DE4012100A1 - Leiterplatte mit einer kuehlvorrichtung und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplatte.

Eine derartige Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben ist aus der US-PS 47 34 315 bekannt. Dort ist zwischen jeweils mehreren Leiterzüge tragenden Laminaten eine Platte aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen, die auf einer Seite labyrinthartige Kanäle mit jeweils einem Einlaß und einem Auslaß für ein Kühlmittel aufweisen. Die Laminate und die Platten werden durch Nieten oder Klammern zu einem Block zusammengehalten.

Aus der DE-OS 38 05 851 ist es auch bekannt, zwischen zwei mit Leiterzügen versehenen Laminaten eine mit Kühlkanäle bildende Aussparungen versehene Isolierstoffplatte vorzusehen und diese mit den Laminaten zu verkleben. Als Klebemittel können hierbei Klebefolien verwendet werden.

Diese Arten von Leiterplatten mit einer Kühlvorrichtung sind zur Kühlung hochbelasteter Leiterplatten zwar geeignet. Jedoch können an Stellen mit sehr hoher Energiedichte, d. h. hoher Wärmebelastung, trotzdem Zonen zu hoher Beslastung auftreten, da die mit den Kühlkanälen versehene bzw. diese bildende Platte aus elektrisch isolierendem Material eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Solche Zonen zu hoher Wärmebelastung können gemäß der US-PS 46 31 636 dadurch besser gekühlt werden, daß in Kanäle einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Leiterplatten flache Kühlrohre eingepreßt werden, an deren freie Oberfläche die obere Seite eines zu kühlenden Bauelements einer angrenzenden Leiterplatte über eine metallische Wärmeleitplatte anliegen. Die Herstellung derartiger Leiterplatten mit Kühlvorrichtung ist jedoch relativ aufwendig und die Schichtung muß mit zwischen zwei angrenzenden Leiterplatten vorgesehenen elektrisch leitfähigen und elastischen Kontaktelementen aus z. B. leitfähigem Gummi erfolgen.

Es ist weiterhin aus der EP-OS 01 97 817 bekannt, eine gedruckte Leiterplatte unter Zwischenlage einer Versteifungsplatte aus imprägniertem Gewebe, einer Metallfolie aus einer Eisen-Nickellegierung und einer weiteren Verstärkungs- und Dichtungsfolie aus imprägniertem Gewebe mit einer dicken Platte aus einer Eisen-Nickel-Legierung, die mit Kühlkanälen versehen ist, zu verbinden. Leiterplatten mit einer derartigen Metallplatte bewirken zwar eine gute Wärmeabfuhr und Wärmeableitung aus hochbelasteten Zonen, sie sind jedoch wegen des hohen Metallanteils sehr schwer.

Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden eine Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß unter Beibehaltung des geringen Gewichts der aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Platte mit den Kühlkanälen trotzdem eine gute Wärmeableitung auch in Zonen sehr hoher Wärmebelastung der Leiterplatte möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 sowie des Verfahrensanspruchs 12 angegebenen Merkmale. Durch diese Maßnahmen werden nahezu die guten Eigenschaften zur Wärmeabfuhr wie bei der Anwendung einer metallischen Platte oder von Kühlrohren erreicht, jedoch der Nachteil des hohen Gewichts derselben und diffizilen Herstellung bei Kühlrohren vermieden.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und nachfolgend anhand der in der Zeichung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung von einer Schmalseite im Schnitt,

Fig. 2 bis 5 einzelne Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Leiterplatte gemäß Fig. 1,

Fig. 6 und 7 mögliche Ausführungen der mit den Aussparungen versehenen Platten und

Fig. 8 ein Prozeßdiagramm für mögliche Herstellungsverfahren.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Platte aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus einen Thermoplast oder einem Duroplast bezeichnet. Die Platte 1 ist in Fig 1 mit Ansparungen 2 in Form von rechteckigen Nuten versehen, die alle zur oberen Seite 3 hin offen sind. Die gesamte Oberfläche der Platte 1, also einschließlich der Wände der Ausparungen 2, sind mit einer auf der Platte 1 fest haftenden Metallschicht 4 beschichtet. Diese wird vorzugsweise durch chemische Abscheidung, insbesondere durch chemische Verkupferung erzeugt. Beispielsweise werden bei Verwendung von Polyätherimid als Plattenmaterial und Kupfer für die Metallschicht Abschälkräfte von bis zu 20 N/cm erreicht.

Auf die obere Metallschicht 4 der oberen Seite 3 der Platte 1 ist unter Verwendung einer Klebschicht 5 ein Substrat 6 einer Leiterplatte 7 aufgeklebt. Hierdurch bilden die Aussparungen 2 Kühlkanäle, durch die ein Kühlmittel, z. B. ein Gas, insbesondere Luft, hindurchgedrückt oder hindruchgesaugt werden kann. Auf der Außenfläche 8 des Substrats 6 sind Leiterbahnen 9 aus Kupfer das galvanisch verstärkt sein kann und eine korrosionsbeständige, leicht lötbare Oberfläche aufweisen kann, nach an sich bakannten Verfahren hergestellt, auf denen z. B. ein elektrisches Bauelement 10 in sogenannter SMD-Technik aufgelötet sein kann. Als Material für das Substrat 6 sind die üblichen Basismaterialien, vorzugsweise aber ein Epoxidharz-Glasfaser-Material, z. B. das unter der Bezeichung FR4 im Handel befindliche Epoxidharz-Glashartgewebe geeignet.

Die Metallschicht 4 bewirkt einerseits eine gute Wärmeableitung infolge der metallischen Wärmeleitung. Andererseits ist die Metallschicht 4 auf der oberen Seite 3 der Platte 1 ein guter Haftvermittler für die Klebschicht 5. Die Klebschicht 5 kann aus einem auf die Metallschicht der oberen Seite 3 der Platte 1 und/oder auf die Unterseite 11 des Substrats 6 aufgebrachten, nicht fließenden, insbesondere anpolymerisierten Kleber bestehen. Anstelle eines Klebers kann auch eine Klebefolie 12, vorzugsweise in Form eines sogenannten Prepregs, verwendet werden, wie in Fig. 1 für eine auf die Metallschicht 4 der unteren Seite 13 der Platte 1 aufzuklebende Leiterplatte 7 dargestellt ist. Vorzugsweise wird ein sogenanntes no-flow-Prepreg verwendet, um zu verhindern, daß die Aussporrungen 2 durch das Imprägniermittel des Prepegs ausgefüllt wird oder dieses auch nicht teilweise in diese hineinfließt.

Die Platte 1 kann auch mit der Metallschicht 4 der unteren Seite 13 auf einem Kühlkörper aufgelötet oder mit einem gut wärmeleitenden Kleber aufgeklebt sein, wodurch eine zusätzliche intensive Kühlung einer mit nur auf einer Seite mit wenigstens einer Leiterplatte 7 versehenen Platte 1 erreicht wird.

Die Platte 1 besteht aus einem durch Preß- oder Spritzgußtechnik oder durch Extrudieren hergestellten Formkörper aus einem thermisch ausreichend hoch belastbaren Thermoplast oder Duroplast, z. B. aus Polyätherimid, Polyäthersulfon, Polycarbonat etc. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der für die Platte 1 verwendete Kunststoff mit gut wärmeleitfähigen Partikeln versetzt oder diese im Kunststoff dispergiert sein. Als solche Partikel sind z. B. Metalle wie Kupfer und Aluminium, in Kugel- oder Plättchenform, Metallfasern oder auch Graphit verwendbar.

Vorteilhaft können als elektrisch nicht leitfähige, jedoch gut wärmeleitfähige Partikel Metalloxide verwendet werden. Besonders geeignet ist Aluminiumoxid und/oder Berylliumoxid, da diese eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Die erfindungsgemäße Leiterplatte mit Kühlvorrichtung kann auch eine oder mehrere Durchmetallisierungen aufweisen, d. h. elektrisch leitende Verbindungen zwischen Leiterbahnen 9 einer Leiterplatte 7 mit der Metallschicht 4 oder aber mit Leiterbahnen 9 einer auf der gegenüberliegenden Seite der Platte 1 vorgesehenen Leiterplatte 7. In letzterem Fall darf in der Regel keine elektrische Verbindung der Durchkontaktierung mit der Metallschicht 4 erfolgen. Die letztere Ausführung ist nachfolgend in einzelnen Prozeßstufen anhand der Fig. 2 bis 5 dargestellt.

In Fig. 2 ist die Platte 1 auf beiden Seiten 3 und 13 mit Aussparungen 2 in Form von rechteckigen, zur Seite 3 bzw. 13 hin offenen Rillen oder Nuten versehen. Vorteilhaft sind die auf einander gegenüberliegenden Seiten 3, 13 vorgesehenen Aussparungen 2 seitlich gegeneinander versetzt angeordnet. Außerdem besitzt die Platte 1 wenigstens eine Durchkontaktierungsöffung 14, die ebenfalls, wie die gesamte übrige Oberfläche der Platte 1, mit der Metallschicht 4 beschichtet ist.

In einem anschließenden Prozeß wird die Metallschicht 4 zumindest in einer Randzone 15 der oberen Seite 3 und ggf. auch einer Randzone 16 der unteren Seite 13 der Platte 1 und vorzugsweise auch an der Wand 17 der Durchkontaktierungsöffnung 14 mechanisch, z. B. durch einen Bohr- oder Fräs- oder Schleifvorgang, oder chemisch abgetragen. Diesen Zustand zeigt die Fig. 3. Das chemische Abtragen erfolgt zweckmäßig so, daß die metallisierte Platte 1 mit einem Photolack beschichtet, getrocknet, an den notwendigen Stellen belichtet und anschließend der nicht belichtete Bereich der Photolackschicht abgelöst wird. Die verbleibende Photolackschicht bildet dann eine Maske für die nicht zu entfernende Metallschicht 4. Die frei liegende Metallschicht 4 wird anschließend weggeätzt (Fig. 3).

Anschließend wird auf beide Seiten 3, 13 der Platte 1 je ein Substrat 6 mittels einer Klebschicht 5 oder einer Klebefolie 12 aufgeklebt und die Substrate 6 unter Zufuhr von Wärme in einer Vorrichtung mit zwei Druckplatten aufgepreßt und der Klebstoff gehärtet. An der Stelle der Durchkontaktierungsöffnung 14 sind die Substrate 6 mit angepaßten Öffnungen 18 versehen. Die Randzonen 15, 16 werden ganz von der Klebschicht 5 ausgefüllt, so daß eine vollkommene Dichtung von der Durchkontaktierungsöffnung 14 zu der Metallisierung 4 erreicht wird. Diese Fertigungsstufe ist in Fig. 4 dargestellt. Zugleich ist in der Fig. 4 eine mögliche unterschiedliche Ausbildung der Klebschicht 5 dargestellt. Die obere Klebschicht 5 ist dabei mit Ausnahme der Öffnung 18 durchgehend, wie auch in Fig. 1 gezeigt. Die untere Klebschicht 5 ist jedoch an allen Aussparungen 2 unterbrochen. Dies kann durch gezieltes Auftragen der Klebschicht 5 z. B. auf die Platte 1, oder durch eine entsprechend gelochte Klebefolie 12 erreicht werden.

In einem anschließenden Verfahrensabschnitt werden die Oberflächen 8 der Substrate 6 und der Durchkontaktierung 19 mit Leiterbahnen 9 bzw. der Durchmetallisierung 20 versehen. Hierfür stehen die zur Herstellung gedruckter Schaltungen üblichen Verfahren zur Verfügung. Die so hergestellte Leiterplatte mit Kühlvorrichtung und Durchkontaktierung 19 ist in Fig. 5 dargestellt.

In Fig. 6 ist eine Platte 1 aus einem Thermoplast oder Duroplast dargestellt, deren Aussparungen 2 in Form von V-förmigen Rillen oder Nuten ausgebildet sind.

Die Fig. 7 zeigt eine aus zwei Schichtkörpern 1.1 und 1.2 bestehende Platte 1. Jeder Schichtkörper 1.1, 1.2 besitzt auf einer Seite z. B. im Querschnitt halbkreisförmige Aussparungen 2 in Rillen-, Schleifen- oder Mäanderform und wird mit einer Metallschicht versehen. Die beiden Schichtkörper 1.1 und 1.2 sind miteinander verklebt, verschweißt oder verlötet, wobei die entsprechend symmetrisch oder spiegelbildlich seitenverkehrt angeordneten Aussparungen 2 der Schichtkörper 1.1 und 1.2 einander derart gegenüberstehen, daß jeweils eine kreisförmige Aussparung entsteht.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Leiterplatte mit Kühlvorrichtung ist nachfolgend anhand eines in der Fig. 8 dargestellten Verfahrens-Schemas beschrieben:

In der ersten Verfahrensstufe A wird die Platte 1 aus einem Thermoplast oder Duroplast einschließlich der notwendigen Aussparungen 2 und eventueller Durchkontaktierungsöffnungen 14 hergestellt. In einer zweiten Verfahrensstufe B wird die Platte 1 chemisch und/oder galvanisch mit der Metallschicht 4 beschichtet. Anschließend können sofort in einem Verfahrenschritt D vorgefertigte Leiterplatten 7 aufgeklebt und anschließend in einer Verfahrensstufe K mit elektrischen oder elektronischen oder elektromechanischen Bauelementen bestückt werden. Falls hierbei Durchführungen durch die Leiterplatten 7 und die Platte 1 erforderlich sind, werden diese durch Bohren oder Fräsen hergestellt und die Bohrungen durch ein Isolierrohr oder einen Isolierlack gegenüber einem durchgesteckten Leiter isoliert.

Sind die Durchführungen bereits in der Platte 1 vorhanden, bevor die Metallisierung im Verfahrensschritt B durchgeführt wird, so kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt C die Metallisierung der Durchführung einschließlich etwaiger Randzonen 15, 16, mechanisch entfernt und anschließend die Prozeßschritte D und K durchgeführt werden.

Wenn keine vorgefertigten Leiterplatten 7 verwendet werden, kann anschließend an die Verfahrensstufe B oder C in einer Verfahrensstufe H ein Substrat 6 auf einer oder beiden Seiten der metallisierten Platte aufgeklebt und dann in einer Verfahrensstufe I die Leiterbahnen 9 auf diesen nach bekannten Verfahren, z. B. der Sub-traktiv- oder Semi-Additiv-Technik, aufgebracht und anschließend der Verfahrensschritt K durchgeführt werden.

Bei der Herstellung von Einheiten mit Durchkontaktierungen 19 werden die mit Aussparungen 2 und Durchkontaktierungsöffnungen 14 versehenen metallisierten Platten 1 nach der Verfahrensstufe B in einer Verfahrensstufe E mit einem photosensitiven Material, z. B. einem Photolack, beschichtet und anschließend in der Verfahrensstufe F belichtet und eine Ätzmaske hergestellt. In der anschließenden Verfahrensstufe G werden die Metallschichten in den Durchkontaktierungsöffnungen 14 und den Randzonen 15, 16 durch Ätzen entfernt und dann die Photoresistmaske chemisch, z. B. mit einem geeigneten Lösungsmittel, entfernt.

Anschließend kann der Verfahrensschritt D durchgeführt und fertige Leiterplatten 7 aufgeklebt werden. Stattdessen kann jedoch auch in der Verfahrensstufe H ein- oder beidseitig ein Substrat 6 aufgebracht und danach in der Verfahrensstufe I die Herstellung der Leiterbahnen 9 und der Durchmetallisierungen 20 und anschließend die Bestückung im Verfahrensschritt K erfolgen.

Wie ersichtlich, sind bei den Herstellungsprozessen praktisch nur solche Verfahrensschritte erforderlich, wie sie bei der Herstellung von Leiterplatten üblich sind. Es sind daher keine zusätzlichen Maßnahmen oder Investitionen für spezielle Vorrichtungen oder Verfahrensmaßnahmen erforderlich und es werden Leiterplatten mit einer Kühlvorrichtung erhalten, die eine gute Wärmeabfuhr gewährleisten und wesentlich leichter sind als Leiterplatten mit einer Kühlvorrichtung aus massivem Metall.

Es ist zu erwähnen, daß die Linienführung der Aussparungen 2 beim Extrudieren der Platte 1 aus geraden, parallel zueinander verlaufenden Rillen oder Nuten bestehen. Bei Anwendung eines Preß- oder Spritzgußverfahrens können auch andere Linienführungen, z. B. in Form von Ringen oder Schleifen oder Mäander etc. hergestellt werden.

Claims (15)

1. Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung, bestehend aus wenigstens einer aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Platte mit Kühlkanäle bildenden Aussparungen, auf die ein- oder beidseitig eine Leiterplatte aufgeklebt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche der Platte (1) einschließlich der Aussparungen (2) mit einer festhaftenden Metallschicht (4) beschichtet ist.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (4) aus chemisch abgeschiedenem Metall besteht.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (4) aus Kupfer besteht.

4. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) aus einem mit gut wärmeleitfähigen Partikeln versetzten Kunststoff besteht.

5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) aus einem Thermoplast oder Duroplast besteht.

6. Leiterplatte nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitfähigen Partikel aus Metall bestehen.

7. Leiterplatte nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Partikel aus einem elektrisch nicht leitenden Material, nämlich aus wenigstens einem Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid und/oder Berylliumoxid, bestehen.

8. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Durchkontaktierungen (19) aufweist, wobei die Metallschicht (4) der Platte (1) um die Durchkontaktierungsöffnung(en) (14) herum abgetragen, insbesondere weggeätzt ist, die freie Randzone (15, 16) der Platte (1) mit der angrenzenden Leiterplatte (7) dicht verklebt ist, und die Durchmetallisierungsöffnungen (14) und in der Leiterplatte (7) an den zugeordneten Stellen vorgesehene, angepaßte Öffnungen (18) in üblicher Weise mit einer Durchmetallisierung (20) versehen sind.

9. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) auf beiden planen Flächen (3, 13) rillen- oder nutenförmige Aussparungen (2) aufweist.

10. Leiterplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einander gegenüberliegenden Flächen (3, 13) vorgesehenen Aussparungen (2) seitlich gegeneinander versetzt angeordnet sind.

11. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) aus wenigstens zwei plattenförmigen, miteinander verklebten Schichtkörpern (1.1, 1.2) besteht, von denen wenigstens einer Kühlkanäle bildende Aussparungen (2) aufweist und mit der Metallschicht (4) beschichtet ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus isolierendem Material bestehende Platte (1) mit Kühlkanäle bildenden Aussparungen (2) sowie gegebenenfalls mit Durchkontaktierungen (19) bildenden, die Platte (1) senkrecht durchsetzenden Durchbrechungen (14) allseitig mit einer Metallschicht (4) beschichtet wird, daß gegebenenfalls anschließend die Metallschicht (4) zumindest in einer Randzone (15, 16) um die Durchbrechungen (14) herum entfernt wird, und daß hierauf auf eine oder beide Seiten (3, 13) der Platte (1) eine Leiterplatte (7) unter Verwendung einer nichtfließenden Klebschicht (5) oder Klebefolie (12) und unter Anwendung von zwischen zwei Druckplatten erzeugtem Druck aufgeklebt und die Klebschicht (5) bzw. die Klebefolie (12) unter erhöhter Temperatur und Aufrechterhaltung des Druckes ausgehärtet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere der mit einer Metallschicht (4) beschichteten Platten (1) verwendet und vor oder gleichzeitig mit dem Aufkleben der Leiterplatte(n) (7) verklebt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebschicht(en) (5) eine Klebefolie (12) verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aus isolierendem Material bestehende(n) Platte(n) (1) durch Spritzgießen oder Extrusion eines Thermo- oder Duroplastes hergestellt werden und zumindest die Aussparungen (2) für die Kühlkanäle beim Formprozeß mit eingeformt werden.