DE19916010C1 - Heat conduction device for circuit board component heat sink has press-fit element inserted in opening in printed circuit board between circuit board component and heat sink mounted on opposite circuit board surfaces - Google Patents

Heat conduction device for circuit board component heat sink has press-fit element inserted in opening in printed circuit board between circuit board component and heat sink mounted on opposite circuit board surfaces

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Abstract

Heat conduction device has a press-fit element (1) with a spring elastic peripheral edge, inserted in an opening (5) in the PCB (3) beneath the circuit board component (2), to provide a heat conduction path between the latter and the heat sink (4) mounted on the opposite side of the PCB. The edge of the press-fit element fits into an opening (6) in the heat sink concentric to the opening in the PCB.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Wärmeableitung von einem elektrischen Bauelement auf einer Leiterplatte zu einem Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for heat dissipation from an electrical Component on a circuit board to a heat sink according to the preamble of Claim 1.

Eine solche Anordnung kann bspw. der DE 42 20 966 A1 entnommen werden. Die Trägerplatte der Bauelemente, also die Leiterplatte, weist unterhalb des zu kühlenden Bauelements eine Öffnung auf, in die ein Wärmeableitelement zwischen der zur Leiterplatte gerichteten Rückseite des Bauelements und dem Kühlkörper angeordnet ist. Dieses Wärmeableitelement ist dort aus einem plastisch verform­ baren Material und wird in die Öffnung der Trägerplatte eingepreßt. Dann wird thermisch leitend das zu kühlende Bauelement auf das Wärmeableitelement auf­ geklebt und durch Bonddrähte mit der Leiterplatte verbunden.Such an arrangement can be found, for example, in DE 42 20 966 A1. The Carrier plate of the components, that is, the circuit board, faces below cooling component on an opening into which a heat sink between the back of the component facing the circuit board and the heat sink is arranged. This heat dissipation element is plastically deformed there baren material and is pressed into the opening of the carrier plate. Then it will be the component to be cooled is thermally conductive on the heat dissipation element glued and connected to the circuit board by bonding wires.

Eine Alternative dazu sind Ausformungen des Kühlkörpers durch die Leiterplatte hindurch, wie sie bspw. der US 5,220,487 zu entnehmen sind oder separate Kühlkörper, wie sie bspw. in der DE 33 15 583 A1 vorgestellt werden, auf denen das Bauelement jeweils mit wärmeleitfähigem Kleber montiert wird.An alternative to this are the heat sink formed by the circuit board through, as can be seen, for example, from US Pat. No. 5,220,487 or separately Heatsinks, as they are presented for example in DE 33 15 583 A1, on which the Component is mounted with thermally conductive adhesive.

Zunächst erlauben solche Verfahren keine nachträgliche Montage des Wärmeableit­ elements. Gerade bei SMD-Montage kann es daher zu Problemen kommen, so daß im allgemeinen dieses Verfahren nur für die dargestellte Bond-Kontaktierung ein­ gesetzt wird. Das Bauelement weist somit keine direkte mechanisch tragfähige Ver­ bindung zur Leiterplatte auf. Das Wärmeableitelement wird an der Leiterplatte durch plastische Verformung befestigt. Zudem ist der Wärmeübergangswiderstand einer solchen Klebeverbindung oft unzureichend und prozeßabhängig. First of all, such methods do not allow subsequent installation of the heat dissipation elements. Problems can therefore arise, especially with SMD assembly, so that in general, this method only for the bond contact shown is set. The component thus has no direct mechanically stable Ver binding to the circuit board. The heat dissipation element is on the circuit board plastic deformation attached. In addition, the heat transfer resistance is one such an adhesive bond is often inadequate and process-dependent.  

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und zugleich thermisch ausreichend leitfähige Anordnung zur Wärmeableitung vorzustellen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object of the invention is therefore a simple and at the same time thermal to present a sufficiently conductive arrangement for heat dissipation. This task is solved by the characterizing features of claim 1. Beneficial Further training can be found in the subclaims.

Grundgedanke der Erfindung ist, anstelle eines plastisch verformten Wärmeableit­ elements ein federelastisches Einpreßelement zu verwenden, welches auch im ein­ gebauten Zustand einen definierbaren Anpreßdruck auf das bereits vorab montierte Bauelement ausübt und so ein besserer Wärmeübergangswiderstand erzielt werden kann, als dies durch thermisch leitfähige Kleber möglich ist.The basic idea of the invention is instead of a plastically deformed heat dissipation elements to use a spring-elastic press-in element, which can also be used in a built condition a definable contact pressure on the already assembled Component exercises and so a better heat transfer resistance can be achieved can than is possible with thermally conductive glue.

Das Bauelement muß zur Montage des Einpreßelements bereits befestigt sein, da ansonsten beim Verlöten des Bauelements dieses durch die Anpreßkraft von der Leiterplatte weggedrückt werden könnte. Ist das Bauelement bereits auf der Leiter­ platte montiert, ergibt sich die Montage des Einpreßelements von der entgegen­ gesetzten Seite der Leiterplatte aus und zwar durch eine Öffnung im dort rückseitig angeordneten Kühlkörper. Das Einpreßelement wird durch die Öffnung im Kühl­ körper zu der dazu konzentrischen Öffnung in der Leiterplatte geführt, wobei es dabei zwischen dem Bauelement und dem Rand der Öffnung im Kühlkörper ver­ spannt und arretiert wird. Die Verspannung wird dabei durch eine elastische Aus­ wölbung des Einpreßelements zum Bauelement erreicht, welche sich beim Ein­ pressen unter Überwindung der zum Anpressen dann dienenden Rückstellkraft rück­ stellt und das Bauelement flächig berührt. Die erforderliche Gegenkraft erfolgt durch die Arretierung am Rand der Öffnung des Kühlkörpers, wo ein federelastischer Rand­ bereich vorgesehen ist. Die Einschnitte in der Auswölbung des Einpreßelements erhöhen bzw. ermöglichen die erforderliche Federelastizität zum Bauelement und die flächige Berührung zwischen beiden, die für eine gute Wärmeleitfähigkeit ebenfalls entscheidend ist. Durch zusätzliches Einbringen eines wärmeleitfähigen Mittels, vor­ zugsweise Lot, in die Öffnung des Kühlkörpers zum Bauelement hin wird die Wärme­ leitfähigkeit weiter verbessert und das Einpreßelement zusätzlich fixiert. Das Lot kann dabei auch vorab auf das Einpreßelement oder auch rückseitig auf das Bauelement aufgebracht sein und durch lokales Löten, bsw. Stempel- oder Laser­ löten zum Ausgleich von Unebenheiten dienen.The component must already be attached for mounting the press-in element, because otherwise when soldering the component this by the contact pressure of the PCB could be pushed away. The component is already on the ladder mounted plate, the assembly of the press-in element results from the opposite exposed side of the circuit board through an opening in the back there arranged heat sink. The press-in element is through the opening in the cooling body to the concentric opening in the circuit board, where it ver between the component and the edge of the opening in the heat sink is tensioned and locked. The bracing is by an elastic Aus curvature of the press-in element to the component is reached, which is when the press back while overcoming the restoring force then used for pressing represents and touches the component surface. The required counterforce occurs through the detent at the edge of the opening of the heat sink, where a resilient edge area is provided. The incisions in the bulge of the press-in element increase or enable the required elasticity to the component and the two-dimensional contact between the two, which also ensures good thermal conductivity is crucial. By additionally introducing a thermally conductive agent preferably solder, the heat in the opening of the heat sink to the component conductivity further improved and the press-in element additionally fixed. The Lot can also in advance on the press-in element or on the back on the Be applied component and by local soldering, bsw. Stamp or laser soldering to compensate for unevenness.

Das Einpreßelement kann einstückig als Stanzteil hergestellt werden und durch Wahl der Größe der Berührungsfläche, dem Material und der Blechdicke an die Bedürfnisse angepaßt werden. Das Einführen und Aufpressen kann dabei fertigungs­ technisch kontrolliert werden, indem die Rückstellung der Mitte der Auswölbung beobachtet wird.The press-in element can be produced in one piece as a stamped part and by Choice of the size of the contact surface, the material and the sheet thickness to the Needs to be adjusted. The insertion and pressing can be manufacturing  be technically controlled by resetting the center of the bulge is observed.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:The invention is intended to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and figures are explained. Brief description of the figures:

Fig. 1 Schnitt durch die Öffnungen der Leiterplatte und des Kühlkörpers zur Verdeutlichung des zwischen Bauelementerückseite und dem Rand der Kühlkörperöffnung verspannten Einpreßelements, Fig. 1 interface, through the openings of the circuit board and the heat sink illustrating the strained between components back and the edge of the cooling body orifice insert element

Fig. 2 kappenförmiges Einpreßelement gemäß Fig. 1, Fig. 2 cap-shaped press-in element according to FIG. 1,

Fig. 3 Anordnung zur Wärmeableitung mit einem tellerförmigen Einpreß­ element, Fig. 3 arrangement for heat dissipation with a plate-shaped clinching element,

Fig. 4 tellerförmiges Einpreßelement entspannt vor dem Einführen. Fig. 4 plate-shaped press-in element relaxed before insertion.

Fig. 1 zeigt ein elektrisches Bauelement 2, welches auf einer Leiterplatte 3 angeordnet und über ein als Einpreßelement 1a ausgebildetes Wärmeableitelement mit dem Kühlkörper 4 verbunden ist. Dazu weist die Leiterplatte 3 unterhalb des Bauelements 2 eine Öffnung 5 auf, durch die hindurch das Einpreßelement 1a auf die Rückseite des Bauelements 2 angepreßt ist. Konzentrisch zur Öffnung 5 in der Leiterplatte 3 weist auch der gegenüber dem Bauelement 2 rückseitig auf der Leiterplatte 3 angeordnete Kühlkörper 4 eine Öffnung 6 auf, durch die das Einpreß­ element 1a eingeführt wird und an deren Rand es unter Verspannung zum Bau­ element 2 hin arretiert ist. Fig. 1 shows an electrical component 2, which is arranged on a circuit board 3 and connected via a press-1 as a heat dissipating member formed with the heat sink 4. For this purpose, the printed circuit board 3 below the component 2 has an opening 5 through which the press-in element 1 a is pressed onto the back of the component 2 . Concentric to the opening 5 in the circuit board 3 also has the opposite to the component 2 arranged on the back of the circuit board 3 heat sink 4, an opening 6 through which the press-in element 1 a is inserted and at the edge of which it is locked under tension to the construction element 2 is.

Fig. 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des entspannten kappenförmigen Einpreßelements gemäß Fig. 1. Dabei sind deutlich die elastische Auswölbung 11 zum Bauelement 2 hin sowie die von der Mitte aus radial nach außen führenden Einschnitte 12 zu erkennen, durch die die Auswölbung 11 neben einer geeigneten Auswahl eines federelastischen Materials für das Einpreßelement 1a zusätzliche Elastizität erhält und eine möglichst flächige Berührung zwischen dem Einpreß­ element 1a und der Rückseite des Bauelements 2 im angepreßten Zustand gemäß Fig. 1 gewährleistet ist. Zur Arretierung und Aufbringung der zur Anpreßung erforderlichen Gegenkraft weist dieses kappenförmige Einpreßelement 1a eine sich an die Auswölbung 11 senkrecht anschließendem zylindrische Mantelfläche 13 auf. Diese Mantelfläche 13 ist mit einem Übermaß gegenüber dem Umfang der Öffnung 6 im Kühlkörper 4 ausgebildet. FIG. 2 shows a three-dimensional representation of the relaxed cap-shaped press-in element according to FIG. 1. The elastic bulge 11 towards the component 2 and the incisions 12 leading radially outwards from the center, through which the bulge 11 in addition to a suitable one, can be clearly seen Selection of a resilient material for the press-in element 1 a receives additional elasticity and the greatest possible surface contact between the press-in element 1 a and the back of the component 2 in the pressed state according to FIG. 1 is ensured. To lock and apply the counterforce required for pressing, this cap-shaped press-in element 1 a has a cylindrical lateral surface 13 which adjoins the bulge 11 perpendicularly. This lateral surface 13 is formed with an oversize compared to the circumference of the opening 6 in the heat sink 4 .

Beim Einpressen des kappenförmigen Einpreßelements 1a erfolgt so eine Ver­ spannung der zylindrischen Mantelfläche 3 und eine Arretierung gegen den Rand der Öffnung 6 im Kühlkörper. Zur Verbesserung der Federelastizität der Mantel­ fläche 3 ist dieses gefedert, das heißt mit Einschnitten 14 versehen.When the cap-shaped press-in element 1 a is pressed in, a tensioning of the cylindrical lateral surface 3 takes place and a lock against the edge of the opening 6 in the heat sink. To improve the elasticity of the jacket surface 3 , this is spring-loaded, that is provided with incisions 14 .

Die Fig. 3 und 4 zeigen nun eine Anordnung zur Wärmeableitung mit einem tellerförmigen Einpreßelement 1b, welches jedoch wiederum die bekannte Aus­ wölbung 11 zum Bauelement 2 hin aufweist, die nach dem Anpressen zum Bau­ element 2 hin unter Aufbringung der zur Anpreßung erforderlichen Rückstellkraft rückgestellt wird und die Rückseite des Bauelements 2 flächig berührt. Zur Durch­ führung des Einpreßelements weist die Leiterplatte 3 wiederum eine Öffnung 5 unterhalb des Bauelements 2 sowie der Kühlkörper 4 eine dazu konzentrische Öffnung 6 auf, wobei letztere Öffnung 6 in diesem Fall entsprechend der teller­ förmigen Ausgestaltung des Einpreßelements 1b im Vergleich zur Öffnung in der Leiterplatte 5 größer ausfällt. Das Einpreßelement 1b ist wiederum in einer drei­ dimensionalen Darstellung in Fig. 4 im entspannten Zustand gezeigt, aus dem im Vergleich mit Fig. 3 der Effekt der Verspannung deutlich wird. Wiederum weist die Auswölbung 11 von der Mitte aus radial nach außen führende Einschnitte 12 auf, die die Federelastizität der Auswölbung zum Bauelement 2 hin erhöhen. Die Arretierung des Einpreßelements 1b am Rand der Öffnung 6 des Kühlkörpers 4 ist jedoch anders ausgestaltet. Dazu weist das Einpreßelement 1b entsprechend der Dicke der Leiterplatte 3 einen von der Auswölbung 11 zurückgesetzten Randbereich 15 auf, der federelastisch stauchbar gebogen ist und ebenfalls ein Übermaß gegen über dem Umfang der Öffnung 6 im Kühlkörper 4 aufweist, so daß eine Verspannung und Arretierung entsteht. Die stauchbare Zone 16 im Randbereich 15 erhöht dabei beim Einpressen des Einpreßteils 1b die Verkrümmung, um die federelastischen Kräfte der Auswölbung 11 und des Randbereichs 15 aufzunehmen. Zur Fixierung und Ver­ besserung der Wärmeleitfähigkeit wird das Einpreßelement 1b wiederum mit einem wärmeleitfähigen Mittel 17, vorzugsweise Lot, vollständig oder, wie in Fig. 3 dargestellt teilweise, aufgefüllt, welches in der Öffnung 6 des Kühlkörpers 4 erstarrt und so das Einpreßelement in seiner Lage fixiert. Andererseits erhöht diese Verfüllung der Öffnung 6 sowie des Einpreßelements 1 die Wärme­ aufnahmekapazität der Anordnung. FIGS. 3 and 4 then show an arrangement for heat dissipation with a plate-like press-1 b, which however in turn known from buckle 11 to the component 2 toward which the element after the pressing for the construction 2 towards reset by applying the required for pressing restoring force is and touches the back of the component 2 flat. To guide the press-in element, the printed circuit board 3 in turn has an opening 5 below the component 2 and the heat sink 4 has an opening 6 concentric therewith, the latter opening 6 in this case corresponding to the plate-shaped configuration of the press-in element 1 b compared to the opening in FIG PCB 5 is larger. The press-in element 1 b is again shown in a three-dimensional representation in FIG. 4 in the relaxed state, from which the effect of the bracing becomes clear in comparison with FIG. 3. Again, the bulge 11 has notches 12 leading radially outwards from the center, which increase the elasticity of the bulge toward the component 2 . The locking of the press-in element 1 b at the edge of the opening 6 of the heat sink 4 is designed differently. For this purpose, the press-in element 1 b corresponding to the thickness of the printed circuit board 3 has an edge region 15 set back from the bulge 11 , which is bent so as to be resiliently compressible and also has an excess compared to the circumference of the opening 6 in the heat sink 4 , so that tensioning and locking occurs . The compressible zone 16 in the edge region 15 increases the curvature when the press-in part 1 b is pressed in, in order to absorb the resilient forces of the bulge 11 and the edge region 15 . To fix and improve the thermal conductivity, the press-in element 1 b is in turn completely or, as shown in FIG. 3, partially filled with a heat-conductive agent 17 , preferably solder, which solidifies in the opening 6 of the heat sink 4 and thus the press-in element in it Fixed location. On the other hand, this filling of the opening 6 and the press-in element 1 increases the heat absorption capacity of the arrangement.

Claims (6)

1. Anordnung zur Wärmeableitung von einem elektrischen Bauelement (2) auf einer Leiterplatte (3) zu einem Kühlkörper (4), wobei der Kühlkörper (4) auf der dem Bauelement (2) gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (3) angeordnet ist, die Leiterplatte (3) in dem vom Bauelement (2) abgedeckten Bereich eine Öffnung (5) aufweist, durch die hindurch ein Wärmeableitelement zwischen der zur Leiterplatte (3) gerichteten Rückseite des Bauelements (2) und dem Kühlkörper (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) als Wärmeableitelement ein zum Bauelement (2) hin flächiges, mit einer elastischen Auswölbung (11) versehenes Einpreßelement (1a, 1b) vorgesehen ist, welches einen federelastischen äußeren Randbereich (13, 15) aufweist,
  • b) konzentrisch zur Öffnung (5) in der Leiterplatte (3) im Kühlkörper (4) eine weitere Öffnung (6) vorgesehen ist, und
  • c) das Einpreßelement (1a, 1b) unter Verspannung zwischen dem Rand dieser weiteren Öffnung (6) und dem Bauelement (2) arretiert ist.
1. Arrangement for heat dissipation from an electrical component ( 2 ) on a circuit board ( 3 ) to a heat sink ( 4 ), the heat sink ( 4 ) being arranged on the side of the circuit board ( 3 ) opposite the component ( 2 ), the circuit board ( 3 ) in the area covered by the component ( 2 ) has an opening ( 5 ) through which a heat dissipation element is arranged between the rear side of the component ( 2 ) facing the circuit board ( 3 ) and the heat sink ( 4 ), characterized in that that
  • a)) out flat, provided as a heat dissipating element to the component (2 having a resilient protrusion (11) provided with press-in element (1 a, 1 b) having a resilient outer edge portion (13, 15),
  • b) a further opening ( 6 ) is provided concentrically with the opening ( 5 ) in the circuit board ( 3 ) in the heat sink ( 4 ), and
  • c) the press-in element ( 1 a, 1 b) is locked under tension between the edge of this further opening ( 6 ) and the component ( 2 ).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswölbung (11) des Einpreßelements (1a, 1b) von der Mitte aus radial nach außen führende Einschnitte (12) aufweist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the bulge ( 11 ) of the press-in element ( 1 a, 1 b) from the center radially outwardly leading incisions ( 12 ). 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpreß­ element (1a) kappenförmig mit der Auswölbung (11) zum Bauelement (2) und einer zylindrischen Mantelfläche (13) mit einem Übermaß im Umfang der Öffnung (6) im Kühlkörper (4) ausgebildet ist, wobei die Mantelfläche (13) gefiedert mit Einschnitten (14) versehen ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the press-in element ( 1 a) cap-shaped with the bulge ( 11 ) to the component ( 2 ) and a cylindrical lateral surface ( 13 ) with an excess in the circumference of the opening ( 6 ) in Heat sink ( 4 ) is formed, the outer surface ( 13 ) being provided with incisions ( 14 ) in a pinnate manner. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpreßelement (1b) tellerförmig mit der Auswölbung (11) zum Bauelement (2) sowie rückgesetzt dazu mit einem zumindest einfach federelastisch gebogenen stauchbaren Randbereich (15) zum Rand der Öffnung (6) des Kühlkörpers (4) hin ausgebildet ist. 4. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the press-in element ( 1 b) plate-shaped with the bulge ( 11 ) to the component ( 2 ) and reset to it with an at least simply resiliently bent compressible edge region ( 15 ) to the edge of the opening ( 6 ) of the heat sink ( 4 ) is formed. 5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einpreßelement (1a, 1b) einstückig aus einem metallischen Stanzteil geformt ist.5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the press-in element ( 1 a, 1 b) is integrally formed from a metallic stamped part. 6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einpreßelement (1a, 1b) nach dem Einführen durch ein wärmeleitfähiges Mittel (17), vorzugsweise Lot, zusätzlich fixiert ist.6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the press-in element ( 1 a, 1 b) is additionally fixed after insertion by a thermally conductive means ( 17 ), preferably solder.
DE1999116010 1999-04-09 1999-04-09 Heat conduction device for circuit board component heat sink has press-fit element inserted in opening in printed circuit board between circuit board component and heat sink mounted on opposite circuit board surfaces Expired - Fee Related DE19916010C1 (en)

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