DE10353849A1

DE10353849A1 - Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil

Info

Publication number: DE10353849A1
Application number: DE10353849A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Ferber; Benedikt Specht
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: DE10353849B4; US20060272797A1; WO2005050738A1

Abstract

Die Kühlvorrichtung umfasst ein Kühlelement (3) und eine Anpressvorrichtung (4), die das Bauteil (1) an das Kühlelement (3) presst. DOLLAR A Um eine einfach herstellbare, platzsparende und zuverlässige Befestigung des Bauteils (1) auf dem Kühlelement zu realisieren, ist die Anpressvorrichtung (4) federnd ausgebildet und kraftschlüssig mit dem Kühlelement (3) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil mit einem Kühlelement und einer Anpress-/Befestigungsvorrichtung, die das Bauteil an das Kühlelement presst.

Eine derartige, aus der DE 199 42 915 A1 hervorgehende Kühlvorrichtung umfasst ein elektrisches Bauteil mit einem isolierenden und thermisch leitenden Substrat. Auf der Substratoberseite sind mehrere Leistungshalbleitermodule angeordnet und mit Leiterbahnstrukturen elektrisch verbunden.

Die Substratunterseite fungiert als Wärmeableitkontaktfläche, mit der das Substrat mit Hilfe einer Anpressvorrichtung auf einen Kühlkörper gepresst wird, um beim Betrieb des Bauteils in Form von Wärme auftretende Verlustleistungen abführen zu können. Die Anpressvorrichtung ist von mehreren elektrisch leitenden Druckstücken gebildet, die sich einerseits an einer überdeckenden Leiterplatte und andererseits an dem Substrat abstützen. Die Anpressvorrichtung ist konstruktiv verhältnismäßig aufwendig und in der Montage anspruchsvoll.

Weiterhin ist eine Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil mit einer Anpressvorrichtung bekannt, die als federnde Halteklammer ausgebildet ist und die einen Verankerungsbereich aufweist, der von einem Widerlager des Kühlelements aufgenommen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass eine platzsparende, einfache und kostengünstig herstellbare Verbindung und Wärmeleitung zwischen Bauteil und Kühlelement geschaffen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Dabei ist eine federnd ausgebildete Anpressvorrichtung kraftschlüssig mit dem Kühlelement verbunden, wodurch eine äußerst einfache Kraftübertragung zwischen Bauteil und Kühlelement realisiert ist. Die Verbindung erfordert gegenüber anderen denkbaren Verbindungen – wie z.B. Schraubverbindungen – nur einen sehr geringen Platzbedarf und keine zusätzlichen Befestigungsteile. Damit ist eine sehr einfache Montage und – wenn erwünscht – auch Demontage möglich. Vorzugsweise besteht eine Anpressvorrichtung aus einem Teil.

Vorteilhafterweise kann die Anpress-/Befestigungsvorrichtung ein oder mehrere geeignete Elemente für eine kraftschlüssige Verbindung aufweisen, die z.B. in eine korrespondierende Öffnung des Kühlelements eingebracht werden. Dabei haben die Verbindungselemente gegenüber der Öffnung ein Aufmaß oder Übermaß. Eine diesbezüglich vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anpressvorrichtung ein federndes Verbindungselement aufweist, das in eine Öffnung des Kühlelements eingepresst ist. Dabei ist nach einer konstruktiv und fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Verbindungselement eine geschlitzte Hülse, deren Übermaß sich beim Einpressen in die Öffnung elastisch und damit reversibel auf die Öffnungsweite reduziert. Durch die Federkraft und den Durchmesser der Hülse lässt sich die Haftreibungskraft soweit einstellen, dass Beschleunigungskräfte, wie sie beispielsweise durch Vibrationen verursacht werden, nicht zur Lösung der Verbindung führen.

In speziellen Anwendungsfällen, z.B. bei hoch temperatur- und/oder schwingungsbelastenden Umgebungsbedingungen, kann es wünschenswert sein, die Verbindung zusätzlich zu sichern. Dazu sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung vor, die Verbindung zwischen Anpressvorrich tung und Kühlelement durch eine in Demontagerichtung wirkende Sperre zu sichern. Die Sperre kann ein Widerhaken sein, der die Reibungskräfte zwischen den Verbindungspartnern erhöht.

Eine montagetechnisch bevorzugte Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anpressvorrichtung einen federnden Bügel aufweist, mit dem das Bauteil an das Kühlelement anpressbar ist und der beidendig ein federndes Element aufweist.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil im Querschnitt,
2a bis 2d eine Anpressvorrichtung in verschiedenen Ansichten und
3a bis 3c eine weitere erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in verschiedenen Ansichten.
1 zeigt eine erste Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil (Leistungshalbleitermodul) 1. Das Bauteil 1 weist eine Wärmeableitfläche 2 auf, mit der es in innigem wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlelement 3 steht. Dazu dient eine Anpressvorrichtung 4, die kraftschlüssig mit dem Kühlelement 3 fest verbunden ist und auf das Leistungshalbleitermodul 1 eine Anpresskraft F1 ausübt. Schematisch ist ein externer elektrischer Anschluss 5 des Leistungshalbleitermoduls erkennbar.
Die Anpressvorrichtung 4 besteht aus einem federelastischen Material, beispielsweise aus einem Blattfederstahl, und umfasst einen federnden Bügel 8, der mit der Anpresskraft F1 auf das Leistungshalbleitermodul 1 drückt. Zur Befestigung in einer Bohrung 9 des Kühlelements 3 hat die Anpressvorrichtung 4 zumindest ein Kraftschlusselement (Verbindungselement) 10. Dieses ist vorzugsweise von einer zylindrischen Federhülse 11 gebildet, die aus Blattfederstahl gebildet ist und einen Längsschlitz hat. Dieser verleiht dem Kraftschlusselement die gewünschte radiale Federkraft. Diese Kraft kann durch geeignete Dimensionierung (Länge, Durchmesserübermaß, Einstecktiefe) und Durchmesser anwendungsorientiert so eingestellt werden, dass die dadurch erzeugten (Haft)Reibungskräfte oder Klemmkräfte F2 zwischen der Wandung der Bohrung 9 und der Oberfläche der Federhülse 11 sicherstellen, dass diese fest und zuverlässig in der Bohrung fixiert ist. Damit ist eine Übertragung der Gegenkraft zur Anpresskraft F1 auf das Kühlelement 3 gewährleistet. Zur bedarfsweise zusätzlichen Sicherung ist eine Sperre in Form eines Widerhakens 14 vorgesehen, der eine Bewegung (in Demontagerichtung D und bei einer zylindrischen Federhülse zusätzlich gegen Verdrehung) hemmt.
2a zeigt separat eine Anpressvorrichtung 20 mit einem hülsenförmigen federnden Element 21 als Befestigungsvorrichtung, einem Andruckbügel 22 und einem Widerhaken 23. Wie 2b verdeutlicht, umfasst die Anpressvorrichtung insgesamt zwei federnde Elemente 21, 24, die jeweils an den Enden des Bügels 22 als längsgeschlitzte Hülsen ausgeformt sind. Die Darstellung in 2c und die perspektivische Darstellung in 2d zeigen, dass zur Versteifung des an den Bügel 22 anschließenden Mittelteils 27 dieses am unteren Ansatz der Hülsen 21, 24 gefalzt ist. Dieser Falz 28 verläuft also parallel zum Bügel 22.
Die 3a, 3b und 3c zeigen eine Variante der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, bei der zwei parallele, im unbelasteten Zustand bogenförmige Blattfedern 30, 31 auf ein Leistungshalbleitermodul 33 (3b, 3c) drücken. Die Federenden 30a, 30b und 31a, 31b sind über zwei Querträger 34, 35 zu einem Federrahmen verbunden.
Im jeweiligen mittleren Bereich der Querträger sind jeweils federnde Elemente 36, 37 vorgesehen, die prinzipiell wie vorbeschrieben ausgestaltet sind und durch kraftschlüssige Verbindung in zwei Bohrungen 38, 39 eines Kühlelements 40 fixiert sind (3b und 3c).
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zeichnet sich durch eine einfache Montage (und Demontage) aus, bei der grundsätzlich nur die Elemente zur Erzeugung der kraftschlüssigen Verbindung in die korrespondierenden und z.B. durch Bohren sehr leicht erzeugbaren Aufnahmen des Verbindungspartners eingesteckt werden müssen. Zusätzliche Teile wie z.B. Schrauben sind nicht erforderlich und der Platzbedarf dieser kraftschlüssigen Verbindung ist sehr gering.

D: Demontagerichtung
F1: Anpresskraft
F2: Klemmkräfte
1: Bauteil (Leistungshalbleitermodul)
2: Wärmeableitfläche
3: Kühlelement
4: Anpressvorrichtung
5: Anschluss
8: Bügel
9: Bohrung
10: Kraftschlusselement
11: Federhülse
14: Widerhaken
20: Anpressvorrichtung
21: federndes Element
22: Andruckbügel
23: Widerhaken
24: federndes Element
27: Mittelteil
28: Falz
30, 31: Blattfedern
30a, 30b: Federenden
31a, 31b: Federenden
33: Leistungshalbleitermodul
34, 35: Querträger
36, 37: federnde Elemente
38, 39: Bohrungen
40: Kühlelement

Claims

Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil mit einem Kühlelement (3) und einer Anpressvorrichtung (4), die das Bauteil (1) an das Kühlelement (3) presst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressvorrichtung (4) federnd ausgebildet und kraftschlüssig mit dem Kühlelement (3) verbunden ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressvorrichtung (4) ein federndes Element (10) aufweist, das in eine Öffnung (9) des Kühlelements (3) eingepresst ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Element (10) eine geschlitzte Hülse (11) ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Anpressvorrichtung (4) und Kühlelement (3) durch eine Sperre gesichert (14) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperre ein Widerhaken (14) ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressvorrichtung (4) einen federnden Bügel (8) aufweist, mit dem das Bauteil (1) an das Kühlelement (3) anpressbar ist und der beidendig ein federndes Element (21, 24) aufweist.