AT505510B1

AT505510B1 - Kühlanordnung mit einem halbleiterbauelement

Info

Publication number: AT505510B1
Application number: AT8212007A
Authority: AT
Inventors: Martin Petricek
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2012-11-15
Also published as: AT505510A3; EP2149151A1; AT505510A2; WO2008141879A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung mit einem Halbleiterbauelement (1), welches eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei auf der Unterseite eine Wärme abgebende Auflagefläche (9) angeordnet ist, welche mit einem Kühlkörper (2) thermisch kontaktiert ist und wobei das Halbleiterbauelement (1) wenigstens ein Befestigungsloch (10) aufweist, dessen Achse im Wesentlichen orthogonal zur Auflagefläche (9) des Halbleiterbauelements (1) angeordnet ist. Dabei ist eine Buchse (3) aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen, welche durch das Befestigungsloch (10) geführt ist und mit einem Kragen am Befestigungslochrand auf der Oberseite des Halbleiterbauelements (1) aufliegt, wobei die Buchse (3) über die Unterseite des Halbleiterbauelements (1) hinausragt und wobei des Weiteren der Kühlkörper (2) über diesem hinausragenden Teil der Buchse (3) freigestellt ist und wobei ein Befestigungselement (4) vorgesehen ist, welches in der Weise mit der Buchse (3) verbunden und am Kühlkörper (2) abgestützt ist, dass die Buchse (3) gegen den Kühlkörper (2) gespannt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT505 510B1 2012-11-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung mit einem Halbleiterbauelement, welches eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei auf der Unterseite eine Wärme abgebende Auflagefläche angeordnet ist, welche mit einem Kühlkörper thermisch kontaktiert ist und wobei das Halbleiterbauelement wenigstens ein Befestigungsloch aufweist, dessen Achse im Wesentlichen orthogonal zur Auflagefläche des Halbleiterbauelements angeordnet ist.

[0002] In vielen elektronischen Geräten sind elektronische Bauteile enthalten, die Wärme erzeugen. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die Temperatur des elektronischen Bauteils in Grenzen zu halten. In der Regel geschieht dies über Kühlkörper, die flächig mit den zu kühlenden elektronischen Bauteilen in Kontakt sind und Wärme an die Umgebungsluft oder an ein im Kühlkörper zirkulierendes Kühlmedium abgeben.

[0003] Vor allem in der Leistungselektronik werden beispielsweise Schaltelemente auf diese Art gekühlt. Dabei kennt man nach dem Stand der Technik verschiedene Anordnungen um ein zu kühlendes elektronisches Bauteil mit einem Kühlkörper zu kontaktieren.

[0004] In der Gebrauchsmusterschrift DE 87 07 370 U1 ist eine Vorrichtung zum Befestigen eines elektronischen Bauelements an einem als Kühlblech ausgebildeten Kühlkörper beschrieben. Das an eine Leiterplatte gelötete Bauelement ist teilweise von einem Kunststoffkörper umgeben. Mittels einer auf den Kunststoffkörper wirkenden federnden Klammer wird das Bauelement mit seiner Kühlfläche gegen das Kühlblech gedrückt.

[0005] Die Patentschrift DE 100 52 191 beschreibt eine Kühlanordnung mit einer Kühlplatte und einer parallel zu dieser angeordneten Leiterplatte. Zwischen Leiterplatte und Kühlplatte sind zwei elektronische Bauelemente angeordnet, die unter Ausbildung eines flächigen Kontakts auf der Kühlplatte platziert sind und die mittels Anschlusselementen elektrisch mit der Leiterplatte kontaktiert sind. Ein an der Kühlplatte montiertes, metallisches Andrückelement mit einem Rahmen und wenigstens zwei innerhalb des Rahmens ausgebildeten Federzungen presst die elektronischen Bauelemente an die Kühlplatte.

[0006] Kühlkörper bilden in der Regel einen Teil eines Gehäuses, damit die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.

[0007] In der Leistungselektronik ist es zudem wichtig, die vorgeschriebenen Spannungsabstände zwischen Kühlkörpern bzw. Gehäuseteilen und den Wärme abgebenden Halbleiterbauelementen einzuhalten. Diese Anforderung steigt mit den innerhalb einer Schaltung auftretenden Spannungen. Nach dem Stand der Technik sind deshalb Andrückelemente wie beispielsweise metallische Bügel so ausgebildet und angeordnet, dass die Spannungsabstände zu den Kontakten des zu befestigenden Halbleiterbauelements eingehalten werden. Die sich mitunter daraus ergebenden sperrigen Formen der Andrückelemente führen häufig zu Platzproblemen und zu Schwierigkeiten bei der Montage.

[0008] Man kennt daher auch Andrückelemente, die durch ein Befestigungsloch eines Halbleiterelements geführt sind. Beispielsweise ist aus der DE 75 35 494 U eine Befestigungsart bekannt, bei der ein Halbleiterelement mittels einer Schraubverbindung elektrisch isoliert an einen Kühlkörper gedrückt ist. Dabei ist eine Schraube durch das Befestigungsloch und durch eine Bohrung des Kühlkörpers geführt. Als Gegenelement ist eine Buchse angeordnet, welche aus einer Gewindehülse und einem umgebenden isolierenden Kunststoffmantel besteht. Die Verschraubung ist somit dreiteilig und umfasst eine Schraube, eine Gewindehülse sowie einen isolierenden Kunststoff mantel.

[0009] Eine dreiteilige elektrisch isolierende Schraubverbindung ist auch aus der JP 56-161140 A bekannt, wobei eine isolierende Buchse als Distanzhalter zwischen einer Schraube und einer Kühlkörperbohrung angeordnet ist. Auch die DE 33 42 924 A1 offenbart eine Schraubverbindung mit einer solchen isolierenden Buchse. 1 π österreichisches Patentamt AT505 510B1 2012-11-15 [0010] Die GB 2 164 807 A zeigt eine elektrisch isolierende Schraubverbindung mit einer Schraube und einem dreiteiligen Gegenelement. Dieses Gegenelement besteht aus einer Mutter, einem isolierenden Distanzhalter und einer flexiblen Hülse. Die flexible Hülse ist dabei zwischen der Schraube und der Bohrungswand eines Kühlkörpers angeordnet und axial zu-sammendrückbar. Dadurch ist eine Ausführung des Gegenelements für unterschiedlich dicke Kühlkörper geeignet.

[0011] Eine mehrteilige Schraubverbindung mit einer isolierenden Buchse, welche als Distanzhalter zwischen einer Schraube und einem Befestigungsloch eines Halbleiterbauelements geführt ist, offenbart die US 4,460,917 A. Die Anpresskraft wird wiederum mittels einer Schraube und einer Mutter als Gegenelement aufgebracht.

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.

[0013] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kühlanordnung mit einem Halbleiterbauelement, welches eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei auf der Unterseite eine Wärme abgebende Auflagefläche angeordnet ist, welche mit einem Kühlkörper thermisch kontaktiert ist und wobei das Halbleiterbauelement wenigstens ein Befestigungsloch aufweist, dessen Achse im Wesentlichen orthogonal zur Auflagefläche des Halbleiterbauelements angeordnet ist. Dabei ist eine Buchse aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen, welche durch das Befestigungsloch geführt ist und mit einem Kragen am Befestigungslochrand auf der Oberseite des Halbleiterbauelements aufliegt, wobei die Buchse über die Unterseite des Halbleiterbauelements hinausragt und wobei des Weiteren der Kühlkörper über diesem hinausragenden Teil der Buchse freigestellt ist und wobei ein Befestigungselement vorgesehen ist, welches in der Weise mit der Buchse verbunden und am Kühlkörper abgestützt ist, dass die Buchse gegen den Kühlkörper gespannt ist.

[0014] Damit ist einerseits eine kompakte Befestigungsanordnung gegeben, welche in einfacher Weise montierbar ist und andererseits gewährleistet die Buchse aus elektrisch isolierendem Material, dass die Spannungsabstände zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement groß genug sind. Der über die Unterseite des Halbleiterbauelements hinausragende Teil der Buchse bewirkt dabei eine ausrechende Isolation zwischen dem Befestigungselement und dem Halbleiterbauelement im Bereich des Befestigungslochrandes.

[0015] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist die Wärme abgebende Auflagefläche als elektrisch leitende Metallfläche ausgebildet und zwischen dieser Metallfläche und dem Kühlkörper eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Viele Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik weisen eine derartige Auflagefläche als Kühlfläche zur thermischen Kopplung an einen Kühlkörper auf. Die isolierende Schicht verhindert dabei, dass die Auflagefläche mit dem Kühlkörper elektrisch kontaktiert ist.

[0016] Dabei ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Schicht als isolierende Wärmeleitfolie ausgebildet ist. Die elektrische Isolation ist dann ohne Beeinträchtigung der thermischen Kopplung des Halbleiterbauelements an den Kühlkörper realisiert. Da diese Folie im Bereich des Befestigungslochs zur Durchführung des Befestigungselements ausgenommen ist, erfolgt hier die Einhaltung der Spannungsabstände zwischen dem Befestigungselement, dem Kühlkörper und der Auflagefläche des Halbleiterbauelement wiederum durch den über die Unterseite des Halbleiterbauelements hinausragenden Teil der Buchse und die dabei vorgesehene Freistellung des Kühlkörpers.

[0017] Günstig ist es, wenn die Buchse aus Kunststoff besteht. Die Buchse ist dann einfach und billig in großen Stückzahlen herstellbar und erfüllt die Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Isolationswirkung.

[0018] Von Vorteil ist es zudem, wenn die Verbindung zwischen Befestigungselement und Buchse als Schraubverbindung ausgebildet ist. Damit kann in einfacher und andauernder Weise eine Spannkraft erzeugt werden, mit der die Buchse und somit des Halbleiterbauelement gegen den Kühlkörper gespannt ist. 2/7 österreichisches Patentamt AT505 510 B1 2012-11-15 [0019] Dabei ist beispielsweise das Befestigungselement als Schraube mit einem in die Innenwand der Buchse eingeschnittenen Gewinde ausgebildet. Das Gewinde in der Buchse kann vorgeschnitten sein oder im Zuge der Montage von der Schraube in die Innenwand geschnitten werden.

[0020] Dabei ist es günstig, wenn die Schraube aus Metall besteht. Es sind dann gängige Kunststoffschrauben verwendbar, die eine einfache Montage der Kühlanordnung gewährleisten. Zudem trägt eine Schraube aus Metall zusätzlich zur Wärmeableitung in den Kühlkörper bei.

[0021] In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist der über die Unterseite des Halbleiterbauelements hinausragende Teil der Buchse am Rand des Befestigungslochs eingerastet. Das erleichtert die Montage, da die Buchse nach dem Einsetzen in das Befestigungsloch fixiert ist und nicht mehr herausfallen kann.

[0022] Dabei ist es auch von Vorteil, wenn der Kragen der Buchse eine Drehsicherung gegenüber dem Halbleiterbauelement aufweist. Im einfachsten Fall ist die Drehsicherung durch eine eckige Form des Kragens realisiert, welche mit einer entsprechenden Ausformung des Halbleiterbauelements drehsicher gekoppelt ist. Die Buchse ist dann während der Montage beispielsweise gegen ein Mitdrehend mit einem einzuschraubenden Befestigungselement gesichert.

[0023] Eine weitere günstige Ausprägung sieht vor, dass der Kühlkörper als Kühlblech ausgebildet ist. Kühlbleche sind einfach herzustellen und zudem als Teil eines Gehäuses nutzbar.

[0024] Weiters ist es günstig, wenn das Halbleiterbauelement ein sogenanntes TO-220-Gehäuse aufweist. Diese gängige Gehäuseform umfasst ein entsprechendes Befestigungsloch und eine Stufe an der Oberseite zur Drehsicherung eines eckigen Buchsenkragens.

[0025] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: [0026] Fig. 1 Schrägansicht einer Kühlanordnung mit Schnitt durch die Symmetrieachse des

Befestigungslochs [0027] Fig. 2 Seitenansicht einer Kühlanordnung mit Schnitt durch die Symmetrieachse des

Befestigungslochs [0028] Fig. 3 Schrägansicht eines Halbleiterbauelements [0029] In Figur 1 sind zwei nebeneinander angeordnete Halbleiterbauelemente 1 dargestellt, welche erfindungsgemäß mittels Buchsen 3 und Befestigungselemente 4 an einen Kühlkörper 2 gespannt sind. Die Halbleiterbauelemente 1 weisen dabei elektrische Kontakte 6 auf, die mit nicht dargestellten Leiterbahnen eines Schaltungsträgers 7 kontaktiert sind. Zwischen den Halbleiterbauelementen 1 bzw. dem Schaltungsträger 7 und dem Kühlkörper 2 ist eine elektrisch isolierende Schicht 8, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, angeordnet.

[0030] Die Befestigungselemente 4 sind vorteilhafterweise, wie in Figur 1 dargestellt, als Kunststoffschrauben ausgebildet, die in die Innenwand der dazugehörenden Buchse 3 eingeschraubt sind. Die Buchsen 3 selbst weisen rechteckige Kragen auf, die auf den Oberseiten der Halbleiterbauelemente 1 aufliegen. Als beispielhafte Drehsicherung 11 ist in Figur 1 eine vorteilhafte Ausprägung der Buchsen 3 dargestellt, bei welcher die Kragen seitlich über die Oberseiten der Halbleiterbauelemente 1 hinausragen, wobei in Richtung Unterseite der Halbleiterbauelemente 1 weisende Fortsätze an den Seiten der Halbleiterbauelemente 1 anliegen.

[0031] Dieselbe Anordnung ist in Figur 2 im Seitenriss geschnitten dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 liegt mit der Unterseite auf dem als Kühlblech ausgebildeten Kühlkörper 2 flächig auf, wobei dazwischen die Wärmeleitfolie als elektrisch isolierende Schicht 8 angeordnet ist. Diese Wärmeleitfolie ist unter dem Befestigungsloch 10 des Halbleiterelements 1 durchbrochen. Damit an dieser Durchbruchstelle der Wärmeleitfolie die Spannungsabstände zwischen Halbleiterbauelement 1 und Kühlkörper 2 ausrechend groß sind, ragt die elektrisch isolierende Buchse 3 über die Unterseite des Halbleiterbauelements 1 hinaus. Dabei wird durch die in diesem Bereich vorgesehene Freistellung des Kühlkörpers 2 auch der erforderliche Abstand zwischen 3/7

Claims

österreichisches Patentamt AT505 510B1 2012-11-15 Kühlkörper 2 und unterem Befestigungslochrand sichergestellt. [0032] Das ist vor allem dann wichtig, wenn das Halbleiterbauelement 1, wie in Figur 3 dargestellt, eine elektrisch leitende Metallfläche als Auflagefläche 9 umfasst. In einer erfindungsgemäßen Ausprägung der Kühlanordnung überdeckt am unteren Befestigungslochrand die elektrisch isolierende Buchse 3 die elektrisch isolierende Schicht 8, sodass in diesem Bereich die Spannungsabstände zwischen der Metallfläche des Halbleiterbauelements 1 und dem Kühlkörper 2 ausreichend groß sind. [0033] Dabei ist es für die Überdeckung der isolierenden Schicht 8 vorteilhaft, wenn der über die Unterseite des Halbleiterbauelements 1 hinausragende Teil der Buchse 3 im montierten Zustand auch seitlich über den Befestigungslochrand hinausragt. Die Buchse 3 ist auf diese Weise, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, am Rand des Befestigungsloches 8 eingerastet, wodurch auch die Montage erleichtert wird. Das als Kunststoffschraube ausgebildete Befestigungselement 4 ist bei dieser Anordnung in die fixierte Buchse 3 einschraubbar. Der einrastende Teil der Buchse 3 und die Drehsicherung 11 bilden dabei die Fixierungselemente. [0034] Günstigerweise ist der Kühlkörper 2 als Kühlblech ausgebildet. Dieses Kühlblech bildet dann zum Beispiel einen Teil des Gehäuses und dient an geeigneten Stellen als Befestigungsauflage für den Schaltungsträger 7. Im Bereich des Halbleiterbauelements 1 ist der Schaltungsträger 7 ausgenommen, wobei die Anschlüsse 6 des Halbleiterbauelements 1 zu entsprechenden Kontaktpunkten am Schaltungsträger 7 geführt sind. Das an sich zum Schaltungsträger 7 beabstandete Kühlblech bildet im Bereich des Halbleiterbauelements 1 eine Zunge, die in Richtung Schalungsträger 7 abgesetzt ist und so als Auflage für das Halbleiterbauelement 1 fungiert. In dem in Figur 1 und 2 dargestellten Beispiel ist das Kühlblech über dem hinausragenden Teil der Buchse ringförmig freigestellt, wobei im Zentrum dieser Freistellung eine Bohrung zur Durchführung des als Schraube ausgebildeten Befestigungselements 4 vorgesehen ist. [0035] Die thermische Verbindung zwischen Halbleiterbauelement 1 und Kühlkörper 2 mit der dazwischen liegenden elektrisch isolierenden Schicht 8 kommt durch das Spannen der Buchse 3 gegen den Kühlkörper 2 zustande, wobei die Buchse 3 über deren Kragen das Halbleiterbauelement 1 gegen den Kühlkörper 2 drückt. [0036] Natürlich kann das Befestigungselement 4 mit gleicher Wirkung auch eine andere als die dargestellte Ausprägung aufweisen. Ein anderes Befestigungselement 4 wird beispielsweise durch eine Sechskantmutter gebildet, wobei die Buchse 3 anstelle eines Durchgangsloches einen Bolzen aufweisen, der aus der Durchführung im Kühlkörper 2 mit einem Außengewinde herausragt. Patentansprüche 1. Kühlanordnung mit einem Halbleiterbauelement (1), welches eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei auf der Unterseite eine Wärme abgebende Auflagefläche (9) angeordnet ist, welche mit einem Kühlkörper (2) thermisch kontaktiert ist und wobei das Halbleiterbauelement (1) wenigstens ein Befestigungsloch (10) aufweist, dessen Achse im Wesentlichen orthogonal zur Auflagefläche (9) des Halbleiterbauelements (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Buchse (3) aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen ist, welche durch das Befestigungsloch (10) geführt ist und mit einem Kragen am Befestigungslochrand auf der Oberseite des Halbleiterbauelements (1) aufliegt, dass die Buchse (3) über die Unterseite des Halbleiterbauelements (1) hinausragt und dass des Weiteren der Kühlkörper (2) über diesem hinausragenden Teil der Buchse (3) freigestellt ist und dass ein Befestigungselement (4) vorgesehen ist, welches in der Weise mit der Buchse (3) verbunden und am Kühlkörper (2) abgestützt ist, dass die Buchse (3) gegen den Kühlkörper (2) gespannt ist.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abgebende Auflagefläche (9) als elektrisch leitende Metallfläche ausgebildet ist und dass zwischen dieser Metallfläche und dem Kühlkörper (2) eine elektrisch isolierende Schicht (8) angeordnet ist. 4/7 österreichisches Patentamt AT505 510B1 2012-11-15
3. Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (8) als isolierende Wärmeleitfolie ausgebildet ist.
4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (3) aus Kunststoff besteht.
5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindung zwischen Befestigungselement und Buchse als Schraubverbindung ausgebildet ist.
6. Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (4) als Schraube mit einem in die Innenwand der Buchse (3) eingeschnittenen Gewinde ausgebildet ist.
7. Kühlanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube aus Metall besteht.
8. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Unterseite des Halbleiterbauelements (1) hinausragende Teil der Buchse (3) am Rand des Befestigungslochs (10) eingerastet ist.
9. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen der Buchse (3) eine Drehsicherung (11) gegenüber dem Halbleiterbauelement (1) aufweist.
10. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) als Kühlblech ausgebildet ist.
11. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (1) ein sogenanntes TO-220-Gehäuse aufweist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7