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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, das eine effektive Entwärmung von elektronischen Leistungskomponenten sicherstellt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei der Verwendung von Leistungshalbleitern in Slug-up-Technik aufgrund von Toleranzen in der Fertigungshöhe der Leistungshalbleiter zur Sicherstellung eines gleichen Abstands zwischen dem Slug und einem gemeinsamen Kühlkörper die Flächen aufwändig auf ein Niveau gebracht werden müssen. Dies bedeutet in der Fertigung einen erheblichen Aufwand und damit verbundene Kosten. Auf der anderen Seite versprechen Leistungshalbleiter in Slug-up-Anordnung einen geringeren thermischen Widerstand gegenüber der Slug-Down-Anordnung, da letztere die Verlustleitung nicht an einen Kühlkörper leiten können.
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Ein Beispiel eines solchen nachteiligen Aufbaus ist in der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 29609183 U1 bekannt. Dieses Dokument offenbart einen Halbleiter in Slug-up-Anordnung, der über ein elektrisch isolierendes Wärmeübertragungselement mit einer Kühleinrichtung gekoppelt ist. Zum Herstellen dieser Kopplung sind Federn vorhanden, welche einerseits die Kühleinrichtung, andererseits die Leiterplatte, auf welcher der Halbleiter befestigt ist, umgreift und somit den Leistungshalbleiter gegen die Kühleinrichtung presst. Sollten jedoch mehrere Halbleiter mit diesem Kühlkörper verbunden sein, so muss dafür gesorgt werden, dass die Oberflächen der Halbleiter alle in einer Ebene liegen, da ansonsten ein zufriedenstellender Kontakt zwischen Halbleiter und Glüheinrichtung nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Ebenfalls aus dem Stand der Technik ist die
DE 10 052 191 C1 bekannt. Bei dieser Anordnung werden Leistungshalbleiter von Federn, die mit einem Kühlkörper einstückig verbunden sind, auf den Kühlkörper gepresst. Über Steckkontakte sind die Leistungshalbleiter mit einer Leiterplatte, beispielsweise durch Verlöten, verbunden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Kühlkörper mechanisch mit den Leistungshalbleitern, nicht jedoch mit der Leiterplatte verbunden, ist. Um die elektrischen Lötverbindungen zwischen Leiterplatte und Bauelement nicht unnötig zu belasten, muss somit eine weitere mechanische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte vorgenommen werden, was jedoch einen erhöhten Produktionsaufwand bedeutet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektronische Bauteil umfasst eine Leiterplatte, einen Kühlkörper und eine Vielzahl von elektronischen Komponenten. Die elektronischen Komponenten sind dabei bevorzugt Leistungskomponenten, die eine externe Kühlung über den Kühlkörper benötigen. Erfindungsgemäß werden mehrere elektronische Komponenten über einen Kühlkörper gemeinsam gekühlt. Um einen Toleranzausgleich sicherzustellen, sind vordefinierte Bereiche in der Leiterplatte vorgesehen, die elastisch gegenüber der restlichen Leiterplatte verformbar sind. Auf jedem dieser vordefinierten Bereiche ist eine elektronische Komponente angebracht, so dass durch die Elastizität des vordefinierten Bereichs ein Höhenausgleich der zu kühlenden Oberfläche der elektronischen Komponente erfolgen kann. Somit können die elektronischen Komponenten in Slug-up-Anordnung mit dem Kühlkörper verbunden werden, ohne dass diese aufwändig aneinander angeglichen werden müssen, da durch das erfindungsgemäße elektronische Bauteil die Voraussetzung entfällt, dass sich sämtliche zu kühlenden Oberflächen der elektronischen Komponenten in einer Ebene befinden müssen. Weiterhin ist zwischen dem Kühlkörper und den elektronischen Komponenten ein Wärmeübertragungselement angeordnet, das einerseits einen Wärmeübergang zwischen den elektronischen Komponenten und dem Kühlkörper fördert, andererseits elektrisch isolierend wirkt, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektronische Bauteil zumindest ein Verbindungselement, das die elektronischen Komponenten mit dem Kühlkörper verbindet. Insbesondere erfolgt die Verbindung formschlüssig durch Pressen der Oberflächen der elektronischen Komponenten gegen eine Oberfläche des Kühlkörpers. Somit ist die Verbindung sehr einfach realisiert und kann bei Bedarf jederzeit wieder getrennt werden.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verbindungselement ein Federkörper ist. Der Federkörper umgreift bevorzugt die Leiterplatte und den Kühlkörper und presst somit den Kühlkörper und die elektronischen Komponenten gegeneinander. Weiterhin ist es durch die Verwendung des Federkörpers möglich, den Anpressdruck zwischen elektronischen Komponenten und Kühlkörper anzupassen. Somit kann eine sichere und zuverlässige Wärmeübertragung von elektronischen Komponenten auf den Kühlkörper gewährleistet werden.
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Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbindungselement ausgebildet ist, eine einzelne elektronische Komponente aus der Vielzahl der elektronischen Komponenten mit dem Kühlkörper zu verbinden. Beispielsweise können auf diese Weise einzelne, defekte Verbindungselemente ausgetauscht werden, oder der Anpressdruck zwischen elektronischer Komponente und Kühlkörper individuell eingestellt werden. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbindungselement ausgestaltet ist, mehrere elektronische Komponenten mit dem Kühlkörper zu verbinden. Insbesondere kann das Verbindungselement sämtliche elektronische Komponenten mit dem Kühlkörper verbinden. Dadurch wird die Montage deutlich vereinfacht.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verbindungselement einstückig mit dem Kühlkörper ausgebildet ist. Auch hier wird die Montage deutlich vereinfacht, da das Verbindungselement bereits mit dem Kühlkörper verbunden ist, so dass lediglich eine Verbindung zwischen Kühlkörper, Federelement und Leiterplatte hergestellt werden muss.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Leiterplatte im Wesentlichen eine starre Leiterplatte ist. Daher ist bevorzugt sichergestellt, dass lediglich die vordefinierten Bereiche der Leiterplatte elastisch verformbar sind, während die restliche Leiterplatte starr bleibt. Die Anforderung an die Herstellung der Leiterplatte beschränkt sich daher im Wesentlichen auf die Herstellung einer herkömmlichen Leiterplatte. Lediglich die vordefinierten Bereiche müssen abweichend von herkömmlichen Leiterplatten flexibel ausgestaltet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die vordefinierten Bereiche in der Leiterplatte durch Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Dabei werden die Ausnehmungen insbesondere ausgehend von einem Randbereich der Leiterplatte eingebracht, so dass eine Fertigung der vordefinierten Bereiche der Leiterplatte sehr einfach möglich ist. Durch die Größe der Ausnehmungen kann weiterhin bevorzugt ein Grad der Flexibilität der vordefinierten Bereiche eingestellt werden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leiterplatte eine Vielzahl von Zungen aufweist. Diese Zungen dienen bevorzugt als vordefinierte Bereiche und sind elastisch gegenüber dem Rest der Leiterplatte verformbar. Vorteilhaft an einem freien Ende jeder Zunge ist eine elektrische Komponente angebracht, so dass für diese ein größtmöglicher Federweg zur Verfügung steht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zungen durch Ausnehmungen realisiert werden, so dass zum Erzeugen der erfindungsgemäßen Leiterplatte gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform in eine herkömmliche Leiterplatte mehrere Einschnitte vorgenommen werden. Dadurch lassen sich die einzelnen, durch die Einschnitte abgegrenzten Bereiche, elastisch verformen und ermöglichen den montierten elektronischen Komponenten einen Toleranzausgleich in eine Richtung senkrecht zur Leiterplatte.
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Schließlich ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Kühlkörper als Halterung für die gesamte Leiterplatte ausgebildet ist. In diesem Fall muss die Leiterplatte keine zusätzlichen Elemente mehr aufweisen, um sie zur Halterung an einem weiteren Element zu befestigen. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper als Gehäuseteil für die Leiterplatte ausgebildet sein. Auf diese Weise würde das Abmaß des Kühlkörpers und damit auch dessen Oberfläche deutlich vergrößert werden, was eine vorteilhafte Hitzeabstrahlung des Kühlkörpers ermöglicht. Die elektronischen Komponenten werden daher effektiv gekühlt. Weiterhin ist durch die Ausgestaltung als Gehäuseteil bereits ein Teil der Leiterplatte abgedeckt, so dass zusätzliche Gehäuseteile nur noch einen geringen Teil der Leiterplatte bedecken müssen. In dem besonders bevorzugten Fall, in dem der Kühlkörper sowohl als Halterung als auch als Gehäuseteil für die Leiterplatte ausgebildet ist, müssen zusätzliche Gehäuseteile lediglich eine Abdeckfunktion übernehmen. Somit können die zusätzlichen Gehäuseteile sehr einfach ausgestaltet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Darstellung elektronischen Bauteils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht, und
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2 eine schematische Darstellung des elektronischen Bauteils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch das elektronische Bauteil 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das elektronische Bauteil 1 umfasst eine Leiterplatte 2, die in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Ein vordefinierter Bereich 21 ist elastisch gegenüber der restlichen Leiterplatte 22 verformbar, wodurch ein Toleranzausgleich ermöglicht wird. Jeweils eine elektronische Komponente 4, beispielsweise ein Leistungshalbleiter, ist auf jedem der vordefinierten Bereiche 21 angebracht. Bevorzugt handelt es sich bei den elektronischen Komponenten 4 um Leistungshalbleiter, die in der Slug-up-Anordnung auf der Leiterplatte 2 angebracht sind.
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Um eine effektive Kühlung der elektronischen Komponenten 4 sicherzustellen, müssen diese mit einem Kühlkörper 3 verbunden werden. Dies ist in 2 gezeigt. Hier ist ersichtlich, dass die elektronischen Komponenten 4 über ein Wärmeübertragungselement 5 mit dem Kühlkörper 3 verbunden sind. Das Wärmeübertragungselement 5 hat dabei zwei Aufgaben zu erfüllen: zum einen muss das Wärmeübertragungselement 5 einen Wärmeübergang zwischen der elektronischen Komponente 4 und dem Kühlkörper 3 sicherstellen, da der Kühlkörper 3 die elektronische Komponente 4 ansonsten nicht vollständig entwärmen könnte. Andererseits muss das Wärmeübertragungselement 5 elektrisch isolierend wirken, um einen Kurzschluss zwischen den einzelnen elektronischen Komponenten 4 und dem Kühlkörper 3, und damit zwischen den einzelnen elektronischen Komponenten 4 untereinander, zu vermeiden. Gehalten wird die Verbindung zwischen elektronischer Komponente 4, Wärmeübertragungselement 5 und Kühlkörper 3 durch ein Verbindungselement 6. Dieses ist bevorzugt als Klammer ausgebildet und presst die elektronischen Komponenten 4 über das Wärmeübertragungselement 5 an den Kühlkörper 3. Dies wäre ohne den erfindungsgemäßen Toleranzausgleich nur dann möglich, wenn sämtliche elektronischen Komponenten 4 die gleiche Höhe hätten, was bedeuten würde, dass die Oberflächen der elektronischen Komponenten 4, die mit dem Wärmeübertragungselement 5 in Verbindung stehen, alle in einer Ebene müssen. Dies würde jedoch einen hohen fertigungstechnischen Aufwand bedeuten, auf den bei der vorliegenden Erfindung verzichtet werden kann.
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In 1 ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Leiterplatte 2 mehrere Ausnehmungen 7 aufweist. Diese Ausnehmungen 7 trennen die einzelnen vordefinierten Bereiche 21 voneinander und ermöglichen, durch deren Ausgestaltung als Zungen, eine elastische Verformung. Dabei ist die maximal mögliche elastische Verformung an einem Randbereich der vordefinierten Bereiche 21 mit größtmöglichem Abstand zur restlichen Leiterplatte 22 am größten. Aus diesem Grund sind die elektronischen Komponenten 4 möglichst weit am Rand der vordefinierten Bereiche 21 angebracht. Durch die Ausnehmungen 7 kann nun jede einzelne elektronische Komponente 4 unabhängig von den anderen elektronischen Komponenten 4 optimal an das Wärmeübertragungselement 5 und damit an den Kühlkörper 3 angepresst werden, da durch die Elastizität der vordefinierten Bereiche 21 ein Toleranzausgleich erfolgen kann. Somit wird eine effektive Kühlung der elektronischen Komponenten 4 sichergestellt.
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Aus 2 ist außerdem ersichtlich, dass der Kühlkörper 3 bereits einen Großteil der Leiterplatte 2 bedeckt. Der Kühlkörper 3 weist daher eine große Oberfläche 30 auf, was sich günstig auf die Wärmeabstrahlcharakteristik des Kühlkörpers 3 auswirkt. Weiterhin müsste ein weiterer Gehäuseteil lediglich einen Teilbereich der Leiterplatte 2 abdecken, was den Fertigungs- und Montageaufwand für weitere Gehäuseteile deutlich reduziert.
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Ebenso ist aus 1 ersichtlich, dass das Verbindungselement 6 die gesamte Leiterplatte mit dem Kühlkörper 3 verbindet. Somit fungiert das Verbindungselement 6 gleichzeitig als Halterung für die gesamte Leiterplatte 2. Da der Kühlkörper 3, wie oben bereits beschrieben, auch als Gehäuseteil fungiert, ist somit die Leiterplatte 2 über das Verbindungselement 6 bereits mit einem Gehäuseteil verbunden. Weitere Gehäuseteile müssen lediglich als Abdeckung dienen, was deren Konstruktions- und Fertigungsaufwand weiter vermindert.
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Das Verbindungselement 6 kann einerseits, wie in 1 gezeigt, eine kammartige Struktur aufweisen. In diesem Fall verbindet ein Verbindungselement 6 sämtliche elektronischen Komponenten 4 mit dem Kühlkörper 3. Durch den kammartigen Aufbau des Verbindungselements 6 ist dennoch sichergestellt, dass jede einzelne elektronische Komponente 4 einen individuellen Toleranzausgleich durch die vordefinierten Bereiche 21 erfahren kann. Eine Alternative ist die in 2 dargestellte Klammer als Verbindungselement 6, die lediglich eine einzelne elektronische Komponente 4 mit dem Wärmeübertragungselement 5 und dem Kühlkörper 3 verbindet. Somit muss eine Vielzahl von Klammern vorgesehen werden, um jede elektronische Komponente 4 einzeln mit dem Kühlkörper 3 zu verbinden.
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Das Verbindungselement 6 kann beispielsweise auch einstückig mit dem Kühlkörper 3 ausgebildet sein. Alternativ ist es möglich, das Verbindungselement 6 in den Kühlkörper 3 einschiebbar auszulegen oder mit Schrauben im Kühlkörper zu fixieren. Die beiden zuletzt genannten Varianten ermöglichen dabei eine einfache Demontage des Verbindungselements 6, falls dies nötig werden sollte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 29609183 U1 [0002]
- DE 10052191 C1 [0003]
