DE4226816A1

DE4226816A1 - Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen

Info

Publication number: DE4226816A1
Application number: DE19924226816
Authority: DE
Inventors: Franz Baader
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Schneider Automation GmbH
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2012-08-14
Also published as: DE4226816C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen.

Bei hoher Dichte von integrierten aktiven und passiven elektrischen Bauelementen in isolierstoffgekapselten Gehäusen und bei hohen Arbeitsfrequenzen wird in den Gehäusen eine so große Wärmemenge erzeugt, daß besondere Mittel zur Wärmeableitung vorgesehen werden müssen. Das Problem der Wärmeableitung aus integrierten Schaltungen tritt besonders bei Mikroprozessoren mit zahlreichen Anschlüssen und hohen Taktfrequenzen auf. Trotz hoher Packungsdichte sind bei Mikroprozessoren mit zahlreichen Ein- und Ausgängen und hohen Taktfrequenzen aufgrund der zahlreichen integrierten Bauelemente und der für die parallele Ein-, Ausgabe von Daten und Adressen notwendigen Zahl von Anschlüssen im Vergleich zu anderen integrierten Schaltungen relativ große Gehäuse notwendig. Um zu verhindern, daß in den Gehäusen die für die Halbleiter zulässigen Temperaturen überschritten werden, müssen die Gehäuse im Betrieb der integrierten Schaltungen gekühlt werden. Die Gehäuse sind im allgemeinen auf Platten mit gedruckten Leiterbahnen befestigt. Um die Gehäuse zu kühlen, können diese in einen Baugruppenträger an Stellen angeordnet werden, an denen ein Kühlluftstrom fließt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der die in einem Gehäuse mit integrierten Schaltungen entwickelte Wärme gut abgeleitet werden kann.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein metallischer Kühlkörper unter Federvorspannung an eine ebene Oberfläche des jeweiligen Gehäuses angedrückt wird. Da der Kühlkörper unter Druck an der Oberfläche anliegt, ist ein guter Wärmeübergang zwischen Gehäuse und Kühlkörper vorhanden. Obwohl die Ausdehnungskoeffizienten von metallischem Kühlkörper und isolierendem Gehäuse verschieden sind, ändert sich an dem guten Wärmeübergang bei verschiedenen Temperaturen nichts. Das Gehäuse muß nicht an den Kühlkörper angepaßt sein. Die Montage des Kühlkörpers am Gehäuse ist einfach und erfordert nur wenige Handgriffe. Vorzugsweise sind Hohlräume zwischen der Auflagefläche des Kühlkörpers und der Oberfläche des Gehäuses durch Wärmeleitpaste ausgefüllt. Damit wird eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs erreicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist gegen die Oberfläche mindestens eine bügelartige Feder angedrückt, deren Enden hakenförmig abgewinkelt sind und in Löcher einer Leiterplatte eingreifen, auf der das Gehäuse angeordnet ist. Der Kühlkörper wird von der Feder in jeder Lage des Gehäuses und der Leiterplatte festgehalten. Daher kann die Baugruppe mit dem Gehäuse bereits am Herstellungsort mit dem Kühlkörper versehen und danach zum Einsatzort transportiert werden. Bedarfsweise lassen sich die Feder und der Kühlkörper von der Leiterplatte und dem Gehäuse auch schnell und einfach lösen.

Die Feder besteht vorzugsweise aus einem Blatt, das in der Mitte wellenförmig gebogen ist. Die Feder liegt mit ihren Wölbungen an einer Fläche des Kühlkörpers an und drückt diesen unter Federvorspannung an das Gehäuse.

Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ragen wenigstens zwei, an einem Träger für das Gehäuse befestigte Bolzen durch Löcher des Kühlkörpers, an dem sich Federn abstützen, die mit ihren anderen Enden gegen Köpfe an den Bolzenenden angelehnt sind. Bei dieser Vorrichtung können handelsübliche Spiralfedern und die Bolzen angeordnet sein. Deshalb eignet sich die Vorrichtung für kleine Stückzahlen.

Es ist zweckmäßig, wenn der Kühlkörper als Stranggußteil mit kammartig von einer Bodenfläche ausgehenden, parallelen Rippen ausgebildet ist.

Das Stranggußteil läßt sich wirtschaftlich herstellen. Mindestens eine Feder greift mit ihren Wölbungen in den Zwischenraum zwischen zwei Rippen ein. Vorzugsweise verlaufen die Rippen in Arbeitsstellung der integrierten Schaltung vertikal. Die Rippen sind daher strömungsgünstig angeordnet, so daß Kühlluft an ihnen auch ohne Zwangsbelüftung vorbeiströmen kann. Der Kühlkörper kann in der Basisfläche größere Abmessungen haben als die Oberfläche des Gehäuses. Auf diese Weise wird eine hohe Wärmeaufnahmekapazität erreicht. Außerdem wird die der Kühlluft ausgesetzte Fläche vergrößert.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse auf einer Leiterplatte einer zwei parallele Leiterplatten aufweisenden Baugruppe mit seinen Oberflächen im Zwischenraum der beiden Leiterplatten angeordnet, wobei der Kühlkörper in eine Ausnehmung der einen Leiterplatte ragt. Die Ausnehmung sichert den Kühlkörper gegen Verschiebungen, indem er die parallel zur Oberfläche auf den Kühlkörper wirkenden Kräfte aufnimmt. Schlagartig auf die Baugruppe einwirkende Kräfte, die auch die Reibungskraft zwischen Oberfläche und Kühlkörper überwinden, können daher nicht eine unerwünschte Verschiebung des Kühlkörpers auf der Gehäuseoberfläche hervorrufen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen im Querschnitt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Baugruppe mit zwei parallelen Leiterplatten, von denen eine ein Gehäuse integrierten Schaltung und eine Vorrichtung zur Wärmeableitung aus dem Gehäuse enthält;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen in perspektivischer Ansicht;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen im Querschnitt und

Fig. 5 die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung von der Seite.

Eine integrierte Schaltung ist mit ihrem elektrisch isolierenden Gehäuse 1 auf einem Träger, einer Leiterplatte 2, angeordnet, die zu einer in Fig. 1 nicht im vollständig dargestellten Baugruppe 3 gehört. Das Gehäuse 2 weist Anschlußdrähte 4 auf, die mit ihren abgewinkelten Teilen in nicht näher bezeichnete Löcher der Leiterplatte 2 ragen. Die freien Enden 5 der Anschlußdrähte 4 überragen die Oberfläche der Leiterplatte 2 und sind durch Lot mit Leiterbahnen 6 verbunden. Das Gehäuse kann Anschlußflächen für die SMD-Technik aufweisen, wobei eine Leiterplatte ohne Löcher verwendet werden kann.

Gegen der der Leiterplatte 2 abgewandte, ebene Oberfläche 7 des Gehäuses 1 ist ein metallischer Kühlkörper 8 angedrückt. Die Anpreßkraft für den Kühlkörper 8 wird von mindestens einer Feder 9 erzeugt. Der Kühlkörper 8 besteht aus einer Basisplatte 10, von deren einer Seite kammartig plattenförmige Rippen 11 ausgehen, die parallel zueinander verlaufen. Die aus einem gewölbten Blatt bestehende Feder 9 ragt in den Zwischenraum zwischen zwei Rippen 11.

Die Feder 9 besteht aus einem Blatt, das bügelartig gewölbt ist. Es kann aber auch eine Feder aus Rundmaterial vorgesehen sein. In der Mitte weist die Feder 9 wellenförmig Wölbungen 12, 13 auf, die an Stellen 14, 15 gegen die Basisplatte 10 des Kühlkörpers 8 angedrückt sind. Die Wölbungen 12, 13 gehen gegen die Enden der Feder 9 hin in Abschnitte 16, 17 über, die an den Enden 18, 19 hakenförmig abgewinkelt sind. Die Abschnitte 16, 17 ragen jeweils durch Löcher 20, 21 der Leiterplatte hindurch. Unter der Federvorspannung legen sich einerseits die Enden 18, 19 gegen die dem Gehäuse 1 abgewandte Oberfläche der Leiterplatte 2 und andererseits die dem Gehäuse 1 am nächsten kommenden Stellen der Wölbungen 12, 13 an der Basisplatte 10 an. Die den Rippen 11 abgewandte, ebene Seite des Kühlkörpers 8 wird unter der Federkraft gegen die Oberfläche 7 gedrückt. Die Hohlräume zwischen den Auflagestellen von Basisplatte 10 und der Oberfläche 7 sind durch eine Wärmeleiterpaste 39 ausgefüllt. Der Wärmeübergangswiderstand zwischen Oberfläche 7 und Kühlkörper 8 ist auch infolge der Wärmeleiterpaste gering.

Da keine formschlüssige sondern nur eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Kühlkörper 8 und Gehäuse 1 vorhanden ist, können sich Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Kühlkörpers 8 und des elektrisch isolierenden Gehäuses 1, das z. B. aus Kunststoff besteht, nicht störend auswirken. Es bleibt auch bei unterschiedlichen Temperaturen immer ein niedriger Wärmeübergangswiderstand bestehen. Der Kühlkörper 8 wird durch Konvektion gekühlt. Die Kühlfläche wird auf die Wärmeentwicklung im Gehäuse 1 abgestimmt. Bei größerer Ausdehnung der Oberfläche 7 werden vorzugsweise zwei oder mehr Federn 9 zum Andrücken des Kühlkörpers 8 an der Oberfläche 7 verwendet. Um eine gute Kühlung auch ohne zwangsweise Belüftung zu erreichen, wird die Oberfläche 7 vertikal angeordnet, wobei die Rippen ebenfalls vertikal verlaufen. An den Rippen 11 strömt dann Kühlluft durch natürliche Konvektion vorbei.

Die Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen eignet sich insbesondere für Mikroprozessoren mit einer großen Zahl paralleler Daten- und Adressenanschlüssen und mit großer Verarbeitungsgeschwindigkeit. In derartigen Mikroprozessoren sind aktive und passive elektrische Bauelemente mit großer Packungsdichte angeordnet. Im Betrieb wird dabei eine relativ große Verlustwärme erzeugt, die abgeleitet werden muß, die mit nicht die zulässigen Temperaturgrenzen überschritten werden.

In Fig. 2 ist eine Baugruppe 22 mit zwei parallelen Leiterplatten 23, 24 dargestellt, die miteinander kraft- und formschlüssig verbunden sind. Im Zwischenraum der beiden Leiterplatten 23, 24 befindet sich eine integrierte Schaltung mit ihrem Gehäuse 25. Die Anschlußenden des Gehäuses 25 sind in der Leiterplatte 23 eingelötet, d. h. das Gehäuse 25 ist an der Leiterplatte 23 befestigt. An derjenigen Fläche des Gehäuses 25, das der Leiterplatte 23 abgewandt ist, ist ein Kühlkörper 26 mittels zweier Federn 27, 28 angedrückt. Die Federn 27, 28 verlaufen mit nicht näher bezeichneten Wölbungen jeweils in Räumen zwischen zwei Rippen 29, 30 und 31, 32 und sind mit nicht näher bezeichneten Wölbungen gegen die Basisplatte 33 des Kühlkörpers 26 angedrückt. Die Leiterplatte 24 hat eine Ausnehmung 34, durch die der Kühlkörper 26 hindurchragt.

Die Ausnehmung 34 ist so ausgebildet, daß der Kühlkörper 26 in Abschnitte 35, 36 hineinragt, deren Ecken den äußeren Rippen 37, 38 gegenüberstehen. Bei platzsparender Randlage braucht unterhalb des Kühlkörpers 26 kein Leiterplattenabschnitt mehr vorhanden zu sein, d. h. die Leiterplatte 24 ist ausgespart. Die Abschnitte 35, 36 halten den Kühlkörper 26 in seiner Position quer zur Anpreßkraft fest. Der Kühlkörper 26 wird einerseits durch die von den Anpreßkräften abhängigen Reibungskräfte und andererseits durch die Aussparung 34 davor geschützt, daß er auf der Oberfläche des Gehäuses 25 ohne abzuheben in unzulässiger Weise verschoben wird. Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung liegen die Enden der Federn 27, 28 einerseits an der Leiterplatte 24 und andererseits an der Leiterplatte 23 an. Die Enden ragen dabei durch nicht bezeichnete Löcher in diesen Leiterplatten. Bei der in Fig. 3 dargestellten Baugruppe 40 mit zwei parallelen Leiterplatten 41, 42 ist die Aussparung in der Leiterplatte 42 so groß, daß die Federn 43, 44 nur an der einen Leiterplatte 41 anliegen, d. h. symmetrisch zu ihrer Mitte ausgebildet sind.

Die Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform, bei der eine andere Art der Federbefestigung vorgesehen ist. Gleiche Bauteile in den Fig. 1 bis 5 sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Das Gehäuse 1 ist auf der Leiterplatte 2 angeordnet. Ein Kühlkörper 45 mit einer rechteckigen Basisplatte 46 weist in dieser angeordnete, zylindrische Löcher 47 auf, von denen in den Fig. 4 und 5 nur eines dargestellt ist. Die Löcher 47 liegen mit ihren Mittelachsen auf einer Diagonalen der Basisplatte 46. Schraubenbolzen 48 mit Köpfen 49 sind mit Muttern 50 an der Leiterplatte 2 angeschraubt. Die Schraubenbolzen 48 ragen durch Löcher 51 in der Basisplatte 46. An ihren anderen Enden sind die Schraubenbolzen 48 mit Sprengringen 52 versehen. Zwischen der Basisplatte 46 und den Sprengringen 52 bzw. Unterlegscheiben 53, deren Verschiebung durch die Sprengringe 52 begrenzt ist, sind Federn 54 gespannt, die sich an der Basisplatte 46 und den Unterlegscheiben 53 abstützen. Durch die Federn 54 wird die Basisplatte 46 gegen das Gehäuse 1 angedrückt. Zwischen der Basisplatte 46 und der Oberfläche des Gehäuses 1 ist wiederum Wärmeleitpaste vorhanden, die nicht näher bezeichnet ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Wärmeableitung aus Gehäusen von integrierten Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Kühlkörper (8; 26) unter Federvorspannung einer Feder (9; 27, 28) an eine ebene Oberfläche (7) des jeweiligen Gehäuses (1; 25) angedrückt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume zwischen der Auflagefläche des Kühlkörpers und der Oberfläche des Gehäuses durch Wärmeleitpaste ausgefüllt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegen die Oberfläche (7) des Gehäuses (1; 25) mindestens eine bügelartige Feder (9; 27, 28) angedrückt ist, deren Enden (18, 19) hakenförmig abgewinkelt sind und in Löcher (20, 21) eines Trägers eingreifen, auf dem das Gehäuse (1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (9; 27, 28) jeweils aus einem länglichen Federelement bestehen, das in der Mitte wellenförmig gebogen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Löcher im Kühlkörper wenigstens zwei an einem Träger für das Gehäuse befestigte Bolzen ragen, an deren einen Enden sich Federn abstützen, deren andere Enden gegen den Kühlkörper angelehnt sind und diesen gegen die Oberfläche des Gehäuses drücken.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (8; 25) als Stranggußteil mit kammartig von einer Basisplatte (10; 33) ausgehenden, parallelen Rippen (11; 29, 30, 31, 32) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (25) auf einer Leiterplatte (23) einer zwei parallele Leiterplatten (23, 24) aufweisenden Baugruppe (22) mit seinen Oberflächen im Zwischenraum zwischen den Leiterplatten (23, 24) angeordnet ist und daß der Kühlkörper (26) in eine Ausnehmung der einen Leiterplatte (24) ragt.