DE4104888C2

DE4104888C2 - Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse

Info

Publication number: DE4104888C2
Application number: DE19914104888
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Betsch; Hans Peter Dipl Ing Diercks
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-02-18
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2011-02-19
Also published as: DE4104888A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Elektronik-Baugruppe ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 37 03 088 bekannt. Im Metallgehäuse befindet sich eine Leiterplatte, die mit Halbleiterbauelementen bestückt ist. Halbleiterbauelemente mit hoher Verlustleistung sind zwecks guter Kühlung am Rand der Leiterplatte angeordnet und werden durch Federn an eine Seitenwand des Metallgehäuses angedrückt. So wird die in den Halbleiterbauelementen entstehende Wärme an das Metallgehäuse und von da an die umgebende Luft abgegeben.

Nachteilig ist, daß nur der Rand der Leiterplatte für die Halbleiterbauelemente mit hoher Verlustleistung zur Verfügung steht, wodurch ihre Anzahl begrenzt ist. Das Erfordernis der Montage am Rand erschwert außerdem das Layout der Leiterbahnführung auf der Leiterplatte. Das Erfordernis der Wärmeableitung an eine Seitenwand läßt nur die Verwendung von Halbleiterbauelementen zu, die zum aufrecht stehenden Einbau ausgebildet sind und nur wenige Anschlußfahnen aufweisen.

Moderne Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel solche in Dual-in-Line, Flat-Pack- und PLCC- (Plastic-Leaded-Chip- Carrier-) Gehäusen weisen sehr viele Anschlußfahnen auf und sind deshalb zum flach auf der Leiterplatte liegenden Einbau ausgebildet. Auch bei solchen Halbleiterbauelementen kann eine so hohe Verlustleistung auftreten, daß die Kühlung allein durch die das betreffende Halbleiterbauelement unmittelbar umgebende Luft nicht ausreicht und eine zusätzliche Kühlung notwendig ist.

Aus der GB 2 164 499 A ist ein U-förmiger Wärmeübertragungskörper aus Kupfer bekannt, der ein elektronisches Bauteil umgibt. Dieser berührt das Bauteil an dessen Oberseite, oder es befindet sich ein geringer Spalt zwischen beiden, der mit Wärmeleitpaste gefüllt sein kann. Der Wärmeübertragungskörper ist auf Kupferplatten befestigt, die wiederum auf einer Leiterplatte befestigt sind.

Aus der US 4,621,304 ist ein U-förmiger Wärmeübertragungskörper bekannt, der auf einer Leiterplatte befestigt ist und ein elektronisches Bauteil umgibt. Der Wärmekontakt wird zwischen beiden mittels einer Schraube hergestellt, die in einer Wärmesenke des Wärmeübertragungskörpers verschraubt ist, und die auf die Oberseite des Bauteils angepreßt wird. Die auf den Wärmeübertragungskörper übertragene Wärme wird hier durch Strahlung und Luftkühlung abgeführt.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde: Es soll eine Elektronik-Baugruppe der obigen Art angegeben werden, bei der die Halbleiterbauelemente flach an beliebiger Stelle auf der Leiterplatte liegend eingebaut sind und mit einer zusätzlichen Kühlung versehen sind.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Der Anspruch 2 lehrt eine vorteilhafte Weiterbildung.

Die Verwendung eines Wärmeübertragungskörpers, der aus einem Grundkörper und einem darin geführten Stempel besteht, zur Kühlung eines Halbleiterbauelementes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 37 35 985 bekannt. Statt "Wärmeübertragungskörper" wird dort der Ausdruck "wärmeleitender Modul" gebraucht. Nachteilig ist, daß eine Kühlwirkung erst nach völligem Zusammenbau der Elektronik- Baugruppe möglich ist. Damit ist z. B. ein Testbetrieb vor dem völligen Zusammenbau nicht möglich.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 37 08 000 sind Leiterplatten mit Metallkern an sich bekannt.

Die Wärmeableitung von einem Halbleiterbauelement über den Metallkern einer Leiterplatte ist an sich aus der deutschen Offenlegungsschrift 38 29 117 bekannt. Nachteilig ist, daß der Metallkern genau entsprechend der beabsichtigten Bestückung vorgeprägt ist. Damit entfällt jede Freizügigkeit in der Plazierung der Bauelemente. Da das Halbleiterbauelement nur lose auf dem Metallkern aufliegt, ist der Wärmekontakt zwischen beiden nur schlecht. Außerdem entfällt die Möglichkeit, Leiterbahnen bauteileseitig unter dem Halbleiterbauelement hindurch zu führen. Ferner wird die Wärme vom Boden, also von der der Leiterplatte zugekehrten Fläche des Halbleiterbauelementes abgeführt. Viele Halbleiterbauelemente mit hochintegrierten Schaltungen sind aber so ausgebildet, daß die Wärme an der Oberseite, also an der der Leiterplatte abgewandten Fläche entsteht.

Die Erfindung wird anhand von in den Fig. 1 . . . 6 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei die in der folgenden Tabelle angegebene Zuordnung gilt.

Ausf.-Beispiel
Figuren
1\|1 u. 2
2	3 u. 4
3	5 u. 6

In den Fig. 1, 3 und 5 ist jeweils ein Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Elektronik-Baugruppe dargestellt. In den Fig. 2, 4 und 6 ist ein in dem jeweiligen Ausführungsbeispiel vorgesehener Wärmeübertragungskörper im Detail dargestellt.

Es wird zunächst die Fig. 1 beschrieben. In ihr bedeuten:

MG ein Metallgehäuse,
Ab ein Absatz
Bd ein Boden
LP eine Leiterplatte
IS₁ eine erste Isolierschicht
IS₂ eine zweite Isolierschicht
MK ein Metallkern
IC ein Halbleiterbauelement
AF Anschlußfahnen,
GK ein Grundkörper
FS eine Federscheibe
St ein Stempel
De ein Deckel
KR Kühlrippen
B₁ . . . B₄ Beine
S₂, S₃, S₅ Schrauben

Die Leiterplatte LP weist einen Metallkern MK, eine erste Isolierschicht IS₁ und eine zweite Isolierschicht IS₂ auf. Die Leiterplatte LP ist im Metallgehäuse MG eingebaut, wobei der Metallkern gut wärmeleitend mit dem Metallgehäuse verbunden ist. Als Beispiel für die Ausbildung einer solchen gut wärmeleitenden Verbindung ist hier eine Schraubverbindung dargestellt. Sie umfaßt die Schraube S₅ und weitere nicht bezeichnete Schrauben. Mit diesen Schrauben ist die Leiterplatte am Absatz Ab und damit auch am Metallgehäuse befestigt, wobei an der Auflagefläche der Leiterplatte auf den Absatz die betr. Isolierschicht fehlt. So wird bewirkt, daß der Metallkern unmittelbar oder über Wärmeleitpaste gut wärmeleitend mit dem metallischen Absatz Ab in Verbindung steht. Auch unter den Köpfen der betr. Schrauben fehlt die betr. Isolierschicht. So wird erreicht, daß der durch das Anziehen der Schrauben erreichte und für eine gute Wärmeleitung erforderliche hohe Aspreßdruck auf die Dauer erhalten bleibt und nicht durch ein evt. Fließen der Isolierschicht nachläßt. Außerdem tragen so die Schrauben auch noch zur Wärmeleitung bei.

Auf der Leiterplatte LP sind Halbleiterbauelemente montiert. Als Beispiel ist hier eines in der Form eines PLCC-Gehäuses dargestellt. Zur zusätzlichen Kühlung ist ein Wärmeübertragungskörper vorgesehen, der aus dem Grundkörper GK, dem Stempel St und der Federscheibe FS besteht. Der Stempel St ist in einem Sackloch des Grundkörpers GK geführt. Im Spalt zwischen der Mantelfläche des Stempels St und der Innenwand des Sackloches ist Wärmeleitpaste eingebracht.

Einzelheiten des Wärmeübertragungskörpers werden anhand der Fig. 2 beschrieben. Mit EL ist ein Entlüftungsloch bezeichnet. Der Grundkörper GK, und damit auch der Wärmeübertragungskörper, weist vier Beine B₁ bis B₄ auf.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, ist der Wärmeübertragungskörper mit den Beinen B₁ bis B₄ an der Leiterplatte LP befestigt. Zur Befestigung dienen Schrauben, von dessen nur die Schrauben S₂ und S₃ dargestellt sind. An der Auflagefläche des jeweiligen Beines auf der Leiterplatte fehlt die jeweilige Isolierschicht. So wird bewirkt, daß der Wärmeübertragungskörper unmittelbar oder über Wärmeleitpaste gut wärmeleitend mit dem Metallkern MK in Verbindung steht. Auch unter den Köpfen der betr. Schrauben fehlt die betr. Isolierschicht. So wird erreicht, daß der durch das Anziehen der Schrauben erreichte und für eine gute Wärmeleitung erforderliche hohe Anpreßdruck auf die Dauer erhalten bleibt und nicht durch ein evt. Fließen der Isolierschicht nachläßt. Außerdem tragen so die Schrauben auch noch zur Wärmeleitung bei.

Durch die Verwendung von Schrauben bestehen lösbare Verbindungen zwischen dem Wärmeübertragungskörper und der Leiterplatte LP.

Der Stempel St wird durch die Federscheibe FS auf die Rückseite des Halbleiterbauelementes IC gedrückt. So wird die in ihm entstehende Wärme über den Stempel St, dem Grundkörper GK und dem Metallkern MK an das Metallgehäuse MG abgeleitet und von dort an die umgebende Luft abgegeben. Dazu sind die Kühlrippen KR vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel 2 ist anstelle der Federscheibe FS eine Blattfeder BF vorgesehen. Dementsprechend weist der Grundkörper GK kein Sackloch sondern ein Durchgangsloch zur Führung des Stempels St auf.

In den Ausführungsbeispielen 1 und 2 wird die zum Andrücken des Stempels St an das Halbleiterbauelement erforderliche Federkraft durch eigens dafür vorgesehene Federn (Federscheibe FS bzw. Blattfeder BF) aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel 3 wird stattdessen die Federwirkung der Leiterplatte LP ausgenutzt. Um die erforderliche Andruckkraft einzuleiten, ist der Stempel St schraubbar ausgeführt. Er trägt ein Außengewinde und das Loch im Grundkörper GK das entsprechende Innengewinde. Der Stempel St wird so weit hineingeschraubt, bis er mit der nötigen Andruckkraft an der Rückseite des Halbleiterbauelementes anliegt.

In den zuvor beschriebenen Beispielen ist der Stempel St und das Loch zu seiner Führung im Grundkörper rund ausgebildet. Jedoch ist bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 auch eine andere Querschnittsform denkbar, und zwar eine an die Form des jeweiligen Halbleiterbauelementes angepaßte Form. So käme bei PLCC-Gehäusen die quadratische Form und bei Halbleitern in Dual-in-Linie-Gehäusen die Rechteckform infrage.

Die erfindungsgemäße Lösung hat folgende Vorteile:

a) Sie erfordert keine eigens zur Anbringung eines Wärmeübertragungskörpers ausgebildete Form des Halbleiterbauelementes. Es genügt, wenn das Halbleiterbauelement eine ebene Oberseite aufweist. Dies ist bei vielen handelsüblichen Halbleiterbauelementen der Fall.
b) Wenn die Elektronik-Baugruppe nach dem Patentanspruch 2 ausgebildet ist, läßt sich der Wärmeübertragungskörper leicht vom Halbleiterbauelement lösen. Dies ermöglicht ein leichtes Auswechseln des Halbleiterbauelementes.
c) Auch außerhalb des Metallgehäuses ist die auf der Leiterplatte untergebrachte Schaltung unter einschränkenden Bedingungen schon betriebsfähig, weil in diesem Fall der Wärmeübertragungskörper wegen seiner großen Oberfläche als Kühlkörper wirkt. Ein Betrieb außerhalb des Metallgehäuses ist deshalb wichtig, weil dann z. B. für Prüfzwecke noch alle Bauelemente zugänglich sind.

In den zuvor beschriebenen Beispielen ist die Leiterplatte in demjenigen Bereich des Metallgehäuses mit diesem verbunden, in dem sich die Kühlrippen befinden. Daraus folgt, daß einige Teile des Metallgehäuses, in diesen Beispielen der Deckel De und der Boden Bd, nichts zur Wärmeableitung beitragen. Diese Teile können also verhältnismäßig dünn und leicht abnehmbar ausgebildet sein. D.h., auch der Boden Bd kann abweichend von der Darstellung in den Fig. 1, 3 und 5 so dünn und leicht abnehmbar wie der Deckel De ausgebildet sein. Das hat den Vorteil, daß nach Abnehmen des Deckels bzw. des Bodens die Bauelemente z. B. für Prüfzwecke leicht zugänglich sind, wobei die Elektronikbaugruppe noch voll funktionsfähig ist.

Claims

1. Elektronik-Baugruppe mit Metallgehäuse mit folgenden Merkmalen:

a) Im Metallgehäuse (MG) ist eine Leiterplatte (LP) eingebaut, die mit Halbleiterbauelementen (IC) bestückt ist.
b) Die Leiterplatte (LP) weist einen Metallkern (MK) auf.
c) Mindestens ein Halbleiterbauelement (IC) steht über einen Wärmeübertragungskörper in Wärmekontakt mit dem Metallgehäuse (MG).
d) Der Wärmeübertragungskörper steht über den Metallkern (MK) in Wärmekontakt mit dem Metallgehäuse (MG).
e) Der Wärmeübertragungskörper weist einen Grundkörper (GK) und einen Stempel (St) auf.
f) Der Grundkörper (GK) ist zur gut wärmeleitenden Verbindung (B₁ . . . B₄) mit dem Metallkern (MK) ausgebildet.
g) Das Metallgehäuse (MG) und die Leiterplatte (LP) sind zur gut wärmeleitenden Verbindung (Ab, S₅) des Metallkernes (MK) mit dem Metallgehäuse (MG) ausgebildet.
h) Der Stempel (St) ist so in dem Grundkörper gehaltert, daß er an die Oberseite des Halbleiterbauelementes angedrückt wird.

Der einleitende Satz sowie die Merkmale a) und c) bilden den Oberbegriff. Die Merkmale b) sowie d) bis h) bilden den kennzeichnenden Teil.

2. Elektronik-Baugruppe nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertragungskörper zur lösbaren Verbindung mit dem Metallkern ausgebildet ist.