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Die
Erfindung betrifft eine Befestigungseinrichtung für mindestens
ein elektronisches Bauelement an einem Kühlkörper mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Zur
Befestigung von elektronischen Bauelementen, z. B. Leistungstransistoren
an Kühlkörpern, ist
es bekannt, den metallischen Träger
der Leistungstransistoren, der eine größere Kühlfläche aufweist, an einen Kühlkörper entweder
mittels Schrauben anzuschrauben oder mittels einer Klammerfeder anzuklammern.
Es werden dabei oftmals einseitig gelagerte Klammerfedern verwendet,
die einen Befestigungsabschnitt und einen Druckabschnitt aufweisen.
Der Befestigungsabschnitt wird beispielsweise auf eine Kühlrippe
aufgesteckt, während
der dabei gespannte Druckabschnitt mit seinem Ende auf das Bauelement
drückt
und dabei die Kühlfläche des Bauelementes
gegen die Kühlfläche des
Kühlkörpers presst.
Solche Federn können
einseitig gelagerte Klammerfedern sein, die üblicherweise einen bogenförmigen Endabschnitt
aufweisen, der in einem U-förmigen
Lagerabschnitt des Kühlkörpers oberhalb
des Bauelementes selbsthaltend eingesetzt ist. Der abstehende Druckschenkel
wird dabei gespannt und drückt
auf das Bauelement und presst dieses gegen die Kühlfläche des Kühlkörpers.
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Der
Wärmeübergang
kann durch Einbringung von Wärmeleitpasten
verbessert werden. Auch ist eine Isolierung des Bauelements gegenüber dem Kühlkörper durch
Zwischenfügen
einer Isolierfolie, beispielsweise einer Glimmerscheibe, üblich.
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Bei
der Montage werden die gelochten Leiterplatten und die Kühlkörper mit
den daran befestigten Bauelementen miteinander verbunden und nachträglich durch
ein Lötbad
gezogen, wodurch die an der Unterseite vorstehenden Anschlussdrähte der elektronischen
Bauelemente an die Lötstützpunkte der
Leiterbahnen an der Unterseite der Leiterplatte angelötet werden.
Es ist ferner bekannt, mittels Löthilfsvorrichtungen
die elektronischen Bauelemente auf der Leiterplatte während des
Lötvorganges
zu fixieren und nachträglich
die Bauelemente, die angelötet
sind, zusammen mit der Leiterplatte an einem Kühlkörper zu befestigen bzw. den
Kühlkörper an
der Leiterplatte. Werden beispielsweise tunnelartige in Extrusionstechnik
hergestellte Kühlkörper aus
Aluminium verwendet und bildet die Leiterplatte dabei die Gehäuseabdeckung
oder die untere Basisfläche,
so können
die Bauelemente an die beiden seitlichen Kühlkörperteile angeschraubt werden.
Eine nachträgliche
Montage an dem Kühlkörper im
Inneren ist nur schwerlich möglich,
insbesondere das Einfädeln der
Formfedern, um den notwendigen Anpressdruck auf das Bauelement ausüben zu können, damit
das Bauelement mit der Kühlfläche an dem
Kühlkörper anliegt.
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Aus
der
DE 101 54 878
A1 ist ein Halterelement zur Fixierung eines elektronischen
Leistungsbauteils an einen Kühlkörper mittels
eines elastischen Elementes bekannt. Das Halteelement ist im wesentlichen
parallel zum Kühlkörper angeordnet. Das
elastische Element hieran befestigt und drückt das elektronische Leistungsbauteil
gegen den Kühlkörper. Das
Halterelement ist für
den universellen Einbau ausgelegt und ist in einer Bestückungsrichtung
von elektronischen Schaltungselementen an der Leiter platte in einem
bestimmten Abstand zum Kühlkörper positionierbar.
Das elastische Element übt eine
quer zur Bestückungsrichtung
auf das elektronische Leistungsbauteil wirkende Druckkraft aus und ist
so bemessen, dass die gewünschte
Andruckkraft aufgebracht wird. In einer Weiterbildung ist vorgesehen,
dass an dem Halteelement eine Sperrvorrichtung vorgesehen ist, mittels
der das elastische Element, nämlich
die Feder, in einer Montagestellung gehalten wird, in der das Bauteil
zwischen Halteelement und Kühlkörper eingesetzt
und positioniert werden kann. Durch Lösen der Sperrvorrichtung rückt dann
das elastische Element das Bauelement gegen die Kühlkörper. Bei
dieser Ausführung
ist stets ein gesondertes Halteelement erforderlich, das fest an
der Leiterplatte gesondert anzubringen ist und das federnde Element
für die
Herstellung des Kühlkontaktes
des elektronischen Bauelementes mit dem Kühlkörper trägt.
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Aus
der
DE 195 38 642
A1 ist eine Kühl-
und Montageanordnung mit einem Kühlkörper mit
aufragenden parallelen Rippen bekannt, zwischen denen flache Ausnehmungen
gebildet sind. Jede Ausnehmung nimmt ein Halbleiterbauelement auf,
das mittels einer Federeinrichtung, nämlich einer Blattfeder an einer
Rippe angedrückt
und in der Ausnehmung befestigt ist. Die Halbleiterbauelemente sind
in Querausrichtung in einer Reihe miteinander angeordnet, wobei
ihre Anschlüsse über die
Rippen vorragen und gleichartige Anschlüsse jeweils in einer eigenen
Reihe nahe beieinander liegen. Die Anschlüsse sind mit einer auf sie
aufgesteckten und am Kühlkörper anliegenden
Leiterplatte verlötet.
Bei einfacher Montage und gutem Wärmeübergang lassen sich eine hohe Packungsdichte
an Halbleiter-Bauelementen sowie in Folge kurzer Verbindungswege
zur und auf der Leiterplatte eine Parallelschaltung der Halbleiterbauelemente
mit günstigen
elektrischen Eigenschaften erzielen. Die hier verwendete Formfeder
wird in die Hohlräume
zwischen den Rippen eingesetzt. Beim Einsetzen wird sogleich das
Bauelement fixiert und gegen die Kühlrippe gedrückt.
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Aus
der
GB 2 239 739 A ist
ebenfalls eine Andruckfeder bekannt, die mit einem Schenkel an dem
Kühlkörper befestigt
ist und mit dem anderen Schenkel in eine Ausnehmung in einer Leiterplatte eingreift.
Die Formfeder ist so ausgebildet, dass sie beim Einsetzen in die
Ausnehmung der Leiterplatte und beim Überschwenken und Aufsetzen
auf einen Fixieransatz an den Kühlkörper mit
einem Druckabschnitt das Bauelement gegen den Kühlkörper drückt.
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Der
Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde,
eine Befestigungseinrichtung anzugeben die eine nachträgliche einfache
Montage eines an einer Leiterplatte angelöteten Bauelementes an einem
Kühlkörper ohne
zusätzliche
Halteelemente ermöglicht.
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Die
Aufgabe löst
die Erfindung durch Ausbildung der Befestigungseinrichtung nach
der im Anspruch 1 angegebenen technischen Lehre.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen im
Einzelnen selbsterklärend
angegeben.
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Nach
der Erfindung ist es möglich,
Leiterplatten mit komplizierten Anordnungen, insbesondere Reihenanordnungen
von Bauelementen, nachträglich
auch in tunnelförmige
Kühlkörper auf
einfache Art und Weise einzusetzen. Die Montage sieht vor, dass die
Formfedern, die zum Festklammern der Bauelemente dienen, zunächst in
eine Montageposition eingesetzt werden, in der die Druckschenkel
zu den Kühlkörpern hin
offene Einführspalte
bilden, so dass ein einfaches Einsetzen der Leiterplatte mit den
daran durch Lötung
befestigten Bauelementen in den Kühlträgerrahmen ermöglicht wird.
Danach wird die Feder in eine Verraststellung gebracht und drückt auf das
Bauelement. Es ist somit möglich,
mittels Werkzeug oder auch per Hand die Formfeder zu spannen, indem
sie in ihrer Lagerstelle durch Ausübung eines Druckes oder Drehung
so in ihrer Lage verändert wird,
dass der gewünschte
Druck auf das Bauelement erzeugt wird, um ein ständiges Anliegen der Kühlfläche an dem
Kühlkörper zu
gewährleisten.
Bei anderen Ausführungen
kann auch vorgesehen sein, dass die Formfeder so ausgeformt ist,
dass sie mit einer erhöhten
Vorspannung in die Lagerstelle eingebracht wird und dass durch Veränderung
der Lage die Formfeder etwas entspannt wird, wobei dennoch ein ausreichender
Druck auf die Oberfläche
des zu kühlenden
Bauelementes ausgeübt
wird. Zweckmäßigerweise
weist die Formfeder einen Endabschnitt auf, der selbsthaltend unter
Ausnützung
der eigenen Federkraft in einer U-förmigen Lagerkammer gehalten
ist. Durch Ausbildung der Lagerkammer mit beispielsweise vorstehenden
Rastvorsprüngen
oder durch Bogenabschnitte kann dabei eine Anpassung zwischen der
Formfeder und der Lagerkammer derart erfolgen, dass diese auf einfache
Weise in verschiedenen Rastpositionen der Endabschnitt verbracht
werden kann, um nach dem Einsetzen der Bauelemente in den Öffnungsspalt
der vormontierten Formfeder die gewünschte Druckkraft auf das Bauelement
ausüben
zu können,
indem auf die Feder durch Druck in ihrer Lageposition verschoben
oder verdreht wird. Der Halteteil der Formfeder kann als langgestrecktes
S ausgebildet sein, aus dessen Verbindungsteil der Druckfederschenkel
hervorsteht. Das eine Ende des Halteteils wird zum Verbringen der
Formfeder in die Montagestellung auf einen zungenförmigen Ansatz
am Kühlkörper aufgeschoben. Beim
späteren
Verbringen in die Verraststellung durch weiteres Aufschieben greift
ein Rastschenkel am zweiten Ende des Halteteils hinter einen Rastansatz
am Kühlkörper. Gleichzeitig
wird der Druckschenkel gespannt. Die Formfeder selbst kann am Anlageende
auch eine U-förmige Öffnung aufweisen, so
dass in diese selbst nachträglich
andere Bauelemente eingesteckt werden können, die unter Wirkung der
Klammerfeder gehalten sind.
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Eine
Besonderheit besteht darin, dass die Formfeder beispielsweise mit
dem oberen Abschnitt nur in einen Kanal hineingesteckt ist und einen
ausgeformten Rastansatz aufweist, z. B. einen abstehenden federnden,
als Rückzugssicherung
ausgebildeten Rastansatz, der Bogenelemente oder Rastnasen aufweist,
die in konturangepasste Lagerstellen in einer Leitkurve in einer
Führungsausnehmung
eingreifen. Der federnde Rastansatz und das Ende der Formfeder,
die in Halteschlitze des Kühlkörpers eingesetzt
werden, sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass durch Hineindrücken des
Rastansatzes in die Führungsausnehmung
eine Montagestellung eingenommen wird, in der der freie Schenkel
einen relativ großen
Abstand zum Kühlkörper bildet,
um ein ungehindertes Zwischenfügen
des Bauelementes zu ermöglichen.
Wird hingegen auf den oberen Teil der Formfeder gedrückt, so
rastet der Rastansatz in der Führungsausnehmung
in die Endposition, in welcher der freie Schenkel der Formfeder
unter Aufbringung einer Federkraft an der Oberfläche des Bauelementes anliegt
und auf diese eine Druckkraft ausübt. Selbstverständlich kann
bei entsprechender Ausbildung des Bauelementes dieser Federabschnitt
auch seitlich am Bauelement vorbeigeführt sein und auf die Kühlkörperfläche des
Bauelementes drücken,
die an der entsprechend korrespondierenden Fläche des Kühlkörpers anliegt.
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In
weiterer Ausgestaltung dieser Ausführung kann auch vorgesehen
sein, dass eine Rückzugssicherung
in Form einer Sperrnase in der Endposition eine Sperrwand hintergreift,
so dass die Verbindung nur schwerlich auflösbar ist. Dem Fachmann eröffnen sich
hier diverse Möglichkeiten,
um in gewünschter Weise
eine Vormontage der Formfeder vornehmen zu können und nachträglich nachdem
Einsetzen des Bauteils die Position der Formfeder so zu verändern, dass
die gewünschte
Andruckkraft auf das Bauteil ausgeübt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele
ergänzend
erläutert.
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In 1 ist
in einer vereinfachten Schnittzeichnung eine Hälfte eines U-förmigen Kühlkörpers 2 aus
Aluminium dargestellt, an dessen beidseitigen Teilen eine Leiterplatte 7 befestigt
ist, an der sich an einer Seite elektronische Bauelemente 1 in
Reihe angeordnet befinden. Diese elektronischen Bauelemente sind
beispielsweise Leistungstransistoren, z. B. FET's, wie sie zur Verstärkung von Audiosignalen und
für andere
Zwecke eingesetzt werden. Der Kühlkörper 2 weist
außenseitig
vorstehende Kühlrippen auf,
die nicht erfindungsrelevant sind. Der Winkelkörper 2 weist an der
Oberseite und zwar oberhalb der Bauelemente 1, in Form
eines Längskanals
eine Lagerstelle 3 für
mindestens eine Formfeder 5 auf. Der Kühlkörper 2 selbst besteht
z. B. aus Aluminium und ist im Extruderverfahren hergestellt. Die
Lagerstelle 3 ist ein U-förmiger Kanal, der aus einer
unteren Wand 11 und einer oberen Wand 12 besteht.
Die obere Wand 12 weist an einer überstehenden Verlängerung eine
Arretierungsnase 13 auf. In die Lagerstelle 3 ist eine
Formfeder 5 mit dem oberen Abschnitt 4, der im Wesentlichen
S-förmig
gebogen ist, eingesetzt und befindet sich in der Montagestellung.
Durch die Bemessung des Bogens und durch die vorgesehene Kröpfung, in
die die Arretierungsnase 13 eingreift, ist ein sicherer
Halt der Feder in der Lagerstelle 3 in der dargestellten
Montageposition gegeben. Die Formfeder 5 weist einen sich
nach unten erstreckenden Druckschenkel auf, der mit dem unteren
Ende 6 in Höhe
der Mitte der Fläche
des Bauelementes 1 endet. In der Montagestellung ist zwischen
dem unteren Ende 6 und dem Kühlkörper 2 ein größerer Abstand gegeben
als die Dicke des Bauelementes 1, so dass die Leiterplatte 7 mit
den daran befestigten Bauelementen 1 auf einfache Weise
in den Kühlkörper ungehindert
einsetzbar ist, wobei die Bauelemente 1 in den gebildeten
Spalt zwischen den einzelnen Formfedern 5 und dem Kühlkörper 2 eingreifen.
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Wird
nun auf die Formfeder 5 in der Montagestellung eine Druckkraft
von links angreifend im oberen Bereich ausgeübt, so verändert sich die Lage des oberen
Bogens 4 in der Lagerstelle 3 und zwar derart,
dass eine höhere
Druckkraft auf den Druckschenkel der Formfeder 5 ausgeübt wird,
der gleichzeitig mit dem unteren Ende 6 auf die Oberfläche des Bauelementes 1 drückt und
dieses gegen den Kühlkörper 2 presst.
Diese Verraststellung ist in 2 verkleinert
dargestellt. Bei Druckausübung
auf die Formfeder gleitet diese weiter in die Lagerstelle 3 hinein,
so dass auch von daher die erforderliche Spannkraft aufgebracht
wird. Die Montage kann unter Zuhilfenahme eines Hilfswerkzeuges
erfolgen aber auch von Hand, so dass auch dann, wie die Abbildung
zeigt, bei tunnelartiger Anordnung eine einfache Montage möglich wird,
ohne die Federn erst nachträglich
in die Lagerstelle einfädeln
zu müssen. Wird
nun z. B. zwischen dem Bauelemente 1 und dem Kühlkörper 2 eine
Isolierschicht eingebracht, so kann an dem Kühlkörper in Einschubrichtung des Bauelementes
eine Nase unterhalb der Isolierung vorgesehen sein, die das Bauteil
in Richtung des Federendes ablenkt und erst nach Überlaufen
des Ansatzes in Richtung der zwischengefügten Isolierung wieder verschwenkt.
Dies erleichtert die Montage ebenfalls.
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Eine
Variante zu der Ausführung
in den 1 und 2 ist in den 3a bis 3c dargestellt.
Hierin ist eine Formfeder 5 eingezeichnet, die einen freigeschnittenen
Druckschenkel, einen Rastansatz 8 und einen damit zusammenwirkenden
Lagerabschnitt 4 aufweist, der als bogenförmiges Ende ausgebildet
ist, das in einer kurvenförmigen
Führungskammer 9 in
verschiedene Stellungen verbracht werden kann, wie aus den 3a bis 3c ersichtlich
ist. Bei der Montage wird das obere Ende 4 der Formfeder 5 in
eine entsprechend konturenangepasste Lagerstelle 3 eingesetzt.
Der Schenkel, der die Rastansätze 8 aufweist,
wird in die Führungskammer 9 eingesetzt,
wie aus 3b ersichtlich ist. Dadurch
ist ein sicherer Halt der Formfeder 5 in der Montagestellung
gegeben, zugleich aber auch ein Öffnungsspalt
zwischen dem unteren Ende 6 und dem Kühlkörper 2 bzw. zu der
Oberfläche
des Bauelementes 1. Wird nun die Formfeder 5 im
oberen Bereich in die Führungskammer 9 vollständig hineingedrückt, wie
aus 3c ersichtlich ist, bewirkt dies, dass das untere
Ende 6 auf die Oberfläche
des Bauelementes 1, im Ausführungsbeispiel auf die Oberfläche der
Kühlwand
des Bauelementes 1, drückt
und diese in gewünschter
Weise gegen den Kühlkörper 2 presst.
Durch diese Ausbildung der Formfeder 5 ist ebenfalls eine
Vormontage der Formfeder 5 möglich, um einfach die Bauelemente
nachträglich
in den Lagerschlitz einführen
zu können.
Durch Verschwenken der Formfeder 5 mit den Rastansätzen 8 in
der Führungskammer 9 werden
dabei der gewünschte
Kontaktdruck aufgebaut und das Bauelement 1 gesichert gehalten.
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Eine
Variante zu den 3a bis 3c ist aus
den 4a bis 4c ersichtlich.
Diese besteht darin, dass anstelle der Rastansätze in Bogenform hier ein Rückzugssicherungsansatz 15 vorgesehen ist,
der ebenfalls auf einer Leitkurve der Führungskammer 9 entlang
gleitet und eine Sperrwand 14 hintergreift. Dieser aus
der Formfeder 5 heraus gebogene Rastansatz 15 sperrt
die Formfeder 5 gegen unbeabsichtigtes rückwärtiges Herausziehen.
Sie kann praktisch nur durch Deformierung oder Überheben des Endes aus der
Arretierungsposition in 4c, in der
sie mit dem Schenkel 6 an der Kontaktfläche anliegt, herausgezogen
werden. Im Übrigen
ist auch hier eine Vormontageposition vorgesehen, in der der Rastvorsprung 15 die
Rastnase 16 der Auflaufschräge in der Führungskammer 9 hintergreift.
Durch weiteres Verschieben dieses Rastansatzes in die Führungskammer 9 hinein
hintergreift der Rastansatz 15 die Sperrwand 14,
wobei gleichzeitig die Lagesicherung des Federschenkels gegeben
ist, wie aus 4c ersichtlich ist.
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Eine
weitere Variante mit anderen Anlenkungsmöglichkeiten der Formfeder in
einer Lagerstelle 3 in einem Kühlkörper 2 ist aus den 5a und 5b ersichtlich.
Der ausgeformte Federschenkel 8 mit Rastansatz kann dabei
auch die dargestellte Form aufweisen und in eine länglichere
Führungskammer 9 eingeschoben
werden. Durch die Ausbildung ist ebenfalls eine Vormontageposition
einnehmbar und eine Endmontageposition, in der die Feder auf das
Bauelement 1 drückt,
um dieses gegen den Kühlkörper 2 zu
drücken.
In 5b ist eine weitere vorstehende Rastnase am Rastansatz 8 sichtbar. Dieser
federnde Ansatz greift über
eine Rastnase 16 der Führungskammer 9,
wenn sie in die Endposition verbracht wird.
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Aus 6 ist
eine Variante zu 1 ersichtlich. Die Formfeder 5 weist
ein unteres klammerförmiges
Ende 6 auf, in das ein Bauteil 10, z. B. ein Potentiometer,
eingesetzt ist. Dies wird praktisch eingeklemmt und hat oben einen
Stützlagerpunkt
an dem oberen Abschnitt der Formfeder 5. Es ist ersichtlich, dass
so auch weitere Bauelemente auf einfache Weise an der Formfeder
selbst befestigt werden können.
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In
den 7 und 8 ist eine weitere Variante
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Befestigungseinrichtung dargestellt. Die Formfeder 5 weist zur
Einnahme einer Montagestellung und einer Verraststellung ein im
wesentlichen S-förmig
horizontal verlaufendes Ende 4 auf, das einen unteren Endschenkel 17 aufweist,
der nach unten vorsteht, und zwar rückseitig in Schieberichtung,
und einen oberen Endschenkel 18, der als Klemmschenkel
mit dem Mittenteil zusammenwirkt und klemmend auf einen Ansatz 19 des
Kühlkörpers 2 aufschiebbar
ist. In der Montagestellung, die in 7 dargestellt
ist, weist das Ende 6 des Druckschenkels der Formfeder 5 einen
bestimmten Ab stand zum Bauelement 1 auf und bildet eine
Einführöffnung.
Im vollständig
aufgeschobenen Zustand liegt das Ende 6 unter Federspannung
auf der Oberfläche
des Bauelementes 1 auf und drückt die Rückseite gegen den Kühlkörper 2 und
der Endschenkel 17 hintergreift rückzugssichernd die Rastnase 16.
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Ein
weiteres Beispiel ist in 9 dargestellt und zeigt eine
Formfeder 5, die ähnlich
ausgeformt ist wie jene in den 3a bis 3c.
Ein obiges, nach außen
gebogenes Ende 4 ist dabei in eine Lagerstelle 3 des
Kühlkörpers eingesetzt.
Die Formfeder weist einen herausgebogenen Rastansatz 8 auf, der
gegenläufig
sich zum Ende 4 erstreckt und einen vorderen Abschnitt 19 aufweist,
der die Formfeder 5 in der Montagestellung fixiert. Daran
schließt
sich eine nach unten vorstehende Welle an, die durch Druck auf die
Formfeder 5 in die Führungsausnehmung 9 des
Kühlkörpers hineingedrückt wird
und hinter eine Rastnase 16 greift. In dieser Verraststellung drückt das
unteren Ende 6 der Formfeder 5 auf die Oberfläche des
Bauelementes 1 und presst dieses gegen den Kühlkörper 2.
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- 1
- Bauelement
- 2
- Kühlkörper
- 3
- Lagerstelle
- 4
- Ende
- 5
- Formfeder
- 6
- Ende
- 7
- Leiterplatte
- 8
- Rastansatz
- 9
- Führungsausnehmung
- 10
- Bauelement
- 11
- untere
Wand
- 12
- obere
Wand
- 13
- Arretierungsnase
- 14
- Sperrwand
- 15
- Rastvorsprung
- 16
- Rastnase
- 17
- Endschenkel
- 18
- Endschenkel
- 19
- Ansatz