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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, aufweisend eine Leiterplatte,
ein mit der Leiterplatte elektrisch verbundenes, wenigstens ein
elektrotechnisches Bauteil umfassendes Modul und eine mit dem Modul
wärmeleitend
verbundene Kühlvorrichtung,
die auf der der Leiterplatte abgewandten Seite des Moduls an dem
Modul mit wenigstens einem Befestigungsmittel angeordnet ist. Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Verbindung einer Kühlvorrichtung und eines wenigstens
ein elektrotechnisches Bauelement umfassenden Moduls, das auf seiner
einer Leiterplatte zugewandten Seite mit der Leiterplatte elektrisch
verbunden ist.
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Eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art weist als elektrotechnisches
Bauelement beispielsweise ein Leistungshalbleiterbauelement auf,
bei dessen Betrieb eine nicht zu vernachlässigende, das Modul erwärmende Verlustleistung
auftritt, so dass zur Vermeidung von Beschädigungen das das Leistungshalbleiterbauelement
aufweisende Modul, insbesondere das Leistungshalbleiterbauelement
an sich gekühlt
werden sollte. Das Modul wird daher in der Regel mit einem Kühlkörper versehen.
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Ein
Aufbau einer solchen Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist
exemplarisch in 1 in einer
teilweise geschnittenen Darstellung gezeigt. Der Aufbau umfasst
eine Leiterplatte 1, an der ein Halbleitermodul 2 angeordnet
ist. Das Halbleitermodul 2 umfasst wenigstens ein in der 1 nicht dargestelltes Leistungshalbleiterbauelement.
Das Halbleitermodul 2 weist beispielsweise ein aus Kunststoff ausgebildetes
Gehäuse
auf, in dem das Leistungshalbleiterbauelement auf einem Substrat
angeordnet ist und das mit mehreren Anschlusspins 4 versehen ist,
die zur elektrischen Verbindung des Halbleiter moduls 2 und
der Leiterplatte 1 mit entsprechenden Anschlussstellen
auf der Leiterplatte 1 verlötet sind. Wie bereits erwähnt, erzeugt
das Leistungshalbleiterbauelement des Halbleitermoduls 2 im
Betrieb eine nicht vernachlässigbare
Verlustleitung, so dass es zu einer Erwärmung im Betrieb des Halbleitermoduls 2 kommt.
Um Beschädigungen
insbesondere des Leistungshalbleiterbauelementes des Halbleitermoduls 2 zu
vermeiden, muss daher die im Betrieb auftretende Verlustwärme von
dem Halbleitermodul 2 abgeleitet werden. Aus diesem Grund
ist das Halbleitermodul 2 auf seiner der Leiterplatte 1 abgewandten
Seite mit einer metallischen Bodenplatte 5 versehen, auf
der ein Kühlkörper 3 angeordnet
ist. Die Befestigung des Kühlkörpers 3 auf
dem Halbleitermodul 2 erfolgt in der Regel mittels Schrauben 6, 7.
Das Halbleitermodul 2 weist hierzu in seinem Gehäuse in der
Regel metallische Buchsen 8, 9 auf, um eine gute Übertragung
der Kraft von den Schrauben auf die metallische Bodenplatte 5 zu
gewährleisten.
Der Schaft einer Schraube 6, 7 kann dabei durch
eine metallische Buchse 8, 9 geführt werden.
Der Kühlkörper 3 ist
mit entsprechenden Gewindelöchern 10, 11 versehen,
in die die Schrauben 6, 7 zur Befestigung des
Kühlkörpers 3 auf
dem Halbleitermodul 2 eingedreht werden können. Nach
dem Eindrehen der Schrauben 6, 7 liegen die Schraubenköpfe in der
Regel auf den metallischen Buchsen 8, 9 auf.
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Die
Reihenfolge des Aufbaus der Vorrichtung ist derart, dass zunächst die
Anschlusspins 4 des Halbleitermoduls 2 mit den
entsprechenden Anschlussstellen der Leiterplatte 1 verlötet werden. Nach
der Verbindung des Halbleitermoduls 2 mit der Leiterplatte 1 ist
der Kühlkörper 3 auf
dem Halbleitermodul 2 anzubringen. Hierzu sind in der Leiterplatte 1 Öffnungen 12, 13 vorgesehen,
durch die die Schrauben 6, 7 gänzlich geführt werden. Die Schrauben 6, 7 werden
schließlich
mit ihren Schäften
durch die Buchsen 8, 9 geführt und in die Gewindelöcher 10, 11 zur
Befestigung des Kühlkörpers 3 auf
dem Halbleitermodul 2 eingeschraubt. Auf diese Weise kann
das Halb leitermodul 2 noch nach der Verbindung mit der
Leiterplatte 1 mit dem Kühlkörper 4 versehen werden.
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Nachteilig
an diesem Aufbau und diesem Vorgehen ist jedoch, dass für die Verbindung
des Halbleitermoduls 2 mit dem Kühlkörper 4 verhältnismäßig große Öffnungen 12, 13 in
der Leiterplatte 1 vorgesehen sein müssen, um mit einem Schraubendreher
die Verschraubung von Halbleitermodul 2 und Kühlkörper 4 bewerkstelligen
zu können.
Der für
die Öffnungen 12, 13 benötigte Raum
steht demnach auf der Leiterplatte 1 nicht mehr für die Realisierung
von Leiterbahnen oder für
die Anordnung von Bauelementen zur Verfügung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und
ein Verfahren der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass
die Verbindung von Modul und Kühlvorrichtung
vereinfacht ist.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 17. Die Vorrichtung weist eine
Leiterplatte, ein mit der Leiterplatte elektrisch verbundenes, wenigstens
ein elektrotechnisches Bauelement umfassendes Modul und eine mit
dem Modul wärmeleitend
verbundene Kühlvorrichtung auf,
die auf der der Leiterplatte abgewandten Seite des Moduls an dem
Modul mit wenigstens einem Befestigungsmittel angeordnet ist, wobei
das Befestigungsmittel von der der Leiterplatte abgewandten Seite
des Moduls her betätigbar
ist. Es wird demnach vorgeschlagen, die Kühlvorrichtung und das Modul von
der der Leiterplatte abgewandten Seite des Moduls her, also von
der Rückseite
der Kühlvorrichtung her
miteinander zu verbinden. Demnach ist es nicht mehr notwendig die
Leiterplatte mit Öffnungen
bzw. entsprechenden Aussparungen zu versehen, um das Modul und den
Kühlkörper von
der dem Modul abgewandten Seite der Leiterplatte her mit Schrauben
miteinander verbinden zu können.
Auf der Leiterplatte steht somit mehr Raum für die Anordnung von Leiterbahnen
oder auch für
die Anordndung von Bauelementen zur Verfügung. Wenn dabei die Rede davon ist,
dass das Befestigungsmittel von der der Leiterplatte abgewandten
Seite des Moduls her betätigbar ist,
so ist unter einer Betätigung
des Befestigungsmittels allgemein die Handhabung des Betätigungsmittels
zu verstehen, was die Befestigung des Befestigungsmittels zum Verbinden
der Kühlvorrichtung
und des Moduls miteinander, aber auch das Lösen des Befestigungsmittels
und somit das Trennen der Kühlvorrichtung
und des Moduls einschließen
kann. Die Befestigung muss dabei nicht notwendigerweise wieder zerstörungsfrei
oder beschädigungsfrei
lösbar sein.
Das Befestigungsmittel kann also beispielsweise auch ein Niet sein.
Die Betätigung
des Befestigungsmittels kann dabei auch den Gebrauch von Hilfsmitteln
zur Befestigung oder zum Lösen
des Befestigungsmittels umfassen.
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Varianten
der Erfindung sehen vor, dass die Leiterplatte ein so genanntes
Printed Circuit Board (PCB) und das elektrotechnische Bauelement
ein Halbleiterbauelement, vorzugsweise ein Leistungshalbleiterbauelement
sind. Bei dem Leistungshalbleiterbauelement kann es sich beispielsweise
um einen Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder einen MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) handeln. Das
Modul kann dabei auch mehrere Halbleiterbauelemente, insbesondere
mehrere Leistungshalbleiterbauelemente aufweisen.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung weist die Kühlvorrichtung
wenigstens eine Öffnung oder
Durchgangsöffnung
für das
Befestigungsmittel auf. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise
in Form einer Durchgangsbohrung ausgeführt sein. Das Befestigungsmittel
kann demnach wenigstens teilweise durch die Durchgangsöffnung der
Kühlvorrichtung
geführt
werden.
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Weitere
Varianten der Erfindung sehen vor, dass das Modul wenigstens eine
Befestigungsöffnung
zur Fixierung des Befestigungsmittels aufweist, wobei die Befestigungsöffnung vorzugsweise
mit einem Gewinde versehen ist.
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Nach
einer weiteren Variante der Erfindung, nach der das Befestigungsmittel
eine Schraube ist, können
demnach die Kühlvorrichtung
und das Modul miteinander verschraubt werden. Um den Aufbau der Vorrichtung
möglichst
einfach zu halten, weist vorzugsweise nur die Befestigungsöffnung des
Moduls ein Gewinde auf, während
die Durchgangsöffnung der
Kühlvorrichtung
als reine Durchgangsbohrung zur Durchführung der Schraube ausgeführt ist.
Die Kühlvorrichtung
kann dabei mehrere Durchgangsbohrungen und das Modul mehrere Befestigungsöffnungen
mit Gewinde zur Befestigung der Kühlvorrichtung und des Moduls
miteinander aufweisen. Eine Durchgangsbohrung ist vorzugsweise jeweils einer
Befestigungsöffnung
mit Gewinde zugeordnet. Die Befestigungsöffnung des Moduls kann im Übrigen ebenfalls
eine Durchgangsöffnung,
beispielsweise eine Durchgangsbohrung mit Gewinde sein. Bei der
Befestigungsöffnung
des Moduls kann es sich aber auch nur um ein Sackloch handeln, welches
im Falle einer Schraubenverbindung mit einem Gewinde versehen ist.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung ist die Durchgangsöffnung
der Kühlvorrichtung
derart ausgebildet, dass das Befestigungsmittel darin versenkbar
ist. Vorzugsweise ist die Durchgangsöffnung der Kühlvorrichtung
nach einer Variante der Erfindung dabei derart ausgestaltet, dass
sie eine Anlagefläche
für das
Befestigungsmittel aufweist. Geht man beispielsweise von einer Schraube
als Befestigungsmittel aus, so weist die Durchgangsöffnung also
eine Anlagefläche
und zwar für
eine definierte Anlage eines Schraubenkopfes auf. Die Erzeugung
der Anlagefläche
kann dabei derart bewerkstelligt werden, dass die Durchgangsöffnung zwei
Bereiche mit verschiedenen Durchmessern aufweist. Der an das Modul
angrenzende Bereich der Durchgangsöffnung weist einen kleineren
Durchmesser auf und dient bevorzugt zur Aufnahme eines Schaftes
einer Schraube. Der dem Modul abgewandte Bereich der Durchgangsöffnung weist
einen größeren Durchmesser
auf und dient bevorzugt zur Aufnahme eines Schraubenkopfes, der
auf der Anlagefläche
de finiert aufliegt, die sich durch die beiden Bereiche der Durchgangsöffnung mit
verschiedenem Durchmesser ergibt. Die Anlagefläche muss dabei nicht notwendigerweise eben
sein, sondern kann auch beispielsweise konisch verlaufen. Die Gestaltung
der Anlagefläche hängt im Wesentlichen
vom dem verwendeten Befestigungsmittel, insbesondere vom Typ der
verwendeten Schraube ab. Es kann also durchaus ausreichend sein,
die Durchgangsöffnung
der Kühlvorrichtung
nur insoweit anzusenken, dass ein Schraubenkopf darin vorzugsweise
vollkommen aufgenommen wird und nicht über die Oberfläche der
Kühlvorrichtung
hinausragt.
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Nach
Varianten der Erfindung handelt es sich bei der Kühlvorrichtung
vorzugsweise um einen Kühlkörper, der
auf seiner dem Modul abgewandten Seite mit Kühlrippen versehen sein kann
oder aber auf seiner dem Modul abgewandten Seite eben ausgeführt ist.
Insbesondere bei Kühlkörpern, die
auf ihrer dem Modul abgewandten Seite plan ausgeführt sind,
ist es erwünscht,
dass kein Teil des Befestigungsmittels über die plane Oberfläche des
Kühlkörpers hinausragt,
da es sich bei dieser Form der Kühlung
um die so genannte „cold
plate" handelt,
bei der die plane Oberfläche
des Kühlkörpers dazu
vorgesehen ist, an einer anderen planen Gegenfläche zur Kühlung angelegt zu werden. D.
h., es können
bereits bestehende Kühlvorrichtungen
oder Systeme zur Kühlung
des Moduls unter Zwischenschaltung des Kühlkörpers verwendet werden.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung sehen vor, dass das Modul ein Gehäuse aufweist, welches vorzugsweise
aus Kunststoff ausgebildet ist und auf seiner der Kühlvorrichtung
zugewandten Seite zwecks besserer Ableitung der Verlustwärme eine metallische
Bodenplatte aufweist. Bevorzugt ist das Gehäuse des Moduls mit wenigstens
einer Buchse aus Metall versehen, in die das Gewinde eingearbeitet
ist. Wenn also als Befestigungsmittel eine Schraube vorgesehen ist,
dann wird diese nach Durchführung
durch die Durchgangsöffnung
der Kühlvorrichtung
in das Gewinde der metallischen Buchse des Kunst stoffgehäuses des
Moduls zur Befestigung des Moduls und der Kühlvorrichtung miteinander von
der der Leiterplatte abgewandten Seite des Moduls her eingeschraubt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in der beigefügten
schematischen Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1 in
einer teilweise geschnittenen Darstellung eine Vorrichtung mit einer
Leiterplatte, einem Halbleitermodul und einer Kühlvorrichtung nach dem Stand
der Technik und
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2 in
einer teilweise geschnittenen Darstellung eine Vorrichtung mit einer
Leiterplatte, einem Halbleitermodul und einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung.
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In
der 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt,
welche eine Leiterplatte 21, ein wenigstens ein elektrotechnisches
Bauelement umfassendes Modul 22 und eine Kühlvorrichtung 23 aufweist.
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Das
Modul 22 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
wenigstens ein Halbleiterbauelement, vorzugsweise ein Leistungshalbleiterbauelement
beispielsweise in Form eines IGBTs oder eines MOSFETs. Das Modul 22,
im Folgenden als Halbleitermodul 22 bezeichnet, kann aber
auch mehr als ein Halbleiterbauelement bzw. Leistungshalbleiterbauelement
enthalten. Das Leistungshalbleiterbauelement ist in in 2 nicht
explizit dargestellter Weise auf einem Substrat angeordnet. Das Halbleitermodul 22 umfasst
ein mit dem Bezugszeichen 24 versehenes Gehäuse, welches
aus Kunststoff ausgebildet ist. Das mit dem Leistungshalbleiterbauelement
versehene Substrat ist in dem Gehäuse 24 angeordnet.
Von dem Substrat sind in nicht explizit dargestellter Weise im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mehrere Anschlusspins 26 aus dem Gehäuse 24 nach außen geführt, so
das diese auf der der Leiterplatte 21 zugewandten Seite
des Halbleitermoduls 22 aus dem Gehäuse 24 des Halbleitermoduls 22 herausragen.
Die Anschlusspins 26 auf der der Leiterplatte 21 zugewandten
Seite des Halbleitermoduls 22 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mit entsprechenden Anschlussstellen der Leiterplatte 21 verlötet. Die
Anschlusspins 26 können
aber auch in die Anschlussstellen der Leiterplatte 21 eingepresst
sein oder anderweitig mit den Anschlussstellen der Leiterplatte elektrisch
verbunden sein. Bei der Leiterplatte 21 handelt es sich
im Übrigen
bevorzugt um ein so genanntes Printed Circuit Board (PCB).
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Auf
seiner der Kühlvorrichtung 23 zugewandten
Seite ist das Gehäuse 24 des
Halbleitermoduls 22 mit einer Bodenplatte 25 aus
einem Metall, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer versehen, um einen
möglichst
guten Wärmeübergang
von dem Halbleitermodul 22 zu der Kühlvorrichtung 23 zu
erhalten.
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Auf
seiner der Kühlvorrichtung 23 zugewandten
Seite weist das Halbleitermodul 22 im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
zwei flanschartige Fortsätze 27, 28 auf,
in denen im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels jeweils eine
metallische, rohrförmige
Buchse 29, 30 angeordnet ist. Die Buchsen 29, 30 sind
fest mit dem Halbleitermodul 22 bzw. dem Gehäuse 24 des
Halbleitermoduls 22 verbunden. Jede der beiden Buchsen 29, 30 ist
jeweils mit einem Gewinde 31, 32 versehen. Das
Halbleitermodul 22 weist also mit den rohrförmigen Buchsen 29, 30 im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
zwei Befestigungsöffnungen
auf, bei denen es sich vorliegend um mit jeweils einem Gewinde 31, 32 versehene
Durchgangsöffnungen
handelt.
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Bei
der Kühlvorrichtung 23 handelt
es sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels um einen Kühlkörper 23,
der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels auf seiner
dem Halbleitermodul 22 abgewandten Seite mit einer ebenen
Oberfläche 33 ausgeführt ist.
Auf diese Weise kann der Kühlkörper 23 mit
einer anderen Kühlvorrichtung
beispielsweise in einer elektrotechnischen Anlage oder in einem
Gerät zur
Anlage gebracht werden, so dass das Halbleitermodul 22 unter
Zwischenschaltung des Kühlkörpers 23 mit
einer bestehenden Kühleinrichtung
gekühlt
werden kann („cold
plate").
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Es
besteht jedoch auch die Möglichkeit,
den Kühlkörper 23,
wie in 2 mit gestrichelten Linien angedeutet, mit Kühlrippen 34 zu
versehen, so dass dieser unabhängig
von einer anderen Kühleinrichtung
also quasi „stand
alone" zur Kühlung des
Halbleitermoduls 22 eingesetzt wird.
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Der
vorzugsweise aus Aluminium ausgebildete Kühlkörper 23 weist im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
zwei im Wesentlichen gleichartige Durchgangsöffnungen 35, 36 auf,
die vorliegend als Durchgangsbohrungen realisiert sind. Sowohl die Durchgangsbohrung 35 als
auch die Durchgangsbohrung 36 weist zwei Bereiche mit verschiedenem Öffnungsdurchmesser
auf. Auf der dem Halbleitermodul 22 zugewandten Seite sind
die Durchgangsbohrungen 35, 36 im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
etwa bis zu Hälfte
der Dicke D des Kühlkörpers 23 mit
kleinerem Durchmesser ausgeführt,
als auf der dem Halbleitermodul 22 abgewandten Seite des
Kühlkörpers 23.
Dies kann durch ein so genanntes Aufbohren erreicht werden. Durch
die beiden Bereiche mit unterschiedlichem Öffnungsdurchmesser der Durchgangsbohrungen 35, 36 ergibt
sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels etwa in der
Mitte des Kühlkörpers 23 jeweils
eine ringförmige
Anlagefläche 37, 38.
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Beim
Aufbau der Vorrichtung der 2 wird derart
vorgegangen, dass zunächst
das Halbleitermodul 22 und die Leiterplatte 21 elektrisch
miteinander verbunden werden. Hierzu werden, wie bereits erwähnt, bevorzugt
die Anschlusspins 26 des Halbleitermoduls 22 mit
entsprechenden Anschlussstellen der Leiterplatte 21 verlötet.
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Anschließend können aufgrund
der beschriebenen Ausgestaltung des Halbleitermoduls 22 sowie
des Kühlkörpers 23 das
Halblei termodul 22 und der Kühlkörper 23 auf vorteilhafte
Weise von der der Leitplatte 21 abgewandten Seite des Halbleitermoduls 22 her
miteinander wärmeleitend
verbunden bzw. befestigt werden. Hierzu wird im Falle des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
der Schaft einer Schraube 39 durch die Durchgangsbohrung 35 geführt und
in das Gewinde 31 der metallischen Buchse 29 des
Gehäuses 24 des
Halbleitermoduls 22 eingeschraubt. Der Kopf der Schraube 39 kommt
dabei an der Anlagefläche 37 zur
Anlage und ist somit versenkt, d. h. dieser ragt nicht über die
plane Oberfläche 33 des
Kühlkörpers 23 hinaus.
In gleicher Weise wird der Schaft einer Schraube 40 durch
die Durchgangsbohrung 36 des Kühlkörpers 23 geführt und
in das Gewinde 32 der metallischen Buchse 30 des
Gehäuses 24 des
Halbleitermoduls 22 eingeschraubt. Der Kopf der Schraube 40 kommt
dabei an der Anlagefläche 38 zur
Anlage.
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Es
wird also deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Lösung der Kühlkörper 23 von der der Leiterplatte 21 abgewandten
Seite des Halbleitermoduls 22 her, also von der Rückseite
des Kühlkörpers 23 her
mit dem Halbleitermodul 22 verbunden werden kann und somit Öffnungen
in der Leiterplatte 21 zur Herstellung der Verbindung zwischen
Halbleitermodul 22 und Kühlkörper 23 nicht notwendig
sind.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ragen die Schrauben 39, 40 über die Buchsen 29, 30 hinaus.
Dies muss jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein. Die Buchsen 29, 30 können vielmehr
auch derart ausgebildet sein, dass sie nur ein mit einem Gewinde
versehenes Sackloch aufweisen. In diesem Fall ragen die Schrauben 39, 40 nicht über die
flanschartigen Abschnitte 27, 28 des Gehäuses 24 hinaus.
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Des
Weiteren können
die Durchgangsöffnungen 35, 36 andersartig
ausgestaltet sein. Beispielsweise müssen die Anlageflächen 37, 38 nicht so
tief in den Kühlkörper 23 eindringen
und plan ausgeführt
sein. Es besteht auch die Möglichkeit,
die Durchgangsbohrungen 35, 36 einfach nur anzusenken
bzw. anzu fasen und Schrauben mit Schraubenköpfen zu verwenden, die in diesen
Senken bzw. Anfasungen versenkt werden können, damit diese nicht über die
Oberfläche 33 des
Kühlkörpers 23 hinausragen.
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Des
Weiteren ist es nicht zwingend notwendig als Befestigungsmittel
Schrauben zu verwenden. Vielmehr können auch beispielsweise Klammern oder
auch Niete oder andere geeignete Befestigungsmittel verwendet werden,
um das Halbleitermodul 22 und den Kühlkörper 23 von der der
Leiterplatte 21 abgewandten Seite des Halbleitermoduls 22 her
miteinander wärmeleitend
zu verbinden. Je nach Anwendungsfall kann es sich dabei um eine
lösbare
Verbindung (z. B. Schraubenverbindung, Klammerverbindung) oder um
eine nicht zerstörungsfrei bzw.
beschädigungsfrei
lösbare
Verbindung (z. B. Nietverbindung) handeln.
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Bei
der Vorrichtung handelt es sich im Übrigen bevorzugt um einen Frequenzumrichter.