DE10246577A1 - Circuit board with metal housing, e.g. for motor vehicle control circuit, has spring member for making contact between circuit board or power semiconductor device and metal housing for heat removal - Google Patents

Circuit board with metal housing, e.g. for motor vehicle control circuit, has spring member for making contact between circuit board or power semiconductor device and metal housing for heat removal Download PDF

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Abstract

The circuit board has heat-removing device including a sheet-metal spring member (1) which is arranged in contact between the circuit board (4) or a power semiconductor device (7) and the metal housing. The spring member comprises a plate with two limbs, the plate being attached to the circuit board or the metal housing. The limbs may have comb-like teeth.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem Metallgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a printed circuit board with a metal case according to the generic term of claim 1.

Leiterplatten werden zur Anordnung elektrischer oder elektronischer Komponenten für z.B. Steuerungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Komponenten sind vorzugsweise mit der SMD (Surface Mounted Device) – Technik, das heißt auf einer Oberfläche der Leiterplatte, befestigt. Falls auf den Leiterplatten Leistungshalbleiter angeordnet sind, die Wärme erzeugen, muss diese Wärme abgeleitet werden.Printed circuit boards become an arrangement electrical or electronic components for e.g. Controls in motor vehicles used. The components are preferably with the SMD (Surface Mounted Device) - technology, this means on one surface the circuit board. If power semiconductors on the circuit boards are arranged, the heat generate this heat be derived.

Der Anmelderin ist eine Leiterplatte mit mindestens einem Leistungshalbleiter bekannt, die in einem Metallgehäuse befestigt, z.B. geschraubt ist. Im Gehäuseboden ist an der Stelle, die dem Leistungshalbleiter gegenüberliegt, eine Erhebungen in Richtung der Leiterplatte angeordnet. Die Erhebung ist so hoch, dass sie und die Leiterplatte mit ihren zugewandten Flächen im wesentlichen in einer Ebene sind. Zwischen der Fläche und der Leiterplatte ist z.B. eine Wärmeleitfolie oder ein Gelpad angeordnet, um durch Verkleben einen sicheren, elastischen Verbund zu gewährleisten. Nachteil dieser Leiterplatte ist, dass die Erhebung fester Bestandteil des Gehäuses ist. Wenn z.B. die Anordnung des Leistungshalbleiters auf der Leiterplatte geändert wird, muss auch das Gehäuse entsprechend geändert werden, was mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist. Die Anordnung der Wärmeleitfolie oder des Gelpad ist aufwändig, verschlechtert die Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem direkten Kontakt, und bei relativ gut wärmeleitfähigem Material ist die Elastizität unbefriedigend.The applicant is a printed circuit board known with at least one power semiconductor, which is fixed in a metal housing, e.g. is screwed. In the case back is at the point opposite the power semiconductor a bumps arranged in the direction of the circuit board. The assessment is so high that it and the circuit board with their facing surfaces are essentially in one plane. Between the surface and the circuit board is e.g. a thermal foil or a gel pad arranged to glue a secure, elastic Ensure interconnection. Disadvantage of this circuit board is that the survey is an integral part of the housing is. If e.g. the arrangement of the power semiconductor on the circuit board changed the housing must also changed accordingly be what with additional Effort is connected. The arrangement of the heat-conducting film or the gel pad is complex, deteriorates the thermal conductivity compared to the direct contact, and the elasticity is unsatisfactory in the case of relatively good heat-conductive material.

Die DE 195 18 521 A1 beschreibt gattungsgemäß ein Gehäuse eines Steuergeräts mit einem Gehäuseboden und einem Gehäusedeckel, zwischen denen eine Leiterplatte angeordnet ist. Der Gehäusedeckel ist als Kühlkörper mit zumindest einer Senke ausgebildet, die thermisch mit der Leiterplatte oder einem hierauf angeordneten Leistungsbauelement verbunden ist. Solche Gehäusedeckel haben den Nachteil, dass sie aus gezogenen und/oder gebogenen Blechen gefertigt sein müssen und somit aufwändig herzustellen sind. Weiterhin muss der Gehäusedeckel eine relativ große Vorspannung in Richtung Leiterplatte aufweisen, damit ein sicherer Kontakt zwischen der Senke der zu kühlenden Fläche gewährleistet ist. Dies führt einerseits zu einem dauernden Druck auf die Leiterplatte, die sich entsprechend durchbiegt, und damit zu Pro blemen bei der Haltbarkeit der Befestigungen der Leistungsbauelemente führt. Andererseits kann der Boden der Senke eine eventuell fehlende Parallelität zwischen dem Boden und der Oberfläche der Leiterplatte nicht ausgleichen, so dass es zu einem punktförmigen Kontakt mit entsprechend ungenügender Wärmespreizung kommen kann. Die Anordnung einer Vielzahl von Leistungsbauelementen auf der Leiterplatte und einer entsprechenden Anzahl von Senken ist wegen des erforderlichen gleichmäßigen Kontakts problematisch. Schließlich kann der Gehäusedeckel sich beim Aufsetzen und/oder Abnehmen verziehen, was zu einem wesentlich verschlechtertem Kontakt führt.The DE 195 18 521 A1 describes a housing of a control unit with a housing base and a housing cover, between which a circuit board is arranged. The housing cover is designed as a heat sink with at least one depression, which is thermally connected to the printed circuit board or a power component arranged thereon. Such housing covers have the disadvantage that they have to be made from drawn and / or bent metal sheets and are therefore difficult to manufacture. Furthermore, the housing cover must have a relatively large prestress in the direction of the printed circuit board, so that reliable contact between the depression of the surface to be cooled is ensured. On the one hand, this leads to permanent pressure on the circuit board, which bends accordingly, and thus leads to problems with the durability of the fastenings of the power components. On the other hand, the bottom of the sink cannot compensate for any lack of parallelism between the bottom and the surface of the printed circuit board, so that point contact with correspondingly insufficient heat spreading can occur. The arrangement of a large number of power components on the printed circuit board and a corresponding number of sinks is problematic because of the uniform contact required. Finally, the housing cover can warp when it is put on and / or removed, which leads to a considerably deteriorated contact.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leiterplatte zu schaffen, von der Wärme sicher in ein Metallgehäuse abgeleitet werden kann. Hierbei sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden.The object of the invention is a To create circuit board from which heat is safely dissipated in a metal case can be. The known from the prior art Disadvantages are avoided.

Die Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Mittel zum Ableiten von Wärme mindestens ein aus Blech geformtes Federelement umfassen, das mit Kontakt zwischen der Leiterplatte oder dem Leistungsmodul und dem Metallgehäuse angeordnet ist, ist auch ohne Verklebung immer eine optimal große Kontaktfläche zwischen der Wärmequelle auf der Leiterplatte und den Mitteln zum Abführen von Wärme gewährleistet. Die Wärmeableitung erfolgt durch Metall, also ein sehr gut wärmeleitendes Material. Da Metall weder kriecht noch schrumpft noch versprödet, ist dauerhaft ein vollständiger Kontakt zwischen der Wärmequelle und den Mitteln zum Ableiten von Wärme gegeben.The task is due to the characteristic features of claim 1 solved. The fact that the means for dissipating heat at least one made of sheet metal Shaped spring element include that in contact between the circuit board or the power module and the metal housing is also arranged without gluing always an optimally large contact area between the heat source guaranteed on the circuit board and the means for dissipating heat. The heat dissipation is made of metal, a very good heat-conducting material. Because metal neither creeping nor shrinking nor embrittling is permanent full contact between the heat source and the means for dissipating heat.

Die Mittel zum Ableiten können neben dem Federelement z.B. thermische Durchkontaktierungen, Plättchen und das Gehäuse umfassen.The means for deriving can be next the spring element e.g. thermal vias, platelets and the housing include.

Die Federkraft des Federelements ist einfach durch z.B. Materialauswahl und/oder Form des Federelements einstellbar, so dass einerseits der Kontakt gewährleistet ist und andererseits eine schädliche Durchbiegung der Leiterplatte vermieden wird.The spring force of the spring element is easy by e.g. Material selection and / or shape of the spring element adjustable, so that contact is guaranteed on the one hand and on the other hand a harmful Deflection of the circuit board is avoided.

Die Ausgestaltung des Metallgehäuses ist unabhängig von der Anordnung der Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte, so dass Änderungen bei dem einen keine Änderungen bei dem anderen nach sich ziehen müssen. Dies vereinfacht insgesamt die Fertigung.The design of the metal housing is independent of the arrangement of the power semiconductors on the circuit board, making changes in the one no changes with the other. Overall, this simplifies manufacturing.

Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.The subclaims relate to the advantageous embodiment the invention.

Eine Befestigung des Federelements an der Leiterplatte nach Anspruch 2 ist leicht herzustellen.A fastening of the spring element on the circuit board according to claim 2 is easy to manufacture.

Eine Befestigung des Federelements am Metallgehäuse nach Anspruch 3 ermöglicht die Wärmeabführung aus zwei Leistungshalbleitern.A fastening of the spring element on the metal housing according to claim 3 the heat dissipation two power semiconductors.

Kammartige Zähne nach Anspruch 4 bewirken einen Ausgleich von z.B. Unebenheiten im Metallgehäuse. Jeder Zahn steht in Kontakt mit dem Metallgehäuse; ein nur punktförmiger Kontakt infolge von Verwindungen wird sowohl zwischen Leiterplatte und Federelement als auch zwischen Metallgehäuse und Federelement vermieden.Comb-like teeth effect according to claim 4 a compensation of e.g. Bumps in the metal housing. Everyone Tooth is in contact with the metal housing; a point contact only due to twisting is both between the circuit board and the spring element as well as between the metal case and Avoid spring element.

Eine Befestigung durch mindestens einen Niet nach Anspruch 5 oder durch Lötverbindungen nach Anspruch 6 sind einfach herzustellen.An attachment by at least a rivet according to claim 5 or by solder connections according to claim 6 are easy to manufacture.

Eine Befestigung durch mindestens eine Schraube nach Anspruch 5 ist ohne besonderen Aufwand wieder lösbar.An attachment by at least a screw according to claim 5 is again without any special effort solvable.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenThe invention is based on the in the drawing, illustrated in simplified form, the embodiment. It demonstrate

1 vergrößert ein Federelement senkrecht von oben, 1 enlarges a spring element vertically from above,

2 eine Seitenansicht gemäß 1, 2 a side view according to 1 .

3 einen Schnitt durch eine Leiterplatte mit Metallgehäuse, wobei ein Federelement an der Leiterplatte befestigt ist und 3 a section through a circuit board with a metal housing, wherein a spring element is attached to the circuit board and

4 einen Schnitt durch eine andere Leiterplatte mit Metallgehäuse, wobei ein Federelement am Metallgehäuse befestigt ist. 4 a section through another circuit board with a metal housing, wherein a spring element is attached to the metal housing.

Wie aus 1 ersichtlich ist ein Federelement 1 in der Draufsicht rechteckig. Es besteht aus einem rechteckigen – hier quadratischen – Grundkörper 2. An zwei gegenüberliegenden Enden des Grundkörpers 2 sind jeweils kammartig fünf Zähne 3 angeordnet. Jeder Zahn 3 hat eine Breite, die in etwa einem Elftel der Breite des Grundkörpers 2 entspricht; der Abstand zwischen zwei benachbarten Zähnen 3 entspricht etwa dem 1,5-fachen der Breite eines Zahns 3.How out 1 a spring element can be seen 1 rectangular in plan view. It consists of a rectangular - here square - basic body 2 , At two opposite ends of the body 2 are comb-like five teeth each 3 arranged. Every tooth 3 has a width that is approximately one eleventh of the width of the basic body 2 corresponds; the distance between two adjacent teeth 3 corresponds to approximately 1.5 times the width of a tooth 3 ,

Wie aus 2 zu sehen hat das Federelement 1 die Form einer durch den Grundkörper 2 gebildeten Platte mit zwei durch die Zähne 3 gebildeten, schräg nach außen abstehenden, gleich langen Schenkeln.How out 2 you can see the spring element 1 the shape of a through the body 2 formed plate with two by the teeth 3 formed, obliquely protruding outward, equally long legs.

Dabei ist jeder Zahn 3 an seinem an den Grundkörper 2 angrenzenden, inneren Ende derart gebogen, dass zwischen der Ebene der Grundkörper 2 und einer Längsachse des Zahns 3 ein Winkel α von vorzugsweise ca. 140° bis 150° gebildet ist. Am äußeren Ende 3.1 ist jeder Zahn 3 um ca. 65° in entgegengesetzter Richtung gebogen. Alle Biegeradien sind kleiner als 1 mm.Every tooth is there 3 on his on the main body 2 adjacent inner end bent such that between the plane of the body 2 and a longitudinal axis of the tooth 3 an angle α of preferably approximately 140 ° to 150 ° is formed. At the outer end 3.1 is every tooth 3 bent by approx. 65 ° in the opposite direction. All bending radii are less than 1 mm.

Das Federelement 1 ist hier aus 0,6 mm dickem Federblech geformt und wird durch z.B. Stanzen und anschließendes oder gleichzeitiges Biegen hergestellt.The spring element 1 is formed here from spring sheet 0.6 mm thick and is produced by, for example, punching and subsequent or simultaneous bending.

Ein erstes Einbaubeispiel für das Federelement 1 ist in 3 dargestellt. Eine Leiterplatte 4 ist in einem Metallgehäuse 5 mit Hilfe von Schrauben 6 befestigt. Hierbei ist die Leiterplatte 4 im wesentlichen parallel und mit geringem Abstand von z.B. 3 mm zum Boden des Metallgehäuses 5 angeordnet. Auf der dem Boden abgewandten Oberfläche der Leiterplatte 4 ist ein Leistungshalbleiter 7 befestigt (SMD- Technik). In die Leiterplatte 4 sind nach 3 unterhalb des Leistungshalbleiters 7 thermische Durchkontaktierungen 8 eingearbeitet, das sind Wärmeleiter, die von einer auf die andere Oberfläche der Leiterplatte 4 führen. Auf der Leiterplatte 4 ist gegenüber dem Leistungshalbleiter 7 der Grundkörper 2 des Federelements 1 derart befestigt, dass dieser im wesentlichen den Bereich der Durchkontaktierungen 8 bedeckt. Die Befestigung erfolgt z.B. durch Verlöten oder durch einen Niet, der durch den Leistungshalbleiter 7 geführt ist. Die Zähne 3 des Federelements 1 stützen sich mit ihren Enden 3.1 federnd gegen den Boden des Metallgehäuses 5 ab.A first installation example for the spring element 1 is in 3 shown. A circuit board 4 is in a metal case 5 with the help of screws 6 attached. Here is the circuit board 4 essentially parallel and with a small distance of, for example, 3 mm to the bottom of the metal housing 5 arranged. On the surface of the circuit board facing away from the floor 4 is a power semiconductor 7 attached (SMD technology). In the circuit board 4 are after 3 below the power semiconductor 7 thermal vias 8th incorporated, these are heat conductors that go from one surface to the other of the circuit board 4 to lead. On the circuit board 4 is compared to the power semiconductor 7 the basic body 2 of the spring element 1 attached in such a way that it essentially covers the area of the plated-through holes 8th covered. The attachment takes place, for example, by soldering or by a rivet through the power semiconductor 7 is led. The teeth 3 of the spring element 1 support each other with their ends 3.1 springy against the bottom of the metal case 5 from.

Die im Betrieb der Leiterplatte 1 durch den Leistungshalbleiter 7 erzeugte Wärme wird über die Durchkontaktierungen 8 und das Federelement 1 in das Metallgehäuse 5 abgeleitet. Dieses strahlt dann die Wärme in die Umgebung ab.The one in operation of the circuit board 1 through the power semiconductor 7 The heat generated is through the vias 8th and the spring element 1 into the metal case 5 derived. This then radiates the heat into the environment.

Das zweite Einbaubeispiel nach 4 entspricht im wesentlichen dem ersten mit folgenden Unterschieden: Auf der Leiterplatte 4 sind zwei Leistungshalbleiter 7 befestigt, unter denen jeweils thermische Durchkontaktierungen 8 zur Unterseite der Leiterplatte 4 eingearbeitet sind. Auf der den Leistungshalbleitern 7 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 4 ist in jedem Bereich der thermischen Durchkontaktierungen 8 ein Plättchen 9 so befestigt, dass es diese zumindest teilweise bedeckt. Das Plättchen 9 besteht aus gut wärmeleitfähigem Material und ist z.B. eine Wärmeleitfolie, die mit einer dünnen elektrisch isolierenden Zwischenschicht versehen ist.The second installation example after 4 corresponds essentially to the first with the following differences: On the circuit board 4 are two power semiconductors 7 attached, under which thermal vias 8th to the bottom of the circuit board 4 are incorporated. On the power semiconductors 7 opposite side of the circuit board 4 is in every area of thermal vias 8th a tile 9 attached so that it at least partially covers them. The tile 9 consists of a good heat-conductive material and is, for example, a heat-conducting film which is provided with a thin, electrically insulating intermediate layer.

Den zwei Leistungshalbleitern 7 ist das Federelement 1 zugeordnet, das mit dem Grundkörper 2 am Gehäuse befestigt – z.B. geschraubt, genietet oder geschweißt – ist. Die Zähne 3 sind zur Unterseite der Leiterplatte 4 mit federndem Kontakt zu den Plättchen 9 geführt, wobei die einer Seite des Grundkörpers 2 zugeordneten Zähne 3 in den Bereich des einen Leistungshalbleiters 7 und die der anderen Seite des Grundkörpers 2 zugeordneten Zähne 3 in den Bereich des anderen Leistungshalbleiters 7 reichen. Das Plättchen 9 bewirkt hierbei eine Wärmespreizung und eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Federkraft.The two power semiconductors 7 is the spring element 1 assigned that with the main body 2 attached to the housing - e.g. screwed, riveted or welded - is. The teeth 3 are to the bottom of the circuit board 4 with resilient contact to the platelets 9 performed, with one side of the body 2 assigned teeth 3 in the area of a power semiconductor 7 and that of the other side of the body 2 assigned teeth 3 in the area of the other power semiconductor 7 pass. The tile 9 causes heat spreading and a largely uniform distribution of the spring force.

In den Einbaubeispielen ist das Federelement 1 zwischen der Leiterplatte 4 und dem Boden des Gehäuses 5 angeordnet. Es ist auch möglich, das Federelement 1 zwischen dem Deckel des Gehäuses 5 und der Leiterplatte 4 oder zwischen dem Gehäuse 5 und den Leistungshalbleitern 7 anzuordnen.The spring element is in the installation examples 1 between the circuit board 4 and the bottom of the case 5 arranged. It is also possible to use the spring element 1 between the cover of the housing 5 and the circuit board 4 or between the housing 5 and the power semiconductors 7 to arrange.

Claims (5)

Leiterplatte mit einem Metallgehäuse, wobei die Leiterplatte zumindest teilweise von einem Metallgehäuse umgeben ist und wobei Mittel zum Ableiten von Wärme aus mindestens einem Leistungshalbleiter in das Metallgehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ableiten von Wärme mindestens ein aus Blech geformtes Federelement (1) umfassen, das mit Kontakt zwischen der Leiterplatte (4) oder dem Leistungshalbleiter (7) und dem Metallgehäuse (5) angeordnet ist.Printed circuit board with a metal housing, the printed circuit board being at least partially surrounded by a metal housing and wherein means for dissipating heat from at least one power semiconductor are arranged in the metal housing, characterized in that the means for dissipating heat have at least one spring element formed from sheet metal ( 1 ) include the contact between the circuit board ( 4 ) or the power half ter ( 7 ) and the metal housing ( 5 ) is arranged. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) die Form einer Platte mit zwei abstehenden Schenkeln aufweist, wobei das Federelement (1) mit der Platte an der Leiterplatte (4) befestigt ist.Printed circuit board according to claim 1, characterized in that the spring element ( 1 ) has the shape of a plate with two protruding legs, the spring element ( 1 ) with the plate on the circuit board ( 4 ) is attached. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) die Form einer Platte mit zwei abstehenden Schenkeln aufweist, wobei das Federelement (1) mit der Platte am Metallgehäuse (5) befestigt ist.Printed circuit board according to claim 1, characterized in that the spring element ( 1 ) has the shape of a plate with two protruding legs, the spring element ( 1 ) with the plate on the metal housing ( 5 ) is attached. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (1) einen die Platte bildenden Grundkörper (2) und an gegenüberliegenden Enden des Grundkörpers angeordnete, die Schenkel bildende kammartige Zähne (3) aufweist.Printed circuit board according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spring element ( 1 ) a base body forming the plate ( 2 ) and comb-like teeth arranged at opposite ends of the base body and forming the legs ( 3 ) having. Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) an ihren äußeren Enden (3.1) gebogen sind.Printed circuit board according to claim 4, characterized in that the teeth ( 3 ) at their outer ends ( 3.1 ) are bent.
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