DE3204683A1

DE3204683A1 - Einrichtung zur kuehlung von verlustwaermeerzeugenden elektrischen bzw. elektronischen bauelementen

Info

Publication number: DE3204683A1
Application number: DE19823204683
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. 6943 Birkenau-Reisen Bogs; Johannes 6906 Leimen Lebong
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-02-11
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1983-08-18

Description

Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden
elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Einrichtung ist aus der DE-OS 28 40 51# bekannt. Die bekannte Einrichtung besitzt ein etwa quaderförmiges Gehäuse ohne Boden. Im Gehäusedeckel befindet sich eine Reihe von Öffnungen, die so bemessen und angeordnet sind, daß die äußeren Anschlußelemente -Drähte oder Flachstecker - die die elektrische Verbindung zu den im Gehäuseinneren angebrachten Halbleiterbauelementen herzustellen gestatten, hindurchtreten können und so auf der Oberseite des Gehäuses zugänglich sind. Durch eine weitere Öffnung im Isolierstoffgehäuse kann eine aushärtbare Kunststoffmase eingespritzt werden. Die Befestigung des Gehäuses an einem Kühlkörper erfolgt mit Hilfe von seitlich am Gehäuse einstückig vorgesehenen Flanschen mit je einer Bohrung. Fine als Bodenplatte vorgesehene Keramikplatte, die die Halbleiterbauelemente, Metallisierungen und die äußeren Anschlußelemente trägt, ist so in die bodenseitige Offnung des Gehäuses eingesetzt, daß sie geringfügig, d.h.
0,025 mm über die Bódenfldche des Gehäuses übersteht.
Dadurch sol ein besonders enger Kontakt zwischen der Keramikplatte und dem Kühlkörper bewirkt werden.
Die Erfahrung mit dieser auch im Handel'erhältlichen Einrichtung hat jedoch gezeigt, daß eine ganze Reihe von Mängeln auftreten. So ist insbesondere der Kontaktdruck zwischen Keramikplatte und Kühlkörper nicht ausreichend hoch, da der Überstand der Keramikplatte über die Bodenfläche des Gehäuses zu gering ist und die aus Kunststoff bestehenden Montageflansche nur wenig Anprekraft übertragen können. Die in der obengenannten Offenlegungsschrift zur Beseitigung dieses bereits erkannten Nachteils vorgeschlagene Verwendung einer Speziaf folie zwischen Keramikplatte und Kühlkörper macht jedoch die angestrebte Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Halbleiter und Kühlkörper sowie die angestrebte Verrlngerung des Montageaufwands wieder zunichte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen der eingangs genannten Art anzugeben, die einer, sehr guten und g)eichmäßigen Wärmeübergang zwischen der Bodenplatte des Gehäuses und dem Kühlkörper gewährleistet.
Diese Aufgabe wird für eine Einrichtung der ei-ngangs genannten Art durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß aufgrund des Podestes auf dem Kühlkörper bzw. der thermischen Ausdehnung der Isolier- stoffmasse und ihrer e]astischen Eigenschaften eine homogene F)ächenpressung auf die Bodenplatte des Gehäuses ausgeübt wird, die sich mit zunehmender Erwärmung der Isolierstoffmasse während des Betriebes noch verstärkt. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige, potentialfreie Übertragung hoher Verlustleistungsdichten bis ca. 100W/cm2 möglich.
Vorteilhafte Ausgestaitungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die Einrichtung zur Kühlung von elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen, Fig. 2 eine Aufsicht auf die Einrichtung.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch die Einrichtung zur Kühlung von elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen dargestellt. Ein quaderförmiges Gehäuse 1, vorzugsweise aus Kunststoff, ohne Bodenteil, jedoch mit Gehäusedeckel ist mit einer ebenen Bodenplatte 2 aus einem elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Keramik versehen. Die Bodenplatte 2 verschließt das offene Bodenteil des Gehäuses 1 und dient als Trägerplatte für einen oder mehrere verlustwärmeerzeugende Leistungawiderstände 3. Bei Verwendung einer Keramikplatte sind die Widerstände 3 vorzugsweise in Dickschicht- oder Dünnschichttechnik aufgebracht.
Anstelle bzw. außer den Widerständen 3 kann die Bodenplatte 2 mit anderen verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw. e]ektronischen Bauelementen, wie Thyristoren, Dioden, Transistoren, Kondensatoren usw. bestückt sein.
Die Bodenplatte besitzt stromfilhrende Kupfer-Leiterbahnen, die mit Hilfe allgemein bekannter Cu-Bondverfahren aufgebracht sind.
Die Widerstände 3 bzw. die weiteren Bauelemente sind mit Anschlußelementen 4, vorzugsweise Anschlußdrähten, versehen (Lötkontakte), die durch Bohrungen 5 im Gehäusedeckel geführt und auf diese Weise extern ziigänglich sind. Das Gehäuseinnere zwischen Gehäusedeckel und Bodenplatte 2 wird mit einer elastischen Isoiierstoffmasse 6 (Sllikonvergußmasse) vergossen. Zum Einspritzen der Isolierstoffmasse 6 weist der Gehäusedeckel eine in Fig. 2 dargestellte Einfüllöffnung 7 auf, die nach erfolgtem Vergießen verschlossen wird.
Zur Befestigung des Gehäuses 1 sind in den Gehäusewandungen vorzugsweise im Bereich aller vier Kanten Bohrungen 8 vorhanden. Das so ausgebildete Gehäuse dient zur Montage auf einem Khlkörper 9, der ein Podest mit den flächenmäßitgen Abmessungen der Bodenplatte 2 aufweist. Der Kühlkörper 9 besitzt ferner Bohrungen 11, die in ihren Abmessungen und ihrer Lage mit den Bohrungen 8 der Gehäusewandungen übereinstimmen.
Zur Montage wird das Gehäuse 1 mit seiner Bodenplatte 2 auf das Podest 10 des Kühlkörpers 9 aufgesetzt und Befestigungsschrauben 12 werden durch die Bohrungen 8 des Gehäuses sowie die Bohrungen 11 des Kühlkörpers 9 geführt. Zum Anpressen des Gehäuses 1 auf den Kühlkörper 9 werden Muttern 13 mit den Befestigungsschrauben 12 verschraubt. Falls die Bohrungen 11 des Kühlkörpers 9 als Gewindebohrungen ausgeführt sind, entfallen die Muttern 13. Das Anziehen der Schrauben 12 erfolgt bis der bei Aufsetzen des Gehäuses 1 zwischen der Unterkante der Gehäusewandung und dem Kühl körper 9 entstehende Spalt 14 verschwindet und die Gehäusewandung direkt auf dem Kühlkörper 9 aufsitzt. Die Dicke des Spaltes 14 ist insbesondere von der Stärke des Podestes 10 abhängig.
Während der Verschraubung der Muttern 13 bzw. der Bohrungen 11 mit den Befestigungsschrauben 12 wird die Bodenplatte 2 vom Podest 10 ins Gehäuseinnere in Richtung Gehäusedeckel geschoben, wobei die elastische Isolierstoffmasse 6 zusammengedrückt wird. Die elastische Isolierstoffmasse 6 wirkt so als Feder zur Einstellung einer mechanischen Vorspannung, mit der die Bodenplatte 2 gegen das Podest 10 des Kühlkörpers 9 gepreßt wird. Die Größe dieser Vorspannung ist direkt abhängig von der Dicke des Podestes 10 und somit vorgebbar.
Während der Montage wird die vorgegeben Vorspannung vorteilhaft ohne Hilfsmittel wie Drehmomentschlüssel oder Schublehre durch einfaches Zusammenschrauben eingestellt. Die Abfuhr der während des Betriebes entstehenden Verlustleistungswähre erfolgt potential frei und aufgrund der auf der Bodenfläche entstehenden homogenen Flächenpressung sehr gleichmäßig.
Bei Betrieb der Leistungswiderstände 3 bzw. der weiteren Bauelemente nimmt die Temperatur der Isolierstoffmasse 6 wegen der entstehenden Verlustlelstungswärme zu und damit steigt infolge der hohen thermischen Ausdehnung der Isolierstoffmasse 6 vorteilhaft auch der Anpreßdruck der Bodenplatte 2 gegen den Kühlkörper 10, was eine weitere Verbesserung des Wärmelibergangsverhaltens mit sich bringt.
Zwischen der Bodenplatte 2 und dem Podest 10 des Kl5hlkörpers 9 kann eine Wärmeleitpaste bzw. ein Wärmeleitöl aufgebracht sein.
In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw.
elektronischen Bauelementen dargestellt. Es sind der Kühlkörper 9 mit dem aufmontierten Gehäuse 1 gezeigt. An allen vier Ecken des Gehäusedeckels befinden sich Befestigungsschrauben 12. Durch die Bohrungen 5 im Gehäusedeckel sind Anschlußelemente (Drähte) 4 geführt.
Im Zentrum des Gehäusedeckels ist die Einfüllöffnung 7 zum Eingießen der Isolierstoffmasse 6 angeordnet.

Claims

A n s p r ilc ch e #1 Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen mit einem oben geschlossenen, unten offenen Gehäuse, in das eine elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Bodenplatte eingesetzt ist, die als Träger für die sich im Gehäuseinnern befindenden elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente dient, mit einer Isolierstoffmasse im Inneren des Gehäuses, mit den Gehäusedeckel durchstoßenden Anschlußelementen und mit Befestigungsmitteln zum Anpressen des Gehäuses an einen Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (9) ein Podest (10) mit den Abmessungen der Bodenplatte (2) aufweist und daß das Gehäuse (1) mit Hilfe der Befestigungsmittel (12,13) so auf den Kühlkörper (9) gepreßt wird, daß das Podest (10) über die Bodenplatte (2) auf die elastische Isolierstoffmasse (6) drückt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit Leistungswiderständen (3) in Dickschicht-oder Dünnschichttechnik bestückte Bodenplatte (2).
3. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprilche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) mit Halbleiterbauelementen bestückt ist.
4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) mit Kondensatoren bestückt ist.
5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bodenplatte (2) aus Keramik.
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Silikonvergußmasse als Isolierstoffmasse (6).
7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Gehäuses (1) auf dem Kühlkörper (9) durch Verschraubungen an allen vier Kanten des Gehäuses erfolgt.
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) stromführende Kupfer-Leiterbahnen aufweist.