DE3927755A1 - Waermeableitvorrichtung fuer elektrische bauelemente - Google Patents
Waermeableitvorrichtung fuer elektrische bauelementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Wärmeableitung für elektrische Bauelemente nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung zur Wärmeableitung ist aus
der EP 01 67 033 A2 bekannt, wobei ein Wärme erzeugendes,
elektrisches Bauelement in Form eines Halbleiterchips,
das auf einem Substrat oder einer Leiterplatte befestigt
ist, auf seiner Oberseite von der Unterseite eines
kegelstumpfförmigen Bauteils kontaktiert wird. Das
Bauteil ist mit seinem Konus in einer entsprechenden
Vertiefung in einem Kühlkörper eingelassen und wird
durch eine dazwischen eingefügte Druckfeder gegen das
elektrische Bauelement gedrückt. Außerdem soll der
Wärmeübergang und die mechanische Flexibilität an den
konischen Flächen durch eine gut wärmeleitende
Fettschicht, an der Basisfläche durch eine Schicht einer
gut wärmeleitenden, niedrigschmelzenden Legierung
verbessert werden.
Andere Vorrichtungen dieser Art sind aus der EP 02 88
183 A2 bekannt, wobei die Bauteile und die Vertiefungen
in den Kühlkörpern halbzylindrisch, prismatisch oder
pyramidenförmig sind. Außerdem sind die Bauteile
vorzugsweise durch senkrechte Trennebenen halbiert oder,
im Fall der Pyramide, sogar geviertelt.
Dazwischengefügte Druckfedern drücken die Kontaktflächen
der Bauteile einerseits und der Bauelemente und der
Kühlkörper andererseits gegeneinander, um den
Wärmeübergang zu verbessern. Da sich die Bauteile gut an
die Flächen des Bauelementes und des Kühlkörpers anlegen
sollen, andererseits aber die Reibung gering sein muß,
um diesen Effekt auch bei Verkantung zu erreichen, sind
als Kompromiß die Berührungsflächen von Bauteil und
Kühlkörper unterschiedlich gekrümmt, was sich jedoch
wiederum nachteilig auf den Wärmeübergang auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die
einen guten Wärmeübergang von elektrischen Bauelementen
auf das wärmeleitende Bauteil und von diesem auf den
Kühlkörper sicherstellt. Die konstruktive Gestaltung der
Bauelemente, wie oberflächen-montierte oder gesockelte
(pin grid arrays), soll dabei keine Rolle spielen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben, die in den zugehörigen Zeichnungen
dargestellt sind. Darin zeigen
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Wärmeableitung von einem in
eine Leiterplatte eingelöteten Halbleiterchip
mittels eines halbkugelförmigen Bauteiles, das
in einer Stellschraube gelagert ist, die in
einen Kühlkörper geschraubt ist, in
Teillängsschnitt;
Fig. 2 eine gleichartige Vorrichtung wie in Fig. 1,
jedoch in Verbindung mit einem
oberflächenmontierten Bauelement, in
Teillängsschnitt;
Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 2 in Draufsicht;
Fig. 4 eine Anordnung mehrerer unterschiedlicher
Bauelemente mit Wärmeableitungsvorrichtungen
unter einem gemeinsamen Kühlkörper, in
Draufsicht;
Fig. 5 eine andere Ausführung der
Wärmeableitungsvorrichtung mit einem
halbkugelförmigen Bauteil und federnder
Schraubverbindung zwischen Kühlkörper und
Leiterplatte, in Teilquerschnitt;
Fig. 6 eine ähnliche Ausführung der
Wärmeableitungsvorrichtung wie in Fig. 1, jedoch
mit einem federbelasteten Zylinderstift anstelle
der Stellschraube.
Auf die Leiterplatte 1 einer Leiterplatten-Baugruppe
nach Fig. 1 ist ein Wärme abgebendes elektrisches
Bauelement 2 in Form eines Halbleiterchips gelötet. Die
Leiterplatte 1 ist mit einem plattenförmigen, relativ
dicken Kühlkörper 3 verbunden, der parallel zu ihr
verläuft. Da das elektrische Bauelement 2 zwischen
Leiterplatte und Kühlkörper liegt, sind an den
Verbindungsstellen Distanzstücke 4 vorgesehen, die z.B.
als Einpreßmuttern ausgebildet sein können und im
Kühlkörper befestigt sind. Die Verbindung erfolgt durch
Schrauben 5, die durch entsprechende Löcher in der
Leiterplatte 1 gesteckt und in die Distanzstücke 4
eingedreht sind.
Der Kühlkörper 3 ist mit einer Frontplatte 9 verschraubt
(10), die mit vertikalen Kühlrippen 1 versehen ist und
die Vorderseite der Baugruppe darstellt.
Zur Ableitung und Übertragung der Wärme vom Bauelement 2
zum Kühlkörper 3 dient ein halbkugelförmiges Bauteil 6,
das mit seiner ebenen Fläche auf dem Bauelement ruht,
während die Kugelfläche in einer entsprechenden
Kugelpfanne gelagert ist, die in der Stirnseite einer
Stellschraube 7 eingelassen ist. Die Stellschraube hat
die Form einer Stiftschraube mit relativ großem
Durchmesser und ist in eine entsprechende, durchgängige
Gewindebohrung 8 im Kühlkörper 3 eingeschraubt.
Zwischen das halbkugelige Bauteil 6 und das elektrische
Bauelement 2 kann ein Adapterteil 12 eingefügt sein,
dessen Durchmesser kleiner und dessen Grundriß anders
als der des Bauteiles 6 sein kann, beispielsweise
quadratisch. In Anpassung an die Konfiguration des
Bauelementes 2 ist die Kontaktfläche dann auf den warmen
Bereich des Bauelementes 2 konzentriert. Außerdem kann
die Wärmekontaktfläche des Bauelementes 2 mit einer
Wärmeleitfolie 13 belegt sein, durch die
Ausdehnungsunterschiede ausgeglichen werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 und 3 ist anstelle des
Halbleiterchips ein oberflächenmontiertes Bauelement
(OMB) 2 auf der Leiterplatte 1 angebracht. Auch hier ist
ein rechteckiges Adapterteil 12 zwischen dem Bauelement
2 und dem halbkugelförmigen Bauteil 6 eingesetzt. Dabei
kann es sich als zweckmäßig erweisen, eine Lagesicherung
dieses Adapterteiles 12 vorzusehen, was in Form einer
Positionsplatte 14 aus Isoliermaterial geschieht, die in
der Fläche eine Öffnung zur Aufnahme des Adapterteiles
hat und deren Außenkontur so gestaltet ist, daß sie
zwischen den Distanzstücken 4 eingelegt fixiert ist
(Fig. 3).
Im übrigen gleichen die Bauteile denen der Anordnung
nach Fig. 1 oder entsprechen ihnen zumindest und sind
deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung von mehreren elektrischen
Bauelementen 2 unterschiedlicher Größe, die auf einer
Leiterplatte 1 angebracht sind und von einem gemeinsamen
Kühlkörper bedeckt werden. Für jedes Bauelement ist eine
Stellschraube 7 mit einem halbkugeligen Bauteil 6 im
Kühlkörper 3 vorgesehen. Der Kühlkörper ist wiederum mit
einer Frontplatte 9 verschraubt.
Die Stellschraube ermöglicht bei diesen Ausführungen die
Anpassung an verschiedene Bauelemente-Höhen. Das
halbkugelige Bauteil 6 gewährleistet einen optimalen
Flächenkontakt, selbst bei ungünstiger Lage des
Bauelementes auf der Leiterplatte, wie z.B.
Schrägstellung. Der Anpreßdruck ist genau einstellbar,
die Anwendung daher universell.
In Fig. 5 ist eine andere Ausführung dargestellt, bei
der das halbkugelige Bauteil 6 unmittelbar im Kühlkörper
16 gelagert ist der deshalb eine entsprechende
Kugelpfanne aufweist. Die Anpassung erfolgt durch
Druckfedern 19, die auf die Schrauben 18 gesteckt sind,
die die Verbindung zwischen Kühlkörper 16 und
Leiterplatte 1 herstellen.
Das elektrische Bauelement 2, OMB oder stiftgesockeltes,
ist auf der Leiterplatte 1 angelötet. Außerdem sind in
der Leiterplatte Nietmuttern 17 befestigt, in die die
Schrauben 18 eingedreht sind. Die ebene Fläche des
halbkugeligen Bauteils 6 liegt auf dem Bauelement, die
Kugelfläche in der Kugelpfanne des Kühlkörpers. Die
Durchgangslöcher für die Schrauben 18 sind auf der
Einschraubseite bis etwa zur Hälfte mit größerem
Durchmesser aufgebohrt, um Raum für die Druckfedern 19
zu schaffen, die zusammen mit den Schrauben 18
eingesetzt werden. Je nach Charakteristik der
eingesetzten Federn können diese mit oder ohne
Vorspannung verschraubt werden. Der Schraubweg, der der
gesamten Mutterhöhe entspricht, bietet einen gewissen
Stellbereich der Anpreßkraft. Die eine Schraube ist im
eingeschraubten, die andere im ausgedrehten Zustand
dargestellt. Der Kühlkörper 16 ist mit einer Frontplatte
9 mit Kühlrippen 11 verschraubt (10), wie oben schon
beschrieben wurde.
Bei dieser Ausführung sorgen die Druckfedern 19 für
einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen und thermische
Verwerfungen sowie für guten Wärmeübergang vom
Bauelement zum Kühlkörper.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung, bei der anstelle der
Stellschraube der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung
ein Zylinderstift 20 in einer glatten Durchgangsbohrung
des Kühlkörpers 21 gleitend geführt ist. Die dem
Bauelement 2 zugewandte Stirnfläche des Zylinderstiftes
20 weist die Kugelpfanne zur Aufnahme des halbkugeligen
Bauteiles 6 auf. Die andere Stirnfläche des
Zylinderstiftes, die ungefähr in der Ebene der offenen
Seite des Kühlkörpers 21 liegt, wird von einer
Druckfeder 22 beaufschlagt. Beim dargestellten Beispiel
wird die Druckfeder von einer gewölbten Blattfeder
gebildet, die an der Oberfläche angeschraubt (23) ist.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Wärmeableitung für elektrische
Bauelemente, die auf einer Leiterplatte befestigt und
über ein wärmeleitendes Bauteil mit einem Kühlkörper
verbunden sind, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bauteil (6)
halbkugelförmig ist, wobei die ebene Fläche auf dem
Bauelement (2) liegt und die Kugelfläche form- und
kraftschlüssig in dem Kühlkörper (3, 16, 21) gehaltert
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugelfläche des Bauteils (6) formschlüssig in
einer entsprechenden Vertiefung einer Stellschraube (7),
die in eine durchgängige Gewindebohrung (8) des
Kühlkörpers (3) eingeschraubt ist, gelagert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugelfläche des Bauteils (6) formschlüssig in
einer entsprechenden Vertiefung eines Zylinderstiftes
(20), der in einer Durchgangsbohrung des Kühlkörpers
(21) gleitend geführt ist und durch die Kraft einer
Feder (22) gegen das Bauelement (2) gedrückt wird,
gelagert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterplatte (1) und der Kühlkörper (3) durch
Schrauben (5) verbunden und durch Distanzstücke (4) auf
Abstand gehalten werden, wobei die Schrauben die
Distanzstücke durchsetzen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Kühlkörper (16) und den Köpfen der
Schrauben (18) jeweils eine Druckfeder (19) eingesetzt
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der ebenen Fläche des
Bauteiles (6) und dem Bauelement (2) ein Adapterteil
(12) eingefügt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Adapterteil (12) in einer Positionsplatte (14)
gehalten ist, die zwischen den Distanzstücken (4)
fixiert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Bauteile (6) in einem gemeinsamen Kühlkörper
(3) gehaltert sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ALCATEL SEL AKTIENGESELLSCHAFT, 7000 STUTTGART, DE |
|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |