DE3301481C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Befestigung von Wärmesenken und zugehöriger elektronischer Bauelemente an Druckschaltungs-Pla­ tinen und bezieht sich besonders auf vorteilhaft ausge­ bildete aus Metall gestanzte Wärmesenken, die mit angenie­ teten ebenen Anschlußblechen verbunden sind, an welchen Lötmittel leicht anhängt, und die so angeordnet sind, daß sie durch Öffnungen in den Schaltplatinen vorstehen, um die Wärmesenken auf bequeme Weise an ihrem Platz festzuhalten, wenn ein Schwall-Lötvorgang ausgeführt ist, wie im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 vorausgesetzt.

Elektronische Halbleiterbauelemente und -schaltungsmodule sind in ihrer Leistung begrenzt, und zwar wird die Begren­ zung größenteils durch die Abführung der intern erzeugten Wärme und die Vermeidung eines Wärmestaus bestimmt. Diese Wärmeabführung kann beträchtlich erweitert und vergrößert werden mit Hilfe von großflächigen Metallstrangpreßteilen oder -stanzteilen, die die Wärme von den thermisch empfind­ lichen Bereichen ableiten und abstrahlen, so daß eine Ver­ besserung der Einsatzfähigkeit relativ kostengünstiger Bau­ elemente erreicht werden kann, mehr als die Nennwerte ohne Kühlung erlauben würden. Bei den meisten modernen Anwendun­ gen werden die Wärmesenken zusammen mit Bauelementen oder Moduln eingesetzt, die einen Teil einer gedruckten Schal­ tung bilden, wobei eine relativ steife isolierende Platine als Befestigungsgrundlage dient und mit Netzwerken aus leitfähigen Leiterstreifen an ihren Oberflächen versehen ist. Vorzugsweise sollten die bei solchen Anwendungen ein­ gesetzten Wärmesenken so ausgelegt sein, daß sie in ar­ beitssparender Weise auf den Platinen angebracht werden können, und sie sollten mechanisch und elektrisch mit der Platine und den Leiterstreifen zuverlässig verbindbar sein.

Aus der DE-GM 79 09 214 ist eine Wärmesenke aus einem gut wärmeleitenden, jedoch nicht lötbarem Material zur Befesti­ gung an einem mit Gehäuse versehenen elektronischen Bauele­ ment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, die zur Lötbefestigung an einer Schaltungs­ platine dient und Kühlabschnitte aufweist, die entfernt von einem mit dem elektronischen Bauelement in Verbindung zu bringenden Abschnitt liegen. Bei dieser be­ kannten Wärmesenke sind von dem nichtlötbaren Material aus­ gehende Lappen mit Hülsen aus einem lötbaren Material um­ mantelt, die dann durch Öffnungen in einer Leiterplatte ge­ führt werden können und mit dieser verlötbar sind.

Aus D. Richter und R. v. Voss; Bauelemente der Feinmecha­ nik, Verlag Technik, Berlin, 1954, Seiten 77 bis 84 geht hervor, daß es an sich schon lange bekannt ist, Teile durch Materialverformungen (Einpressungen) aneinander zu befesti­ gen.

Eine wohlbekannte Möglichkeit besteht darin, daß die Wärme­ senken auf kleine Halbleiterbauelemente aufgeschnappt und durch Federkraft gehalten werden (US-PS 35 72 428, US-PS 42 15 361 und 40 12 769), und derartige Bauelemente werden dann an den jeweiligen Plätzen mittels der elektrischen Zu­ führungsdrähte auf den Schaltplatinen festgelötet, während die Wärmesenken auf der Oberseite durch Klammern befestigt werden (US-PS 32 47 896). Es wurde auch schon eine von ei­ ner solchen Wärmesenke abstehende aus dem gleichen Material wie die Wärmesenke bestehende Zunge oder Fahne benutzt, um eine separate Lötverbindung mit der Platine zu schaffen und dadurch die thermische und elektrische Kontaktierung zu verbessern (US-PS 32 22 580). Das setzt jedoch voraus, daß die Wärmesenke aus einem lötbaren Material besteht.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, Wärmesenken zu schaffen, die, obwohl sie aus nicht lötbarem Material be­ stehen, mit der üblichen Schwall-Lötung, mit denen solche Platinen bearbeitet werden, an Druckschaltungsplatinen an­ gebracht und, mit diesen verbunden werden können, und das auf eine wirtschaftliche und unkomplizierte Art.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird eine aus gestanztem Blech hergestellte Metallwärmesenke, die beispielsweise aus Aluminium besteht, das durch übliche Lötmittel nicht be­ netzt wird, mit zwei relativ kleinen und im wesentlichen ebenen Anschlußblechen versehen, deren Oberfläche aus ei­ nem Material besteht, an welchem Lötmaterial leicht an­ hängt. Jedes Anschlußblech enthält eine längliche dünne Fahne, die integral mit einem größerflächigen Abschnitt ist und von diesem absteht, wobei dieser größerflächige Ab­ schnitt eine kleine rechtwinklige vorgeformte Durchgangs­ öffnung besitzt. Die größerflächigen Abschnitte sind an äu­ ßere Kühlrippenteile der Wärmesenke angelegt, in der Nähe der Unterkanten der Wärmesenke, wenn diese an einer ge­ druckten Schaltungsplatine aufgebaut ist, und die Öff­ nungen sind von der Anlagefläche zur Wärmesenke weg er­ weitert. Eine enge Befestigung der Anschlußbleche an der Wärmesenke wird dadurch erreicht, daß ein Meißelnietvor­ gang durchgeführt wird, der durch Durchstoßen des Materials der Wärmesenke und Kaltverarbeiten eines Anteils desselben durch die Öffnung hindurch und über diese hinaus entsteht, vorzugsweise so weit, bis das Material durch ein Anschlag­ element, das bei dem Meißel-Stoßvorgang benutzt wird, zur seitlichen Verteilung gebracht wird. Die abstehenden Fah­ nen sind lang genug, um durch die zugehörige Schaltplatine hindurch vorzustehen, so daß eine Schwall-Lötung längs der Unterfläche der Schaltplatine kleine Mengen von Lötmittel an den Enden der Fahnen zurückläßt, so daß diese sicher be­ festigt sind und die Wärmesenke in der beabsichtigten Lage halten.

Damit ergibt sich durch die Erfindung eine neuartige und verbesserte Wärmesenke mit angenieteten lötbaren Anschluß­ blechen, die einfach und sicher an den vorgesehenen Stel­ len befestigbar sind.

Weiter ergibt sich eine neuartige und vorteilhafte Zusammen­ baumöglichkeit der Wärmesenke mit lötbaren Befestigungen für die Wärmesenken, die so geformt und angenietet sind, daß eine mechanische Festigkeit ohne Hilfs-Befestigungs­ mittel erreicht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer zweifach gerippten Wärmesenke mit lötbaren Anschlußblechen entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung, wobei gestrichelt zu­ gehörige elektronische Halbleiterbauelemente dar­ gestellt sind, die zur Wärmeabgabe angebracht wer­ den können,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine gedruckte Schalt­ platine, an der die Wärmesenkevorrichtung nach Fig. 1 angebracht ist, beim Schwall-Lötvorgang,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer mit Flügel versehenen Ausführung einer Wärmesenke, die mit lötbaren Anschlußblechen versehen ist, wobei ein einzelnes Leistungs-Halbleiterbauelement zum An­ passen an die Wärmesenke gestrichelt dargestellt ist,

Fig. 4 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer ge­ druckten Schaltplatine, an der die Wärmesenkevor­ richtung nach Fig. 3 durch Löten der angenieteten Anschlußbleche befestigt ist,

Fig. 5 ein lötbares Anschlußblech, wie es bei den Wärme­ senkevorrichtungen nach Fig. 1 bis 4 benutzt ist, im vergrößerten Maßstab,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch das Anschlußblech aus Fig. 5, in weiter vergrößertem Maßstab,

Fig. 7 eine Darstellung der Meißel-Niet-Verbindung des Anschlußbleches aus Fig. 5 mit einem Teil einer Wärmesenke, und

Fig. 8 eine vergrößerte Schnittdarstellung der genieteten Anordnung nach Fig. 7, zusammen mit Meißel- und Anschlagteilen, die die Kaltverarbeitung des Wärme­ senkematerials durch ein mit Öffnung versehenes Anschlußblech durch Kaltverformung herbeiführen und leiten.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer dualen Wärmesenke 10 gezeigt, die eng mit zwei elektronischen Halbleiterbau­ elementen 11 und 12 zusammengebaut wird. Diese Anordnung ist derartig ausgeführt, daß an äußeren und unteren Blechlappen 14 durch eine Meißelnietung etwas dünnere an liegende Blech­ teile 13A und 14A angebracht sind mit kleinen integralen Fahnenabschnitten 13b und 14b, die vorzugsweise ein wenig in der gezeigten Weise versetzt sind, um den notwendigen Abstand beizubehalten und die Wärmesenke mit dem Anschluß­ blech gesperrt zu halten. Die Anschlußbleche 13A und 14A sind längs den Innenflächen der Blechlappen 13 bzw. 14 an­ geordnet, sind jedoch so dünn ausgeführt, daß sie beim Ein­ bau des Halbleiterbauelementes in die Wärmesenke nicht stören oder die Luftströmung zur Kühlung der Einheit 10 nicht beeinträchtigen. In Fig. 2 ist die gleiche Einheit von rechts dargestellt, und zwar im zusammengebauten Zu­ stand mit den Halbleiterbauelementen 11 und 12, wobei nur das Bauelement 12 zu sehen ist, wobei die Anschlußblech­ fahnen 14b vollständig durch eine Aufnahmeöffnung in einer Schaltplatine 15 vorstehen. Die Anschlußdrähte der Halb­ leiterbauelemente stehen ebenfalls durch die Platine vor, und alle diese vorstehenden Fahnen oder Anschlußdrähte sind dann in gleicher Weise für die "Benetzung" und die Verbindung mit den Leitbändern oder gedruckten Leitungen 15a bereit, sobald sie einer Lötschwallwelle 16 ausgesetzt sind, während die Platine und die daran befestigten Be­ standteile relativ zu dem Lötschwall bewegt werden. Die Fahnen besitzen eine Vorstehlänge oder einen Vorstehab­ stand 17 unterhalb der zugehörigen Platine. Dieser Ab­ stand reicht aus, um eine Lötmittelmenge anzusammeln, die zum Verankern der Fahnen an Ort und Stelle an der Platine zusammen mit der Wärmesenke 10 ausreicht. Zusätzlich kön­ nen, falls es die Schaltanordnung gestattet, die Zungen in der gleichen Weise elektrisch mit den Leiterbahnen durch Löten verbunden werden, um die Wärmesenken zu erden oder ihnen ein bestimmtes Potential zu verleihen. Die Anschluß­ bleche und ihre Fahnen bestehen entweder aus einem Mate­ rial, das leicht durch Lötmittel benetzt wird, wie sie nor­ malerweise bei der Schaltplatinenverlötung Verwendung fin­ den, oder sie sind mit einem solchen Material überzogen, d. h. verzinnt. Dabei bestehen die Wärmesenken, an denen sie angebracht sind, vorzugsweise aus einem anderen Mate­ rial, z. B. Aluminium oder eloxiertem Aluminium oder sonst lackiertem oder oxidiertem Material, das durch Lötmittel nicht benetzt wird; aus diesem Grund werden normalerweise bei Befestigungsanordnungen für Wärmesenken mechanische Befestigungsmittel eingesetzt, was sich als mühsam und arbeitsaufwendig erweist. Da die Fahnen so weit versetzt sind, daß sie unter die Unterkanten der Blechlappen 13 und 14 kommen, können sie sicherstellen, daß mindestens ein geringer Abstand 18 zwischen diesen Unterkanten und der Platinenoberseite eingehalten wird, so daß die Wärme­ senken nicht mit eventuell an der Oberseite der Platine be­ findlichen Leiterbahnen in Berührung kommen.

Die in Fig. 3 gezeigte mit Außenflügeln versehene Wärme­ senke 19 ist zur Verwendung mit einem einzelnen Leistungs-Halb­ leiterbauelement 20 ausgelegt. Das Bauelement 20 wird dabei durch eine Federschnappver­ bindung in der Wärmesenke gehalten mittels der elastischen Schnappfinger 20a und 20b, und die wärmeabstrahlenden Bleche vom Knickflügeltyp sind an den Außenseiten 13′ und 14′ am kühlsten, und dort werden die Anschlußbleche 13A′ und 14A′ wie ihre gleich bezeichneten Gegenstücke in Fig. 1 und 2 durch einen Meißel-Nietungsvorgang befestigt. Wie Fig. 4 zeigt, wird die Einheit 19 mit einer Schaltplatine 15′ zusammengebaut, und eine kleine verfestigte Lötmasse 21 umhüllt die unteren Enden der nach unten abstehenden Anschlußblechfahne 14b′, nachdem der Schwall-Lötvorgang oder dergleichen durchgeführt wurde. Der nützliche obere Abstand 18′ wird wie bei der Einheit 10 in Fig. 2 einge­ halten.

In den vergrößerten Darstellungen der Anschlußbleche 14A und 13A in Fig. 5 bis 7 sind die zur Meißelnietung dienen­ den Einzelheiten klarer dargestellt, und selbstverständ­ lich gelten die folgenden Überlegungen genauso für die Anschluß-Lötbleche bei der Einheit 19 nach Fig. 3 und 4. Die Anschlußbleche sind Stanzblechteile mit gleichförmi­ ger Stärke, und ihre großflächigen Abschnitte sind mit ei­ ner Öffnung 22 versehen, die in zweierlei Hinsicht unsymme­ trisch ist: erstens ist die Öffnung nicht kreisförmig, und vorzugsweise besitzt sie den gezeigten quadratischen Umriß, so daß eine Verdrehung der Anschlußbleche gegenüber den Lappen oder Flügeln der zugehörigen Wärmesenken vermieden wird, und zweitens erweitern sich die Öffnungen nach außen, d. h. von der Anlagefläche zu der Wärmesenke zu der der Wärmesenke abgewendeten Fläche. Der Erweiterungswinkel 22a (Fig. 6) kennzeichnet diese letztere Asymmetrie, und zwar geht die Erweiterung vorzugsweise in beiden Richtungen, um den festen Halt der Nietung zu unterstützen, der sich er­ gibt, wenn das Metall der Wärmesenke in die Öffnung hinein und durch diese hindurch kaltverformt wird.

Die weiter vergrößerte Darstellung in Fig. 8 zeigt die durch Kaltverformung des Metalles des Wärmesenkelappens 13 durch die sich erweiternde Anschlußblechöffnung 22 hervorgerufene Vernietung. Zu diesem Zweck wird ein ent­ sprechendes Meißelteil 23 in Richtung des Pfeils 24 auf die aufeinander liegenden Teile Wärmesenkelappen 13 und Anschlußblech 13A hingestoßen, wobei diese Teile fest auf einem Anschlagteil 25 abgestützt sind, das ihre Bewegung mit Ausnahme der erwünschten Kaltverformung des Metalles verhindert. Das Anschlagteil 25 ist geringfügig hinter­ schnitten (z. B. beträgt die Hinterschnittiefe 26a 0,127 mm, damit etwas von dem kaltverformten oder durchgestoßenen Metall der Wärmesenke sich seitlich über die Kanten der Öffnung 22 ausbreitet und eine Art Niet­ kopf 26 bildet, welcher der integralen Befestigung eine nietenartige Qualität verleiht. Die sich ergebende Ein­ drückung 27 in der Oberfläche der Wärmequelle zeigt das kaltverformte und verschobene Material, und führt keine unnötige Schwächung herbei, vorausgesetzt, die Material­ stärke 28 der Wärmequelle übersteigt genügend die Stärke des Anschlußbleches. Ferner sollte das Material des An­ schlußbleches nicht weniger duktil sein als das der Wärme­ senke, und vorzugsweise härter und weniger leicht verform­ bar.

Claims (7)

1. Wärmesenke aus einem gut wärmeleitenden nicht löt­ baren Material zur Befestigung an einem mit Gehäuse verse­ henen elektronischen Bauelement, zur Schwallötungsbefesti­ gung an einer Schaltungsplatine, und mit Kühlabschnitten (13, 14; 13′, 14′), die entfernt von einem mit dem elektroni­ schen Bauelement in Verbindung zu bringenden Abschnitt lie­ gen, dadurch gekennzeichnet, daß relativ dünne Anschlußble­ che (13A, 14A; 13A′, 14A′) vorgesehen sind, die an die Ober­ flächen der Kühlabschnitte (13, 14; 13′, 14′) angelegt und mit diesen durch eine Meißelnietung verbunden sind, daß die An­ schlußbleche jeweils eine nichtsymmetrische Durchgangsöff­ nung (22) besitzen, in welche Material des anliegenden Kühlabschnittes (13, 14; 13′, 14′) der Wärmesenke durch den stanzartigen Nietvorgang kaltverformt ist, und daß die An­ schlußbleche im wesentlichen ebene und längliche integrale Lötfahnen (13b, 14b; 13b′, 14b′) besitzen, die von ihnen in einer Lage abstehen, daß sie durch in einer Schaltplatine (15; 15′) vorgesehene Aufnahmeöffnungen durchsteckbar und dort verlötbar sind, wodurch die Wärmesenke (10; 19) an ih­ rer Stelle über der Platine gehalten wird.

2. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußbleche (13A, 14A; 13A′, 14A′) jeweils einen im wesentlichen ebenen und relativ großflächigen Abschnitt mit der im wesentlichen darin zentral angeordneten nicht­ symmetrischen Öffnung (22) enthalten, wobei die Öffnung einen nichtkreisförmigen Umriß besitzt, und daß die inte­ gralen Lötfahnen (13b, 14b; 13b′, 14b′) leicht gegenüber den großflächigen Abschnitten an deren unteren Kanten versetzt, jedoch parallel zu diesen Abschnitten angeordnet sind.

3. Wärmesenke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt der nichtsymmetrischen Öff­ nung (22) in der Richtung von der Anlagefläche des An­ schlußbleches von der Wärmesenke weg zunimmt.

4. Wärmesenke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anschlußbleche (13A, 14A; 13A′, 14A′) an eine jeweilige Innenfläche der Wärmesenke (10; 19) angelegt sind, und daß die Versetzungsbiegung der Lötfahnen (13b, 14b; 13b′, 14b′) an der Unterkante der Kühlabschnitte (13, 14; 13′, 14′), diese berührend angelegt ist, um dadurch Winkel­ sperrwirkungen herbeizuführen und als Abstandstück zwischen den Unterkanten der Wärmesenke und der Oberseite der Schaltplatine (15; 15′) zu dienen.

5. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material der Wärmesenke wei­ cher ist und eine größere Stärke besitzt als das der An­ schlußbleche, und daß das durch die Öffnungen (22) hindurch kaltverformte Material der Wärmesenke über die Oberflächen der Anschlußbleche Nietköpfe (26) bildet.

6. Wärmesenke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Wärmesenke (10; 19) nicht leicht durch Lötmittel benetzbar sind, während die Oberflächen der Anschlußbleche (13A, 14B; 13A′, 14A′) leicht durch geschmol­ zenes Lötmittel benetzbar sind und dazu neigen, Lötmittel­ mengen an sich zurückzuhalten, und daß das zu Nietköpfen verformte Material (26) aus einem Stoßvorgang gegen die Au­ ßenflächen der Kühlabschnitte (13, 14; 13′, 14′) herrührt, der mit den Öffnungen (22) der überdeckten Anschlußbleche aus­ gerichtet ist, wobei diese wieder starr durch ein Anschlag­ teil (25) abgestützt sind, das eine flache Hinterschneidung (26a) besitzt, die eine nietkopfartige Verformung (26) des kaltverarbeiteten Materials zuläßt.

7. Wärmesenke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußbleche (13A, 14A; 13A′, 14A′) und die Öffnun­ gen (22) im wesentlichen rechtwinkligen Umriß besitzen, und daß die Öffnungen längs aller Kanten in Richtung von den Anlageflächen der Bleche an den Kühlabschnitten der Wärme­ senken weg auseinandergehend geschrägt sind.