DE2840514C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit wenigstens einem wärmeerzeugenden elektrischen Schaltungselement und einem eine planare Montagefläche aufweisenden Kühlkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus der US-PS 38 01 728 bekannt.
Elektrische Leistungsschaltgeräte sind häufig als Hybridschaltungen ausgebildet, bei denen leitende Schichten und übliche Widerstandselemente auf einer flachen Platte aus Keramikmaterial angeordnet sind und bei denen ein Leiterrahmen haftend mit den Leiterschichten verbunden ist. Aktive Schaltkreiselemente, wie beispielsweise Triacs und Thyristoren sind auf Streifen bzw. Leisten angebracht, die den Leiterrahmen bilden. Ein solches Gerät ist beispielsweise in der US-PS 39 58 075 beschrieben.
Bei Anordnungen dieser Art wird eine dünne Schicht aus Lötmaterial auf die Grenzflächen zwischen den elektronischen Bauteilen auf der Keramikplatte vor dem Zusammenbau aufgebracht, und nach dem Zusammenbau wird die Keramikplatte zusammen mit den daran angebrachten Bauteilen erwärmt, so daß das Lötmittel schmilzt und die Teile haftend miteinander verbindet. Üblicherweise wird die Außenseite der Keramikplatte gleichzeitig haftend mit einer relativ massiven, metallischen Grundplatte verbunden, die Schraubenöffnungen besitzt, mit deren Hilfe die gesamte Anordnung auf einen Kühlkörper gepreßt wird. Eine solche Anordnung hat eine Vielzahl von Übergangsstellen, die die Wärmeübertragung von den wärmeentwickelnden Bauteilen zum Kühlkörper behindern.
Aus der eingangs genannten US-PS 38 01 728 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Leiterrahmen, der beidseitig von isolierenden Plastikfolien abgedeckt ist, auf eine Metallplatte aufgelegt ist. Von dem Leiterrahmen stehen mehrere Anschlüsse weg, die aus der Ebene des Leiterrahmens hochgebogen sind. Auf der Metallplatte ist ein Mikroelektronik-Chip befestigt, das mit den Leitern des Leiterrahmens über dünne elektrische Verbindungsdrähte verbunden ist. Auf der Oberseite ist die Anordnung aus Metallplatte, isoliertem Leiterrahmen und Chip von einem blockartigen Deckel abgedeckt, der Durchgangskanäle für die hochgebogenen Anschlüsse des Leiterrahmens hat. Der Deckel ist an der Grundplatte mittels Hohlnieten gesichert, die Bohrungen im Deckel und in der Metallplatte durchdringen. Die Metallplatte bildet eine gute Wärmeableitung für das Chip und kann ggf. mittels Schrauben an einem Kühlkörper befestigt werden, die die Hohlnieten durchdringen.
An dieser Konstruktion ist nachteilig, daß die Metallplatte nicht in einwandfreie Berührung mit dem Kühlkörper gelangen kann, wenn die Hohlnieten über die Unterseite der Metallplatte vorstehen, was sehr leicht der Fall ist, da diese von der Unterseite her vernietet werden. Der Druck auf die Metallplatte erfolgt im übrigen nur im wesentlichen punktförmig im Bereich der genannten Hohlnieten, was den Wärmeübergang ebenfalls beeinträchtigen kann, wenn die Metallplatte nicht ausreichend steif ist. Die Anordnung ist darüber hinaus für solche Anwendungsfälle nicht geeignet, in denen mehrere Chips auf der Metallplatte zu befestigen sind, deren wärmeabgebende Elektroden auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der wärmeerzeugende elektrische Schaltkreiselemente, die ggf. auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen, mit dem Grundkörper verbunden werden können und ein guter Wärmeübergang von dem Grundkörper sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung besteht der Grundkörper demnach aus keramischem Material, das aufgrund seiner Isolationseigenschaften es entbehrlich macht, auf ihm befestigte wärmeerzeugende Schaltkreiselemente gesondert zu isolieren. Auch ein ggf. vorhandener Leiterrahmen braucht gegenüber dem Grundkörper nicht isoliert zu werden, so daß von diesem aufgenommene Wärme ebenfalls gut an den Grundkörper und von diesem an den Kühlkörper abgegeben wird. Da der Grundkörper an seinem gesamten Rand auf den Kühlkörper gedrückt wird, ist ein guter Wärmeübergang gewährleistet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung nach der Erfindung in Verbindung mit einem Kühlkörper bzw. einer Kühlplatte in auseinandergezogener Darstellung, wobei der Kühlkörper ausschnittshaft dargestellt ist,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Anordnung nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 eine gesonderte Draufsicht auf einen üblichen Leiterrahmen, wobei dieser Leiterrahmen in der Form dargestellt ist, die er hat, bevor er in eine Anordnung nach Fig. 1 eingebaut wird,
Fig. 4 eine ausschnittshafte Vertikalschnittansicht der Anordnung nach Fig. 1, wobei der Kühlkörper nur ausschnittshaft gezeigt ist, und
Fig. 5 eine Unteransicht von Fig. 4 mit Blickrichtung in Richtung der Pfeile 5-5 in Fig. 4.
Zuerst wird Fig. 2 erläutert, um darzulegen, auf welche Art und Weise die Wärmeableitung bei üblichen wärmeentwickelnden Schaltungen behindert wird. Üblicherweise wird bei einer derartigen Schaltung ein Substrat aus keramischem Material verwendet, das im allgemeinen rechteckförmig ist und eine Stärke zwischen 0,8 und 1,6 mm besitzt. Das Substrat ist mit 10 bezeichnet und in gestrichelten Linien eingetragen. Eine Dickschichtschaltung, ein Leiterrahmen und ein wärmeerzeugendes elektrisches Schaltkreiselement sind insgesamt in Form eines mit gestrichelten Linien dargestellten rechteckförmigen Blockes 11 angedeutet. Diese Elemente sind haftend mit der Oberseite des Substrats 10 verbunden. Anschlußzungen, wie zum Beispiel die mit 12 bezeichneten, stehen von dem Leiterrahmen nach oben vor. Diese sind zum Anbringen von Außenanschlüssen an der Schaltung bestimmt. Die Unterseite des Substrats 10 bildet die Übergangsfläche zu der Oberseite einer Metallplatte, die mit 13 bezeichnet ist und üblicherweise aus einer Kupferlegierung besteht. Diese Platte besitzt seitlich verlaufende Flansche 14 und 15. Der Flansch 14 besitzt einen endseitig liegenden Schlitz 16 und der Flansch 15 besitzt eine Öffnung 17, durch die Schrauben gesteckt werden können, um die Unterseite der Platte 13 gegen die Fläche eines Kühlkörpers anzudrücken, der nicht dargestellt ist.
An der Übergangsfläche zwischen der Unterseite des Substrats 10 und der Oberseite der Platte 13, zum Beispiel an dem mit 18 bezeichneten Bereich, sind eine dünne, durch Metallaufspritzen angebrachte Schicht an der Unterseite des Substrats 10 sowie eine dünne Schicht aus Lötmittel zwischen dieser Schicht und der Oberseite der Metallplatte 13 vorgesehen. Somit sind Wärmeübergangsverbindungen zwischen dem Substrat 10 und der durch Metallaufspritzen aufgebrachten Schicht, zwischen dieser Schicht und dem Lötmittel sowie zwischen dem Lötmittel und der Oberseite der Platte 13 vorhanden. Insbesondere wenn die Platte 13 gegen einen Kühlkörper gepreßt wird, bildet sich eine weitere Übergangsstelle zwischen deren Unterseite und dem Kühlkörper. Obgleich, wie zuvor dargelegt, diese Übergangsstellen in enger Berührung sind, bilden sie trotzdem einen Wärmewiderstand für den Wärmestrom vom Substrat 10 zum Kühlkörper. Wenn die zuvor beschriebene Anordnung fertiggestellt ist, d. h. wenn die Bauteile durch Wiedererschmelzen des Lötmittels haftend verbunden sind, wird die Anordnung in eine Form (nicht dargestellt) eingebracht und mit Harz zur Bildung eines Isolierkörpers 19 vergossen oder verkapselt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 bis 5 wird eine Anordnung nach der Erfindung mit einem verbesserten Wärmeableitverhalten erläutert.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung enthält einen keramischen Grundkörper 20. Dieser Körper 20 wird bei der dargestellten Ausführungsform von einer rechteckigen keramischen Platte gebildet, die eine ebene Unterseite 21 und eine gegenüberliegende Oberseite 22 besitzt. Bei der Herstellung der Anordnung wird durch Metallaufspritzen ein Metallüberzug auf der Oberseite 22 des Grundkörpers 20 zusammen mit gedruckten Widerständen aufgebracht, wenn in der Schaltung derartige Widerstände erforderlich sind. Ein Leiterrahmen aus einer Kupferlegierung, wie zum Beispiel in Fig. 3 gezeigt, wird dann auf das Metallspritzmuster aufgelegt. Chips, wie zum Beispiel Kondensatoren, Transistoren, Dioden, Triacs oder Thyristoren werden auf die Schaltung gelegt. Da eine Lötmittelschicht bereits auf die dazwischenliegenden Komponenten aufgebracht worden ist, kann diese wiederum erschmolzen werden, so daß man alle elektrischen Anschlüsse in einem Arbeitsschritt erhält.
Der in Fig. 1 vorgesehene Leiterrahmen ist in Fig. 3 gezeigt. Er ist aus einem dünnen Blech aus einer Kupferlegierung ausgestanzt, das üblicherweise etwa 0,5 mm dick ist. Der Leiterrahmen ist insgesamt mit 23 bezeichnet. Er umfaßt einen Rand 24, der ggf. von den übrigen Rahmenteilen abgeschnitten wird, nachdem diese haftend mit dem Grundkörper 20 verbunden worden sind. Der Leiterrahmen 23 hat sechs Anschlußfahnen 25 bis 30, die ursprünglich fest mit dem Rand 24 über Stege verbunden sind, von denen einer mit 31 bezeichnet ist. Diese Stege 31 werden erforderlichenfalls durchtrennt, so daß die Anschlußfahnen 25 bis 30 wie in Fig. 1 gezeigt nach oben gebogen werden können. Die Anschlußfahnen nach Fig. 3 verlaufen zu Leiterstreifen, die beispielsweise mit 32 bis 36 bezeichnet sind. Diese Streifen sind über den durch Metallaufspritzen aufgebrachten Metallüberzug auf der Oberseite 22 des Keramikgrundkörpers 20 gelegt, und sie werden mit dem Körper 20 beim Wiedererschmelzen des Lötmittels haftend verbunden. Einige der Leiterstreifen des Leiterrahmens 23, wie zum Beispiel der mit 37 bezeichnete, dienen lediglich als Leiterteil, an dem elektrische Schaltkreiselemente angeschlossen werden können und sind mit keiner Anschlußfahne verbunden.
In Fig. 1 sind zwei wärmeerzeugende Schaltkreiselemente 38 und 39 zu sehen, die zwischen Leiterstreifen des Leiterrahmens angeschlossen sind. Selbstverständlich können auch andere elektrische Bauteile, wie zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren und Dioden mit den Leiterbahnen verbunden sein, die durch die Leiterstreifen des Leiterrahmens gebildet werden.
Im folgenden wird die neuartige Art und Weise beschrieben, nach der der Keramikkörper und die darauf vorgesehenen elektrischen Schaltelemente untergebracht werden, so daß der Grundkörper eine verbesserte Wärmeableitung in Verbindung mit einem Kühlkörper ermöglicht.
Nachdem der Rand 24 des Leiterrahmens 23 abgetrennt worden ist, werden die Anschlußfahnen 25 bis 30 nach oben gebogen, um den Grundkörper 20 dann in ein Gehäuse einzuführen, das in Fig. 1 insgesamt mit 45 bezeichnet ist. Das Gehäuse 45 ist zweckmäßigerweise aus einem warmhärtbaren Harz gegossen. Es umfaßt einen Mittelteil 46, von dem aus sich einstückig ausgebildete Flansche 47 und 48 erstrecken. Der Flansch 47 besitzt eine Öffnung 49 und der Flansch 48 einen Schlitz 50, die Schrauben aufnehmen, mit deren Hilfe das Gehäuse 45 gegen einen Kühlkörper gepreßt wird. Der Mittelteil 46 besitzt Schlitze, wie zum Beispiel einen mit 51 bezeichneten, durch die die Anschlußfahnen 25 bis 30 ragen, nachdem der Grundkörper 20 in das Gehäuse 45 eingelegt worden ist. Eine kleine Öffnung 52 ist an der Oberseite des Gehäuses 45 vorgesehen, durch die eine Isoliermasse in das Gehäuse 45 eingespritzt werden kann, die sich über die Oberseite der Schaltung auf dem Grundkörper 20 ausbreiten kann.
In Fig. 4 ist das Gehäuse 45 im Ausschnitt gezeigt. Aus dieser Figur ergibt sich, daß das Gehäuse 45 eine Ausnehmung 53 hat, die zur Aufnahme der Schaltelemente an der Oberseite 22 des Grundkörpers 20 bestimmt ist. Die Unterseite 54 des Gehäuses 45 hat eine Ausnehmung 53, die einen schulterförmig abgesetzten Teil 55 bildet, der eine Einrichtung darstellt, die die Eindringtiefe des Grundkörpers 20 in die Ausnehmung 53 begrenzt. Erfindungsgemäß steht die Unterseite 21 des Grundkörpers 20 über die Ausnehmung 53 und die ebene Unterseite 54 des Gehäuses 45 geringfügig vor, was in der Zeichnung durch den Spalt 56 dargestellt ist, der sich zwischen der Unterseite 54 des Gehäuses 45 und der Oberseite (Montagefläche) 62 eines Kühlkörpers bildet, der insgesamt mit 57 bezeichnet ist. Die Größe, um die die Unterseite 21 des Grundkörpers 20 über die Unterseite 54 des Gehäuses 45 hinausragt, liegt unter etwa 0,05 mm. Ein Maß von etwa 0,025 mm ist bei einer tatsächlich hergestellten Ausführungsform vorgesehen und hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Wenn das Gehäuse 45 an dem Kühlkörper 57 mit Schrauben über die Flansche 47 und 48 angeklemmt wird, wird der Grundkörper 20 mit Druckkraft gegen den Kühlkörper 57 gedrückt, weil der schulterförmig abgesetzte Teil 55 in der Ausnehmung 53 auf den Grundkörper 20 drückt. Somit ermöglicht die neuartige Konstruktion nicht nur einen direkten Kontakt und eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Grundkörper 20 und dem Kühlkörper 57, sondern es ergibt sich auch eine Herstellungsweise mit verminderten Kosten, da eine Basisplatte, wie zum Beispiel die in Fig. 2 mit 13 bezeichnete, entfallen kann.
Obgleich die Unterseite 21 des Grundkörpers 20 und die Montagefläche 62 des Kühlkörpers 57 nominal planar und glatt sind, können sie trotz allem mikroskopische Unregelmäßigkeiten aufweisen. Diese Unregelmäßigkeiten führen zu mehreren Kontaktpunkten zwischen den Flächen im Gegensatz zu einer vollständigen Flächenberührung, die theoretisch erwünscht ist. Der Benutzer kann somit erforderlichenfalls eine Schicht aus Silikonfett oder wärmeleitendem Klebstoff an der Grenzfläche zwischen dem Grundkörper 20 und dem Kühlkörper 57 zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung aufbringen. Diese Praxis ist auf dem Gebiet der Elektronik bekannt.
Zum Ausgleichen der Oberflächenunregelmäßigkeiten und Hohlräume, um hierdurch die Wärmeübertragung zwischen dem Grundkörper 20 und dem Kühlkörper 57 zu verbessern, kann auch eine Folie oder ein dünnes Flächengebilde verwendet werden, die in Fig. 1 mit 61 bezeichnet ist. Die Folie bzw. das Flächengebilde 61 besteht vorzugsweise aus elastomerem Material, in das extrem feine Keramikteilchen eingelagert sind. Diese Folie wird zwischen die Unterseite 21 des Grundkörpers 20 und die Montagefläche 62 des Kühlkörpers 57 gelegt, wie dies ausschnittshaft in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn die Folie 61 durch die auf die Flansche 47 und 48 des Gehäuses einwirkenden Kräfte zusammengedrückt wird, werden die Hohlräume und Unregelmäßigkeiten in die Folie 61 eingeprägt, und man erhält insgesamt eine Flächenberührung zwischen dem Grundkörper 20 und dem Kühlkörper 57. Die elastomere Folie 61 ist etwa 0,17 mm dick, obgleich sie auch dicker oder dünner ausgelegt sein kann, was von der Form der auszugleichenden Unregelmäßigkeiten abhängig ist. Die Folie 61 kann auf einer Seite mit einem druckempfindlichen Kleber versehen sein, so daß sie einfach haftend mit der Unterseite des Grundkörpers 20 im letzten Schritt bei der Herstellung der Anordnung verbunden werden kann.

Claims (6)

1. Anordnung mit wenigstens einem wärmeerzeugenden elektrischen Schaltungselement (38, 39) und einem eine planare Montagefläche (62) aufweisenden Kühlkörper (57), bei der vorgesehen ist:
  • a) ein Gehäuse (45) aus Isoliermaterial mit einer planaren Unterseite (54), in der eine Ausnehmung (53) ausgebildet ist, die in das Gehäuse (45) hineinverläuft,
  • b) ein Grundkörper (20), der derart geformt ist, daß er in die Ausnehmung (53) einführbar ist, und der eine Oberseite (22), die innerhalb der Ausnehmung (53) angeordnet ist, und eine planare Unterseite (21), die auf der Montagefläche (62) des Kühlkörpers (57) angeordnet ist, aufweist, und
  • c) Schaltungen (32-36), die das wärmeerzeugende elektrische Schaltungselement (38, 39) enthalten, und die an der Oberseite (22) des Grundkörpers (20) angebracht sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) der Grundkörper (20) aus keramischem Material besteht,
  • e) ein schulterförmig abgesetzter Teil (55) in der Ausnehmung (53) gebildet ist, der die Eindringtiefe des Grundkörpers (20) in die Ausnehmung (53) derart begrenzt, daß die Unterseite (21) des Grundkörpers (20) außerhalb der Ausnehmung (53) freiliegt und geringfügig über die Unterseite (54) des Gehäuses (45) übersteht, und
  • f) Einrichtungen vorgesehen sind, die den Grundkörper (20) relativ zu der Montagefläche (62) des Kühlkörpers (57) zur Verbesserung der Wärmeübertragung unter Druckbeaufschlagung setzen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (21) des Grundkörpers (20) über die Unterseite (54) des Gehäuses (45) um etwa 0,025 mm übersteht.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünnes Flächengebilde (61) aus elastomerem Material mit Keramikteilchen zwischen der Unterseite (21) des Grundkörpers (20) und der Montagefläche (62) des Kühlkörpers (57) angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (45) Flansche (47, 48) ausgebildet sind, die ebene Unterseiten haben, die im wesentlichen koplanar zu der Unterseite (54) des Gehäuses (45) sind und die Durchbrüche (49, 50) für Befestigungsschrauben aufweisen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (53) und der Grundkörper (20) derart bemessen sind, daß der Grundkörper (20) mit Preßpassung in der Ausnehmung (53) aufgenommen ist.
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