DE3610459A1 - Anordnung zum thermischen kontaktieren von elektrischen bauelementen an kuehlkoerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum thermischen Kontaktieren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Wärmeentwicklung in elektrischen Bauelementen ist der Grund für die bestehende und inzwischen erhebliche Anzahl von unterschiedlich ausgebildeten Kühlvorrichtungen, die alle dafür entwickelt wurden, Wärme einem elektrischen Bauelement zu entziehen und an ein Medium abzugeben. In den meisten Anwendungsfällen dient als wärmeaufnehmendes Medium die Luft.

Um nun einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen einem elektrischen Bauelement und der Umluft zu erzielen, werden die Kühlvorrichtungen aus einem gut wär­ meleitendem Material hergestellt und mit einer großen Oberfläche versehen. Die beste Wärmeleitfähigkeit bietet Metall, wodurch sich nunmehr zwei zu lösende Probleme er­ geben.

Zum einen sollte der von einer Kühlvorrichtung benötigte Platz möglichst gering sein, zum anderen sollte aus Si­ cherheitsgründen an einer Kühlvorrichtung kein für den Menschen gefährliches elektrisches Potential anliegen.

Da insbesondere Halbleiterbauelemente eine Wärmeableit­ fläche aufweisen, die elektrisch mit einem der Bauele­ mentanschlüsse verbunden ist, muß das Halbleiterbauele­ ment elektrisch isoliert, trotzdem aber mit geringem Wär­ meübergangswiderstand an einer Kühlvorrichtung angebracht werden.

Zur elektrischen Isolierung stehen von Glimmerscheiben bis hin zu speziell entwickelten Folien mannigfaltige Ma­ terialien zur Verfügung, deren Verwendung aber immer eine beträchtliche Erhöhung des Wärmeübergangswiderstandes be­ deutet, die wiederum eine erhöhte Temperaturbelastung des elektrischen Bauelementes zur Folge hat. Diesem Nachteil begegnet man meist durch Vergrößerung der Kühlvorrich­ tung oder durch Einsatz eines effektiveren, aber kosten­ aufwendigeren Kühlprinzips.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, in einer An­ ordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genann­ ten Art den Wärmeübergangswiderstand zwischen einem elek­ trischen Bauelement und einer Kühlvorrichtung zu verrin­ gern.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale.

Von besonderem Vorteil ist die Erfindung in Anordnungen, bei denen aus Gründen der Kosten- und Platzersparnis meh­ rere wärmeabgebende elektrische Bauelemente an einer Kühlvorrichtung angebracht sind, und die Wärmeableitflä­ chen der elektrischen Bauelemente unterschiedliche elek­ trische Potentiale aufweisen. Dank der Erfindung muß die Kühlvorrichtung, bedingt durch die Notwendigkeit der elektrischen Isolierung der Bauelemente nicht vergrößert werden, um Bauteiltemperaturen entsprechend einer Anord­ nung ohne elektrische Isolierung der Bauelemente zu er­ reichen.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Derartige Ausführungsformen benötigen keinen nennenswer­ ten zusätzlichen Raum und stellen kaum Fertigungsmehrauf­ wand dar. In vielen Fällen kann die Erfindung ohne Umkon­ struktion der bestehenden Anordnungen eingesetzt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Kühlkörpers mit gemeinsa­ mer Schraubenbefestigung eines Halbleiterbauelementes und einer kreisförmigen Kühlplatte,

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Kühlkörpers mit Schraub­ befestigung einer Kühlplatte und Klammerbefestigung eines Halbleiterbauelementes,

Fig. 3 die Draufsicht der Anordnung nach Fig. 2.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt im wesentlichen die Kontaktierungsfläche KF eines Kühlkör­ pers KK, ein Halbleiterbauelement HL, ein als kreisförmi­ ge Kühlplatte KP ausgeführtes Zwischenkühlelement und eine elektrische isolierende Trennschicht EIT.

Das Halbleiterbauelement HL weist eine potentialbehaftete Wärmeableitfläche WAF auf, die unmittelbar an der Kühl­ platte KP anliegt. Zwischen dieser Kühlplatte KP und der Kontaktierungsfläche KF des Kühlkörpers KK befindet sich die der Kühlplattenfläche entsprechende elektrisch iso­ lierende Trennschicht EIT. Eine Schraubverbindung SCH be­ festigt das Halbleiterbauelement HL am Kühlkörper KK, wo­ durch zugleich die Kühlplatte KP und die elektrisch iso­ lierende Trennschicht EIT zwischen dem Halbleiterbauele­ ment HL und dem Kühlkörper KK eingeklemmt werden. Die Schraubverbindung SCH trägt das Spannungspotential des Kühlkörpers KK und ist durch eine Isolierbuchse mit an­ gesetztem Flausch vom Halbleiterbauelement HL elek­ trisch isoliert.

Als einziges Element der Anordnung ist die Kühlplatte KP, die man auch als Wärmeableitplatte bezeichnen kann, elek­ trisch mit der Wärmeableitfläche WAF des Halbleiterbau­ elementes HL verbunden, um eine Verschlechterung des Wär­ meübergangswiderstandes zu vermeiden. Die gegenüber der Wärmeableitfläche WAF des Halbleiterbauelementes HL grös­ sere Fläche der Kühlplatte KP wirkt der durch die elek­ trisch isolierende Schicht entstandenen Verschlechterung des Wärmeübergangs entgegen und ermöglicht annähernd einen Wärmeübergangswiderstand, der dem bei einer unmit­ telbaren Kontaktierung zwischen Halbleiterbauelement HL und Kühlkörper KK entspricht.

Das in Fig. 2 und in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorhergehenden Beispiel nur durch die Form der Kühlplatte KP und die unterschiedliche Befe­ stigungsart der Kühlplatte KP und des Halbleiterbauele­ mentes HL. Das Halbleiterbauelement HL wird mit einer U- förmigen Klammer KLM, deren Enden widerhakenförmig gebo­ gen sind, an einer rechteckförmigen Kühlplatte KP befe­ stigt. Zu diesem Zweck weist die Kühlplatte KP zu beiden Seiten des Halbleiterbauelements HL zwei Schlitze SL 1, SL 2 auf. Die U-förmige Klammer KLM rastet mit ihren wi­ derhakenförmig gebogenen Enden in diese Schlitze SL 1, SL 2 ein und drückt das dazwischenliegende Halbleiterbau­ element HL gegen die Kühlplatte KP. Zur Befestigung der Kühlplatte KP und der elektrischen isolierenden Trenn­ schicht EIT an dem Kühlkörper KK sind zwei Schraubverbin­ dungen SCH 1, SCH 2 vorgesehen, die gegenüber der Kühlplat­ te KP elektrisch isoliert sind. In der Kontaktierungsflä­ che KF des Kühlkörpers KK befinden sich den Schlitzen SL 1, SL 2 in der Kühlplatte KP zugeordnete Löcher L 1, L 2, die den widerhakenförmig gebogenen Enden der U-förmigen Klammer KLM den nötigen Raum schaffen, die Kühlplatte KP hintergreifen zu können.

Claims (6)

1. Anordnung zum thermischen Kontaktieren wenigstens eines wärmeabgebenden elektrischen Bauelementes mit einem Kühlkörper (KK), der mindestens eine Kontaktierungsfläche (KF) aufweist, die mittels einer dazwischenliegenden elektrisch isolierenden Trennschicht (EIT) einer poten­ tialbehafteten Wärmeableitfläche (WAF) des elektrischen Bauelementes zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß un­ mittelbar an der potentialbehafteten Wärmeableitfläche (WAF) des elektrischen Bauelementes ein Zwischenkühlele­ ment befestigt ist, das mit einer gegenüber der Wärmeab­ leitfläche des elektrischen Bauelementes größeren Wärme­ ableitfläche versehen ist, und daß die elektrische isolie­ rende Trennschicht (EIT) eine der Wärmeableitfläche des Zwischenkühlelementes entsprechende Fläche aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenkühlelement als Kühlplatte (KP) ausgeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens ein erstes Befestigungselement zur mechanischen Verbindung des elektrischen Bauelements mit dem Zwischenkühlelement und durch wenigstens ein zweites Befestigungselement zur mechanischen Verbindung des Zwischenkühlelements mit dem Kühlkörper (KK).

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mechani­ sche Verbindung, die zugleich das elektrische Bauelement am Zwischenkühlelement und das Zwischenkühlelement am Kühlkörper (KK) befestigt.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine lösbare mechanische Verbindung, die aus wenigstens einer Schraub­ verbindung besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine lösbare mechanische Verbindung, die aus wenigstens einer U-förmigen Klammer (KLM) besteht, deren Enden widerhaken­ förmig ausgebildet sind und in entsprechend zugeordnete Öffnungen des Zwischenkühlelementes und/oder des Kühlkör­ pers (KK) einrasten.