WO2023284923A1 - Elektronisches gerät mit einer schaltungsanordnung - Google Patents

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WO2023284923A1
WO2023284923A1 PCT/DE2022/200152 DE2022200152W WO2023284923A1 WO 2023284923 A1 WO2023284923 A1 WO 2023284923A1 DE 2022200152 W DE2022200152 W DE 2022200152W WO 2023284923 A1 WO2023284923 A1 WO 2023284923A1
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WO
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heat
conducting plate
heat sink
contact
circuit arrangement
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/200152
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Hillenmayer
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20536—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for racks or cabinets of standardised dimensions, e.g. electronic racks for aircraft or telecommunication equipment
    • H05K7/20545—Natural convection of gaseous coolant; Heat transfer by conduction from electronic boards
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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    • H05K7/20536—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for racks or cabinets of standardised dimensions, e.g. electronic racks for aircraft or telecommunication equipment
    • H05K7/20627—Liquid coolant without phase change
    • H05K7/20636—Liquid coolant without phase change within sub-racks for removing heat from electronic boards

Definitions

  • the invention relates to an electronic device with a circuit arrangement with a circuit board with at least one heat-generating semiconductor component arranged thereon, with a heat-conducting plate serving as a heat sink, which is arranged in heat-conducting contact with the at least one semiconductor component and parallel to the circuit board, with the heat-conducting plate being formed is to be brought into thermally conductive contact with a heat sink.
  • the invention also relates to a housing with such a circuit arrangement.
  • Such a circuit arrangement is known from DE 202013002411 U1.
  • a corresponding circuit arrangement is shown in FIG. 4 there and described in detail in the associated description.
  • Such a known circuit arrangement is sketched in the present application in FIG. 1 and shows a heat-generating semiconductor component 1 which can be mounted on a printed circuit board (not shown).
  • a heat-generating semiconductor component 1 can be a microprocessor, for example, but also a power transistor or just any semiconductor component that emits a lot of heat loss. It is therefore necessary to provide heat dissipation means that reliably enable the semiconductor component 1 to be cooled.
  • a thermally conductive plate 2 serving as a heat sink is provided, which is arranged on the side of the semiconductor component 1 opposite the printed circuit board and is in thermally conductive contact with the semiconductor component 1 .
  • a thermally conductive paste (not shown) or a thermally conductive adhesive or something similar can be provided between the semiconductor component 1 and the thermally conductive plate 2 in order in particular to compensate for irregularities in the two surfaces.
  • a heat sink 4 is arranged on the heat conducting plate 2 , it also being possible here for a heat conducting paste to be arranged between the heat conducting plate 2 and the heat sink 4 .
  • a heat conducting paste In order to enable the best possible heat dissipation, an intimate contact between the built-in components must be established, which is usually done by applying a defined force 5 with which the components are pressed onto one another.
  • this force 5 cannot be too great, since the semiconductor component 1 and its connection to the printed circuit board do not permit the application of a great deal of force.
  • DE 102013207000 A1 discloses a control unit for a motor vehicle, with a housing, a circuit arrangement comprising at least one power semiconductor component being arranged in a cavity enclosed by the housing, and the housing having an electrical plug connection comprising electrical plug contacts, the electrical plug contacts each being located in Extend direction of a plug-in axis of the plug connector.
  • the control unit has at least one heat-conducting element, one section of which is thermally conductively connected to the power semiconductor component, and a heat-conducting plug contact of the plug connection is formed with one end section, the end section extending in the direction of a plug-in axis of the plug connection.
  • the thermally conductive plug contact protrudes from the housing.
  • the control unit is part of a connector system that also has a mating connector, the mating connector being designed to be plugged into the connector in a detachable manner along a connector axis, and the mating connector having electrically conductive mating connector contacts, which are each designed when the mating connector is plugged into the connector to contact a plug contact, and the mating connector one has a thermally conductive mating contact, which is adapted to be connected to the thermally conductive plug contact and to receive heat from the thermally conductive plug contact.
  • the mating connector can have a heat sink, the heat sink being designed to absorb heat and the heat sink being thermally conductively connected to the thermally conductive mating connector.
  • US 20170339805 A1 describes a heat dissipation assembly comprising: a housing having a set of planar walls defining an exterior of the housing and an interior of the housing, the housing having one or more openings; an electronic circuit board having a heat-generating component, the electronic circuit board being housed inside the case; and a thermal plane in thermally conductive relationship with the heat-generating component and extending from within the housing through the one or more openings beyond at least one planar wall into an external environment surrounding the housing to define an extending thermal plane portion, wherein the thermal plane configured to conduct heat from the heat-generating component beyond the at least one planar wall and remit at least a portion of the heat to the external environment; and wherein the portion of the thermal plane inside the housing is coplanar with the extending thermal plane portion.
  • an electronic device with a circuit arrangement with a printed circuit board with at least one on it arranged heat-generating semiconductor component, with a heat-conducting plate serving as a heat sink, which is arranged in heat-conducting contact with the at least one semiconductor component and parallel to the printed circuit board, wherein the heat-conducting plate is designed to be brought into heat-conducting contact with a heat sink, the connecting direction of the Semiconductor component is oriented with the heat conducting plate perpendicular to the connection direction of the heat conducting plate with the heat sink, wherein a connection surface provided for connection to the heat sink of the heat conducting plate is oriented perpendicular to the surface of the printed circuit board.
  • the electronic device also has a housing that has at least two receiving rails for receiving the circuit arrangement, a contact device for contacting a counter-contact device that is arranged on the printed circuit board of the circuit arrangement, the contact device being arranged between the receiving rails so that the contact is made when the The circuit arrangement is pushed into the housing between the mounting rails, a heat sink, which is arranged between the two mounting rails, so that contact is made between the connecting surface of the heat-conducting plate and the heat sink when the circuit arrangement is pushed completely into the housing between the mounting rails, and a fastening plate, which attached to the ends of the receiving rails and presses the circuitry against the heatsink.
  • the circuit arrangement for example in the form of a so-called blade module—could be pushed into a slot in a housing designed as a rack.
  • the thermal contact takes place on the front side of the heat-conducting plate.
  • the contact resistance depends on the contact pressure. This system allows for significantly greater force to be applied on the front than on the top where the semiconductor components are.
  • the shape and tolerance of the contact surface on the front side of the heat conducting plate and the heat sink can be made more precise than the top surface that is in contact with the semiconductor devices.
  • a thermal interface material in the form of a thermal interface medium can be used.
  • the necessary thickness of this heat transfer medium depends on its own parameters and on the planarity of the contact surfaces. On the front it is possible to use a thinner thermal transfer medium, which causes a lower thermal resistance.
  • the thermally conductive medium can be a thermal paste, a thermally conductive adhesive, or a phase change material.
  • the heat sink can be formed with at least one channel through which a cooling fluid can flow. However, it can also have cooling fins instead or in addition.
  • the cooling fluid can be gaseous or liquid.
  • connection surface of the heat sink and the connection surface of the heat-conducting plate preferably have a congruent course, so that they can be brought into intimate contact, which is a good conductor of heat.
  • the receiving rails can have grooves and the heat-conducting plate can have projections on opposite side walls that match the grooves, or vice versa. In this way, good guidance of the circuit arrangement in the housing is possible. It would also be possible to slide the circuit board into grooves.
  • the mounting plate may have an L-shaped cross section to increase its flexural rigidity.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement according to the invention
  • 3 shows a housing part with a circuit arrangement in the non-inserted state
  • FIG. 5 shows a circuit arrangement according to the invention in a perspective view with a connecting plate
  • FIG. 6 shows a perspective view of a housing part with mounting rails and a heat sink
  • FIG. 7 shows a housing part with an inserted circuit arrangement in a perspective view obliquely from above
  • FIG. 8 shows a housing part with an inserted circuit arrangement in a perspective view obliquely from below and
  • FIG. 2 outlines a proposal for a circuit arrangement for an electronic device according to the invention.
  • a heat-generating semiconductor component 1 is mounted in a known manner, for example, on a printed circuit board (not shown) and, as shown, connected to a heat-conducting plate 2 that would run approximately parallel to the printed circuit board.
  • the heat-conducting plate 2 is connected to a heat sink 4, which, however - in contrast to the prior art - is not connected to the heat-conducting plate 2 in the connection direction of the semiconductor component 1, but in a direction perpendicular thereto in order to exert a greater force 5 on the To be able to apply junction between the heat conducting plate 2 and the heat sink 4 without damaging the semiconductor component 1 or its connection to the printed circuit board.
  • connection point between the thermally conductive plate 2 and the heat sink 4 can be made very flat, so that a very good thermally conductive contact is created, but it is still possible to provide a thermally conductive medium 3 between these two parts in order to compensate for any remaining irregularities.
  • the thickness of this heat-conducting medium 3 can be selected to be significantly smaller than in the prior art arrangements.
  • the inventive principle consists in that the connection direction of the semiconductor component 1 with the heat conducting plate 2, which is shown vertically in Figure 2, and the connection direction of the heat conducting plate 2 with the heat sink 4, the shown horizontally in FIG. 2, are perpendicular to one another, so that the forces to be applied are decoupled from one another.
  • FIG. 3 shows such a circuit arrangement, again in a schematic manner, which is to be inserted into a housing in the form of a known rack.
  • the printed circuit board 6 can be pushed into the housing in guide grooves of mounting rails of this housing, or the entire circuit arrangement is installed as a flat component, for example in an additional housing, in which case the entire flat housing is then pushed into the rack.
  • the electronic circuit on the circuit board 6 is then contacted, for example, by a plug-in contact at the rear end of the housing, the contact devices 9 being arranged on a rear housing wall 7 and edge contacts 10 on the circuit board 6 being connected to the contacts of this contact device 9.
  • FIG. 3 shows such a circuit arrangement, in which, as an example, two heat-conducting semiconductor components 1 are mounted on a printed circuit board 6 and a heat-conducting plate 2 is arranged on the semiconductor component.
  • the housing or rack is only indicated by its rear wall 7 on which—as already explained—the contact device 9 is arranged and also a heat sink 4 that has cooling ducts 8 .
  • By an arrow 11 is the Insertion direction of the circuit arrangement into the rack is indicated, with not only the mating contact device 10 on the printed circuit board 6 coming into contact with the contact device 9 on the rear wall 7 of the housing, but also a connecting surface of the heat-conducting plate 2 with a corresponding connecting surface of the heat sink 4.
  • a heat-conducting medium 3 be provided.
  • the connecting surfaces do not necessarily have to be flat, as shown in FIG. 2, but can, as shown here in FIG. 3, also have a different shape, in particular a wedge shape, which will be explained further in connection with FIG.
  • FIG. 4 now shows the same arrangement as in FIG. 3, but with the circuit arrangement pushed into the housing or rack.
  • Figure 5 shows a circuit arrangement according to Figures 3 and 4 in a perspective view obliquely from below, with a flat connecting surface 12 on the heat sink 4 being shown here again, which also has projections 13 on two opposite sides, which fit in grooves in the mounting rails of the housing can intervene. Also shown in FIG. 5 is a fastening plate 14 which has an approximately L-shaped cross section.
  • the circuit arrangement can be screwed into a housing with the aid of this fastening plate 14, as a result of which a force can be applied with which the connecting surface 12 of the heat-conducting plate 2 can be non-positively connected to a corresponding connecting surface of a heat sink 4.
  • FIG. 6 shows a perspective representation of a housing part into which a circuit arrangement is to be inserted.
  • Mounting rails 15 are mounted on a rear side 7 of the housing and have grooves 16 for receiving corresponding projections on the circuit arrangement. Between the receiving rails 15 runs the heat sink 4, which has cooling channels 8 in the exemplary embodiment shown, through which a gaseous or liquid cooling medium can be guided. Also recognizable at the Housing rear wall 7 mounted contact devices 9, in which the circuit board 6 can be inserted to make electrical contact.
  • FIG. 7 A circuit arrangement pushed into such a housing is now shown in FIG. 7, with a circuit board 6 being indicated transparently and showing the semiconductor components 1, which are connected on their side opposite the circuit board 6 to a heat-conducting plate 2, which is connected to the heat sink on a front side 4 is connected.
  • the heat sink 4 has two cooling channels 8 through which a fluid can flow, which is indicated by arrows 17 .
  • FIG. 8 once again shows the housing part that was already shown in FIG. 6, but this time with an inserted circuit arrangement. It can be seen that the fastening plate 14 is now screwed to the receiving rails 15 by means of screws 18 so that the heat-conducting plate 2 is pressed against the heat sink 4 . Due to the arrangement according to the invention, it is possible to apply a relatively large force here, so that there is very good thermally conductive contact between the thermally conductive plate 2 and the heat sink 4, which can optionally be improved by a thermally conductive medium between the two connecting surfaces.
  • the mounting plate 14 does not have to have an L-shaped cross section. It can also have a different cross-section or shape than that shown. E.g. a U-shaped cross-section or designed as a leaf spring, etc. This fastening element should work like a bending beam.
  • Fig. 8 shows the two support points with screws 18 and the centric introduction of force 5.
  • the aim is to introduce the force 5 into the heat-conducting plate 2 as centrally as possible.
  • the structural design of the fastener 14 and its deflection determines the force 5 with which the heat conducting plate 2 against the Heat sink 4 is pressed.
  • the deflection of the fastening element 14 is matched by the difference in length of the screwing points on the left and right and the central support force 5 on the heat-conducting plate 2 .
  • the difference in length is evident when the blade module is fully inserted and the thermal plate 2 is in contact with the heatsink 4.
  • the connecting surfaces 12 of the heat-conducting plate 2 and also of the heat sink 4 can be planar; However, in order to increase the area, it is also possible to design it in the form of a wedge, as shown in the exemplary embodiment of the upper illustration in FIG. 9, but rounded designs, as shown in the middle illustration, are also possible.

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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät aufweisend eine Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte (6) mit zumindest einem darauf angeordneten Wärme-erzeugenden Halbleiterbauteil (1), mit einer als Wärmesenke dienenden Wärmeleitplatte (2), die mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil (1) in wärmeleitendem Kontakt und parallel zu der Leiterplatte (6) angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte (2) ausgebildet ist, mit einem Kühlkörper (4) in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden, und wobei die Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils (1) mit der Wärmeleitplatte (2) senkrecht zur Verbindungsrichtung der Wärmeleitplatte (2) mit dem Kühlkörper (4) orientiert ist. Dabei ist eine zur Verbindung mit dem Kühlkörper (4) vorgesehene Verbindungsfläche (12) der Wärmeleitplatte (2) senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte (6) orientiert. Die Schaltungsanordnung ist in einem Gehäuse angeordnet, das zumindest zwei Aufnahmeschienen (15) zur Aufnahme der Schaltungsanordnung aufweist. Es weist einen Kühlkörper (4) auf, der zwischen den zwei Aufnahmeschienen (15) angeordnet ist, so dass eine Kontaktierung der Verbindungsfläche (12) der Wärmeleitplatte (2) mit dem Kühlkörper (4) beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen (15) erfolgt und ein Befestigungsblech (14), das an den Enden der Aufnahmeschienen (15) befestigt ist und die Schaltungsanordnung gegen den Kühlkörper (4) drückt.

Description

Beschreibung
Elektronisches Gerät mit einer Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einer Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte mit zumindest einem darauf angeordneten Wärme-erzeugenden Halbleiterbauteil, mit einer als Wärmesenke dienenden Wärmeleitplatte, die mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil in wärmeleitendem Kontakt und parallel zu der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte ausgebildet ist, mit einem Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden. Die Erfindung betrifft auch ein Gehäuse mit einer solchen Schaltungsanordnung.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE 202013002411 U1 bekannt. In der dortigen Fig. 4 ist eine entsprechende Schaltungsanordnung gezeigt und in der zugehörigen Beschreibung ausführlich beschrieben. In der Fig. 1 vorliegender Anmeldung ist eine solche bekannte Schaltungsanordnung skizziert und zeigt ein Wärme-erzeugendes Halbleiterbauteil 1 , das auf einer nicht dargestellten Leiterplatte montiert sein kann. Ein solches Wärme-erzeugendes Halbleiterbauteil 1 kann beispielsweise ein Mikroprozessor aber auch ein Leistungstransistor oder eben jedes Halbleiterbauteil sein, das viel Verlustwärme abgibt. Deshalb ist es notwendig, Wärmeableitmittel vorzusehen, die eine Entwärmung des Halbleiterbauteils 1 zuverlässig ermöglichen.
Hierzu ist eine als Wärmesenke dienende Wärmeleitplatte 2 vorgesehen, die auf der der Leiterplatte gegenüberliegenden Seite des Halbleiterbauteils 1 angeordnet und in wärmeleitendem Kontakt mit dem Halbleiterbauteil 1 ist. Zwischen dem Halbleiterbauteil 1 und der Wärmeleitplatte 2 kann eine Wärmeleitpaste (nicht dargestellt) oder ein Wärmeleitkleber oder etwas dergleichen vorgesehen sein, um insbesondere Unregelmäßigkeiten der beiden Oberflächen auszugleichen.
Auf der Wärmeleitplatte 2 ist ein Kühlkörper 4 angeordnet, wobei auch hier zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 eine Wärmeleitpaste angeordnet sein kann. Um eine möglichst gute Wärmeableitung zu ermöglichen, muss ein inniger Kontakt zwischen den verbauten Komponenten hergestellt werden, was üblicherweise durch Aufbringen einer definierten Kraft 5 erfolgt, mit der die Komponenten aufeinander gedrückt werden. Diese Kraft 5 kann allerdings bei dem bekannten Aufbau nicht allzu groß sein, da das Halbleiterbauteil 1 und seine Verbindung mit der Leiterplatte keine große Krafteinwirkung zulassen.
Insbesondere bei einer Montage der Schaltungsanordnung in einem Gehäuse, das als sogenanntes Rack ausgebildet ist, bei dem also die Schaltungsanordnung in das Gehäuse mittels Führungsschienen hineingeschoben wird, um an der hinteren Wand des Gehäuses elektrisch kontaktiert zu werden, ist es nicht so gut möglich, die erforderliche Kraft aufzubringen. Es ist hier ebenfalls nicht so gut möglich, einen Kühlmedium-gekühlten Kühlkörper mit einem parallelen Verlauf zu der Leiterplatte vorzusehen.
Die DE 102013207000 A1 offenbart ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, wobei in einem von dem Gehäuse umschlossenen Hohlraum eine Schaltungsanordnung umfassend wenigstens ein Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist, und das Gehäuse einen elektrische Steckkontakte umfassenden elektrischen Steckanschluss aufweist, wobei die elektrischen Steckkontakte sich jeweils in Richtung einer Steckachse des Steckanschlusses erstrecken. Das Steuergerät weist wenigstens ein Wärmeleitelement auf, welches mit einem Abschnitt mit dem Leistungshalbleiterbauelement wärmeleitend verbunden ist und mit einem Endabschnitt ein wärmeleitender Steckkontakt des Steckanschlusses gebildet ist, wobei der Endabschnitt sich in Richtung einer Steckachse des Steckanschlusses erstreckt. Der wärmeleitende Steckkontakt aus dem Gehäuse herausragt. Das Steuergerät ist Teil eines Stecksystems, das außerdem einen Gegenstecker aufweist, wobei der Gegenstecker ausgebildet ist, mit dem Steckanschluss entlang einer Steckachse trennbar steckverbunden zu werden, und der Gegenstecker elektrisch leitfähige Gegensteckkontakte aufweist, welche jeweils ausgebildet sind, beim Zusammenstecken des Gegensteckers mit dem Steckanschluss einen Steckkontakt zu kontaktieren, und der Gegenstecker einen wärmeleitfähigen Gegensteckkontakt aufweist, welcher ausgebildet ist, mit dem wärmeleitfähigen Steckkontakt verbunden zu werden und Wärme von dem wärmeleitfähigen Steckkontakt zu empfangen. Der Gegenstecker kann eine Wärmesenke aufweisen, wobei die Wärmesenke ausgebildet ist, Wärme aufzunehmen und wobei die Wärmesenke mit dem wärmeleitfähigen Gegenstecker wärmeleitend verbunden ist.
Bei dem Zusammenstecken der wärmeleitenden Steck- und Gegensteckkontakte ist allerdings eine präzise Ausrichtung erforderlich.
In der US 20170339805 A1 ist eine Wärmeableitungsbaugruppe beschrieben, die umfasst: ein Gehäuse mit einem Satz planarer Wände, die ein Äußeres des Gehäuses und ein Inneres des Gehäuses definieren, wobei das Gehäuse eine oder mehrere Öffnungen aufweist; eine elektronische Leiterplatte mit einer wärmeerzeugenden Komponente, wobei die elektronische Leiterplatte im Inneren des Gehäuses aufgenommen ist; und eine Wärmeebene in einer wärmeleitenden Beziehung mit der wärmeerzeugenden Komponente und sich vom Inneren des Gehäuses durch die eine oder mehreren Öffnungen über mindestens eine ebene Wand hinaus in eine äußere Umgebung erstreckend, die das Gehäuse umgibt, um einen sich erstreckenden Wärmeebenenabschnitt zu definieren, wobei die thermische Ebene dazu konfiguriert ist, Wärme von der wärmeerzeugenden Komponente über die mindestens eine ebene Wand hinaus zu leiten und mindestens einen Teil der Wärme an die äußere Umgebung abzugeben; und wobei der Abschnitt der Wärmeebene im Inneren des Gehäuses koplanar mit dem sich erstreckenden Wärmeebenenabschnitt ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, bei der insbesondere bei einer Montage der Schaltungsanordnung in einem Gehäuse mit Führungs- oder Aufnahmeschienen eine gute Kühlung des oder der Halbleiterbauteile möglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Gerät mit einer Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte mit zumindest einem darauf angeordneten Wärme-erzeugenden Halbleiterbauteil, mit einer als Wärmesenke dienenden Wärmeleitplatte, die mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil in wärmeleitendem Kontakt und parallel zu der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte ausgebildet ist, mit einem Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden, wobei die Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils mit der Wärmeleitplatte senkrecht zur Verbindungsrichtung der Wärmeleitplatte mit dem Kühlkörper orientiert ist, wobei eine zur Verbindung mit dem Kühlkörper vorgesehene Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte orientiert ist. Des elektronische Gerät weist zudem auf ein Gehäuse, das zumindest zwei Aufnahmeschienen zur Aufnahme der Schaltungsanordnung aufweist, eine Kontaktvorrichtung zur Kontaktierung einer Gegenkontaktvorrichtung, die auf der Leiterplatte der Schaltungsanordnung angeordnet ist, wobei die Kontaktvorrichtung zwischen den Aufnahmeschienen angeordnet ist, so dass die Kontaktierung beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen erfolgt, einen Kühlkörper, der zwischen den zwei Aufnahmeschienen angeordnet ist, so dass eine Kontaktierung der Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte mit dem Kühlkörper beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen erfolgt und ein Befestigungsblech, das an den Enden der Aufnahmeschienen befestigt ist und die Schaltungsanordnung gegen den Kühlkörper drückt.
Die Schaltungsanordnung - beispielsweise in Form eines sogenannten Blade-Moduls - könnte in einen Steckplatz eines als Rack ausgebildeten Gehäuses geschoben werden. Der thermische Kontakt erfolgt in erfindungsgemäßerweise an der Vorderseite der Wärmeleitplatte. Der Kontaktwiderstand hängt vom Anpressdruck ab. Dieses System ermöglicht eine deutlich größere Krafteinwirkung auf der Vorderseite als auf die Oberseite, wo die Halbleiterbauteile sind. Die Form und Toleranz der Kontaktfläche an der Vorderseite der Wärmeleitplatte und des Kühlkörpers kann präziser als die obere Oberfläche, die in Kontakt mit den Halbleiterbauteilen ist, ausgeführt werden. Um verbleibende Toleranzen zu kompensieren, kann ein thermisches Schnittstellenmaterial in Form eines Wärmeleitmediums verwendet werden. Die notwendige Dicke dieses Wärmeleitmediums hängt von seinen eigenen Parametern und von der Planarität der Kontaktflächen ab. An der Vorderseite ist es möglich, ein dünneres Wärmeleitmedium zu verwenden, das einen geringeren thermischen Widerstand verursacht.
Das Wärmeleitmedium kann eine Wärmeleitpaste, ein wärmeleitender Kleber oder ein Phasenwechselmaterial sein.
Der Kühlkörper kann mit zumindest einem Kanal ausgebildet sein, der von einem Kühlfluid durchströmt werden kann. Er kann aber auch stattdessen oder zusätzlich Kühlrippen aufweisen. Das Kühlfluid kann gasförmig oder auch flüssig sein.
In bevorzugter Weise haben eine Verbindungsfläche des Kühlkörpers und die Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte einen kongruenten Verlauf, so dass sie in innigen Kontakt gebracht werden können, der gut wärmeleitend ist.
Die Aufnahmeschienen können Nuten und die Wärmeleitplatte auf gegenüberliegenden Seitenwänden zu den Nuten passende Vorsprünge oder umgekehrt aufweisen. Auf diese Weise ist eine gute Führung der Schaltungsanordnung in dem Gehäuse möglich. Es wäre auch möglich, die Leiterplatte in Nuten zu schieben.
Das Befestigungsblech kann einen L-förmigen Querschnitt haben, um seine Biegesteifigkeit zu erhöhen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 3 ein Gehäuseteil mit einer Schaltungsanordnung im nicht eingeschobenen Zustand,
Fig. 4 ein Gehäuseteil mit einer Schaltungsanordnung im eingeschobenen Zustand,
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in perspektivische Ansicht mit einem Verbindungsblech,
Fig. 6 ein Gehäuseteil mit Aufnahmeschienen und einem Kühlkörper in perspektivischer Ansicht,
Fig. 7 ein Gehäuseteil mit einer eingeschobenen Schaltungsanordnung in perspektivischer Ansicht von schräg oben,
Fig. 8 ein Gehäuseteil mit einer eingeschobenen Schaltungsanordnung in perspektivischer Ansicht von schräg unten und
Fig. 9 in schematischer Weise drei Varianten von Verbindungsflächen.
In der Figur 2 ist ein Vorschlag für eine Schaltungsanordnung für ein erfindungsgemäßes elektronisches Gerät skizziert. Dort ist in bekannter Weise ein wärmeerzeugendes Halbleiterbauteil 1 beispielsweise auf einer (nicht dargestellten) Leiterplatte in bekannter Weise montiert und, wie dargestellt, mit einer Wärmeleitplatte 2 verbunden, die etwa parallel zu der Leiterplatte verlaufen würde. Auch hier ist die Wärmeleitplatte 2 mit einem Kühlkörper 4 verbunden, der jedoch - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht in der Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils 1 mit der Wärmeleitplatte 2 verbunden wird, sondern in einer dazu senkrechten Richtung, um eine größere Kraft 5 auf die Verbindungsstelle zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 aufbringen zu können, ohne das Halbleiterbauteil 1 oder dessen Verbindung mit der Leiterpatte zu beschädigen. Die Verbindungsstelle zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 kann zwar sehr plan hergestellt werden, sodass ein sehr guter wärmeleitender Kontakt entsteht, es ist jedoch trotzdem möglich, ein Wärmeleitmedium 3 zwischen diesen beiden Teilen vorzusehen, um noch verbliebene etwaige Unregelmäßigkeiten auszugleichen. Allerdings kann die Dicke dieses Wärmeleitmediums 3 wesentlich geringer gewählt werden als bei den Anordnungen des Standes der Technik.
Wie in der schematischen Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, besteht das erfinderische Prinzip darin, dass die Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils 1 mit der Wärmeleitplatte 2, die in der Figur 2 vertikal dargestellt ist, und die Verbindungsrichtung der Wärmeleitplatte 2 mit dem Kühlkörper 4, der in der Darstellung der Figur 2 horizontal dargestellt ist, senkrecht aufeinander stehen, sodass die aufzubringenden Kräfte voneinander entkoppelt sind.
In der Figur 3 ist nun, wieder in schematischer Weise, eine solche Schaltungsanordnung dargestellt, die in ein Gehäuse in Form eines bekannten Racks eingeschoben werden soll. Bei dieser Montageweise können entweder die Leiterplatte 6 in Führungsrillen von Aufnahmeschienen dieses Gehäuses in das Gehäuse eingeschoben werden, oder die gesamte Schaltungsanordnung ist als flaches Bauteil beispielsweise in einem zusätzlichen Gehäuse verbaut, wobei dann das gesamte flache Gehäuse in das Rack eingeschoben wird. Eine Kontaktierung der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte 6 findet dann beispielsweise durch einen Steckkontakt am hinteren Ende des Gehäuses statt, wobei die Kontaktvorrichtungen 9 an einer rückseitigen Gehäusewand 7 angeordnet sind und Kantenkontakte 10 auf der Leiterplatte 6 mit den Kontakten dieser Kontaktvorrichtung 9 verbunden werden.
In der Figur 3 ist eine solche Schaltungsanordnung gezeigt, bei der als Beispiel zwei wärmeleitende Halbleiterbauteile 1 auf einer Leiterplatte 6 montiert sind und auf dem Halbleiterbauteil eine Wärmeleitplatte 2 angeordnet ist. Das Gehäuse bzw. Rack ist lediglich durch seine Rückwand 7 angedeutet an der- wie schon ausgeführt wurde - die Kontaktvorrichtung 9 angeordnet ist und des Weiteren ein Kühlkörper 4, der Kühlkanäle 8 aufweist. Durch einen Pfeil 11 ist die Einschubrichtung der Schaltungsanordnung in das Rack angedeutet, wobei nicht nur die Gegenkontaktvorrichtung 10 auf der Leiterplatte 6 mit der Kontaktvorrichtung 9 an der Gehäuserückwand 7 in Kontakt kommt, sondern außerdem eine Verbindungsfläche der Wärmeleitplatte 2 mit einer entsprechenden Verbindungsfläche des Kühlkörpers 4. Dazwischen kann ein Wärmeleitmedium 3 vorgesehen sein. Die Verbindungsflächen müssen nicht zwangsläufig plan sein, wie sie in der Figur 2 dargestellt sind, sondern können, wie hier in der Figur 3 dargestellt auch eine andere Form, insbesondere eine Keilform haben, was noch weiter in Verbindung mit der Figur 9 erläutert wird.
In der Figur 4 ist nun die gleiche Anordnung wie in der Figur 3 dargestellt, jedoch im eingeschobenen Zustand der Schaltungsanordnung in das Gehäuse bzw. Rack.
Die Figur 5 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der Figuren 3 und 4 in einer perspektivischen Darstellung von schräg unten, wobei hier wieder eine plane Verbindungsfläche 12 am Kühlkörper 4 dargestellt ist, der des Weiteren an zwei gegenüberliegenden Seiten Vorsprünge 13 aufweist, die in Nuten in Aufnahmeschienen des Gehäuses eingreifen können. Ebenfalls dargestellt in der Figur 5 ist ein Befestigungsblech 14, das einen etwa L-förmigen Querschnitt aufweist.
Mit Hilfe dieses Befestigungsblechs 14 kann die Schaltungsanordnung in einem Gehäuse verschraubt werden, wodurch eine Kraft aufgebracht werden kann, mit der die Verbindungsfläche 12 der Wärmeleitplatte 2 mit einer entsprechenden Verbindungsfläche eines Kühlkörpers 4 kraftschlüssig verbunden werden kann.
Die Figur 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Gehäuseteil, in das eine Schaltungsanordnung eingeschoben werden soll. An einer Gehäuserückseite 7 sind dabei Aufnahmeschienen 15 montiert, die Nuten 16 zur Aufnahme von entsprechenden Vorsprüngen an der Schaltungsanordnung aufweisen. Zwischen den Aufnahmeschienen 15 verläuft der Kühlkörper 4, der im dargestellten Ausführungsbeispiel Kühlkanäle 8 aufweist, durch die ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium geführt werden kann. Ebenfalls zu erkennen sind die an der Gehäuserückwand 7 montierten Kontaktvorrichtungen 9, in die die Leiterplatte 6 eingeschoben werden kann, um einen elektrischen Kontakt herzustellen.
Eine in ein solches Gehäuse eingeschobene Schaltungsanordnung zeigt nun die Figur 7, wobei eine Leiterplatte 6 durchsichtig angedeutet ist und die Halbleiterbauteile 1 zu erkennen gibt, die auf ihrer der Leiterplatte 6 gegenüberliegenden Seite mit einer Wärmeleitplatte 2 verbunden sind, die mit einer Frontseite mit dem Kühlkörper 4 in Verbindung ist. Der Kühlkörper 4 weist in der dargestellten Ausführung zwei Kühlkanäle 8 auf, durch die ein Fluid strömen kann, was durch Pfeile 17 angedeutet ist.
Die Figur 8 zeigt noch einmal das Gehäuseteil, das bereits in der Figur 6 dargestellt wurde, dieses Mal jedoch mit einer eingeschobenen Schaltungsanordnung. Zu erkennen ist, dass das Befestigungsblech 14 nun mittels Schrauben 18 mit den Aufnahmeschienen 15 verschraubt ist, sodass die Wärmeleitplatte 2 gegen den Kühlkörper 4 gedrückt wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, hier eine relativ große Kraft aufzubringen, sodass ein sehr guter wärmeleitender Kontakt zwischen der Wärmeleitplatte 2 und dem Kühlkörper 4 entsteht, welcher ggf. noch durch ein Wärmeleitmedium zwischen den beiden Verbindungsflächen verbessert werden kann.
Das Befestigungsblech 14 muss keinen L-förmigen Querschnitt haben. Es kann auch einen anderen Querschnitt oder eine andere als die dargestellte Gestalt haben. Z.B. einen U-förmigen Querschnitt oder als Blattfeder ausgebildet sein usw. Dieses Befestigungselement soll wie ein Biegebalken arbeiten.
Fig. 8 zeigt die beiden Auflagerpunkte mit Schrauben 18 und die zentrische Krafteinleitung 5.
Ziel ist es, die Kraft 5 möglichst zentrisch in die Wärmeleitplatte 2 einzuleiten. Die konstruktive Gestaltung des Befestigungselementes 14 und dessen Durchbiegung bestimmt die Kraft 5, mit der die Wärmeleitplatte 2 gegen den Kühlkörper 4 gedrückt wird. Die Durchbiegung des Befestigungselement 14 wird durch die Längendifferenz der Anschraubpunkte links und rechts und dem zentrischen Auflager Kraft 5 an der Wärmeleitplatte 2 abgestimmt. Die Längendifferenz zeigt sich, wenn das Blade-Module vollkommen eingeschoben ist und die Wärmeleitplatte 2 mit dem Kühlkörper 4 in Kontakt ist. Zwischen dem Befestigungselement 14 wird im spannungslosen Zustand an den beiden äußernden Enden 18 ein Abstand sein. Mit dem Anziehen bis an die Anlagefläche der Aufnahmeschienen 15 mit den Schrauben 18 an den beiden äußeren Enden des Befestigungselementes 14 wird die vorherbestimmte Durchbiegung und damit die gewünschte Anpresskraft 5 erzeugt.
Wie schon ausgeführt wurde, können die Verbindungsflächen 12 der Wärmeleitplatte 2 und auch des Kühlkörpers 4 plan sein; um jedoch die Fläche zu vergrößern ist es auch möglich, diese keilförmig auszubilden, wie im Ausführungsbeispiel der oberen Darstellung in der Figur 9 dargestellt, es sind jedoch auch abgerundete Ausführungen wie in der mittleren Darstellung dargestellt, möglich.
Es ist außerdem möglich, zusätzliche Verbindungsteile 19 vorzusehen, die beispielsweise Wärmekanäle 19 aufweisen, was in der unteren Darstellung in der Figur 9 dargestellt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Gerät aufweisend eine Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte (6) mit zumindest einem darauf angeordneten Wärme-erzeugenden Halbleiterbauteil (1), mit einer als Wärmesenke dienenden Wärmeleitplatte (2), die mit dem zumindest einen Halbleiterbauteil (1) in wärmeleitendem Kontakt und parallel zu der Leiterplatte (6) angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte (2) ausgebildet ist, mit einem Kühlkörper (4) in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden, und wobei die Verbindungsrichtung des Halbleiterbauteils (1) mit der Wärmeleitplatte (2) senkrecht zur Verbindungsrichtung der Wärmeleitplatte (2) mit dem Kühlkörper (4) orientiert ist, wobei eine zur Verbindung mit dem Kühlkörper (4) vorgesehene Verbindungsfläche (12) der Wärmeleitplatte (2) senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte (6) orientiert ist, ein Gehäuse, das zumindest zwei Aufnahmeschienen (15) zur Aufnahme der Schaltungsanordnung aufweist, eine Kontaktvorrichtung (9) zur Kontaktierung einer Gegenkontaktvorrichtung (10), die auf der Leiterplatte (6) der Schaltungsanordnung angeordnet ist, wobei die Kontaktvorrichtung (9) zwischen den Aufnahmeschienen (15) angeordnet ist, so dass die Kontaktierung beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen (15) erfolgt, einen Kühlkörper (4), der zwischen den zwei Aufnahmeschienen (15) angeordnet ist, so dass eine Kontaktierung der Verbindungsfläche (12) der Wärmeleitplatte (2) mit dem Kühlkörper (4) beim vollständigen Hineinschieben der Schaltungsanordnung in das Gehäuse zwischen den Aufnahmeschienen (15) erfolgt und ein Befestigungsblech (14), das an den Enden der Aufnahmeschienen (15) befestigt ist und die Schaltungsanordnung gegen den Kühlkörper (4) drückt.
2. Elektronisches Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungsfläche (12) mit einem Wärmeleitmedium (3) versehen ist.
3. Elektronisches Gerät nach Anspruch 2, bei dem das Wärmeleitmedium (3) eine Wärmeleitpaste, ein wärmeleitender Kleber oder ein Phasenwechselmaterial ist.
4. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kühlkörper (4) mit zumindest einem Kanal (8) ausgebildet ist, der von einem Kühlfluid durchströmt werden kann.
5. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Verbindungsfläche des Kühlkörpers (4) und die Verbindungsfläche (12) der Wärmeleitplatte (2) einen kongruenten Verlauf haben.
6. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die
Aufnahmeschienen (15) Nuten (16) und die Wärmeleitplatte (2) auf gegenüberliegenden Seitenwänden zu den Nuten (16) passende Vorsprünge (13) oder umgekehrt aufweisen.
7. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das
Befestigungsblech (14) einen L-förmigen Querschnitt hat.
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