffende Halbleiterbauelement unmittelbar umgebende Luft nicht ausreicht oder daß dabei im Gehäuse eine zu hohe Temperatur auftritt.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde: Es soll eine Elektronik-Baugruppe der obigen Art angegeben werden, bei der die Halbleiterbauelemente flach an beliebiger Stelle auf der Leiterplatte liegend eingebaut sind und ohne nennenswerte Erwärmung der im Gehäuse eingeschlossenen Luft gut gekühlt sind.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre gemäß dem Patentanspruch gelöst.

In der aus (2) bekannten Anordnung geschieht die Wärmeableitung von einem Halbleiterbauelement ebenfalls ohne nennenswerte Erwärmung der das Halbleiterelement umgebenden Luft. Außerdem können die Halbleiterbauelemente flachliegend an jeder Stelle der Leiterplatte eingebaut sein. Jedoch ist für jedes Halbleiterbauelement ein wärmeleitender Modul erforderlich. Nachteilig ist, daß eine Kühlwirkung erst nach völligem Zusammenbau der Elektronik-Baugruppe möglich ist. Damit ist z. B. ein Testbetrieb vor dem völligen Zusammenbau nicht möglich.

Aus (3) sind Leiterplatten mit Metallkern an sich bekannt.

Aus (4) ist es an sich bekannt, ein Halbleiterbauelement in unmittelbarem Wärmekontakt mit dem Metallkern einer Leiterplatte zu montieren. Nachteilig ist, daß der Metallkern genau passend zur beabsichtigten Bestückung vorgeprägt sein muß.

Die Erfindung wird anhand eines in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Elektronikbaugruppe dargestellt. In der Fig. 2 ist ein zum Einbau in eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe vorbereitetes Halbleiterbauelement dargestellt.

Es wird zunächst die Fig. 1 beschrieben. In ihr bedeuten:
MG ein Metallgehäuse,
Ab ein Absatz,
Bd ein Boden,
LP eine Leiterplatte,
IS₁ eine erste Isolierschicht,
IS₂ eine zweite Isolierschicht,
MK ein Metallkern,
IC ein Halbleiterbauelement,
AF Anschlußfahnen,
De ein Deckel,
KR Kühlrippen,
S eine Schraube,
LB Leiterbahnen,
WA die wärmeabgebende Seite des Halbleiterbauelementes.

Die Leiterplatte LP weist einen Metallkern MK, eine erste Isolierschicht IS₁ und eine zweite Isolierschicht IS₂ auf. Die Leiterplatte LP ist im Metallgehäuse MG eingebaut, wobei der Metallkern gut wärmeleitend mit dem Metallgehäuse verbunden ist. Als Beispiel für die Ausbildung einer solchen gut wärmeleitenden Verbindung ist hier eine Schraubverbindung dargestellt. Sie umfaßt die Schraube S und weitere nicht bezeichnete Schrauben. Mit diesen Schrauben ist die Leiterplatte am Absatz Ab und damit auch am Metallgehäuse befestigt, wobei an der Auflagefläche der Leiterplatte auf den Absatz die betr. Isolierschicht fehlt. So wird bewirkt, daß der Metallkern unmittelbar oder über Wärmeleitpaste gut wärmeleitend mit dem metallischen Absatz Ab in Verbindung steht. Auch unter den Köpfen der betr. Schrauben fehlt die betr. Isolierschicht. So wird erreicht, daß der durch das Anziehen der Schrauben erreichte und für eine gute Wärmeleitung erforderliche hohe Anpreßdruck auf die Dauer erhalten bleibt und nicht durch ein evt. Fließen der Isolierschicht nachläßt. Außerdem tragen so die Schrauben auch noch zur Wärmeleitung bei.

Auf der Leiterplatte LP sind Halbleiterbauelemente montiert. Als Beispiel ist hier eines in der Form eines SOIC-Gehäuses dargestellt. Es ist mit seiner wärmeabgebender Seite WA unter Verwendung eines wärmeleitenden Klebers oder einer Wärmeleitpaste am Metallkern MK befestigt. Dazu ist an der betreffenden Stelle die Leiterplatte LP frei von der jeweiligen Isolierschicht. Hier ist es die erste Isolierschicht IS₁. D.h., das Halbleiterbauelement IC befindet sich mit seiner wärmeabgebenden Seite WA nur über einen wärmeleitenden Kleber oder über eine Wärmeleitpaste in Wärmekontakt mit dem Metallkern MK. So wird die in Halbleiterbauelement IC entstehende Wärme über den Metallkern MK an das Metallgehäuse MG abgeleitet und von dort an die Umgebung abgegeben. Dazu sind die Kühlrippen KR vorgesehen.

Anhand der Fig. 2 werden Einzelheiten des verwendeten Halbleiterbauelementes beschrieben. Es handelt sich um eines mit Möwenschwingen- (Gull-Wing-) Anschlußfahnen. Dieser Begriff wird in (6), S. 70, linke Spalte erläutert. Gestrichelt ist die für die herkömmliche Einbaulage vorgesehene Form der Anschlußfahnen eingezeichnet. Bei der herkömmlichen Einbaulage ist die Unterseite US der Leiterplatte zugewandt. Die Anschlußfahnen ragen mit dem Maß d₁ über die Unterseite US hervor, so daß sich beim herkömmlichen Einbau ein Spalt zwischen der Unterseite und der Leiterplatte ergibt. Es ist aus (7), Seite 9, linke Spalte, bekannt, diesen Spalt zwecks Wärmeableitung über eine aus Keramik bestehende Leiterplatte mit Wärmeleitpaste auszufüllen.

Das hier dargestellte Halbleiterbauelement ist so ausgebildet, daß die in ihm entstehende Wärme beim herkömmlichen Einbau zum größten Teil über die der Leiterplatte abgewandten Seite abgegeben wird, d. h., die der Unterseite US gegenüberliegende Seite ist die wärmeabgebende Seite WA.

Zum Einbau des Halbleiterbauelementes in die erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe sind die Anschlußfahnen AF in Richtung der wärmeabgebenden Seite WA gebogen, jedoch so, daß sie um das Maß d₂ hinter der Ebene der wärmeabgebenden Seite zurückstehen. Das Maß d₂ ist so unter Berücksichtigung der Dicke der ersten Isolierschicht IS₁ und der Dicke der Leiterbahnen gewählt, daß beim Einbau in die Elektronikbaugruppe einerseits die wärmeabgebende Seite WA auf dem Metallkern Mk aufliegt und andererseits die Anschlußfahnen AF auf den Leiterbahnen LB aufliegen.

Eine Möglichkeit zur Herstellung der Leiterplatte besteht darin, daß man von einem beiderseitig ganz mit Isolierschichten beschichteten Basismaterial ausgeht und an den zur erfindungsgemäßen Bestückung vorgesehenen Stellen die erste Isolierschicht durch Fräsen entfernt. Dieses partielle Wegfräsen der ersten Isolierschicht läßt sich mit nur wenig Aufwand vornehmen, denn bei der Herstellung solcher Leiterplatten ist üblicherweise eine Umrißbearbeitung auf einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine notwendig. Diese Fräsmaschine läßt sich so programmieren, daß sie auch noch die erste Isolierschicht partiell wegfräst.

Die erfindungsgemäße Elektronik-Baugruppe eignet sich außer für terrestrische Anwendung auch für Raumfahrtanwendung, z. B. in einem Nachrichtensatellit. Das Fehlen jeglicher Atmosphäre wirkt sich wegen der Wärmeableitung über den Metallkern nicht nachteilig aus. Es genügt, wenn die Kühlrippen für eine Wärmeabgabe allein durch Strahlung ausgebildet sind, oder auf andere Weise für ausreichende Wärmeabgabe gesorgt ist.

Die aus (1) bekannte Elektronik-Baugruppe setzt ebenfalls nicht das Vorhandensein einer Atmosphäre voraus, jedoch trägt die Masse der zusätzlich erforderlichen wärmeleitenden Module in unerwünschter Weise zur Gesamtmasse der Elektronik- Baugruppe bei. Diese bekannte Elektronik-Baugruppe ist deshalb für Raumfahrt-Anwendung wenig geeignet.

Claims

Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse mit folgenden Merkmalen:
- a) Im Metallgehäuse (MG) ist eine Leiterplatte (LP) eingebaut, die mit Halbleiterbauelementen (IC) bestückt ist.
- b) Die Leiterplatte (LP) weist einen Metallkern (MK) auf.
- c) Mindestens ein Halbleiterbauelement (IC) steht in Wärmekontakt mit dem Metallgehäuse (MG).
- d) Der Wärmekontakt ist folgendermaßen ausgebildet:
  - d1) Das Halbleiterbauelement (IC) befindet sich mit seiner wärmeabgebenden Seite (WA) nur über einen wärmeleitenden Kleber oder über eine Wärmeleitpaste in Wärmekontakt mit dem Metallkern (MK).
  - d2) Das Metallgehäuse (MG) und die Leiterplatte (LP) sind zur gut wärmeleitenden Verbindung (Ab, S) des Metallkernes (MK) mit dem Metallgehäuse (MG) ausgebildet.
Der einleitende Satz sowie die Merkmale a) und c) bilden den Oberbegriff. Die Merkmale b), d), d1) und d2) bilden den kennzeichnenden Teil.