DE3627372A1 - Kuehlkoerper fuer elektronische bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für elektronische Bauelemente, wie Leistungstransistoren und IC's, die mit ihren Anschlüssen auf der Lötseite einer gedruckten Leiterplatte angelötet sind.

Es ist allgemein bekannt, daß Leistungsbauelemente der Halbleitertechnik infolge der von ihnen erzeugten Wärme, die auf eine Verlustleistung zurückzuführen ist, gekühlt werden müssen. Zu diesem Zweck weisen die Bauelemente in der Regel Kühlflächen auf, die durch aufgesetzte oder angeschraubte Kühlkörper wesentlich vergrößert werden. Die Kühlkörper übernehmen dabei die Funktion der ventilatorlosen Wärmeableitung, wobei je nach anfallender Verlustleistung der Kühlkörper so ausgebildet ist, daß die Oberfläche möglichst groß und ein optimaler Wärmeübergang zwischen den Kontaktflächen gegeben ist.

Die elektronischen Bauelemente werden in der Regel auf der Bestückungsseite einer Leiterplatte montiert. An der Leiterpatte sind ferner die Kühlkörper befestigt oder aber, falls es sich um leichtere Kühlkörper handelt, direkt auf den befestigten Bauelementen angesetzt. Üblich ist es aber auch, einen Blechrahmen um ein Gerätechassis zu legen, an dem die Halbleiterleistungsbauelemente angeschraubt oder mittels Klammerfedern befestigt sind. Selbst integrierte Schaltungen mit einer Vielzahl von Anschlußdrähten sind in senkrechter Bauausführung erhältlich, so daß auch diese an einem Kühlblech anschraubbar sind. Anders integrierte Bausteine, die lediglich waagerecht aufgesetzt und montiert werden können, werden mittels eines Klammerverbinders direkt mit einem Kühlkörper verbunden und dann zur Endmontage in die vorgesehenen Lochreihen mit ihren Anschlußdrähten (Pins) eingesetzt. Die so montierten Bauelemente, deren Anschlußdrähte aus der Lötseite der Leiterplatte hervorstehen, werden im Tauch- oder Schwell- Lötverfahren mit den Lötstützpunkten auf der Lötseite der Leiterplatte kontaktiert.

Bei den bekannten Anordnungen hat sich als Nachteil herausgestellt, daß die Kühlkörper stets vor dem Lötvorgang im Chassis montiert sein müssen, und die Bauelemente bereits befestigt sein müssen. Dies führt insbesondere bei Erzielung hoher Packungsdichten der Bauelemente auf der Leiterplatte zu erheblichen fertigungstechnischen Schwierigkeiten sowohl bei der Hand- als auch Automatenbestückung. Ferner hat es sich als Nachteil erwiesen, daß die in der Regel aus Aluminiumblech oder Weißblech sowie Kupfer bestehenden relativ dicken Kühlbleche zu Verunreinigungen des Lötbades führen können, da die in der Regel durch Schränktechnik gehaltenen Kühlkörper mit ihren Befestigungsansätzen aus der Ebene der Lötseite hervorstehen.

Weiterhin werden neuerdings in vermehrtem Maße auch Leistungshalbleiterschaltungen in SMD-Technik (Surface Mounted Devides) eingesetzt, die auf der Lötseite der Leiterplatte aufgebracht sind. Mit diesen Bauelementen ist ein Kühlkörper nicht in herkömmlicher Technik verbindbar.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper so auszubilden und anzuordnen, daß die zu kühlenden Bauelemente mit ihren Kühlflächen erst nach der Montage und dem Lötvorgang in einem Chassis mit diesem verbindbar sind, und zwar ohne daß Einzelkühlkörper verwendet und/oder im Chassis vormontiert werden müssen. Durch die Erfindung soll ferner erreicht werden, daß sowohl zu kühlende Bauelemente, die auf der Bestückungsseite angeordnet sind, als auch solche Bauelemente, die auf der Lötseite angeordnet sind, mit den zugeordneten Wärmeableitflächen der Kühlkörper mechanisch kontaktierbar sind.

Die Aufgabe wird bei einem Kühlkörper eingangs beschriebener Art erfindungsgemäß nach der im Patentanspruch 1 wiedergegebenen technischen Lehre gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach der Lehre der Erfindung ist parallel oder planparallel zur Lötseite einer Leiterplatte das Kühlblech angeordnet und weist zur mechanischen Kontaktierung mit den Kühlflächen und zur Befestigung der Bauelemente entsprechend in der Höhe dimensionierte Ansätze auf. Sollen auf der Lötfläche aufgesetzte SMD-Bauteile gekühlt werden, so ist die Höhe der Ansätze oder Züge so groß zu wählen, daß bei der endgültigen Positionierung des Kühlkörpers gegenüber der Leiterplatte die Wärmeableitfläche des Ansatzes gegen die Kühlfläche drückt. Hierzu sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Zum einen kann die Leiterplatte und das Kühlblech in parallele Lagerungsnuten in einem Gehäuse eingeschoben werden, wobei der Abstand so gemessen ist, daß die Ansätze mit ihren Wärmeableitflächen zur Auflage an den Kühlflächen der Bauelemente gelangen. Das Kühlblech kann aber auch direkt durch Abstandsteile an der Leiterplatte angeschraubt oder mit ihr über Klammerverbinder herkömmlicher Art verbunden sein. Vorteilhaft ist es in diesen Fällen, die Seitenwandungen der Ansätze elastisch bzw. so auszubilden, daß sie eine Eigenfederkraft ausüben. Dadurch werden automatisch Toleranzen der Bauteile sowie des Abstandes zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper ausgeglichen. Die Ansätze können aber auch so ausgebildet sein, daß sie durch Durchbrüche in der Leiterplatte hindurchgreifen, so daß ein auf der Bestückungsseite angeordnetes Bauteil mit der Kühlfläche auf der Wärmeableitfläche an dieser montierbar ist.

Das auf der Bestückungsseite angeordnete Bauteil kann aber auch durch entsprechendes Biegen der Anschlußdrähte so eingesetzt sein, daß es nach dem Festlöten der Anschlüsse durch einen Durchbruch hindurchdrückbar ist, so daß es an der Wärmeableitfläche des Ansatzes befestigt werden kann. Dies kann zum einen durch bekannte Klammerbefestigungselemente (Klammerfedern) oder durch Schraubverbinder geschehen. Handelt es sich bei dem auf die Bestückungsseite der Leiterplatte aufzusetzendem Bauteil um einen integrierten Schaltkreis mit strahlenförmigen radial austretenden Anschlußdrähten, so können diese so gebogen werden, daß das Bauteil durch den Durchbruch der Leiterplatte hindurch auf die Wärmeableitfläche des Ansatzes des Kühlkörpers greift. Die konstruktive Ausführung läßt hier jede Möglichkeit zu.

Der Vorteil der Ausbildung eines Kühlkörpers nach der Erfindung liegt darin, daß ein Blech verwendbar ist, in das die einzelnen Ansätze in Form von Zügen eingebracht werden können. Dies kann durch Drücken, Abwinkeln von Zungen oder durch Senken erfolgen. Verwendet man als Ausgangsbasis ein Blech, das zur magnetischen Abschirmung geeignet ist, so kann mit einem solchen Blech zugleich die magnetische Abschirmung zwischen zwei benachbarten Leiterplatten sichergestellt werden. Auch ist es möglich, beidseitig an einem Kühlblech Ansätze gemäß der Erfindung vorzusehen, so daß die auf zwei benachbarten mit ihren Lötseiten gegenüber stehenden Leiterplatten angebrachten Bauelemente mit den zugeordneten Ansätzen verbindbar sind und damit die Wärmeabfuhr über einen gemeinsamen Kühlkörper sichergestellt ist.

Eine Ausführungsform, nach der die Ansätze auf dem flächenförmige Kühlkörper aufgesetzt sind, z. B. durch Klebtechniken, ist ebenfalls möglich. Üblicherweise wird jedoch aus Kostengründen ein Blech als Kühlkörper verwendet, in das die Züge mit den Wärmeableitflächen entsprechend der benötigten Tiefe und Größe eingebracht sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Teilausschnitt aus einer Leiterplatte, mit einem relativ großflächigen Durchbruch, durch den ein Leistungstransistor drückbar ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels gemäß der Schnittlinie A-B,

Fig. 3 eine Anordnung einer Leiterplatte mit auf der Lötseite angeordneten Bauelementen und der erfindungsgemäßen Zuordnung eines Kühlbleches mit gedrücktem Ansatz, und

Fig. 4 eine Anordnung aus zwei Leiterplatten, die beidseitig eines Kühlbleches angeordnet sind.

In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist in einer Leiterplatte 1 ein Durchbruch 2 eingestanzt bzw. ausgeschnitten. Auf der Bestückungsseite der Leiterplatte 1 ist ein Leistungstransistor 3 angeordnet. Dieser Leistungstransistor weist drei Anschlußdrähte 4 a, b, c auf, die in entsprechend groß ausgebildeten Bohrungen in der Leiterplatte eingesetzt sind. Die Anschlußdrähte 4 a, b und c sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, abgewinkelt, wobei während der Montage der Winkel nur so groß ist, daß das Bauteil selbst durch den Durchbruch 2 noch nicht hindurchgreift. Erst nachdem die aus der Lötseite der Leiterplatte hervorstehenden Anschlußdrahtenden an die entsprechenden Lötstützpunkte 5 angelötet sind, wird das Bauteil zur Endmontage durch den Durchbruch hindurchgedrückt, wodurch die Anschlußdrahtenden die gezeichnete winkelige Form annehmen. Andere vorgebogene Formen sind möglich.

Planparallel zur Leiterplatte 1 ist nun, wie aus Fig. 2 ersichtlich, erfindungsgemäß ein Kühlblech 6 angeordnet, in welchem im Bereich des Durchbruches der Leiterplatte 1 eine Kühlzunge 7 dreiseitig ausgeschnitten ist bzw. ausgestanzt ist. Die Kühlzunge 7 ist in diesem Beispiel so abgewinkelt, daß die Wärmeableitfläche planparall zur Leiterplatte 1 verläuft. Auf die Wärmeableitfläche 8 kann nun die Kühlfläche des Leistungstransistors 3 aufgepreßt werden, dies wird durch eine Schraubverbindung bewerkstelligt. Die Zylinderschraube 9 ist zu diesem Zweck in die kongruenten Bohrungen in der Kühlzunge 7 und dem Transistor 3 eingesetzt und mittels einer aufgeschraubten Mutter 10 gesichert. Damit ein definierter Abstand zwischen Leiterplatte 1 und Kühlblech 6 gegeben ist, sind zwischen den planparallelen Teilen Distanzelemente 11 und 12 zwischengefügt. Zweckmäßigerweise handelt es sich hierbei um Abstandshülsen, in die Schraubverbinder, wie später anhand von Fig. 4 dargestellt, eingesetzt werden können.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Durchbruch 2 in der Leiterplatte relativ groß ist, die Kühlzunge 7 hingegen kleiner ausgebildet ist. Diese Ausführung ist darstellungsbedingt, um die Kühlzunge sichtbar zu machen. Normalerweise wird der Durchbruch nur so groß gewählt, daß das Bauteil durch diesen hindurchgedrückt werden kann. Andererseits ist es aber auch aus der Figur ersichtlich, daß bei entsprechender geänderter Abwicklung der Kühlzunge 7 diese durch den Durchbruch hindurchgreifen kann, so daß der Leistungstransistor nicht durch den Durchbruch hindurch gdrückt werden muß, sondern direkt an der durch den Durchbruch in der Leiterplatte 1 hervorstehenden Kühlzunge 7 befestigbar ist. Anstelle der hier dargestellten Schraubbefestigung kann auch eine Klammerbefestigung treten. Es ist ferner nicht erforderlich, daß die Wärmeableitfläche 8 der Kühlzunge 7 planparallel zur Leiterplatte 1 verläuft. Diese kann auch in einem anderen Winkel verlaufen, wobei die Anschlußdrähte entsprechend des Leistungstransistors 3 anders abgewinkelt oder gebogen sein müssen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel ausschnittsweise aus einer Leiterplatte und einem Kühlkörper nach der Erfindung dargestellt, bei dem auf der Lötseite der Leiterplatte 1 ein flächenförmiges Bauelement 13 in SMD-Technik aufgesetzt und an den entsprechenden Lötstützpunkten 5 angelötet ist. Ferner ist ersichtlich, daß auf der normalen Bestückungsseite z. B. ein Axialbauelement 14 aufgesetzt und mit den Anschlußdrähten durch entsprechend vorgesehene Bohrungen eingesetzt ist. Die Anschlußdrähte sind auf der Lötseite mit den sie umgebenden Lötstützpunkten durch Lötung verbunden.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist in das Kühlblech 6 ein Ansatz 15 eingedrückt, dessen Wärmeableitfläche in montiertem Zustand gegen die Kühlfläche, die zugleich die Oberfläche des Flächenbauelementes 13 bildet, drückt. Durch die planparallele Auflage ist sichergestellt, daß die im Flächenbauelement 13 erzeugte Wärme abgeführt wird. Das Kühlblech 6 ist gemeinsam mit der Leiterplatte 1 in einem Halter 16 in Führungsnuten eingeschoben. Die Zuordnung und der Abstand sind so gewählt, daß ein fester Preßsitz zwischen dem Flächenbauelement 13 und der Wärmeableitfläche des Ansatzes 15 gegeben ist. Der Halter 16 ist im Teilschnitt dargestellt um die Lagerung des Kühlbleches und der Leiterplatten zu veranschaulichen. Zur Lagerung sind die Führungsnuten 17 für das Kühlblech und die Führungsnut 18 für die Leiterplatte vorgesehen.

Anstelle des hier in Drück- oder Senktechnik hergestellten Ansatz 15 kann auch ein solcher auf das Kühlblech 6 aufge­ bracht sein, z. B. durch Klebtechnik oder Schweißtechnik. Es ist jedoch zweckmäßig, die Ansätze - wie dargestellt - auszuprägen, deren Höhe einerseits durch den Abstand zwischen dem Kühlblech 6 und Leiterplatte 1 und andererseits durch die Bauelementhöhe des Flächenbauelementes 13, das auf der Ableitseite der Leiterplatte aufgebracht ist, bestimmt ist.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das veranschaulichen soll, daß ein Kühlblech zwischen zwei benachbarten Leiterplatten angeordnet zur Ableitung von Wärme, die von Bauelementen, die auf beiden Leiterplatten angeordnet sind, verwendet werden kann. Zu diesem Zweck sind Ansätze 15 oder 20 oder nicht dargestellte Kühlzungen 7 so verteilt am Kühlkörper angebracht, daß ihre Wärmeableitflächen mit den Kühlflächen der zu kühlenden Bauelemente, in diesem Fall ebenfalls auf der Lötseite aufgesetzten Flächenelementen 13 und 19 mechanisch kontaktiert werden können. Wie aus dem Teilschnitt ersichtlich, ist der Ansatz 20 in Form eines Gesenkes in das Kühlblech 6 eingedrückt. Die Höhe ist ebenfalls, wie in Fig. 3, so bemessen, daß die Wärmeableitfläche zur Auflage an der Oberfläche des zu kühlenden Bauelementes 19 gelangt. Dasselbe trifft auch in bezug auf das Flächenbauelement 13, das in SMD-Technik ausgebildet ist, ebenfalls in Verbindung mit dem Ansatz 15 zu.

Zwischen dem Kühlblech 6 und den benachbarten Leiterplatten 1 und 1 a sind Abstandshülsen 11, 11 a und 12, 12 a zwischengefügt, die kongruent mit Bohrungen in den Leiterplatten 1 und 1 a sowie in dem Kühlblech 6 angeordnet sind. In die so gebildeten Durchgangsbohrungen werden die Schrauben 21 und 22 eingefügt und die in Stapeltechnik angeordneten Leiterplatten und Kühlbleche durch aufgesetzte Muttern 23 und 24 zusammengehalten. Die so gebildete Einheit ist in ein Gerät einsetzbar. Anstelle des hier vorgesehenen Schraubverbinders kann auch eine Lösung eingesetzt werden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.

Es ist auch aus den Figuren ersichtlich, daß das Kühlblech erst nach dem Löten der Platinen montiert zu werden braucht, wobei gleichzeitig eine Wärmeableitung sichergestellt ist. Das Kühlblech kann, wenn es aus magnetisch leitendem Material, z. B. Weißblech besteht, auch die Funktion eines Abschirmbleches übernehmen. Dies ist insbesondere bei einer Ausbildung nach Fig. 4 zwangsläufig gegeben.

Claims (18)

1. Kühlkörper für elektronische Bauelemente, wie Leistungstransistoren und IC's, die mit ihren Anschlüssen auf der Lötseite einer gedruckten Leiterplatte angelötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (6) flächenförmig ausgebildet ist und in einem bestimmten Abstand von der Lötseite der Leiterplatte (1) angeordnet ist und erhabene in Richtung der Lötseite hervorstehende Ansätze (7, 15, 20) die planparallel zu den Kühlflächen der Bauelemente (3, 13, 19) verlaufende Wärmeableitflächen aufweisen, an denen die Kühlflächen der elektronischen Bauelemente (3, 13, 19) anliegen oder an denen sie befestigbar sind.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einem Blech besteht, das parallel zur Lötseite angeordnet ist und in den Züge mit einer Wärmeableitfläche eingebracht sind, deren der Lötseite zugewandte Wärmeableitfläche mit der Kühlfläche des elektronischen Bauelementes verbunden ist, bzw. an dem die Kühlfläche des elektronischen Bauteiles anliegt.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2 für Bauteile, die auf der Bestückungsseite einer Leiterplatte eingesetzt und deren Anschlüsse auf der Lötseite angelötet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leiterplatte jeweils ein Durchbruch vorgesehen ist, der mindestens so groß ist, wie die äußere Kontur des eingesetzten Bauteiles und einen Teilbereich der Anschlußdrähte, so daß es durch den Durchbruch hindurch drückbar und mit seiner Kühlfläche mit der Wärmeableitfläche des Ansatzes verbindbar ist.

4. Kühlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte derart abgewinkelt oder vorgebogen sind, daß das Bauteil ohne mechanische Belastung des Gehäuses, in welchem die Anschlußdrähte enden, durch den Durchbruch hindurchgedrückt sind.

5. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung für oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD-Bauelemente) mit oder ohne Lötfahnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitfläche des Ansatzes auf die als Kühlfläche vorgesehene Oberfläche des Bauteils anliegt, wenn der Kühlkörper und die Leiterplatte in ihrer zugeordneten Position montiert und fixiert ist.

6. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlkörper und der Lötseite der Platine ein definierter Abstand durch zwischengefügte Abstandsteile gebildet ist.

7. Kühlkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte und der Kühlkörper durch schraub- oder andere lös- oder nicht-lösbare Verbinder nach dem Anlöten der Anschlußdrähte der elektronischen Bauelemente an den Lötstützpunkten der Lötseite der Leiterplatte miteinander verbunden sind.

8. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitfläche mindestens so groß ist wie die Kühlfläche des elektronischen Bauelementes.

9. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehenden Ansätze in das Blech eingedrückt sind.

10. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze aus Zügen gebildet sind, die freigeschnittene einseitig befestigte abgewinkelte Flächenelemente des Kühlkörpers bilden.

11. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Befestigung von Bauelementen mit einem Flächenelement, das mittels Schrauben an der Kühlfläche anschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ansatz eine Gewindebohrung eingeschnitten oder eine Durchgangsbohrung vorgesehen ist, in die eine Befestigungsschraube zum Befestigen des Bauelementes einschraubbar bzw. einsetzbar ist.

12. Kühlkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchgangsbohrung vorgesehen ist, in die eine selbstschneidende Gewindeschraube einschraubbar ist.

13. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement mittels an sich bekannter Klammerelemente an dem Ansatz befestigbar ist.

14. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz so vorgebogen und vorgespannt ist, daß die gesamte Kühlfläche des Bauelementes planparallel auf der Wärmeableitfläche aufliegt.

15. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 2-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus magnetischem Material besteht und als Abschirmblech zur magnetischen Abschirmung zwischen zwei benachbarten Leiterplatten zwischengefügt ist.

16. Kühlkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig Ansätze vorgesehen sind, an deren Wärmeableitflächen die Kühlflächen der Bauelemente beider Leiterplatten anliegen bzw. an diesen befestigbar sind.

17. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze elastisch in sich federnd ausgebildete Seitenwände aufweisen, wodurch die Wärmeableitfläche bei entsprechender Dimensionierung der Höhe des Ansatzes und des Abstandes zwischen dem Kühlkörper und der gedruckten Leiterplatte und der Federspannung gegen die Kühlfläche des Bauelementes gedrückt wird.

18. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze so lang ausgebildet sind, daß sie durch den Durchbruch in der Leiterplatte hindurchgreifen und gegen die Kühlfläche des zu zu kühlenden auf der Bestückungsseite angebrachte Bauelement drückt bzw. an dieser zur Auflage kommt.