SE529673C2 - Kretsarrangemang för kylning av ytmonterade halvledare - Google Patents

Description

25 30 529 675 -2_ till andra sidan av kretskortet och sedan vidare till den termiskt ledande elektriska isolatorn och kylaren. Emellertid har den här lösningen nackdelen av att värmetransport genom viahàlen är begränsad av den därav begränsade nætalltvär- snittsarean. Dessutom kan den här lösningen resultera i ojämna ytor, vilket försämrar värmeledningsförmàgan och där- igenom den slutliga kyleffektiviteten.

US-patentansökan US2002/0109220 beskriver ytmonterade effekt- halvledare i form av transistorer som kyls genom placeringen av en kylare i form av en montageplàt mellan effekt- halvledaren och lödytan på kretskortet. Emellertid har den ovannämnda ytmonterade transistorn och kylaren följande problem: Dä kylaren fixeras direkt mot kretskortet begränsas kyleffektiviteten pà grund av mekaniska layoutskäl och därför måste effekthalvledarnas strömkapacitet minskas på grund av den begränsade kylförmàgan.

US-patent 5,459,640 beskriver ett annat sätt där en avbrytbar del av ett kretskort är belägen under en effektmodul. Efter lödnimg av effektmodulen tas denna avbrytbara del bort och effektmodulen försätts i direktkontakt~ med kylaren.

Emellertid har monteringsapparaturen och -metoden för den ovannämnda elektriska effektmodulen följande problem. Den avbrytbara delen näste tas bort vilket är komplicerat att göra i Dessutom tillhandahålls ingen elektrisk isolering' mellan effektmodulen och. monte- ringskonstruktionen, en automatiserad process. där kylaren själv mekaniskt gär igenom det tryckta kretskortet och, kläms fast mot effektmodulens kylyta, så effektmodulen måste därför i sig själv tillhanda- hälla den elektriska isoleringen. Detta är en stor nackdel om diskreta SMD-effekthalvledare ska användas eftersom de i naturligt tillstànd inte är isolerade. Till exempel har To263 10 15 20 25 30 529 673 _3- sin kylyta fungerande som en av de tre elektriska anslutningar sonx behöver anslutas till det tryckta krets- i de flesta fall, kortet och som. samtidigt, även måste isoleras elektriskt Den beskrivna från kylarpotentialen. metoden är också svår att helt automatisera på grund av den avbrytbara delen. Därutöver beskriver nætoden effektmoduler monterade i genomgående hål.

Sammanfattning av uppfinningen Ett tillhandahålla ett kompakt kretsarrangemang med ett kretskort, en halvledare och ändamål med uppfinningen är att en kylare, vilket innefattar en väg med låg termisk resistans från en värmeavledande halvledare som år anordnad på en första sida av ett kretskort till en kylare som är anordnad på en andra sida av kretskortet. Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett fysiskt avstånd mellan kretskortet och den värmeledande elektriska isolatorn/monte- ringskonstruktionen.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen år att tillhanda- hålla en metod för att sätta ihop ett sådant kretsarrangemang som är helautomatiserad och standard för tillverkning av yt- monterade kretskort.

Uppfinningen baseras på insikten att ett värmeledande element kan tillhandahållas i ett stort genomgående hål i krets- kortet, vilket tillhandahåller en väg med lågt termiskt mot- stånd för avledd värme och som inte desto mindre gör det möjligt att använda en automatiserad monteringsprocess. Detta element kommer också att fungera som 'värmespridare mellan halvledaren och kylaren. 16 15 20 25 30 529 673 _4..

I enlighet med en första aspekt av uppfinningen tillhanda- hålls ett kretsarrangemang som definieras i det bifogade patentkravet 1. I enlighet med en andra aspekt av upp- finningen tillhandahålls en. metod för att sätta ihop ett kretsarrangemang som definieras i det bifogade patentkravet ll.

Ytterligare föredragna utföringsformer definieras av de beroende patentkraven.

Således tillhandahålls ett kretsarrangemang, varvid till- handahållandet av en väg med lågt termiskt motstånd genom kretskortet medelst värmeledande element ger ett kompakt arrangemang väl ägnat för hopsâttning med hjälp av en automa- tiserad monteringsprocess.

I en speciellt föredragen. utföringsform tillhandahålls de värmeledande elementen i form av pluggar insatta ovanifrån i hål i kretskortet.

Ytterligare ändamål och fördelar med uppfinningen kommer att framträda från följande specifikation i vilken föredragna ut- föringsformer av uppfinningen beskrivs i detalj med hänvis- ning till de åtföljande ritningarna.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att, som exempel, beskrivas med hän- visning till de åtföljande ritningarna, i vilka: Fig. 1 visar en vy ovanifrån av ett hopsatt kretskort försett med halvledare i enlighet med uppfinningen där värmeledande pluggar är insatta ovanifrån. 10 15 20 25 30 AFig. 529 673 _5_ Fig. 2 visar i större skala en sektion av det hopsatta kretskortet i Fig. 1. 3 visar i Fig. större skala en sektion av det hopsatta kretskortet i Fig. 1. 4 visar i större skala en sektion av det hopsatta kretskortet i Fig. 2..

Fig. 5 visar en vy ovanifrån av ett hopsatt kretskort försett med halvledare i enlighet med uppfinningen där vàrmeledande pluggar är insatta underifrån. 6 visar i större skala en sektion av det hopsatta kretskortet i Fig. 5.

Fig.

Fig. 7 visar i* större skala en sektion av det hopsatta kretskortet i Fig. 6.

Fig. 8 visar en hopsatt enhet innefattande en fast- klämningsstàng.- Fig. 9 -visar i större skala en sektion av det hopsatta kretskortet i Fig. 8.* Fig. 10 visar en alternativ utföringsform varvid flera värmeledande pluggar ersatts med en enda värmeledande stång.

Fig. 11 visar en sektion av utföringsformen i Fig. 10.

Fig. 12 visar en styrenhet och en motor för användning med ett kretsarrangemang i enlighet med uppfinningen. 10 15 20 25 30 529 673 -5..

Detaljerad beskrivning av uppfinninggg I det följande kommer en detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning att ges.

Kretsarrangemanget som illustreras i Fig. 1-4 är som helhet betecknat med 1 och innefattar ett kretskort 10, vilket är försett -med ett flertal komponenter 11, såsom logiska komponenter anslutna till kopparfolier på kretskortet. Krets- kortet kan vara av vilken lämplig typ som helst, såsom svår- antändliga kort kända som tryckta FR4-kretskort. Detta kort har utmärkta brandhindrande egenskaper men dåliga värme- ledningsegenskaper, vilket gör det viktigare med ett speciellt kylningsarrangemang för monterade komponenter.

Flera effekthalvledare 12, t.ex. i form av D2-kapslar, även kända sonx To263-kapslar, med en. kylyta av' metall och två anslutningsben,A varvid kylytan fungerar som en tredje elektrisk anslutning, är monterade ovanpå varsin av ett mot- svarande antal värmeledande pluggar 13, vilka är anordnade i varsitt genomgående hål i kretskortet 10. Pluggarna 13 består av ett material med bra värmeledande egenskaper, såsom koppar eller aluminium eller legeringar därav. En liten fals eller fläns l3a är anordnad på pluggarna, se Fig. 3, för att hålla pluggen på plats i hålet. flänsen väsentligen i nivå med ytan som står i kontakt med Genom att hålla undersidan av effekthalvledaren blir arrangemanget okänsligt för tjockleks- variationer hos kretskortet så länge som pluggen når till undersidan av kretskortet.

Som illustreras in Fig. 1-4 maximeras värmeöverföringen om de värmeledande pluggarna 13 placeras i termisk kontakt med effekthalvledarna 12, och i den föredragna utföringsformen direkt under motsvarande effekthalvledare 12. Mest föredraget är om hela halvledarnas kylytor står i termisk kontakt med de värmeledande pluggarna. 10 15 20 25 30 r 1529 675 -7- Pluggarna 13 i den första utföringsformen är formade för in- sättning frán ovansidan av kretskortet 10 och in i ett över- ensstämmande genomgående häl. Fig. 2 och 3 visar förstorade tvärsnitt där pluggen 13 har satts i ovanifràn. Genom att montera pluggarna pà samma sida som andra ytmonterade kompo- nenter möjliggörs ytmontering på endast en sida.

De värmeledande pluggarna 13 kan ha olika former, såsom elliptiska eller rektangulära. Delen som sträcker sig genom kretskortet kan ha en annorlunda form än resten av pluggen för att åstadkomma en värmeavledande funktion genom ökning av tvärsnittsarean.

En värmeledande elektrisk isolator 14 är anordnad under varje plugg 13 och mellan pluggarna och en kylare 15, vilken kan vara en integrerad del av konstruktionen som bär upp enheten.

Den värmeledande elektriska isolatorn 14 och kylaren 15 visas i större detalj i Fig.4. En isolator kan vara gemensam för flera pluggar 13. Det kommer också att inses att isolatorn 14 kan utelämnas då elektrisk isolering nællan halvledaren 12 och kylaren 15 inte krävs.

En metod för hopsättning av det ovan beskrivna krets- arrangemanget kommer nu att beskrivas.

Först appliceras lödpasta pà kretskortet 10 med någon lämplig metod, såsom screening eller dispensering. Sedan sätts de värmeledande pluggarna 13 in ovanifràn i varsitt hål 10a i kretskortet 10. Denna Visättning _kan åstadkommas manuellt eller med en automatiserad process.

Effekthalvledarna 12 ytmonteras pà kretskortet 10 och de värmeledande pluggarna 13 genom lödning eller limning med ett 10 15 20 25 30 529 673 _3- termiskt och elektriskt ledande lim för att få en effektiv värmeöverföring _fràn effekthalvledaren 12 till den. värme- ledande pluggen 13. 2 De värmeledande pluggarna 13 löds företrädesvis fast på kretskortet 10 samtidigt som effekthalvledarna 12 löds och de kan därigenom fungera som elektrisk förbindelse till krets- kortet. För att få en helautomatiserad kretskortshopsättning där de värmeledande pluggarna 13 monteras i samma monte- ringsmaskin som effekthalvledarna 12 kan förformat lod 17, d.v.s. en tunn metallplàt av lod, placeras ovanpå de värme- ledande pluggarnav sonx visas i Fig. 4. Detta. görs för' att underlätta fastlödningen av effekthalvledarna mot de värme- ledande pluggarna under lödningen av det hopsatta krets- kortet. På de andra lödytorna på kretskortet 10 appliceras lodmaterialet med den normala metoden såsom screening av löd- pasta pà lödytorna.

Effekthalvledarna 12 och de värmeledande pluggarna 13 löds fast mot lödytorna pä kretskortet 10. Monteringen av pluggar 13 sàväl som uwnteringen av halvledare 12 kan utföras med hjälp av beprövade, automatiserade ytmonteringstekniker, sä- som användning av "pick & place"-maskiner. Alternativt kan de värmeledande pluggarna 13 förankras till kretskortet 10 med termiskt och/eller elektriskt ledande lim eller genom press- passning.

I Fig. 5-7 visas en alternativ utföringsform av ett krets- arrangemang 1' i I denna ut- enlighet med uppfinningen. föringsform arrangeras värmeledande pluggar 13' för montering från baksidan av ett kretskort 10. Som 'visas i sticker det ut en fals eller fläns 13a' Fig. 6, fràn de värmeledande pluggarna vilken ligger an mot kretskortets undersida. Som i 10 15 20 25 30 529 673 _9_ första utföringsformen monteras ytmonterade effekthalvledare 12 ovanpà de värmeledande pluggarna 13' . De värmeledande pluggarna stàr i värmeöverförande kontakt med en värmeledande elektrisk isolator 14, 15. vilken är monterad ovanpå en kylare Det ses i» Fig. 6 att» den övre ytan av pluggen 13' befinner sig i jämnhöjd med kretskortets 10 övre yta. Detta kan uppnås med monteringsprocessen och den ovannämnda presspassningen.

Detta ger en jämn yta som underlättar halvledarnas yt- monteringsprocess.

Fig. '7 visar i förstoring en del av Fig. 6 som definieras av cirkeln "B". Här har termiskt fett 16 applicerats på bàda sidor av isolatorn 14 för att minska den termiska resistansen mellan den värmeledande pluggen 13' och kylaren 15.

En metod för hopsättning av den andra utföringsformen av kretsarrangemanget beskriven med hänvisning till Fig. 5-7 kommer nu att beskrivas.

Först sätts de värmeledande pluggarna 13' in underifrån i varsitt hål 10a i kretskortet 10.' Denna isättning kan åstad- kommas manuellt eller medelst en automatiserad process.

Pluggarna hålls företrädesvis på plats i hålen genom press- passning. Sedaniappliceras lödpasta på kretskortet 10 och den övre ytan av pluggarna 13' med någon lämplig metod, såsom screening eller dispensering. Efter det här steget anbringas komponenterna 11 och halvledarna 12 mot kretskortet 10 och löds eller limmas sedan fast pà det.

Fig. 8 och 9 visar ett arrangemang medelst vilket en bra termisk väg för avledningen av effektförlusterna i effekt- 10 15 20 25 30 529 675 _10_ halvledarna 12 uppnàs. Effekthalvledarna 12, kretskortet 10 och den värmeledande elektriska isolatorn 14 kläms till- sammans fast mot kylaren 15 med en fastklämningsstàng 21 och flera skruvförband. Vart och ett av dessa skruvförband inne- fattar en skruv 20 som sträcker sig genom eller vid sidan av kretskortet 10 såväl som genom eller vid sidan av den värme- ledande elektriska isolatorn 14. Skruven är förankrad till kylaren 15.. De värmeledande pluggarna 13 är placerade mellan effekthalvledarna 12 och den värmeledande elektriska isola- torn 14 så att klämkraften på effekthalvledarna överförs till den värmeledande elektriska isolatorn 14 varigenom det åstad- koms ett kontaktförsättande tryck. mellan effekthalvledarna 12, de värmeledande pluggarna 13, den värmeledande elektriska isolatorn 14 och kylaren 15.

Således kan skruvförbanden för hopklämning som visas i Fig. 8 och 9 ha en helt annorlunda utformning eller helt utelämnas.

Till exempel kan, i stället för att skruvarna 20 ska löpa koaxialt genom kretskortet 10, en eller flera skruvar användas vilka placeras i mitten av kretskortet 10 eller i ett mönster där de hopklâmmande krafterna på skruvarna 20 är jämnt fördelade mot de värmeledande pluggarna 13 och mot den värmeledande elektriska isoleringen 14.

En annan utföringsform av uppfinningen (visas ej) innefattar hopklämningsmedel i form av ett eller ifler fjäderelement verkande på effekthalvledarna 12 i ett eller fler lägen för att överföra den hopklämmande kraften till de värmeledande pluggarna 13. till monteringskonstruktionen 15 via ankarbultar genom kretskortet Fjädern eller fjädrarna kan kopplas 10 och den värmeledande elektriska isolatorn eller via en styrenhetskonstruktion som omger kretskortet 10. 10 15 20 25 30 »529 673 _11- Eftersom de värmeledande pluggarna 13 har en relativt stor kontaktyta mot den värmeledande elektriska isolatorn 14 är det kontaktförsättande trycket mellan den värmeledande elektriska isolatorn 14 ~och kylaren 15 fördelat över en relativt stor area. Detta betyder att förhållandena är bra för att uppnå en effektiv värmetransport från effekt- halvledarna 12, via. de värmeledande pluggarna 13, via den värmeledande elektriska isolatorn 14 till kylaren 15. För att ytterligare underlätta denna värmetransport kan termiskt fett 16, som visas i Fig. 7, appliceras mellan den värmeledande elektriska och isolatorn~ 14 monteringskonstruktionen och/eller de värmeledande pluggarna 13 och den värmeledande elektriska isolatorn 14.

Alternativt tillverkas de värmeledande pluggarna 13 med ett i förväg belagt termiskt ledande och elektriskt isolerande skikt direkt på ytan i riktning mot kylaren 15. Den separata värmeledande elektriska isolatorn 14 kan då utelämnas.

En värmeledande plugg har visats för varje halvledare. I en. alternativ utföringsform som visas i Fig. 10 och 11 används en gemensam värmeledande stäng för att överföra värme från flera halvledare 12. Stángen är försedd med en mångfald ut- språng 23a med en form avsedd för insättning underifrån det trycka kretskortet 10. Den här lösningen underlättar hopsätt- ning av kretsarrangemanget i det att flera pluggar ersätts med endast en stång och är speciellt lämplig då de kontakt- försatta ytorna hos halvledarna ligger pà samma spännings- nivå. Det kan finnas fler än en sådan stång.

Genom att tillverka de värmeledande pluggarna 13 av ett elektriskt ledande material, sonx koppar eller någon annan passande metall, kan de även användas som elektriska förf 10 15 20 25 30 529 673 _12- bindelseledningar. Fig. 12 visar en skiss av en tillämpning där uppfinningen används ii en elektrisk styrenhet 30 som reglerar en motor 34. Pluggarna kan användas för att förbinda bussens DC-plusspänning 31, bussens DC-minusspänning 32 eller fasutgàngarnas spänningar 33 till grupper av effekthalvledare 12. Detta är- speciellt en fördel då effekthalvledare 12 verkar parallellt för att uppnå hög strömkapacitet. Med den här konfigurationen kan stången 23, beskriven med hänvisning till Fig. 8-10, med fördel användas.

Uppfinningen kan allmänt tillämpas för* tillämpningar där effekthalvledare används.

Bland annat kan uppfinningen tillämpas för: 1) Elektrisk styrenhet för -reglering av' DC- och/eller' AC- IIIOCOI' . 2) Strömförsörjningsaggregat, både AC till DC, DC till DC, DC till AC och AC till AC.

Föredragna utföringsformer av ett kretsarrangemang i enlighet med 'uppfinningen och. metoder för att sätta ihop det har beskrivits. En fackman inom teknikomràdet förstår att dessa skulle kunna varieras inom omfånget av de bifogade patent- kraven.

I de beskrivna utföringsformerna av uppfinningen är krets- kortet försett med flera logiska komponenter, men kan i en alternativ utföringsform utgöras av ett kort med endast effekthalvledare. Därtill skulle andra värmealstrande kompo- nenter än de beskrivna halvledarna 12 kunna användas med det uppfunna kretsarrangemanget, såsom shuntresistorer etc. 529 673 _13- Den uppfunna metoden är särskilt lämpad för ytmontering. Det kommer att uppskattas att den även kan användas med andra pmonteringsmetoder, såsom manuell lödning av komponenter.

Claims (16)

10 15 20 25 30 529 673 _14- PATENTKRHV

1. Kretsarrangemang innefattande: ett kretskort (10), en halvledare (12) anordnad pà en första sida av kretskortet, en kylare (15) anordnad på en andra sida av kretskortet mot- satt den första sidan och i värmeöverförande kontakt med effekthalvledaren, kånnetecknat av ett värmeledande element (l3; 13'; 23) anordnat i ett genomgående hål (l0a) i kretskortet, varvid det värmeledande elementet är' placerat i vàrmeöverförande kontakt med, både halvledaren och kylaren för transport av värme som alstras av halvledaren till kylaren, varvid det värmeledande elementet (l3; 13'; 23) innefattar en (13a; 13a') som håller det värmeledande elementet pà plats i hålet (l0a) och flàns varvid flânsen (13a) sticker ut på första sidan av krets- kortet (10).

2. Kretsarrangemang i enlighet med patentkrav l, varvid den. övre ytan av det värmeledande elementet (l3')y befinner sig i jämnhöjd med kretskortets (10) övre yta.

3. Kretsarrangemang i enlighet med patentkrav 1 eller 2, innefattande en värmeledande elektrisk isolator (14) 10 15 20 25 30 i 529 675 _15- mellan det vàrmeledande elementet (l3'; (15). l3'; 23) och kylaren

4. Kretsarrangemang i enlighet med något av patent- kraven 1-3, innefattande ett flertal halvledande element (12) och ett värmeledande element (23) i värmeöverförande kontakt med nämnda flertal halvledare.

5. Kretsarrangemang i enlighet med något av patent- kraven 1-4, varvid halvledaren (12) är lödd med lod eller är limmad med ett termiskt ledande linx mot det vârmeledande elementet (13; l3'; 23).

6. Kretsarrangemang i enlighet med något av patent- l3'; 23) utnyttjas som elektrisk förbindelse till halvledaren (12). kraven 1-5, varvid det vårmeledande elementet (l3';

7. Kretsarrangemang i enlighet med något av patent- kraven 1-6, innefattande en fastklämningsstàng (21) pà första (10) företrädesvis med ett skruvförband, sidan av kretskortet (15), och som är förbunden med kylaren så att en. hop- (12). ledande elementet (13; l3'; 23) och kylaren (15). klämmande kraft appliceras på halvledaren det värme-

8. Kretsarrangemang' i enlighet med något av' patent- l3'; 23) är tillverkat av ett material valt fràn gruppen innefattande kraven 1-7, varvid det vârmeledande elementet (13'; koppar och aluminium och legeringar därav.

9. Kretsarrangemang i enlighet med något av' patent- kraven 1-8, varvid halvledaren (12) är i form av en To263- kapsel. 10 15 20 25 30 i 529 675 _16-

10. Kretsarrangemang i enlighet med nàgot av' patent- kraven 1-9, 'varvidv kretskortet (10) är ett svàrantändligt kort, såsom ett FR4-kort.

11. Metod för hopsättning av ett kretsarrangemang næd ett kretskort (10), (12) där metoden innefattar följande steg: en halvledare och en kylare (15), - att man anordnar ett genomgående hål (l0a) i kretskortet, - att man anordnar ett värmeledande element (13; 13'; 23) i det genomgående hålet, - att man anordnar halvledaren i värmeöverförande kontakt med det värmeledande elementet pà en första sida av kretskortet, ~ att man ansluter halvledaren elektriskt till kretskortet och - att man försätter kylaren (15) i värmeledande kontakt med det värmeledande elementet på en andra sida av kretskortet, - varvid steget av att man anordnar ett värmeledande element (13; 13'; 23) innefattar att man positionerar det värmeledande elementet medelst en fläns (l3a; 13a') och - varvid det värmeledande elementet (13) anordnas i. hålet (10a) från den första sidan av kretskortet (10).

12. Metod i enlighet med patentkrav 11, varvid steget att man anordnar halvledaren innefattar att man placerar för- format lod (17) pà det värmeledande elementet (13). 10 15 i 529 673 _17...

13. Metod i enlighet med något av patentkraven 11 och 12, varvid steget av att man anordnar ett värmeledande element (13; 13'; 23) innefattar positionering av det värmeledande elementet genom presspassning.

14. Metod i enlighet med något av patentkraven 11-13, varvid steget av att man förbinder halvledaren med krets- kortet innefattar att man löder med lod eller limmar med elektriskt ledande l im .

15. Metod i enlighet med något av patentkraven 11-14, innefattande det extra steget av att man applicerar lod- material medelst screening eller deponering.

16. Metod i enlighet med något av patentkraven 11-15, innefattande det extra steget av att man anordnar en värme- ledande (14) elementet (13'; 13'; 23) och kylaren (15). elektrisk isolator mellan det värmeledande