DE3342924A1

DE3342924A1 - Elektrisches geraet

Info

Publication number: DE3342924A1
Application number: DE19833342924
Authority: DE
Inventors: Walter 8510 Fürth Lösel; Vinzenz 8505 Röthenbach Schmid
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1983-11-26
Filing date: 1983-11-26
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DE3342924C2

Description

Elektrisches Gerät
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät it wenigstens einer Leiterplatte sowie mit thermisch hoch beanspruchten mit Kühlflanschen versehenen Halbleiterbauelementen, deren Verlustwärme über eine am Gehäuse des Gerätes angeordnete Kühlfläche abgeführt werden soll.
Hoch beanspruchte Halbleiterbauelemente erzeugen eine große Verlustwärme und es ist bei elektrischen Geräten, die gegen elektromagnetische Felder sicher abgeschirmt sein müssen und deshalb in relativ dichten Gehäusen untergebracht sind, schwierig, diese Verlustwärme abzuführen. Eine innere Konvektion ist bei solchen kleinen Baueinheiten praktisch unmöglich.
Aus'TEKADE Technische Mitteilungen" 1977, Seite 47» Bild 12 ist es bekannt, solche Halbleiterbauelemente auf einem Metallwinkel anzuschrauben, der seinerseits fest mit einem an einer Außenwand des Geräts befestigten Kühlkörper verschraubt ist. Halbleiterbauelemente mit einem Kühlflansch, beispielsweise Transistoren, müssen in der Regel vom Kühlkörper isoliert sein, weil eine Elektrode des Bauelements mit dem Kühl flansch verbunden ist, eine Verbindung dieser Elektrode mit dem Kühlkörper jedoch unerwünscht ist. Zu diesem Zweck sind isolierende Zwischenlagen erforderlich, die den Kühl flansch vom Kühlkörper elektrisch isolieren und auch eine Isolierung des durch den Kühl flansch hindurchgeführten Befestigungsmittels bewirken. Zur Erzielung eines dauerhaft guten Wärmeübergangs zwischen dem Flansch des Halbleiterbauelements und dem Kühlkörper muß ein ständig gleichbleibender Anpreßdruck gewährleistet sein. Die Erfüllung dieser Forderung ist ebenfalls sehr schwierig zu erreichen. Wird als Befestigungsmittel eine Schraube oder ein Niet verwendet, so wird zur Isolierung des Befestigungsmittels gegenüber der Oberseite des Kühl flansches sowie gegenüber dessen Bohrung eine Isolierbuchse benutzt, welche aus einem flachen scheibenringförmigen Teil zwischen Kopf des Befestigungsmittels und Kühlflansch sowie aus einem den Schaft des Befestigungsmittels wenigstens im Bereich des Kühl flansches umschließenden rohrförmigen Teil besteht. Eine solche Isolierbuchse ist aus Kunststoff sehr leicht herstellbar. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die verwendeten Kunststoffe bei Erwärmung etwas schrumpfen und außerdem unter dem Einfluß der Verlustwärme des Halbleiterbauelements sowie unter dem Einfluß des Befestigungsdruckes sich verformen und nachgeben, wodurch sich der Wärmeübergang verschlechtert und die Gefahr der Überhitzung und der Zerstörung des Bauelementes besteht.
Zur Verbindung der Anschlußstifte eines solcherart befestigten Halbleiterbauelements mit Leiterbahnen einer in dem Gerät ebenfalls untergebrachten Leiterplatte müssen auf dieser Lötanschlußstifte vorgesehen sein und erst nach dem mechanischen Zusammenbau von Leiterplatte und dem den Kühlkörper tragenden Teil des Gehäuses können die notwendigen Drahtverbindungen von Hand eingelötet werden. Diese Lctarbeiten sind sehr kostenintensiv und fehlerträchtig.
Überdies können die auf den Leiterplatten angeordneten Schaltungen erst nach der Komplettierung mit den gesondert eingebauten Halbleiterbauelementen überprüft und gegebenenfalls eingestellt werden. bei einem Defekt müssen wiederum umfangreiche Lötarbeiten von Hand durchgeführt werden. Die verhältnismäßig langen Drahtverbindungen zwischen den Anschlußstiften der Halbleiterbauelemente und den Lötanschlußstiften der Leiterplatte wirken als Störstrahler, wodurch die Erfüllung der Forderungen an die Störstrahlfestigkeit und an die Störspannung der Geräte nur durch aufwendige Schirmmaßnahmen ermöglicht wird. Außerdem verursachen die langen Drahtverbindungen zusatzliche Leistungsverluste. Es ist überdies notwendig, die Lötverbindungen an den Lötstiften zusätzlich durch Lötfedern zu sichern. Lötfedern werden über die Lötanschlußstifte gelegt, dann werden die Anschlußdrähte hineingeschoben und danach kann handgelötet werden.
Die Lötfedern verhindern ein Abspringen der Drähte bei Überhitzung der Anschlußstelle. Zur elektrischen Verbindung der Kühlflansche mit der Schaltung müssen mit den Befestigungsschrauben zusätzlich Lötösen befestigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß einerseits (ohne aufwendige Isolierzwischenlagen) eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen Kühl flansch und Kühlkörper erreicht wird und andererseits ein dauerhaft guter Wärmeübergang gewährleistet wird und daß ferner handverlötete Drahtverbindungen zwischen den Lötanschlußstiften der Halbleiterbauelemente und der Leiterplatte unnötig werden.
Es soll keine zusätzliche mechanische Verbindung von der Leiterplatte zum Kühlkörper nötig sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich von der die Kühlfläche tragenden Wand des Gehäuses eine Platte ins Innere des Gehäuses über eine Leiterplatte-#rstreckt, daß auf der anderen Seite der Platte das Halbleiterbauelement angeordnet ist und sich zwischen dem Flansch des Halbleiterbauelements und der Platte eine Isolierzwischenlage befindet und daß durch ein durch Bohrungen im Kühl flansch, in der Platte und in der Leiterplatte sowie in den Isolierzwischenlagen hindurch greifendes gegenüber der Platte elektrisch isoliertes Befestigungsmittel alle Teile miteinander verbunden sind. Weitere Verbesserungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden soll anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels die Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
In der Figur ist mit 1 die Kühlfläche an der Außenwand des Gehäuses bezeichnet, die in diesem Falle als Kühlkörper ausgebildet ist. Von dieser Außenwand des Gehäuses nach innen ragt die Platte 2, sie ist als Kühlwinkel ausgestaltet und mit der Kühlfläche 1 verschraubt. Das Halbleiterbauelement ist der Transistor 3 in einem sog. T03-Gehäuse. Der Flansch 4 des Transistors 3 liegt auf dieser Platte 2 auf, zwischen dem Flansch und der Platte ist eine Isolierzwischenlage 6 angeordnet. Auf der anderen Seite der Platte erstreckt sich die Leiterplatte 5. Zwischen der Leiterplatte 5 und der Platte 2 befindet sich die Isolierzwischenlage 11 Diese Isolierzwischenlage ist nur dann nötig, wenn sich unter dem Kühlwinkel Leiterbahnen auf der Bauteilseite der Leiterplatte befinden.
Der Kühl flansch 4 des Transistors 3, die Platte 2 und die Leiterplatte 5 sind durch die Schraube 7 zusammengehalten, die mit der Mutter 8 zusammenwirkt.
Die Mutter 8 ist beim Ausführungsbeispiel als Einpreßmutter ausgebildet. Zur Isolierung der Schraube 7 gegenüber der Platte 2 ist eine Isolierbuchse 9 vorgesehen, die mit einer Verdickung in einer Ansenkung 10 schwimmend gelagert ist. Ihre Länge ist gegenüber der Gesamtlänge der Bohrung zwischen Platte und Flansch des Bauelements unkritisch, denn die Isolierung ist nur zwischen der Platte und der Schraube erforderlich.
Sie wird auch nicht durch Druck beansprucht, so daß keine Formänderungen auftreten können und somit keine Verschlechterung des Wärmeübergangs eintritt.
Sie muß lediglich in die Bohrung des Kühl flansches hineinragen, damit eine ausreichende Zentrierung des Transistors gegeben ist. Durch weitere Bohrungen in der Platte 2 und der Leiterplatte 5 ragen die Lötanschlußstifte des Transistors 3, in der Figur ist nur der Lötanschlußstift 12 dargestellt. Er ist mit der Leiterplatte 5 an der Lötstelle 13 verlötet. Für diese Lötung ist kein zusätzlicher Lötvorgang notwendig, sowohl die Einpreßmutter als auch die Lötanschlußstifte wie auch die übrigen Bauelemente auf der Leiterplatte werden in einem einziga;-Tauchlötvorgang mit den zugehörigen Leiterbahnen verbunden.
Durch Anwendung der Erfindung sind keine besonderen Drahtverbindungen zwischen dem Transistor und der Leiterplatte erforderlich, der Transistor ist mit seinen Lötanschlußstiften unmittelbar auf der Leiterplatte verlötet. Hierdurch wird ein kleinerer Funkstörpegel erreicht, die elektromagnetische Strahlungsleistung wird vermindert, außerdem wird eine Verlustleistung in Drahtverbindungen vermieden. Das Gehäuse des Gerätes selbst kann elektromagnetisch dicht gehalten werden, da die Verlustleistung über Metallverbindungen zwischen der Platte und der Außenwand des Gehäuses über das Kühlprofil geführt wird. In dem Gehäuse selbst ist eine Luftzirkulation kaum erforderlich. Durch die Befestigungsart ist außerdem über åie Schraube eine sehr gute und kurze elektrische Verbindung zwischen dem Kühl flansch und der Leiterplatte gewährleistet. Anstelle der Schraubverbindung kann auch ein Niet treten. Der Zusammenbau der Einrichtung gestaltet sich äußerst einfach, denn das Halbleiterbauelement 3 kann zusammen mit den übrigen Halbleiterbauelementen in einem Tauchlötvorgang mit den Leiterbahnen verlötet werden. Als Isolierzwischenstücke können die handelsüblichen bewährten Isoliermittel verwendet werden. Im Ausführungsbeispiel ist die Isolierzwischenlage 6 eine Glimmerscheibe. Es könnte auch eine Siliconscheibe oder Aluminiumoxydscheibe benutzt werden. Das Isolierstück 11 ist eine glasfaserverstärkte Hartfaserpaltte (Leiterplattenmaterial). Beide Materialien sind sehr druckbeständig und weisen keinen Kaltfluß auf, so daß durch Druck- und Wärmeeinflüsse eine Verschlechterung des Wärmeübergangs zwischen Kühl flansch und Kühlwinkel nicht befürchtet werden muß.

Claims

Patentansprüche 1@ Elektrisches Gerät mit wenigstens einer Leiterplatte sowie mit thermisch hoch beanspruchten mit Kühlflanschen versehenen Halbleiterbauelementen, deren Verlustwärme über eine am Gehäuse des Gerätes angeordnete Kühlfläche abgeführt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der die Kühlfläche tragenden Wand (1) des Gehäuses eine Platte (2) ins Innere des Gehäuses über die Leiterplatte (5) erstreckt, daß auf der anderen Seite der Platte (2) das Halbleiterbauelement (3) angeordnet ist und sich zwischen dem Flansch (4) des Halbleiterbauelements (3) und der Platte (2) eine Isolierzwischenlage (.6) befindet und daß durch ein durch Bohrungen im Kühl flansch, in der Platte und in der Leiterplatte sowie der Isolierzwischenlage hindurchragendes gegenüber der Platte isoliertes Befestigungsmittel (7) alle Teile miteinander verbunden sind.
2. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Isolierung des Befestigungsmittels gegenüber der Platte eine das Befestigungsmittel umgreifende schwimmend gelagerte Isolierbuchse (9) dient.
3. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel eine Schraube ist und das Gegengewinde in der Leiterplatte gehalten ist.
4. Elektrisches Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewinde mit wenigstens einer Leiterbahn verlötet ist.
5. Elektrisches Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewinde eine Einpreßmutter ist.