DE3204683A1 - Device for cooling electrical or electronic components which produce lost heat - Google Patents

Device for cooling electrical or electronic components which produce lost heat

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Abstract

This device for cooling electrical or electronic components which produce lost heat, such as resistors (3), thyristors, diodes, capacitors etc., has a housing (1) which is closed at the top and open at the bottom and which has a baseplate (2), preferably made of ceramic. The baseplate (2) serves as a support for the components (3) in the interior of the housing, preferably thick-film or thin-film power resistors. The interior of the housing is potted in an elastic insulating compound (6). The connecting elements (4) of the components (3) pass through the housing lid. The housing (1) is mounted on a heat sink (9) which comprises a platform (10) having the dimensions of the baseplate (2). During the fixing of the housing (1) with the aid of screws (12) and nuts (13), the platform (10) pushes the baseplate (2) into the interior of the housing and consequently compresses the elastic insulating compound (6). This produces a mechanical prestressing, i.e. a homogeneous surface pressure between the baseplate (2) and the heat sink (9), which surface pressure is intensified still further while the components are in operation as a consequence of the components (3) being heated, and this makes it possible to transmit high power loss densities in a uniform, potential-free manner. <IMAGE>

Description

Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugendenDevice for cooling waste heat generating

elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.electrical or electronic components The invention relates to a device for cooling heat loss generating electrical or electronic Components according to the preamble of claim 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.Such a device is known from DE-OS 28 40 51 #. The well-known Facility has an approximately cuboid housing without a floor. In the housing cover is a series of openings that are sized and arranged that the external connection elements - wires or flat plugs - which make the electrical connection to manufacture the semiconductor components mounted inside the housing, can pass through and are accessible on the top of the housing. By a further opening in the insulating material housing can be a hardenable plastic compound be injected. The housing is attached to a heat sink with With the help of flanges provided in one piece on the side of the housing, each with a hole. Fine ceramic plate provided as a base plate, which contains the semiconductor components, Metallizations and carries the outer connection elements, is so in the bottom opening of the housing used to be slightly, i.

0,025 mm über die Bódenfldche des Gehäuses übersteht.Protrudes 0.025 mm over the bottom surface of the housing.

Dadurch sol ein besonders enger Kontakt zwischen der Keramikplatte und dem Kühlkörper bewirkt werden.This results in a particularly close contact between the ceramic plate and the heat sink.

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.Has experience with this device, which is also available in stores however, it has been shown that a number of deficiencies occur. So is particular the contact pressure between the ceramic plate and the heat sink is not high enough because the protrusion of the ceramic plate over the bottom surface of the housing is too small and the assembly flanges made of plastic transmit only a small amount of pressure can. The in the above-mentioned patent application to eliminate this already Recognized disadvantage, proposed use of a special film between ceramic plate and heat sink, however, makes the desired improvement in heat transfer between Semiconductors and heat sinks as well as the desired increase in assembly costs again nullified.

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.The invention is based on the object of a device for cooling of heat loss generating electrical or electronic components of the initially mentioned type to indicate the one, very good and g) calibrated heat transfer between the base plate of the housing and the heat sink.

Diese Aufgabe wird für eine Einrichtung der ei-ngangs genannten Art durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This task is carried out for a facility of the type mentioned at the beginning solved by the features characterized in claim 1.

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.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that due to the pedestal on the heat sink or the thermal expansion of the Insulating material mass and its e] astic properties homogeneous surface pressure is exerted on the base plate of the housing, which is with increasing heating of the insulating material during operation even more intensified. In this way there is a uniform, potential-free transmission of high power dissipation densities up to approx. 100W / cm2 possible.

Vorteilhafte Ausgestaitungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous refinements of the invention are set out in the subclaims marked.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is illustrated below with reference to the in the drawings Embodiment explained.

Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die Einrichtung zur Kühlung von elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen, Fig. 2 eine Aufsicht auf die Einrichtung.1 shows a section through the device for cooling of electrical or electronic components, Fig. 2 is a plan view of the Furnishings.

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.In Fig. 1 is a section through the device for cooling electrical or electronic components shown. A cuboid housing 1, preferably Made of plastic, without a base part, but with a housing cover and a flat base plate 2 made of an electrically insulating, but highly thermally conductive material, preferably Ceramic provided. The base plate 2 closes the open base part of the housing 1 and serves as a carrier plate for one or more heat loss generating power resistors 3. When using a ceramic plate, the resistors 3 are preferably in thick-film or thin-film technology.

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.Instead of or in addition to the resistors 3, the base plate 2 can also other electrical or electronic components that generate heat loss, such as thyristors, diodes, transistors, capacitors, etc.

Die Bodenplatte besitzt stromfilhrende Kupfer-Leiterbahnen, die mit Hilfe allgemein bekannter Cu-Bondverfahren aufgebracht sind.The base plate has current-carrying copper conductor tracks, which with Using well-known Cu bonding methods are applied.

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.The resistors 3 and the other components are connected with connection elements 4, preferably connecting wires, provided (solder contacts) through holes 5 in the Out of the housing cover and in this way externally accessible. The inside of the case between the housing cover and the base plate 2 is made with an elastic insulating material 6 (silicone potting compound) potted. For injecting the insulating material 6 has the housing cover has a filling opening 7 shown in FIG Potting is sealed.

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.To attach the housing 1 are preferably in the housing walls Holes 8 are present in the area of all four edges. The housing designed in this way is used for mounting on a cooling body 9, which has a pedestal with the flat surfaces Has dimensions of the base plate 2. The heat sink 9 also has bores 11, the dimensions and their position with the holes 8 of the housing walls to match.

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.For assembly, the housing 1 with its base plate 2 is on the pedestal 10 of the heat sink 9 is placed and fastening screws 12 are through the holes 8 of the housing and the bores 11 of the heat sink 9 out. To press the Housing 1 on the heat sink 9 are nuts 13 with the fastening screws 12 screwed. If the holes 11 of the heat sink 9 are designed as threaded holes are, the nuts 13 are omitted. The screws 12 are tightened until the Placing the housing 1 between the lower edge of the housing wall and the cooling body 9 resulting gap 14 disappears and the housing wall directly to the Heat sink 9 is seated. The thickness of the gap 14 is in particular of the strength of the platform 10 dependent.

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.During the screwing of the nuts 13 or the holes 11 with The fastening screws 12 move the base plate 2 from the pedestal 10 into the interior of the housing pushed in the direction of the housing cover, the elastic insulating material 6 compressed will. The elastic insulating material 6 acts as a spring for setting a mechanical bias with which the base plate 2 against the pedestal 10 of the heat sink 9 is pressed. The size of this preload is directly dependent on the thickness of the Pedestal 10 and thus predeterminable.

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.During assembly, the specified preload is advantageously used without Aids such as a torque wrench or calliper simply screw together set. The dissipation of the power loss that occurs during operation occurs potential-free and due to the homogeneous surface that occurs on the floor surface Surface pressure very even.

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.When operating the power resistors 3 or the other components takes the temperature of the insulating material 6 because of the resulting heat loss and thus increases due to the high thermal expansion of the insulating material 6 also advantageously the contact pressure of the base plate 2 against the heat sink 10, which brings with it a further improvement in the heat transfer behavior.

Zwischen der Bodenplatte 2 und dem Podest 10 des Kl5hlkörpers 9 kann eine Wärmeleitpaste bzw. ein Wärmeleitöl aufgebracht sein.Between the base plate 2 and the pedestal 10 of the Kl5hlkörpers 9 can a thermal paste or a thermal oil can be applied.

In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Einrichtung zur Kühlung von verlustwärmeerzeugenden elektrischen bzw.In Fig. 2 is a plan view of the device for cooling heat loss generating electrical resp.

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.electronic components shown. It is the heat sink 9 shown with the mounted housing 1. On all four corners of the housing cover there are fastening screws 12. Through the holes 5 in the housing cover Connection elements (wires) 4 out.

Im Zentrum des Gehäusedeckels ist die Einfüllöffnung 7 zum Eingießen der Isolierstoffmasse 6 angeordnet.In the center of the housing cover is the filling opening 7 for pouring the insulating material 6 arranged.

Claims (8)

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. A n s p r ilc ch e # 1 Device for cooling waste heat generating devices electrical or electronic components with a closed top, bottom open housing in which an electrically insulating, highly thermally conductive base plate is used as a carrier for the electrical inside the housing or electronic components is used, with an insulating material inside the Housing, with the housing cover piercing connection elements and with fastening means for pressing the housing against a heat sink, characterized in that the Heat sink (9) has a pedestal (10) with the dimensions of the base plate (2) and that the housing (1) with the aid of the fastening means (12, 13) so on the heat sink (9) is pressed that the platform (10) over the base plate (2) on the elastic Isolating material (6) presses. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit Leistungswiderständen (3) in Dickschicht-oder Dünnschichttechnik bestückte Bodenplatte (2). 2. Device according to claim 1, characterized by one with power resistors (3) Base plate (2) fitted with thick-film or thin-film technology. 3. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprilche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) mit Halbleiterbauelementen bestückt ist. 3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the base plate (2) is equipped with semiconductor components. 4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) mit Kondensatoren bestückt ist. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the base plate (2) is equipped with capacitors. 5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bodenplatte (2) aus Keramik. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized through a base plate (2) Ceramics. 6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Silikonvergußmasse als Isolierstoffmasse (6). 6. Device according to one of the preceding claims, characterized by a silicone potting compound as an insulating compound (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. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the fastening of the housing (1) on the heat sink (9) by screw connections takes place on all four edges of the housing. 8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (2) stromführende Kupfer-Leiterbahnen aufweist. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the base plate (2) has current-carrying copper conductor tracks.
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