DE69400105T2

DE69400105T2 - Befestigungsteil mit geneigter Spiralfeder für Wärmesenke für ein elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE69400105T2
Application number: DE69400105T
Authority: DE
Inventors: Paul G Casperson
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1994-04-16
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2014-04-17
Also published as: JPH07118513B2; EP0625871A1; EP0625871B1; JPH0750373A; DE69400105D1; US5402313A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Befestigung von auf einer Platine befestigten, wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten an Kühlkörpern. Insbesondere betrifft die Erfindung die Befestigung elektrischer Komponenten, die Wärmeaustauschstreifen aufweisen, an Kühlkörpergehäusen mittels Federelementen.
Eine Methode, mit der mit Verlängerungen versehene, auf Platinen befestigte, wärmeerzeugende elektrische Komponenten mit Kühlkörpern verbunden worden sind, umfaßt die individuelle Befestigung jeder Komponente am Kühlkörper, wobei jeweils eine Schraube durch ein in der Verlängerung der elektronischen Komponente vorgesehenes Loch eingeschraubt wird, und wobei zwischen dem Kühlkörper und der Verlängerung der Komponente ein elektrisch isolierender, thermisch leitender Film vorgesehen ist. Eine Mutter ist auf der Schraube befestigt, um eine zusammendrückende Kraft zu erzeugen, die notwendig ist, um eine geeignete Kompression des Film sicherzustellen, um die Wärmeübertragung von der Komponente auf den Kühlkörper durch den Film zu maximieren. Dabei gibt es eine Vielzahl von Variationen dieser Technik, wie beispielsweise die Verwendung eines Gewindeloches im Kühlkörper in Gegensatz zu einer Mutter. Ganz generell treten Probleme bei der Befestigung auf, weil die durch die Schraube erzeugte Spannung durch Materialverformung in der isolierenden Unterlegscheibe oder der Isolierscheibe entlastet werden kann, oder weil die Schraube sich unter bestimmten Betriebsbedingungen lockern kann, wie beispielsweise dann, wenn die Vorrichtung Vibrationen oder Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil liegt in der großen Anzahl von Teilen, die manuell angeordnet werden müssen, wenn es eine Anzahl von wärmeerzeugenden Komponenten in der Anordnung gibt, und es ist schwierig die Produktion dieser Befestigung für eine Herstellung in großen Stückzahlen zu automatisieren.
Zusätzlich zu den verschiedenen Verwendungen von Befestigungsschrauben ist eine Vielzahl von Befestigungstechniken entwickelt worden, die Federelemente verwenden. Eine Anzahl dieser Befestigungen verwenden Clips mit mehreren Federfingern, wie beispielsweise in US - A - 4,922,601, US - A - 4,891,735, US - A - 4,872,089, US - A - 4,845,590, US - A - 4,707,726, US - A - 4,674,005, US - A - 4,605,986 und US - A - 4,479,140 offenbart ist. Jedoch sind mit diesen Techniken aus verschiedenen Gründen Schwierigkeiten verbunden. Um einen kompakten Aufbau zu erzielen, müssen die Federn hohe Kräfte bei geringen Durchbiegungen erzielen und dies bedeutet, daß die Federn speziell für eine einzelne Komponenten hergestellt werden müssen. Eine Veränderung der Komponenten kann dazu führen, daß die Feder eine zu große oder zu kleine Kraft ausübt, da steife Federn Konstanten aufweisen, die einen sehr schmalen Bereich der Durchbiegung haben, innerhalb dessen ein geeigneter Druck ausgeübt wird.
Weiterhin besteht oft die Notwendigkeit an speziellen Werkzeugen, um sicherzustellen, daß die Komponente oder die Feder während des Zusammenbaus nicht beschädigt werden. Aus historischer Sicht benötigen elektrisch isolierende und thermisch leitende Druckunterlagen 2.068 - 3.447 MPa (300-500 psi) für eine effektive Wärmeübertragung, jedoch erfordert dies ein Material, das zwischen der Feder und der Komponente angeordnet ist, um die auf die Komponente ausgeübte Federkraft zu verteilen, um zu verhindern, daß die Feder die Komponente beschädigt. Bei einigen Anordnungen ist es zudem notwendig, daß der Kühlkörper ein vom Gehäuse separates Teil Gehäuse ist, und andere Anordnungen wiederum benötigen eine Vielzahl von einzelnen Teilen, die manuell zusammengebaut werden müssen.
Geneigte Spiralfedern weisen die Eigenschaft auf, daß sie anders als konventionelle Federn, die eine Kraft ausüben, die sich als Funktion der Durchbiegung verändert, eine im wesentlichen konstante Kraft über einen großen Bereich von Durchbiegungen ausüben. Dieser Federtyp ist gut bekannt dafür, daß er in elektronischen Vorrichtungen Verwendung findet. Meistens werden sie dafür verwendet, eine Platine in geeigneter Ausrichtung zu befestigen. In dieser Hinsicht wird auf die US - A - 5,092,781 und die US - A - 5,069,627 wie auch auf die Seite 3.1B-2 der Bal Seal Engineering Company catalog no. LE-44D verwiesen.
Zusätzlich ist die Verwendung von geneigten Federn als elektrischer und thermischer Leiter bekannt. Beispielsweise wird in der US - A - 4,993,482 eine thermisch leitende, geneigte Spiralfeder verwendet, um einen eine geringe Kraft erfordernden thermischen Weg zwischen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponente und einem Kühlkörper zu erzeugen, die nah benachbart angeordnet sind. In dieser Anordnung wird die Feder flachgedrückt, um den Kontakt zwischen der geneigten Feder und den Komponenten und dem Kühlkörper zu vergrößern und um damit den thermischen Widerstand zu verringern.
Daher gibt es einen Bedarf an Kühlkörperbefestigungen, die die Verwendung von Federn mit geringer Kraft ermöglichen, um den Bereich der möglichen Federdurchbiegungen zu vergrößern, wodurch die Toleranzen und die Vielfältigkeit von Kühlkörpern vergrößert wird, an denen die Befestigung durchgeführt werden kann, und um zu verhindern, daß Material zur Verteilung der Federkraft zwischengelegt werden muß. Zusätzlich besteht auch der Bedarf nach einer Anordnung, die keine große Anzahl von Teilen benötigt, die ein manuelles Zusammenbauen erfordern.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Befestigung zwischen einer Vielzahl von Typen von wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten und einem Gehäuse anzugeben, das auch als Kühlkörper dient, während gleichzeitig die folgenden Aufgaben erfüllt werden:
- Minimierung der benötigten Anzahl von Teilen,
- Erleichterung des manuellen oder automatisierten Zusammenbaus,
- Erzielung eines minimalen Packungsvolumens und
- Akzeptanz von Teilen mit einem größeren Grad an Dimensionstoleranzen.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Kühlkörperanordnung für elektronische Komponenten gemäß Anspruch 1 gelöst. In Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die zusammendrükkende Kraft durch die Feder über eine Abdeckung eines Gehäuses erzeugt werden das als Kühlkörper dient, oder durch ein Widerlager, das im Gehäuse befestigt ist. Eine oder mehrere geneigte Spiralfedern sind mit der Abdeckung oder dem Widerlager verbunden und wirken auf eine oder mehrere elektrische Komponenten, die auf einer Platine getragen werden und die gebogene Zuleitungen aufweisen, um mechanische Belastungen zu minimieren.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich durch die folgende Beschreibung, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, die zum Zwecke der Erläuterung verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Anordnung, die ein erfindungsgemäßes Befestigungsteil verwendet,
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,
Fig. 3 im Querschnitt eine veränderte Anordnung, die ein erfindungsgemäßes Befestigungsteil verwendet,
Fig. 4 eine Ansicht von oben eines Teiles der in Fig. 3 dargestellten Anordnung im Bereich, in dem die geneigte Spiralfeder getragen wird, und
Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 4, jedoch von einem veränderten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befestigung, bei der ein Gehäuse 1 als Kühlkörper für zumindest eine Leistung erzeugende elektronische Komponente 3 dient, wie beispielsweise T0220's und mit Zuleitung versehende D-Paks, die ein Körperteil 3a aufweisen, von dem eine Verlängerung 3b für den Wärmetransfer und Zuleitungen 3c hervorstehen. Um die Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten wegzuleiten, ist das Gehäuse aus Metall mit einer entsprechenden Wärmeleitfähigkeit gebildet, wie beispielsweise Aluminium oder eine Kupferlegierung. Geneigte Spiralfedern 5 sind mit der Unterseite einer Abdekkung 7 für das Gehäuse 1 verbunden und bewirken, daß die Komponenten 3 bündig gegen einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Film 9 gedrückt werden, der auf der oberen Oberfläche einer tragenden Schulter 1a angeordnet ist, wenn die Abdeckung mit dem Gehäuse 1 verbunden ist.
Der elektrisch isolierende, thermisch leitende Film 9 ist beispielsweise aus einem Polyimidfilm gebildet, der unterhalb einer mit Bomitrid gefüllten Silikonsehicht angeordnet ist, die in effizienter Weise die Wärme von den befestigten Komponenten ableitet, ohne daß ein hoher Anpreßdruck notwendig ist. Weiterhin ist der Film 9 vorzugsweise mit einer Kleberüekseite versehen, so daß er einfach auf der Oberfläche der Schulter 1a des Gehäuse 1 befestigt werden kann.
Der Körperteil 3a oder die Verlängerung 3b der elektronischen Komponente wird durch die geneigten Spiralfedern 5 gegen den Film 9 gedrückt, die gegen die elektronischen Komponenten 3 mit einer Federdurchbiegung gehalten werden, die innerhalb eines Bereiches mit im wesentlichen konstanter Federkraft (d. h., 137.9 kpa - 344.7 kpa (20-50 psi)) der geneigten Spiralfeder 5 liegt, wenn die Abdeckung 7 am Gehäuse 1 befestigt ist, unabhängig von Veränderungen der Anordnungstoleranzen oder der Verwendung verschiedener Komponenten. Die Zuleitungen 3c, mit denen die Komponenten 3 elektrisch mit der Platine 1 l verbunden sind, sind gebogen oder so geformt, daß die Kraft minimiert wird, die von den Federn 5 benötigt wird, um die Wärmeübertragungsverlängerung 3b oder die Rückseite des Körpers 3a gegen den Film 9 zu drücken und um die Belastungen in den Anschlüssen nach der Verschiebung zu minimieren. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Platine 11 parallel zum Boden des Gehäuses 1 und den oberen Oberflächen seiner Schultern 1a ausgerichtet, so daß die elektronischen Komponenten mit der oberen Fläche der Platine 11 über die Zuleitungen 3c verbunden sind, die im rechten Winkel zur Platine 11 umgebogen sind, so daß die elektronischen Komponenten 3 auf der oberen Seite der Schulter 1a seitwärts nach außen außerhalb der Umrandung der Platine 11 in Einkerbungen gedrückt werden, die in der Platine 11 ausgebildet sind und die an sich gegenüberliegenden Seiten der Platine 11 an die Schulter 1a angepaßt sind.
Wie bei den Ausführungsbeispielen in den Fig. 3 bis 5 dargestellt ist, wobei eine Reihe von elektronischen Komponenten 3 gegen eine Seitenwand 1b des Gehäuses gedrückt werden, wird alternativ anstelle der Abdeckung 7 ein Befestigungsteil 15 verwendet, um den notwendigen Kraftausgleich zu bewirken. Das Befestigungsteil 15 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffträger, der am Boden des Gehäuses befestigt ist.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, kann eine einzige geneigte Spiralfeder 5 für jede elektronische Komponente 3 vorgesehen sein, wobei jede geneigte Spiralfeder 5 durch das Befestigungsteil 15 getragen wird, das parallel zu den entsprechenden elektronischen Komponenten 3, d. h. vertikal ausgerichtet ist. Wie bei den Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann alternativ dazu, wie in Fig. 5 dargestellt ist, eine einzige geneigte Spiralfeder 5 für eine Mehrzahl von elektronischen Komponenten 3 verwendet werden, wobei das Befestigungsteil 15 die geneigte Spiralfeder 5 trägt, die parallel zu der Reihe der elektronischen Komponenten 3, d. h. horizontal ausgerichtet ist. Wenn die elektronischen Komponente 3 in einer Weise, wie es in Fig. 3 dargestellt ist an sich gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 1 vorgesehen sind, wie es bei den Beispielen in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann ein einziges Befestigungsteil 15, das im wesentlichen den Abstand zwischen den Berührungsbereichen überspannt oder ein Paar von Befestigungsteilen 15, jedes für jeweils eine Seite, am Boden des Gehäuses 1 befestigt werden, um die Kräfte der an jeder der Seitenwände 1b angeordneten geneigten Spiralfedern 5 zu übertragen und auszugleichen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Zuleitungen 3c, über die die Komponenten 3 elektrisch mit der Platine 11 verbunden sind, gebogen oder in eine im wesentlichen 5-Form gebracht, um die von den Federn 5 benötigte Kraft zu minimieren, um die Lappen 3b für den Wärmetransport oder die Rückseite des Körpers 3a gegen den Film 9 zu drücken und die mechanischen Belastungen in den Zuleitungen nach deren Verschiebung zu minimieren.
Anstelle der Abdeckung 7, die eine nach innen gerichtete Verlängerung 7a aufweist, die die geneigten Spiralfedern 5 trägt, können die geneigten Spiralfedern 5 an Federträgern befestigt sein, die an der Unterseite einer flachen Abdeckung befestigt sind. Wir wollen jedoch nicht, daß durch die zuvor aufgezeigten Details eine Einschränkung erfolgt, und beabsichtigen, daß solche Veränderungen und Modifizierungen vom Schutzbereich der angefügten Ansprüche umfaßt werden.
Die vorliegende Erfindung wird einen weiten Bereich an Anwendungen in Vorrichtungen finden, in denen verschiedene elektronische Komponenten, die Wärme erzeugen, die ohne die Verwendung eines Kühlkörpers nicht in geeigneter Weise abgeleitet werden kann, in einem Gehäuse 1 eingeschlossen sind.

Claims

1. Kühlkörperanordnung für elektronische Komponenten mit einem aus Kühlkörpermaterial bestehenden Gehäuse (1), das eine mit einer gedruckten Schaltung versehene Platine (11) und eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten (3) aufweist, mit mindestens einer die elektronischen Komponenten (3) in einen elektrisch nichtleitenden, wärmeleitenden Kontakt mit der Oberfläche einer inneren Wand des Gehäuses (1) drückenden geneigten Spiralfeder (5) und mit einer Haltevorrichtung (7, 15), die die geneigte Spiralfeder (5) gegen die elektronischen Komponenten (3) mit einer Federdurchbiegung hält, die innerhalb des Bereiches im wesentlichen konstanter Federkraft der geneigten Spiralfeder (5) liegt.

2. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 1, wobei die geneigte Spiralfeder (5) so aufgebaut ist, daß ein Druck im Bereich von 137.9 - 344.7 kPa (20-50 psi) auf einen vollen Bereich von unterschiedlichen Größen von elektronischen Komponenten (3) ausgeübt wird.

3. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine tragende Schulter (1a) am Boden des Gehäuses (1) vorgesehen ist und wobei die geneigte Spiralfeder (5) die elektronischen Komponenten (3) gegen eine obere Oberfläche der tragenden Schulter (1a) drückt.

4. Kühlkörperanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Haltevorrichtung für das Halten der geneigten Spiralfeder (5) gegen die elektronischen Komponenten (3) durch eine Abdeckung (7) des Gehäuses (1) gebildet ist, wobei die geneigte Spiralfeder (5) zwischen den elektronischen Komponenten (3) und einem Teil der Abdeckung (7), das der Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses (1) gegenübersteht, zusammengedrückt wird.

5. Kühlkörperanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gehäuse (1) am Boden ein Paar tragender Schultern (1a) aufweist und wobei eine entsprechende geneigte Spiralfeder (5) eine Reihe von elektronischen Komponenten (3) gegen eine obere Oberfläche der entsprechenden tragenden Schulter (1a) drückt.

6. Kühlkörperanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die oder jede der geneigten Spiralfedern (5) von der Abdeckung (7) getragen wird und, vorzugsweise, wobei die Abdeckung (7) ein nach innen gerichtetes Teil aufweist, auf dem die Spiralfedern (5) getragen werden.

7. Kühlkörperanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein elektrisch nicht leitender, thermisch leitender Film (9) auf der Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses (1) bzw. auf der oberen Oberfläche der tragenden Schulter (1a) angeordnet ist, wobei die elektronischen Komponenten (3) über den Film (9) in elektrisch nicht leitendem, wärmeleitendem Kontakt mit der oberen Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses (1) bzw. der oberen Oberfläche der tragenden Schulter (1a) stehen.

8. Kühlkörperanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die eine elektrische Schaltung aufweisende Platine (11) parallel zur Oberfläche der inneren Wand ausgerichtet ist, wobei die elektronischen Komponenten (3) mit der oberen Seite der Platine (11) über elektrisch leitende Zuleitungen (3c) verbunden sind, wobei die Zuleitungen (3c) im rechten Winkel in Richtung der Platine (11) umgebogen sind und wobei die elektronischen Komponenten (3) seitlich nach außen relativ zum Rand der Platine (11) gegen die Oberfläche des inneren Wand gedrückt werden.

9. Kühlkörperanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Oberfläche der inneren Wand eine Seitenwand (1b) des Gehäuses (1) ist und, vorzugsweise, wobei die Haltevorrichtung für das Halten zumindest einer geneigten Spiralfeder (5) gegen die elektronischen Komponenten (3) als ein Befestigungsteil (15) im Gehäuse (1) ausgebildet ist, wobei die geneigte Spiralfeder (5) zwischen den elektronischen Komponenten (3) und dem Befestigungsteil (15) zusammengedrückt wird.

10. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 9, wobei eine geneigte Spiralfeder (5) für jede elektronische Komponente (3) vorgesehen ist, wobei das Befestigungsteil (15) jede parallel zur entsprechenden elektronischen Komponente (3) ausgerichtete geneigte Spiralfeder (5) trägt und/oder wobei das Befestigungsteil (15) am Gehäuse (1) befestigt ist und/oder wobei eine einzige geneigte Spiralfeder (5) für eine Mehrzahl von elektronischen Komponenten (3) vorgesehen ist, wobei das Befestigungsteil (15) die parallel zu einer Reihe von elektronischen Komponenten (3) ausgerichtete geneigte Spiralfeder (5) trägt, und/oder wobei die Oberfläche der inneren Wand jeweils eine Oberfläche (1b) an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (1) aufweist und wobei die geneigten Spiralfedern (5) für ein Drücken der elektronischen Komponenten (3) gegen jede der Oberflächen (1b) der inneren Wand vorgesehen ist.

11. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die elektronischen Komponenten (3) leitende Zuleitungen (3c) aufweisen, mit denen sie mit der Platine (11) verbunden sind, wobei die Zuleitungen (3c) eine im wesentlichen S-förmige Ausgestaltung aufweisen, um die von den geneigten Spiralfedern (5) aufzubringende Kraft zu minimieren, um die elektronischen Komponenten (3) gegen die Oberflächen der inneren Wand zu drücken und um die Spannungen in den Zuleitungen (3c) zu minimieren, nachdem die elektronischen Komponenten (3) gegen die Oberflächen (1b) der inneren Wand gedrückt worden sind.