DE102005015749A1

DE102005015749A1 - Kühlvorrichtung für Leiterplatten und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102005015749A1
Application number: DE102005015749A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmidt; Dirk Dr. Riese; Peter Weichselbaumer
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-12
Also published as: WO2006105746A3; WO2006105746A2; DE112006000163A5; EP1867224A2; US20090122494A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) für eine in einem Gehäuse (3) angeordnete Leiterplatte (2), die mit einem Metallkühlkörper (4), der als Deckel des Gehäuses (3) ausgebildet ist, rastend verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine in einem Gehäuse angeordnete Leiterplatte sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Kühlvorrichtung.

Bei elektronischen Steuergeräten, insbesondere im Automobilbereich, wird häufig eine mit elektronischen Komponenten bestückte Leiterplatte in ein Kunststoffgehäuse eingefasst. Die elektronischen Komponenten produzieren in der Regel eine Verlustleistung, die in Form von Abwärme zu einer Erwärmung der Baugruppe führt. Es besteht das Problem, diese Abwärme aus dem Gehäuse heraus nach außen zu transportieren und an die Umgebung abzugeben, um eine Überhitzung der Baugruppe zu vermeiden.

Eine im Stand der Technik bekannte, effektive Möglichkeit, eine thermisch leitende Verbindung zwischen der Leiterplatte im Gehäuse und der Umgebung herzustellen, besteht darin, die Leiterplatte mit Hilfe einer Wärmeleitfolie auf einer Metallplatte, vorzugsweise aus Aluminium, zu verkleben und diese dann mit dem Gehäuse zu verschrauben. Bei diesem Konzept dient die Metallplatte als Kühlkörper und gleichzeitig als Deckel des Gehäuses. Diese Aufbautechnik wird standardmäßig bei vielen Steuergeräten im Automobilbereich verwendet.

Ein Nachteil dieser Aufbautechnik besteht darin, dass zur Aufrechterhaltung einer guten thermischen Verbindung zwischen Leiterplatte und Metallkühlkörper stets ein gewisser Anpressdruck vorhanden sein muss. Dies erfordert eine Verschraubung des Metallkühlkörpers mit dem Kunststoffgehäuse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 10 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die Erfindung sieht eine Kühlvorrichtung vor, bei der die Leiterplatte mit einem Metallkühlkörper verbindbar ist, der als Deckel des Gehäuses ausgebildet und mit diesem rastend bzw. schnappend verbindbar ist. Durch diese schraubenlose und lösbare Verbindung ist eine aufwendige Verschraubung sicher vermieden. Dies reduziert sowohl die Anzahl der verwendeten Teile als auch den Montageaufwand.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Gehäuse zum Einrasten bzw. Verschnappen des Metallkühlkörpers am Gehäuse mindestens einen Rasthaken auf. Dieser stellt ein einfaches Mittel zur schraubenlosen Verbindung, insbesondere eine einfache Rast- oder Schnappverbindung, dar.

Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen, z. B. der Dicke der Leitplatte oder des Deckels, ist mindestens ein Federelement vorgesehen, dass eine definierte Lage des Metallkühlkörpers gegenüber der Leiterplatte und dem Gehäuse ermöglicht. Hierbei wird durch das Federelement erreicht, dass der Metallkühlkörper im eingerasteten bzw. verschnappten Zustand mit einer Druckspannung beaufschlagt wird. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Druckspannung gegen eine Hinterschneidung des Rasthakens gerichtet. Eine Verspannung der Leiterplatte durch unterschiedliche Kraftlinien ist dadurch ausge schlossen.

Vorzugsweise besteht das Federelement aus einem Teil des Gehäuses. Beispielsweise sind die Federelement als Gehäuselippen an das beispielsweise aus Kunststoff gebildete Gehäuse angeformt. So sind keine zusätzlichen Teile und kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zwischen der Leiterplatte und dem Metallkühlkörper ein Wärmeleitkörper angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Leiterplatte von dem Metallkühlkörper beabstandet sein, so dass beispielsweise Aufbauten wie elektronische Bauelemente auf der Leiterplatte möglich sind.

Vorteilhafterweise ist der Wärmeleitkörper aus einem ursprünglich fließfähigen, ausgehärteten Wärmeleitmaterial, insbesondere aus einer Wärmeleitmasse gebildet. Es sind von verschiedenen Herstellern fließfähige Wärmeleitmaterialien, beispielsweise Wärmeleitpasten, erhältlich, die nach dem Aushärten mit dem Substrat verkleben und daher keinen Anpressdruck erfordern. Eine solche fließfähige Wärmeleitmasse ermöglicht den Ausgleich von Abstandstoleranzen zwischen der Leiterplatte und dem Metallkühlkörper.

Zweckmäßigerweise besteht das Gehäuse aus Kunststoff. Dies ermöglicht ein geringes Gewicht und eine einfache Herstellung des Gehäuses. Zudem werden elektrische Probleme wie Kurzschlüsse durch die Isolatorwirkung von Kunststoff vermieden.

Ein definiertes Positionieren der Leiterplatte im Gehäuse gelingt durch mindestens eine Auflage für die Leiterplatte innerhalb des Gehäuses. Die Auflage ist in Art eines Auflagedomes ausgebildet und kann an das Gehäuse angeformt sein. Es können mehrere Auflagedome für die Positionierung der Leiterplatte in dem Gehäuse vorgesehen sein. Auch kann das Gehäuse als Fertigmodul ausgebildet sein, welches mit den Auflagedo men und den als Federelementen ausgebildeten Gehäuselippen in einem Press- oder Umformvorgang als Kunststoffmodul hergestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung sieht vor, dass eine in einem Gehäuse angeordnete Leiterplatte mit einem fließfähigen Wärmeleitkörper aus einem Wärmeleitmaterial versehen wird und ein Metallkühlkörper durch Kontaktierung des Wärmeleitkörpers mit dem Gehäuse rastend oder schnappend verbunden wird, bevor das Wärmeleitmaterial vollständig ausgehärtet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei als Wärmeleitmaterial eine Wärmeleitmasse mit hoher Viskosität verwendet. Auf diese Weise ist die Wärmeleitmasse durch Druck verdrängbar ohne zu zerlaufen.

Das Wesentliche an der Erfindung ist der Mechanismus zum Toleranzausgleich. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Metalldeckel schraubenlos fixiert werden kann und unter Verwendung eines fließfähigen Wärmeleitmaterials dennoch eine dauerhafte, thermisch leitende Verbindung zwischen Leiterplatte und Metalldeckel erzielbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine erste Variante einer Kühlvorrichtung und
2 eine zweite Variante einer Kühlvorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Ausschnitt einer Kühlvorrichtung 1 für eine Leiterplatte 2, die in einem Gehäuse 3 aus Kunststoff angeordnet ist. Ein Metallkühlkörper 4 in Plattenform ist als Deckel für das Gehäuse 3 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist der Metallkühlkörper 4 mit dem Kunststoffgehäuse nicht verschraubt, sondern durch einen schnappenden Rasthaken 5 fixiert. Je nach Größe und Form der Leiterplatte 2 können mehrere Rasthaken 5 oder ein am Gehäuserand umlaufender Rastrand vorgesehen sein. In der 1 ist beispielhaft ein Rasthaken 5 dargestellt.
Die Leiterplatte 2 liegt im Gehäuse 3 auf einer beispielsweise durch eine Auflage 6, die als Dom ausgeführt ist, definierten Ebene auf. Es können mehrere Auflagen 6 zur Positionierung der Leiterplatte 2 im Gehäuse 3 vorgesehen sein.
Der Zwischenraum zwischen Metallkühlkörper 4 und der Leiterplatte 2 wird mit einem fließfähigen Wärmeleitmaterial ausgefüllt, das nach der Montage zu einem Wärmeleitkörper 7 aushärtet und so eine dauerhafte thermisch leitfähige Verbindung bewirkt. In einer alternativen Ausführung kann beispielsweise ein fester Wärmeleitkörper zwischen Leiterplatte 2 und Metallkühlkörper 4 eingesetzt werden.
Wäre es möglich, Gehäuse 3, Leiterplatte 2 und Metallkühlkörper 4 ohne Toleranzen zu fertigen, so könnte die Länge der Rasthaken 5 so ausgelegt werden, dass stets der minimal mögliche Abstand zwischen Leiterplatte 2 und dem Metallkühlkörper 4 realisiert ist. Der minimale Abstand kann beispielsweise durch die Größe von in dem Wärmeleitkörper 7 befindlichen, festen Füllstoffen beziehungsweise durch die Dicke eines festen Wärmeleitkörpers 7 gegeben sein. Es unterliegen jedoch alle Komponenten der Baugruppe fertigungsbedingten Toleranzen, insbesondere die Länge der Rasthaken 5, die Dicke des Metallkühlkörpers 4 und die Dicke der Leiterplatte 2. Legt man die Rasthaken 5 so aus, dass bei toleranzbedingt maximaler Dicke des Metallkühlkörpers 4 und maximaler Dicke der Leiterplatte 2 der Abstand zwischen Leiterplatte 2 und Metallkühlkörper 4 minimal wird, so ergäbe sich im umgekehrten Fall, das heißt bei minimaler Dicke der Leiterplatte 2 und des Metallkühlkörpers 4, nach der Montage ein Spiel zwischen Rasthaken 5 und Metallkühlkörper 4. Der Metallkühlkörper 4 wäre also nicht ausreichend fixiert.
Um das beschriebene Problem zu vermeiden, das sich als Folge der kaum zu vermeidenden Fertigungstoleranzen der Teile der Baugruppe ergibt, wird durch eine Kombination von Rasthaken 5 und Federelementen 8 eine definierte Lage für den Metallkühlkörper 4 geschaffen. Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen des Gehäuses 3, der Leiterplatte 2 und des Metallkühlkörpers 4 dient in diesem Beispiel eine besondere Gestaltung des Gehäuses 3. Die Federelemente 8 sind als Gehäuselippen im Inneren des Gehäuses 3 mit diesem einstückig aus Kunststoff ausgeführt. Sie drücken den Metallkühlkörper 4 gegen die Hinterschneidungen 9 der Rasthaken 5. Diese bilden dadurch definierte Auflageflächen für den Metallkühlkörper 4. In einer alternativen Anordnung können die Federelemente 8 als separate Teile in das Gehäuse 3 eingesetzt werden.
Die Anordnung der Federelemente 8 führt dazu, dass sowohl die Leiterplatte 2 als auch der Metallkühlkörper 4 stets auf einer definierten Ebene aufliegen. Die Fertigungstoleranzen in den Dicken der Leiterplatte 2 und des Metallkühlkörpers 4 sowie der Länge der Rasthaken 5 führen dadurch lediglich zu einer Variation des Abstandes zwischen Leiterplatte 2 und Metallkühlkörper 4, der durch das fließfähige Wärmeleitmaterial beziehungsweise den daraus gebildeten Wärmeleitkörper 7 überbrückt wird. Nach dem Verschnappen des Metallkühlkörpers 4 bleibt der Abstand konstant, so dass die aushärtende Wärmeleitmasse eine konstante Form aufweist.
Die Menge des auf die Leiterplatte 2 vor der Montage des Metallkühlkörpers 4 aufzutragenden fließfähigen Wärmeleitmaterials ist so zu wählen, dass der bei Ausnutzung der Fertigungstoleranzen entstehende maximale Abstand zwischen Leiterplatte 2 und Metallkühlkörper 4 noch sicher überbrückt wird.
Da das Material bei der Montage fließfähig ist, wird der Materialüberschuss bei geringerem als dem maximalen Abstand seitlich verdrängt.
Die nicht maßstäbliche Abbildung zeigt beispielhaft eine denkbare Ausgestaltungsvariante, bei der die Gehäuselippe als Federelement 8 so ausgelegt ist, dass sie bei Montage des Metallkühlkörpers 4 als Deckel im gesamten Toleranzbereich ausgelenkt wird und so stets eine Rückstellkraft auf den Metallkühlkörper 4 ausübt. Sie drückt den Metallkühlkörper 4 gegen die Hinterschneidung 9 der Rasthaken 5. Dadurch wird die Lage des Metallkühlkörpers 4 definiert. Die Lage der Leiterplatte 2 wird durch eine am Kunststoff-Gehäuse 3 ausgeformte Auflage 6 definiert. Der zwischen dem Metallkühlkörper 4 und der Leiterplatte 2 entstehende Zwischenraum wird durch das nach der Montage aushärtende fließfähige Wärmeleitmaterial überbrückt, wodurch über den so entstehenden Wärmeleitkörper 7 eine thermisch leitende Verbindung entsteht.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 1 im Ausschnitt dargestellt, bei der die Federelemente 8 als außen am Gehäuse 3 liegende Gehäuselippen einstückig mit dem Gehäuse 3 aus Kunststoff ausgeführt sind. Ein Rasthaken 5 sitzt im mittleren Bereich des Metallkühlkörpers 4. Der Rasthaken 5 ist im Bereich einer Auflage 6 des Gehäuses 3 angeordnet und mit dem Gehäuse 3 einstückig aus Kunststoff ausgeführt. Alternativ kann der Rasthaken 5 beispielsweise auch als ein separates Teil auf der Auflage 6 in das Gehäuse 3 eingefügt sein. Die Leiterplatte 2 und der Metallkühlkörper 4 weisen in diesem Fall Ausnehmungen auf, durch die der Rasthaken 5 hindurchragen kann. Die Leiterplatte 2 liegt um den Rasthaken 5 herum auf der Auflage 6 und an einem Zwischenrand des Gehäuses 3 in einer definierten Lage auf.

1: Kühlvorrichtung
2: Leiterplatte
3: Gehäuse
4: Metallkühlkörper
5: Rasthaken
6: Auflage
7: Wärmeleitkörper
8: Federelement
9: Hinterschneidung

Claims

Kühlvorrichtung (1) für eine in einem Gehäuse (3) angeordnete Leiterplatte (2), die mit einem Metallkühlkörper (4), der als Deckel des Gehäuses (3) ausgebildet ist, rastend verbindbar ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) des Metallkühlkörpers (4) mindestens einen Rasthaken (5) aufweist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (8) vorgesehen ist, das den Metallkühlkörper (4) im eingerasteten (verschnappten Zustand) mit einer Druckspannung beaufschlagt.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (8) aus einem Teil des Gehäuses (3) gebildet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspannung gegen eine Hinterschneidung (9) des Rasthakens (5) gerichtet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leiterplatte (2) und dem Metallkühlkörper (4) ein Wärmeleitkörper (7) angeordnet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper (7) aus einem ursprünglich fließfähigen, ausgehärteten Wärmeleitmaterial gebildet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus Kunststoff besteht.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mindestens eine Auflage (6) für die Leiterplatte (2) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine in einem Gehäuse (3) angeordnete Leiterplatte (2) mit einem Wärmeleitkörper (7) aus einem fließfähigen Wärmeleitmaterial versehen wird und ein Metallkühlkörper (4) durch Kontaktierung des Wärmeleitkörpers (7) mit dem Gehäuse (3) rastend verbunden wird, bevor die Wärmeleitmasse vollständig ausgehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Verwendung einer Wärmeleitmasse hoher Viskosität.