DE3916899A1 - Waermeableitende befestigung eines elektronischen bauelements oder dergleichen - Google Patents

Waermeableitende befestigung eines elektronischen bauelements oder dergleichen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine wärmeableitende Befesti­ gung mindestens eines elektronischen Bauelements oder dergleichen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Elektronische Bauelemente, beispielsweise Leistungs­ halbleiter oder IC′s erzeugen im Betrieb oftmals eine verhältnismäßig große Verlustwärme, die zur Vermei­ dung von zur Zerstörung führender Überhitzung abge­ führt werden muß. Bekannt ist es, Leistungsbauelemen­ te auf Metallplatten oder profilierten Kühlblechen zu montieren. Aus elektrischen Gründen ist es dabei oft­ mals erforderlich, isolierende Materialien, insbeson­ dere Glimmerplättchen, zwischen Leistungsbauelement und Metallplatte bzw. Kühlblech vorzusehen. Ein der­ artiger Aufbau ist relativ aufwendig und teuer.
Ferner ist es bekannt, ein wannenförmiges Wärmeab­ leitprofil aus Metall einzusetzen, das ein elektroni­ sches Bauteil, z. B. ein Leistungshalbleiter unter Verwendung einer Wärmeleitpaste aufnimmt. Das Metallprofil ist zu seiner Fixierung in eine Vertie­ fung eines Kunststoffgehäuses eingeklipst. Der Aufbau dieser Anordnung ist ebenfalls relativ kompliziert und teuer.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße wärmeableitende Befestigung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demge­ genüber den Vorteil, daß die Wärmeableitung direkt über den aus Kunststoff bestehenden Träger erfolgt, so daß insbesondere bisher übliche Metall-Grund­ platten entfallen können. Diese Metall-Grundplatten haben bei den bekannten Anordnungen zumeist die Größe des Grundrisses eines Gehäuses, das zur Aufnahme ei­ ner elektronischen Schaltung dient, der das zu küh­ lende elektronische Bauelement angehört. Die Erfin­ dung schlägt den Einsatz eines aus Kunststoff beste­ henden Trägers vor, so daß zusätzlich zu montierende Bauteile - wie die genannte Metall-Grundplatte - entfallen können. Vorzugsweise kommt ein Kunststoff mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit zum Ein­ satz.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der Träger eine Grundplatte einer elektroni­ schen Schaltung, insbesondere einer Hybrid-Schaltung bildet. Damit erfüllt der Träger eine Doppelfunktion, indem er einerseits der Wärmeableitung und anderer­ seits als Substrat für die elektronische Schaltung dient. Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung im Dickschichtaufbau erstellt, der auf der Innenflä­ che der Grundplatte aufgebracht ist.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet die Grundplatte den Boden eines Gehäuses für die elektro­ nische Schaltung. Demgemäß leitet der Boden des Ge­ häuses die entstehende Verlustwärme des auf seiner Innenseite angeordneten elektronischen Bauelements oder dergleichen ab, wobei die Anordnung vorzugsweise derart ausgebildet ist, daß das Gehäuse im montierten Zustand die Verlustwärme einer Montagefläche zuführt. Beispielsweise kann es sich um ein im Hybrid-Technik aufgebautes Steuergerät einer elektronischen Zündan­ lage eines Kraftfahrzeuges handeln, so daß die Verlustwärme über den Boden des zugehörigen Gehäuses auf eim Chassis- oder Karosserieteil des Kraft­ fahrzeuges übertragen wird.
Die Wärmeableitung wird dadurch verbessert, daß das Bauelement in einer Vertiefung des Trägers angeordnet ist.
Alternativ oder auch zusätzlich ist nach einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, mindestens ein eingespritztes oder eingelegtes, ein Teil des Trägers bildendes Wärmeabführelement vorzu­ sehen. Dieses Wärmeabführelement besteht insbesondere aus Metall oder aber auch - für eine elektrische Iso­ lierung - aus Aluminiumnitrid. Das in den Träger ein­ gespritzte oder eingelegte Wärmeabführelement verbes­ sert die Wärmeabfuhr. Es wird ein "kanalisierter" Wärmefluß hin zur Wärmesenke (z. B. Chassis oder Ka­ rosserie) erzeugt.
Insbesondere ist vorgesehen, daß das Bauelement auf dem Wärmeabführelement des Trägers angeordnet ist. Die Wärmeabfuhr erfolgt demgemäß einerseits über das eingespritzte oder eingelegte Wärmeabführelement und andererseits über die übrigen Kunststoffbereiche des den Boden des Gehäuses bildenden Trägers. Vorzugs­ weise ist die Anordnung derart ausgebildet, daß das Wärmeabführelement mit seiner dem elektronischen Bau­ teil abgewandten Seite einen Teil der Außenfläche des Bodens bildet. Über das in den Kunststoffboden des Gehäuses eingebettete Wärmeabführelement kann ein Großteil der Verlustwärme dann direkt zur Montage­ fläche abgeleitet werden.
Eine definierte Auflage von Gehäuseboden und Montage­ fläche ist dadurch erzielbar, daß die aus Kunststoff bestehende, benachbart zum Wärmeabführelement lie­ gende Außenfläche des Bodens mit mindestens einer eine Hohlauflage erzeugenden Ausnehmung versehen ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Ge­ häuse einen auf dem Boden angeordneten, die elektro­ nische Schaltung umgebenden Rahmen auf. Dieser Rahmen kann vorzugsweise aus Kunststoff bestehen. Entweder sind Boden und Rahmen einstückig, vorzugsweise als Spritzteil, ausgebildet. Aufgrund des Kunststoff­ materials von Boden und Rahmen läßt sich jedoch auch eine Reibschweißverbindung zwischen ihnen herstellen. Es ist jedoch auch eine Klebeverbindung möglich, wo­ bei diese - aufgrund des gleichen Wärmeausdehnungsko­ effizienten des Kunststoffes wesentlich unkritischer gegenüber dem früheren Aufbau ist, bei dem Kunststoff und Metall zusammengefügt werden mußten.
Zeichnung
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der Figu­ ren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines eine elektro­ nische Schaltung aufnehmenden Gehäuses mit wärmeab­ leitender Befestigung eines elektronischen Bauele­ ments,
Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1, jedoch mit in den Boden des Gehäuses durch Umspritzung eingebet­ tetem Wärmeabführelement und einem eimstückig mit dem Boden ausgebildeten Rahmen des Gehäuses und
Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2, jedoch mit einer eine Hohlauflage erzeugenden Ausnehmung im Ge­ häuseboden sowie einem mittels Reibschweißung befe­ stigten Rahmen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Fig. 1 bis 3 zeigen Gehäuse 1, in denen elek­ tronische Schaltungen 2 untergebracht sind. Jede elektronische Schaltung 2 weist zumindest ein elek­ tronisches Bauelement 3 auf, das im Betrieb eine re­ lativ große Verlustwärme abgibt. Bei der elek­ tronischen Schaltung 2 handelt es sich um ein Steuer­ gerät einer elektronischen Zündanlage eines Kraft­ fahrzeuges.
Jedes Gehäuse 1 besteht aus einem Boden 4, einem Rah­ men 5 und einer Abdeckung 6. In den Seitenbereichen 7 und 8 des Bodens 4 sind Durchgangsbohrungen 9 vorge­ sehen, die - fluchtend - auch den Rahmen 5 durchset­ zen. Die Wandlungen der Durchgangsbohrungen sind vor­ zugsweise mit Hülsen 9′ ausgekleidet. Die Durchgangs­ bohrungen 9 bzw. die Hülsen 9′ dienen der Aufnahme von (nicht dargestellten) Befestigungsschrauben. Vorzugsweise wird das Gehäuse 1 derart an einer Befestigungsfläche, z. B. dem Chassis oder der Karos­ serie eines Kraftfahrzeuges, befestigt, daß für eine günstige Wärmeableitung ein möglichst großflächiger Kontakt besteht.
Der Boden 4 des Gehäuses 1 bildet eine Grundplatte 11 für die elektronische Schaltung 2, d. h. sie stellt das Substrat dieser gedruckten Schaltung dar. Liegt beispielsweise ein Dickschichtaufbau vor, so ist die­ ser - wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt - direkt auf der Innenfläche 12 der Grundplatte 11 aufge­ bracht. Ferner weist die Innenfläche 12 eine Vertie­ fung 13 auf, in der das elektronische Bauelement 3 (z. B. ein Leistungstransistor) angeordnet ist. Vor­ zugsweise kann der Spaltraum 14 zwischen dem elektro­ nischen Bauelement 3 und den Wänden der Vertiefung 13 durch eine Wärmeleitpaste ausgefüllt sein.
Der Boden 4 des Gehäuses 1 besteht aus Kunststoff, so daß die Verlustwärme des elektronischen Bauelements 3 - ohne Zwischenschaltung von Metalleinlagen oder der­ gleichen - direkt über den Boden 4 zur nicht darge­ stellten Befestigungsfläche geleitet wird (Fig. 1). Die Grundplatte 11 bildet somit einen aus Kunststoff bestehenden Träger 15 für das elektronische Bauele­ ment 3.
Die Innenfläche 12 des Bodens 4 weist in den Seiten­ bereichen 7 und 8 jeweils eine Stufe 16 auf, die zur Führung des ebenfalls aus Kunststoff bestehenden Rah­ mens 5 dient. Vorzugsweise sind Boden 4 und Rahmen 5 durch Reibschweißung aneinander befestigt (Fig. 1 und 3). Der Rahmen 5 weist Nuten 17 auf, in die die Seitenränder der Abdeckung 6 eingreifen. Sofern die Abdeckung 6 ebenfalls aus Kunststoff hergestellt ist, kann ihre Befestigung an dem Rahmen 5 ebenfalls durch Reibschweißen erfolgen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung gemäß Fig. 1 dadurch, daß Bo­ den 4 und Rahmen 5 einstückig im Kunststoff-Spritz­ verfahren hergestellt sind. Ferner ist im Bereich des elektronischen Bauelements 3 ein Wärmeabführelement 18 vorgesehen. Dieses besteht aus Metall oder Alumi­ niumnitrid und ist in den Boden 4 eingelegt bzw. ein­ geschoben oder bei der Herstellung mit Teile des Bo­ dens 4 bildendem Kunststoff umspritzt.
Das Wärmeabführelement ist gemäß Fig. 2 als Vollpro­ fil ausgebildet. Es besitzt einen rechteckförmigen Grundkörper 19, von dessen Seiten 20 und 21 flügelar­ tige Fortsätze 22 einstückig ausgehen, die eine ge­ ringere Dicke als der Grundkörper 19 aufweisen. Mit seiner dem elektronischen Bauelement 3 abgewandten Seite 23 fluchtet das Wärmeabführelement 1 S mit der Außenfläche 10 der übrigen Bereiche des Bodens 4. Die Vertiefung 13 auf der Innenfläche 12 der den Boden 4 bildenden Grundplatte 11 ist derart ausgebildet, daß ihr Grund von der der Seite 23 gegenüberliegenden Seite 24 des Wärmeabführelements 18 gebildet wird. Demgemäß befindet sich das elektronische Bauelement 3 in direktem Kontakt mit dem Wärmeabführelement 18. Die Verlustwärme wird dadurch im wesentlichen über das Wärmeabführelement 18 abgeführt und zu der nicht dargestellten, das Gehäuse 1 tragenden Befestigungs­ fläche geleitet.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, bei der die aus Kunststoff bestehende, benachbart zum Wärmeab­ führelement 18 liegende Außenfläche 10 des Bodens 4 mit einer Ausnehmung 25 versehen ist. Durch die Aus­ nehmung 25 ist ein Hohlraum zwischen Boden 4 und der nicht dargestellten, das Gehäuse 1 tragenden Befesti­ gungsfläche ausgebildet, so daß das Wärmeab­ führelement 18 mit seiner Seite 23 eine definierte Auflage erhält und demgemäß ein gezielter, effektiver Wärmeabfluß erfolgt.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind Boden 4 und Rahmen 5 als separate Teile ausgebildet; selbstver­ ständlich ist es auch möglich, eine einteilige Ver­ sion - gemäß Fig. 2 - vorzunehmen.
Aus den Fig. 2 und 3 geht hervor, das die Breite der Vertiefung 13 kleiner als die Breite des Grund­ körpers 19 des Wärmeabführelements 18 ist. Hierdurch bildet der Boden 4 im Bereich seiner Innenfläche 12 leistenförmige Stege 26 aus. Demgemäß kann die elek­ tronische Schaltung 2 bis an die Ränder der Ver­ tiefung 13 heranreichen und dennoch ein Wärmeabführ­ element 18 mit großer Querschnittsfläche eingesetzt werden, so daß auf engstem Raum eine sehr gute Wär­ meabfuhr sichergestellt ist. Die Fortsätze 22 des Wärmeabführelements 18 vergrößern zum einen die Ober­ fläche, was sich positiv auf die Wärmeabfuhr aus­ wirkt, und zum anderen verhindern sie ein Herausfal­ len des Wärmeabführelements 18 bei der Handhabung des noch nicht montierten Gehäuses 1.
Die Erfindung ermöglicht einen einfachen und kosten­ günstigen Aufbau bei sehr guter Wärmeabfuhr. Sofern in den Boden des Gehäuses 1 eingelegte oder um­ spritzte Wärmeabführelemente zum Einsatz gelangen, ist ein kanalisierter Wärmefluß zur Wärmesenke (Befe­ stigungsfläche) gegeben. Eine besonders günstige Lö­ sung ergibt sich dadurch, daß auf der Innenfläche 12 des aus Kunststoff bestehenden Bodens 4 die elektro­ nische Schaltung, vorzugsweise im Dickschichtaufbau, direkt aufgebracht ist, so daß die Grundplatte 11 ei­ nerseits die Verlustwärme des elektronischen Bauele­ ments 3 abführt und andererseits zusätzlich als Dick­ schichtsubstrat dient. Mithin werden die genannten Aufgaben von einer Wandung des Gehäuses 1 übernommen.

Claims (16)

1. Wärmeableitende Befestigung mindestens eines elektronischen Bauelements oder dergleichen, insbe­ sondere einer Hybrid-Schaltung oder dergleichen, mit einem das elektronische Bauelement aufnehmenden Trä­ ger, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (15) aus Kunststoff besteht.
2. Befestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (15) aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kunststoff besteht.
3. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (15) eine Grundplatte (11) einer elektro­ nischen Schaltung (2), insbesondere Hybrid-Schaltung bildet.
4. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (2) im Dickschichtaufbau erstellt ist, der auf die Innenfläche (12) der Grund­ platte (11) aufgebracht ist.
5. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (11) den Boden (4) eines Gehäuses (1) für die elektronische Schaltung (2) bildet.
6. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (3) in einer Vertiefung (13) des Trägers (15) angeordnet ist.
7. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch minde­ stens ein umspritztes oder eingelegtes, ein Teil des Trägers (15) bildendes Wärmeabführelement (18).
8. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabführelement (18) aus Metall besteht.
9. Befestigung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabführelement (18) aus Aluminiumnitrid be­ steht.
10. Befestigung, insbesondere nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektronische Bauelement (3) auf dem Wärmeabführelement (18) des Trägers (15) an­ geordnet ist.
11. Befestigung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabführelement (18) mit seiner dem elek­ tronischen Bauelement (3) abgewandten Seite (23) einen Teil der Außenfläche (10) des Bodens (4) bil­ det.
12. Befestigung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kunststoff bestehende, benachbart zum Wärmeabführelement (18) liegende Außenfläche (10) des Bodens (4) mit mindestens einer, eine Hohlauflage er­ zeugenden Ausnehmung (25) versehen ist.
13. Befestigung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) einen auf dem Boden (4) angeord­ neten, die elektronische Schaltung (2) umgebenden Rahmen (5) aufweist.
14. Befestigung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (5) aus Kunststoff besteht.
15. Befestigung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Boden (4) und Rahmen (5) einstückig ausgebildet sind.
16. Befestigung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Boden (4) und Rahmen (5) durch Reibschweißung an­ einander befestigt sind.
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