DE69100372T2 - Vorrichtung mit eine Kühlanordnung enthaltenden, oberflächenmontierten, elektronischen Bauelementen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektronischen Systeme mit oberflächenmontierten Bauteilen.
• Diese Bauteile für Oberflächenmontage werden im allgemeinen mit "CMS" (französich) oder "SMC" (angelsächsisch) bezeichnet.
• Die Oberflächenmontage-Bauteile enthalten Halbleiter- Chips, untergebracht in Gehäusen aus Kunststoff, ausgestattet mit koplanaren Anschlußfüßchen, dazu bestimmt, direkt an der Oberfläche auf die Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung gelötet zu werden.
• Die Erfindung betrifft genauer die Wärmeabstrahlung auf der Ebene der elektronischen platinen, und die Kühlung der aktiven Bauteile des Typs Oberflächenmontage.
• Die Bauteile des Typs Oberflächenmontage, und die Bauteile der Gehäuse mit den herkömmlichen Drähten enthalten oft Identischen Chips. Die Wärmeableitung eines Gehäuses des Typs Oberflächenmontage ist jedoch in gewissen Fällen für ein gleichwertiges Bauteil dreimal niedriger als beim klassischen Gehäuse, was seine Verwendung stark einschränkt, vor allem für die Hochfrequenz-Transistoren mittlerer Leistung.
• Die Erfindung hat folglich den Zweck, die Wärmeableitung eines Bauteils des Typs Oberflächenmontage in die Umgebungsluft zu begünstigen, ohne die elektrischen Leistungen zu mindern.
• Die angefügte Figur 1 bringt die Parameter in Erinnerung, die zu berücksichtigen sind bei der Berechnung der Temperaturhöhe der Verbindungsstelle eines Halbleiters.
• Rth j-c: Wärmewiderstand Verbindungstelle - Gehäuse.
• Rth c-a: Wärmewiderstand Gehäuse - Umgebungsluft.
• Rth r: Wärmewiderstand des Abstrahlers.
• Tj: Temperatur der Verbindungsstelle.
• Tc: Temperatur des Gehäuses.
• Ta: Umgebungstemperatur.
• P: in die Verbindungsstelle in Wärme umgesetzte Leistung.
• Die Verbindungstellentemperatur ergibt sich aus:
• Der Temperaturanstieg eines Halbleiters für eine gegebene Leistung hängt folglich ab von zwei Parametern.
• Einerseits von dem Wärmewiderstand Verbindungsstelle - Gehäuse (Rth j-c), der im wesentlichen abhängt von dem verwendeten Gehäusetyp und dem Herstellungsverfahren des Bauteils. Andererseits von einem Term
• der die Fähigkeit eines elektronischen Bauteils kennzeichnet, die Wärme abzuführen, die es erzeugt. Es ist offensichtlich, daß dieser Term stark reduziert werden kann, durch Verwendung von Abstrahlern, die eine gute Wärmeableitung bieten (R thr niedrig).
• Für die klassischen elektronischen Bauteile in Metallgehäusen mit Drähten gibt es zahlreiche Abstrahler unterschiedlichster Formen und Abmessungen, die auf den Gehäusen dieser Bauteile befestigt werden können, und so die Wärmeableitung perfekt gewährleisten.
• Für die Bauteile des Typs Oberflächenmontage verhält es sich anders, denn die Gehäuse sind aus Kunststoff, und lassen eine mechanische Befestigung eines Abstrahlers nicht zu. Die Hersteller der Bauteile empfehlen folglich, Lötstellen mit großer Oberfläche auszuführen, um die Wärmeableitung zu verbessern.
• Ein Gehäuse für oberflächenmontierte Bauteile, auf herkömmliche Weise mit einem Kupferkühlblech mit großer Oberfläche verbunden, ist schematisch in der angefügten Figur 2 dargestellt.
• in dieser Figur ist schematisch ein Hochfrequenztransistorgehäuse 10 des Typs Oberflächenmontage dargestellt, das eine Basis 12 umfaßt, zwei Emitter 14 und 16, und einen Kollektor 18.
• Die Basis 12, die Emitter 14 und 16 und der Kollektor 18 sind auf eine Leiterbahn gelötet, die auf einer gedruckten Schaltung 20 enthalten ist. Man sieht in der Figur 2 auch ein Kupferkühlblech 22 mit großer Oberfläche, verbunden mit dem Kollektorfüßchen 18.
• Die in Figur 2 dargestellte Anordung entspricht den Empfehlungen, enthalten in der Mitteilung BFG 135, ausgegeben von der Firma Philips für einen Breitbandtransitor NPN 1GHz.
• Die Verwendung von Kupferkühlblechen auf der Ebene der Lötstellen eines Bauteils erhöht die Kapazität dieser Lötstellen, und ist daher fragwürdig bei der Verwendung von Hochfrequenzbauteilen. Sie führt auch zu einer Erhöhung der erforderliche Oberfläche für eine Ausführung, und verbessert nicht die Wärmeableitung in die Umgebungsluft, wenn die elektronische Vorrichtung in einem dichten Gehäuse untergebracht ist.
• Wie vorhergehend erwähnt, ist es das Ziel der Erfindung, eine neue Vorrichtung vorzuschlagen, die gestattet, die Wärmeableitung der Bauteile des Typs "Oberflächenmontage" (CMS) zu verbessern, ohne die Leistungen zu mindern.
• Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung vor, in einer Vorrichtung, die oberflächenmontierte elektronische Bauteile enthält, ein Element anzubringen, wie etwa einen Zylinder, aus dielektrischem Material, das geeignet ist, die Funktion eines Wärmeshunts zu gewährleisten zwischen einem Anschluß eines elektronischen Bauteils des Oberflächenmontage-Typs und einem Abstrahlelement.
• Die so im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Anordung gestattet, den Wärmewiderstand zwischen dem Gehäuse eines Oberflächenmontage-Bauteils und der Umgebungsluft beträchtlich zu reduzieren, und dies, ohne das elektrischen Verhalten des Produkts zu beeinflussen.
• Weitere Eigenschaften, Zwecke und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen, beigegeben als nicht einschränkende Beispiele:
• - die Figur 1, vorhergehend erwähnt, ruft die Parameter in Erinnerung, die eingehen in die Berechnung der Temperaturhöhe des Substrats eines Halbleiters,
• - die Figur 2, vorhergehend erwähnt, stellt den Stand der Technik dar, bezüglich der Kühlung von Oberflächenmontage-Bauteilen,
• - die Figur 3 stellt die Struktur einer Kühleinrichtung dar, konform mit einer ersten Ausführungvariante der vorliegenden Erfindung, und
• - die Figur 4 stellt die Struktur einer Kühleinrichtung dar, konform mit einer anderen, bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
• Die Kühleinrichtung, konform mit einer Ausführungart der Erfindung, in Figur 3 dargestellt, enthält hauptsächlich ein Element 305, hergestellt aus einem dielektrischen Material des Typs Aluminiumoxid oder Keramik, das eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, und dabei über eine der Anwendung angemessene Wärmeleitfähigkeit verfügt.
• Wie in Figur 3 dargestellt ist das Element 305 vorzugsweise ein Zylinder, ganz besonders vorteilhafterweise ein Rotationszylinder.
• Die Figur 3 stellt ein Oberflächenmontage-Bauteil 302 dar, das ein HF-Transistor mittlerer Leistung sein kann, montiert auf eine gedruckte Schaltung 301. Die Verbindung 303 des Bauteils ist festgelötet an einem Kupferkühlblech 304, in Übereinstimmung mit den Empfehlungen des Herstellers. Hingegen, im Gegensatz zum Stand der Technik, der darin besteht, die Oberfläche des Kühlblechs 304 zu vergrößern, um die Wärmeabführung des Bauteils zu verbessern, wird, entsprechend der vorliegenden Erfindung, der Fuß 3051 des Zylinders 305 an einem Kühlblech 304 mit reduzierter Oberfläche befestigt, und ein Abstrahlelement wird auf der Oberseite 3052 des Zylinders befestigt. Der Zylinder 305 gewährleistet somit die Funktion eines Wärmeshunts zwischen dem Bauteil und einem Abstrahlelement.
• Das auf der Oberseite 3052 des Zylinders angebrachte Abstrahlelement kann die Form bekannter, oder vom Stand der Technik abgeleiteter Abstrahler aufweisen. Aus diesem Grund wurde der Abstrahler in Figur 3 nicht dargestellt, um die Darstellung zu vereinfachen.
• Der Abstrahler ist vorzugsweise metallisch.
• Der Abstrahler kann z.B. durch ein dichtes, vor allem metallischen Gehäuse gebildet werden, das die elektronische Schaltung aufnimmt, und in Kontakt kommt mit der Oberseite 3052 des Zylinders 305.
• Die Erfindung macht folglich möglich:
• - die für die Herstellung einer elektronischen Platine nötige Oberfläche zu beschränken,
• - die elektrischen Eigenschaften des Bauteils nicht zu beeinflussen, und dies vor allem bei Hochfreguenz,
• - die Wärmeabführung einer in einem dichten Gehäuse enthaltenen elektronischen Vorrichtung zu gewährleisten, unter Verwendung eben dieses Gehäuses als Abstrahler, indem es auf der Ebene der Fläche 3052 Kontakt hat mit dem Zylinder 305.
• Die Figur 4 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung dar.
• Der Zylinder 405 aus dielektrischem Material, dargestellt in der Figur 4, weist in dieser Ausführungsart an seinem Fuß eine Metallisierung 406 auf.
• Diese Metallisierung ermöglicht es, den Zylinder 405 auf die gedruckten Schaltung zu löten, wie ein weiteres Bauteil.
• Form und Abmessungen des Zylinders werden festgelegt, um einerseits die Funktion des Wärmeshunts zu gewährleisten, und andererseits, um möglichst durch einen Montageroboter gehandhabt werden zu können.
• Die vorliegende Erfindung findet vor allem Anwendung bei der Realisierung einer Wärmeabführungseinrichtung im Falle von elektronischen platinen, die in einem dichten Metallgehäuse untergebracht sind, um eine gute radioelektrische Immunität bei Hochfrequenz zu gewährleisten.

Claims (10)

1. Vorrichtung, die oberflächenmontierte elektronische Bauteile umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

daß sie ein Element (305, 405) aus dielektrischem Material enthält, angeordnet zwischen einer Verbindungsstelle (303) eines oberflächenmontierten Bauteils (302) und einem Abstrahlelement, um zwischen diesen die Funktion eines Wärmeshunts zu gewährleisten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (305, 405) aus dielektrischem Material die Form eines Zylinders aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (305, 405) aus dielektrischem Material die Form eines Rotationszylinders aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Aluminiumoxid ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Keramik ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlelement, in Kontakt mit einer Fläche (3052) des Elements (305, 405) aus dielektrischem Material, metallisch ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstrahlelement gebildet wird durch das Gehäuse, das die elektronische Vorrichtung enthält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (305, 405) aus dielektrischem Material an seiner Basis eine Metallisierung (406) aufweist, die ermöglicht, es auf die Platine einer gedruckten Schaltung zu löten, genauso wie ein elektronisches Bauteil.

9. Kühlvorrichtung, gebildet aus einem Element aus dielektrischem Material, wie definiert in einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Anwendung der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Herstellung eines elektronischen Ausrüstungsteils in einem abgeschirmten metallischen Gehäuse.