DE102016115453A1

DE102016115453A1 - Messgerät mit Wärmeleitvorrichtung, Wärmeleitvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102016115453A1
Application number: DE102016115453.9A
Authority: DE
Inventors: Eduard Botter
Original assignee: Krohne AG
Current assignee: Krohne AG
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2036-08-20
Also published as: DE102016115453B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1) mit einem Gehäuse (2), mit wenigstens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Leiterplatte (3), wobei die Leiterplatte mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) bestückt ist, und mit einer Wärmeleitvorrichtung (5) zum Ableiten von Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wärmeleitvorrichtung (5) und ein Verfahren zur Montage eines Messgerätes (1). Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein gattungsgemäßes Messgerät (1) anzugeben, bei dem eine gegenüber dem Stand der Technik effizientere Kühlung der elektrischen oder elektronischen Bauteile (4) realisiert ist, ist dadurch gelöst, dass die Wärmeleitvorrichtung (5) einen ersten Kontaktbereich (6) und einen zweiten Kontaktbereich (7) aufweist, wobei der erste Kontaktbereich (6) in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) steht und zur Aufnahme der Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) dient, und wobei der zweite Kontaktbereich (7) in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem Gehäuse (2) steht und zur Abgabe der Wärme an das Gehäuse (2) dient.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät mit einem Gehäuse, mit wenigstens einer in dem Gehäuse angeordneten Leiterplatte, wobei die Leiterplatte mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil bestückt ist, und mit einer Wärmeleitvorrichtung zum Ableiten von Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wärmeleitvorrichtung und ein Verfahren zur Montage eines Messgerätes mit einer Wärmeleitvorrichtung.
Zentraler Bestandteil vieler Messgeräte sind komplexe elektronische Schaltungen, die unter anderem die Messwertaufnahme, die weitere Signalverarbeitung und Kommunikationsschnittstellen realisieren. Häufig werden zur Implementierung dieser und anderer Funktionalitäten integrierte Halbleiterbausteine in Form von Mikrocontrollern, digitalen Signalprozessoren oder auch programmierbaren Logikgatterbausteinen (FPGA) herangezogen. In derartigen elektronischen Bauteilen wird vergleichsweise viel Energie als Verlustwärme frei, was zu einer teils starken Erwärmung der Bauteile führt, die durchaus mehrere zehn Grad über Umgebungstemperatur betragen kann. Andere Beispiele für elektrische oder elektronische Bauteile, die zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führen, sind Transformatoren, Spannungsregler, Pegelumsetzer und Leistungstransistoren. Die Wärmeentwicklung wirkt sich negativ auf die Lebensdauer insbesondere von Halbleiterbausteinen aus, führt möglicherweise zu einer ungewollten Beeinflussung des Messprozesses und einer thermischen Beeinflussung der elektrischen bzw. elektronischen Schaltung selbst.
Die in dem elektrischen oder elektronischen Bauteil entstehende Verlustwärme muss abgeführt werden, um das Überschreiten einer kritischen Temperatur des Bauteils zu verhindern und so einer hitzebedingten Zerstören des Bauteils und damit gegebenenfalls des Messgerätes entgegenzuwirken. Oftmals verfügen die elektrischen oder elektronischen Bauteile jedoch nur über eine kleine effektive Oberfläche, über die die Wärme an die unmittelbare Umgebung – Luft – abgegeben werden kann. Um die Abführung der Wärme zu optimieren, werden Kühlkörper eingesetzt. Besonders beliebt ist hier die Verwendung von sogenannten Rippenkühlkörpern, mit denen die Bauteile umgeben sind. Durch die Rippenstruktur verfügt ein solcher Rippenkühlkörper über eine große effektive Oberfläche, über die so ein größerer Anteil der Wärme in die Umgebung abgegeben werden kann. Eine zusätzliche Kühlung, wie beispielsweise durch einen den Rippenkühlkörper umgebenden Luftstrom erhöht die Wärmeabfuhr.
Oftmals befinden sich die Leiterplatten mit den elektrischen oder elektronischen Bauteilen jedoch in klein dimensionierten Gehäusen, die es zum einen nicht ermöglichen, einen zusätzlichen Luftstrom zu generieren, beispielsweise deshalb nicht, weil sie luftdicht zum Außenraum abgedichtet sind. Eine Wärmeabgabe in die Umgebung führt dann zu einem Aufheizen des gesamten Gehäuseinneren, so dass eine effektive Kühlung der Bauteile nicht mehr möglich ist.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Messgerät anzugeben, bei dem eine gegenüber dem Stand der Technik effizientere Kühlung der elektrischen oder elektronischen Bauteile realisiert ist, und eine Wärmeleitvorrichtung anzugeben, mit der eine effiziente Kühlung elektrischer oder elektronischer Bauteile realisiert wird.
Die Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen bei dem erfindungsgemäßen Messgerät dadurch gelöst, dass die Wärmeleitvorrichtung einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich aufweist, wobei der erste Kontaktbereich in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem elektrischen oder elektronischen Bauteil steht und zur Aufnahme der Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil dient und wobei der zweite Kontaktbereich in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem Gehäuse steht und zur Abgabe der Wärme an das Gehäuse dient.
Über den zumindest mittelbar berührenden Kontakt zwischen dem elektrischen oder elektronischen Bauteil – nachfolgend stets als elektronisches Bauteil bezeichnet – und dem ersten Kontaktbereich des Wärmeleitelements wird ein thermischer Kontakt realisiert, so dass die von dem Bauteil erzeugte Wärme an das Wärmeleitelement abgegeben wird. Durch den weiteren zumindest mittelbar berührenden Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktbereich des Wärmeleitelements und dem Gehäuse wird die Wärme von dem Wärmeleitelement auf das Gehäuse übertragen. Die von dem elektronischen Bauteil generierte Wärme wird demnach nicht nur in die das Bauteil umgebende Luft abgegeben, sondern im Wesentlichen direkt an das Messgerätegehäuse. Von dort aus kann die Wärme dann an die äußere Umgebung des Messgerätes abgegeben werden. Erfindungsgemäß wird also eine äußerst effektive Kühlung des elektronischen Bauteils durch geschicktes Abführen der generierten Wärme auf das Messgerätegehäuse gewährleistet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitvorrichtung zumindest zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich federnd ausgestaltet ist, insbesondere so, dass sich die Wärmeleitvorrichtung im Einbauzustand kraftbeaufschlagt mit ihrem ersten Kontaktbereich an dem elektronischen Bauteil und mit ihrem zweiten Kontaktbereich an dem Gehäuse abstützt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Kontakt zwischen dem Bauteil und der Wärmeleitvorrichtung einerseits und der Wärmeleitvorrichtung und dem Gehäuse andererseits sicher gegeben ist und nicht durch beispielsweise Erschütterung des Gehäuses getrennt werden kann. So wird ein guter thermischer Kontakt durch mechanischen Kontakt garantiert. Wenn vorliegend also von kraftbeaufschlagt die Rede ist, dann sind damit solche Kräfte gemeint, die von der Leiterplatte schadlos aufgenommen werden können, also um „kleine“ Kräfte, die beispielsweise von einem Monteur werkzeugfrei aufgebracht werden können.
Wenn es vorliegend weiter heißt, dass die Wärmeleitvorrichtung zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich federnd ausgestaltet ist, dann kann das eine rein strukturelle Eigenschaft der Wärmeleitvorrichtung sein. Diese kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Wärmeleitvorrichtung als ein Blech realisiert ist, oder dass zumindest der zweite Kontaktbereich als ein Blech realisiert ist, welches gebogen wird. Durch die Biegung des Bleches wird dann die federnde Ausgestaltung realisiert. Die Federwirkung wird in der Verbindungsrichtung von dem elekronischen Bauteil und dem Gehäuse erzielt.
Besonders wichtig ist es, dass der Kontakt zwischen dem elektronischen Bauteil und der Wärmeleitvorrichtung möglichst großflächig und lückenlos ausgebildet ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes sieht demnach vor, dass der erste Kontaktbereich der Wärmeleitvorrichtung starr ausgebildet ist. Insbesondere geeignet ist hier die Ausgestaltung als starre Platte, vorzugsweise als starre Metallplatte. Des Weiteren kontaktiert der erste Kontaktbereich das elektronische Bauteil mit einer Flachseite flächig. Durch die großflächige Kontaktierung wird eine effektive Aufnahme der von dem elektronischen Bauteil generierten Wärme ermöglicht. Dadurch, dass der erste Kontaktbereich starr ausgebildet ist, also insbesondere nicht biegsam realisiert ist, gewinnt die Wärmeleitvorrichtung an Stabilität. Ebenfalls wird ein gutes Kontaktieren begünstigt, da eine starrer Kontaktbereich leicht zu handhaben ist. "Starr" bedeutet hier, dass der erste Kontaktbereich durch die im Einbauzustand und bei Einbau wirkenden Halte- und Handhabungskräfte zu keiner nennenswerten Verformung des Kontaktbereichs erfährt; unter starr wird hier also nicht eine Ausgestaltung beispielsweise als dünner Film oder Folie verstanden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flachseite des ersten Kontaktbereichs der Wärmeleitvorrichtung an die Oberflächenkontur des elektronischen Bauteils angepasst ist, insbesondere an die Oberflächenkonturen mehrerer elektronischer Bauteile angepasst ist. Dadurch wird eine lückenlose Kontaktierung des Bauteils weiter begünstigt. Beispielsweise kann auf die Flachseite des ersten Kontaktbereichs eine Kontaktmasse aufgetragen werden, die sich an die konkrete Oberflächenstruktur des Bauteils anpasst. Wichtig ist, dass die Kontaktmasse thermisch leitfähig ist. Befinden sich mehrere Bauteile auf der Leiterplatte, die jedoch voneinander verschiedene Ausdehnungen aufweisen, können ebenfalls Verbindungselemente zum Einsatz kommen, die dann zwischen dem Bauteil und der Flachseite des Kontaktbereichs angeordnet sind. Die Verbindungselemente sind derart ausgebildet, dass sie die Wärme von dem Bauteil aufnehmen und an das Wärmeleitelement abgeben, sie sind also insbesondere thermisch leitfähig.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes sieht vor, dass der zweite Kontaktbereich der Wärmeleitvorrichtung starr ausgebildet ist und an die Form des Gehäuses angeformt ist. Durch die Anformung an die Form des Gehäuses wird eine große Kontaktfläche zwischen der Wärmeleitvorrichtung und dem Gehäuse hergestellt, so dass die Wärme sehr effektiv an das Gehäuse abgegeben werden kann. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der zweite Kontaktbereich mit dem Gehäuse verbunden wird, beispielsweise verklebt wird. Hierdurch wird der Kontakt fixiert.
Erfindungsgemäß ist bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Messgerätes vorgesehen, dass die Wärmeleitvorrichtung einstückig ausgebildet ist. Wenn hier von einstückig gesprochen wird, dann ist damit gemeint, dass die Wärmeleitvorrichtung aus einem Werkstück besteht. Beispielsweise kann die Wärmeleitvorrichtung eine rechteckig geformte Metallplatte sein. Der erste Kontaktbereich wird durch eine Hälfte der Metallplatte realisiert, der zweite Kontaktbereich durch die andere Hälfte der Metallplatte. Des Weiteren kann im ersten Kontaktbereich die Metallplatte, oder allgemeiner die Wärmeleitvorrichtung eine größere Stärke aufweisen, als im zweiten Kontaktbereich. Hierdurch kann durch die Reduktion der Stärke insbesondere eine federnde Ausgestaltung realisiert sein. Zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich befindet sich dann also ein Verjüngungsbereich, in dem die Stärke der Metallplatte reduziert wird.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitvorrichtung mehrstückig ausgebildet ist, insbesondere zweistückig ausgebildet ist, wobei der erste Kontaktbereich als ein erstes Wärmeleitelement der Wärmeleitvorrichtung realisiert ist und der zweite Kontaktbereich als ein zweites Wärmeleitelement der Wärmeleitvorrichtung realisiert ist und das erste Wärmeleitelement und das zweite Wärmeleitelement in zumindest mittelbar berührendem Kontakt oder in Verbindung miteinander stehen.
Für die Verbindung oder den zumindest mittelbar berührenden Kontakt des wenigstens ersten Wärmeleitelements und des zweiten Wärmeleitelements sind verschiedene erfindungsgemäße Ausgestaltungen vorgesehen. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Wärmeleitelement und das zweite Wärmeleitelement derart miteinander verbunden sind, dass die beiden Wärmeleitelemente genau eine Kontakt- oder Verbindungsfläche ausbilden. Diese einzige Kontakt- oder Verbindungsfläche ist möglichst großflächig ausgestaltet, so dass eine möglichst effektive Wärmeübertragung zwischen dem ersten Kontaktbereich – dem ersten Wärmeleitelement – und dem zweiten Kontaktbereich – dem zweiten Wärmeleitelement – stattfindet. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass der zweite Kontaktbereich sehr flexibel an das Gehäuse angeformt werden kann. Ist das zweite Wärmeleitelement beispielsweise als rechteckiges Metallblech realisiert und die Kontakt- oder Verbindungsfläche an einem schmalseitigen Endbereich realisiert – wobei Endbereich hier nicht als nur schmaler Bereich am Ende des Metallblechs verstanden werden darf, die Kontakt- und Verbindungsfläche kann beispielsweise auch ein Drittel des gesamten Metallblechs oder mehr einnehmen, jedoch ausgehend von einem Ende des Metallblechs – dann kann ausgehend von dem anderen schmalseitigen Ende des Metallblechs das zweite Wärmeleitelement sehr flexibel an das Gehäuse angeformt sein. Die Wärmeleitvorrichtung kann so individuell auf die jeweilige Gehäuseform abgestimmt werden. Die Kontaktfläche des zweiten Kontaktbereichs und des Gehäuses kann durch diese Ausgestaltung effektiv bestmöglich maximiert werden. Ebenfalls denkbar ist, dass die Kontakt- und Verbindungsfläche zwischen dem ersten Wärmeleitelement und dem zweiten Wärmeleitelement mittig des ersten und des zweiten Wärmeleitelementes realisiert ist.
Eine andere Ausgestaltung für den Kontakt oder die Verbindung der wenigstens zwei Wärmeleitelemente sieht vor, dass das erste Wärmeleitelement und das zweite Wärmeleitelement derart miteinander verbunden sind, dass die beiden Wärmeleitelemente wenigstens zwei separate Kontakt- oder Verbindungsflächen ausbilden. Im Unterschied zu der vorherigen Ausgestaltung ist also eine weitere Kontakt- oder Verbindungsfläche vorgesehen. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die gesamte Wärmeleitvorrichtung an Stabilität gewinnt. Ist das zweite Wärmeleitelement beispielsweise wieder als rechteckiges Metallblech realisiert, dann kann eine Verbindungsfläche an einem schmalseitigen Ende des Metallblechs realisiert sein und die zweite Verbindungsfläche an dem anderen schmalseitigen Ende des Metallblechs. Das Metallblech erstreckt sich dann bogenförmig über dem ersten Wärmeleitelement.
Die Verbindung zwischen dem ersten Wärmeleitelement und dem zweiten Wärmeleitelement kann durch Verschrauben, Verschweißen, Verkleben oder Verlöten realisiert sein. Es ist darauf zu achten, dass durch die Verbindung guter thermischer Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeleitelement hergestellt wird, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Wärmeleitvorrichtung zum Abführen von Wärme von mindestens einem in einem Gehäuse auf einer Leiterplatte angeordneten elektronischen oder elektrischen Bauteil, wobei die Wärmeleitvorrichtung einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich aufweist, wobei im Montagezustand der erste Kontaktbereich in zumindest mittelbar berührenden Kontakt mit dem elektrischen oder elektronischen Bauteil bringbar ist und zur Aufnahme der Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil dient und wobei im Montagezustand der zweite Kontaktbereich in zumindest mittelbar berührenden Kontakt mit dem Gehäuse bringbar ist und zur Abgabe der Wärme an das Gehäuse dient, und wobei die Wärmeleitvorrichtung zumindest zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich federnd ausgestaltet ist, insbesondere so, dass sich die Wärmeleitvorrichtung im Einbauzustand kraftbeaufschlagt mit ihrem ersten Kontaktbereich an dem elektronischen Bauteil und mit ihrem zweiten Kontaktbereich an dem Gehäuse abstützt.
Die erfindungsgemäße Wärmeleitvorrichtung ist eine solche, die in dem erfindungsgemäßen Messgerät Verwendung finden kann. Demnach sind sämtliche im Rahmen der Beschreibung des erfindungsgemäßen Messgerätes gemachten Ausführungen möglicher Ausgestaltungen, die die dort umfasste Wärmeleitvorrichtung betreffen, auch auf die erfindungsgemäße Wärmeleitvorrichtung zu beziehen.
Die Wärmeleitvorrichtung ist bevorzugt aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer gefertigt, da Metalle, insbesondere Kupfer Wärme sehr gut leiten.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Montage eines Messgerätes anzugeben, bei dem eine gegenüber dem Stand der Technik effizientere Kühlung der elektrischen oder elektronischen Bauteile realisiert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt mit einem Messgerät, wobei das Messgerät aufweist ein Gehäuse, wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete und von einer Leiterplattenhalterung gehaltenen Leiterplatte, wobei die Leiterplatte mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil bestückt ist, und eine Wärmeleitvorrichtung zum Ableiten von Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil. Die Wärmeleitvorrichtung weist einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich auf. Zumindest zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich weist die Wärmeleitvorrichtung zudem einen federnden Auslenkbereich auf. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bauteilbefestigungsschritt die Wärmeleitvorrichtung mit dem ersten Kontaktbereich an dem elektrischen oder elektronischen Bauteil fixiert wird und/oder dass in einem Gehäusebefestigungsschritt die Wärmeleitvorrichtung mit dem zweiten Kontaktbereich an dem Gehäuse fixiert wird, dass in einem Leiterplattenbefestigungsschritt die Leiterplatte in das Gehäuse eingebracht und mittels der Leiterplattenbefestigung in dem Gehäuse befestigt wird, dass in einem Kompressionsschritt der federnde Auslenkbereich der Wärmeleitvorrichtung durch Krafteinfluss komprimiert wird und dass in einem Entspannungsschritt der federnde Auslenkbereich der Wärmeleitvorrichtun durch Entfall des Krafteinflusses entspannt wird, so dass im Montagezustand die Wärmeleitvorrichtung einen zumindest mittelbar berührenden Kontakt zwischen dem elektrischen oder elektronischen Bauteil und dem Gehäuse realisiert.
Je nachdem, ob die Wärmeleitvorrichtung einstückig oder mehrstückig ausgestaltet ist, können die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedener Reihenfolge durchgeführt werden.
Ist die Wärmeleitvorrichtung einstückig ausgestaltet, so ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zuerst der Gehäusebefestigungsschritt oder der Bauteilbefestigungsschritt, dann der Kompressionsschritt, dann der Leiterplattenbefestigungsschritt und dann der Entspannungsschritt durchgeführt wird. Insbesondere dann, wenn zuerst der Gehäusebefestigungsschritt durchgeführt wird, ergibt sich eine sehr einfache und unkomplizierte Montage des Messgerätes und insbesondere der Wärmeleitvorrichtung in dem Gehäuse. Dadurch, dass diese zunächst an dem Gehäuse befestigt wird, ist zudem der thermische Kontakt zwischen der Wärmeleitvorrichtung und dem Gehäuse sichergestellt und geprüft. Wird zunächst der Bauteilbefestigungsschritt durchgeführt, so lassen sich ebenfalls die einzelnen Komponenten auf sehr einfache Weise in das Gehäuse einbauen. Ein nachträgliches Positionieren der Komponenten untereinander entfällt.
Ist die Wärmeleitvorrichtung dagegen mehrstückig ausgestaltet, so ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Gehäusebefestigungsschritt oder der Bauteilbefestigungsschritt, dann der Bauteilbefestigungsschritt oder der Gehäusebefestigungsschritt, dann der Kompressionsschritt, dann der Leiterplattenbefestigungsschritt und dann der Entspannungsschritt durchgeführt wird. Die bereits ausgeführten Vorteile treffen auch bei der mehrstückig ausgestalteten Wärmeleitvorrichtung zu.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Messgerät, die erfindungsgemäße Wärmeleitvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit einer einstückigen Wärmeleitvorrichtung,
2a)–d) schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen einer einstückigen Wärmeleitvorrichtung im nicht montierten Zustand,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit einer zweistückigen Wärmeleitvorrichtung, wobei die beiden Stücke einen Verbindungsbereich ausbilden,
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit einer zweistückigen Wärmeleitvorrichtung, wobei die beiden Wärmeleitelemente zwei Verbindungsbereiche ausbilden,
5 ein Flussdiagramm beschreibend eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Montage eines Messgerätes und
6 ein Flussdiagramm beschreibend eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Montage eines Messgerätes.
In 1 schematisch dargestellt ist ein Messgerät 1. Das Messgerät 1 weist ein Gehäuse 2 auf, wobei das Gehäuse 2 nur teilweise dargestellt ist. In dem Gehäuse 2 ist eine Leiterplatte 3 angeordnet, wobei die Leiterplatte 3 mit einem elektrischen oder elektronischen Bauteil 4 bestückt ist. Im Betriebszustand generiert das Bauteil 4 Verlustwärme, die von dem Bauteil 4 abgeleitet werden muss, um ein Überhitzen und daraus hervorgehendes Zerstören des Bauteils 4 und damit einhergehendes Zerstören des Messgerätes 1 zu verhindern. Zum Ableiten der von dem Bauteil 4 generierten Wärme weist das Messgerät 1 eine Wärmeleitvorrichtung 5 auf. Die Wärmeleitvorrichtung 5 weist einen ersten Kontaktbereich 6 auf, der in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem Bauteil 4 steht. Durch den zumindest mittelbar berührenden Kontakt wird ein thermischer Kontakt realisiert. Dadurch wird die von dem Bauteil 4 erzeugte Wärme auf den ersten Kontaktbereich 6 der Wärmeleitvorrichtung 5 abgeleitet. Die Wärmeleitvorrichtung 5 weist ferner einen zweiten Kontaktbereich 7 auf, der in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem Gehäuse 2 steht. Durch diesen Kontakt wird ein thermischer Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktbereich 7 und damit der Wärmeleitvorrichtung 5 und dem Gehäuse 2 hergestellt. Über diesen thermischen Kontakt wird die zuvor auf die Wärmeleitvorrichtung 5 abgeleitete Wärme an das Gehäuse 2 abgegeben; der erste Kontaktbereich 6 und der zweite Kontaktbereich 7 sind unmittelbar miteinander verbunden, nämlich dadurch, dass die in 1 dargestellte Ausgestaltung der Wärmeleitvorrichtung einstückig ausgeführt ist. Dadurch wird ein effektives Abführen der Wärme von dem Bauteil 4 an das Gehäuse 2 realisiert.
Die Wärmeleitvorrichtung 5 ist zwischen dem ersten Kontaktbereich 6 und dem zweiten Kontaktbereich 7 federnd ausgestaltet. Dadurch stützt sich die Wärmeleitvorrichtung 5 im dargestellten eingebauten Zustand kraftbeaufschlagt mit ihrem ersten Kontaktbereich 6 an dem Bauteil 4 ab und mit ihrem zweiten Kontaktbereich 7 an dem Gehäuse 2 ab. Ein sicherer Kontakt zwischen dem Bauteil 4 und dem ersten Kontaktbereich 6 und dem zweiten Kontaktbereich 7 und dem Gehäuse 2 wird so garantiert. Die federnde Ausgestaltung zwischen dem ersten Kontaktbereich 6 und dem zweiten Kontaktbereich 7 wird durch die Biegung 8 der Wärmeleitvorrichtung 5 realisiert, wobei eine Federwirkung in der Verbindungsrichtung V von dem Bauteil und dem Gehäuse erzielt wird. Die Biegung 8 wird auch als federnder Auslenkbereich 8 bezeichnet.
Wie bereits ausgeführt, ist die Wärmeleitvorrichtung 5 einstückig ausgeführt. In den 2a) bis 2d) sind verschiedene Ausgestaltungen einer einstückigen Wärmeleitvorrichtung 5 dargestellt. Die Wärmeleitvorrichtungen 5 sind vorliegend als rechteckige Metallplatten realisiert, wobei in den Figuren ein Schnitt entlang der langen Seite der reckteckigen Metallplatte gezeigt ist. Jede der Wärmeleitvorrichtungen 5 weist in ihrem ersten Kontaktbereich 6 eine Dicke d1 auf und in ihrem zweiten Kontaktbereich 7 eine Dicke d2, wobei die Dicke d1 größer ist als die Dicke d2. Zwischen dem ersten Kontaktbereich 6 und dem zweiten Kontaktbereich 7 befindet sich ein Verjüngungsbereich 9, der sich über eine Länge b entlang der langen Seite der rechteckigen Metallplatte erstreckt. Die verschiedenen dargestellten Wärmeleitvorrichtungen 5 unterscheiden sich in der Ausgestaltung des Verjüngungsbereiches 9. Die Wärmeleitvorrichtung 5 aus 2a) weist einen relativ langen Verjüngungsbereich 9 auf. Die Verjüngung erfolgt im Verjüngungsbereich 9 durch ein symmetrisches, lineares, beidseitiges – sowohl von der Oberseite 10, als auch der Unterseite 11 – Reduzieren.
Der Verjüngungsbereich in 2b) ist gekennzeichnet durch eine Stufe in der Oberseite 10 der Wärmeleitvorrichtung 5, wohingegen die Wärmeleitvorrichtung 5 aus 2b eine Stufe sowohl in der Oberseite 10, als auch in der Unterseite 11 aufweist. Der Verjüngungsbereich 9 der in 2d) dargestellten Wärmeleitvorrichtung 5 zeigt sich durch eine unterseitige lineare Annäherung an die Oberseite 10 aus.
Durch die Verjüngung wird erreicht, dass die Wärmeleitvorrichtungen 5 zwischen dem ersten Kontaktbereich 6 und dem zweiten Kontaktbereich 7 federnd ausgestaltet sind.
In 3 ist ein Messgerät 1 dargestellt, bei dem die in dem Gehäuse 2 angeordnete Leiterplatte 3 mit zwei Bauteilen 4 bestückt ist. Bei den beiden Bauteilen 4 handelt es sich um Bauteile 4 identischer Bemaßung, insbesondere identischer Höhe h. Die Wärmeleitvorrichtung 5 ist zweiteilig ausgeführt. Der erste Kontaktbereich 6 ist als starre Platte als ein erstes Wärmeleitelement 14 realisiert. Der erste Kontaktbereich 6 kontaktiert das Bauteil 4, bzw. die Bauteile 4 flächig mit einer Flachseite 12. Durch die Ausgestaltung als starre Platte wird eine erhöhte Stabilität des ersten Kontaktbereiches 6 erreicht. Durch die zusätzliche flächige Kontaktierung mit einer Flachseite 12 erfolgt eine großflächige und robuste Kontaktierung, so dass der thermische Kontakt zwischen dem Bauteil 4 und dem ersten Kontaktbereich 6 nicht unterbrochen werden kann. Der zweite Kontaktbereich 7 der Wärmeleitvorrichtung 5 ist als ein zweites Wärmeleitelement 15 der Wärmeleitvorrichtung 5 realisiert und ebenfalls starr ausgebildet, unterscheidet sich jedoch in seiner Dicke von dem ersten Kontaktbereich 6. Der zweite Kontaktbereich 7 ist an das Gehäuse 2 angeformt. So wird eine große Kontaktfläche 13 zwischen dem zweiten Kontaktbereich 7 und dem Gehäuse 2 erzielt, so dass großflächig Wärme an das Gehäuse 2 abgegeben werden kann. Das erste Wärmeleitelement 14 und das zweite Wärmeleitelement 15 sind unter Ausbildung einer einzigen Kontakt- oder Verbindungsfläche 16 miteinander verbunden bzw. in Kontakt stehend.
In 4 dargestellt ist eine weitere Ausführungsform des Messgeräts 1. Die in dem Gehäuse 2 angeordnete Leiterplatte 3 ist mittels einer Leiterplattenbefestigung 17 an dem Gehäuse 2 befestigt. Die Leiterplatte 3 ist mit zwei Bauteilen 4 bestückt, wobei die beiden Bauteile 4 unterschiedliche Höhen h1 und h2 aufweisen. Die Flachseite 12 des ersten Kontaktbereichs 6 ist hier an die verschiedenen Höhen h1 und h2 der Bauteile 4 angepasst, nämlich durch ein Anpassungselement 18. Das Anpassungselement 18 ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt, um weiterhin ein Abführen der Wärme von dem Bauteil 4 zu gewährleisten.
Die Wärmeleitvorrichtung 5 ist wiederum zweistückig ausgebildet, wobei der erste Kontaktbereich 6 das erste Wärmeleitelement 14 bildet und der zweite Kontaktbereich 7 das zweite Wärmeleitelement 15 bildet. Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausgestaltung sind das erste Wärmeleitelement 14 und das zweite Wärmeleitelement 15 der Wärmeleitvorrichtung 5 nun unter Ausbildung von zwei Kontakt – oder Verbindungsflächen 16 miteinander verbunden bzw. in Kontakt stehend. Die beiden Kontakt- oder Verbindungsflächen 16 erstrecken sich über einen Großteil des ersten Kontaktbereichs 6, so dass über eine große Fläche Wärme von dem ersten Kontaktbereich 6 an den zweiten Kontaktbereich 7 abgegeben werden kann. Aufgrund der Ausbildung der beiden Kontakt- oder Verbindungsflächen 16 erstreckt sich der zweite Kontaktbereich 7 bogenförmig über den ersten Kontaktbereich 6. Die dargestellte Konstruktion bietet eine erhöhte Stabilität verglichen mit der in 3 dargestellten Konstruktion. Des Weiteren ist der zweite Kontaktbereich 7 durch eine Klebeschicht 19 mit dem Gehäuse verbunden.
5 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur Montage des Messgerätes 1. Das hier dargestellte Verfahren wird bei Messgeräten 1 durchgeführt, bei denen die Wärmeleitvorrichtung 5 einstückig ausgebildet ist. In einem ersten Bauteilbefestigungsschritt 101 wird die Wärmeleitvorrichtung 5 mit dem ersten Kontaktbereich 6 an dem elektrischen oder elektronischen Bauteil 4 fixiert. Alternativ wird in einem ersten Gehäusebefestigungsschritt 102 die Wärmeleitvorrichtung 105 mit dem zweiten Kontaktbereich 7 an dem Gehäuse 2 fixiert. Nachdem einer der beiden alternativen Verfahrensschritte 101 oder 102 durchgeführt worden sind, wird in einem zweiten Kompressionsschritt 104 der federnde Auslenkbereich der Wärmeleitvorrichtung 5 durch Krafteinfluss komprimiert. Sodann wird in einem dritten Leiterplattenbefestigungsschritt 103 die Leiterplatte 3 in das Gehäuse 2 eingebracht und mittels der Leiterplattenbefestigung 17 an dem Gehäuse 2 befestigt. Schließlich wird in einem letzten Entspannungsschritt 105 der federnde Auslenkbereich der Wärmeleitvorrichtung 5 durch Entfall des Krafteinflusses entspannt, so dass im Montagezustand die Wärmeleitvorrichtung 5 einen zumindest mittelbar berührenden Kontakt zwischen dem elektronischen oder elektrischen Bauteil 4 und dem Gehäuse 2 realisiert.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Montage eines Messgerätes 1, wobei hier die Wärmeleitvorrichtung 5 mehrstückig ausgebildet ist. Das Verfahren unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten Verfahren dadurch, dass nicht nur entweder der Bauteilbefestigungsschritt 101 oder der Gehäusebefestigungsschritt 102 durchgeführt werden, sondern dass sowohl der Bauteilbefestigungsschritt 101 als auch der Gehäusebefestigungsschritt 102 durchgeführt werden. In der ersten Variante wird zunächst der Bauteilbefestigungsschritt 101 und dann der Gehäusebefestigungsschritt 102 durchgeführt. Anschließend wird der Kompressionsschritt 104 durchgeführt, auf den der Leiterplattenbefestigungsschritt 103 durchgeführt wird. Als letzter Verfahrensschritt wird dann der Entspannungsschritt 105 durchgeführt.
In der zweiten Variante wird zunächst der Gehäusebefestigungsschritt 102 durchgeführt und dann der Bauteilbefestigungsschritt. Hieran schließen sich dann der Kompressionsschritt 104, der Leiterplattenbefestigungsschritt 103 und letztendlich der Entspannungsschritt 105 an.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Gehäuse
3: Leiterplatte
4: elektrisches oder elektronisches Bauteil
5: Wärmeleitvorrichtung
6: erster Kontaktbereich der Wärmeleitvorrichtung
7: zweiter Kontaktbereich der Wärmeleitvorrichtung
8: Biegung/federnder Auslenkbereich
9: Verjüngungsbereich
10: Oberseite Wärmeleitvorrichtung
11: Unterseite Wärmeleitvorrichtung
12: Flachseite des ersten Kontaktbereichs
13: Kontaktfläche zwischen Gehäuse und zweitem Kontaktbereich
14: erstes Wärmeleitelement der mehrstückigen Wärmeleitvorrichtung
15: zweites Wärmeleitelement der mehrstückigen Wärmeleitvorrichtung
16: Kontakt- und Verbindungsfläche
17: Leiterplattenbefestigung
18: Anpassungselement
19: Klebeschicht
101: Bauteilbefestigungsschritt
102: Gehäusebefestigungsschritt
103: Leiterplattenbefestigungsschritt
104: Kompressionsschritt
105: Entspannungsschritt
OK: Oberflächenkontur der elektrischen oder elektronischen Bauteile

Claims

Messgerät (1) mit einem Gehäuse (2), mit wenigstens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Leiterplatte (3), wobei die Leiterplatte mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) bestückt ist, und mit einer Wärmeleitvorrichtung (5) zum Ableiten von Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitvorrichtung (5) einen ersten Kontaktbereich (6) und einen zweiten Kontaktbereich (7) aufweist, wobei der erste Kontaktbereich (6) in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) steht und zur Aufnahme der Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) dient, und wobei der zweite Kontaktbereich (7) in zumindest mittelbar berührendem Kontakt mit dem Gehäuse (2) steht und zur Abgabe der Wärme an das Gehäuse (2) dient.
Messgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitvorrichtung (5) zumindest zwischen dem ersten Kontaktbereich (6) und dem zweiten Kontaktbereich (7) federnd ausgestaltet ist, insbesondere so, dass sich die Wärmeleitvorrichtung (5) im Einbauzustand kraftbeaufschlagt mit ihrem ersten Kontaktbereich (6) an dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) und mit ihrem zweiten Kontaktbereich (7) an dem Gehäuse (2) abstützt.
Messgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktbereich (6) der Wärmeleitvorrichtung (5) starr ausgebildet ist, insbesondere als starre Platte, vorzugsweise als starre Metallplatte, und der erste Kontaktbereich (6) das elektrische oder elektronische Bauteil (4) mit einer Flachseite (12) flächig kontaktiert.
Messgerät (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachseite (12) des ersten Kontaktbereichs (6) der Wärmeleitvorrichtung (5) an die Oberflächenkontur (OK) des elektrischen oder elektronischen Bauteils (4) angepasst ist, insbesondere an die Oberflächenkonturen (OK) mehrerer elektrischer oder elektronischer Bauteile (4) angepasst ist.
Messgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktbereich (7) der Wärmeleitvorrichtung (5) starr ausgebildet ist und an die Form des Gehäuses (2) angeformt ist.
Messgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitvorrichtung (5) einstückig ausgebildet ist.
Messgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitvorrichtung (5) mehrstückig ausgebildet ist, insbesondere zweistückig ausgebildet ist, wobei der erste Kontaktbereich (6) als ein erstes Wärmeleitelement (14) der Wärmeleitvorrichtung (5) realisiert ist und der zweite Kontaktbereich (7) als ein zweites Wärmeleitelement (15) der Wärmeleitvorrichtung (5) realisiert ist und das erste Wärmeleitelement (14) und das zweite Wärmeleitelement (15) in zumindest mittelbar berührendem Kontakt oder in Verbindung miteinander stehen
Messgerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeleitelement (14) und das zweite Wärmeleitelement (15) miteinander verschraubt, verschweißt, verklebt oder verlötet sind.
Messgerät (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeleitelement (14) und das zweite Wärmeleitelement (15) derart miteinander in Kontakt stehen oder miteinander verbunden sind, dass die beiden Wärmeleitelemente (14, 15) genau eine Kontakt- oder Verbindungsfläche (16) oder wenigstens zwei separate Kontakt- und/oder Verbindungsflächen (16) ausbilden.
Wärmeleitvorrichtung (5) zum Abführen von Wärme von mindestens einem in einem Gehäuse (2) auf einer Leiterplatte (3) angeordneten elektronischen oder elektrischen Bauteil (4), wobei die Wärmeleitvorrichtung (5) einen ersten Kontaktbereich (6) und einen zweiten Kontaktbereich (7) aufweist, wobei im Montagezustand der erste Kontaktbereich (6) in zumindest mittelbar berührenden Kontakt mit dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) bringbar ist und zur Aufnahme der Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) dient und wobei im Montagezustand der zweite Kontaktbereich (7) in zumindest mittelbar berührenden Kontakt mit dem Gehäuse (2) bringbar ist und zur Abgabe der Wärme an das Gehäuse (2) dient, und wobei die Wärmeleitvorrichtung (5) zumindest zwischen dem ersten Kontaktbereich (6) und dem zweiten Kontaktbereich (7) federnd ausgestaltet ist, insbesondere so, dass sich die Wärmeleitvorrichtung (5) im Einbauzustand kraftbeaufschlagt mit ihrem ersten Kontaktbereich (6) an dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) und mit ihrem zweiten Kontaktbereich (7) an dem Gehäuse (2) abstützt.
Wärmeleitvorrichtung (5) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils wenigstens eines der Ansprüche 3 und 5 bis 9.
Verfahren zur Montage eines Messgerätes (1), wobei das Messgerät (1) aufweist ein Gehäuse (2) mit wenigstens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten und von einer Leiterplattenhalterung (17) gehaltenen Leiterplatte (3), wobei die Leiterplatte (3) mit wenigstens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) bestückt ist, und eine Wärmeleitvorrichtung (5) zum Ableiten von Wärme von dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4), wobei die Wärmeleitvorrichtung (5) einen ersten Kontaktbereich (6) und einen zweiten Kontaktbereich (7) aufweist und wobei die Wärmeleitvorrichtung (5) zumindest zwischen dem ersten Kontaktbereich (6) und dem zweiten Kontaktbereich (7) einen federnden Auslenkbereich (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bauteilbefestigungsschritt (101) die Wärmeleitvorrichtung (5) mit dem ersten Kontaktbereich (6) an dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) fixiert wird und/oder dass in einem Gehäusebefestigungsschritt (102) die Wärmeleitvorrichtung (5) mit dem zweiten Kontaktbereich (7) an dem Gehäuse (2) fixiert wird, dass in einem Leiterplattenbefestigungsschritt (103) die Leiterplatte (3) in das Gehäuse (2) eingebracht und mittels der Leiterplattenbefestigung (17) in dem Gehäuse (2) befestigt wird, dass in einem Kompressionsschritt (104) der federnde Auslenkbereich (8) der Wärmeleitvorrichtung (5) durch Krafteinfluss komprimiert wird und dass in einem Entspannungsschritt (105) der federnde Auslenkbereich (8) der Wärmeleitvorrichtung (5) durch Entfall des Krafteinflusses entspannt wird, so dass im Montagezustand die Wärmeleitvorrichtung (5) einen zumindest mittelbar berührenden Kontakt zwischen dem elektrischen oder elektronischen Bauteil (4) und dem Gehäuse (2) realisiert.
Verfahren zur Montage eines Messgeräts nach Anspruch 12, wobei die Wärmeleitvorrichtung (5) einstückig ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Gehäusebefestigungsschritt (102) oder der Bauteilbefestigungsschritt (101), dann der Kompressionsschritt (104), dann der Leiterplattenbefestigungsschritt (103) und dann der Entspannungsschritt (105) durchgeführt wird.
Verfahren zur Montage eines Messgerätes (1) nach Anspruch 12, wobei die Wärmeleitvorrichtung (5) mehrstückig ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst der Gehäusebefestigungsschritt (102) oder der Bauteilbefestigungsschritt (101), dann der Bauteilbefestigungsschritt (101) oder der Gehäusebefestigungsschritt (102), dann der Kompressionsschritt (104), dann der Leiterplattenbefestigungsschritt (103) und dann der Entspannungsschritt (104) durchgeführt wird.