DE3342924C2 - - Google Patents

Description

Elektrisches Gerät mit wenigstens einer Leiterplatte so­ wie mit thermisch hoch beanspruchten mit Kühlflanschen versehenen Halbleiterbauelementen, deren Verlustwärme über eine am Gehäuse des Gerätes angeordnete Kühlfläche abgeführt werden soll, wobei sich von der die Kühlfläche tragenden Wand des Gehäuses eine Kühlplatte ins Innere des Gehäuses über die Leiterplatte ersteckt und auf der ande­ ren Seite der Kühlplatte das Halbleiterbauelement angeordnet ist und wobei als ein alle Teile miteinander verbindendes Befestigungsmittel wenigstens eine Schraube vorgesehen ist, deren Gegengewinde in der Leiterplatte gehalten ist.

Hoch beanspruchte Halbleiterbauelemente erzeugen eine große Verlustwärme und es ist bei elektrischen Geräten, die gegen elektromagnetische Felder sicher abgeschirmt sein müssen und deshalb in reletiv dichten Gehäusen un­ tergebracht sind, schwierig, diese Verlustwärme abzufüh­ ren. Eine innere Konvektion ist bei solchen kleinen Bau­ einheiten praktisch unmöglich.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 77 05 156 ist ein Ge­ rätechassis bekannt, welches eine Kühlfläche tragende Wand aufweist, von der sich ein Schenkel eines Trag­ winkels ins Innere des Gehäuses über eine Leiterplatte erstreckt, wobei auf der anderen Seite des Schenkels des Tragwinkels ein Halbleiterbauelement angeordnet ist. Als Befestigungsmittel dienen Schrauben, deren Gegengewinde als Einpressgewinde in der Leiterplatte eingeordnet sind. Mittels dieser Schrauben kann eine elektrische Ver­ bindung zwischen den Gehäusen der Halbleiterbauelemente und Leiterbahnen auf der Leiterplatte hergestellt wer­ den. Die Halbleiterbauelemente sind wenigstens einer wei­ teren Leiterplatte zugeordnet, welche senkrecht zu der am Tragwinkel befestigten Leiterplatte angeordnet ist.

Halbleiterbauelemente mit einem Kühlflansch, beispiels­ weise Transistoren, müssen in der Regel vom Kühlkörper isoliert sein, weil eine Elektrode des Bauelements mit dem Kühlflansch verbunden ist, eine Verbindung dieser Elektrode mit dem Kühlkörper jedoch unerwünscht ist. Zu diesem Zweck sind isolierende Zwischenlagen erforderlich, die den Kühlflansch vom Kühlkörper elektrisch isolieren und auch eine Isolierung des durch den Kühlflansch hin­ durchgeführten Befestigungsmittels bewirken (DE 31 23 309 A1, US 43 42 068). Es ist auch üblich, die Lötanschluß­ stifte mit den Leiterbahnen zu verlöten (US 43 42 068).

Zur Erzielung eines dauerhaft guten Wärmeübergangs zwi­ schen dem Flansch des Halbleiterbauelements und dem Kühl­ körper muß ein ständig gleichbleibender Anpreßdruck ge­ währleistet sein. Die Erfüllung dieser Forderung ist ebenfalls sehr schwierig zu erreichen. Wird als Befesti­ gungsmittel eine Schraube oder ein Niet verwendet, so wird zur Isolierung des Befestigungsmittels gegenüber der Oberseite des Kühlflansches sowie gegenüber diessen Boh­ rung eine Isolierbuchse (DE 31 23 309 A1, US 43 42 068) benutzt, welche aus einem flachen scheibenringförmigen Teil zwischen Kopf des Befestigungsmittels und Kühl­ flansch sowie aus einem den Schaft des Befestigungs­ mittels wenigstens im Bereich des Kühlflansches um­ schließenden rohrförmigen Teil besteht. Eine solche Iso­ lierbuchse 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 Halbleiterbauele­ ments sowie unter dem Einfluß des Befestigungsdruckes sich verformen und nachgeben, wodurch sich der Wärmeüber­ gang verschlechtert und die Gefahr der Überhitzung und der Zerstörung des Bauelementes besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektri­ sches Gerät der eingangs genannten Art derart zu ver­ bessern, daß einerseits eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen Kühlflansch und Kühlkörper erreicht wird und andererseits ein dauerhaft guter Wärmeübergang gewährleistet ist und daß ferner handverlötete Drahtver­ bindungen zwischen den Lötanschlußstiften der Halbleiter­ bauelemente und der Leiterplatte unnötig werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich zwischen dem Flansch des Halbleiterbauelementes und der Kühlplatte eine Isolierzwischenlage befindet und die Schraube gegenüber der Kühlplatte durch eine in der Kühlplatte gelagerte, die Kühlplatte, die Isolierzwischenlage und wenigstens teilweise den Flansch des Halbleiterbauelementes durchsetzende Isolierbuchse elektrisch isoliert ist und die Lötanschlußstifte des Halbleiterbauelementes mit Leiterbahnen der Leiterplatte verlötet sind.

Weitere Verbesserungen sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

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 Kühlkör­ per ausgebildet ist. Von dieser Außenwand des Gehäuses nach innen ragt die Kühlplatte 2, sie ist als Kühlwinkel ausgestaltet und mit der Kühlfläche 1 verschraubt. Das Halbleiterbauelement ist der Transistor 3 in einem soge­ nannten T03-Gehäuse. Der Flansch 4 des Transistors 3 liegt auf dieser Kühlplatte 2 auf, zwischen dem Flansch und der Platte ist eine Isolierungszwischenlage 6 ange­ ordnet. Auf der anderen Seite der Kühlplatte erstreckt sich die Leiterplatte 5. Zwischen der Leiterplatte 5 und der Kühlplatte 2 befindet sich die Isolierzwischenlage 11. Diese Isolierzwischenlage ist nur dann nötig, wenn sich unter dem Kühlwinkel Leiterbahnen auf der Bauteil­ seite der Leiterplatte befinden. Der Kühlflansch 4 des Transistors 3, die Kühlplatte 2 und die Leiterplatte 5 sind durch die Schraube 7 zusammengehalten, die mit der Mutter 8 zusammenwirkt. Die Mutter 8 ist beim Ausfüh­ rungsbeipiel als Einpreßmutter ausgebildet. Zur Isolie­ rung der Schraube 7 gegenüber der Kühlplatte 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 Kühl­ platte und Flansch des Bauelements unkritisch, denn die Isolierung ist nur zwischen der Kühlplatte und der Schraube erforderlich. Sie wird auch nicht durch Druck beansprucht, so daß keine Formänderungen auftreten können und somit keine Verschlechterung des Wärmeübergangs ein­ tritt. Sie muß lediglich in die Bohrung des Kühlflansches hineinragen, damit eine ausreichende Zentrierung des Transistors gegeben ist. Durch weitere Bohrungen in der Kühlplatte 2 und der Leiterplatte 5 ragen die Lötan­ schlußstifte des Transistors 3, in der Figur ist nur der Lötanschlußstift 12 dargestellt. Er ist mit der Leiter­ platte 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 einzigen Tauchlötgang mit den zugehorigen Leiterbahnen verbunden.

Durch Anwendung der Erfindung sind keine besonderen Drahtverbindungen zwischen dem Transistor und der Leiter­ platte erforderlich, der Transistor ist mit seinen Lötan­ schlußstiften 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 elektro­ magnetisch dicht gehalten werden, da die Verlustleistung über Metallverbindungen zwischen der Kühlplatte und der Außenwand des Gehäuses über das Kühlprofil geführt wird. In dem Gehäuse selbst ist eine Luftzirkulation kaum er­ forderlich. Durch die Befestigung ist außerdem über die Schraube eine sehr gute und kurze elektrische Verbindung zwischen dem Kühlflansch und der Leiterplattte gewähr­ leistet. Der Zusammenbau der Einrichtung gestaltet sich äußerst einfach, denn das Halbleiterbauelement 3 kann zu­ sammen mit den übrigen Halbleiterbauelementen in einem Tauchlötvorgang mit den Leiterbahnen verlötet werden. Als Isolierzwischenstücke können die handelsüblichen bewähr­ ten Isoliermittel verwendet werden. Im Ausführungsbei­ spiel ist die Isolierzwischenlage 6 eine Glimmerscheibe. Es könnte auch eine Siliconscheibe oder Aluminiumoxyd­ scheibe benutzt werden. Das Isolierstück 11 ist eine glasfaserverstärkte Hartfaserplatte (Leiterplatten­ material). Beide Materialien sind sehr druckbeständig und weisen keinen Kaltfluß auf, so daß Druck- und Wärmeein­ flüsse eine Verschlechterung des Wärmeübergangs zwischen Kühlflansch und Kühlwinkel nicht befürchtet werden muß.

Claims (4)

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, wobei sich von der die Kühlfläche tragenden Wand des Gehäuses eine Kühlplatte ins Innere des Gehäuses über die Leiterplatte erstreckt und auf der anderen Seite der Kühlplatte das Halbleiterbauelement an­ geordnet ist und wobei als ein alle Teile miteinander verbindendes Befestigungsmittel wenigstens eine Schraube vorgesehen ist, deren Gegengewinde in der Leiterplatte gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Flansch (4) des Halbleiterbauele­ mentes (3) und der Kühlplatte (2) eine Isolierzwischen­ lage (6) befindet und die Schraube (3) gegenüber der Kühlplatte (2) durch eine in der Kühlplatte (2) gelager­ te, die Kühlplatte (2), die Isolierzwischenlage (6) und wenigstens teilweise den Flansch (4) des Halbleiterbau­ elementes (3) durchsetzende Isolierbuchse (9) elektrisch isoliert ist und die Lötanschlußstifte (12) des Halb­ leiterbauelementes mit Leiterbahnen der Leiterplatte ver­ lötet sind.

2. Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierbuchse mit einer Verdickung in einer An­ senkung (10) der Kühlplatte (2) schwimmend gelagert ist.

3. Elektrisches Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewinde mit wenigstens einer Leiterbahn verlötet ist.

4. Elektrisches Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegengewinde eine Einpreßmutter ist.