Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau sowie ein Verfahren zur Bildung eines Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus, mit einer Leiterplatte und mit einem metallischen Kühlkörper, wobei die Leiterplatte ein Metallsubstrat, eine Isolations- schicht und eine Leiterschicht aufweist, und wobei die Leiterplatte so an dem Kühlkör- per angeordnet ist, dass das Metallsubstrat an einer Aufnahmefläche des Kühlkörpers anliegt.

STAND DER TECHNIK

Die DE 10 2013 213 448 A1 offenbart einen Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau mit ei- ner Leiterplatte und mit einem metallischen Kühlkörper, und die Leiterplatte weist ein Metallsubstrat, eine Isolationsschicht und eine Leiterschicht auf. Die Leiterplatte ist dabei so an einer Aufnahmefläche des Kühlkörpers angeordnet, dass das Metallsub- strat an der Aufnahmefläche des Kühlkörpers anliegt. Die planparallele Ausbildung der Aufnahmefläche und des Metallsubstrates ist dabei zwar geeignet, eine im Wesentli- chen plane Anlage zu erreichen, jedoch befindet sich in der Regel zwischen dem Me- tallsubstrat und der Aufnahmefläche ein Rest-Luftspalt, der gewöhnlich mit einer Wärmeleitpaste gefüllt wird. Die Anwendung einer Wärmeleitpaste ist jedoch aufwen- dig und erfordert zusätzliche Prozessschritte, wobei auch eine Wärmeleitpaste schließlich einen Wärmeübergangswiderstand bildet, der größer ist als ein direkter metallischer Kontakt. Eine vollflächige Anlage des Metallsubstrates an der Aufnahme- fläche des Kühlkörpers kann jedoch mit einfachen Mitteln nicht hergestellt werden.

Zwar besteht die Möglichkeit, die Leiterplatte mit dem Kühlkörper zu verschrauben, sodass das Metallsubstrat wenigstens punktuell am Kühlkörper anliegt, wie beispiels- weise in der DE 10 2009 053 999 A1 gezeigt. Die Verschraubungen befinden sich da- bei in den Eckbereichen, und der Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau ermöglicht keinen optimalen Wärmeübergang von der Leiterplatte in den Kühlkörper nahe der Position der zu entwärmenden elektronischen Bauteile. In der Regel befinden sich die elektro- nischen Bauteile, insbesondere Halbleiter, vorzugsweise LED-Halbleiterelemente, auf der Leiterschicht, und die Bauteile sind häufig oberflächenmontiert, sodass diese als sogenannte SMD-Bauteile ausgebildet sind. Die Wärmeleitung muss dabei grundsätz- lich die Isolationsschicht überwinden, wodurch eine erste Wärmebarriere gebildet ist. Die weitere Wärmebarriere bildet sich dabei zwischen dem Metallsubstrat und der Aufnahmefläche des Kühlkörpers, und trotz der Verschraubung wird keine flächige Anlage des Metallsubstrates an der Aufnahmefläche des Kühlkörpers erreicht. Insbe- sondere in den Mittenbereichen beabstandet von den Verschraubungen bilden sich Luftspalte zwischen dem Metallsubstrat und der Aufnahmefläche, die einen erhebli chen Wärmeübergangswiderstand bilden.

Bei Beleuchtungseinrichtungen sind die Halbleiterleuchtmittel zumindest auf der Lei- terplatte montiert, und aufgrund der erheblichen Wärmebildung beim Betrieb der Leuchtmittel muss eine Entwärmung der Leiterplatte von der Seite der Leiterschicht über das Metallsubstrat in den Kühlkörper erreicht werden. Auftretende Luftspalte sind dabei zu vermeiden, wobei insbesondere im Nahbereich der Leuchtmittel ein metalli- scher Kontakt zwischen dem Metallsubstrat und dem Kühlkörper wünschenswert wä- re. Eine Verschraubung kann dabei nicht grundsätzlich auch bei kleinbauenden Be- leuchtungseinrichtungen in Scheinwerfern für Fahrzeuge Anwendung finden, da hier für der Bauraum nicht grundsätzlich vorhanden ist.

Die EP 1 395 100 A1 offenbart eine Leiterplatte mit einer Leiterschicht, mit einer Isola- tionsschicht und mit einem Metallsubstrat, und zur Entwärmung der Leiterschicht, bei spielsweise aufweisend Kupferleiterbahnen, werden Verbindungen vorgeschlagen, um den Kühlkörper mit wenigstens einem Pol, insbesondere Massepol, der Masseschicht zu verbinden. Die Verbindung erfolgt durch ein Ausstanzen und Verstemmen eines Vorsprunges, der durch eine Öffnung in der Leiterschicht und in der Isolationsschicht hervorgerufen werden soll. Dabei wird jedoch lediglich der Übergangswiderstand von der Leiterschicht in das Metallsubstrat minimiert, und die Anordnung eines weiteren Kühlkörpers, auf dem die Leiterplatte mit dem Metallsubstrat selbst angeordnet wird, ist dabei nicht vorgesehen. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung eines Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus und eines Verfahrens hierzu, wobei der Wärmeübergang zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper weiter verbessert werden soll. Insbesondere soll die Verwendung von Wärmeleitpasten vermieden werden. Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung des Wärmeübergangs auch für kleine Baugrößen von Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbauten zu ermöglichen, insbesondere unter Vermei- dung von Verschraubungen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und mit einem Verfahren gemäß Anspruch 8 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zwischen dem Kühlkörper und dem Metallsubstrat wenigstens ein Wärmeübergangspunkt ausgebildet ist, der einen definierten metallischen Kontakt des Werkstoffes des Kühlkörpers mit dem Werkstoff des Metallsubstrates bildet.

Kerngedanke der Erfindung ist die Ausbildung wenigstens eines und vorzugsweise mehrerer Wärmeübergangspunkte zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper, und der punktuell ermöglichte Wärmeübergang basiert auf einem metallischen Kontakt des Werkstoffes des Kühlkörpers mit dem Werkstoff des Metallsubstrates. Der Wärme- übergangspunkt kann dabei eine laterale Erstreckung aufweisen, die beispielsweise der Dicke der Leiterplatte entspricht. Beispielsweise kann der Wärmeübergangspunkt eine Hauptabmessung, insbesondere einen Durchmesser von 1 mm bis 5 mm aufwei- sen.

Der metallische Kontakt kann dabei ein unmittelbarer Werkstoffkontakt zwischen dem Werkstoff des Metallsubstrates und dem Werkstoff des Kühlkörpers sein, wobei auch denkbar ist, ein Hilfssubstrat bereitzustellen, das metallisch ausgebildet ist und eine Wärmbrücke zwischen dem Werkstoff des Kühlkörpers und dem Metallsubstrat bildet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der metallische Kontakt mittels eines Verpressens des Werkstoffes des Kühlkörpers mit dem Werkstoff des Metallsubstra- tes gebildet. Beispielsweise weist der Wärmeübergangspunkt einen Vorsprung auf, der aus der Aufnahmefläche des Kühlkörpers hervorsteht. Der Vorsprung kann bei spielsweise im urformenden oder sonstigen formgebenden Herstellungsverfahren des Kühlkörpers hergestellt sein oder der Vorsprung wird durch ein Anstemmen oder durch eine sonstige plastische Einwirkung auf den Kühlkörper erzeugt. Weiterhin ist in der Leiterplatte vorteilhafterweise eine Öffnung vorgesehen, wobei die Verpressung zwischen dem Vorsprung und der Öffnung ausgebildet sein kann. Der Vorsprung und die Öffnung können dabei so in Überdeckung gebracht sein, dass sich der Vorsprung zunächst ohne laterale Kraft auf die Öffnungswandung der Öffnung in diese hinein erstreckt. Beispielsweise kann die Verpressung dabei zwischen dem Vorsprung und der Öffnung mittels einer in den Vorsprung eingebrachten plastischen Verformung ausgebildet sein. Somit besteht insbesondere die Möglichkeit, aus einer Senkrechten in die Mitte des Vorsprungs einen Schlitz oder einen Kegel einzudrücken, wodurch sich eine seitliche Verdrängung des Materials des Vorsprungs, gebildet aus dem Werkstoff des Kühlkörpers, ergibt. Durch die Anordnung des Vorsprungs in der Öff- nung in der Leiterplatte kann der Werkstoff des Vorsprungs eine Verpressung bilden mit dem Werkstoff des Metallsubstrates. Der Vorsprung weist dabei eine Höhe auf, die etwa der Dicke des Metallsubstrates entspricht.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform wird der definierte metallische Kontakt des Werkstoffes des Kühlkörpers mit dem Werkstoff des Metallsubstrates mit einem Lot gebildet, sodass der definierte metallische Kontakt mittelbar über das Lot ausgebildet ist. Das Lot kann dabei vorher in fester oder pastöser Form bereitgestellt werden, und mit besonderem Vorteil kann das Lot im Reflow-Verfahren einen stoff- schlüssigen Kontakt mit dem Metallsubstrat und dem Kühlkörper bilden, wobei das Reflow-Verfahren zur Verlötung der elektronischen Bauteile auf der Leiterschicht ge- nutzt wird, welches ohnehin notwendig ist. Alternativ kann in der Aufnahmefläche des Kühlkörpers eine Vertiefung eingebracht sein, die sich mit der Öffnung in Überdeckung befindet, wobei die Vertiefung und die Öffnung wenigstens abschnittsweise mit dem Lot befüllt sind. Das Lot kann dabei aber auch in einen radial umlaufenden Zwischenraum zwischen einem Vorsprung und der Öffnung eingebracht sein. Dabei wird beachtet, dass das Lot derart die Öffnung in der Leiterplatte auffüllt, dass lediglich das Metallsubstrat mit Lot benetzt wird, das die In- nenwandung der Öffnung bildet, nicht jedoch die Isolationsschicht und insbesondere nicht die Leiterschicht.

Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Verfahren zur Bildung eines Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus, wobei das Verfahren erfindungsgemäß folgende Schritte vor- sieht: Bildung eines Vorsprungs oder einer Vertiefung in der Aufnahmefläche des Kühlkörpers, Bildung einer Öffnung in der Leiterplatte, Anordnen der Leiterplatte an der Aufnahmefläche des Kühlkörpers, sodass die Öffnung mit dem Vorsprung oder mit der Vertiefung in Überdeckung gebracht ist und Bildung eines definierten metallischen Kontaktes des Werkstoffes des Kühlkörpers mit dem Werkstoff des Metallsubstrates entweder a) mittels eines Verpressens des Werkstoffes des Kühlkörpers mit dem Werkstoff des Metallsubstrates oder b) mittelbar durch Einbringen von Lot in die Öff- nung.

Das Verlöten der Werkstoffe des Metallsubstrates und des Kühlkörpers kann dabei in einem Reflow-Verfahren erfolgen, wobei das Reflow-Verfahren zur Verlötung der elektrischen Bauteile auf der Leiterschicht genutzt werden kann, um auch das Lot im Übergangspunkt zu schmelzen und die Werkstoffe zu verlöten.

Das Verpressen kann hingegen mit einem entsprechenden Werkzeug erfolgen, und erstreckt sich die Öffnung über die gesamte Dicke der Leiterplatte hinweg, so ist die Öffnung von der Oberseite der Leiterplatte erreichbar. Befindet sich in der Öffnung ein Vorsprung, gebildet aus oder an dem Kühlkörper, so kann dieser Vorsprung durch plastische Verformung derart mit der Wandung der Öffnung verpresst werden, dass der metallische Kontakt unmittelbar zwischen dem Werkstoff des Kühlkörpers und dem Werkstoff des Metallsubstrates entsteht.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus zur Vorbereitung eines Wärmeübergangspunktes, basierend auf einem Verpressen,

Fig. 2 der Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau gemäß Figur 1 mit einem verpress- ten Vorsprung in einer Öffnung der Leiterplatte,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus mit einem Wärmeübergangspunkt gemäß einer weiteren Ausbildungsform und

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau 1 mit einer Leiter- platte 10 und mit einem Kühlkörper 11 , und die Leiterplatte 10 ist auf einer Aufnahme- fläche 15 des Kühlkörpers 11 aufgebracht. Die Leiterplatte 10 weist ein Metallsubstrat 12, eine Isolationsschicht 13 und eine Leiterschicht 14 auf. Die Leiterplatte 10 ist da- bei so auf die Aufnahmefläche 15 des Kühlkörpers 11 aufgebracht, dass das Metall- substrat 12 mit der Unterseite an der Aufnahmefläche 15 des Kühlkörpers 11 anliegt.

Die Ansicht zeigt dabei ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeübergangspunk- tes 16 zur Bildung einer Wärmebrücke zwischen dem Metallsubstrat 12 der Leiterplat te 10 und dem Kühlkörper 11. Der Wärmeübergangspunkt 16 weist einen Vorsprung 17 auf, der aus dem Kühlkörper 11 gebildet ist und aus der Aufnahmefläche 15 her- vorsteht. In der Leiterplatte 10 ist eine Öffnung 18 eingebracht, die einen Durchmes- ser aufweist, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Vorsprungs 17.

Wie Figur 2 zeigt, ist von der freien Oberseite durch die Öffnung 18 hindurch in den Vorsprung 17 eine plastische Verformung 21 eingebracht worden, wodurch der Werk- stoff des Kühlkörpers 11 , der den Vorsprung 17 bildet, radial nach außen gepresst wird. Dadurch ergibt sich ein direkter metallischer Kontakt des Werkstoffes des Kühl- körpers 11 mit dem Werkstoff des Metallsubstrates 12. Die Verpressung ist dabei mit entsprechenden Kraftpfeilen angedeutet.

Die plastische Verformung 21 kann in vorteilhafter Weise von der Oberseite in den Vorsprung 17 eingebracht werden, und insbesondere kann der Kühlkörper 11 aus Aluminium ausgebildet sein, wodurch eine plastische Verformung bereits mit geringe- ren Kräften möglich ist, mit denen auf den Vorsprung 17 eingewirkt werden kann. Die plastische Verformung 21 ist als Kerbe dargestellt, die sich diametral durch den Vor- sprung 17 erstrecken kann. Auch ist es denkbar, etwa mit einem Körner oder einem vergleichbaren Werkzeug eine kegelförmige oder auch eine zylinderförmige Vertie- fung in den Vorsprung 17 einzubringen, sodass die plastische Verformung 21 einen radial umlaufenden Kontakt des Vorsprungs 17 mit der Innenwand der Öffnung 18 im Bereich des Metallsubstrates 12 erzeugt. Der metallische Kontakt ist dabei vorteilhaf- terweise radial umlaufend ausgebildet, wobei es auch hinreichend sein kann, etwa eine bilaterale, sich gegenüberstehende zweiseitige Verpressung zu erzeugen, bei- spielsweise durch das Einbringen der gezeigten schlitzförmigen plastischen Verfor- mung 21.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Bildung des Wärme- übergangspunktes 16 mit dem metallischen Kontakt zwischen dem Werkstoff des Kühlkörpers 11 und dem Werkstoff des Metallsubstrates 12. Der Kühlkörper 11 weist wieder den Aufbau mit dem Metallsubstrat 12, der Isolationsschicht 13 und der Leiter- schicht 14 auf, wobei der metallische Kontakt über ein Lot 19 erzeugt wird. In Figur 3 ist der Wärmeübergangspunkt 16 des Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbaus durch ein Lot 19 gebildet, das in einer Vertiefung 20 im Kühlkörper 11 eingebracht ist und derart aufgefüllt ist, dass es auch noch die Öffnung 18 wenigstens über der Höhe des Metallsubstrates 12 auffüllt. Die Öffnung 18 ist dabei in Überdeckung gebracht mit der Vertiefung 20. Das Lot 19 kann dabei im Reflow-Verfahren verschmolzen werden, welches Reflow-Verfahren bereits auch zur Verbindung der elektronischen Bauteile auf der Leiterschicht 14 angewendet werden kann.

Figur 4 zeigt das Ausführungsbeispiel mit dem Wärmeübergangspunkt 16 basierend auf einem Lot 19, das einen Ringspalt zwischen dem Vorsprung 17 umgibt, der sich in die Öffnung 18 hinein erstreckt. Die Leiterplatte 10, die aufgebaut ist aus dem Metall- substrat 12, der Isolationsschicht 13 und der Leiterschicht 14, besitzt dabei eine Öff- nung 18, die sich über der gesamten Dicke der Leiterplatte 10 erstreckt, jedoch ist auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Lot 19 nur derart weit aufgefüllt, dass die Innenseite der Lochwandung der Öffnung 18 im Bereich des Metallsubstrates 12 benetzt ist.

Die Erfindung macht dabei die Möglichkeit zunutze, diskrete Wärmeübergangspunkte 16 zu schaffen, die entweder durch ein Verpressen der metallischen Werkstoffe des Kühlkörpers 11 mit dem Metallsubstrat 12 oder durch ein Verlöten mit einem Lot 19 gebildet werden. Die Wärmeübergangspunkte 16 können dabei insbesondere in dem Bereich zwischen der Leiterplatte 10 und dem Kühlkörper 11 eingebracht werden, in denen die zu entwärmenden Bauteile angeordnet sind, beispielsweise Halbleiter- Lichtquellen. Ein derartiger Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau 1 kann insbesondere Anwendung finden für Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, insbesondere Scheinwerfer.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angege- bene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denk- bar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

I Leiterplatten- Kühlkörper- Aufbau

10 Leiterplatte

I I Kühlkörper

12 Metallsubstrat

13 Isolationsschicht

14 Leiterschicht

15 Aufnahmefläche

16 Wärmeübergangspunkt

17 Vorsprung

18 Öffnung

19 Lot

20 Vertiefung

21 plastische Verformung