DE4040288C2

DE4040288C2 -

Info

Publication number: DE4040288C2
Application number: DE19904040288
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Betsch (Fh), 7121 Ingersheim, De
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1993-04-22
Also published as: DE4040288A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Elektronik-Baugruppe ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 81 08 938 bekannt. Im Metallgehäuse befindet sich eine Leiterplatte, die mit Halbleiterbauelementen bestückt ist. Zur Kühlung von Halbleiterbauelementen mit hoher Verlustleistung sind Wärmeübertragungskörper, dort Wärmeleitstäbe genannt, vorgesehen. Sie werden durch Federclips an die Rückseite der Halbleiterbauelemente angedrückt. Dazu umgreifen die Federclips jeweils zwei gegenüberliegende Ränder des jeweiligen Halbleiterbauelementes. So wird die in den Halbleiterbauelementen entstehende Wärme an das Metallgehäuse und von da an die umgebende Luft abgegeben.

Nachteilig ist, daß die zwei von dem Federclip umgriffenen Ränder des jeweiligen Halbleiterbauelementes frei von Lötfahnen sein müssen. Es muß außerdem zwischen dem Halbleiterbauelement und der Leiterplatte ein Abstand bestehen.

Diese Voraussetzungen sind bei den Pin Grid Array-Gehäusen für Halbleiterbauelemente mit hochintegrierten Schaltungen erfüllt. Daneben gibt es aber weitere Gehäuseformen, bei denen diese Voraussetzungen nicht gegeben sind und die deshalb in die bekannte Elektronik-Baugruppe nicht eingebaut werden können, wenn die Halbleiterbauelemente mit einer hohen Verlustleistung betrieben werden sollen.

Einige der bei Halbleiterbauelementen mit hochintegrierten Schaltungen gebräuchlichen Gehäuseformen sind in der Druckschrift "PACKAGING OUTLINES AND DIMENSIONS" der Fa. Intel Corporation, 3065 Bowers Avenue, Santa Clara, CA 95051, (Order Number: 231369-004) beschrieben. Die schon erwähnten Pin Grid Array-Gehäuse findet man auf den Seiten 4-1 bis 4-5. Gehäuse, die an allen Rändern Lötfahnen aufweisen und deshalb zum Einbau in die bekannte Elektronik-Baugruppe nicht in Frage kommen, sind auf den Seiten 6-2, 8-1 bis 8-8, 10-1 bis 10-5, 11-1 bis 11-12 sowie 12-2 beschrieben. Es handelt sich um Quad Pack-, Cerquad-, Plastic Quad Flat Pack-, Plastic Leaded Chip Carrier- und Plastic Flatpack-Gehäuse. Für die Plastic Leaded Chip Carrier-Gehäuse ist die Abkürzung PLCC- Gehäuse üblich.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde: Es soll eine Elektronik-Baugruppe der obigen Art angegeben werden, bei der die mit hoher Verlustleistung betriebenen und an allen Rändern mit Lötfahnen versehenen Halbleiterbauelemente flach an beliebiger Stelle auf der Leiterplatte liegend eingebaut sind.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Der Anspruch 2 lehrt eine vorteilhafte Weiterbildung.

Die Verwendung eines Wärmeübertragungskörpers, der aus einem Grundkörper und einem darin geführten Stempel besteht, zur Kühlung eines Halbleiterbauelementes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 37 35 985 bekannt. Statt "Wärmeübertragungskörper" wird dort der Ausdruck "wärmeleitender Modul" gebraucht. Nachteilig ist, daß eine Kühlwirkung erst nach völligem Zusammenbau der Elektronik- Baugruppe möglich ist. Damit ist z. B. ein Testbetrieb vor dem völligen Zusammenbau nicht möglich.

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 77 40 059 ist eine weitere Möglichkeit der Wärmeableitung von einem Halbleiterelement über einen Wärmeübertragungskörper an ein Gehäuse bekannt. Das Halbleiterbauelement weist nur eine Lötfahne und einen Gewindebolzen auf. Mit diesem Gewindebolzen ist es sowohl mit der Leiterplatte als auch mit dem Wärmeübertragungskörper verschraubt.

Aus der deutschen Patentschrift 32 37 878 ist eine Elektronik-Baugruppe bekannt, bei der ebenfalls eine mit Halbleiterbauelementen bestückte Leiterplatte in einem Metallgehäuse eingebaut ist und bei der die Verlustwärme vom jeweiligen Halbleiterbauelement über einen Wärmeübertragungskörper, dort als Gewindebolzen bezeichnet, an das Metallgehäuse abgeführt wird. Das Halbleiterbauelement ist eine integrierte Schaltung in einem Gehäuse, dessen Ränder Lötfahnen aufweisen. Der Wärmeübertragungskörper ist an das Halbleiterbauelement angelötet oder angeklebt. Dadurch wird ein Auswechseln des Halbleiterbauelementes sehr erschwert, denn es muß an ein handelsübliches Halbleiterbauelement zunächst ein Gewindebolzen angelötet oder angeklebt werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 27 25 340 ist eine weitere Elektronik-Baugruppe bekannt, bei der eine mit Halbleiterbauelementen bestückte Leiterplatte in einem Metallgehäuse eingebaut ist. Die Verlustwärme wird vom jeweiligen Halbleiterbauelement unmittelbar, also ohne einen Wärmeübertragungskörper, an das Metallgehäuse abgeführt. Dazu sind an den Boden des Metallgehäuses Befestigungsvorsprünge angegossen, an denen das Halbleiterbauelement angenietet ist. Als Halbleiterbauelemente kommen nur solche in Frage, deren Gehäuse einen zur Wärmeableitung und Befestigung ausgebildeten Flansch aufweisen.

Die Erfindung wird anhand von in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei die in der folgenden Tabelle angegebene Zuordnung gilt.

Ausführungsbeispiel
Figuren
1\|1 und 2
2	2 und 4
3	5 und 6
4	7 und 8

In den Fig. 1, 3, 5 und 7 ist jeweils ein Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Elektronik-Baugruppe dargestellt. In den Fig. 2, 4, 6 und 8 ist ein in dem jeweiligen Ausführungsbeispiel vorgesehener Wärmeübertragungskörper im Detail dargestellt.

Es wird zunächst die Fig. 1 beschrieben. In ihr bedeuten:

MG
ein Metallgehäuse
LP	eine Leiterplatte
IC	ein Halbleiterbauelement
AF	Anschlußfahnen
GK	ein Grundkörper
FS	eine Federscheibe
St	ein Stempel
De	ein Deckel
KR	Kühlrippen
B₁ . . . B₄	Beine
S₁ . . . S₃	Schrauben
DR	eine Distanzrolle

Die Leiterplatte LP ist parallel zum Boden des Metallgehäuses MG in dieses eingebaut. Als Beispiel für die Befestigung ist die Schraube S₃ und die Distanzrolle DR dargestellt. Auf der Leiterplatte LP sind Halbleiterbauelemente montiert. Als Beispiel ist hier eines in der Form eines PLCC-Gehäuses dargestellt. Zur zusätzlichen Kühlung ist ein Wärmeübertragungskörper vorgesehen, der aus dem Grundkörper GK, dem Stempel St und der Federscheibe FS besteht. Der Stempel St ist in einem Sackloch des Grundkörpers GK geführt. Im Spalt zwischen der Mantelfläche des Stempels St und der Innenwand des Sackloches ist Wärmeleitpaste eingebracht.

Einzelheiten des Wärmeübertragungskörpers werden anhand der Fig. 2 beschrieben. Mit EL ist ein Entlüftungsloch bezeichnet. Der Grundkörper GK, und damit auch der Wärmeübertragungskörper, weist zwei lange Beine B₁ und B₂ sowie zwei kurze Beine B₃ und B₄ auf.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist der Wärmeübertragungskörper mit den langen Beinen B₁ und B₂ am Boden des Metallgehäuses befestigt. Zur Befestigung dienen Schrauben, von denen nur die Schraube S₁ dargestellt ist. In der Leiterplatte LP sind Durchbrüche vorgesehen, durch die die langen Beine hindurch ragen. Mit den kurzen Beinen B₃ und B₄ ist der Wärmeübertragungskörper an der Leiterplatte LP befestigt. Zur Befestigung dienen auch Schrauben, von denen nur die Schraube S₂ dargestellt ist.

Der Wärmeübertragungskörper weist also Befestigungsmittel der ersten Art und diejenigen der zweiten Art auf. Die Befestigungsmittel der ersten Art bestehen aus den langen Beinen B₁ und B₂ und sind zur Befestigung am Metallgehäuse ausgebildet. Die Befestigungsmittel der zweiten Art bestehen aus den kurzen Beinen B₃ und B₄ und sind zur Befestigung an der Leiterplatte LP ausgebildet.

Durch die Verwendung von Schrauben und die entsprechende Ausbildung der Befestigungsmittel der ersten und der zweiten Art bestehen lösbare Verbindungen zwischen dem Wärmeübertragungskörper einerseits und dem Metallgehäuse MG bzw. der Leiterplatte LP andererseits.

Der Stempel St wird durch die Federscheibe FS auf die Rückseite des Halbleiterbauelementes IC gedrückt. So wird die in ihm entstehende Wärme über den Stempel St, dem Grundkörper GK und den Befestigungsmitteln der ersten Art an das Metallgehäuse MG abgeleitet und von dort an die umgebende Luft abgegeben. Dazu sind die Kühlrippen KR vorgesehen und der Boden des Metallgehäuses genügend dick ausgebildet. Die Befestigungsmittel der ersten Art sind also auch zur Wärmeübertragung vom Grundkörper GK zum Metallgehäuse MG ausgebildet.

Im Ausführungsbeispiel 2 weist der Grundkörper auch 4 Beine auf, jedoch ist jedes Bein so ausgebildet, daß es sowohl als Befestigungsmittel der ersten Art als auch als Befestigungsmittel der zweiten Art wirkt. Das wird dadurch erreicht, daß die Beine abgestuft ausgebildet sind, wobei die Stufe Su das Befestigungsmittel der zweiten Art bildet.

Im Ausführungsbeispiel 3 ist anstelle der Federscheibe FS eine Blattfeder BF vorgesehen. Dementsprechend weist der Grundkörper GK kein Sackloch sondern ein Durchgangsloch zur Führung des Stempels St auf.

In den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 wird die zum Andrücken des Stempels St an das Halbleiterbauelement erforderliche Federkraft durch eigens dafür vorgesehene Federn (Federscheibe FS bzw. Blattfeder BF) aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel 4 wird stattdessen die Federwirkung der Leiterplatte LP ausgenutzt. Um die erforderliche Andruckkraft einzuleiten ist der Stempel St schraubbar ausgeführt. Er trägt ein Außengewinde und das Loch im Grundkörper GK das entsprechende Innengewinde. Der Stempel St wird so weit hineingeschraubt, bis er mit der nötigen Andruckkraft an der Rückseite des Halbleiterbauelementes anliegt.

In den zuvor beschriebenen Beispielen ist der Stempel St und das Loch zu seiner Führung im Grundkörper rund ausgebildet. Jedoch ist bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 auch eine andere Querschnittsform denkbar, und zwar eine an die Form des jeweiligen Halbleiterbauelementes angepaßte Form. So käme bei PLCC-Gehäusen die quadratische Form und bei Halbleitern in Dual-in-Linie-Gehäusen die Rechteckform infrage.

Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile:

a) Sie erfordert keine eigens zur Anbringung eines Wärmeübertragungskörpers ausgebildete Form des Halbleiterbauelementes. Es genügt, wenn das Halbleiterbauelement eine ebene Rückseite aufweist. Dies ist bei vielen handelsüblichen Halbleiterbauelementen der Fall.
b) Wenn die Elektronik-Baugruppe nach dem Patentanspruch 2 ausgebildet ist, läßt sich der Wärmeübertragungskörper leicht vom Halbleiterbauelement lösen. Dies ermöglicht ein leichtes Auswechseln des Halbleiterbauelementes.
c) Auch außerhalb des Metallgehäuses ist die auf der Leiterplatte untergebrachte Schaltung unter einschränkenden Bedingungen schon betriebsfähig, weil in diesem Fall der Wärmeübertragungskörper wegen seiner großen Oberfläche als Kühlkörper wirkt. Ein Betrieb außerhalb des Metallgehäuses ist deshalb wichtig, weil dann z. B. für Prüfzwecke noch alle Bauelemente zugänglich sind.

In den zuvor beschriebenen Beispielen ist die Leiterplatte so in das Metallgehäuse eingebaut, daß ihre Lötseite dem Boden des Metallgehäuses zugewandt ist. Außerdem ist der Boden für die Wärmeableitung vorgesehen. Dies erfordert zwar Durchbrüche in der Leiterplatte, durch die die Befestigungsmittel der ersten Art hindurchragen, hat aber auch Vorteile. So kann der Deckel De verhältnismäßig leicht ausgebildet sein, da er zur Wärmeableitung nichts beizutragen braucht. Ferner sind nach dem Abnehmen des Deckels z. B. für Prüfzwecke die Bauelemente leicht zugänglich, und es ist die Elektronik-Baugruppe noch voll betriebsfähig.

Claims

1. Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse mit folgenden Merkmalen:

a) Im Metallgehäuse (MG) ist eine Leiterplatte (LP) eingebaut, die mit Halbleiterbauelementen (IC) bestückt sind;
b) Mindestens ein Halbleiterbauelement (IC) steht in Wärmekontakt mit dem Metallgehäuse (MG);
c) Der Wärmekontakt ist durch einen Wärmeübertragungskörper (GK, St) gebildet;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) Der Wärmeübertragungskörper weist einen Grundkörper (GK) und einen Stempel (St) auf;
e) Der Grundkörper (GK) weist Befestigungsmittel einer ersten Art (B₁, B₂, Fig. 1 u. 2) und Befestigungsmittel einer zweiten Art (B₃, B₄, Fig. 1 u. 2) auf;
f) Die Befestigungsmittel der ersten Art sind zur Befestigung des Wärmeübertragungskörpers an das Metallgehäuse (MG) und zur Wärmeübertragung ausgebildet;
g) Die Befestigungsmittel der zweiten Art sind zur Befestigung des Grundkörpers (GK) an der Leiterplatte (LP) ausgebildet;
h) Der Stempel (St) ist so in dem Grundkörper gehaltert, daß er an die Rückseite des Halbleiterbauelementes angedrückt wird.

2. Elektronik-Baugruppe nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel der ersten und der zweiten Art zur Herstellung von lösbaren Verbindungen ausgebildet sind.