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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte mit zumindest einem darauf angeordneten Wärme-erzeugenden Halbleiterbauteil, mit einer als Wärmesenke dienenden Wärmeleitplatte, die mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil in wärmeleitendem Kontakt und parallel zu der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte ausgebildet ist, mit einem Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden. Die Erfindung betrifft auch ein Gehäuse mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der
DE 20 2013 002 411 U1 bekannt. In der dortigen
4 ist eine entsprechende Schaltungsanordnung gezeigt und in der zugehörigen Beschreibung ausführlich beschrieben. In der
1 vorliegender Anmeldung ist eine solche bekannte Schaltungsanordnung skizziert und zeigt ein Wärme-erzeugendes Halbleiterbauteil 1, das auf einer nicht dargestellten Leiterplatte montiert sein kann. Ein solches Wärme-erzeugendes Halbleiterbauteil 1 kann beispielsweise ein Mikroprozessor aber auch ein Leistungstransistor oder eben jedes Halbleiterbauteil sein, das viel Verlustwärme abgibt. Deshalb ist es notwendig, Wärmeableitmittel vorzusehen, die eine Entwärmung des Halbleiterbauteils 1 zuverlässig ermöglichen.
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Hierzu ist eine als Wärmesenke dienende Wärmeleitplatte 2 vorgesehen, die auf der der Leiterplatte gegenüberliegenden Seite des Halbleiterbauteils 1 angeordnet und in wärmeleitendem Kontakt mit dem Halbleiterbauteil 1 ist. Zwischen dem Halbleiterbauteil 1 und der Wärmeleitplatte 2 kann eine Wärmeleitpaste (nicht dargestellt) oder ein Wärmeleitkleber oder etwas dergleichen vorgesehen sein, um insbesondere Unregelmäßigkeiten der beiden Oberflächen auszugleichen.
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Auf der Wärmeleitplatte 2 ist ein Kühlkörper 4 angeordnet, wobei auch hier zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 eine Wärmeleitpaste angeordnet sein kann.
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Um eine möglichst gute Wärmeableitung zu ermöglichen, muss ein inniger Kontakt zwischen den verbauten Komponenten hergestellt werden, was üblicherweise durch Aufbringen einer definierten Kraft 5 erfolgt, mit der die Komponenten aufeinander gedrückt werden. Diese Kraft 5 kann allerdings bei dem bekannten Aufbau nicht allzu groß sein, da das Halbleiterbauteil 1 und seine Verbindung mit der Leiterplatte keine große Krafteinwirkung zulassen.
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Insbesondere bei einer Montage der Schaltungsanordnung in einem Gehäuse, das als sogenanntes Rack ausgebildet ist, bei dem also die Schaltungsanordnung in das Gehäuse mittels Führungsschienen hineingeschoben wird, um an der hinteren Wand des Gehäuses elektrisch kontaktiert zu werden, ist es nicht so gut möglich, die erforderliche Kraft aufzubringen. Es ist hier ebenfalls nicht so gut möglich, einen Kühlmedium-gekühlten Kühlkörper mit einem parallelen Verlauf zu der Leiterplatte vorzusehen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, bei der insbesondere bei einer Montage der Schaltungsanordnung in einem Gehäuse mit Führungs- oder Aufnahmeschienen eine gute Kühlung des oder der Halbleiterbauteile möglich ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte mit zumindest einem darauf angeordneten Wärme-erzeugenden Halbleiterbauteil, mit einer als Wärmesenke dienenden Wärmeleitplatte, die mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil in wärmeleitendem Kontakt und parallel zu der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte ausgebildet ist, mit einem Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden, wobei die Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils mit der Wärmeleitplatte senkrecht zur Verbindungsrichtung der Wärmeleitplatte mit dem Kühlkörper orientiert ist, wobei eine zur Verbindung mit dem Kühlkörper vorgesehene Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte orientiert ist.
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Die Schaltungsanordnung - beispielsweise in Form eines sogenannten Blade-Moduls - könnte in einen Steckplatz eines als Rack ausgebildeten Gehäuses geschoben werden. Der thermische Kontakt erfolgt in erfindungsgemäßer Weise an der Vorderseite der Wärmeleitplatte. Der Kontaktwiderstand hängt vom Anpressdruck ab. Dieses System ermöglicht eine deutlich größere Krafteinwirkung auf der Vorderseite als auf die Oberseite, wo die Halbleiterbauteile sind. Die Form und Toleranz der Kontaktfläche an der Vorderseite der Wärmeleitplatte und des Kühlkörpers kann präziser als die obere Oberfläche, die in Kontakt mit den Halbleiterbauteilen ist, ausgeführt werden. Um verbleibende Toleranzen zu kompensieren, kann ein thermisches Schnittstellenmaterial in Form eines Wärmeleitmediums verwendet werden. Die notwendige Dicke dieses Wärmeleitmediums hängt von seinen eigenen Parametern und von der Planarität der Kontaktflächen ab. An der Vorderseite ist es möglich, ein dünneres Wärmeleitmedium zu verwenden, das einen geringeren thermischen Widerstand verursacht.
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Das Wärmeleitmedium kann eine Wärmeleitpaste, ein wärmeleitender Kleber oder ein Phasenwechselmaterial sein.
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Die Aufgabe wird auch durch ein elektronisches Gerät gelöst, das aufweist
eine oben beschriebene Schaltungsanordnung,
ein Gehäuse, das zumindest zwei Aufnahmeschienen zur Aufnahme der Schaltungsanordnung aufweist,
eine Kontaktvorrichtung zur Kontaktierung einer Gegenkontaktvorrichtung, die auf der Leiterplatte der Schaltungsanordnung angeordnet ist, wobei die Kontaktvorrichtung zwischen den Aufnahmeschienen angeordnet ist, so dass die Kontaktierung beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen erfolgt,
einen Kühlkörper, der zwischen den zwei Aufnahmeschienen angeordnet ist, so dass eine Kontaktierung der Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte mit dem Kühlkörper beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen erfolgt und
ein Befestigungsblech, das an den Enden der Aufnahmeschienen befestigt ist und die Schaltungsanordnung gegen den Kühlkörper drückt.
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Der Kühlkörper kann mit zumindest einem Kanal ausgebildet sein, der von einem Kühlfluid durchströmt werden kann. Er kann aber auch stattdessen oder zusätzlich Kühlrippen aufweisen. Das Kühlfluid kann gasförmig oder auch flüssig sein.
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In bevorzugter Weise haben eine Verbindungsfläche des Kühlkörpers und die Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte einen kongruenten Verlauf, so dass sie in innigen Kontakt gebracht werden können, der gut wärmeleitend ist.
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Die Aufnahmeschienen können Nuten und die Wärmeleitplatte auf gegenüberliegenden Seitenwänden zu den Nuten passende Vorsprünge oder umgekehrt aufweisen. Auf diese Weise ist eine gute Führung der Schaltungsanordnung in dem Gehäuse möglich. Es wäre auch möglich, die Leiterplatte in Nuten zu schieben.
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Das Befestigungsblech kann einen L-förmigen Querschnitt haben, um seine Biegesteifigkeit zu erhöhen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
- 3 ein Gehäuseteil mit einer Schaltungsanordnung im nicht eingeschobenen Zustand,
- 4 ein Gehäuseteil mit einer Schaltungsanordnung im eingeschobenen Zustand,
- 5 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in perspektivische Ansicht mit einem Verbindungsblech,
- 6 ein Gehäuseteil mit Aufnahmeschienen und einem Kühlkörper in perspektivischer Ansicht,
- 7 ein Gehäuseteil mit einer eingeschobenen Schaltungsanordnung in perspektivischer Ansicht von schräg oben,
- 8 ein Gehäuseteil mit einer eingeschobenen Schaltungsanordnung in perspektivischer Ansicht von schräg unten und
- 9 in schematischer Weise drei Varianten von Verbindungsflächen.
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In der 2 ist ein Vorschlag für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung skizziert. Dort ist in bekannter Weise ein wärmeerzeugendes Halbleiterbauteil 1 beispielsweise auf einer (nicht dargestellten) Leiterplatte in bekannter Weise montiert und, wie dargestellt, mit einer Wärmeleitplatte 2 verbunden, die etwa parallel zu der Leiterplatte verlaufen würde. Auch hier ist die Wärmeleitplatte 2 mit einem Kühlkörper 4 verbunden, der jedoch - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht in der Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils 1 mit der Wärmeleitplatte 2 verbunden wird, sondern in einer dazu senkrechten Richtung, um eine größere Kraft 5 auf die Verbindungsstelle zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 aufbringen zu können, ohne das Halbleiterbauteil 1 oder dessen Verbindung mit der Leiterpatte zu beschädigen.
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Die Verbindungsstelle zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 kann zwar sehr plan hergestellt werden, sodass ein sehr guter wärmeleitender Kontakt entsteht, es ist jedoch trotzdem möglich, ein Wärmeleitmedium 3 zwischen diesen beiden Teilen vorzusehen, um noch verbliebene etwaige Unregelmäßigkeiten auszugleichen. Allerdings kann die Dicke dieses Wärmeleitmediums 3 wesentlich geringer gewählt werden als bei den Anordnungen des Standes der Technik.
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Wie in der schematischen Darstellung der 2 zu erkennen ist, besteht das erfinderische Prinzip darin, dass die Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils 1 mit der Wärmeleitplatte 2, die in der 2 vertikal dargestellt ist, und die Verbindungsrichtung der Wärmeleitplatte 2 mit dem Kühlkörper 4, der in der Darstellung der 2 horizontal dargestellt ist, senkrecht aufeinander stehen, sodass die aufzubringenden Kräfte voneinander entkoppelt sind.
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In der 3 ist nun, wieder in schematischer Weise, eine solche Schaltungsanordnung dargestellt, die in ein Gehäuse in Form eines bekannten Racks eingeschoben werden soll. Bei dieser Montageweise können entweder die Leiterplatte 6 in Führungsrillen von Aufnahmeschienen dieses Gehäuses in das Gehäuse eingeschoben werden, oder die gesamte Schaltungsanordnung ist als flaches Bauteil beispielsweise in einem zusätzlichen Gehäuse verbaut, wobei dann das gesamte flache Gehäuse in das Rack eingeschoben wird. Eine Kontaktierung der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte 6 findet dann beispielsweise durch einen Steckkontakt am hinteren Ende des Gehäuses statt, wobei die Kontaktvorrichtungen 9 an einer rückseitigen Gehäusewand 7 angeordnet sind und Kantenkontakte 10 auf der Leiterplatte 6 mit den Kontakten dieser Kontaktvorrichtung 9 verbunden werden.
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In der 3 ist eine solche Schaltungsanordnung gezeigt, bei der als Beispiel zwei wärmeleitende Halbleiterbauteile 1 auf einer Leiterplatte 6 montiert sind und auf dem Halbleiterbauteil eine Wärmeleitplatte 2 angeordnet ist. Das Gehäuse bzw. Rack ist lediglich durch seine Rückwand 7 angedeutet an der - wie schon ausgeführt wurde - die Kontaktvorrichtung 9 angeordnet ist und des Weiteren ein Kühlkörper 4, der Kühlkanäle 8 aufweist. Durch einen Pfeil 11 ist die Einschubrichtung der Schaltungsanordnung in das Rack angedeutet, wobei nicht nur die Gegenkontaktvorrichtung 10 auf der Leiterplatte 6 mit der Kontaktvorrichtung 9 an der Gehäuserückwand 7 in Kontakt kommt, sondern außerdem eine Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte 2 mit einer entsprechenden Verbindungsfläche des Kühlkörpers 4. Dazwischen kann ein Wärmeleitmedium 3 vorgesehen sein. Die Verbindungsflächen müssen nicht zwangsläufig plan sein, wie sie in der 2 dargestellt sind, sondern können, wie hier in der 3 dargestellt auch eine andere Form, insbesondere eine Keilform haben, was noch weiter in Verbindung mit der 9 erläutert wird.
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In der 4 ist nun die gleiche Anordnung wie in der 3 dargestellt, jedoch im eingeschobenen Zustand der Schaltungsanordnung in das Gehäuse bzw. Rack.
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Die 5 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der 3 und 4 in einer perspektivischen Darstellung von schräg unten, wobei hier wieder eine plane Verbindungsfläche 12 am Kühlkörper 4 dargestellt ist, der des Weiteren an zwei gegenüberliegenden Seiten Vorsprünge 13 aufweist, die in Nuten in Aufnahmeschienen des Gehäuses eingreifen können. Ebenfalls dargestellt in der 5 ist ein Befestigungsblech 14, das einen etwa L-förmigen Querschnitt aufweist.
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Mit Hilfe dieses Befestigungsblechs 14 kann die Schaltungsanordnung in einem Gehäuse verschraubt werden, wodurch eine Kraft aufgebracht werden kann, mit der die Verbindungsfläche 12 der Wärmeleitplatte 2 mit einer entsprechenden Verbindungsfläche eines Kühlkörpers 4 kraftschlüssig verbunden werden kann.
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Die 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Gehäuseteil, in das eine Schaltungsanordnung eingeschoben werden soll. An einer Gehäuserückseite 7 sind dabei Aufnahmeschienen 15 montiert, die Nuten 16 zur Aufnahme von entsprechenden Vorsprüngen an der Schaltungsanordnung aufweisen. Zwischen den Aufnahmeschienen 15 verläuft der Kühlkörper 4, der im dargestellten Ausführungsbeispiel Kühlkanäle 8 aufweist, durch die ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium geführt werden kann. Ebenfalls zu erkennen sind die an der Gehäuserückwand 7 montierten Kontaktvorrichtungen 9, in die die Leiterplatte 6 eingeschoben werden kann, um einen elektrischen Kontakt herzustellen.
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Eine in ein solches Gehäuse eingeschobene Schaltungsanordnung zeigt nun die 7, wobei eine Leiterplatte 6 durchsichtig angedeutet ist und die Halbleiterbauteile 1 zu erkennen gibt, die auf ihrer der Leiterplatte 6 gegenüberliegenden Seite mit einer Wärmeleitplatte 2 verbunden sind, die mit einer Frontseite mit dem Kühlkörper 4 in Verbindung ist. Der Kühlkörper 4 weist in der dargestellten Ausführung zwei Kühlkanäle 8 auf, durch die ein Fluid strömen kann, was durch Pfeile 17 angedeutet ist.
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Die 8 zeigt noch einmal das Gehäuseteil, das bereits in der 6 dargestellt wurde, dieses Mal jedoch mit einer eingeschobenen Schaltungsanordnung. Zu erkennen ist, dass das Befestigungsblech 14 nun mittels Schrauben 18 mit den Aufnahmeschienen 15 verschraubt ist, sodass die Wärmeleitplatte 2 gegen den Kühlkörper 4 gedrückt wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, hier eine relativ große Kraft aufzubringen, sodass ein sehr guter wärmeleitender Kontakt zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 entsteht, welcher ggf. noch durch ein Wärmeleitmedium zwischen den beiden Verbindungsflächen verbessert werden kann.
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Das Befestigungsblech 14 muss keinen L-förmigen Querschnitt haben. Es kann auch einen anderen Querschnitt oder eine andere als die dargestellte Gestalt haben. Z.B. einen U-förmigen Querschnitt oder als Blattfeder ausgebildet sein usw. Dieses Befestigungselement soll wie ein Biegebalken arbeiten.
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8 zeigt die beiden Auflagerpunkte mit Schrauben 18 und die zentrische Krafteinleitung 5.
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Ziel ist es, die Kraft 5 möglichst zentrisch in die Wärmeleitplatte 2 einzuleiten. Die konstruktive Gestaltung des Befestigungselementes 14 und dessen Durchbiegung bestimmt die Kraft 5, mit der die Wärmeleitplatte 2 gegen den Kühlkörper 4 gedrückt wird. Die Durchbiegung des Befestigungselement 14 wird durch die Längendifferenz der Anschraubpunkte links und rechts und dem zentrischen Auflager Kraft 5 an der Wärmeleitplatte 2 abgestimmt. Die Längendifferenz zeigt sich, wenn das Blade-Module vollkommen eingeschoben ist und die Wärmeleitplatte 2 mit dem Kühlkörper 4 in Kontakt ist. Zwischen dem Befestigungselement 14 wird im spannungslosen Zustand an den beiden äußernden Enden 18 ein Abstand sein. Mit dem Anziehen bis an die Anlagefläche der Aufnahmeschienen 15 mit den Schrauben 18 an den beiden äußeren Enden des Befestigungselementes 14 wird die vorherbestimmte Durchbiegung und damit die gewünschte Anpresskraft 5 erzeugt.
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Wie schon ausgeführt wurde, können die Verbindungsflächen 12 der Wärmeleitplatte 2 und auch des Kühlkörpers 4 plan sein; um jedoch die Fläche zu vergrößern ist es auch möglich, diese keilförmig auszubilden, wie im Ausführungsbeispiel der oberen Darstellung in der 9 dargestellt, es sind jedoch auch abgerundete Ausführungen wie in der mittleren Darstellung dargestellt, möglich.
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Es ist außerdem möglich, zusätzliche Verbindungsteile 19 vorzusehen, die beispielsweise Wärmekanäle 19 aufweisen, was in der unteren Darstellung in der 9 dargestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202013002411 U1 [0002]
