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Arrangement for cooling an arranged on a printed circuit board electrical component Download PDF

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Abstract

Anordnung zum Kühlen eines auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelementes,
bei der Wärme über eine wärmeleitende Matte (7) abgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bauelement (3) wärmeleitend über Distanzbolzen (11, 12) mit einer Metallplatte (15) verbunden ist,
und dass die Metallplatte (15) über die Matte (7) mit einem Kühlkörper (8) verbunden ist.Arrangement for cooling an electrical component arranged on a printed circuit board,
in which heat is dissipated via a thermally conductive mat (7),
characterized,
the component (3) is connected to a metal plate (15) in a thermally conductive manner via spacer bolts (11, 12),
and that the metal plate (15) is connected to a heat sink (8) via the mat (7).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen eines auf einer Leiterplatte angeordneten Bauelementes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an arrangement for cooling a printed circuit board arranged component according to the preamble of claim 1.

Zum Kühlen eines elektrischen Bauelementes ist es bekannt, einen Kühlkörper vorzusehen, der thermisch mit dem Bauelement gekoppelt ist. Der Kühlkörper ist in der Form und Größe dem Bauelement und der abzuführenden Wärme angepasst. Zum Abführen der Wärme kann der Kühlkörper von Kühlluft umströmt sein oder vom Kühlwasser durchströmt sein. Wenn das Bauelement in einer dicht gepackten Schaltungsanordnung angeordnet ist, ist es in den meisten Fällen aus Platzgründen nicht möglich, standardisierte oder vorgefertigte Kühlkörper einzusetzen. Individuell an das Bauelement angepasste Kühlkörper sind kostenaufwendig, insbesondere wenn diese bei oberflächenmontierten Bauteilen angewendet werden sollen.To the Cool of an electrical component, it is known to provide a heat sink, which is thermally coupled to the device. The heat sink is in the shape and size of the component and the payable Heat adjusted. To the lead away the heat the cooling body can be flowed around by cooling air or from the cooling water flows through be. If the device is in a tightly packed circuit is arranged, it is in most cases not for reasons of space possible, to use standardized or prefabricated heat sinks. Individually are adapted to the device heatsink Costly, especially if these surface-mounted Components are to be applied.

Zum Kühlen von Bauelementen sind wärmeleitende, elektrisch isolierende Matten bekannt, die von der Bestückungsseite her an die zu kühlenden Bauelemente angelegt werden. Durch die Elastizität der Matten ist es möglich, Bauelemente unterschiedlicher Höhe zu kontaktieren. In dem DE 298 17 185 U1 wird eine wärmeleitende Einlegematte zwischen eine elektronische Bauteile tragende Platine und einem Wandteil verwendet. Die Dicke der Einlegematte ist so dimensioniert, dass ein möglichst guter Kontakt zur Platinenunterseite besteht. Auf der Seite der Platine hat die Einlegematte eine höhenausgleichende Struktur in Form von erhabenen Lamellen. Trotz der höhenausgleichenden Struktur ist es nicht in jedem Fall möglich, größere Höhenunterschiede wärmeleitungsmäßig mit einer elastischen Matte zu überbrücken. Bei oberflächenmontierten Bauelementen bestehen große Höhenunterschiede zwischen wärmeabgebenden Halbleiterbauelementen und passiven Bauelementen, wie Kondensatoren. Aufgrund der hohen Packungsdichte bei Leiterplatten mit oberflächenmontierten Bauelementen ist es problematisch, niedrige Bauelemente mit einer elastischen Matte wärmeleitend zu kontaktieren, insbesondere dann, wenn ein wärmeerzeugendes flaches Bauelement dicht neben einem hohen Bauelement angeordnet ist.For cooling of components thermally conductive, electrically insulating mats are known, which are applied from the component side to the components to be cooled. Due to the elasticity of the mats, it is possible to contact components of different heights. By doing DE 298 17 185 U1 a thermally conductive insert mat is used between a board carrying electronic components and a wall part. The thickness of the mat is dimensioned so that the best possible contact with the underside of the board exists. On the side of the board, the insert mat has a height-compensating structure in the form of raised lamellas. Despite the height-compensating structure, it is not always possible to bridge larger differences in height thermally with an elastic mat. In surface mounted devices, there are large differences in height between heat dissipating semiconductor devices and passive devices, such as capacitors. Due to the high packing density of printed circuit boards with surface mounted components, it is problematic to contact low components with an elastic mat heat-conducting, especially when a heat-generating flat component is arranged close to a high component.

Bei einer Schaltungsanordnung nach der DE 101 62 749 A1 sind Wärme erzeugende Bauelemente und Kühlelemente auf der Oberfläche einer Leiterplatte montiert. Als Kühlelemente dienen Leiterschichten, eine Metallplatte, eine wärmeleitende elektrisch isolierende Schicht und ein metallisches Kühlelement. Zwischen dem Bauelement und der Metallplatte bestehen Lötbrücken.In a circuit arrangement according to the DE 101 62 749 A1 Heat generating components and cooling elements are mounted on the surface of a printed circuit board. The cooling elements used are conductor layers, a metal plate, a thermally conductive electrically insulating layer and a metallic cooling element. There are solder bridges between the component and the metal plate.

In der DE 197 36 962 A1 ist eine Anordnung gezeigt, bei der ein Leistungsbauelement auf einer Seite und ein Kühlkörper auf der anderen Seite einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Wärmeleitung zwischen dem Bauelement und dem Kühlkörper erfolgt über Durchkontaktierungen und einem wärmeleitenden Kleber. Die Schichtdicke des Klebers wird von Lötkappen an der Unterseite der Leiterplatte vorgegeben.In the DE 197 36 962 A1 an arrangement is shown in which a power device on one side and a heat sink on the other side of a circuit board are arranged. The heat conduction between the component and the heat sink via via holes and a thermally conductive adhesive. The layer thickness of the adhesive is determined by solder caps on the underside of the circuit board.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Kühlen eines auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelementes zu entwickeln, die eine verbesserte Kühlwirkung unterschiedlich hoher Bauelemente mittels Wärmeleitmatten ermöglicht.task The invention is an arrangement for cooling a on a circuit board arranged to develop electrical component, which improved cooling effect allows different levels of components by means of heat conductivities.

Die Aufgabe wird mit einer Anordnung gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The The object is achieved with an arrangement which the features after Claim 1. Advantageous embodiments emerge the dependent claims.

Gemäß der Erfindung wird die Wärme aus dem Bauelement über Distanzbolzen zunächst in eine Metallplatte geführt, wobei die Metallplatte keinen direkten Kontakt zu dem Bauelement aufweist. Die Metallplatte liegt in der Höhe auf einem durchschnittlichen Niveau benachbarter Bauelemente, so dass mit einer wärmeleitenden Matte zwischen dem Bauelement und einem Kühlkörper die Wärme schließlich in den Kühlkörper überführt werden kann.According to the invention gets the heat from the device over Distance bolts first led into a metal plate, wherein the metal plate is not in direct contact with the device having. The metal plate is in height on an average Level of adjacent components, so that with a thermally conductive Mat between the device and a heat sink, the heat will eventually be transferred to the heat sink can.

Die Distanzbolzen können einen sechseckförmigen oder kreisförmigen Querschnitt besitzen und aus einem thermisch und/oder elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer oder Messing, bestehen. Wenn das Bauelement auf der Leiterplatte verlötet ist, dann ist es von Vorteil, dass zur Wärmeableitung mindestens eine entsprechend stark dimensionierte Leiterbahn zwischen dem Bauelement und einem wärmeleitenden Distanzbolzen vorgesehen ist. Bei Bauelementen mit Kühlfahne kann die Kühlfahne direkt mit einem Distanzbolzen thermisch verbunden sein.The Distance bolts can a hexagonal or circular Cross section and from a thermal and / or electrical good conductive material, such as copper or brass. If the component is soldered to the circuit board, then it is an advantage that for heat dissipation at least a correspondingly large-sized conductor track between the component and a thermally conductive Distance bolt is provided. For components with cooling flag can the cooling flag be thermally connected directly to a spacer bolt.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn zusätzlich zu den Distanzbolzen eine direkte wärmeleitende Verbindung zwischen einem zu kühlenden Bauelement und einer Metallplatte über einen wärmeleitenden elastischen Körper besteht.It is also advantageous if in addition to the spacer bolts a direct heat conducting connection between a to be cooled Component and a metal plate over a thermally conductive elastic body.

Bei Leiterplatten mit mehreren zu kühlenden Bauelementen kann die Anordnung nach Anspruch 1 mehrfach vorgesehen werden, wobei die den Bauelementen zugeordneten Metallplatten die Wärme über eine Matte auf einen gemeinsamen Kühlkörper abführen. Weil die Matte isolierend ist, treten elektrisch keine Kurzschlüsse zwischen den Bauelementen auf. Wenn die Metallplatten mit dem jeweiligen zu kühlenden Bauelement elektrisch verbunden sind, dann können die Metallplatten zusätzlich mit Strom/Spannungsabgriffselementen versehen sein, so dass elektrischen Verbindungen zu anderen Bauelementen herstellbar sind, die das gleiche Potential wie das jeweilige zu kühlende Bauelement aufweisen.In printed circuit boards having a plurality of components to be cooled, the arrangement according to claim 1 can be provided several times, wherein the metal plates associated with the components dissipate the heat via a mat on a common heat sink. Because the mat is insulating, there are no electrical short circuits between the components. When the metal plates are electrically connected to the respective component to be cooled, then the metal plates can be additionally provided with current / Spannungsabgriffselementen so that electrical connections to other components can be produced, which have the same potential as the respective component to be cooled.

Der Kühlkörper selbst kann wassergekühlt sein oder mit einen wassergekühlten Körper in Wämekontakt stehen. Zur Wärmeabführung vom Kühlkörper können auch andere Mittel wie Luft oder Peltierkühlung, zum Einsatz kommen.Of the Heat sink itself can be water cooled or with a water-cooled body in contact with the heat stand. For heat dissipation from Heatsinks can also other means such as air or Peltier cooling, are used.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden, es zeigen:The Invention is based on an embodiment even closer explained will show it:

1: ein Schema einer Elektronikeinheit mit unterschiedlich hohen Bauelementen, und 1 a schematic of an electronic unit with different levels of components, and

2: ein Schema einer Variante mit zusätzlichem Einsatz eines wärmeleitenden Materials. 2 a scheme of a variant with additional use of a thermally conductive material.

In 1 ist ein Schema einer Elektronikeinheit dargestellt, wie sie typisch bei Stromversorgungen von Halbleiterlasern benötigt wird. Derartige Stromversorgungen sind wegen den hohen Strömen und den hohen Stromspitzen in der Nähe des Anwendungsortes der Halbleiterlaser untergebracht. Bei Anwendungsfällen mit wenig zur Verfügung stehendem Bauraum ist eine hohe Packungsdichte der elektrischen Bauelemente notwendig, die spezielle Lösungen zur Kühlung von Bauelementen erfordert. Wie in 1 dargestellt, befindet sich in einem Gehäuse 1 eine Leiterplatte 2 mit zu kühlende Oberflächen montierten Bauelementen wie ein Leistungstransistor 3, eine Drossel 4 und ein Kondensator 5, auf einer Seite der Leiterplatte 2. Die Rückseite der Leiterplatte 2 trägt weitere nicht zu kühlende Bauelemente 6. Die Drossel 4 und der Kondensator 5 besitzen eine einheitliche Bauhöhe von z. B. h1 = 8 mm oder h2 = 7,5 mm. Der Leistungstransistor 3 weist nur eine Bauhöhe von 4 mm auf, d. h., die benachbarte Drossel 4 überragt den Leistungstransistor 3 erheblich. Auf der von Leiterplatte 2 abgewandten Seite der Drossel 4 und des Kondensators 5 befinden sich ebene Flächen mit einem guten Wärmeübergang zu einer Wärmeleitmatte 7, die auf den besagten Flächen aufliegt. Die Wärmeleitmatte 7 steht im Flächenkontakt mit einem Kühlblech 8, wobei die Leiterplatte 2 so in dem Gehäuse 1 befestigt ist, dass die Drossel 4 und der Kondensator 5 die Wärmeleitmatte 7 geringfügig zusammendrückt und in Anlage an dem Kühlblech 8 hält.In 1 a schematic of an electronic unit is shown, as is typically required in power supplies of semiconductor lasers. Such power supplies are housed near the point of application of the semiconductor lasers because of the high currents and high current spikes. In applications with little available space, a high packing density of the electrical components is necessary, which requires special solutions for cooling of components. As in 1 represented, is located in a housing 1 a circuit board 2 with surfaces to be cooled mounted components such as a power transistor 3 , a throttle 4 and a capacitor 5 , on one side of the circuit board 2 , The back of the circuit board 2 carries other non-cooling components 6 , The throttle 4 and the capacitor 5 have a uniform height of z. B. h 1 = 8 mm or h 2 = 7.5 mm. The power transistor 3 has only a height of 4 mm, ie, the adjacent throttle 4 surpasses the power transistor 3 considerably. On the of circuit board 2 opposite side of the throttle 4 and the capacitor 5 there are flat surfaces with a good heat transfer to a Wärmeleitmatte 7 which rests on said surfaces. The thermal conductivity mat 7 is in surface contact with a cooling plate 8th , where the circuit board 2 so in the case 1 attached is that the throttle 4 and the capacitor 5 the thermal conductivity mat 7 slightly compressed and in contact with the heat sink 8th holds.

Zur Kühlung des Leistungstransistors 3 sind eine Reihe gesonderter Maßnahmen getroffen. Zum Zwecke der Wärmeleitung steht der Leistungstransistor 3 mit Leiterbahnen 9, 10 aus Kupfer in Kontakt, die großflächig ausgeführt sind und die bis unter Stehbolzen 11, 12 reichen, welche mit Schrauben 13, 14 in der näheren Umgebung des Leistungstransistors 3 auf der Leiterplatte 2 befestigt sind. Die Stehbolzen 11, 12 bestehen ebenfalls aus Kupfer, so dass sie durch Wärmeleitung im Wesentlichen die Temperatur des Leistungstransistors 3 annehmen. Die Stehbolzen 11, 12 tragen eine Kupferplatte 15, welche mit versenkten Schrauben 16, 17 befestigt ist. Die Stehbolzen 11, 12 könnten ebenso durch Löten, Nieten oder Pressen an der Leiterplatte 2 bzw. der Kupferplatte 15 befestigt sein. Über die Auflagenflächen der Stehbolzen 11, 12 und die Schrauben 16, 17 besteht eine guter Wärmeübergang zu der Kupferplatte 15, so dass diese ebenfalls im Wesentlichen die Temperatur des Leistungstransistors 3 aufweist. Die Stehbolzen 11, 12 sind höhenmäßig so dimensioniert, dass sie unter Berücksichtigung der Dicke der Kupferplatte 15 das Höhenniveau der ebenfalls zu kühlenden Drossel 4 und des Kondensators 5 erreichen. Damit erhält die Kupferplatte 15 ebenso Kontakt zu der Wärmeleitplatte 7, wie die Drossel 4 und der Kondensator 5.For cooling the power transistor 3 a number of separate measures have been taken. For the purpose of heat conduction is the power transistor 3 with tracks 9 . 10 made of copper in contact, which are executed over a large area and up to studs under 11 . 12 range, which with screws 13 . 14 in the vicinity of the power transistor 3 on the circuit board 2 are attached. The studs 11 . 12 are also made of copper, so that they are by heat conduction essentially the temperature of the power transistor 3 accept. The studs 11 . 12 wear a copper plate 15 , which with countersunk screws 16 . 17 is attached. The studs 11 . 12 could also be done by soldering, riveting or pressing on the circuit board 2 or the copper plate 15 be attached. Over the support surfaces of the stud bolts 11 . 12 and the screws 16 . 17 there is a good heat transfer to the copper plate 15 so that these are also essentially the temperature of the power transistor 3 having. The studs 11 . 12 are dimensioned in height so that they take into account the thickness of the copper plate 15 the height level of the also to be cooled throttle 4 and the capacitor 5 to reach. This preserves the copper plate 15 also contact the heat conducting plate 7 like the throttle 4 and the capacitor 5 ,

Über die Drossel 4, den Kondensator 5, die Stehbolzen 11, 12, die Kupferplatte 15 und die Wärmeleitmatte 7 wird nahezu die gesamte auf der Leiterplatte 2 entstehende Wärme in das Kühlblech 8 geleitet. Das Kühlblech 8 steht in gutem Wärmekontakt mit einem Kupferblock 18 der wassergekühlt ist. Mit dem Kühlwasser wird die unerwünschte Wärme an einen Ort geführt, wo die Wärme keinen negativen Einfluss auf einen Mess- oder Bearbeitungsprozess ausüben kann. Der Wärmefluss von den Lötstellen des Leistungstransistors 3 zum Kupferblock 18 ist mit dünnen Pfeillinien 19 gekennzeichnet.About the throttle 4 , the condenser 5 , the studs 11 . 12 , the copper plate 15 and the thermal pad 7 will be almost the entire on the circuit board 2 resulting heat in the heat sink 8th directed. The heat sink 8th is in good thermal contact with a copper block 18 which is water cooled. With the cooling water, the unwanted heat is led to a place where the heat can not exert a negative influence on a measuring or machining process. The heat flow from the solder joints of the power transistor 3 to the copper block 18 is with thin arrow lines 19 characterized.

In 2 ist eine Variante gezeigt, bei der die Kühlwirkung des Leistungstransistors 3 noch verbessert ist, indem in den Freiraum zwischen dem Leistungstransistor 3 und der Kupferplatte 15 ein gut wärmeleitendes Gummistück 20 eingebracht ist. Das Gummistück 20 umschließt den Leistungstransistor 3 und liegt flächig an der Kupferplatte 15 an. Die restlichen in 2 gezeigten Elemente besitzen jeweils die Funktion der mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elemente aus 1.In 2 a variant is shown in which the cooling effect of the power transistor 3 is still improved by putting in the space between the power transistor 3 and the copper plate 15 a good heat conducting rubber piece 20 is introduced. The piece of gum 20 encloses the power transistor 3 and lies flat on the copper plate 15 at. The rest in 2 The elements shown each have the function of the elements provided with the same reference numerals 1 ,

11
Gehäusecasing
22
Leiterplattecircuit board
33
Leistungstransistorpower transistor
44
Drosselthrottle
55
Kondensatorcapacitor
66
Bauelementmodule
77
WärmeleitmatteWärmeleitmatte
88th
Kühlblechheatsink
9, 109 10
Leiterbahnconductor path
11, 1211 12
Stehbolzenstuds
13, 1413 14
Schraubescrew
1515
Kupferplattecopperplate
16, 1716 17
Schraubescrew
1818
Kupferblockcopper block
1919
Pfeilliniearrow line
2020
Gummistückrubber piece

Claims (5)

Anordnung zum Kühlen eines auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelementes, bei der Wärme über eine wärmeleitende Matte (7) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (3) wärmeleitend über Distanzbolzen (11, 12) mit einer Metallplatte (15) verbunden ist, und dass die Metallplatte (15) über die Matte (7) mit einem Kühlkörper (8) verbunden ist.Arrangement for cooling an electrical component arranged on a printed circuit board, in which heat is transmitted via a thermally conductive mat ( 7 ) is discharged, characterized in that the component ( 3 ) heat-conducting via spacer bolts ( 11 . 12 ) with a metal plate ( 15 ), and that the metal plate ( 15 ) over the mat ( 7 ) with a heat sink ( 8th ) connected is. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (3) wärmeleitend über mindestens eine Leiterbahn (9, 10) mit der Metallplatte (15) verbunden ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the component ( 3 ) thermally conductive via at least one conductor track ( 9 . 10 ) with the metal plate ( 15 ) connected is. Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, das das Bauelement (3) über einen wärmeleitenden elastischen Körper (20) mit der Metallplatte (15) verbunden ist.Arrangement according to claim 1 to 2, characterized in that the component ( 3 ) via a thermally conductive elastic body ( 20 ) with the metal plate ( 15 ) connected is. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) wassergekühlt ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the heat sink ( 8th ) is water cooled. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (8) mit einem wassergekühlten Körper (18) wärmeleitend verbunden ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the heat sink ( 8th ) with a water-cooled body ( 18 ) is thermally conductively connected.
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