DE3316577A1 - Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und waermeleitenden befestigung elektrischer bauelemente an kuehlkoerper - Google Patents

Description

• Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und wär-
• meleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 oder 2.
• In elektrischen Geräten ergibt sich oft die Notwendigkeit, ein ein Metallgehäuse aufweisendes elektrisches Bauelement, z.B. einen Leistungstransistor, gut wärmeleitend, jedoch elektrisch isoliert an einem Kühlkörper zu befestigen. Die Notwendigkeit der elektrischen Isolation ergibt sich daraus, daß das Metallgehäuse mit einem spannungsführenden Leiter der elektrischen Schaltung verbunden ist, der metallene Kühlkörper aber geerdet und/oder von außen zugänglich ist, so daß zwischen dem Metallgehäuse und dem Kühlkörper eine elektrische Spannung auftritt. Dieser Fall tritt besonders bei der Anwendung von Leistungstransistoren auf, bei denen die Kollektorelektrode mit dem Metallgehäuse verbunden ist.
• Ist die das Metallgehäuse führende Spannung so hoch, daß bei ihrem übertritt auf von außen zugängliche Metallkörper, in diesem Fall der Kühlkörper, Menschen gefährdet sind, so müssen gemäß der VDE-Bestimmung 0700 Teil 1/2.81 Schutzmaßnahmen getroffen werden. Eine der möglichen Schutzmaßnahmen ist, das Gerät in Schutzklasse II auszuführen, wobei die Isolation, in diesem Fall diejenige zwischen Metallgehäuse und Kühlkörper, als verstärkte oder doppelte Isolierung auszubilden ist. Diese verstärkte oder doppelte Isolierung muß verschiedenen Anforderungen genügen. So soll gemäß Abschnitt 15 der genannten VDE-Bestimmung die Sicherheit gegen elektrischen Schlag auch bei unsachgemässer Handhabung aufrecht erhalten bleiben. Ferner soll gemäß Abschnitt 22.20 sichergestellt sein, daß keine Teile bei der Montage vergessen werden und dadurch die Isolierung unwirksam wir#d. Weiter wird im Ab- schnitt 22.22 gefordert, daß die Isolierung nicht durch lose Metallstücke in ihrer Wirkung eingeschränkt wird. Schließlich dürfen laut. Abschnitt 28.1 Isolierstoffschrauben nicht verwendet werden, wenn bei ihrem Ersatz durch Metallschrauben die Isolierung beeinträchtigt wird.
• Eine Befestigungsvorrichtung, die den vorstehenden Anforderungen gerecht wird, ist in der deutschen Patentanmeldung P 33 08 350.9 beschrieben. Diese Befestigung weist ein aus Sinterkeramik hergestelltes Verbindungselement auf, zu dessen Herstellung ein verhältnismäßig teueres Preßwerkzeug benötigt wird. Diese hohen Werkzeugkosten haben ihre Ursache darin, daß v zur Herstellung von Sinterkeramik ein trockenes Granulat Xerwendet wird, welches einen großen Verschleiß des Preßwerkzeuges zur Folge hat. Um diesen Verschleiß in erträglichen Grenzen zu halten, muß das Preßwerkzeug aus einem harten und damit teuren Werkstoff bestehen. Außerdem verursacht diese Härte hohe Bearbeitungskosten. So ist die vorgeschlagene Befestigungsvorrichtung nur bei großen Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsvorrichtung der obigen Art zur elektrischen und wärmeleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper anzugeben, die sich in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen läßt.
• Die Erfindung wird anhand von vier Ausführungsbeispielen beschrieben, welche in den Figuren 1, 2a bis 2d und 3a bis 3c dargestellt sind. Hierbei gibt die Figur 1 an, wie die übrigen Figuren zu jeweils einer Darstellung der erfindungsgemässen Befestigungsvorrichtung in den drei Ansichten zusammenzulegen sind. Die Zuordnung der vier Ausführungsbeispiele zu den Figuren und den Patentansprüchen ist in folgender Tabelle angegeben:

  I

  Ausf.-Beis . Figuren Anspruch

  1 2a, 2b, 2c 1

  2 2a, 2d, 2c 2

  3 3a, 3b, 3c 3, bezogen auf 1

  -- 3, bezogen auf 2

  Es wird zunächst das Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. Es bedeuten: 1: erstes Metallteil 2: Isolierplatte 3: zweites Metallteil #: elektrisches Bauelement, hier ein Leistungstransistor 5: Kühlkörper 11, 12, 13: erste Befestigungsmittel 31, 32: zweite Befestigungsmittel Das erste Metallteil 1, die Isolierplatte 2 und das zweite Metallteil 3 bilden ein Verbindungselement, wobei dessen erster Befestigungsbereich aus den ersten Metallteil 1 und dessen zweiter Befestigungsbereich aus dem zweiten Metallteil 3 besteht. Die beiden Metallteile 1 und 3 sind dadurch miteinander verbunden, daß sie mit der Isolierplatte 2 stoffschlüssig verbunden sind, und zwar das erste Metallteil 1 mit der Oberseite 2a, das zweite Metallteil 3 mit der Unterseite 2b der Isolierplatte 2. Dieses Verbindungselement bildet zusammen mit den ersten Befestigungsmitteln 11, 12, 13 und den zweiten Befestigungsmitteln 31, 32 die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung.
• Das erste Metallteil 1 ist als Winkel ausgeführt. Ein Schenkel ist mit der Isolierplatte 2 verbunden. Der andere Schen- kel trägt das elektrische Bauelement 4, in diesem Fall einen Leistungstransistor. Dieser Leistungstransistor ist mit den ersten Befestigungsmitteln, nämlich den Schrauben 11, den Muttern 12 und den Scheiben 13, am ersten Metallteil 1 befestigt. Irgendeine elektrische Isolierung zwischem dem Metallgehäuse des Leistungstransistors 4 und dem ersten Metallteil 1 ist nicht vorgesehen. Da das Metallgehäuse mit der Kollektorelektrode des Leistungstransistors 4 verbunden ist und diese in nicht dargestellter Weise eine gegenüber dem Erdpotential hohe Spannung aufweist, führt auch das Metallteil 1 diese hohe Spannung.
• Mit dem zweiten Metallteil 3 ist der üblicherweise metallische Kühlkörper 5 ohne elektrische Isolation durch die zweiten BefestigunOsmittelßdie Schrauben 31 und die Scheiben 32, verbunden. Dazu weist das zweite Metallteil 3 Gewindelöcher 33 auf, in welche die Schrauben 31 eingreifen.
• Um eine Gefährdung von Menschen, die den Kühlkörper 5 bzrühren, mit Sicherheit auszuschließen, ist deshalb die einzige Isolierung zwischen dem Metallgehäuse des Leistungstransistors Lt und dem Kühlkörper 5, nämlich diejenige zwischen dem ersten und zweiten Metallteil, entsprechend der VDE-Bestimmung 0700 Teil 1/2~81 als verstärkte Isolierung ausgebildet.
• Dazu wird für die Isolierplatte 2 ein den genannten VDE-Bestimmungen entsprechender Werkstoff gewählt. Durch Wahl einer entsprechenden Dicke der Isolierplatte 2 wird erreicht, daß allein durch ihre Seitenflächen 2d die erforderlichen Kriech-und Luftstrecken bestimmt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Isolierplatte mit geringer Dicke und grössere Länge und Breite zu wählen, so daß sie um mindestens eines der Metallteile herum einen Rand 2c aufweist. So bestimmt dieser Rand und die Dicke zusammen die Kriech- und Luftstrecken. Ferner wird als Werkstoff für die Isolierplatte 2 ein solcher mit guter Wärmeleitfähigkeit gewählt.
• Das erste und das zweite Metallteil sowie die Isolierplatte lassen sich ohne spezielle Werkzeuge aus handelsüblichen Halbzeugen herstellen, so daß keine Werkzeugkosten anfallen.
• Die stoffschlüssigen Verbindungen werden fabrikmäßig unter ständiger Überwachung hergestellt. Dadurch wird erreicht, daß die verstärkte Isolierung sehr sicher ist und sie nicht durch versehentliches Weglassen von Teilen unbemerkt unwirksam gemacht werden kann. Außerdem weisen so die stoffschlüssigen Verbindungen eine hohe Festigkeit auf, so daß die Sicherheit gegen elektrischen Schlag auch bei unsachgemäßer Handhabung gewährleistet ist. Der Forderung laut Abschnitt 28.1 der genannten VDE-Bestimmung wird dadurch entsprochen, daß die ersten bzw. zweiten Befestigungsmittel sich nur im ersten bzw.
• zweiten Befestigungsbereich erstrecken.
• Das Ausführungsbeispiel 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel 1 dadurch, daß die ersten Befestigungsmittel außer den Schrauben 11, den Muttern 12 und den Scheiben 13 noch Isoliermittel umfassen, durch welche das Gehäuse des Leistungstransistors 4 vom ersten Metallteil 1 elektrisch isoliert ist. Diese Isoliermittel umfassen eine Isolierzwischenlage 14 sowie Isolierbuchsen 15 und bilden die Grundisolation gemäß 2.2.12 der genannten VDE-Bestimmung. Dadurch weist diese Ausführung gegenüber derjenigen nach dem Patentanspruch 1 den Vorteil auf, daß die Isolierung durch die Isolierplatte 2 zwischen dem ersten Metallteil 1 und dem zweiten Metallteil 3 nur als zusätzliche Isolierung im Sinne der genannten VDE-Bestimmung ausgeführt werden muß. Da es sich bei den Isolierzwischenlagen 14 und Isolierbuchsen 15 um handelsübliche Teile handelt, verursacht ihre Verwendung keine hohen Kosten.
• Das Ausführungsbeispiel 3 stellt eine vorteilhafte Weiterbildung des Ausführungsbeispiels 1 dar, wobei die Weiterbildung darin besteht, daß der erste Befestigungsbereich durch eine Isolierkappe 6 abgedeckt ist. Sie besteht aus Kunststoff und ist formschlüssig sowohl mit dem ersten Metallteil 1 als auch mit dem zweiten Metallteil 3 verbunden. Zum Verbinden mit dem ersten Metallteil weist die Isolierkappe 6 die Nasen 61 auf.
• Zum Verbinden mit dem zweiten Metallteil 3 dienen Schrauben 62 und Einlegemuttern 63.
• Durch das Anziehen der Schrauben 62 wird die Isolierkappe 6 zum zweiten Metallteil 3 hin gezogen, und dadurch wird über die Nasen 61 das erste Metallteil 1 an die Isolierplatte 2 und diese an das zweite Metallteil 3 gepreßt. So werden die die stoffschlüssigen Verbindungen entlastet. Ferner wird das Metallteil 1 und damit auch der Transistor Lt in seiner Lage gehalten, wenn sich eine der stoffschlüssigen Verbindungen doch gelöst haben sollte.
• Die Isolierkappe 6 deckt den Leistungstransistor Lt, das erste Metallteil 1 sowie die Kriech- und Luftstrecken 2c, 2d ab.
• Diese Befestigungsvorrichtung weist daher gegenüber derjenigen nach dem Patentanspruch 1 eine erhöhte Sicherheit gegen das überbrücken der verstärkten Isolation durch sich zufällig lose im Gerät befindliche Metallstücke auf. Im gleichen Sinne wirkt, daß die Schrauben 31 und 62 in Sacklöcher 64 bzw.
• 66 der Isolierkappe 6 hinein ragen und die Einlegemuttern 63 in Ausnehmungen 65 der Isolierkappe 6 liegen. Die dem Leistungstransistor gegenüberliegende Seite 1a des ersten Metallteiles 1 braucht durch die Isolierkappe 6 nicht abgedeckt zu werden, da diese Seite in nicht dargestellter Weise durch eine Leiterplatte abgedeckt ist, auf welche die Befestigungsvorrichtung zusammen mit dem Leistungstransistors 4 montiert wird.
• Die Isolierkappe 6 wird durch spangebende Formung aus handelsüblichen Halbzeug hergestellt, so daß kein spezielles Werkzeug notwendig ist. Bei größeren Stückzahlen kann es wirtschaftlich vorteilhaft sein, die Isolierkappe durch Pressen aus thermo- oder duroplastischen Kunststoff herzustellen.
• Dazu ist zwar ein spezielles Preßwerkzeug notwendig, wegen der geringeren Härte des Kunststoffes gegenüber der Sinterkeramik sind jedoch die Werkzeugkosten geringer als diejenigen, die bei der Herstellung der Befestigungsvorrichtung gemäß des älteren Vorschlags anfallen.
• Das Ausführungsbeispiel Lt unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen dadurch, daß es die Isolierkappe 6 des Ausführungsbeispiels 3 und die Isoliermittel 14, 15 des Ausführungsbeispiels 2 aufweist.
• Der Patentanspruch 4 gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbindungen an, welche hierbei als Klebungen mit einem Epoxidharzkleber ausgeführt sind. Der Kleber ist zwecks besserer Wärmeleitung mit einem wärmeleitenden Material, z.B. Aluminiumoxid gefüllt. Die Isolierplatte 2 ist aus glasfaserverstärktem Epoxidharz hergestellt.
• Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbindungen wird im Patentanspruch 5 angegeben. Die Isolierplatte 2 besteht aus dicht gesinterter Keramik. Die Oberseite 2a und die Unterseite 2b sind metallisiert. Wo der Rand 2c zur Einhaltung der geforderten Kriech- und Luftstrecken erforderlich ist, bleibt er frei von einer Metallisierung.
• Mit den metallisierten Ober- und Unterseiten sind das erste bzw. das zweite Metallteil durch Löten verbunden. Diese Ausgestaltung weist eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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Claims (5)

1. Patentansprüche Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper, wobei die Befestigungsvorrichtung ein Verbindungselement sowie erste und zweite Befestigungsmittel umfaßt, wobei das Verbindungselement einen ersten und einen zweiten Befestigungsbereich aufweist, wobei ferner mittels der ersten Befestigungsmittel das elektrische Bauelement und mittels der zweiten Befestigungsmittel der Kühlkörper mit dem Verbindungselement verbunden sind, und zwar das elektrische Bauelement im ersten und der Kühlkörper im zweiten Befestigungsbereich, wobei die ersten Befestigungsmittel sich nur in ersten Befestigungsbereich und die zweiten Befestigungsmittel nur im zweiten Befestigungsbere.ich erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (1, 2, 3) aus einem ersten Metallteil (1), einer wärmeleitenden, jedoch elektrisch isolierenden Isolierplatte (2) und einem zweiten Metallteil (3) besteht, wobei das erste Metallteil (1) den ersten Befestigungsbereich und das zweite Metallteil (3) den zweiten Befestigungsbereich bildet, und daß das erste Metallteil (1) mit der Oberseite (2a), das zweite Metallteil (3) mit der Unterseite (2b) der Isolierplatte (2) wärmeleitfähig und wärmebeständig durch stoffschlüssige Verbindungen verbunden sind, wobei die Größe und der Werkstoff der Isolierplatte (2) so gewählt ist, damit die Isolierplatte selbst sowie die Kriech- und Luftstrecken zwischen dem ersten (1) und zweiten (3) Metallteil den Bestimmungen für verstärkte Isolierung entsprechen.
2. 2. Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper, wobei die Befestigungsvorrichtung ein Verbindungselement sowie erste und zweite Befestigungsmittel umfaßt, wobei das Verbindungselement einen ersten und einen zweiten Befestigungsbereich aufweist, wobei ferner mittels der ersten Befestigungsmittel das elektrische Bauelement und mittels der zweiten Befestigungsmittel der Kühlkörper mit dem Verbindungselement verbunden sind, und zwar das elektrische Bauelement im ersten und der Kühlkörper im zweiten Befestigungsbereich, wobei die ersten Befestigungsmittel sich nur im ersten Befestigungsbereich und die zweiten Befestigungsmittel nur im zweiten Befestigungsbereich erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (1, 2, 3) aus einem ersten Metallteil (1), einer wärmeleitenden, jedoch elektrisch isolierenden Isolierplatte (2) und einem zweiten Metallteil (3) besteht, wobei das erste Metallteil (1) den ersten Befestigungsbereich und das zweite Metallteil (3) den zweiten Befestigungsbereich bildet, daß das erste Metallteil (1) mit der Oberseite (2a), das zweite Metallteil (3) mit der Unterseite (2b) der Isolierplatte (2) wärmeleitfähig und wärmebeständig durch stoffschlüssige Verbindungen verbunden sind, wobei die Größe und der Werkstoff der Isolierplatte (2) so gewählt ist, damit die Isolierplatte selbst sowie die Kriech- und Luftstrek- ken zwischen dem ersten (1) und zweiten (3) Metallteil den Bestimmungen für zusätzliche Isolierung entsprechen, und daß die ersten Befestigungsmittel Isoliermittel (14, 15) zur elektrischen Isolierung zwischen dem elektrischen Bauelement (4) und dem ersten Me-tallteil (1) aufweisen.
3. 3. Befestigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement eine Isolierkappe (6) aufweist, welche den ersten Befestigungsbereich elektrisch isolierend kapselt und welche formschlüssig sowohl mit dem ersten (1) als auch mit dem zweiten (3) Metallteil verbunden ist, wobei diese formschlüssigen Verbindungen so gestaltet sind, daß sie die stoffschlüssigen Verbindungen entlasten.
4. i4. Befestigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssigen Verbindungen durch Klebung hergestellt sind.
5. 5. Befestigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte (2) aus an der Ober- und Unterseite metallisierter Keramik besteht, und die stoffschlüssigen Verbindungen durch Lötung hergestellt sind.