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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Anpressen eines elektronischen Bauteils an einen Kühlkörper, aufweisend den Kühlkörper und ein Anpresselement, mittels dessen das elektronische Bauteil gegen den Kühlkörper gepresst ist.
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Bei vielen elektronischen Bauteilen besteht die Anforderung, im Betrieb entstehende Verlustenergie in Form von Wärme abzuführen. Eine gängige Methode sieht vor, dass das elektronische Bauteil gegen einen Kühlkörper gepresst wird. In der Regel ist dabei zwischen dem Kühlkörper und dem elektronischen Bauteil eine isolierende Zwischenlage angebracht.
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Der Wärmeübergang zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Kühlkörper ist wesentlich von der Qualität der Kontaktierung an den Kontaktflächen abhängig. Angestrebt wird eine flächige Auflage unter Vermeidung eines Luftspalts. Um dies zu erreichen sind Anpresselemente vorgesehen, welche den Bauteil gegen den Kühlkörper spannen.
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Nach dem Stand der Technik kennt man beispielsweise Anpresselemente, die an einer Stelle des Kühlkörpers abgestützt sind und mit einem Zungenförmigen Fortsatz auf dem Bauelement aufliegen. Eine Anpresskraft wird dabei mittels einer Schraubverbindung zwischen Anpresselement und Kühlkörper an einer Stelle zwischen der Abstützstelle und dem Bauelement aufgebracht. Nachteilig ist dabei die Montage, welche in mehreren Arbeitsschritten erfolgen muss. Es muss beispielsweise zuerst das Anpresselement in Position gebracht und anschließend die Schraubverbindung mittels eines geeigneten Werkzeugs angezogen werden. Zudem besteht ein logistischer Aufwand, weil eine solche Anordnung immer mehrteilig aufgebaut ist.
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Bekannte Anordnungen ohne Schraubverbindungen nutzen Federelemente. Solche Federelemente erlauben jedoch nur eine geometrisch eingeschränkte Kühlanordnung, weil immer eine dem Bauteil gegenüber liegende Gegenauflage vorzusehen ist, gegen die sich das Federelement abstützt. In der Regel handelt es sich um ein U-förmiges Federelement, das den Rand eines Kühlkörpers umfasst. Das elektronische Bauteil wird dann an einer Seite gegen den Kühlkörper gepresst und die Rückseite des Kühlkörpers bildet die Gegenauflage für das Federelement. Oftmals ist auch bei der Montage eines solchen Federelements ein Werkzeug notwendig, weil das Federelement zum Anbringen an der vorgesehen Position aufgedehnt werden muss.
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Die
DE 29808296 U1 offenbart als Anpresselement eine herkömmliche Feder mit einem mittigen elastischen Abschnitt und zwei im Wesentlichen starren Enden. Während eines Montagevorgangs wird die Feder in einem Schritt gegen ein elektronisches Bauteil und gegen einen Kühlkörper gedrückt, wobei ein starres Ende in einem hakenförmigen Fortsatz des Kühlkörpers einrastet. Eine genaue Positionierung zu Beginn des Montagevorgangs ist auf diese Weise nicht möglich.
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Ein weiteres herkömmliches Anpresselement ist aus der
US 5896270 A bekannt. Es weist einen elastischen Mittelabschnitt auf, welcher in einer Öffnung eines Kühlkörpers eingehakt ist. Bei einem zu kühlenden Bauteil weist der elastische Mittelabschnitt einen ersten Fortsatz zur Kraftübertragung auf das Bauteil und einen zweiter Fortsatz zur Abstützung am Kühlkörper auf. Bei zwei zu kühlenden Bauteilen dienen beide Fortsätze zur Kraftübertragung auf das jeweilige Bauteil.
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Aus der
US 5040096 A ist ein Anpresselement mit einem starren Abschnitt bekannt, das auf einem elektrischen Bauelement aufliegt und in einem Kühlkörper eingehakt ist. An dem starren Abschnitt schließt als Mittelteil ein Federabschnitt an, der in einen kurzen starren Endabschnitt übergeht. Mit diesem Endabschnitt ist das Spannelement gegenüber dem Kühlkörper abgestützt.
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Die
US 5068764 A zeigt ein als Klipp ausgeführtes Anpresselement. Dabei liegt ein starres Ende auf einem elektronischen Bauteil auf. Ein zweites starres Ende ist in etwa um 90° zum ersten Ende gebogen und derart in einem Schlitz eines Kühlkörpers verkeilt, dass sich im mittleren gebogenen Abschnitt eine Spannung aufbaut, aus der eine Anpresskraft auf das elektronische Bauteil resultiert. Die Montage besteht im Einführen des einen Klippendes in den Kühlkörperschlitz.
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In der
DE 10085150 B4 ist ein Anpresselement für mehrere nebeneinander angeordnete elektronische Bauelemente offenbart. Das Anpresselement umfasst einen Mittelteil, in dem für jedes Bauelement eine elastische Zunge integriert ist. Zudem ist an einer Seite für jedes Bauelement ein elastisches Klemmbein vorgesehen, das im montierten Zustand eine Basiskomponente umfasst. An der anderen Seite des Mittelteils ist eine durchgängige Zunge angeordnet, mit dem das Anpresselement in einer Nut der Basiskomponente gehalten ist. Dabei erfolgt der Montagevorgang in einem einzigen Klemmvorgang, bei dem die Klemmbeine unter die Basiskomponente und gleichzeitig die durchgängige Zunge in die Nut der Basiskomponente geführt werden.
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Die
US 5466970 A zeigt ein Spannelement mit einem starren Basisabschnitt, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. An den Basisabschnitt schließt ein Federabschnitt an, der in einen Fingerabschnitt übergeht. Das gebogene Ende des Fingerabschnitts liegt auf einem elektronischen Bauelement auf und drückt dieses gegen einen Kühlkörper. Die Anpresskraft resultiert aus einer elastischen Verformung des Federabschnitts, wobei der Basisabschnitt mit den beiden Enden an zwei Stellen des Kühlkörpers eingerastet ist.
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Das Anpresselement besteht somit aus einem elastischen Mittelteil mit zwei im Wesentlichen starren Fortsätzen. Eine genaue Positionierung eines solchen Spannelements ist schwierig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anordnung mit einem Anpresselement gemäß Anspruch 1. Verbesserte Ausprägungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Dabei weist bei einer solchen Anordnung das Anpresselement, mittels dem ein elektronisches Bauteil gegen einen Kühlkörper gepresst ist, einen starren Mittelteil auf, wobei von dem Mittelteil ein erster elastischer Fortsatz absteht, mit dem der Mittelteil in der Weise elastisch an eine erste Stelle des Kühlkörpers gekoppelt ist, sodass ein Ende des ersten elastischen Fortsatzes von Beginn eines Montagevorgangs an in seiner Lage gegenüber dem Kühlkörper bestimmt ist, wobei der Mittelteil einen zweiten elastischen Fortsatz aufweist, welcher gegen das Bauteil gepresst ist und wobei der Mittelteil an einer zweiten Stelle des Kühlkörpers in der Weise eingerastet ist, dass sich der erste elastische Fortsatz während des Einrastvorgangs verformt. Die Montage der Anordnung erfolgt dann ohne Werkzeug in einem Arbeitsschritt. Das Anpresselement wird an der ersten Stelle an den Kühlkörper gekoppelt und der Mittelteil an der zweiten Stelle eingerastet. Dabei baut sich sowohl im ersten Fortsatz als auch im zweiten Fortsatz infolge elastischer Biegung eine Spannung auf. Die daraus resultierenden Kräfte halten einerseits das Anpresselement in Position und pressen andererseits das Bauelement gegen den Kühlkörper.
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In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist das Anpresselement einstückig ausgeführt. Neben einer einfachen Logistik wird damit eine kostengünstige Herstellung erreicht. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn das Anpresselement aus einem Metallblech hergestellt ist. Es handelt sich dann um einen einfachen Stanzteil, welcher in die für die Anordnungsbedingungen notwendige Form gebogen ist.
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Eine weitere Vereinfachung der Montage ist gegeben, wenn der Mittelteil einen starren Fortsatz aufweist, welcher in Richtung des zweiten elastischen Fortsatzes ausgebildet ist. Der starre Fortsatz bildet dabei einen Hebel. Infolge der damit erreichten Hebelwirkung verringert sich die Montagekraft, die zum Einrasten des Mittelteils an der zweiten Stelle des Kühlkörpers aufzuwenden ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Mittelteil in Richtung des Kühlkörpers wenigstens eine Rastausformung auf, mit dem der Mittelteil in einer Gegenausformung des Kühlkörpers eingerastet ist. Besonders einfach ist es, wenn die Rastausformung des Mittelteils als wenigstens ein Haken ausgebildet ist. Günstigerweise ist dann die Gegenausformung als pilzförmiger oder t-förmiger Fortsatz des Kühlkörpers ausgebildet. Der Haken greift dann unter den verbreiterten Abschnitt des Fortsatzes und rastet auf diese Weise ein.
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Alternativ dazu ist die Gegenausformung als schienenförmige Erhebung des Kühlkörpers ausgebildet. Somit sind auf einfache Weise mehrere Anpresselemente nebeneinander an dieser Erhebung des Kühlkörpers einrastbar.
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In einer vorteilhaften Ausprägung eines einzelnen Anpresselements ragt der erste elastische Fortsatz mit seinem Ende an der ersten Stelle des Kühlkörpers in eine Ausnehmung und ist dabei in Richtung des Mittelteils gegen den Kühlkörper abgestützt. An der ersten Stelle ist dann günstigerweise als Ausnehmung ein einfacher Durchbruch vorgesehen, in den das Ende des ersten elastischen Fortsatzes hineinreicht. Eine Verbreiterung des Fortsatzes bildet zumindest eine Schulter aus, die am Rand des Durchbruchs aufliegt und dabei eine Abstützung in Richtung des Mittelteils ergibt.
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Alternativ dazu ist die Ausnehmung als Vertiefung ausgebildet und der erste elastische Fortsatz stützt sich am Grund dieser Vertiefung ab. Günstigerweise ist eine solche Vertiefung als rillenförmige Nut ausgebildet. Damit sind mehrere Anpresselemente nebeneinander mittels derselben Nut an den Kühlkörper koppelbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 Anordnung mit Durchbruch im Kühlkörper in einer ersten Schrägansicht
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2 Anordnung mit Durchbruch im Kühlkörper in einer zweiten Schrägansicht
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3 Anordnung mit schienenförmiger Erhebung bzw. Vertiefung des Kühlkörpers in einer ersten Schrägansicht
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4 Anordnung mit schienenförmiger Erhebung bzw. Vertiefung des Kühlkörpers in einer zweiten Schrägansicht
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Die in den 1 und 2 dargestellte exemplarische Anordnung umfasst ein elektronisches Bauteil 1, welches mittels eines Anpresselements 2 gegen einen Kühlkörper 3 gespannt ist. Zwischen Bauelement 1 und Kühlkörper 3 ist üblicherweise eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet.
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Der Kühlkörper 3 weist eine Ausnehmung und einen aufgebogenen t-förmigen Fortsatz auf, welche als Anschlussstellen 6, 8 für das Anpresselement 2 dienen. Das Anpresselement 2 ist als gebogener Stanzteil aus Blech ausgeführt. Ebenso möglich ist ein Formpressteil aus Kunststoff oder dergleichen. Das Anpresselement 2 weist einen im Wesentlichen starren Mittelteil 4 auf. Von diesem Mittelteil 4 steht ein erster elastischer Fortsatz 5 ab, welcher an eine erste Stelle 6 des Kühlkörpers 3 gekoppelt ist. Diese Koppelung bewirkt, dass das Ende des ersten elastischen Fortsatzes 5 in seiner Lage gegenüber dem Kühlkörper 3 bestimmt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der erste elastische Fortsatz 5 an seinem Ende einen schmalen Abschnitt auf. Am Übergang zu dem schmalen Abschnitt sind beidseitig Schultern ausgebildet. Der Kühlkörper weist an der Koppelungsstelle 6 einen Durchbruch auf. Dieser ist so breit, dass der schmale Abschnitt des ersten elastischen Fortsatzes 5 in ihn hineinreicht. Die beidseitigen Schultern liegen am Rand des Durchbruchs auf, sodass der erste elastische Fortsatz in Richtung des Mittelteils 4 gegen den Kühlkörper 3 abgestützt ist.
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Vom Mittelteil 4 des Anpresselements 2 steht ein zweiter elastischer Fortsatz 7 ab, dessen Ende an einer Auflagestelle 9 am elektronischen Bauteil 1 aufliegt und diesen gegen den Kühlkörper 3 presst.
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Die Anpresskraft resultiert aus einer Biegespannung im zweiten elastischen Fortsatz 7. Diese entsteht durch eine elastische Verformung während der Montage. Dabei wird der Mittelteil 4 des Anpresselements 2 in Richtung Kühlkörper 3 bewegt, bis der Mittelteil 4 an einer zweiten Stelle 8 des Kühlkörpers einrastet. Während des Einrastens überwindet ein geeigneter Einrastmechanismus einen Widerstand, wobei sich der erste elastische Fortsatz 5 verformt. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Rastausformung des Mittelteils 4 aus zwei hakenförmigen Forstätzen, welche vom Mittelteil 4 in Richtung Kühlkörper 3 weisen. An der Einraststelle 8 weist der Kühlkörper 3 als Gegenausformung einen t-förmigen Fortsatz auf. Die Haken des Anpresselements 2 greifen im montierten Zustand unter den Querbalken dieses t-förmigen Fortsatzes und bewirken somit ein Einrasten. Der Fortsatz des Kühlkörpers 3 kann auch pilzförmig ausgeführt sein oder jede andere Form aufweisen, die mit einer entsprechenden Gegenform des Anpresselements 2 einen Einrastmechanismus bildet.
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Die gewünschte Anpresskraft ist durch die Geometrie des Anpresselements 2 variierbar. Um die zweite Anschlussstelle 8 bilden die beiden elastischen Fortsätze 5, 7 des Anpresselements 2 Hebelarme. Deren Längen sowie die Biegespannung des zweiten elastischen Fortsatzes 7 bestimmen die auf das elektronische Bauteil 1 wirkende Anpresskraft.
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Die Geometrie des Anpresselements 2 ist an die jeweils gegebenen Anforderungen hinsichtlich Kühlerfordernisse und Gerätelayout anpassbar. Zur Erzielung der gewünschten Anpresskraft sind nur wenige Einschränkungen gegeben. Zum einen sind dies die Verformungen und die Widerstandsmomente der elastischen Fortsätze 5, 7. Zum anderen sind die relativen Lagen der Anschlussstellen 6, 8 und 9 zueinander maßgeblich. Die Einrastungsstelle 8 bildet dabei einen Lagerpunkt, um den die beiden von den elastischen Fortsätzen 5, 7 aufgebrachten Drehmomente im Gleichgewicht sind.
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Um die Monatagekraft zu minimieren ist es sinnvoll, zusätzlich einen starren Fortsatz 10 des Mittelteils 4 vorzusehen. Dieser erstreckt sich in dieselbe Richtung wie der zweite elastische Fortsatz 7 und wirkt während der Montage als Hebel. Drehpunkt ist dabei die erste Anschlussstelle 6, an der das Anpresselement 2 an den Kühlkörper 3 gekoppelt ist. Ein Druck auf das Ende dieses starren Fortsatzes 10 bewirkt ein Einrasten an der zweiten Anschlussstelle 8.
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Die Anordnung in den 3 und 4 weist dasselbe Anpresselement 2 auf. Unterschiedlich ist die Ausprägung des Kühlkörpers 3. Anstatt eine Durchbruchs weist der Kühlkörper 3 eine Rille auf, welche im Wesentlichen quer zur Ausrichtung des Anpresselements 2 verläuft. Die Rille verbreitert sich mit zunehmender Tiefe. Während der Montage wird das Ende des ersten elastischen Fortsatzes 5 von oben in die Rille eingeführt und gekippt. Das Ende des Fortsatzes 5 verkeilt sich während des Kippens in der Rille, sodass eine Koppelung an den Kühlkörper 3 entsteht. Einerseits stützt sich das Ende des ersten elastischen Fortsatzes am Grund der Rille ab. Der nach oben verjüngte Querschnitt der Rille verhindert andererseits, dass sich das Fortsatzende während der Montage aus der Rille herausbewegt.
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Die am Kühlkörper ausgebildete Gegenausformung der zweiten Anschlussstelle 8 ist bei dieser Ausführungsform eine schienenförmige Erhebung. Konkret handelt es sich um eine L-förmige Schiene, in welche die hakenförmigen Fortsätze des Anpresselements 2 einrastbar sind. Die L-förmige Schiene verläuft parallel zu der Rille, sodass diese beiden Elemente des Kühlkörpers 3 mehrere Anpresselemente 2 nebeneinander aufnehmen können.
