DE3301481C2 - - Google Patents
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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.
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1983
- 1983-01-18 DE DE19833301481 patent/DE3301481A1/de active Granted
Also Published As
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