DE4123633A1

DE4123633A1 - Elektronik-baugruppe mit metallgehaeuse

Info

Publication number: DE4123633A1
Application number: DE19914123633
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Betsch
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-07-17
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1993-01-21

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 O88 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.

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.

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.

Die Wärmeableitung von einem Halbleiterbauelement über die Kaschierung einer Leiterplatte ist an sich aus der europäischen Offenlegungsschrift 03 8447 bekannt. Da das Halbleiterbauelement nur lose auf der Kaschierung 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 Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei die in der folgenden Tabelle angegebene Zuordnung gilt.

Ausf.-Beispiel
Fig.
1
1a, 1b, 1c, 2a . . . 2d
2	3a, 3b, 4a . . . 4d
3	5a, 5b, 6a . . . 6d

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

Es werden zunächst die Fig. 1a bis 1c beschrieben. In ihnen bedeuten:

MG
ein Metallgehäuse,
Ab	ein Absatz,
Bd	ein Boden,
LP	eine Leiterplatte,
K₁	ein erster Metallstreifen,
K₂	ein zweiter Metallstreifen,
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, S₆	Schrauben.

Man lege die Blätter so nebeneinander daß die Fig. 1a links, die Fig. 1b in der Mitte und die Fig. 1c rechts liegt.

Die Leiterplatte LP weist einen ersten Metallstreifen K₁ und einen zweiten Metallstreifen K₂ auf. Die Leiterplatte LP ist im Metallgehäuse MG eingebaut, wobei die Metallstreifen gut wärmeleitend mit dem Metallgehäuse verbunden sind. Als Beispiel für die Ausbildung einer solchen gut wärmeleitenden Verbindung ist hier eine Schraubverbindung dargestellt. Sie umfaßt die Schrauben S₅ und S₆. Mit diesen Schrauben ist die Leiterplatte zusammen mit den Metallstreifen am Absatz Ab und damit auch am Metallgehäuse befestigt. Die Löcher in der Leiterplatte für die Schrauben sind durchkontaktiert. So besteht eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem jeweiligen auf der Bauteileseite geführten Metallstreifen K₁ bzw. K₂ und dem zugehörigen auf der Lötseite befindlichen Metallfleck F₁ bzw. F₂. Mit diesen Metallflecken liegt die Leiterplatte LP auf dem Absatz Ab auf. So wird bewirkt, daß die Metallstreifen unmittelbar oder über Wärmeleitpaste gut wärmeleitend mit dem metallischen Absatz Ab in Verbindung steht.

Die Metallstreifen K₁ und K₂ sowie die Metallflecken F₁ und F₂ sind wie die Leiterbahnen Teile der Kaschierung der Leiterplatte und werden wie die Leiterbahnen mit diesen im selben Arbeitsgang hergestellt.

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. 2a bis 2d beschrieben. Mit EL ist ein Entlüftungsloch bezeichnet. Der Grundkörper GK, und damit auch der Wärmeübertragungskörper, weist vier Beine B₁ und B₄ auf.

Wie in den Fig. 1a bis 1c dargestellt ist, ist der Wärmeübertragungskörper mit den Beinen B₁ bis B₄ an der Leiterplatte LP befestigt. Zur Befestigung dienen die Schrauben S₁ bis S₄. An der Auflagefläche des jeweiligen Beines auf der Leiterplatte befindet sich der jeweilige beines auf der Leiterplatte befindet sich der jeweilige Metallstreifen K₁ bzw. K₂. So wird bewirkt, daß der Wärmeübertragungskörper unmittelbar oder über Wärmeleitpaste gut wärmeleitend mit den Metallstreifen K₁ und K₂ in Verbindung steht.

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 den Metallstreifen K₁ und K₂ an das Metallgehäuse MG abgeleitet und von dort an die umgebende Luft abgegeben. Dazu sind die Kühlrippen KR vorgesehen.

Leiterbahnen, die die Anschlußfahnen AF des Halbleiterbauelementes mit den Anschlußfahnen anderer, nicht dargestellter Bauelemente verbinden, sind nicht dargestellt.

Die Ausführungsbeispiele 2 und 3 unterscheiden sich vom Ausführungsbeispiel 1 nur durch eine andere Ausbildung des Wärmeübertragungskörpers. Hinsichtlich der Ausbildung der Metallstreifen und ihrer Verbindung mit dem Wärmeübertragungskörper und dem Metallgehäuse stimmen alle Ausführungsbeispiele überein.

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. 1a, 1b, 3a und 5a 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 Metallstreifen (K₁, K₂) auf.
c) Mindestens ein Halbleiterbauelement (IC) steht in Wärmekontakt mit dem Metallgehäuse (MG).
d) Der Wärmekontakt ist durch einen Wärmeübertragungskörper (GK, St) und die Metallstreifen (K₁, K₂) gebildet.
e) Der Wärmeübertragungskörper weist einen Grundkörper (GK) und einen Stempel (St) auf.
f) Der Grundkörper (GK) ist zur gut wärmeleitenden Verbindung (B₁, B₄) mit den Metallstreifen K₁, K₂) ausgebildet.
g) Das Metallgehäuse (MG) und die Leiterplatte (LP) sind zur gut wärmeleitenden Verbindung (Ab, S₅) der Metallstreifen (K₁, K₂) 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 den Metallstreifen ausgebildet ist.