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Dokumentenidentifikation DE102005049872A1 26.04.2007
Titel IC-Bauelement mit Kühlanordnung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Janisch, Christian, 93133 Burglengenfeld, DE;
Smirra, Karl, 83512 Wasserburg, DE
DE-Anmeldedatum 18.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005049872
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/36(2006.01)A, F, I, 20051018, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05K 7/20(2006.01)A, L, I, 20051018, B, H, DE   F28D 21/00(2006.01)A, L, I, 20051018, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1), die in Form eines Kühlkörper (7) aufweisenden Elektronikgehäuses ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist das IC-Bauelement (2) direkt an den Kühlkörper (7) im Elektronikgehäuse angeordnet.
Die vorliegende Erfindung schafft erstmals vorteilhaft eine Kühlanordnung (1) für IC-Bauelemente (2), die eine effiziente und direkte Kühlung des IC-Bauelements (2) sowie eine einfache Montage ermöglicht, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Sie eignet sich insbesondere für Anwendungen in Elektronikgehäusen im Automobilbereich.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein IC-Bauelement mit Kühlanordnung, die in Form eines Kühlkörper aufweisenden Elektronikgehäuses ausgebildet ist, insbesondere für den Automobilbereich.

Ein IC-Baustein, also ein elektronischer Schaltungsträger, welcher keinen integrierten Kühlkörper aufweist, wird aufgrund der Anforderungen bei extremen Betriebszuständen einer für ihn nicht spezifizierten und unzulässigen Erwärmung ausgesetzt. Die unzulässige Erwärmung wird durch die Umgebungsbedingungen, also z. B. durch den Einbauort und durch die Eigenerwärmung seiner eigenen Verlustleistung erreicht. Die Zeitspanne, in der die Temperaturerhöhung am IC-Baustein anliegt, ist normalerweise im Minutenbereich. Aus diesem Grund wird eine Lösung gesucht, die für diesen kurzen Zeitraum die interne Wärme vom elektronischen Schaltungsträger wegleitet bzw. die externe Wärme abhält. Die Ursache dafür, dass die Wärme mit zusätzlichem Aufwand weggeleitet werden muss, liegt darin, dass der IC-Baustein von Epoxidharz mit Glasfaser und Luft umgeben ist und alle genannten Komponenten schlechte Wärmeleiter sind. Auch wenn zwischen Gehäuse und Leiterplatte Wärmeleitpaste, Wärmeleitfolie oder ähnliches zur Luftverdrängung aufgebracht wird, hat die Leiterplatte selbst isolierende Wirkung und transportiert die Wärme nur sehr schlecht weiter. Der Wärmefluss in die Breite, also in X- und Y-Richtung unterhalb des Schaltungsträgers ist sogar noch schlechter als durch die Leiterplatte selbst (Z-Richtung).

Es werden zur Zeit verschiedene Lösungswege beschritten, die Überhitzung des elektronischen Schaltungsträgers abzuwenden.

Eine einfache, noch kostengünstige, aber hinsichtlich der Wärmeleitung nicht sehr leistungsfähige Lösung sind Kupferröhrchen (Heatsinkvias). Diese Kupferröhrchen sind unter dem IC-Baustein durch die Leiterplatte positioniert und leiten bis zu einem gewissen Grad die Wärme vom IC-Baustein-Boden auf die Unterseite der Leiterplatte weiter. Von hier wird die Wärmeenergie mittels Wärmeleitpaste, Wärmeleitfolie oder anderen Luftspaltschließern an das Gehäuse abgegeben. Mittels durch Siebdruck aufgebrachter Lotpaste werden beim Lötprozess der IC-Kühlkörper mit der Leiterplatte und den Kupferröhrchen thermisch gut verbunden. Dieses Konzept bietet auf einfache Weise und ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand die Möglichkeit bis zu einem gewissen Grad in geringem Umfang die auftretenden Temperaturspitzen bzw. Übertemperaturen abzufedern.

Eine aufwendigere Möglichkeit ist der Einsatz von Metallkernen in der Leiterplatte im Bereich des elektronischen Schaltungsträgers. Der Metallkern wird in den meisten Fällen aus einem leiterplattendicken Kupferblech gestanzt. Zudem wird in der Leiterplatte eine Aussparung in Form des Metallkerns eingebracht. Der Metallkern wird mittels Presssitz vom Leiterplattenhersteller flächengleich (bündig) in die Leiterplatte eingebettet. Durch diese große Kupfermasse kann relativ schnell viel Wärme durch die Leiterplattendicke vom IC-Baustein über die Wärmeleitpaste bzw. Wärmeleitfolie zum Gehäuse wegtransportiert werden. Das Gehäuse hat idealerweise gute Wärmeleiteigenschaften und ist mit Kühlrippen ausgestattet. Die Basis dieser Metallinlay-Lösung besteht darin, dass der IC-Baustein über seinen integrierten Kühlkörper mit der Leiterplatte verlötet wird. Dadurch erhält er eine ideale Anbindung zum Kupferkern, um die Wärme weiterzuleiten. Zwischen der Unterseite des Metallkerns und der Leiterplatte ist ein geringer Absatz. Ein größerer Absatz ist zwischen der Oberseite des Metallkerns und der Leiterplatte angeordnet. Der dadurch zwischen IC-Kühlkörper und Metallinlay entstehende Spalt wird durch die mittels Siebdruck aufgebrachte Lotpaste ausgeglichen. Beim Lötprozess entsteht dann die feste Verbindung.

Eine der konstruktiv sowie fertigungstechnisch und finanziell aufwendigsten Möglichkeiten, die Wärme über die IC-Bauteiloberseite abzuführen, besteht darin, elastischplastische, nicht komprimierbare Wärmeleitkissen (GAP-Pads) zu verwenden. Da dieses Kissen nur bis zu 25% verformt werden sollte und in diesem Fall mit einem Einbau- und Toleranzband des Einsatzortes mit ca. 1 mm gerechnet werden muss, wird es mit einer Dicke von ca. 4 mm ausgelegt. Dies wiederum erfordert, dass dieser Bauraum vorhanden ist und die entstehenden Kräfte beim Umformen des Wärmeleitkissens während der Montage von Leiterplatte und Deckel aufgenommen werden können, und die Leiterplatte nicht zu stark verspannt bzw. durchgebogen wird. Dies könnte sonst zur Zerstörung anderer elektronischer Bauteile, wie z. B. keramischer Kondensatoren führen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für IC-Bauelemente mit einem möglichst einfach durchzuführenden Montageprozess mit wenig Bauteilen zu schaffen, die eine effiziente, direkte Kühlung am IC-Bauelement ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildung, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Kühlanordnung für IC-Bauelemente, die in Form eines Kühlkörper (z. B. Kühlrippen, Kühldorne) aufweisenden Elektronikgehäuses ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das IC-Bauelement direkt an den Kühlkörper im Elektronikgehäuse angeordnet ist. Dazu wird die um den IC-Baustein befindliche Isolationsschicht aus Luft und Leiterplatte aufgebrochen, so dass der elektronische Schaltungsträger direkt an das wärmeleitende Gehäuse angebunden werden kann, welches vorteilhafter Weise aus Aluminium gefertigt ist. An der Position des IC-Bausteins wird die Leiterplatte innerhalb der IC-Beinchen-Anschlüsse vorzugsweise rund oder rechteckig ausgespart. Durch diese Öffnung wird das Elektronikgehäuse bis an den IC-Baustein mittels einer Erhebung herangeführt. Dabei ist vorgesehen, dass der Gehäusedom zu dieser Öffnungsbohrungswand ausreichend Luft hat, so dass keine Überbestimmung bei der Positionierung bzw. beim Einbau der Leiterplatte entsteht. Diese Bohrung in der Leiterplatte kann aber auch in geeigneten Fällen bei Bedarf als Zentriernullpunkt verwendet werden, indem man den Spalt zum Gehäusedom minimiert. Der für den Toleranzausgleich notwendige Spalt zwischen IC-Bauteil-Unterseite und der Gehäusedomspitze, wird im Endmontageprozess mit Wärmeleitpaste ausgefüllt, wodurch die isolierende Luft verdrängt wird. Dadurch ist das IC-Gehäuse direkt mit dem Elektronikgehäuse verbunden und die Wärme kann über die außerhalb des Elektronikraums angebrachten Kühlrippen an die Umgebung abgeführt werden.

Beim Montieren der Leiterplatte in das Gehäuse nehmen die IC-Bauteil-Beinchen die Kräfte auf, die durch das seitliche Verdrängen der auf der Gehäusedomspitze angehäuften Wärmeleitpaste entstehen. Um dies zu verhindern, kann die einwirkende Leiterplatten-Montagekraft mittels eines auf der IC-Bauteil-Oberseite aufsitzenden Montagestempels über das IC-Gehäuse auf die Wärmeleitpaste eingeleitet werden. Auf diesem Wege werden die einwirkenden Zugkräfte von den IC-Bauteil-Beinchen genommen. Des Weiteren können die der Leiterplattenmontagerichtung entgegen wirkenden Kräfte, welche durch die Verdrängung der Wärmeleitpaste entstehen, durch Optimierung der Gehäusedomspitze reduziert werden. Auch werden durch geeignete Profilierungsmaßnahmen der Gehäusedomspitze die Abstände zum IC-Baustein reduziert, wodurch die Wärmeleitung durch Vergrößerung der Oberfläche verbessert wird. Die Montagequalität wird bei diesem Design im Vergleich zum Stand der Technik durch die Reduzierung der Gesamttoleranzfeldgröße verbessert. Dies wird u. a. auch durch die geringere Anzahl von Toleranzen in der Toleranzkette erreicht.

Die erfindungsgemäße Kühlanordnung für IC-Bauelemente bietet den Vorteil einer verbesserten Wärmeleitung, die u. a. auch durch die optimierte Profilierung des Wärmeableitdoms durch Oberflächenerhöhung erreicht wird. Zudem kann Luft als Isolator durch die erfindungsgemäße Anordnung ausgeschlossen werden. Zwischen Wärmequelle und Kühlkörper kann die Komponentenanzahl dadurch reduziert werden, dass nur noch eine dünnflächige Wärmeleitpaste dazwischen angeordnet ist. Dadurch ist eine sehr effiziente und rasche Wärmeabfuhr möglich. Es kommt hinzu, dass durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung die Designeinschränkungen dadurch reduziert werden können, dass die relativ große IC-Bauteilhöhentoleranz bei der vorliegenden Kühlanordnung keinen Einfluss mehr hat. Hinsichtlich des Herstellungs- und Montageprozesses besteht der Vorteil, dass die Kosten durch die relativ einfache Handhabung der Kühlanordnung reduziert werden. So ist beim Leiterplattenhersteller die Fräsbearbeitung der Leiterplatte für die Erstellung der Außenkontur bzw. der Zentrier- und Ausrichtbohrungen bereits im Fertigungsprozess enthalten. Zudem ist bei der Endmontage die Aufbringung von Wärmeleitpaste zwischen Leiterplatte und Gehäuse auch bereits integriert bzw. vorhanden.

Es ist bevorzugt, wenn das Elektronikgehäuse aus einem wärmeleitenden Material, wie z. B. Aluminium gefertigt ist, so dass eine effiziente Wärmeabfuhr nach Außen erfolgen kann. Der Kühlkörper aus Aluminium weist unter der Berücksichtigung des finanziellen Aspekts im Vergleich z. B. mit Kunststoffgehäusen die besten Wärmeleiteigenschaften auf. Der Kühlkörper kann aber auch aus anderen Werkstoffen hergestellt werden. Auch ist es möglich, ihn durch spanende Bearbeitung aus dem vollen zu fräsen. Idealerweise sollte er jedoch aus einem Gießverfahren wie z. B. Aluminiumdruckguss oder Kunststoffspritzguss produziert werden.

Von Vorteil ist, wenn eine zwischen Elektronikgehäuse und IC-Baustein gelagerte Leiterplatte an der Position des IC-Bausteins eine Aussparung aufweist, so dass das IC-Bauelement in direktem und flächigen Kontakt mit dem Kühlkörper steht.

Es ist bevorzugt, dass das Elektronikgehäuse an der Position des IC-Bausteins einen Gehäusedom aufweist, der als Auflagefläche für den IC-Baustein dient. Dieser Gehäusedom ermöglicht die direkte Kontaktierung zwischen Kühlelement und IC-Baustein, ohne dass ein weiteres Bauelement, beispielsweise eine Halterung für den IC-Baustein dazwischen geschaltet werden muss.

Vorzugsweise ist das IC-Bauelement durch Wärmeleitpaste mit dem Gehäusedom verbunden, die aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit die Wärme vom IC-Baustein optimal abführt.

Von Vorteil ist auch, wenn der Gehäusedom eine Auflagefläche für den IC-Baustein mit Profil aufweist. Durch die Profilierung der Auflagefläche wird die Oberfläche vergrößert. Dies trägt zur verbesserten Wärmeleitung und zur Reduzierung der Montagekräfte bei.

Die vorliegende Erfindung schafft erstmals vorteilhaft eine Kühlanordnung für IC-Bauelemente, die eine effiziente und direkte Kühlung des IC-Bauelements sowie eine einfache Montage ermöglicht, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Sie eignet sich aufgrund der erhöhten Temperaturanforderungen insbesondere für Anwendungen in Elektronikgehäusen im Automobilbereich.

Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung erläutert.

Dabei zeigen schematisch:

1 in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Kühlanordnung mit IC-Bauelement;

2 in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Kühlanordnung mit IC-Bauelement;

3 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung mit IC-Bauelement nach 2;

4 in einer Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;

5 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach 4;

6 in einer Schnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;

7 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach 6;

8 in einer Schnittdarstellung ein viertes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;

9 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach 8;

10 in einer Schnittdarstellung ein fünftes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement;

11 in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung nach 10;

12 in einer Schnittdarstellung ein sechstes Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung mit IC-Bauelement und

13 in einer Schnittdarstellung die Kühlanordnung nach 12.

1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2. Das IC-Bauelement 2 kontaktiert über Anschlussbeinchen und Lötzinn 3 eine Leiterplatte 4. Die Leiterplatte 4 ist über eine Schicht aus Wärmeleitpaste 5 mit einer Gehäusewandung 6 verbunden, die in Kühlrippen 7 mündet.

2 zeigt in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2. Aus der Schnittdarstellung geht hervor, dass die Gehäusewand 6 an der Position des IC-Bauelements 2 einen Gehäusedom 8 mit vorzugsweise planarer Auflagefläche aufweist, die aus der Gehäusewand 6 hervorragt und den Auflagebereich des IC-Bauelements 2 umfasst. Im Spalt zwischen Dom und IC-Bauelement ist die Wärmeleitpaste genauso wie zwischen PCB und Gehäuse vorhanden. Des Weiteren weist die Gehäusewandung 6 vorzugsweise zwei kreisförmige Nuten 9 auf, die durch einen kreisförmigen Gehäusesteg 10 voneinander beabstandet sind. Der Gehäusesteg 10 ist so positioniert, dass die Leiterplatte am Lochrand auf dem Steg aufliegt.

3 zeigt in einer Explosionsdarstellung die Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, Leiterplatte 4 und der Schicht aus Wärmeleitpaste 5. Die Leiterplatte 4 weist eine vorzugsweise kreisförmige Aussparung 11 auf, oberhalb der das IC-Bauelement 2 positioniert ist. Dadurch ist es möglich, dass zu kühlende IC-Bauelement 2 in direktem Kontakt mit der Gehäusewandung 6 bzw. mit dem Kühlkörper zu bringen. Zur Befestigung der Leiterplatte 4 und des IC-Bauelements 2 wird die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 sowie die planare Auflagefläche um die Nuten 10 der Gehäusewandung 6 herum mit einer Schicht aus Wärmeleitplaste 5 beaufschlagt.

4 zeigt in einer Schnittdarstellung die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Gehäusedom 8 eine vorzugsweise konkave Auflagefläche auf.

In der Explosionsdarstellung in 5 ist eine passend zu der konkaven Auflagefläche des Gehäusedoms 8 ausgeformte konvexe Schicht aus Wärmeleitpaste 5 dargestellt.

6 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in 7 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 ein vorzugsweise kreurändelähnliches Profil aufweist. Die auf dem Gehäusedom 8 aufliegende Schicht aus Wärmeleitpaste 5 füllt die sich durch das gerändelte Profil ergebenden Ritzen aus und ist auf der Seite zum IC-Bauelement 2 planar ausgeformt.

8 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in 9 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 durch vorzugsweise in zwei Ebenen spitz zulaufende Keile, deren Spitzen sich im Mittelpunkt der Auflagefläche treffen, ausgebildet ist. Die auf dem Gehäusedom 8 aufliegende Schicht aus Wärmeleitpaste 5 füllt, die sich aus dem Profil ergebenden Ritzen und liegt planar am IC-Bauelement 2 an.

10 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in 11 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 ein vorzugsweise noppenartiges Profil aufweist, wobei die Verteilung der Noppen einem Legostein ähnelt. Die auf dem Gehäusedom 8 aufliegende Schicht aus Wärmeleitpaste 5 füllt die sich durch das noppenartige Profil ergebenden Ritzen aus und ist auf der Oberseite zum IC-Bauelement 2 hin planar ausgebildet.

12 zeigt in einer Schnittdarstellung in einem weiteren Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Kühlanordnung 1 mit IC-Bauelement 2, wobei, wie aus der Explosionsdarstellung in 13 zu sehen ist, die Auflagefläche des Gehäusedoms 8 vorzugsweise rechteckig ausgeformt ist. Dies führt zu einer ebenfalls rechteckigen Aussparung in der Leiterplatte 4 sowie zu rechteckig ausgeführten Nuten 9 bzw. einem rechteckig ausgeführten Gehäusesteg 10. Zudem ist auch in der Schicht aus Wärmeleitpaste 5 die rechteckige Ausformung der Auflagefläche des Gehäusedoms 8 berücksichtigt.

Die vorliegende Erfindung schafft erstmals vorteilhaft eine Kühlanordnung 1 für IC-Bauelemente 2, die eine effiziente und direkte Kühlung des IC-Bauelements 2 sowie eine einfache Montage ermöglicht, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Sie eignet sich insbesondere für Anwendungen in Elektronikgehäusen im Automobilbereich.


Anspruch[de]
IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1), die in Form eines Kühlkörper (7) aufweisenden Elektronikgehäuses ausgebildet ist, insbesondere für den Automobilbereich, dadurch gekennzeichnet, dass das IC-Bauelement (2) direkt an den Kühlkörper (7) im Elektronikgehäuse angeordnet ist. IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikgehäuse aus Aluminium gefertigt ist. IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen Elektronikgehäuse und IC-Bauelement (2) gelagerte Leiterplatte (4) an der Position des IC-Bauelements 2, eine Aussparung (11) aufweist. IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronikgehäuse an der Position des IC-Bauelements (2) einen Gehäusedom (8) aufweist. IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das IC-Bauelement (2) am Gehäusedom (8) durch Wärmeleitpaste (5) verbunden ist. IC-Bauelement (2) mit Kühlanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedom (8) eine Auflagefläche für das IC-Bauelement (2) mit Profil aufweist.






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