DE19914497A1 - Wärmeableitender Sockel für Bauelementträger - Google Patents

Wärmeableitender Sockel für Bauelementträger

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Abstract

Eine Anordnung zur thermischen Ankopplung von elektrischen Bauelementen (4a, 4b, 4c, 4d) an eine als Wärmesenke wirkende Gehäusegrundplatte (1) weist einen Bauelementträger (3) auf, der auf einem auf der metallischen Gehäusegrundplatte (1) vorgesehenen metallischen Sockel (2) angebracht ist. An der Oberseite des Bauelementträgers (3) sind elektrische Bauelemente (4a, 4b, 4c) angeordnet. Der metallische Sockel (2) weist wenigstens eine oberflächenseitige Ausnehmung (10) auf, in welcher ein an der Unterseite des Bauelementträgers (3) anbringbares elektrisches Bauelement (4d) aufnehmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur thermischen Ankopp­ lung von dissipativen elektrischen Bauelementen an eine als Wärmesenke wirkende Gehäusegrundplatte.
Aus den europäischen Patentanmeldungen EP 0 489 958 A1 und EP 0 085 622 A2 sind bereits verschiedene Maßnahmen zur Abfüh­ rung der Verlustwärme von dissipativen elektrischen Bauele­ menten zu einem Gehäuse bekannt.
Eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der deutschen Patentanmeldung DE 197 13 657 A1 beschrieben. Diese Anordnung erfüllt die in der Praxis gestellten Anforde­ rungen hinsichtlich des Abtransports der von den Bauelementen erzeugten Verlustwärme. Nachteilig sind jedoch die verhält­ nismäßig großen seitlichen Abmessungen der Anordnung, die entsprechend großvolumige Gehäuse erforderlich machen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der für die Bauelemente verfügbare Platz auf dem Bauelementträger bereits nach dem Entwurf der Gehäusegrundplatte mit Sockel nicht mehr erwei­ terbar ist, da aus Gründen einer guten Wärmeableitung der Bauelementträger später nicht über den Sockel überstehen darf. Dies hat zur Folge, daß die nachträgliche Montage ei­ nes elektrischen Bauelements auf dem Bauelementträger aus Platzmangel häufig nicht mehr möglich ist, oder aber eine ge­ wünschte Bestückungsvariabilität des Bauelementträgers nur durch eine vorsorglich großzügige Dimensionierung des Sockels erreichbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur thermischen Ankopplung von dissipativen elek­ trischen Bauelementen an ein Gehäuse zu schaffen, die bei weiterhin gewährleisteter Wärmeabfuhr kleine seitliche Gehäu­ sedimensionen ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäß beidseitige Bestückbarkeit des Bau­ elementträgers kann dessen Grundfläche im Vergleich zu dem Fall einer ausschließlich oberflächenseitigen Bestückbarkeit reduziert werden. Dies ermöglicht eine entsprechende Ver­ kleinerung der Sockelgrundfläche und in Folge davon eine Ver­ kleinerung des gesamten Gehäuses. Dabei kann die Ausnehmung als "Reserve"-Bestückungsplatz vorgesehen sein, der nur im Bedarfsfall - beispielsweise bei einer nachträglichen Schal­ tungserweiterung oder beim Vorsehen mehrerer Schaltungsaus­ führungen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen - in An­ spruch genommen wird.
Vorzugsweise ist der metallische Sockel als ein von der Ge­ häusegrundplatte separates Teil ausgebildet.
Bevorzugt wird ein als Keramiksubstrat ausgebildeter Bauele­ mentträger eingesetzt, da er hohen thermischen und mechani­ schen Beanspruchungen standhält.
Vorzugsweise ist der Bauelementträger mittels eines Wärme­ leitklebers auf dem metallischen Sockel aufgeklebt. Damit wird die Lage des Bauelementträgers fixiert und außerdem eine gute Wärmeabfuhr gesichert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der metallische Sockel mittels Befestigungselemen­ ten in der Grundplatte verankert ist. Hierfür sind insbeson­ dere Schraubglieder bevorzugt, da sie die Anwendung hoher Be­ festigungskräfte erlauben. Durch hohe Befestigungskräfte kann der Anpreßdruck-abhängige Wärmeübergangswiderstand zwi­ schen Sockel und Gehäusegrundplatte wirksamen vermindert wer­ den.
Allgemein wird die thermische Ankopplung der elektrischen Bauelemente an die Gehäusegrundplatte bei einer Verminderung der Sockelhöhe verbessert. Aus diesem Grund kann eine gerin­ ge Sockelhöhe vorteilhaft sein, wobei die Ausnehmung den Sockel vollständig durchlaufen kann und sich gegebenenfalls so­ gar in die Gehäusegrundplatte fortsetzt.
Sofern mehrere Ausnehmungen vorgesehen sind, in denen ver­ schiedene elektrische Bauelemente mit unterschiedlichen Bau­ elementhöhen untergebracht werden sollen, ist es günstig, die entsprechenden Ausnehmungen mit an die Bauelementhöhen ange­ paßten, unterschiedlichen Aufnahmetiefen auszustatten.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische, teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung mit hinzugefügtem Gehäusedeckel in Querschnittansicht.
Auf eine Gehäusegrundplatte 1 ist ein metallischer Sockel 2 aufgesetzt, auf dessen Oberfläche ein Bauelementträger 3 an­ gebracht ist. Auf dem Bauelementträger 3 ist eine elektri­ sche Schaltung realisiert, die dissipative elektrische Bau­ elemente 4a, 4b, 4c unterschiedlicher Größe und unterschied­ licher Verlustwärmeentwicklung umfaßt.
Die elektrische Schaltung steht über Bonddrähte 5 mit Kon­ taktpads 6 in Verbindung, die elektrische Leiterbahnen (nicht dargestellt) einer den metallischen Sockel 2 allseitig umge­ benden flexiblen Leiterplatte 7 elektrisch kontaktieren.
Oberhalb der Gehäusegrundplatte 1 ist ein Gehäusedeckel 8 dargestellt, der zusammen mit der Gehäusegrundplatte 1 ein die elektrische Schaltung einschließendes Gehäuse bildet.
Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Getriebe- oder Mo­ torsteuergerät zum Verbau in einem Getriebe/Motor handeln. Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums gegenüber einem Umge­ bungsmedium (Öl, Benzin, Wasser) ist eine in einer Gehäuse­ deckelnut eingelegte umlaufende Dichtung 9 vorgesehen, die bei zusammengefügter Gehäusegrundplatte 1 und Deckel 8 eine dichte Anlage an der darunterliegenden flexiblen Leiterplatte 7 ausbildet.
Der metallische Sockel 2 ist mit einer oberflächenseitigen Ausnehmung 10 versehen, die in dem hier dargestellten Bei­ spiel den metallischen Sockel 2 vollständig durchläuft. Die Ausnehmung 10 kann als randseitige Materialaussparung oder im Vollmaterial des Sockels 2 gebildet sein. In der Ausnehmung 10 ist ein weiteres elektrisches Bauelement 4d untergebracht, das an der Unterseite des Bauelementträgers 3 befestigt ist.
Die elektrische Verbindung des Bauelements 4d mit der elek­ trischen Schaltung auf der Oberseite des Bauelementträgers 3 wird mittels Durchkontaktierungen realisiert.
Der Bauelementträger 3 kann in Form eines mechanisch stabilen und thermisch beständigen Keramiksubstrats (LTCC) realisiert sein.
Die Gehäusegrundplatte 1 wirkt als Wärmesenke für die in den elektrischen Bauelementen 4a, 4b, 4c, 4d im Betrieb entwic­ kelte Verlustwärme. Um eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr zu bewirken, ist der Bauelementträger 3 (mit Ausnahme des Ab­ schnitts, an dem das elektrische Bauelement 4d montiert ist) ganzflächig mit einem wärmeleitfähigen Kleber an dem metalli­ schen Sockel 2 angeklebt.
Ferner sind die seitlichen Abmessungen des metallischen Soc­ kels 2 größer oder zumindest genau so groß wie die seitlichen Abmessungen des Bauelementträgers 3, so daß an jeder Stelle des Bauelementträgers 3 eine Wärmeableitung über den Sockel 2 möglich ist.
Der metallische Sockel 2 sowie die Gehäusegrundplatte 1 und der Deckel 8 können beispielsweise aus Aluminium bestehen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Verbesserung der Wärmeab­ fuhr von den elektrischen Bauelementen 4a, 4b, 4c, 4d (Wärme­ quellen) zu der Gehäusegrundplatte 1 (Wärmesenke) betrifft die Minimierung des Wärmeübergangswiderstands zwischen dem metallischen Sockel 2 und der Gehäusegrundplatte 1. Zu die­ sem Zweck kann zwischen dem metallischen Sockel 2 und der Ge­ häusegrundplatte 1 ebenfalls ein Wärmeleitkleber vorgesehen sein, und der metallische Sockel 2 kann ferner über Schraub­ glieder 11 fest und vollflächig an die Gehäusegrundplatte 1 angepreßt werden.
Zur mechanischen Sockelpositionierung kann ein Zentrierstift 12 und/oder ein grundplattenseitiger Zentriervorsprung 13 eingesetzt werden.
Sofern zur (temporären) Speicherung von Verlustwärme eine ho­ he Wärmekapazität benötigt wird, kann diese durch eine ent­ sprechend große Masse des metallischen Sockels 2 bereitge­ stellt werden. In diesem Fall kann der Sockel 2 eine größere Höhe aufweisen, und die Ausnehmungen 10 können in Art von Sacklöchern ausgebildet sein.
Ferner muß die den Sockel 2 tragende Gehäusegrundplatte 1 nicht den Gehäuseboden darstellen sondern kann eine Seiten­ wand oder Deckenwand des Gehäuses bilden.
Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung ist es insbesonde­ re möglich, eine große Anzahl von Leistungsbauelementen 4a, 4b, 4c, 4d in kompakter Weise auf einem Bauelementträger 3 zu montieren und trotzdem strenge Anforderungen an Wärmeabfuhr und Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen und sonstigen Beanspruchungen im rauhen Betrieb zu erfüllen.

Claims (8)

1. Anordnung zur thermischen Ankopplung von dissipativen elektrischen Bauelementen (4a, 4b, 4c, 4d) an eine als Wärme­ senke wirkende metallische Gehäusegrundplatte (1), mit
  • - einem Bauelementträger (3), an dessen Oberseite elektrische Bauelemente (4a, 4b, 4c) angeordnet sind, und
  • - einem auf der metallischen Gehäusegrundplatte (1) vorgese­ henen metallischen Sockel (2), auf dem der Bauelementträger (3) angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sockel (2) wenigstens eine oberflächen­ seitige Ausnehmung (10) aufweist, in welcher ein an der Un­ terseite des Bauelementträgers (3) anbringbares elektrisches Bauelement (4d) aufnehmbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sockel (2) als ein von der Gehäusegrund­ platte (1) separates Teil ausgebildet ist.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauelementträger (3) ein Keramiksubstrat ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauelementträger (3) mittels eines Wärmeleitklebers auf dem metallischen Sockel (2) aufgeklebt ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sockel (2) mittels eines Wärmeleitklebers auf der Gehäusegrundplatte (1) aufgeklebt ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Sockel (2) mittels Befestigungselementen, insbesondere Schraubgliedern (11) in der Gehäusegrundplatte (1) verankert ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (10) den Sockel (2) vollständig durch­ läuft.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem metallischen Sockel (2) mehrere oberflächenseitige Ausnehmungen (10) vorhanden sind, von denen zumindest zwei unterschiedliche Aufnahmetiefen aufweisen.
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