DE10214311A1

DE10214311A1 - Kühlanordnung für ein elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE10214311A1
Application number: DE2002114311
Authority: DE
Inventors: Adolf Nathan; Juergen Handl; Otto Reubelt
Original assignee: Marconi Communications GmbH
Current assignee: Telent GmbH
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-09

Abstract

Eine Kühlanordnung für ein elektronisches Bauelement (2) umfasst ein in einer Öffnung einer Leiterplatte (1) kraftschlüssig gehaltenes Wärmeleitelement (4), das eine an einer ersten Oberfläche der Leiterplatte (1) angeordnete Wärmeaufnahmefläche (6) aufweist und mit einer Wärmesenke (16) an der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Leiterplatte (1) in thermischem Kontakt steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen eines elektronischen Bauelementes in einer Schaltung, insbesondere eines SMD-Bauelementes.
Die Entwicklung von Leistungshalbleitern in SMD- Technik eröffnet neue Möglichkeiten beim Aufbau von Geräten mit hohen Packungsdichten.
SMD-Leistungshalbleiterbauelemente weisen inzwischen die gleichen elektrischen und thermischen Eigenschaften wie entsprechende Bauelemente für Durchsteckkontaktierung auf und können bei entsprechender Kühlung mit gleich hoher Verlustleistung wie diese beaufschlagt werden.
Herkömmliche Anordnungen zum Kühlen von Leistungs- Bauelementen sind zum Teil nicht für SMD-Bauelemente geeignet, oder sie weisen nicht die notwendige Wirksamkeit auf, die erforderlich ist, um die Bauelemente mit hoher Dichte platzieren zu können.
Eine für SMD-Bauelemente geeignete Kühlanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus DE 199 16 010 C1 bekannt. Bei dieser Kühlanordnung steht ein Wärmeleitelement einerseits durch eine Öffnung einer Leiterplatte hindurch mit einem an einer Oberfläche der Leiterplatte angebrachten elektronischen Bauelement und andererseits mit einem an der gegenüberliegenden, zweiten Oberfläche der Leiterplatte angebrachten Kühlkörper in thermischem Kontakt. Dieses bekannte Wärmeleitelement ist kappen- oder tellerförmig, wobei jeweils eine Bodenfläche der Kappe bzw. des Tellers vorgesehen ist, um mit dem zu kühlenden Bauelement in thermischen Kontakt zu treten, und ein Randbereich des Wärmeleitelementes einen thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper durch Einpressen in eine Bohrung desselben herstellt.
Um eine große Kontaktfläche zwischen diesem bekannten Wärmeleitelement und dem zu kühlenden Bauelement zu erhalten, wird das Wärmeleitelement unter elastischer Verformung gegen das Bauelement gepresst. Hierfür ist erforderlich, dass das Bauelement bereits zuvor an der Leiterplatte verlötet worden ist. Um die notwendige Elastizität zu erreichen, muss das Wärmeleitelement dünnwandig sein; es bedarf daher zur Steigerung seines Wärmeleitvermögens sowie zur dauerhaften Befestigung am Kühlkörper einer Verstärkung durch nachträglich aufgebrachtes Lot. Für die Montage dieser bekannten Kühlanordnung sind daher zwei Arbeitsgänge mit Lot erforderlich, ein erster, in dem das zu kühlende Bauelement an der Leiterplatte verlötet wird, und ein zweiter, in dem die dauerhafte Befestigung des Kühlkörpers hergestellt wird. Da beim zweiten Arbeitsgang darauf geachtet werden muss, dass die Lötung der Anschlüsse des Bauelementes sich nicht wieder löst, ist vor allem dieser zweite Arbeitsgang aufwendig und kostspielig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Kühlanordnung für ein elektronisches Bauelement anzugeben, die für die Kühlung von SMD-Bauelementen geeignet ist, eine wirksame Kühlung gewährleistet und damit eine dichte Anordnung der Bauelemente auf einer Leiterplatte erlaubt und die darüber hinaus einfach zu montieren ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Die kraftschlüssige Halterung des Wärmeleitelementes in der Öffnung der Leiterplatte erlaubt die Anbringung des Wärmeleitelementes vor dem Verlöten der elektronischen Bauelemente, so dass mit dem sich anschließenden Lötschritt nicht nur die Bauelemente an der Leiterplatte kontaktiert werden können, sondern auch eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen einem zu kühlenden Bauelement und dem ihm zugeordneten Wärmeleitelement durch in einen Spalt zwischen beiden eindringendes Lot hergestellt werden kann.
Als Wärmesenke für das zu kühlende Bauelement kann ein einteilig mit dem Wärmeleitelement ausgebildeter Kühlkörper dienen.
Der Kühlkörper kann auch ein vom Wärmeleitelement getrenntes Bauteil sein. In einem solchen Falle ist bevorzugt, dass das Wärmeleitelement eine Kühlkörper-Kontaktfläche für den Kontakt und Wärmeaustausch mit dem Kühlkörper aufweist, deren Ausdehnung größer ist als die der Wärmeaufnahmefläche. Eine solche große Oberfläche ist wünschenswert, um einen möglichst intensiven Wärmeaustausch an der Kontaktfläche zu erreichen.
Um einen festen Kontakt zwischen dem Kühlkörper und dem Wärmeleitelement zu erreichen, kann Letzteres mit einem Gewinde zum Verschrauben des Kühlkörpers daran ausgestattet sein.
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von wenigstens zwei Befestigungsmitteln, die an von dem Wärmeleitelement beabstandeten Orten der Leiterplatte angeordnet sind und den Kühlkörper mit dem Wärmeleitelement in Kontakt halten. Dabei ist vorzugsweise an wenigstens einem der Orte das Befestigungsmittel in sich elastisch, um auch bei geringfügigen Verformungen der Leiterplatte einen festen Kontakt zwischen Kühlkörper und Wärmeleitelement zu garantieren.
Dieses elastische Befestigungsmittel ist vorzugsweise im wesentlichen aufgebaut aus einer Schraube, die eine Öffnung der Leiterplatte (oder, in einer alternativen Ausgestaltung: des Kühlkörpers) frei durchläuft und mit einer Gewindebohrung des Kühlkörpers (oder bei der alternativen Ausgestaltung: der Leiterplatte) im Eingriff ist, und einer Druckfeder, die zwischen einem Kopf der Schraube und der Leiterplatte (oder alternativ: dem Kühlkörper) angeordnet ist.
Um eine für einen feste Verbindung ausreichende Länge des Gewindeeingriffs zu realisieren, ist die Gewindebohrung vorzugsweise als Teil einer an die Leiterplatte (alternativ: den Kühlkörper) angefügten Hülse ausgebildet.
Die Hülse ist auf einfache Weise befestigbar durch Vernieten in einer Bohrung der Leiterplatte (oder des Kühlkörpers).
Eine elektrisch isolierende Schicht zwischen dem Wärmeleitelement und dem Kühlkörper erlaubt es, diesen auf einem vorgegebenen Potential, insbesondere Massepotential, zu halten, auch wenn das Gehäusepotential des zu kühlenden Bauelementes, mit dem das Wärmeleitelement in Kontakt ist, von Masse abweicht.
Eine rotationssymmetrische Gestalt des Wärmeleitelementes, insbesondere mit T-förmigem Querschnitt, ist unter Gesichtspunkten der einfachen Fertigung bevorzugt.
Ein zylindrischer Schaft des Wärmeleitelementes ist vorgesehen zum Einstecken in die Öffnung der Leiterplatte. Dieser Schaft weist vorzugsweise einen geriffelten Oberflächenbereich auf, der formschlüssig in die Öffnung der Leiterplatte eingreift und so für einen festen Sitz des Wärmeleitelementes sorgt.
Dieser geriffelte Oberflächenbereich kann in Längsrichtung geriffelt sein; dies erlaubt ein einfaches Einstecken des Wärmeleitelementes in die Öffnung ohne Drehen desselben. Der geriffelte Oberflächenabschnitt kann aber auch ein Gewinde sein. Dies macht zum Anbringen des Wärmeleitelementes in der Öffnung der Leiterplatte einen im Vergleich zum einfachen Einstecken etwas langwierigeren Schraubvorgang erforderlich; hat aber den Vorteil, dass das Wärmeleitelement nicht durch einfachen axialen Druck ohne Weiteres aus seiner Öffnung herausgedrängt oder darin verschoben werden kann.
Wenn eine elektronische Schaltung eine Mehrzahl von zu kühlenden Bauelementen umfasst, die jeweils über Wärmeleitelemente wie oben beschrieben gekühlt werden sollen, so ist es zweckmäßig und kostengünstig, wenn eine Mehrzahl dieser Wärmeleitelemente mit einem einzigen, gemeinsamen Kühlkörper in thermischem Kontakt steht.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Montieren einer elektronischen Schaltung, bei dem eine Kühlanordnung der oben beschriebenen Art realisiert wird. Das Verfahren umfasst die Schritte des Befestigens eines Wärmeleitelementes in einer Öffnung einer Leiterplatte, des Platzierens eines elektronischen Bauelementes vor dieser Öffnung und des Verlötens des Bauelementes an der Leiterplatte sowie an einer dem Bauelement zugewandten Wärmeaufnahmefläche des Wärmeleitelementes.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht im Teilschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung;
Fig. 2 und 3 jeweils eine analoge Ansicht einer weiterentwickelten Ausgestaltung der Kühlanordnung;
Fig. 4 und 5 eine dritte Ausgestaltung der Kühlanordnung in Draufsicht bzw. im Schnitt;
Fig. 6 eine vierte Ausgestaltung der Kühlanordnung in einem Schnitt analog dem der Fig. 5;
Fig. 7 und 8 eine fünfte und sechste Ausgestaltung der Kühlanordnung, jeweils in einem Teilabschnitt; und
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeleitelementes für eine Kühlanordnung.
Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch eine elektronische Schaltung mit einer Kühlanordnung gemäß einem ersten, einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektronische Schaltung ist aufgebaut aus einer gedruckten Leiterplatte 1, die an einer Oberfläche, der unteren Oberfläche in Fig. 1, mit elektronischen Bauteilen bestückt ist, von denen lediglich ein SMD-Leistungsbauelement 2 exemplarisch dargestellt ist. Das Bauelement 2 hat ein Gehäuse mit einer der Leiterplatte 1 zugewandten Metallplatte 3, auf der im Inneren des Gehäuses ein Halbleiterchip angeordnet ist und die zur Abführung von dessen Verlustleistung dient.
Der Metallplatte 3 gegenüber ist eine Öffnung in die Leiterplatte 1 geschnitten, durch die hindurch sich ein allgemein prismatischer, insbesondere zylindrischer Schaft 5a eines metallischen Wärmeleitelementes 4 erstreckt. Eine Wärmeaufnahmefläche 6, die eine Stirnfläche des Schaftes 5a bildet, ist der Metallplatte 3 des SMD-Bauelementes 2 zugewandt und mit dieser durch eine dünne Lotschicht 7 gut wärmeleitend verbunden.
Der Schaft 5a ist durch eine Schulter 8 von einem Kopfabschnitt 5b des Wärmeleitelementes 4 abgesetzt. Der Durchmesser des Kopfabschnitts 5b ist größer als der des Schaftes 5a. Die Länge des Schaftes 5a entspricht mindestens der maximal zulässigen Dicke der Leiterplatte 1, so dass der Schaft mit Gewissheit so weit in die Öffnung der Leiterplatte 1 form- und kraftschlüssig eingepresst werden kann, dass die Wärmeaufnahmefläche 6 mit der mit den zu kühlenden Bauelementen bestückten Oberfläche der Leiterplatte 1 bündig wird.
Der dickere Abschnitt 5b des Wärmeleitelements 4 geht hier einteilig in einen mit Rippen 10versehenen Kühlkörper 9 über. Wärmeleitelement 4 und Kühlkörper 9 sind z. B. aus Kupfer, vorzugsweise aus verzinktem Kupfer, oder, zur Gewichtsersparnis, aus Aluminium hergestellt.
Beim Zusammenbau der elektronischen Schaltung wird der Schaft 5a vor dem Bestücken der Leiterplatte 1 mit Bauelementen wie dem SMD-Bauelement 2 in die hierfür vorgesehene Öffnung der Leiterplatte 1 eingepresst. Anschließend kann die Leiterplatte in gewohnter, herkömmlicher Weise mit Bauelementen bestückt und, z. B. im Reflow-Verfahren, gelötet werden. Durch den Lötvorgang werden nicht nur leitende Kontakte zwischen den Anschlüssen 11 des SMD-Bauelementes 2 und Leiterbahnen auf der Leiterplatte 1 hergestellt, sondern gleichzeitig wird auch eine feste Verbindung zwischen der Metallplatte 3 und der Wärmeaufnahmefläche 6 durch die Lötschicht 7 in einem Arbeitsgang hergestellt.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Kühlanordnung in einer Ansicht analog der der Fig. 1. Kühlkörper 9 und Wärmeleitelement 4 sind hier zweiteilig ausgebildet, und eine Gewindebohrung 14 in einer der Wärmeaufnahmefläche 6 gegenüberliegenden Kühlkörper-Kontaktfläche 13 ist vorgesehen, um eine Schraube 12 aufzunehmen, die den Kühlkörper 9 gegen die Kontaktfläche 13 gedrückt hält. Die Schraube 12 kann aus einem gut wärmeleitenden Metall bestehen, um den Wärmeübergang zum Kühlkörper 9 durch Wärmefluss durch die Schraube 12 selbst zu fördern.
Fakultativ kann eine Unterlegscheibe 15 aus elektrisch isolierendem Material wie etwa Glimmer zwischen der Kontaktfläche 13 und dem Kühlkörper 9 eingeklemmt sein, um diesen von der Metallplatte 3 des SMD-Bauelementes 2 galvanisch getrennt zu halten. In diesem Fall muss die Schraube 12 aus einem elektrisch-nichtleitenden Material wie z. B. Polyester bestehen, oder sie muss durch eine Isolierbuchse oder -hülse vom Kühlkörper 9 elektrisch isoliert sein. So ist es möglich, den Kühlkörper 9 auf einem vom Potential der Metallplatte 3 abweichenden, schwebenden Potential oder durch eine (nicht gezeigte) Verbindung zu einem Masseleiter der Leiterplatte 1 geerdet zu halten. Dies erlaubt es, den Kühlkörper 9 so zu montieren, dass er an einer Öffnung eines (nicht gezeigten) Gehäuses der Schaltung ohne Berührungsschutz frei liegt und von der Umgebungsluft außerhalb dieses Gehäuses wirksam gekühlt werden kann.
Da die Kühlkörperkontaktfläche 13 eine wesentlich größere Ausdehnung als die Wärmeaufnahmefläche 6 haben kann, ist trotz der mit der Anbringung der Unterlegscheibe 15 verbundenen Erhöhung des Wärmeübergangswiderstandes eine ausreichende Kühlung des SMD-Bauelementes 2 erreichbar.
Das Wärmeleitelement 4 hat einen durch seine zwei Abschnitte 5a, 5b mit unterschiedlichen Radien und die dazwischenliegende Schulter 8 definierten, T- förmigen Querschnitt. Es ist als Drehteil gefertigt, mit plangedrehten Stirnflächen 6 und 13.
Fig. 3 zeigt, ebenfalls perspektivisch und im Schnitt, eine dritte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung. Das Wärmeleitelement 4 dieser Ausgestaltung entspricht im wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten. In dem in der Figur gezeigten Ausschnitt der Leiterplatte 1 sind drei Wärmeleitelemente 4 jeweils an Öffnungen der Leiterplatte 1 gegenüber einem zu kühlenden SMD-Bauelement 2 montiert. Wenn die Dichte der zu kühlenden elektronischen Bauelemente groß ist, wie im hier gezeigten Fall, kann es schwierig sein, an jedem einzelnen Wärmeleitelement 4 einen Kühlkörper 9 der in Fig. 2 gezeigten Art zu montieren. Dieses Problem wird bei der Ausgestaltung der Fig. 3 dadurch gelöst, dass ein gemeinsamer Kühlkörper den mehreren Wärmeleitelementen 4 zugeordnet ist und jeweils eine Durchgangsbohrung für eine (gestrichelt gezeichnete> Befestigungsschraube 12 passend zur Verteilung der Gewindebohrungen 14 der Wärmeleitelemente 4 aufweist. Dies und ggf. die Anordnung einer (nicht gezeigten) Unterlegscheibe zwischen den Kühlkörper-Kontaktflächen wenigstens bestimmter Wärmeleitelemente 4 erlaubt es, einen gemeinsamen Kühlkörper (in Fig. 3 gestrichelt als Platte 16 dargestellt) mit mehreren Wärmeleitelementen 4 gleichzeitig zu verbinden, ohne dass die Gefahr einer elektrischen Funktionsstörung resultiert. Anders als beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann hier eine Situation auftreten, wo infolge von Fertigungsstreuungen bei den Wärmeleitelementen 4 deren Kühlkörper-Kontaktflächen 13 nicht gleichzeitig und mit ihrer gesamten Oberfläche mit dem Kühlkörper 16 in Kontakt sind. Dieses Problem lässt sich jedoch durch ein ausreichend festes Anziehen der Schrauben 12 und eine daraus resultierende ausreichende Andrückkraft zwischen den Kontaktflächen 13 der Wärmeleitelemente 4 und dem Kühlkörper 16 beheben. Wenn die Andrückkraft hoch genug ist, kann ein ganzflächiger Kontakt zwischen jeder Kontaktfläche 13 und dem Kühlkörper 16 unter geringfügiger Verbiegung der Leiterplatte 1 oder - je nach Materialfestigkeit - des Kühlkörpers 16 hergestellt werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung in einer Draufsicht auf die Leiterplatte 1 mit oben liegendem Halbleiterbauelement 2, sowie in einem Längsschnitt durch die Leiterplatte 1. Dabei sind Teile, die in Fig. 4 hinter der Leiterplatte 1 liegen, gestrichelt dargestellt.
Auf der in Fig. 4 dem Betrachter zugewandten Seite der Leiterplatte 1 befindet sich das zu kühlende SMD-Bauelement 2, das hier mit drei Anschlüssen 11 gezeigt ist, die mit nicht näher beschriebenen Signalleitungen auf der Leiterplatte 1 verbunden sind. Ein Wärmeleitelement 4 erstreckt sich wie bei den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen durch eine von dem SMD-Bauelement 2 verdeckte Öffnung der Leiterplatte 1 und hat eine mit dem Bauelement 2 durch eine Lotschicht 7 verbundene Wärmeaufnahmefläche 6 und parallel zu dieser an einem gegenüberliegenden Ende eine Kontaktfläche 13 zum Berühren eines Kühlkörpers 16, deren Ausdehnung deutlich größer als die der Wärmeaufnahmefläche 6 ist. Zwischen der Kontaktfläche 13 und dem Kühlkörper 16 ist eine dünne, elektrisch isolierende, thermisch leitende Unterlegscheibe 15 eingeklemmt.
Der hier plattenförmig dargestellte Kühlkörper 16 ist an der Leiterplatte 1 mit Hilfe von drei Schrauben 17, 17, 18 gehalten. Jede der zwei Schrauben 17 ist Teil einer starren Verbindung zwischen Leiterplatte 1 und Kühlkörper 16; sie erstreckt sich durch eine Bohrung der Leiterplatte 1 und ist im Eingriff in einem Gewindestutzen 19, der an dem Kühlkörper 16 einteilig angeformt ist und sich von diesem zur Leiterplatte 1 hin erstreckt. Die axiale Länge der Gewindestutzen 19 entspricht dem Überstand des Wärmeleitelementes 4 und der Unterlegscheibe 15 über die Unterseite der Leiterplatte 1, so dass, wenn die Schrauben 17 angezogen sind und die Gewindestutzen 19 die Leiterplatte 1 berühren, die Platte des Kühlkörpers 16 parallel zur Leiterplatte 1 und in vollflächigem Kontakt mit der Kontaktfläche 13 des Wärmeleitelementes 4 verläuft. Die dritte Schraube 18 verläuft frei durch eine Bohrung der Leiterplatte 1 und ist in Eingriff mit einer Gewindebohrung 20 des Kühlkörpers 16. Eine zwischen dem Kopf 21 der Schraube 18 und der Oberseite der Leiterplatte 1 angeordnete Druck- Schraubenfeder 22 übt eine Zugkraft auf den Kühlkörper 16 aus, der diesen elastisch gegen die Kontaktfläche 13 gedrückt hält. Diese elastische Verbindung verhindert, dass eine thermische Ausdehnung des Kühlkörpers 16 im Betrieb eine übermäßige mechanische Belastung auf die Leiterplatte 1 ausübt, die dort zu einer Beschädigung von Leiterbahnen führen könnte.
Auch bei dieser Ausgestaltung können wie bei der der Fig. 3 mehrere Wärmeleitelemente 4 jeweils zwischen verschiedenen Bauelementen 2 auf der Leiterplatte 1 und dem Kühlkörper 16 angebracht sein, um diese mehreren Bauelemente über diesen einen Kühlkörper zu kühlen.
Fig. 6 zeigt eine vierte Ausgestaltung der Kühlanordnung in einem Schnitt analog dem der Fig. 5. Komponenten dieser Ausgestaltung, die bereits in einer der zuvor behandelten Ausgestaltungen vorkommen, haben in Fig. 6 das gleiche Bezugszeichen und werden nicht erneut erläutert.
In einer Mehrzahl von Bohrungen des Kühlkörpers 16 ist jeweils eine mit einem Innengewinde versehene Hülse 24, 25, auch als Gewindeniet bezeichnet, verankert. Die Hülse 24, 25 aus Messing hat einen hohlen, so genannten Setzschaft 26 und einen Kopfabschnitt 27, dessen Außendurchmesser größer als der des Setzschaftes 26 ist. Kopfabschnitt 27 und Setzschaft 26 grenzen an einer Schulter aneinander. Der Setzschaft 26 ist bis zur Schulter formschlüssig in die Bohrung eingesteckt und dann durch Aufweiten seines aus der Bohrung überstehenden Randes 28 fest an dem Kühlkörper 16 vernietet.
Eine erste Gruppe dieser Hülsen 24 ersetzt die Gewindestutzen 19 der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 und 4. Den freien Enden der Kopfabschnitte 27 dieser Hülsen 24 liegt jeweils eine Öffnung der Leiterplatte 1 gegenüber, die enger als die Kopfabschnitte 27, aber breit genug sind, um den Schaft einer zum Innengewinde der Hülsen 24 passenden Schraube 17 durchzulassen. So kann die Leiterplatte 1 zwischen dem Kopf einer solchen Schraube 17 und dem Rand des Kopfabschnitts 27 der Hülse 24 fest eingespannt werden.
Eine zweite Gruppe dieser Hülsen 25 gehört zu elastischen Verbindungen zwischen Leiterplatte 1 und Kühlkörper 16. Ihren Kopfabschnitten 27 liegen jeweils Öffnungen 31 der Leiterplatte 1 gegenüber, deren Durchmesser größer als der des Kopfabschnitts 27 ist. Die Schrauben 18, die in diese Hülsen 25 eingeschraubt sind, weisen jeweils zwischen ihrem Kopf 21 und ihrem in eine der Hülsen 25 eingreifenden Gewindeabschnitt 29 einen zylindrischen Schaftabschnitt 30 auf, dessen Durchmesser nicht kleiner als der Außendurchmesser des Kopfabschnitts 27 ist.
Jede Schraube 18 ist in ihre Hülse 25 so weit eingeschraubt, dass der Schaftabschnitt 30 gegen den Rand des Kopfabschnitts 27 drückt und ist auf diese Weise gegen Losdrehen gesichert. Alternativ wäre auch möglich, den Gewindeabschnitt 29 der Schrauben 18 so lang zu wählen, dass er im montierten Zustand an der Seite des Setzschaftes 26 aus der Hülse 25herausragt, und ihn durch eine dort aufgeschraubte Mutter zu kontern.
Zwischen den Köpfen 21 der Schrauben 18 und der Leiterplatte 1 zusammengedrückte Schraubenfedern 22 halten die Leiterplatte 1 und den Kühlkörper 16 elastisch gegeneinander gedrückt.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer Kühlanordnung nach einer fünften Ausgestaltung der Erfindung. Gezeigt ist eine Schraube 18 und sie umgebende Bereiche der Leiterplatte 1 und des Kühlkörpers 16. Die Ausgestaltung ist von der der Fig. 4 und 5 abgeleitet; in Fig. 7 nicht gezeigte Teile sind mit Fig. 5 identisch.
Die Schraube 18 hat bei dieser Ausgestaltung zwischen ihrem Kopf 21 und ihrem Gewindeabschnitt 32 einen gewindefreien Schaftabschnitt 33, dessen Durchmesser größer als der des Gewindeabschnitts 32 ist. Der Schaftabschnitt 33 begrenzt die Tiefe, bis zu der die Schraube 18 in die Gewindebohrung 20 des Kühlkörpers 16 eingedreht werden kann und ermöglicht ein Festklemmen der Schraube 18 bei der gewünschten, durch die Länge des Schaftabschnitts 33 festgelegten Einschraubtiefe.
Fig. 8 ist ein Schnitt durch einen Teil einer Kühlanordnung nach einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung. Diese Ausgestaltung ist eine Abwandlung der in Fig. 6 gezeigten Ausgestaltung. Hier ist der verdickte Schaftabschnitt 30 der Schraube 18 aus Fig. 6 entfallen, der Gewindeabschnitt 29 geht ohne Durchmesseränderung in den Kopf 21 über. Der Kopfabschnitt 27 der Hülse 25 ist durch die Öffnung 31 der Leiterplatte hindurch verlängert, so dass, wenn die Schraube 18 bis zum Anschlag eingeschraubt ist, unmittelbar ihr Kopf 21 gegen den Rand des Kopfabschnitts 37 drückt.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeleitelementes 4, das bei allen oben beschriebenen Ausgestaltungen einsetzbar ist. Es hat einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft 5a und einen mit dem Schaft einteilig verbundenen Kopfabschnitt 5b, der ebenfalls zylindrisch ist, allerdings mit deutlich größerem Durchmesser als der Schaft 5a. Der Schaft 5a ist auf seinem gesamten Umfang mit einer scharfkantigen Riffelung in Form von spitz zulaufenden, zu seiner Längsachse parallelen Rippen 23 versehen. Der Schaft 5a ist vorgesehen zum Einpressen in eine Öffnung der Leiterplatte 1, wobei der Durchmesser der Öffnung so gewählt ist, dass die Spitzen der Rippen 23 auf einer geringen Tiefe in die Seitenwände der Öffnung einschneiden, aber die Böden der Nuten zwischen zwei Rippen diese Seitenwände nicht berühren. So wird ohne Gefahr der Beschädigung der Leiterplatte 1 ein form- und kraftschlüssiger, fester Sitz des Wärmeleitelementes 4 an der Leiterplatte 1 erzielt.
Alternativ zu achsparallelen Rippen 23 könnte der Schaft 5 auch mit ein Außengewinde bildenden Rippen versehen sein. Ein solches Wärmeleitelement ist durch Einschrauben leicht in einer Öffnung einer Leiterplatte zu befestigen, wobei der Durchmesser der Öffnung zweckmäßigerweise zwischen dem Außendurchmesser und dem Kerndurchmesser des Gewindes des Schaftes liegen sollte, damit dieser beim Einschrauben ein komplementäres Innengewinde in die Leiterplatte ohne Gefahr einer Beschädigung von Leiterbahnen drücken kann.

Claims

1. Kühlanordnung für ein elektronisches Bauelement mit einem in einer Öffnung einer Leiterplatte (1) angeordneten Wärmeleitelement (4), das eine an einer ersten Oberfläche der Leiterplatte (1) angeordnete Wärmeaufnahmefläche (6) aufweist und mit einer Wärmesenke an der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Leiterplatte (1) in thermischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (4) in der Öffnung der Leiterplatte (1) kraftschlüssig gehalten ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ein einteilig mit dem Wärmeleitelement ausgebildeter Kühlkörper (9) ist.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ein getrennt von dem Wärmeleitelement ausgebildeter Kühlkörper (9, 16) ist, und dass das Wärmeleitelement (4) eine Kühlkörper-Kontaktfläche (13) für den Kontakt mit dem Kühlkörper (9, 16) aufweist, deren Ausdehnung größer ist als die der Wärmeaufnahmefläche (6).

4. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ein getrennt von dem Wärmeleitelement (4) ausgebildeter Kühlkörper (9, 16) ist, und dass das wärmeleitelement (4) eine Kühlkörper- Kontaktfläche (13) für den Kontakt mit dem Kühlkörper aufweist, die parallel zur Wärmeaufnahmefläche (6) ist.

5. Kühlanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (4) ein Gewinde zum Verschrauben des Kühlkörpers (9) am Wärmeleitelement (4) aufweist.

6. Kühlanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (16) von an wenigstens zwei von dem Wärmeleitelement (4) beabstandeten Orten der Leiterplatte (1) angeordneten Befestigungsmitteln (17, 18) mit dem Wärmeleitelement (4) in Kontakt gehalten ist.

7. Kühlanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem der Orte das Befestigungsmittel (18) elastisch ist.

8. Kühlanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Befestigungsmittel eine Schraube (18), die eine Öffnung der Leiterplatte (1) oder des Kühlkörpers frei durchläuft und mit einer Gewindebohrung (20) des Kühlkörpers (16) oder der Leiterplatte im Eingriff ist, und eine zwischen einem Kopf (21) der Schraube (18) einerseits und der Leiterplatte (1) oder dem Kühlkörper andererseits angeordnete Druckfeder (22) umfasst.

9. Kühlanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebohrung (20) Teil einer an die Leiterplatte (1) oder den Kühlkörper angefügten Hülse (25) ist.

10. Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse in einer Bohrung der Leiterplatte (1) oder des Kühlkörpers vernietet ist.

11. Kühlanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (18) an der Hülse (25) gegen Verdrehen gesichert ist.

12. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrisch isolierende Schicht (15) zwischen dem Wärmeleitelement (4) und dem Kühlkörper (9, 16).

13. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (4) eine rotationssymmetrische Gestalt mit T-förmigem Querschnitt hat.

14. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (4) einen prismatischen, vorzugsweise zylindrischen Schaft (5a) zum Einführen in die Öffnung der Leiterplatte (1) aufweist.

15. Kühlanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (5a) einen geriffelten Oberflächenbereich hat, der formschlüssig in die Öffnung eingreift.

16. Kühlanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (5a) in Längsrichtung geriffelt ist.

17. Kühlanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der geriffelte Oberflächenabschnitt ein Gewinde ist.

18. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen (4) umfasst, die mit einem gemeinsamen Kühlkörper (16) in thermischem Kontakt stehen.

19. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisches Bauelement (2), insbesondere ein SMD-Bauelement, an der Leiterplatte (1) angebracht und ein Spalt zwischen der Wärmeaufnahmefläche (6) und dem Bauelement (12) mit Lot (7) ausgefüllt ist.

20. Verfahren zum Montieren einer elektronischen Schaltung, mit den Schritten:

a) Befestigen eines Wärmeleitelementes (4) in einer Öffnung einer Leiterplatte (1);

b) Platzieren eines elektronischen Bauelements (2) vor der Öffnung;

c) Verlöten des Bauelements (2) an der Leiterplatte (1) und an einer dem Bauelement (2) zugewandten Wärmeaufnahmefläche (6) des Wärmeleitelementes (4).