DE3738897A1

DE3738897A1 - Waermeleitendes verbindungselement fuer elektrische bauelemente

Info

Publication number: DE3738897A1
Application number: DE19873738897
Authority: DE
Inventors: Hartmut Ing Grad Nendel; Friedrich Dipl Ing Tappe; Andreas Knoblauch; Rolf Schuller
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1989-05-24
Also published as: DE3738897C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für elektrische Bauelemente, in denen Verlustwärme erzeugt wird, das folgende Merkmale aufweist:

- zwei Endbereiche, von denen einer mit einem elektrischen Bauelement und der andere mit einer Wärmesenke oder einer Stromzuführung verbunden wird, und
- ein beweglicher Mittelbereich, der parallel zueinander angeordnete Metallstreifen enthält.

In elektrischen und elektronischen Bauelementen, vor allem in Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen, wird im Bereich Verlustwärme erzeugt. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und Integrationsdichte der Schaltungen wird die Verlustwärme pro Flächen- oder Volumeneinheit immer größer. Sie muß zuverlässig abgeführt werden, wenn eine Beschädigung der Bauelemente verhindert werden soll.

Zum Abführen der Verlustwärme aus Bauelementen, die z. B. auf einer Leiterplatte befestigt sind, sind Verbindungselemente verwendet worden, die aus einem starren Metallstück bestehen, das mit einem Kühlkörper, z. B. der mit Kühlrippen versehenen Frontplatte eines Baugruppenträgers, verbunden ist (DE-OS 17 66 395). Ein guter Wärmeübergang wird nur dann erreicht, wenn das als Kontaktkühler ausgebildete Verbindungselement großflächig und satt an dem Bauelement anliegt. Da sich aber eine Leiterplatte durchaus verziehen kann, z. B. wenn ein zusätzliches Bauelement auf die Leiterplatte nachträglich gelötet wird, kann es leicht vorkommen, daß das zu kühlende Bauelement verkantet und damit der Wärmeübergang stark verschlechtert wird. Deshalb sind solche starren Kontaktkühler nicht für auf Leiterplatten montierte Bauelemente geeignet.

Bekannt ist auch ein wärmeleitendes Verbindungselement, das aus zwei Sätzen flacher, dünner, flexibler Blattelemente besteht, die kammartig ineinandergreifen. Zwischen je zwei Blattelementen ist jeweils ein Abstandshalter eingefügt und jeder Satz Blattelemente mit zugehörigen Abstandshaltern wird durch Schrauben oder Nieten zusammengehalten. Die beiden Sätze Blattelemente sind gegeneinander verschiebbar, so daß sich unterschiedliche oder veränderliche Abstände zwischen dem wärmeerzeugenden Bauelement und der Wärmesenke, hier eine gekühlte Metallplatte, ohne weiteres ausgleichen lassen (EP-B1-71 709). Ein derartiges Verbindungselement ist aber recht aufwendig herzustellen. Außerdem können mit ihm Abstandsschwankungen nur dann ausgeglichen werden, wenn das zu kühlende Bauelement und die Kühleinrichtung in etwa parallel verlaufende Oberfächen aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement zu schaffen, das einfach herzustellen und flexibel einzusetzen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß

- der Mittelbereich und die Endbereiche mehrere Lagen eines durchgehend aufgewickelten und formgeprägten metallischen Folienbandes enthalten, und
- die Endbereiche eine Versteifung aufweisen, die eine Anlagefläche bildet.

Ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbindungselements schließt erfindungsgemäß folgende Schritte ein:

- ein metallisches Folienband wird um einen flachen Dorn derart gewickelt, daß sich ein mehrlagiger flacher Folienbandwickel bildet,
- der Folienbandwickel wird von dem Dorn abgenommen und mit einem Prägestempel geprägt, so daß ein Wärmeleitstreifen mit aneinander anliegenden Folienlagen entsteht, wobei diesem Wärmeleitstreifen gleichzeitig eine vorgegebene Form eingeprägt wird, und
- der Wärmeleitstreifen wird an mindestens einem Ende versteift oder durch Metallplatten verfestigt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verbindungselement in eingebautem Zustand, in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 eine zum Befestigen des Verbindungselements nach Fig. 1 an einem Bauelement dienende Klammer und

Fig. 3 einen zum Herstellen des Verbindungselements nach Fig. 1 dienenden Wickeldorn.

Ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 1 weist einen nachgiebig gestalteten Mittelbereich 2 und zwei im wesentlichen starr ausgebildete Endbereiche 3 und 4 auf. Über alle drei Bereiche erstreckt sich ein Wärmeleitstreifen 5, der aus einem in mehreren Lagen 6 durchgehend aufgewickelten und formgeprägten metallischen Folienband besteht.

In dem ersten Endbereich 3 sind die Folienbandlagen 6 durch zwei Drückstücke oder Metallplatten 8 und 9 versteift, zwischen denen sie eingespannt sind. Die beiden Metallplatten 8, 9 sind dazu durch zwei Schrauben 10 - oder durch Nieten - miteinander verbunden.

In dem zweiten Endbereich 4 sind die Folienbandlagen 6 mittels eines weiteren Druckstücks 12 an einer Gehäusewand 13, z. B. der Frontplatte eines nicht weiter dargestellten Baugruppenträgers befestigt. Das Druckstück 12 ist dazu mit zwei Schrauben 14 an der Gehäusewand 13 festgeschraubt. Der durch den Anpreßdruck des Druckstücks 14 in dem Endbereich 4 ebenfalls starre oder steife Wärmeleitstreifen 5 liegt mit einer breiten Anlagefläche 15 eng an der Gehäusewand 13 an, die hier die Wärmesenke darstellt, so daß sich ein einwandfreier Wärmeübergang ergibt.

In dem ersten Endbereich 3 wird die Auflagefläche 16 durch die äußere Oberfläche der Metallplatte 8 gebildet, die auch hier einen einwandfreien Wärmeübergang zu dem zu kühlenden Bauelement ergibt.

Das zu kühlende Bauelement wird hier durch einen Isolierstoff-Rahmen 18 gebildet, auf dem die - in der Zeichnung nicht ersichtliche - eigentliche integrierte Schaltung oder Chip aufgebracht ist. Der Rahmen 18 weist an seiner Unterseite mehrere umlaufende Reihen von Anschlußstiften 19 auf, die in entsprechende Öffnungen einer Leiterplatte 20 eingesteckt und mit dieser verlötet sind. Auch von der Leiterplatte 20 ist hier nur ein Abschnitt dargestellt.

Der Endbereich 3 des Verbindungselements 1 wird mit einer Klammer 22 aus Federstahl (Fig. 2) an dem zu kühlenden Bauelement befestigt. Die Klammer 22 weist dazu an der Unterseite ihrer beiderseitigen Schenkeln Vorsprünge oder Wiederhaken 23 auf, die in axialer Richtung - wie durch einen Pfeil A angedeutet - unter die Ränder des Isolierstoff-Rahmens geschoben werden und dort festgehalten werden. Beim Aufschieben der Klammer 22 gibt deren durchgebogener Oberschenkel 24 elastisch nach und drückt auf die Metallplatte 9. Dadurch wird der ganze Endbereich 3 auf das zu kühlende Bauelement gedrückt, wodurch sich an der Anlagefläche 16 ein Anpreßdruck und damit ein guter Wärmeübergang ergibt.

Die Klammer 22 ermöglicht auch eine schnelle und einfache Montage und Demontage des Verbindungselements 1 von dem Bauelement 18 und damit von der Leiterplatte 20. Der Wärmeleitstreifen 5 des erfindungsgemäßen Verbindungselements wird mit Hilfe eines Wickeldorns 26 (Fig. 3) hergestellt. Ein dünnes Folienband aus einem die Wärme und den elektrischen Strom gut leitenden Material, z. B. Aluminium oder Kupfer, wird auf den länglichen Wickeldorn 26 durchgehend oder kontinuierlich aufgewickelt, bis sich eine Art flacher Folienbandwickel mit z. B. 30 bis 80 Lagen Folienband bildet. Dieses Aufwickeln eines kontinuierlichen Folienbandstreifens ist viel einfacher und schneller durchzuführen als das Aufeinanderschichten einzelner Folienbandstreifen, ganz besonders dann, wenn zwischen die einzelnen Folienbandstreifen noch Abstandshalterstreifen eingefügt werden müssen. Außerdem können während des Wickelns bei Bedarf auch Verbindungsmassen z. B. Lötpasten oder Klebstoffmassen, auf Bereiche des Folienbandes aufgebracht werden.

Nach dem Aufwickeln wird der flache Folienbandwickel von dem Wickeldorn 26 abgenommen und in einer geeignet gestalteten Prägeform mit einem entsprechenden Stempel geprägt. Dabei werden einerseits die einzelnen Folienbandstreifen aufeinandergedrückt, so daß sich ein flacher bandartiger Wärmeleitstreifen 5 bildet. Gleichzeitig wird diesem Wärmeleitstreifen auch jede beliebige, von dem vorgesehenen Einsatz bestimmte Form gegeben. In Fig. 1 ist dies eine etwa L-förmige Gestalt. Gleichzeitig mit dem Prägevorgang, gegebenenfalls auch danach, werden in den Wärmeleitstreifen 5 Öffnungen gestanzt, insbesondere die Durchgangsöffnungen für die Schrauben 10 und 14. Schließlich werden die Metallplatten 8 und 9 zusammengeschraubt. Durch Festschrauben der Metallplatte 12 wird das Verbindungselement an der Gehäusewand 13 festgeschraubt. Danach muß nur noch durch Aufschieben der Klammer 24 das Verbindungselement an dem zu kühlenden Bauelement 18 befestigt werden.

Durch Aufwickeln eines breiten Folienbandstreifens können eine größere Anzahl Verbindungselemente gleichzeitig gewickelt, geprägt und ausgestanzt werden. Danach müssen nur noch die einzelnen Wärmeleitstreifen abgetrennt werden.

Die beiden Endbereiche 3 und 4 können auch dadurch versteift werden, daß die einzelnen Folienbandlagen miteinander verklebt, verlötet oder auch (ultraschall-) verschweißt werden. Der Klebstoff oder die Lötpaste kann, wie bereits angedeutet, während des Wickelns der Folienbandlagen aufgebracht werden. Es entfallen dann die Metallplatten 8, 9 und/oder 12. Zum Befestigen der Endbereiche 3, 4 müssen lediglich Löcher ausgestanzt und selbstformende Schrauben eingedreht werden. Stattdessen ist es auch möglich, die Endbereiche 3 und 4 an das Bauelement bzw. an ein geeignetes Kühlelement zu löten oder zu kleben.

Das erfindungsgemäße Verbindungselement ist sehr wirtschaftlich herzustellen, außerdem ist es leicht an unterschiedliche Einsatzzwecke anzupassen, da ihm beleibige Formen aufgeprägt werden können. Durch die Nachgiebigkeit des Wärmeleitstreifens in dem Mittelbereich 2 werden Drehmomente und Zugkräfte, die etwa durch die Verförmung von Bauteilen, wie etwa der Leiterplatte 20 herrühren können, zuverlässig ausgeglichen.

Das Verbindungselement kann auch zur Stromzuführung eingesetzt werden. Wegen der dicht aufeinander liegenden Folienbandlagen weist es einen - im Vergleich mit Stromführungsbändern aus geflochenen Kupferlitzen - bei gleichen Außenabmessungen erheblich größeren Querschnitt auf, der sowohl dem Strom - als auch dem Wärmetransport zugute kommt.

Claims

1. Verbindungselement für elektrische Bauelemente, in denen Verlustwärme erzeugt wird, das folgende Merkmale aufweist:

- zwei Endbereiche, von denen einer mit einem elektrischen Bauelement und der andere mit einer Wärmesenke oder einer Stromzuführung verbunden wird, und
- ein beweglicher Mittelbereich, der parallel zueinander angeordnete Metallstreifen enthält,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Mittelbereich (2) und die Endbereiche (3, 4) mehrere Lagen (6) eines durchgehenden aufgewickelten und formgeprägten metallischen Folienbandes enthalten, und
- daß die Endbereiche (3, 4) eine Versteifung aufweisen, die eine Anlagefläche (15, 16) bildet.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifung durch mindestens eine Metallplatte (9, 12) gebildet wird, durch die die Folienbandlagen (6) eingespannt sind.

3. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienbandlagen (6) in dem mit dem elektrischen Bauelement (18) zu verbindenden ersten Endbereich (3) zwischen zwei Metallplatten (8, 9) eingespannt sind, die durch Schrauben (10) oder dgl. miteinander verbunden sind.

4. Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Endbereich (4) eine Metallplatte (12) aufweist, durch die er gegen die Wärmesenke (13) gedrückt wird.

5. Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Endbereich (3) mittels einer Klammer (22) an dem elektrischen Bauteil (18) befestigt ist.

6. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Endbereiche (3, 4) die einzelnen Folienbandlagen (6) untereinander verbunden sind.

7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienbandlagen (6) durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden sind.

8. Verfahren zum Herstellen eines Verbindungselements für elektrische Bauteile, in denen Verlustwärme erzeugt wird, das folgende Schritte einschließt:

- ein metallisches Folienband wird um einen flachen Dorn derart gewickelt, daß sich ein durchgehender mehrlagiger flacher Folienbandwickel bildet,
- der Folienbandwickel wird von dem Dorn abgenommen und mit einem Prägestempel geprägt, so daß ein Wärmeleitstreifen mit aneinander anliegenden Folienlagen entstehen, wobei diesem Wärmeleitstreifen gleichzeitig eine vorgegebene Form eingeprägt wird, und
- der Wärmeleitstreifen wird an mindestens einem Ende versteift oder durch Metallplatten verfestigt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Prägen des Wärmeleitstreifens in diesem Aussparungen ausgestanzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wickeln des Folienbandes auf diesem eine Haftmasse aufgebracht wird.