DE10217214B4

DE10217214B4 - Kühlanordnung für eine Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10217214B4
Application number: DE2002117214
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kersten; Wolfgang Dr.-Ing. Pohlmann; Rainer Dipl.-Ing. Bolzenius
Original assignee: ZAVT ZENTRUM fur AUFBAU und V; Zavt Zentrum fur Aufbau- und Verbindungs-Technik GmbH; Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Zavt Zentrum Fuer Aufbau und Verbindungs Technik G; Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: DE10217214A1

Abstract

Schaltungsanordnung, umfassend mindestens einen Schaltungsträger (3) mit mindestens einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil sowie weiterhin umfassend Kühlmittel, mit denen der mindestens eine Schaltungsträger (3) wärmeleitend verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung (1) eine thermisch gespritzte, wärmeleitende Schicht (4) umfasst, die zumindest abschnittsweise mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Schaltungsträgers (3) derart bedeckt, dass dadurch eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Schaltungsträger (3) und den Kühlmitteln hergestellt wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schaltungsanordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung umfassend mindestens einen Schaltungsträger mit mindestens einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil sowie weiterhin umfassend Kühlmittel, mit denen der mindestens eine Schaltungsträger wärmeleitend verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung eine thermisch gespritzte, wärmeleitende Schicht umfasst, die zumindest abschnittsweise mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Schaltungsträgers derart bedeckt, dass dadurch eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Schaltungsträger und den Kühlmitteln hergestellt wird, wobei die Kühlmittel mindestens einen Kühlkörper umfassen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schaltungsanordnung.

Schaltungsanordnungen der vorgenannten Art sind beispielsweise als sogenannte Heatsink-Verbunde Gekannt. In der Regel dient dabei als Kühlmittel ein Kühlkörper, mit dem der mindestens eine Schaltungsträger wärmeleitend verbunden wird. Die Verbindung zwischen Schaltungsträger und Kühlkörper wird gemäß dem Stand der Technik entweder durch Kleben bzw. Laminieren oder durch Verlöten realisiert. Insbesondere bei der Realisierung von elektrischen Baugruppen der Leistungselektronik auf dem Schaltungsträger, bei denen eine hohe Verlustleistung abgeführt werden muss, weisen die vorgenannten Verbindungstechniken deutliche Nachteile auf.

Bei der Verbindung durch Kleben bzw. Laminieren wird aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit der Kleb- bzw. Laminierwerkstoffe, beispielsweise in Form von Wärmeleitfolien, nur eine geringe Wärmeleitung vom Schaltungsträger zum Kühlkörper ermöglicht. Darüber hinaus ergeben sich aufgrund der begrenzten Temperaturstabilität der Kleb- bzw. Laminierwerkstoffe Beschränkungen hinsichtlich der Einsatztemperatur der auf diese Weise gefertigten Heatsink-Verbunde.

Der DE 101 62 966 A1 ist eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu entnehmen. Ein aus der Schaltungsanordnung gebildetes Leistungshalbleitermodul ist schichtartig aufgebaut, wobei die als Kühlkörper verwendete Metallbasis und der Schaltungsträger durch eine thermisch gespritzte, wärmeleitende Schicht wärmeleitend miteinander verbunden sind. Hierbei sind die Metallbasis und der Schaltungsträger unter Verwendung von Lötmitteln aneinander befestigt.

Aus der DE 43 30 975 C2 ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Leistungsbauelementes auf einer Leiterplatte bekannt, wobei durch thermisches Spritzen eine lötfähige, wärmeleitende Schicht auf der zu befestigenden Oberfläche des Leistungsbauelements aufgebracht wird. Diese Schicht wird anschließend mit einer auf einer Leiterplatte aufgetragenen Lötmasse verlötet.

Bei der Verbindung durch Verlöten können zwar vergleichsweise gute Wärmeübergänge zwischen den Komponenten des Heatsink-Verbundes ermöglicht werden. Weiterhin kann ein derartig hergestellter Heatsink-Verbund auch bei ausreichend hohen Temperaturen betrieben werden. Die Herstellung eines Heatsink-Verbundes durch Verlöten erweist sich jedoch aus mehreren Gründen als nachteilig.

Zum einen ist ein derartiger Lötprozess aufwendig und daher kostenintensiv, insbesondere, weil vorab lötfähige Oberflächen auf Schaltungsträger und Kühlkörper geschaffen werden müssen, beispielsweise durch zusätzliche Oberflächenveredelungsverfahren wie galvanisches Beschichten. Zum anderen müssen aufgrund der hohen Verbindungstemperaturen während des Lötvorgangs hochtemperaturbeständige Schaltungsträger verwendet werden. Weiterhin kann die Aufbringung der elektronischen Komponenten auf den Schaltungsträger erst nach erfolgter Verlötung von Kühlkörper und Schaltungsträger erfolgen, weil bei dieser Verlötung sehr hohe Temperaturen erreicht werden. Da aber der bereits erstellte Heatsink-Verbund aus Kühlkörper und Schaltungsträger eine vergleichsweise große Wärmekapazität aufweist, muss mit höheren Verbindungstemperaturen bei der Aufbringung der Komponenten auf den Schaltungsträger gearbeitet werden, was wiederum zur Beschädigung der aufzubringenden Komponenten führen kann.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, die eine gute Wärmeleitung zwischen Kühlkörper und Schaltungsträger aufweist und damit insbesondere für Anwendungen in der Leistungselektronik geeignet ist. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schaltungsanordnung anzugeben, das einfach und kostengünstig durchführbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Schaltungsanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der mindestens eine Schaltungsträger und der mindestens eine Kühlkörper zumindest abschnittsweise derart flächig nebeneinander angeordnet sind, dass diese nebeneinander angeordneten Flächen von Kühlkörper und Schaltungsträger von der thermisch gespritzten Schicht gemeinsam bedeckt werden. Auf bündig nebeneinander angeordneten Flächen von Schaltungsträger und Kühlkörper kann die Schicht einfach und wirkungsvoll aufgespritzt werden. Der Kühlkörper kann dabei entsprechend der abzuführenden Wärme dimensioniert werden. Die thermisch gespritzte Schicht kann bei entsprechend guten Wärmeleiteigenschaften das für die Schicht verwendeten Materials eine ausgesprochen gute Wärmeleitung zwischen Schaltungsträger und Kühlkörper gewährleisten, weil der Schaltungsträger und der Kühlkörper thermisch direkt über die Schicht miteinander gekoppelt sind. Weiterhin können Schichtmaterialien gewählt werden, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die thermisch gespritzte Schicht als elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist und vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen, insbesondere Aluminium oder Kupfer besteht.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die thermisch gespritzte Schicht als elektrisch isolierende Schicht ausgebildet ist und vorzugsweise aus keramischen Werkstoffen, insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid besteht.

Hierbei besteht die Möglichkeit, die thermisch gespritzte Schicht zu strukturieren. Beispielsweise können dabei Leiterbahnen oder Vias in die Schicht eingebracht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Schaltungsanordnung mehrere Schaltungsträger, die insbesondere durch die thermisch gespritzte Schicht miteinander verbunden sind. Die Schicht kann somit neben der Wärmeableitung auch die Funktion der mechanischen und / oder elektrischen Verbindung der Schaltungsträger untereinander gewährleisten.

Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Schaltungsträger als Hybridschaltung, starre oder flexible Leiterplatte, Direct-Bond-Copper-Substrat (DBC) oder dergleichen ausgebildet sein. Das Material des Schaltungsträgers kann je nach Anwendung frei gewählt werden, weil bei der Aufbringung der Schicht keine hohen Temperaturen auftreten, die beispielsweise bei den Lötverbindungen gemäß dem Stand der Technik die Verwendung von Schaltungsträgern auf Polymerbasis verhindern.

Weiterhin besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass der mindestens eine Schaltungsträger eine dreidimensionale Struktur aufweist. Derartige dreidimensionale Schaltungsträger lassen sich im Gegensatz zum Stand der Technik mit vergleichsweise geringem Aufwand in eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung integrieren, weil das Verbinden über das Aufspritzen der Schicht einfach und flexibel einsetzbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermisch gespritzte Schicht die Kühlmittel bildet. Bei dieser Ausbildung der Kühlmittel kann auf separate Kühlkörper verzichtet werden, so dass eine derartige Schaltungsanordnung ausgesprochen kostengünstig herstellbar ist.

Weiterhin kann in dem mindestens einen Kühlkörper mindestens eine Aufnahme für den mindestens einen Schaltungsträger vorgesehen sein, insbesondere wobei der Schaltungsträger in der Aufnahme mechanisch fixiert ist. Die Aufnahme kann dabei hinsichtlich ihrer Form den Abmessungen des Schaltungsträgers genau entsprechen. Die mechanische Fixierung des Schaltungsträgers kann entweder durch eine entsprechende Gestaltung der Aufnahme und / oder durch zusätzliche punktuelle Klebeverbindungen erreicht werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass auch der mindestens eine Kühlkörper eine dreidimensionale Struktur aufweist. Auch derartige dreidimensionale Kühlkörper lassen sich im Gegensatz zum Stand der Technik mit vergleichsweise geringem Aufwand in eine erfindungsgemäß Schaltungsanordnung integrieren, weil das Verbinden über das Aufspritzen der Schicht einfach und flexibel einsetzbar ist.

Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass in dem Schaltungsträger im Bereich eines auf dem Schaltungsträger aufgebrachten oder aufzubringenden wärmeerzeugenden elektronischen Bauteils eine Ausnehmung angeordnet ist, durch die sich die thermisch gespritzte Schicht zumindest abschnittsweise erstreckt. Das wärmeerzeugende Bauteil kann somit direkt von der thermisch gespritzten Schicht thermisch kontaktiert werden, so dass dessen Wärme noch effektiver abgeführt werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die thermisch gespritzte Schicht selbst das Kühlmittel bildet.

Das Verfahren gemäß Anspruch 12 sieht vor, dass auf einen Schaltungsträger zumindest abschnittsweise eine wärmeleitende Schicht thermisch aufgespritzt wird, die eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Schaltungsträger und den Kühlmitteln herstellt. Das thermische Spritzen stellt eine einfache und damit kostengünstige Verbindungsmethode dar. Insbesondere müssen bei der Verbindung durch Aufspritzen die Oberflächen von Kühlkörper und Schaltungsträger nicht veredelt werden, wie dies bei dem Verlöten erforderlich ist.

Hierbei kann der Schaltungsträger vor oder nach dem Aufspritzen der Schicht mit Komponenten, insbesondere mit mindestens einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil bestückt werden. Weil bei dem Aufspritzen der Schicht keine hohen Temperaturen auftreten, kann insbesondere vor dem Aufspritzen der Schicht der Schaltungsträger mit Komponenten versehen werden. Da der Schaltungsträger vor der Verbindung mit dem Kühlkörper eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität aufweist, können die Komponenten bei geringen Temperaturen auf den Schaltungsträger aufgebracht werden, wobei die Gefahr der Beschädigung der Komponenten gering ist.

Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass der Schaltungsträger vor dem Aufspritzen der Schicht in eine Aufnahme eines Kühlkörpers eingebracht, und insbesondere darin mechanisch fixiert wird.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die thermisch gespritzte Schicht während des Aufspritzens oder nach dem Aufspritzen strukturiert wird. Insbesondere die Strukturierung während des Aufspritzens erspart einen zusätzlichen Arbeitsschritt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Darin zeigt
1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die in 1 abgebildete erfindungsgemäß Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Kühlkörper 2 und einen Schaltungsträger 3. Kühlkörper 2 und Schaltungsträger 3 sind durch eine thermisch aufgespritzte Schicht 4 wärmeleitend miteinander verbunden.
Der Kühlkörper 2 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel plattenähnlich ausgebildet und weist einen rechteckigen Umriss und eine im wesentlichen im Umriss rechteckige Aufnahme 5 auf, die in dem Kühlkörper 2 ausgespart ist. Der Kühlkörper 2 kann weiterhin Bohrungen 6 und randseitige Aussparungen 7 für den Einbau der Schaltungsanordnung aufweisen. Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass der Kühlkörper 2 beliebige andere Umrisse aufweist.
Der Schaltungsträger 3 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ebenfalls plattenähnlich ausgebildet und weist insbesondere die gleiche Dicke auf wie der Kühlkörper 2. Weiterhin weist der Schaltungsträger 3 einen quadratischen Umriss auf, der der Innenkontur der Aufnahme 5 derart entspricht, dass der Schaltungsträger 3 vergleichsweise genau in die Aufnahme 5 des Kühlkörpers 2 passt. Der Schaltungsträger 3 ist in 1 ohne elektrische bzw. elektronische Komponenten abgebildet. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, den Schaltungsträger insbesondere schon vor dem Aufbringen der Schicht 4 mit geeigneten Komponenten zu versehen.
Der Schaltungsträger 3 wird in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel auf vier Seiten von dem Kühlkörper 2 umgeben. Weiterhin liegen die in 1 unteren Oberflächen von Schaltungsträger 3 und Kühlkörper 2 im wesentlichen in einer Ebene und schließen vorzugsweise bündig miteinander ab. Diese bündig nebeneinander angeordneten unteren Oberflächen von Kühlkörper 2 und Schaltungsträger 3 werden von der Schicht 4 abgedeckt, die in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel die gesamte Unterseite von Kühlkörper 2 und Schaltungsträger 3 bedeckt. Es besteht erfindungsgemäß durchaus die Möglichkeit, dass nur Teilbereiche entsprechender Oberflächen von Kühlkörper 2 und Schaltungsträger 3 mit der Schicht 4 bedeckt werden.
Die Bohrungen 6 und die randseitigen Aussparungen 7 setzen sich in der Schicht 4 fort. Dies kann sowohl durch Abdecken der Bohrungen 6 und Aussparungen 7 während des Ausspritzens, als auch durch eine nachträgliche mechanische Bearbeitung erzielt werden.
Der Schaltungsträger 3 kann beispielsweise als Hybridschaltung, starre oder flexible Leiterplatte, Direct-Bond-Copper-Substrat (DBC) oder dergleichen ausgebildet sein. Die aufgespritzte Schicht 4 kann eine elektrisch leitende Schicht sein und aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium bestehen. Alternativ dazu kann die Schicht 4 isolierend ausgebildet sein und aus keramischen Werkstoffen wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AIN) bestehen. Es besteht die Möglichkeit, die Schicht 4 während des Aufspritzens oder danach zu strukturieren, beispielsweise um Leiterbahnen oder Vias zu realisieren. Eine wesentliche Eigenschaft der Schicht 4 ist ihre möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit.
Vor dem Aufspritzen der Schicht 4 kann der Schaltungsträger 3 in der Aufnahme 5 mechanisch fixiert werden, beispielsweise durch punktuelle Klebeverbindungen oder eine entsprechend passgenaue Ausgestaltung der Aufnahme 5. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die mechanische Fixierung des Schaltungsträgers 3 an dem Kühlkörper 2 durch die Aufbringung der Schicht 4 erfolgen.
Es besteht die Möglichkeit, mehr als einen Schaltungsträger 3 mit dem Kühlkörper 2 oder mit mehreren Kühlkörpern 2 in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zusammenzufassen. Hier kann die Schicht 4 sowohl zur Wärmeableitung, als auch zur mechanischen und / oder elektrischen Verbindung der einzelnen Schaltungsträger 3 untereinander bzw. mit dem oder den Kühlkörpern dienen.
Anstelle des abgebildeten Kühlkörpers 2 und Schaltungsträgers 3 können anders gestaltete, insbesondere dreidimensional strukturierte Schaltungsträger und / oder Kühlkörper Verwendung finden.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die Möglichkeit, dass in dem Schaltungsträger 3 unterhalb eines vorderseitig aufgebrachten oder aufzubringenden wärmeerzeugenden elektronischen Bauteils eine Aussparung vorgesehen wird. Durch diese Aussparung hindurch kann das wärmeerzeugende Bauteil direkt von der nachträglich thermisch gespritzten Schicht 4 thermisch kontaktiert werden.

Claims

Schaltungsanordnung umfassend mindestens einen Schaltungsträger (3) mit mindestens einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil sowie weiterhin umfassend Kühlmittel, mit denen der mindestens eine Schaltungsträger (3) wärmeleitend verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung (1) eine thermisch gespritzte, wärmeleitende Schicht (4) umfasst, die zumindest abschnittsweise mindestens eine Oberfläche des mindestens einen Schaltungsträgers (3) derart bedeckt, dass dadurch eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Schaltungsträger (3) und den Kühlmitteln hergestellt wird, wobei die Kühlmittel mindestens einen Kühlkörper (2) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schaltungsträger (3) und der mindestens eine Kühlkörper (2) zumindest abschnittsweise derart flächig nebeneinander angeordnet sind, dass diese nebeneinander angeordneten Flächen von Kühlkörper (2) und Schaltungsträger (3) von der thermisch gespritzten Schicht (4) gemeinsam bedeckt werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht (4) als elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist und vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen, insbesondere Aluminium oder Kupfer besteht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht (4) als elektrisch isolierende Schicht ausgebildet ist und vorzugsweise aus keramischen Werkstoffen, insbesondere Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid besteht.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht (4) strukturiert ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) mehrere Schaltungsträger (3) umfasst, die insbesondere durch die thermisch gespritzte Schicht (4) miteinander verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schaltungsträger (3) als Hybridschaltung, starre oder flexible Leiterplatte, Direct-Bond-Copper-Substrat (DBC) oder dergleichen ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schaltungsträger (3) eine dreidimensionale Struktur aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht (4) die Kühlmittel bildet.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Kühlkörper (2) mindestens eine Aufnahme (5) für den mindestens einen Schaltungsträger (3) vorgesehen ist, insbesondere wobei der Schaltungsträger (3) in der Aufnahme (5) mechanisch fixiert ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkörper (2) eine dreidimensionale Struktur aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaltungsträger (3) im Bereich eines auf den Schaltungsträger (3) aufgebrachten oder aufzubringenden wärmeerzeugenden elektronischen Bauteils eine Ausnehmung angeordnet ist, durch die sich die thermisch gespritzte Schicht zumindest abschnittsweise erstreckt.
Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Schaltungsträger (3) zumindest abschnittsweise eine wärmeleitende Schicht (4) thermisch aufgespritzt wird, die eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Schaltungsträger (3) und den Kühlmitteln herstellt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (3) vor oder nach dem Aufspritzen der Schicht (4) mit Komponenten, insbesondere mit mindestens einem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil bestückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (3) vor dem Aufspritzen der Schicht (4) in eine Aufnahme (5) des Kühlkörpers (2) eingebracht, und insbesondere darin mechanisch fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht (4) während des Aufspritzens oder nach dem Aufspritzen strukturiert wird.