DE10142987A1

DE10142987A1 - Wärmeableitelement für elektronische Bauteile

Info

Publication number: DE10142987A1
Application number: DE2001142987
Authority: DE
Inventors: Erwin Kreitmeyr
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-09-01
Filing date: 2001-09-01
Publication date: 2003-04-03
Also published as: WO2003024166A1

Abstract

Bekannte Wärmeableitelemente für elektronische Bauteile sind in axialer Richtung zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper starr aufgebaut. Das bedeutet, dass bei einer Abstandsänderung zwischen der Auflagefläche am Bauteil und der Auflagefläche am Kühlkörper ein Luftspalt entstehen kann, der die Wärmeabfuhr behindert. DOLLAR A Um derartige Abstandsänderungen auszugleichen, weist das Wärmeableitelement einen in axialer Richtung federelastischen Boden mit federnden Abschnitten auf, diese sind nachgiebig und passen sich den veränderbaren Abständen an. DOLLAR A Derartige Wärmeableiterelemente eignen sich vor allem bei elektrischen oder elektronischen Baugruppen, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, und beim Einsatz von elektrisch isolierenden Wärmeleitmitteln, die auf den Kühlkörper ausgebracht werden und deren Elastizität und Volumen sich im Laufe der Betriebsadauer verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeableitelement für elektronische Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der momentane Aufbau eines Wärmeableitsystems bestehend aus einem Kühlblech mit Prägung bzw. einem vorgeformten Niet, erfordert wegen der Anforderung nach elektrischer Isolation der wärmeerzeugenden Bauteile zueinander, einen definierten mindestens einzuhaltenden Spalt zwischen Wärmeableitelement und Kühlkörper, der mit Wärmeleitpaste aufgefüllt wird.

Derartige Wärmeableitelemente sind aus der DE 42 20 966 A1 bekannt. Hier wird eine Leiterplatte für elektrische Bauteile offenbart, die eine Durchgangsöffnung aufweist in der ein Wärmeableitelement zwischen dem elektronischen Bauteil und einem Kühlkörper angeordnet ist. Das Wärmeableitelement wird nach dem Einbringen in die Durchgangsöffnung unter Bildung eines Presssitzes plastisch verformt. Danach wird das zu kühlende Bauteil mit der ihm zugewandten Seite des Wärmeableitelements thermisch leitend verklebt. Ferner wird die dem zu kühlenden Bauteil abgewandte Seite des Wärmeableitelements mit dem Kühlkörper verklebt.

Nachteil bei einer solchen Anordnungen ist es, dass der Klebstoff, der auch als Wärmeleitpaste dient, schwindet. Aufgrund der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpasten gegenüber metallischen Werkstoffen wie Kupfer und Aluminium ist die Wärmeleitpaste der Schwachpunkt des Wärmeableitsystems. Längenänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen müssen bei einem solchen Aufbau von der Wärmeleitpaste ausgeglichen werden, das heißt die Wärmeleitpaste muss elastisch sein und bleiben. Jedoch sinkt deren Elastizität im ausgehärteten Zustand, je höher die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste ist. Ist die Elastizität der Wärmeleitpaste zu gering, besteht die Gefahr einer Ablösung, so dass ein Luftspalt entsteht, der den Wärmetransport unterbricht. Ist dies der Fall überhitzt sich das Bauteil und die Baugruppe nimmt Schaden.

Aufgabe der Erfindung ist es einen sicheren und dauerhaften Wärmetransport zu gewährleisten.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass am Boden des Wärmeableitelements eine Feder ausgeformt wird, die in axialer Richtung, das heißt vom Wärmeableitelement zum Kühlkörper hin, wirkt, so dass Abstandsänderungen zwischen dem Bauteil und der Wärmeleitpaste, -folie oder dem Kühlkörper ausgeglichen werden können.

Die Vorteile eines solchen Wärmeableitelements bestehen darin, dass Wärmeleitpasten oder -folien mit einer geringeren Elastizität und dafür mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit verwendet werden können. Hierbei verlängert sich die Lebensdauer der Baugruppe und deren Zuverlässigkeit verbessert sich. Auch kann dann eine Wärmeleitpaste bei Bedarf, wie z. B. bei höheren Isolationsanforderungen, dicker aufgetragen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei ist der federelastische Boden, spiralförmig ausgeformt oder weist eine oder mehrere Faltungen oder fingerförmige Abschnitte auf. Ferner erweist es sich für eine einfache Montage als vorteilhaft, wenn vor der Montage warzenförmige Auswölbungen in das Wärmeableitelement eingeprägt werden, so dass beim Einnieten oder bei der Herstellung einer anderen formschlüssigen Verbindung zwischen dem Wärmeableitelement und der Leiterplatte nur eine geringe Krafteinwirkung benötigt wird, um eine formschlüssige Verbindung zwischen Leiterplatte oder einem anderen Träger und dem Wärmeableitelement herzustellen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Wärmeableitelement mit einem einfach spiralförmigen federelastischen Boden.

Fig. 2 Wärmeableitelement mit einem mehrfach spiralförmigen federelastischen Boden.

Fig. 3 Wärmeableitelement mit umlaufenden fingerförmigen Abschnitten im federelastischen Boden.

Fig. 4 Wärmeableitelement mit radial nach innen gerichteten fingerförmigen Abschnitten im federelastischen Boden.

Fig. 5 Wärmeableitelement mit radial nach außen gerichteten fingerförmigen Abschnitten im federelastischen Boden.

Fig. 6 Wärmeableitelement mit einem gefalteten federelastischen Boden.

Fig. 7 Anordnung eines Wärmeableitelements in einer elektronischen Baugruppe.

Fig. 1 zeigt ein Wärmeableitelement 1 mit einem einfach spiralförmigen federelastischen Boden 3. Das Wärmeableitelement 1 ist eine Scheibe, die im Zentrum eine warzenförmige Auswölbung 2 aufweist. Die warzenförmige Auswölbung 2 besteht aus zwei Teilbereichen und zwar einem Zwischenstück 13 und einer darüber positionierten Warze 12. Die oben liegende Warze 12 wird später mit dem elektronischen, wärmeerzeugenden Bauteil verbunden, wie es in der nachfolgenden Fig. 7 dargestellt wird. Das Zwischenstück 13 dient hauptsächlich als Abstandshalterung. Die herausragende Warze 12 und das Zwischenstück 13 können entweder innen hohl oder massiv aufgebaut sein. Der Boden 3 des Wärmeableitelements 1, auf dem die warzenförmige Auswölbung 2 angeordnet ist, weist einen spiralförmigen Abschnitt 4 auf. Der spiralförmige Abschnitt 4 ist um die warzenförmige Auswölbung 2 herum angeordnet und dient als Feder, mit der die Bauhöhe zwischen dem Boden 3 und der Warze 12 des Wärmeableitelements 1 in axialer Richtung variiert werden kann. Das Material, das für ein solches Wärmeableitelement 1 verwendet wird, sollte eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen und nicht spröde sein. Als geeignetes Material für ein solches Wärmeableitelement ist beispielsweise Kupfer zu nennen.

Fig. 2 zeigt ein Wärmeableitelement 1 mit einem mehrfach spiralförmigen federelastischen Boden 3. Auch hier ist das Wärmeableitelement 1 als Scheibe ausgebildet, die in der Mitte eine warzenförmige Auswölbung 2 aufweist. Gleichfalls weist die warzenförmige Auswölbung 2 zwei Stufen auf: Das Zwischenstück 13, das einen Abstand definiert und die darüber liegende Warze 12, die später durch eine Leiterplatte oder einen anderen Träger geführt wird und auf deren Oberseite das wärmeerzeugende Bauelement, wie in der nachfolgenden Fig. 7 dargestellt, angebunden wird. Der Boden 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei spiralförmige Abschnitte 4 auf. Diese Abschnitte 4 sind federelastisch, so dass Abstandsschwankungen ausgeglichen werden können.

Fig. 3 zeigt ein Wärmeableitelement 1 mit umlaufenden fingerförmigen Abschnitten 5 im federelastischen Boden 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmeableitelement 1 als quadratische Scheibe ausgebildet. Im Zentrum der Scheibe befindet sich die warzenförmige Auswölbung 2, die, wie später in Fig. 7 gezeigt wird, mit dem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil in Kontakt gebracht wird. Auch in diesem Anwendungsbeispiel weist die warzenförmige Auswölbung 2 eine Stufe auf, die ein Zwischenstück 13 und eine Warze 12 voneinander absetzt. Um die warzenförmige Auswölbung 12 sind am Boden 3 des Wärmeableitelements 1 fingerförmige Abschnitte 5 angeordnet. Diese Finger 5 sind so ausgebildet, dass der Boden 3 federelastisch ist. Die Finger sind parallel zum Umriss des Wärmeableitelements 1, an dessen Boden 3 angeordnet.

Fig. 4 zeigt ein Wärmeableitelement 1 mit radial nach innen gerichteten fingerförmigen Abschnitten 5 im federelastischen Boden 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmeableitelement 1 als kreisrunde Scheibe ausgebildet. Im Zentrum der Scheibe befindet sich die warzenförmige Auswölbung 2, die, wie später in Fig. 7 gezeigt wird, mit dem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil in Kontakt gebracht wird. Auch in diesem Anwendungsbeispiel weist die warzenförmige Auswölbung 2 eine Stufe auf, die ein Zwischenstück 13 und eine Warze 12 voneinander absetzt. Um die warzenförmige Auswölbung 12 sind am Boden 3 des Wärmeableitelements 1 fingerförmige Abschnitte 5 angeordnet. Diese Finger 5 sind so ausgebildet, dass der Boden 3 federelastisch ist. Die Finger sind radial nach innen am Boden 3 des Wärmeableitelements 1 angeordnet.

Fig. 5 zeigt ein Wärmeableitelement 1 mit radial nach außen gerichteten fingerförmigen Abschnitten 5, mit denen ein federelastischer Boden 3 erzeugt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmeableitelement 1 als kreisrunde Scheibe ausgebildet. Im Zentrum der Scheibe befindet sich die warzenförmige Auswölbung 2, die, wie später in Fig. 7 gezeigt wird, mit dem wärmeerzeugenden elektronischen Bauteil in Kontakt gebracht wird. Auch in diesem Anwendungsbeispiel weist die warzenförmige Auswölbung 2 eine Stufe auf, die ein Zwischenstück 13 und eine Warze 12 voneinander absetzt. Um die warzenförmige Auswölbung 12 sind am Boden 3 des Wärmeableitelements 1 fingerförmige Abschnitte 5 angeordnet. Diese Finger 5 sind so ausgebildet, dass der Boden 3 federelastisch ist. Die Finger sind radial nach außen am Boden 3 des Wärmeableitelements 1 angeordnet.

Fig. 6 zeigt eine weitere Variante eines Wärmeableitelements 1 mit einem federelastischen Boden 3. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Elastizität des Bodens 3 dadurch erzeugt, dass der Boden einmal gefaltet wird. Der bei der Faltung erzeugte Falz 6 in dem Wärmeableitelement 1 bewirkt die federartige Elastizität der Anordnung. Auf der Oberseite der gefalteten Anordnung befindet sich eine warzenförmige Auswölbung 2, die vorab eingeprägt wurde.

Für alle Ausführungsformen des Wärmeableitelements 1 eignen sich Materialien, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und nicht spröde sind. Ein hierfür besonders geeignetes Material ist Kupfer.

Bei der Herstellung der oben beschriebenen Wärmeableitelemente eignen sich vor allem Metallplättchen, insbesondere aus Kupfer, die beispielsweise durch einen Stanz- oder Biegeprozess die oben beschrieben federelastische Bodenform erhalten. Zusätzlich können vorab warzenförmige Auswölbungen eingeprägt werden, um die Krafteinwirkung bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen Wärmeableitelement und dem Träger zu verringern.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung eines Wärmeableitelements 1 in einer elektronischen Baugruppe. Im Gehäuse 7 der elektronischen Baugruppe befindet sich ein elektronisches Bauteil 8. Dieses Bauteil 8 ist auf einem Träger 9 angeordnet. Dieser Träger 9 kann beispielsweise eine Leiterplatte sein, die am Gehäuse 7 befestigt ist. Im Träger 9 befindet sich eine Öffnung, die unterhalb des wärmeerzeugenden elektronischen Bauteils 8 angeordnet ist. In diesem Durchlass befindet sich der obere Teil 12 des Wärmeableitelements 1. Jedoch ist in dieser Abbildung der obere Teil 12 des Wärmeableitelements 1 nur angedeutet. Zur Anbringung des Wärmeableitelements 1 am Träger 9 wird die vorgeformte warzenförmige Auswölbung 2 teilweise in den Träger 9 eingebracht und mittels Formschluss, insbesondere durch einen Presspass mit diesem verbunden. Der obere Teil der warzenförmigen Auswölbung 2, die in den vorigen Figuren gezeigte Warze 12, befindet sich komplett im Durchlass. Dagegen befindet sich das Zwischenstück 13 außerhalb, zwischen dem Träger 9 und dem Kühlkörper 11. Hierbei dient die vorgeformte warzenförmige Auswölbung 2 dazu, dass beim formschlüssigen Verbinden keine zu großen Kräfte auf das Wärmeableitelement wirken und dabei unerwünschte Verformungen auftreten. Um einen passgenauen Sitz des Wärmeableitelements 1 im Träger 9 zu gewährleisten, wird die Warze 12 der warzenförmigen Auswölbung 2 zuerst in den Durchlass eingebracht. Hierbei ist es zweckmäßig einen Warzenquerschnitt zu wählen, der kleiner ist, als der Querschnitt des Durchlasses. Jedoch sollte der Querschnitt des Zwischenstücks 13 größer sein als der Querschnitt des Durchlass im Träger 9. Der federelastische Boden 3 des Wärmeableitelements 1 liegt auf einer Wärmeleitfolie oder Wärmeleitpaste 10 auf. Die Wärmeleitfolie bzw. die Wärmeleitpaste 10 ist elektrisch isolierend und ist zwischen dem Wärmeableitelement 1 und dem Kühlkörper 11 angeordnet. Sie dient dazu, die Wärme vom Bauteil 8 über das Wärmeableitelement 1 an den Kühlkörper 11 weiterzuführen, ohne dass ein elektrischer Kontakt vom Bauteil 8 über das Wärmeableitelement 1 zum Kühlkörper 11 zustande kommt. Wird eine unelastische Wärmeleitfolie verwendet oder nimmt beispielsweise die Elastizität der Wärmeleitpaste über die Zeit hin ab oder dehnt sich das Gehäuse 7 stark aus, so kann das Wärmeableitelement 1 mit dem federelastischen Boden 3 diese Abstandsschwankungen vom Bauteil 8 zu dem mit der Wärmeleitpaste oder -folie 10 beschichteten Kühlkörper 11 ausgleichen. Bei einem solchen Aufbau kann der Kontakt zur Wärmeleitfolie und Wärmeleitpaste 10 und damit zum Kühlkörper 11 nicht abreißen, so dass die thermische Anbindung vom Bauteil 8 über das Wärmeableitelement 1 und der Wärmeleitfolie bzw. Wärmeleitpaste 10 zum Kühlkörper 11 über eine lange Zeitdauer gewährleistet ist.

Claims

1. Wärmeableitelement (1) für elektronische Bauteile (8), die auf einem Träger (9) angeordnet sind, wobei das Wärmeableitelement (1) das elektronische Bauteil (8) durch den Träger (9) hindurch mit einem Kühlkörper (11) thermisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitelement (1) einen federelastischen Boden (3) aufweist, der die Auflagefläche zum Kühlkörper (11) hin bildet.

2. Wärmeableitelement (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kühlkörper (11) ein wärmeleitender, elektrischer Isolator (10) angeordnet ist und der federelastische Boden (3) die Auflagefläche zum Isolator (10) bildet.

3. Wärmeableitelement (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Boden (3) spiralförmige Abschnitte (4) aufweist.

4. Wärmeableitelement (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Boden (3) fingerförmige Abschnitte (5) aufweist.

5. Wärmeableitelement (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Boden (3) mindestens einen Falz (6) aufweist.

6. Wärmeableitelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitelement (1) mindestens eine warzenförmige Auswölbung (2) aufweist, die aus dem Boden (3) ragt.

7. Elektronische Baugruppe mit einem Wärmeableitelement (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitelement (1) an den Träger (9) angenietet ist.