DE4131200C2 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Schaltungsanordnungen sind aus der Literatur hinlänglich bekannt.
DE 33 23 246 A1 beschreibt eine solche Schaltungsanordnung mit wenigstens einer Trägerplatte, die mindestens ein zu kühlendes chipförmiges Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement, Kontaktflächen, Verbindungselemente und einem Kühlbauteil aufweist. Hier wird gleichfalls eine Verstrebung zum Aufbau der Schaltungsanordnung genutzt, diese Verstrebung besitzt Abstützungen zur Stabilisierung der Substrate in ihrer Lage und Form. Mit diesen Verstrebungen kommt dieser Stand der Technik der eigenen Erfindung nahe, wenn sich auch der übrige Aufbau durch das Anwenden von Löttechnik und Hartverguß wesentlich von den erfindungsgemäßen Maßnahmen unterscheiden.
Eine weitere Schaltungsanordnung ist mit der DE 35 08 456 A1 bekannt. Dort ist die Trägerplatte, auf welcher mindestens ein zu kühlendes chipförmiges Bauelement vorgesehen ist, in ein Gehäuse eingeklebt und die Andrückvorrichtung wird mittels Justierschrauben und Zwischenstücken gebildet. Die Justierschrauben sind durch Verstrebungen des Gehäuses durchgeschraubt.
Bei einer solchen Ausbildung der Schaltungsanordnung, wie sie in DE 35 08 456 A1 beschrieben ist, kann insbesondere bei einer langzeitig gegebenen Wärmebelastung der Schaltungsanordnung nicht zuverlässig sichergestellt werden, daß der Anpreßdruck der Andrückvorrichtung konstant aufrechterhalten wird, weil es zu einem Nachgeben, z. B. Fließen, des Kunststoffmaterials des Gehäuses kommen kann. Desgleichen kann es infolge mechanischer Toleranzen der nicht nachgiebigen Zwischenstücke der Andrückvorrichtung zu einem Kontakt-Druckverlust kommen.
Die DE 36 28 556 beschreibt eine Schaltungsanordnung, bei welcher mindestens ein zu kühlendes chipförmiges Bauelement auf einer Trägerplatte angeordnet und in eine Isolierstoffmasse eingekapselt ist. Stromleiterteile des zu kühlenden chipförmigen Bauelementes sind wenigstens stellenweise als Kontaktstücke zur Druckkontaktierung ausgebildet. Die Stromleiterteile ragen auf der von der Trägerplatte abgewandten Seite des Bauelementes aus der Isolierstoffkapselung heraus. Diese Schaltungsanordnung ist mit einem Kühlbauteil und einer Kontaktplatte ausgebildet. Die Kontaktstücke sind vom Bauelement getrennt auf der Trägerplatte angeordnet. Die Druckkontaktierung der Kontaktstücke ist außerhalb der Isolierstoffkapselung vorgesehen und die Kontaktplatte ist allen Kontaktstücken gemeinsam.
Eine andere Druckschrift, DE 36 43 288 A1, beschreibt Druckkontaktvarianten, die gleichzeitig zur elektrischen Verbindung schaltungsinterner Kontakte dienen. Die konstruktiven Lösungen für eine Austauschbarkeit der einzelnen in Modulbauweise zusammengefügten Bauteile wird beschrieben. In dieser Veröffentlichung werden einzelne Druckkontakte für die einzelnen Bauteilverbindungen beschrieben.
Eine interessante Lösung für ein Zündsteuergerät wird in DE 38 37 975 A1 vorgestellt. Hier werden einzelne Baugruppen in Hybridbauweise auf einen Trägerkörper angeordnet. Über die im Gehäuserahmen integrierten Andrückelemente wird die Schaltung gegen den Kühlkörper gepreßt.
In GM DE 88 08 767 U1 wird ein Bauelement in Modulbauweise mit Druckkontaktaufbau beschrieben, bei dem der Gehäusedeckel als Drückelement fungiert, als elastisches Element wird gleichzeitig zur Abdichtung ein Gummikörper eingesetzt.
Ein Leistungshalbleitermodul, bestehend aus einer beidseitig metallisierten Trägerplatte, die auf der Oberseite mit Bauelementen bestückt, in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt und mit Vergußmasse abgedeckt wird, ist aus der DE 35 21 572 A1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, daß im Modul mindestens eine Stütze auf dem Trägerkörper oder einem Bauelement angeordnet und als ein erster Weichverguß eine elastomere Masse vorgesehen ist, aus dem ein oberer Teil der Stütze/Stützen herausragt, und als ein zweiter Verguß ein duroplastischer Kunststoff vorgesehen ist, der den oberen Teil der mindestens einen Stütze überdeckt und mit dem Gehäuse verbindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einteiliges Brückenelement für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art darzustellen, das auch bei zeitlich wechselnder mechanischer und thermischer Belastung einen konstanten Anpreßdruck in der Schaltungsanordnung gewährleistet und die einzelnen Bauteile der Schaltungsanordnung sicher zusammendrückt, elektrisch kontaktiert oder in der Lage fixiert, wobei ein einfacher Aufbau und eine zerstörungsfreie Demontage aller einzelnen Schaltungsbauteile möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspru­ ches 1. gelöst. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch das wärme- und formstabile und in sich elastische Brückenelement ergibt sich der Vorteil, daß auch bei langzei­ tig einwirkenden und/oder wechselnden mechanischen und/oder thermischen Belastungen ein Nachgeben oder Fließen des Mate­ riales ausgeschlossen ist, so daß der Preßdruck der Andrück­ vorrichtung auf das mindestens eine zu kühlende Bauelement und/oder auf die mindestens eine Trägerplatte jederzeit zuver­ lässig aufrechterhalten und konstant bleibt. Das Brückenele­ ment besteht vorzugsweise aus formstabilem Kunststoff. Das Kühlbauteil kann einfach ebenflächig plattenförmig ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, Kühlrippen vorzusehen. Insgesamt ist erfindungsgemäß eine Schaltungsanordnung mit relativ kleinem Volumen und großer Leistungsdichte realisier­ bar.
Eine bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drückeinrich­ tung aus einem elektrisch isolierenden formstabilen und in sich elastischem Material besteht, das direkt die zu drücken­ den Schaltungsinnenaufbauten und auch die Schaltungsaußenauf­ bauten miteinander funktionsgerecht und funktionssicher ver­ bindet. Das als Andrückvorrichtung dienende Brückenelement hat auf der dem Kühlbauteil zugewandten Seite in mindestens annähernder Anpassung an die Profilierung der mindestens einen Trägerplatte Ausnehmungen und Erhebungen ausgebildet. Bei einer Schaltungsanordnung der zuletzt genannten Art kann eine Ausnehmung oder können Ausnehmungen zur Fixierung und Justierung einer Trägerplatte oder von Trägerplatten relativ zueinander oder zum Kühlkörper vorgesehen werden. Desgleichen können bei einer solchen Schaltungsanordnung Ausnehmungen zur Fixierung und Justage von starren loslösbaren Verbindungsele­ menten relativ zu der mindestens einen Trägerplatte vorgesehen sein. Erhebungen können bei einer derartigen Schaltungsanord­ nung unmittelbar gegen die mindestens eine Trägerplatte oder gegen das mindestens eine an der entsprechenden Trägerplatte angeordnete Bauelement drücken.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist außerdem die besonderen Vorteile auf, daß sie sehr montage- und reparatur­ freundlich ist, weil es problemlos möglich ist, eine schadhafte Trägerplatte durch eine ungebrauchte neue oder andere funk­ tionssichere Trägerplatte zu ersetzen. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, die Andrückvorrichtung vom Kühlbauteil zu entfernen und die schadhafte Trägerplatte durch eine andere entsprechende Trägerplatte zu ersetzen, wonach die Andrück­ vorrichtung wiederum am Kühlbauteil befestigt werden kann. Das erfolgt beispielhaft durch Schraub- und/oder Klemmver­ bindungen. Vorteilhaft kann es sein, das Brückenelement mit dem Kühlbauteil mittels federnder Verbindungselemente zu verbinden, wodurch jegliches Nachgeben zwischen diesen Teilen ausgeglichen werden kann.
Eine gegen Einflüsse von außen zuverlässig schützende Schal­ tungsanordnung ergibt sich, wenn wenigstens eine Erhebung als in sich geschlossener Dichtungswulst ausgebildet ist. Damit können einzelne Bauelemente oder einzelne Trägerplatten oder die gesamte Schaltungsanordnung abgedichtet und geschützt werden.
Um eine zuverlässige Anpreßkraft zu gewährleisten, mit welcher die mindestens eine Trägerplatte gegen das Kühlbauteil gedrückt wird, um einen guten, großflächigen Wärmekontakt von der Trä­ gerplatte zum Kühlbauteil zu erhalten und zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn das Brückenelement in seinen für die Ver­ bindung mit der Kühlplatte vorgesehenen Bezirken kompakt aus­ geführt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann das mindes­ tens eine, auf der Trägerplatte angeordnete, zu kühlende Bau­ element vollständig mit einer Vergußmasse bedeckt sein, wie es in Form des Weichvergusses mittels Silikongummimasse üblich ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung, die in einem vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch eine erste Ausführungs­ form der Schaltungsanordnung darstellt.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Schaltungsan­ ordnung mit einem Kühlbauteil 12. Das Kühlbauteil 12 ist bei dem in dieser Figur gezeichneten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung als einfache Platte dargestellt. Auf dem Kühlbauteil 12 ist eine Trägerplatte 14 angeordnet, die mit Kontaktflächen 16 und auf der von den Kontaktflächen 16 abge­ wandten Seite mit einer Metallschicht 18 versehen ist, um zwischen Trägerplatte 14 und dem Kühlbauteil 12 eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten.
Auf der Trägerplatte 14 ist ein chipförmiges Bauelement 20 angeordnet, das Kontakte 22 und 24 aufweist. Der Kontakt 24 ist mit einer zugehörigen Kontaktfläche 16 der Trägerplatte 14 verbunden. Die Kontakte 22 des chipförmigen Bauelementes 20 sind mittels flexibler Verbindungselemente 26, z. B. mittels Bonddrähten, mit zugehörigen Kontaktflächen 16 der Trägerplatte 14 elektrisch verbunden.
Von der Trägerplatte 14 getrennt ist auf dem Kühlbauteil 12 ein Substrat 28 mit Anschüssen 30, die voneinander mittels einer Isolierung 34 galvanisch voneinander getrennt sind, ge­ zeichnet. Dieses, auch in Form einer durchkontaktierten Leiterplatte mit metallisierten Durchbohrungen 32 ausgebildete Verbindungselement 40 kann über ein starres Verbindungselement 36 mit den entsprechenden Kontaktflächen 16 der Trägerplatte 14 elektrisch leitend verbunden werden.
Die Schaltungsanordnung weist eine Andrückvorrichtung 38, die aus einem Brückenelement 42 besteht, auf. Das Brückenelement 42 ist an der dem Kühlbauteil 12 zugewandten Seite pro­ filiert. Das Kühlbauteil und die Drückeinrichtung können lös­ bar mechanisch miteinander verbunden werden, was durch die dünnen strichpunktierten Linien 44 zwischen den axial fluch­ tenden Durchgangslöchern 46, 48 angedeutet ist. Diese mechani­ sche Verbindung kann durch Federelemente (nicht gezeichnet) erfolgen, durch welche ein bestimmter Anpreßdruck aufrecht­ erhalten wird. Bei diesen Federelementen handelt es sich z. B. um an sich bekannte Federscheiben.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung im nicht zusammenge­ bauten Zustand angedeutet, bei welcher die Drückeinrichtung 42 aus einem elektrisch isolierenden, wärme- und formstabilem und in sich elastischem Material besteht. Als solches Material eignet sich z. B. die an sich bekannte Formmasse aus ungesät­ tigtem Polyester und/oder aus Polyester-Melamin. Das als Drückeinrichtung dienende Brückenelement 42 ist auf seiner dem Kühlbauteil zugewandten Seite 56 in mindestens annähernder An­ passung an die Höhenprofilierung der Trägerplatte 14, des auf der Trägerplatte angeordneten chipförmigen Bauelementes 20, der Verbindungselemente 36 zwischen Trägerplatte 14 und der durchkon­ taktierter Leiterplatte 40 mit Ausnehmungen 58, 60 und mit Erhebungen 62 und 64 ausgebildet.
Die Ausnehmungen 58 , d. h. die in sich zusammenhängende Aus­ nehmung 58 dient insbesondere der Justierung der Trägerplatte 14 in bezug auf das Kühlbauteil 12 während die/jede Ausnehmung 60 zur Justierung eines zugehörigen starren Verbindungselemen­ tes 36 dient. Mit Hilfe der Andrückvorrichtung 38 wird also nicht nur die Trägerplatte 14 mit dem chipförmigen Bauelement 20 sowie die Leiterplatte 40 genau passend zum Kühlbauteil 12 festgelegt, sondern gleichzeitig mit den starren Verbindungs­ elementen 36 der entsprechende galvanische Kontakt zwischen Kontaktflächen 16 an der Trägerplatte 14 und bspw. dem Anschluß 30 hergestellt.
Die Erhebungen 62 dienen zum Andrücken der Trägerplatte 14 entweder unmittelbar oder über das chipförmige Bauelement 20 an das Kühlbauteil 12. Eine in sich geschlossene umlaufende Erhebung 66 ist als Dichtungswulst ausgebildet, ebenso wie ein äußerer umlaufender Dichtungswulst 64. Eine Weichvergußmasse 68 bedeckt das auf dem Trägerkörper 14 befestigte chipförmige Bauelement 20.
Bei der Realisierung von Schaltungsanordnungen kann es sinnvoll sein, wenn das Brückenelement 42 lediglich einen Teil der Schaltung als Drückelement erfaßt und bei Druckbeaufschlagung eben nur den entsprechenden Teil zusammendrückt, elektrisch kontaktiert oder fixiert. In solchen Schaltungsanordnungen ist es dann möglich, durch ein zweites und eventuell weiterer Brückenelemente 42, wie sie bereits beschrieben wurden, die komplette Schaltungsanordnung in der beschriebenen Weise aufzubauen.
Bei der Realisierung einer Schaltungsanordnung in eben beschriebener Weise ist der Einsatz zumindest eines Brückenelementes 42 möglich, das aus elektrisch leitendem Material gebildet worden ist oder eine geeignete elektrisch leitende Oberfläche besitzt, dadurch kann gleichzeitig zu der Funktion der Druckbeaufschlagung und der Fixierung der einzelnen Bauteile die elektrische Kontaktierung zumindest teilweise durch die so gestalteten Brückeneinrichtungen übernommen werden.
Weiter ist es auch möglich, mehrere Brückenelemente 42 flexibel leitend oder isolierend miteinander zu verknüpfen, um die erfindungsgemäßen Funktionen sicherzustellen, damit können Schaltungsanordnungen mit großem Integrationsgrad aufgebaut werden.
Erfinderische Schaltungsanordnungen lassen sich sehr vorteilhaft aufbauen, wenn Verbindungselemente 26, 36 federnd ausgeführt sind, da bei Druckbeaufschlagung durch das Brückenelement 42 ein konstanter Anpreßdruck und/oder eine stabile elektrische Kontaktierung gewährleistet ist.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung bestehend aus einem Kühlbauteil (12), mindestens einer Trägerplatte ( 14), mindestens einem Substrat (28) mit Anschlüssen (36), Halbleiterbauelementen (20), Kontaktflächen (22, 30), Verbindungselementen (26), und einer Andrückvorrichtung (38) mit zerstörungsfrei zerlegbarem Druckkontaktaufbau, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückvorrichtung (38) aus einem Brückenelement (42) besteht, das auf seiner dem Kühlbauteil (12) zugewandten Seite so profiliert ist, daß für das Kühlbauteil (12), die mindestens eine Trägerplatte (14), die Kontaktflächen (16, 22, 30), das mindestens eine Substrat (28, 34), die Bauelemente (20), die Anschlüsse (36) und die Verbindungselemente (16, 26, 30, 36) entsprechende Erhebungen (62, 64, 66) oder Einsenkungen (58) ausgebildet sind, wodurch diese Teile bei Druckbeaufschlagung zusammengedrückt oder fixiert und schaltungsgerecht elektrisch kontaktiert werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brückenelement (42) aus einem Kunststoff geformt ist, der aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus der Familie ungesättigter Polyester- oder Polyester-Melamin-Formmassen gebildet wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brückenelement (42) ein Verbundwerkstoff ist und mindestens teilweise aus elektrisch leitendem Material besteht.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brückenelement (42) Erhebungen (64, 66) als in sich geschlossene Dichtungswulste ausweist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung (46, 48, 50, 52) zwischen dem Brückenelement (42) und dem Kühlbauteil (12) mindestens ein Federelement aufweist.
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