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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe
mit einem Leistungshalbleitermodul mit einer Wärmeableitkontaktfläche, einem
Kühlelement
und einer Anpressvorrichtung, die die Wärmeableitkontaktfläche an das
Kühlelement
presst.
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Eine derartige, aus der
DE 199 42 915 A1 hervorgehende
Baugruppe umfasst einen bodenplattenlosen isolierenden und thermisch
leitenden Träger (Substrat),
der z.B. aus einem keramischen Material besteht. Auf der Oberseite – der sog.
Layout- oder Bestückseite – des Substrats
sind mehrere Leistungshalbleiter in einer Reihe angeordnet und mit Leiterbahnstrukturen
elektrisch verbunden, die auf der (z.B. kupfer-kaschierten) Oberseite
des Substrats ausgebildet sind.
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Die Unterseite des Substrats ist
ebenfalls (z.B. kupfer-) kaschiert und fungiert als Wärmeableitkontaktfläche, mit
der das Substrat mit Hilfe einer Anpressvorrichtung auf einen Kühlkörper der
Baugruppe gepresst wird, um beim Betrieb der Baugruppe in Form von
Wärme auftretende
Verlustleistungen über den
Kühlkörper abführen zu
können.
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Die Anpressvorrichtung kann grundsätzlich auf
ein Gehäuse
einwirken, das die auf dem Substrat montierten Bauteile schützend umgibt.
Nähere
Angaben dazu sind der
DE
199 42 915 A1 jedoch nicht entnehmbar.
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Für
eine effektive Wärmeabfuhr
bzw. einen geringen Wärmeübergangswiderstand
und damit einen zuverlässigen
Betrieb der Baugruppe muss der Kühlkörper auch
bei wechselnden Betriebs bedingungen und auch nach vielen Temperaturwechselzyklen zuverlässig flächig und
spaltfrei an der Substratunterseite anliegen.
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Dazu besteht die Anpressvorrichtung
der bekannten Baugruppe aus mehreren einzelnen elektrisch leitenden
Druckstücken.
Mit den oberen Endflächen
der Druckstücke
ist eine Leiterplatte verbunden, die ihrerseits weitere elektrische
Bauelemente trägt.
Mit ihren unteren Enden stützen
sich die Druckstücke
auf den Leiterbahnen des Substrats ab. Die Anpressvorrichtung ist
damit konstruktiv verhältnismäßig aufwendig
und in der Montage anspruchsvoll. Insbesondere ist eine rationelle
Vormontage nicht ohne weiteres möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe der eingangs genannten
Art derart auszugestalten, dass eine einfache, kostengünstig herstellbare
und zuverlässige
Befestigung und Wärmeleitung
zwischen einem Leistungshalbleitermodul und einem Kühlelement
geschaffen wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Baugruppe gemäß Patentanspruch
1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 5 bzw. eine Halteklammer nach
Anspruch 6 gelöst.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind
Gegenstand von Unteransprüchen.
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Im Einzelnen wird diese Aufgabe bei
einer Baugruppe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Anpressvorrichtung eine federnde Halteklammer ist, die
einen Verankerungsbereich aufweist, der von einem Widerlager des Kühlelements
aufgenommen ist, und die einen Verbindungsbereich aufweist, mit
dem sie mit dem Halbleitermodul verbunden ist.
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Ein erster wesentlicher Aspekt der
vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine (Vor-)Fixierung
der Halteklammer an dem Leistungshalbleitermodul ermöglicht wird.
Dazu kann die Halteklammer mit einem freien, den Verbindungsbereich
bildenden Ende mit dem Halbleitermodul bzw. dessen Gehäuse. Diese
Fixierung muss nicht starr sein, sondern kann vorteilhafter Weise
noch eine Relativbewegung zulassen, um die nachfolgenden Montageschritte und
die Ausrichtung gegenüber
weiteren Montagepartnern (z.B. dem Kühlelement) zu erleichtern.
Die Verbindung schafft vorteilhafter Weise eine gemeinsam und unverlierbar
zu handhabende Einheit, was sich auf die weitere Montage fördernd auswirkt.
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Ein anderer wesentlicher Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist, dass durch die federnde Halteklammer
Maßtoleranzen
in einfacher Weise ausgeglichen werden.
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Noch ein wesentlicher Aspekt der
Erfindung besteht darin, dass die Verbindung zwischen Leistungshalbleitermodul
und Kühlelement
mit nur einer einzigen Halteklammer realisiert und somit sehr einfach
und kostengünstig
gestaltet sein kann.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Baugruppe
erlaubt vorteilhafter Weise, bestimmte gewünschte Montagereihenfolgen
einzuhalten. So kann das Leistungshalbleitermodul zunächst in
an sich bekannter Weise über
Lötverbindungen
z.B. in einem der Wärmeableitkontaktfläche abgewandten Bereich
mit weiteren Bauteilen und/oder einer Platine verbunden werden.
Die bereits vormontierte Klammer erleichtert die erst dann zu schaffende
Verbindung mit dem Kühlelement,
was andernfalls durch die Platine erschwert wäre.
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In diesem Zusammenhang sieht eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Leistungshalbleitermodul
mit einer Platine verbunden ist und dass die Platine einen Zugang
aufweist, durch den der Verankerungsbereich zugänglich ist.
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Bei einer konstruktiv und fertigungstechnisch vorteilhaften
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe
ist der Verankerungsbereich U-förmig ausgebildet
und weist an zumindest einem U-Schenkel eine Arretierung auf, mit
der der Verankerungsbereich im Widerlager des Kühlelements fixiert ist.
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Eine weitere fertigungstechnische
Vereinfachung sieht erfindungsgemäß vor, dass das Widerlager
von einer Öffnung
des Kühlelements
gebildet ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein
Verfahren zum Herstellen einer wärmeleitenden
Verbindung zwischen einer Wärmeableitkontaktfläche eines
mit einer Platine verbundenen Leistungshalbleitermoduls und einem
Kühlelement.
Bei diesem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine federnde
Halteklammer mit einem Verbindungsbereich mit dem Halbleitermodul
verbunden wird, das Leistungshalbleitermodul mit der Platine verbunden
wird, die Wärmeableitkontaktfläche in Kontakt
mit dem Kühlelement
gebracht wird und zur Aufrechterhaltung des Kontakts ein Verankerungsbereich
der Halteklammer in einem kühlelementseitigen
Widerlager verankert wird, indem durch eine in der Platine vorgesehene Zugangsöffnung auf
den Verankerungsbereich eingewirkt wird.
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Damit ist eine sehr effektive Herstellung
gewährleistet,
wobei die nachfolgenden Montageschritte, insbesondere die Verbindung
mit dem Kühlelement
erleichtert sind. Die vorab geschaffene Verbindung zwischen Leistungshalbleitermodul
und Klammer schafft vorteilhafter weise eine gemeinsam und unverlierbar
zu handhabende Einheit, mit der bestimmte gewünschte Montagereihenfolgen
eingehalten werden können.
So kann das Leistungshalbleitermodul zunächst in an sich bekannter Weise
z.B. über Lötverbindungen
in einem der Wärmeableitkontaktfläche abgewandten
Bereich mit weiteren Bauteilen und/oder einer Platine verbunden
werden. Die bereits vormontierte Klammer und der Zugang in der Platine
erleichtern die dann vorzunehmende Montage auf dem Kühlelement.
Dieser Zugang, durch den der Verankerungsbereich zugänglich ist,
kann im einfachsten Fall eine vorteilhafter Weise leicht und mit geringem
Platzverbrauch auf der Platine herstellbare Bohrung sein.
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Eine zur Verwendung in diesem Verfahren geeignete
Halteklammer hat einen Verankerungsbereich, der von einem Widerlager
des Kühlelements aufnehmbar
ist und einen Verbindungsbereich, mit dem die Halteklammer mit dem
Halbleitermodul verbindbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert; es zeigen:
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1:
schematisch die Montagereihenfolge einer erfindungsgemäßen Baugruppe,
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2:
eine Halteklammer in stark vergrößerter Darstellung,
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3:
schematisch einen Montageabschnitt nach 1.
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In 1 sind
die nachfolgend noch näher
erläuterten
Montageschritte entsprechend ihrer zeitlichen Ausführungsreihenfolge
mit 1., 2. und 3. bezeichnet.
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Zunächst wird (1. Schritt) eine
Halteklammer 10 mit einem Verbindungsbereich 10a auf
der oberen Seite 12 eines Leistungshalbleitermodul-Gehäuses 14 fixiert.
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Wie 2 vergrößert zeigt,
kann der Verbindungsbereich 10a der Halteklammer 10 von
einem freien federnden Ende der Halteklammer gebildet sein. Dieses
freie Ende übt
bei Kontakt mit der Gehäuseoberseite 12 (1) auf diese eine Druckkraft F1
aus. Ein weiter Endbereich der Klammer 10 dient als Verankerungsbereich 10b und
ist im wesentlichen federnd U-förmig ausgebildet.
Der innere Schenkel des U weist einen Widerhaken 10c (2) auf.
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Das Gehäuse 14 umgibt nicht
näher dargestellte
Bauteile, insbesondere Leistungshalbleiter, die auf der Oberseite
eines Keramiksubstrats angeordnet und Bestandteile eines Leistungshalbleitermoduls 15 sind.
Die Bauteile sind über
nicht gezeigte Leiterbahnen elektrisch kontaktiert und mit externen Lötanschlüssen 16 verbunden.
Die Unterseite 20 des Substrats ist durchgängig mit
Kupfer kaschiert und fungiert damit als Wärmeableitkontaktfläche 22.
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Die obere Seite 12 des Gehäuses 14 weist einen
Verriegelungshaken 12a auf, der im vormontierten Zustand – d.h. nach
Herstellung einer mechanischen Verbindung mit der Halteklammer 10 – den Verbindungsbereich 10a der
Klammer autonom fixiert.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
bedeutet der Begriff der autonomen Fixierung, dass die beiden Teile
für die
Zwecke der weiteren Montage ausreichend sicher und bevorzugt unverlierbar
miteinander verbunden sind. Dies schließt jedoch auch lose Verbindungen
nicht aus, die eine nachträgliche Ausrichtung
und/oder relative Bewegung und Verschiebung zulassen.
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Im anschließenden Montageschritt (2. Schritt)
wird eine Leiterplatte oder Platine 30 z.B. durch Lötverbindungen
mit den Anschlüssen 16 mit dem
Leistungshalbleitermodul 15 verbunden und bildet somit
für den
weiteren Herstellungsprozess der Baugruppe eine Einheit mit dem
Leistungshalbleitermodul. Auf der Platine können auch noch weitere Bauteile
angeordnet und kontaktiert sein. Die Platine 30 hat eine Öffnung oder
Durchgangsbohrung 30a, auf die nachfolgend noch näher Bezug
genommen wird. Vorzugsweise ist die Halteklammer 10 so
ausgeformt und dimensioniert, dass sie nach Verbindung mit dem Leistungshalbleitermodul
nicht über
die Ebene der Wärmeableitkontaktfläche 22 hinausragt.
Das gewährleistet,
dass die Wärmeableitkontaktfläche vor
der weiteren Montage einfach und automatisierbar bedarfsweise mit
einer Wärmeleitpaste
bedruckt oder bestrichen werden kann.
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Erst nach Verbindung von Platine 30 und Leistungshalbleitermodul 15 wird
die so vorgefertigte Einheit mit der Wärmeableitkontaktfläche 22 auf
eine korrespondierende Kontaktfläche 40a eines
Kühlelements 40 gepresst
(3. Schritt). Das Kühlelement
kann ein stranggepresster Kühlkörper sein
und ist mit einer Öffnung,
Bohrung oder einer geeigneten Nut 40b versehen. Auch Alu-Deckguss
mit Bohrung ist möglich. (Im
einfachsten Fall ein Blech.)
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3 zeigt
die zeitliche Abfolge dieses 3. Montageschritts. Im linken Teil
der 3 ist das mit der
Wärmeableitkontaktfläche 22 bereits
auf das Kühlelement 40 aufgesetzte
Leistungshalbleitermodul 15 gezeigt. Dabei ist der Verankerungsbereich 10b bereits
so ausgerichtet, dass er sich direkt über der Bohrung 40b befindet.
Die Halteklammer 10 ist unter elastischer Verformung mit
ihrem Verankerungsbereich 10b nach oben ausgelenkt.
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Im rechten Teil der 3 ist die abschließende Endmontage illustriert.
Hier wird durch die bevorzugt zylindrische Öffnung 30a der Platine 30 mit
einem nicht näher
gezeigten Werkzeug (beispielsweise ein Stift mit einem an die Klammerdicke
angepassten Schlitz) eine Kraft F auf den Verankerungsbereich
10b der
Halteklammer 10 ausgeübt.
Dadurch verformt sich dieser Bereich elastisch und dringt schließlich durch
die Öffnung 30a hindurch.
Die Öffnung
bildet damit ein Widerlager 50 für den Verankerungsbereich 10b bzw.
für den
Widerhaken 10c (2).
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Damit ist der Verankerungsbereich 10b gegen
ein unbeabsichtigtes Herausrutschen aus der Öffnung 30a durch die
Verriegelung (Arretierung) des Widerhakens 10c am unteren Öffnungsrand
gesichert. In diesem Zustand wird die Wärmeableitkontaktfläche 22 durch
die von dem Verbindungsbereich 10a auf die Oberseite 12 des
Leistungshalbleitermoduls 15 ausgeübte Druckkraft F1 (2) federnd gegen die Oberseite
des Kühlelements 40 gepresst
und sorgt für
einen zuverlässigen
Wärmeübergang.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe ist damit durch
eine kostengünstig
und einfach herstellbare, zuverlässige
Befestigung des Leistungshalbleitermoduls auf dem Kühlelement
gekennzeichnet. Besonders vorteilhaft kann diese Befestigung und
Verbindung mit nur einer einzigen Halteklammer realisiert werden.
Dabei kann bedarfsweise zuerst die Verbindung des Leistungshalbleitermoduls
mit einer Platine und erst danach die Verbindung mit dem Kühlelement
geschaffen werden, ohne dass dies zu einem wesentlich verkomplizierten
Montageablauf führt.
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Die Halteklammer und das Leistungshalbleitermodul
können
vorteilhafter Weise völlig
unabhängig
von der eigentlichen Platinen- und Kühlelement-Montage vormontiert
und dann gemeinsam gehandhabt werden.
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- 1
- Montageschritt
- 2
- Montageschritt
- 3
- Montageschritt
- 10
- Halteklammer
- 10a
- Verbindungsbereich
- 10b
- Verankerungsbereich
- 10c
- Widerhaken
- 12
- obere
Seite
- 14
- Gehäuse
- 15
- Leistungshalbleitermodul
- 16
- Lötanschluss
- 20
- Unterseite
- 22
- Wärmeableitkontaktfläche
- 30
- Platine
- 30a
- Öffnung
- 40
- Kühlkörper
- 40a
- Kontaktfläche
- 40b
- Bohrung
- 50
- Widerlager
- F
- Kraft
- F1
- Druckkraft