Elektronische Schaltungsanordnung zur Entwärmung von Verlustwärme abgebenden Komponenten

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung zur Entwärmung von

Verlustwärme abgebenden Komponenten. Auf einem Schaltungsträger der elektronischen Schaltungsanordnung sind auf einer Oberseite Verlustwärme abgebende Komponenten angeordnet. Die Schaltungsanordnung weist eine Wärmesenke auf, die eine Wärme übertragende Grenzfläche besitzt. Eine Wärme übertragende Zwischenlage ist zwischen der Grenzfläche und einer Unterseite des Schaltungsträgers angeordnet. Aus den Druckschriften US 4,151 ,547, US 7,200,006 B2, US 7,593,228 B2, US 2010/014 7497 A1 und US 201 1/0024099 A1 sind eine Vielzahl unterschiedlicher Zwischenlagen bekannt, wobei die Grenzflächen der Zwischenlagen eine Vielzahl unterschiedlicher makroskopischer Strukturen und Muster zur Verbesserung eines thermischen Übergangs aufweisen. Unter makroskopischen Strukturen werden in diesem Zusammenhang Strukturen verstanden, die noch mit bloßem Auge als solche zu erkennen sind. Demgegenüber werden unter Mikrostrukturen Strukturen verstanden, die nur noch mit einem optischen Hilfsmittel wie einer Stereolupe oder einem optischen Mikroskop als Strukturen oder Muster zu erkennen sind. Darüber hinaus sind aus der Druckschrift US 2006/0286712 A1 Prägemuster für thermische Grenzflächen bekannt, die Nano- und Mikropartikel einer Zwischenlage zur Verbesserung eines thermischen Übergangs strukturieren und verschieben sollen. Dazu weisen die Prägemuster Rillen, Fugen oder sonstige dreidimensionale Strukturen auf, zwischen denen sich unter Druck die Nano- und Mikropartikel zu einem Abbild der Prägemuster verschieben können. In diesem Zusammenhang werden unter Nanomuster oder Nanopartikel Muster oder Partikel mit Abmessungen im Submikrometerbereich verstanden, die wie oben bereits erwähnt mit bloßem Auge nicht mehr auflösbar sind.

Außerdem ist aus der Druckschrift DE 10 2007 019885 A1 eine Wärmeleitplatte bekannt, die auf einer einem Halbleiterbauelement zugewandten Seite eine matrixförmige strukturierte Oberfläche mit hervortretenden Erhebungen aufweist. Dabei dienen die Erhebungen einer Wärmespreizung, wobei sich die Erhebungen weder selbst verformen noch in die Unterseite des Halbleiterbauelements, die zur Wärmespreizung kontaktiert wird, eindringen. Offenbarung der Erfindung

Mit der Erfindung wird eine elektronische Schaltungsanordnung zur Entwärmung von Verlustwärme abgebenden Komponenten geschaffen. Auf einem Schaltungsträger der elektronischen Schaltungsanordnung sind auf einer Oberseite Verlustwärme abgebende Komponenten angeordnet. Die Schaltungsanordnung weist eine Wärmesenke auf, die eine Wärme übertragende Grenzfläche besitzt. Eine Wärme übertragende Zwischenlage ist zwischen der Grenzfläche und einer Unterseite des Schaltungsträgers angeordnet.

Mindestens die Grenzfläche der Wärmesenke weist prägefähige Mikrostrukturen auf, die ausgebildet sind, um sich unter Druckeinwirkung auf den Schaltungsträger mindestens teilweise in die Wärme übertragende Zwischenlage zur Entwärmung der elektronischen Komponenten einzuprägen. In diesem Zusammenhang werden unter prägefähigen

Mikrostrukturen, Mikrostrukturen verstanden, die in der Lage sind, in eine weicherer Metallfolie oder Metallplatte zur Verbesserung des thermischen Übergangs die Spitzen einer Mikrostruktur anzuprägen, um den thermischen Übergang zu verbessern.

Dementsprechend weisen in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die prägefähigen Mikrostrukturen eine größere Oberflächenhärte auf als die Wärme übertragende

Zwischenlage. Dazu bilden die Mikrostrukturen eine Basis, aus der Spitzen bis zu einer Spitzenhöhe herausragen, wobei die Spitzenhöhe geringer ist als die Dicke der Wärme übertragenden Zwischenlage. Somit kann die gesamte Mikrostruktur, mindestens aber die Spitzen, in die Zwischenlage mit relativ geringem Kraftaufwand beim Aufbringen des Schaltungsträgers mit Vw4eluastwärme erzeugenden Komponenten eine entsprechend präparierte Grenzfläche der Wärmesenke eingeprägt werden. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Zwischenlage eine weiche, plastisch verformbare Metall- Legierung aufweist, die beim Einprägen der härteren Mikrostrukturen der Grenzfläche der Wärmesenke in die Zwischenlage entsprechend plastisch deformierbar ist. Dazu kann die Zwischenlage eine Aluminium-Legierung mit bis zu 7 Gew.% Mangan oder Magnesium aufweisen. Jedoch sind in der Aluminium-Legierung der Zwischenlage keine Legierungselemente enthalten, welche härtende intermetallische Phasen in der Aluminium- Legierung bilden können, wie Silizium in einer AlMgSi-Legierung mit Mg ₂ Si oder Kupfer in einer AICuMg-Legierung mit AI ₂ Cu oder Zink in einer AlZnMgCu-Legierung mit Mg ₂ Zn, die an den Kristallkorngrenzen als härtende Intermetallische Phasen ausgeschieden werden können. Im Gegensatz dazu kann die Wärmesenke vorzugsweise eine härtbare

Aluminiumlegierung aufweisen, die Legierungselemente enthalten, welche härtende intermetallische Phasen in der Aluminium-Legierung bilden können, wie Silizium in einer AlMgSi-Legierung mit Mg ₂ Si oder Kupfer in einer AICuMg-Legierung mit AI ₂ Cu oder Zink in einer AlZnMgCu-Legierung mit Mg ₂ Zn, die an den Korngrenzen als härtende Intermetallische Phasen ausgeschieden werden können. Eine Aluminium-Legierung als Material der

Zwischenlage und als Material der Wärmesenke wird auch deshalb vorgesehen, weil Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von λ = 2,3 W/cm°C a zu einer Gruppe hoch Wärme leitfähiger Metallen aus Silber, Kupfer, Gold und Aluminium gehört.

In dieser Schaltungsanordnung kann der Schaltungsträger Verwolbungen aufweisen, deren Abweichungen von einer Planarität geringer sind als die doppelte Dicke der Zwischenlage, so dass mindestens Spitzen der prägefähigen Mikrostrukturen der Grenzfläche der

Wärmesenke in Verwölbungsbereichen die Zwischenlage berühren.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Zwischenlage einen mäander- oder wellenförmigen Querschnitt aufweist, und sich der mäander- oder wellenförmige Querschnitt der Zwischenlage bei Druckeinwirkung den Verwolbungen des Schaltungsträgers durch plastisches Verformen anpassen kann, selbst wenn die

Abweichungen von einer Planarität größer als die doppelte Dicke der Zwischenlage sind. Mithilfe eines derartigen mäander- oder wellenförmigen Querschnitts der Zwischenlage können somit extreme Verwolbungen durch einen relativ geringen Anpressdruck auf den Schaltungsträger einen intensiven thermischen Kontakt mit den mäander- oder

wellenförmigen Querschnittsbereichen der Zwischenlage herstellen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Wärmesenke eine Auflagefläche für die Zwischenlage und den Schaltungsträger mit gepunzten, gewalzten, gefrästen, fließgepressten oder physikalisch oder chemisch aufgebrachten Mikrostrukturen mit Spitzen aufweisen.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine Strukturhöhe der Mikrostruktur und die Dicke der Zwischenlage den Unebenheiten des Schaltungsträgers derart angepasst sind, dass alle Bereiche des Schaltungsträgers mindestens mit den Spitzen der Mikrostruktur thermisch gekoppelt sind. Das bedeutet, dass die Dicke der Zwischenlage und die Strukturhöhe der Mikrostrukturen bei zunehmenden Unebenheiten des Schaltungsträgers entsprechend vergrößert werden müssen, so dass die Strukturhöhe der Mikrostrukturen in die

Größenordnungen von Millimetern übergehen kann, wenn die Unebenheiten des

Schaltungsträgers eine derartige Größenordnung erreichen. Allerdings kann die Dicke der Zwischenlage und auch die Strukturhöhe der Mikrostruktur in den Submillimeterbereich zurückgeführt werden, wenn wie oben erwähnt die Zwischenlage einen mäanderförmigen Querschnitt aufweist.

Die Schaltungsanordnung kann für ein ESP- oder ein ABS-Gehäuse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, wobei mindestens die Auflagefläche mit der Mikrostruktur für eine thermische Entwärmung der Verlustwärme erzeigenden Komponenten einer ESP- oder ABS- Schaltungsplatine vorgesehen ist. Auf einer ESP-Schaltungsplatine sind üblicherweise die Komponenten einer Steuereinheit eines elektronischen Sicherheitsprogramms angeordnet, während auf einer ABS-Platine üblicherweise Komponenten einer Steuereinheit für ein Antiblockiersystem vorgesehen sind. Um die Verlustwärme der Komponenten wirkungsvoll abzuführen, ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit entwärmender

Zwischenlage und der Mikrostruktur einer Auflagefläche einer Wärmesenke, wie einem ESP- oder ABS-Gehäuse vorgesehen., wobei die Mikrostruktur die entwärmende Kontaktfläche zwischen der Zwischenlage und dem ESP- oder dem ABS-Gehäuse vergrößert und den Wärmeübergangswiderstand vermindert.

Vorteile der Erfindung

Mittels der Erfindung können selbst stark verwölbte Schaltungsträger noch intensiv entwärmt werden, da die Mikrostruktur mit ihren Spitzen einer Wärmesenke oder eines Gehäuses die thermische Kontaktfläche durch die Mikrostrukturierung vergrößern kann und somit den thermischen Übergangswiderstand vermindern kann.

Auch kann durch eine entsprechende Dickenwahl und eine entsprechende Strukturhöhe der Mikrostruktur dafür gesorgt werden, dass erhebliche Abweichungen eines Schaltungsträgers von einer Ebenheit ausgeglichen werden können, zumindest soweit, dass alle Bereiche der Zwischenlage mindestens über Spitzen der Mikrostruktur thermisch mit der Wärmesenke verbunden sind. Wenn dieses nicht ausreicht, kann zusätzlich der Querschnitt der Zwischenlage mäander- oder wellenförmig vorgeformt sein, um auch noch größere Unebenheiten des

Schaltungsträgers wirkungsvoll thermisch an die Wärmesenke zu koppeln. Die

thermische/mechanische Kontaktierung wird zusätzlich intensiviert, wenn die Mikrostruktur aus einer härtbaren Aluminium-Legierung besteht mit Anteilen von intermetallischen Verbindungen bildenden Silizium-, Kupfer- oder Zinkanteilen und das Material der

Zwischenlage eine Aluminium-Legierung aufweist, die frei von Silizium, Kupfer oder Zink ist und lediglich Mangan oder Magnesium als Legierungsbestandteile aufweist.

Durch die unterschiedliche Härte kann in vorteilhafter Weise ein vollständiges Auffüllen von Strukturhöhen der Mikrostruktur durch Aufprägen derselben auf die weichmetallische Zwischenlage, die sich unter geringem Druck plastisch verformen kann, erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass über Spitzen der Mikrostruktur eine thermische

Ankopplung der auf Unebenheiten der Trägerplatte fixierten Zwischenlage erfolgen kann. Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass sämtliche Komponenten auf der Oberseite eines derartigen Schaltungsträgers intensiv über die Zwischenlage, die

Mikrostruktur und die Wärmesenke entwärmt werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung mit gewölbtem Schaltungsträger und Entwärmungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform der

Erfindung mit gewölbtem Schaltungsträger und einer Entwarmungsstruktur vor einem Anpressen des Schaltungsträgers auf eine vorgeformte, plastisch verformbare Zwischenlage;

Fig. 3 eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung mit gewölbtem Schaltungsträger

gemäß Figur 2 nach Aufpressen des Schaltungsträgers auf die plastisch verformbare Zwischenlage. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung 1 mit gewölbtem

Schaltungsträger 4 und Entwärmungsstruktur 32 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Entwärmungsstruktur 32 ist auf einer Unterseite 16 des Schaltungsträgers 4 angeordnet. Auf einer Oberseite 8 des Schaltungsträgers 4 sind Verlustwärme erzeugende Komponenten 6 beispielsweise einer ESP-Schaltung oder einer ABS-Schaltung angeordnet. Der

Schaltungsträger 4 ist in dieser Ausführungsform in einem ESP-Gehäuse oder einer ABS- Gehäuse 30 auf einer Auflagefläche 28 angeordnet, wobei das Gehäuse 30 das als

Wärmesenke 10 dient. Der Schaltungsträger 4 weist Außenränder 34 und 36 auf und ist eine Schaltungsplatine, die aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von

Schaltungsplatine und Wärme erzeugenden Komponenten 6 der ESP- oder der ABS- Schaltung eine Verwölbung 24 aufweist, so dass die Schaltungsplatine bzw. der

Schaltungsträger 4 in Randbereichen 42 und 44 einen größeren Abstand von der

Auflagefläche 28 als im Zentrum 38 der Schaltungsplatine aufweist.

Die Auflagefläche 28 weist eine Mikrostruktur 18 auf, die aus einer Fläche von

pyramidenförmigen Erhebungen mit Spitzen 20 der pyramidenförmigen Erhebungen ausgestattet ist. In diesem Zusammenhang werden unter Mikrostrukturen Strukturen verstanden, die nur noch mit einem optischen Hilfsmittel wie einer Stereolupe oder einem optischen Mikroskop als Strukturen oder Muster zu erkennen sind. Eine Strukturhöhe h der Mikrostruktur 18 ist dabei geringfügig kleiner als eine Dicke d der Zwischenlage 14, so dass sich die Spitzen 20 der pyramidenförmigen Erhebungen vollständig in die Zwischenlage 14 einprägen können. Eine derartige Mikrostruktur 18 vergrößert die Grenzfläche 12 zwischen der Auflagefläche 28 der Wärmesenke 10 und der mit der Unterseite 16 des

Schaltungsträgers 4 in dieser Ausführungsform der Erfindung stoffschlüssig verbundenen Zwischenlage 14. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Unterseite 16 des

Schaltungsträgers 4 und der Zwischenlage 14 kann durch Aufkleben, Aufdrucken,

Aufsputtern oder Aufdampfen der Zwischenlage 14 hergestellt sein. Die Oberflächenhärte der Mikrostruktur 18 ist deutlich größer als die Härte der Zwischenlage 14, in die sich die Spitzen 20 der Mikrostruktur 18 zumindest im Zentrum 38 der Auflagefläche 28 soweit einprägen, dass in den Randbereichen 42 und 44 noch die Spitzen 20 der Mikrostrukturen 18 die Zwischenlage 14 aus einem weichen Metall berühren.

Die Metall-Legierung 22 der Zwischenlage 14 weist dazu eine Aluminium-Legierung auf, die lediglich bis zu 7 Gew.% Magnesium oder Mangan aufweist. Die Aluminium-Legierung weist jedoch keine Elemente wie Silizium, Kupfer oder Zink auf, die wie oben erläutert in dem Aluminium härtende intermetallische Phasen bilden können. Aus einer derart gehärteten Aluminiumlegierung mit zusätzlichen Legierungselementen wie Silizium, Kupfer oder Zink kann jedoch das Gehäuse 30 aufgebaut sein, so dass die Spitzen 20 der Mikrostruktur 18 unter plastischer Verformung der weichen Metall-Legierung 22 der Zwischenlage 14 in diese eingeprägt werden können, sobald in Pfeilrichtung A eine Anpresskraft F _n auf den

Schaltungsträger 4 aufgebracht wird. Diese Anpresskraft F _n kann relativ gering sein und beispielsweise durch eine federelastische Klemme oder einen Klipp innerhalb des Gehäuses 30 zwischen Schaltungsträger 4 und Gehäuse 30 aufgebracht werden.

Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit gewölbtem Schaltungsträger 4 vor einem Anpressen des

Schaltungsträgers 4 auf eine vorgeformte, plastisch verformbare Zwischenlage 14. Die plastisch verformbare Zwischenlage 14 ist zunächst nicht mit der Unterseite 16 des

Schaltungsträgers 4 verbunden, und die Mikrostruktur 18 der makroskopisch ebenen

Auflagefläche 28 ist noch nicht in die Zwischenlage oder in Teilbereiche der Zwischenlage eingeprägt. Die vorgeformte Zwischenlage 14 weist einen mäanderförmig gewellten

Querschnitt einer Aluminiumfolie mit einer Dicke d auf, wobei die Dicke d etwas größer ist als die Strukturhöhe h der Mikrostruktur 18, der ansonsten makroskopisch ebenen Auflagefläche 28 der Wärmesenke 10 , die von einem Gehäusebereich gebildet sein kann. Die

mäanderförmig gewellte Zwischenlage 14 aus einer weichen Metall-Legierung 22 wie beispielsweise einer Aluminium-Legierung, die keine intermetallischen Phasen aufweist, wird beim Anpressen des gewölbten Schaltungsträgers 4 auf die Zwischenlage 14 auf die Spitzen 20 der Auflagefläche 28 gepresst, wie es die nächste Figur 3 zeigt. Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung 2 mit gewölbtem Schaltungsträger 4 gemäß Figur 2 nach Aufpressen des Schaltungsträgers 4 auf die plastisch verformbare Zwischenlage 14 und Ausbildung einer wirksamen

Entwärmungsstruktur 32 trotz erheblicher Verwölbung des Schaltungsträgers 4. Dabei wird die Zwischenlage 14 aufgrund ihrer plastisch verformbaren weichen Metall-Legierung 22 zunächst vor einem Verrutschen durch die in das weiche Material eindringenden Spitzen 20 der Mikrostruktur 18 der Auflagefläche 28 der Wärmesenke 10 lateral fixiert. Bei weiterer Erhöhung der Anpresskraft F _n in Pfeilrichtung A wird diese Verwölbung, die im Zentrum 38 erheblich von der Planarität abweicht, zumindest so weit zusammengepresst, dass in den Randbereichen 42 und 44 die plastisch verformbare weiche Metall-Legierung 22 der

Zwischenlage 14 so stark in die Mikrostruktur 18 der Wärmesenke 10 eingeprägt wird, dass im Mittenbereich zumindest teilweise ein Wärmeleitungskontakt zwischen dem

mäanderförmig gewellten Querschnitt der Zwischenlage 14 und der Unterseite 16 des gewölbten Schaltungsträgers 4 wärmeleitende Kontaktpunkte ausgebildet werden.

Während bei herkömmlichen bekannten Verfahren, die mit einer mäanderförmigen

Zwischenlage arbeiten, ein Herausquetschen der Zwischenlage erfolgt, wird dieses

Herausquetschen in vorteilhafter Weise durch die Verzahnung zwischen der Mikrostruktur 18 der Auflagefläche 28 der Wärmesenke 10 und der Zwischenlage 14 in den Randbereichen 42 und 44 verhindert.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.