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Die
Erfindung betrifft eine Kühlanordnung und
ein elektrisches Gerät
damit.
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Elektrische
Geräte
mit wärmeerzeugenden Bauelementen
sind allgemein bekannt, wobei das Bauelement am Kühlkörper angeschraubt
wird und somit eine gut wärmeleitfähige Verbindung
hergestellt wird.
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Aus
der
DE 196 04 124
A1 ist ein elektrisches Gerät bekannt, bei dem ein Bauelement
mittels Federelement an einen Kühlkörper angedrückt wird.
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Aus
der
DE 295 11 775
U1 ist eine Anordnung mit Leiterplatte bekannt, bei der
ein Bauelement mittels eines Federelements angedrückt wird.
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Aus
der
JP 5-29 778 A ist
ein auf einer Leiterplatte angeordnetes Bauelement bekannt, das über einen
Kühlkörper entwärmt wird.
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Aus
der
DE 10 2004
046 475 A1 ist ein Andrücken
eines Bauelements gegen einen Kühlkörper bekannt,
wobei die Andrückkraft
von einer elastischen Auslenkung der Anschlussfüsschen des Bauelements erzeugt
wird.
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Aus
der
DE 10 2005
012 147 A1 ist eine elastisch auslenkbare Klammer zum Andrücken eines Bauelements
gegen einen Kühlkörper bekannt.
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Aus
der
DE 44 10 029 A1 ist
ein mittels einer Feder vorgespannte Wärmesenkenanordnung für eine Mehrzahl
von integrierten Schaltungen bekannt.
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Aus
der
DE 694 01 040
T2 ist eine Gehäusestruktur
für Mikrowellenschaltung
bekannt, bei der mittels eines Federelements auf die dem Bauelement abgewandte
Seite einer Leiterplatte gedrückt
und somit das auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordnete
Bauelement gegen einen Kühlkörper gedrückt wird.
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Aus
der
DE 84 27 885 U1 ist
eine Einrichtung zum Befestigen eines Kühlkörpers auf mehreren nebeneinander
angeordneten integrierten Bausteinen bekannt.
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Aus
der
DE 10 2005
022 226 A1 ist eine Anordnung zur Wärmeabfuhr in einem Gehäuse angeordneter
elektronischer Bauelemente bekannt.
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Aus
der
DE 100 26 348
A1 ist eine Vorrichtung zum Andrücken eines Wärmeleitkörpers mit
einem klammernden Federelement bekannt.
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Aus
der
JP 2002-93 978
A ist bekannt, in einem Anschlussfüsschen eines Halbleiter-Bauelements eine
Sicke auszuführen.
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Aus
der
US 2003/0
201 542 A1 ist bekannt, in einem Anschlussfüsschen eines
Halbleiter-Bauelements
eine mehrfache Sicke auszuführen.
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Aus
der
DE 195 33 298
A1 ist ein elektronisches Modul mit Leistungsbauelementen
bekannt.
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Aus
der
DE 20 2004
007 471 U1 ist eine gefederte Wärmeleitvorrichtung mit Wärmeleitrohr
zur Kühlung
eines auf einer Grundplatte getragenen Prozessors bekannt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kühlanordnung
für ein
elektrisches Gerät auszubilden,
wobei die Herstellung einfach und kostengünstig ausführbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit der Kühlanordnung
nach Anspruch 1 und dem elektrischen Gerät nach Anspruch 8 gelöst.
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Merkmale
bei der Kühlanordnung
sind, dass sie Kühlanordnung
für ein
Wärme erzeugendes
elektrisches Bauelement ist, das von einem Anpressmittel mittels
einer Anpresskraft gegen einen Teilbereich des Kühlkörpers gedrückt wird, zur Wärme leitenden Verbindung
mit dem Kühlkörper, wobei
das
elektrische Bauelement auf einer Leiterplatte angeordnet ist, die
in einer Schale angeordnet ist, wobei
die Schale mit dem Kühlkörper verbunden
ist, wobei
das Anpressmittel eine aushärtbare Vergussmasse ist, die
zwischen der Leiterplatte und dem elektrischen Bauelement angeordnet
ist und dieses teilweise umgibt, und wobei die Vergussmasse im ausgehärteten Zustand
elastisch ist und die zum Andrücken
des elektrischen Bauelements an den Kühlkörper erforderliche Anpresskraft
erzeugt.
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Von
Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper zuletzt
mit dem elektrischen Gerät
verbindbar ist, nachdem das Bauelement schon mit dem Träger verbunden
wurde. Beispielsweise wird also das Bauelement mit der Leiterplatte
mechanisch und elektrisch verbunden und erst dann der Kühlkörper angeschraubt an
die Leiterplatte oder ein mit der Leiterplatte verbundenes Teil
des elektrischen Geräts.
Dabei ist das Bauelement vorteiligerweise mittels SMD-Technik bestückbar und
als Leistungshalbleiter, wie beispielsweise IGBT oder MOSFet ausführbar.
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Beim
Verbinden des Kühlkörpers entsteht also
eine Federkraft, die das Andrücken
des Bauelements auf den Teilbereich des Kühlkörpers bewirkt.
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Insbesondere
ist als vom Federmittel umfasstes Federelement Vergussmasse vorgesehen, insbesondere
wobei die Vergussmasse zwischen Träger und Bauelement angeordnet
ist und das Bauelement teilweise umgibt. Von Vorteil ist dabei,
dass die Vergussmasse einerseits zum Schutz der auf der Leiterplatte
weiteren bestückten
Bauelemente und auch des erfindungsgemäßen Bauelementes verwendbar
ist als auch zur Erzeugung von Andrückkraft für das erfindungsgemäße Bauelement,
das hierzu nicht vollständig
umgeben sondern nur teilweise umgeben ist von der Vergussmasse.
Vorteiligerweise ist der dem Kühlköroper zugewandte
Oberflächenbereich
des Bauelements frei von Vergussmasse. Somit ist die Federwirkung
insbesondere zwischen Bauelement und Leiterplatte beziehungsweise
Schale, also Begrenzungsmittel für
die Vergussmasse, wirksam.
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Insbesondere
ist der Träger
mit einer Schale verbunden und/oder in einer Schale vorgesehen.
Von Vorteil ist dabei, dass ein gehäusebildender Schutz für die elektrischen
Verbindungen erreicht ist und ein zur Befestigung geeignetes Mittel
vorsehbar ist. Außerdem
ist bei Verwendung von Vergussmasse ein diese begrenzendes Mittel
vorsehbar.
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Insbesondere
ist die Vergussmasse im ausgehärteten
Zustand derart elastisch, dass die für das Andrücken des Bauelementes notwendige
Federkraft erzeugbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als vom Federmittel umfasstes
Federelement die Anschlussdrähte
des Bauelementes vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die stets
sowieso notwendigen Anschlussbeinchen des Bauelements nicht nur
zum elektrischen Anschließen
sondern auch zur Erzeugung der notwendigen Andrückkraft verwendbar sind. Ein zusätzliches
Mittel ist also nicht notwendig, sondern es genügt, die Anschlussbeinchen als
für die Erzeugung
von Federkraft in der benötigten
Richtung entsprechend zu formen und auszubilden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement der Träger elastisch
ausgeführt
und vorgesehen oder verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass sogar
die Elastizität des
Trägers
selbst alleine verwendbar ist oder zumindest mitverwendbar ist zum
Erzeugen der Andrückkraft
des Bauelements gegen den Teilbereich des Kühlkörpers.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement eine Feder, wie Spiralfeder, Tellerfeder oder dergleichen, verwendet.
Von Vorteil ist dabei, dass einfache und kostengünstige Elemente verwendbar
sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement ein elastischer Kunststoff verwendet. Von Vorteil ist
dabei, dass auch die bloße
Ausführung
eines Gehäuseteils oder
Verbindungsteils aus geeignetem Kunststoff die Federkraft erzeugbar
macht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Träger und/oder Schale mit dem
Kühlkörper direkt oder
indirekt lösbar
verbunden, wobei der Abstand zwischen Bauelement und Träger beziehungsweise Bauelement
und Schale den Federweg bestimmt, also auch die Federkraft zum Andrücken des
Bauelements gegen den Teilbereich des Kühlkörpers. Von Vorteil ist dabei,
dass das Federmittel derart angeordnet ist, dass Träger oder
Schale fest und abstandskonstant mit dem Kühlkörper verbindbar sind. Beim
Verbinden wird dann das Federmittel um den Federweg ausgelenkt und
somit die Federkraft erzeugt. Das Mittel umfasst beispielsweise
die Anschlussdrähte
und/oder die Vergussmasse und/oder den Träger selbst.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauelement, insbesondere
mit konstantem Abstand, mit dem Träger und/oder der Schale direkt
oder indirekt verbunden, wobei der Abstand zwischen Kühlkörper und
Träger
beziehungsweise Kühlkörper und
Schale den Federweg bestimmt, also auch die Federkraft zum Andrücken des
Bauelements gegen den Teilbereich des Kühlkörpers. Von Vorteil ist dabei,
dass das Federelement separat anbringbar ist und somit separat einstellbar
ist. Hierzu ist vorteiligerweise eine Schraube oder anders Mittel zum
Einstellen von Abstand vorsehbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Anschlussdrähte für das Bauelement
einen zur Leiterplattenoberfläche
parallelen Endbereich auf, insbesondere zur SMD-Bestückung, insbesondere als
auf die Leiterplattenoberfläche
auflegbares und liegend SMD-bestückbares
Teil. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Fertigungsmethode
für große Stückzahlen
einsetzbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anschlussdrähte mit
zwei oder mehr Knicken ausgeführt,
insbesondere mit mindestens einer Sicke und/oder V-förmigem Verlauf.
Von Vorteil ist dabei, dass große
und wohldefinierbare Kräfte
auf kleinem Raumbereich erzeugbar sind. Insbesondere ist dabei die
Federkraft mittels der Ausführung
und Dimensionierung des Gerätes
vorgebbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Federkraft mittels eines
Anzugsmomentes einer Schraube festlegbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bauelement ein Gehäuse auf,
das einen metallischen oder keramischen Bereich umfasst, der an
den Teilbereich des Kühlkörpers angedrückt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass ein Bereich sehr guter Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist, der somit einen verbesserten Abtransport der Wärme ermöglicht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs
Wärmeleitpaste
zwischen Bauelement und Kühlkörper vorgesehen.
Von Vorteil ist dabei, dass der Wärmeübergangswiderstand hierbei
weiter reduzierbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Träger eine Leiterplatte. Von
Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Technik
zur Fertigung und Bestückung
anwendbar ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1 ist eine erste erfindungsgemäße Anordnung schematisch skizziert.
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In
der 2 ist eine zweite nicht von der Erfindung umfasste
Anordnung schematisch skizziert.
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Die
Anordnung nach 1 oder 2 ist von
einem elektrischen Gerät
umfasst, das ein wärmeerzeugendes
Bauelement 2 umfasst, dessen Wärme im Wesentlichen über einen
Kühlkörper 1 abgeführt wird.
Der Kühlkörper kann
einstückig
oder aus mehreren Stücken
zusammengesetzt sein.
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In
der Anordnung nach 1 wird das Bauelement 2 gegen
einen Teilbereich des Kühlkörpers 1 gepresst,
so dass hier Wärme
gut übertragbar
ist, also mit einem nur geringen Wärmeübergangswiderstand. Insbesondere
ist dieser Wärmeübergangswiderstand
kleiner als der Wärmeübergangswiderstand vom
Bauelement zu anderen Teilbereichen des Kühlkörpers 1 oder zu anderen
Teilen des elektrischen Geräts.
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Dabei
ist das Bauelement 2 mit seinen Anschlussdrähten 10 auf
einer Leiterplatte mittels Lötverbindungen
mit metallischen Bereichen der Leiterplatte elektrisch leitfähig verbunden.
Vorteiligerweise ist das Bauelement 2 in SMD-Technik auf
die Leiterplatte bestückbar.
Somit ist die Bestückung
automatisiert mittels eines Roboters ausführbar.
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Die
in Richtung auf den Kühlkörper 1 hin
wirkende Presskraft wird bei einer ersten Anordnung durch die Anschlussdrähte 10 selbst
erzeugt. Hierzu sind die Anschlussdrähte entsprechend gebogen. In 1 ist
klar dargestellt, dass die Anschlussdrähte in ihrem Endbereich parallel
zur Leiterplattenoberfläche ausgeführt sind
und auf dieser aufliegen. Das zugehörige Lötzinn ist nicht dargestellt.
An diesen parallelen Endbereich schließt sich ein Bereich an, in
welchem die Anschlussdrähte
in Normalenrichtung zur Leiterplatte verlaufen. Von diesem Bereich
ausgehend verlaufen die Anschlussdrähte wiederum parallel zur Leiterplattenoberfläche auf
das Bauelement hinzu.
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Somit
ist von dem Anschlussdraht eine Federkraft zumindest in Normalenrichtung
zur quasi ebenen Leiterplatte erzielbar, wenn der Abstand zwischen
der Kontaktfläche
des Kühlkörpers 1 für das Bauelement
und der Leiterplatte in Normalenrichtung geeignet vorgegeben wird.
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Hierbei
ist der Kühlkörper 1 mit
einer Schale 4, insbesondere Kunststoffschale, lösbar verbunden mittels
einer Schraube 6. Die Leiterplatte 3 ist mit der Schale 4 verbunden.
Somit ist der Abstand zwischen Leiterplatte und Kühlkörper fest
vorgegeben durch die Gestaltung der Teile und die Verbindungen.
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Darüber hinaus
sind die Teile und Verbindungen derart gestaltet und dimensioniert,
dass das Bauelement beim Herstellen des Gerätes um einen derartigen Betrag
ausgelenkt wird, dass die für
einen guten Wärmeübergang
vom Bauelement zum Kühlkörper erforderliche
Anpresskraft erzeugbar ist.
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Bei
dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird
also ein Aufbau nach 1 aber ohne die dort gezeigte
Vergussmasse 5 ausgeführt.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
ist die Leiterplatte auch direkt mit dem Kühlkörper verbindbar, also ohne
Schale. Somit ist das Einhalten der erforderlichen Toleranzen einfacher
ausführbar.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
ist eine Vergussmasse 5 gemäß 1 hinzugefügt, die
aber derart elastisch und weich ist, dass die Anpresskraft im Wesentlichen
von der Vergussmasse unbeeinflusst in der geschilderten Weise erfolgt,
also von den Anschlussdrähten 10 erzeugt
wird.
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Die
Anpresskraft ist dann ohne Vergussmasse erzeugbar, also ausschließlich durch
die Anschlussdrähte
des Bauelements. Hierzu sind diese entsprechend lang und geknickt
ausgeführt.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
sind die Anschlussdrähten 10 nicht
nur mit jeweils zwei Knickstellen wie bei 1, sondern
mit mehr Knickstellen ausgeführt.
Hierzu sind auch vorteiligerweise Sicken oder ähnliche Verläufe ausgebildet.
Auf diese Weise lässt
sich die gleiche Anpresskraft bei kürzeren Anschlussdrähten bewirken
oder hohe, insbesondere im Vergleich höhere Anpresskräfte. Besonders
vorteilig haben sich V-förmige
Verläufe
herausgestellt und selbstverständlich
auch ziehharmonika-ähnliche Verläufe, also
mehrere seriell angeordnete V-förmige Verläufe.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird gemäß 1 Vergussmasse hinzugefügt, die
das Bauelement teilweise umgibt. Jedoch berührt der Kühlkörper 1 die Vergussmasse nicht.
Denn der Kühlkörper 1 ist
bei der Herstellung des elektrischen Gerätes erst nach dem Aushärten der
Vergussmasse 5 aufgesetzt und verbunden. Die Schale 4 stellt eine
Begrenzung für
die Vergussmasse 5 dar. Die Vergussmasse 5 ist
im ausgehärteten Zustand
derart elastisch gewählt
und ausgeführt, dass
beim Aufsetzen und Verbinden des Kühlkörpers mit der Schale 4 beziehungsweise
mit dem die Schale 4 umfassenden Teil des elektrischen
Gerätes
die gewünschte
Anpresskraft des Bauelementes 2 gegen den Teilbereich des
Kühlkörpers 1 erzeugt
wird.
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Bei
dieser Ausführung
ist also kein weiteres Federelement notwendig, da die Vergussmasse
eine Doppelfunktion ausführt – einerseits
mechanische Befestigung der Bauelemente gegen Rüttelschwingungen und andererseits
Erzeugen der gewünschten Federkraft.
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Darüber hinaus
ist durch die Vergussmasse auch eine verbesserte elektrische Isolationsfestigkeit erzielbar.
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Die
Anschlussdrähte 10 sind
derart ausgeführt,
dass das Bauelement mittels SMD-Technik auf die Leiterplatte 3 bestückbar ist.
Dabei werden die Anschlussdrähte
nicht durch Ausnehmungen der Leiterplatte 3 hindurchgeführt sondern
nur der zur Leiterplattenoberfläche
parallel verlaufende Endbereich aufgelegt und mittels der Lötmasse beim
Lötvorgang elektrisch
und mechanisch mit der Leiterplattenoberfläche verbunden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 wird der Abstand zwischen Bauelement und Leiterplatte
veränderbar
vorgesehen und als Federweg verwendet.
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Bei
dem nicht-erfindungsgemäßen Ausführung nach 2 ist
die Anpresskraft durch ein Federelement 7 erzielbar, das
zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper 1, insbesondere
zwischen der Schale 4 und dem Kühlkörper 1 angeordnet
ist. Auf diese Weise ist das Bauelement mit kurzen Anschlussdrähten 10 auf
der Leiterplatte verbindbar, wobei keine Elastizität erforderlich
ist. Mittels des Federelementes wird die gesamte Leiterplatte samt Bauelement 2 auf
den Kühlkörper hin
gedrückt
und somit die erforderliche Anpresskraft für das Anpressen des Bauelementes 2 auf
den Teilbereich des Kühlkörpers 1 hin
erzeugt.
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Das
Federelement ist nicht direkt am Bauelement 2 angeordnet
im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
nach 1, wo die Anschlussdrähte und/oder die Vergussmasse
als Federelement vorgesehen sind.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 wird der Abstand zwischen Kühlkörper und Leiterplatte veränderbar
vorgesehen. Die Änderung
des Abstandes ist dem Federweg proportional, wobei die elastische
Auslenkung der Leiterplatte dann unberücksichtigt bleibt.
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Vorteiligerweise
ist das Bauelement direkt auf die Leiterplatte positionierbar und
auflegbar.
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Das
Federelement ist derart ausführbar, dass
die Federkraft über
das Anzugsmoment einer Schraube vorgebbar ist. Hierzu ist eine Spiralfeder zwischen
einem Schraubenkopf und der Schale angeordnet. Je weiter die Schraube
in den Kühlkörper 1 oder
ein mit diesem fest verbundenes Teil hineingeschraubt wird desto
größer ist
die Federkraft.
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Zur
Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen
dem Bauelement 2 und dem Kühlkörper 1 ist auch Wärmeleitpaste
vorsehbar
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
ist der Teilbereich des Kühlkörpers oberflächenbearbeitet, wie
beispielsweise geschliffen oder sandgestrahlt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Wärme erzeugendes
Bauelement
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Schale
- 5
- Vergussmasse
- 6
- Schraube
- 7
- Federelement
- 10
- Anschlussdraht
