DE4324210B4 - Kühlanordnung für elektronische Leistungsbauelemente - Google Patents

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Abstract

Kühlanordnung für elektronische Leistungsbauelemente mit einer wenigstens ein elektronisches Leistungsbauelement (1) aufweisenden Leiterplatte (2) und einem als Kühlkörper (3) wirkenden Bauteil,
wobei das elektronische Leistungsbauelement (1) mit der Leiterplatte (2) durch wenigstens eine Anschlussleitung (4) elektrisch verbunden ist,
wobei das elektronische Leistungsbauelement (1) mit dem als Kühlkörper (3) wirkenden Bauteil wärmeleitend und fest verbunden ist, und
wobei im Bereich des Leistungsbauelements (1) ein Metallbügel (5) mit zwei untereinander wärmeleitend verbundenen Kühlfahnen so angeordnet ist, dass der Metallbügel (5) die Leiterplatte (2) derart umgreift, dass eine der Kühlfahnen mit dem Leistungsbauelement (1) an der der Leiterplatte (2) zugewandten Seite und die andere der Kühlfahnen mit dem als Kühlkörper (3) wirkenden Bauteil an der der Leiterplatte (2) zugewandten Seite jeweils in sattem flächigem Kontakt steht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für elektronische Leistungsbauelemente mit einer wenigstens ein elektronisches Leistungsbauelement aufweisenden Leiterplatte und einem als Kühlkörper wirkenden Bauteil, wobei das elektronische Leistungsbauelement mit der Leiterplatte durch wenigstens eine Anschlußleitung verbunden ist, und das elektronische Leistungsbauelement mit dem Kühlkörper wärmeleitend und fest verbunden ist.
  • Bei derartigen Anordnungen ist üblicherweise die Leiterplatte durch Verbindungselemente, z.B. Schrauben, Stege mit Rastmechanismen etc. an dem als Kühlkörper wirkenden Bauteil befestigt, wobei das elektronische Leistungsbauelement, das üblicherweise eine hohe Verlustleistung in Wärme umsetzen muß, auf einer Oberfläche der Leiterplatte angebracht ist.
  • Dabei besteht das Problem, daß mit zunehmender Miniaturisierung nur wenig Fläche auf der Leiterplatte vorhanden ist, um die Verbindungselemente der Leiterplatte mit dem Kühlkörper unterzubringen, und außerdem ist der Abstand der Leiterplatte von dem Kühlkörper relativ groß, da das elektronische Leistungsbauelement relativ große Dickenabmessungen gegenüber den übrigen Bauteilen (Widerständen, Kondensatoren, integrierte Schaltkreise etc.) auf der Leiterplatte aufweist. Außerdem ist bei einer separaten Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper bzw. zwischen dem elektronischen Leistungsbauelement und dem Kühlkörper im Erwärmungsfall mit Temperaturspannungen zu rechnen, die die Lötverbindung zwischen dem elektronischen Leistungsbauelement und den Leiterbahnen auf der Leiterplatte beeinträchtigen können.
  • Um diesem Nachteil abzuhelfen, kann in der Leiterplatte eine das elektronische Leistungsbauelement zumindest teilweise aufnehmende Ausnehmung vorgesehen sein.
  • Damit wird eine eigene Verbindung des Kühlkörpers mit der Leiterplatte überflüssig, da die Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper durch die Verbindung zwischen dem elektronischen Leistungsbauelement, das in die Leiterplatte eingelassen ist, und dem Kühlkörper bewirkt wird. Weiterhin verringert sich der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper in dem Maß, wie das elektronische Leistungsbauelement in die Ausnehmung in der Leiterplatte eingelassen wird.
  • Vorzugsweise ist das elektronische Leistungsbauelement mit Spiel in die Ausnehmung eingesetzt, wird dort ausgerichtet, daran anschließend zumindest bereichsweise an seinen Seitenflächen in die Ausnehmung eingeklebt und dann wird die Klebung ausgehärtet. So kann sichergestellt werden, daß ggf. an der Leiterplatte angebrachte Sensoren (Hallgeneratoren, Tachogeneratoren etc.) eine vorbestimmte Position zu anderen Bauteilen (z.B. einer Motorwelle o.dgl.) halten.
  • Bevorzugt ist das elektronische Leistungsbauelement zumindest bereichsweise in die Ausnehmung eingeklebt, um eine dauerhafte und rüttelfeste Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper (bzw. zwischen diesen und dem elektronischen Leistungsbauelement zu gewährleisten.
  • Dabei erfolgt die Klebung vorteilhaft mittels eines Epoxidharzes.
  • Beispielsweise zeigt die FR 26 57 223 A1 eine Kühlanordnung für elektronische Leistungsbauelemente, bei der das elektronische Leistungsbauteil mit einem Kühlkörper wärmeleitend und fest verbunden ist und das Leistungsbauelement in der Leiterplatte zumindest teilweise in einer Ausnehmung vorgesehen ist. Die US 3 480 836 A zeigt das Einkleben eines elektrischen Bauteils in eine in einer Leiterplatte vorgesehene Öffnung oder Ausnehmung.
  • Die DE 81 14 325 U1 und die DE 31 15 017 A1 zeigen weitere Kühlanordnungen für elektronische Bauelemente auf einer Leiterplatte, bei der Kühlfahnen vorgesehen sind. Die DE 27 43 708 A1 zeigt einen Außenläufermotor mit einer Einrichtung zur Ableitung der Wärme aus einem hermetisch gekapselten Gehäuse. Die US 5 087 497 A zeigt einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einer Kühlanordnung für eine integrierte Schaltungsstruktur. Die WO 92/10925 A1 schließlich zeigt eine Klammer bzw. Bügelfeder, die dazu dient, eine Einheit aus Leistungsbauelement, Leiterplatte und Grundplatte von außen zu umgreifen, um die Leiterplatte an der Grundplatte zu befestigen. Hierbei wird das Problem des Wärmetransports nicht erwähnt und gelöst, weil die Strecke über die Außenseiten von Leistungsbauelement und Gehäuseplatte sehr lang ist und ein effektiver Wärmetransport so nicht gewährleistet ist.
    •
  • Zur Lösung der Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kühlanordnung für elektronische Leistungsbauelemente bereitzustellen, wird erfindungsgemäß die im Patentanspruch 1 angegebene Kühlanordnung in Vorschlag gebracht. Bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen dieser Kühlanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das als Kühlkörper wirkende Bauteil ein Gehäuseteil eines elektrischen Gerätes, das z.B. ein kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere ein Außenläufermotor oder ein Reluktanzmotor ist.
  • Weiterhin ist das elektronische Leistungsbauelement vorzugsweise ein Leistungshalbleiter-Bauelement, wie z.B. ein Endstufentransistor, eine Diode, ein Triac oder ein Thyristor.
    •
  • Die Erfindung wird am folgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • Eine nicht beanspruchte Ausführungsform einer Kühlanordnung gemäß dem Stand der Technik ist in der 1a in einer seitlichen Schnittdarstellung und in 1b in einer Draufsicht veranschaulicht, 3 zeigt eine alternative Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik im Schnitt wie 1a und 4a, 4b zeigen in der Darstellung analog 1a, 1b eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante.
  • Die 1a, 1b zeigen eine Kühlanordnung gemäß dem Stand der Technik für eine ein elektronisches Leistungsbauelement 1, z.B. einen Leistungstransistor mit einem TO 220-Gehäuse o.dgl. aufweisende Leiterplatte 2, die an einem als Kühlkörper wirkenden Bauteil befestigt ist. Dabei ist das elektronische Leistungsbauelement 1 mit Kupferbahnen der Leiterplatte 2 durch wenigstens eine Anschlußleitung 4 verbunden. Das elektronische Leistungsbauelement 1 ist mit dem flachen Kühlkörper 3 wärmeleitend und fest durch eine Schraube 7 verbunden. In der Leiterplatte ist eine das elektronische Leistungsbauelement 1 zumindest teilweise aufnehmende Ausnehmung 6 vorgesehen, in der das elektronische Leistungsbauelement 1 mit Spiel eingesetzt und dort ausgerichtet wird. Daran anschließend wird das elektronische Leistungsbauelement 1 zumindest bereichsweise an seinen Seitenflächen in die Ausnehmung 6 eingeklebt und dann wird die Klebung ausgehärtet.
  • Zur stabilen Verbindung, und damit die Leiterplatte fest mit dem Leistungsbauelement – und damit auch mit dem Kühlkörper verbunden ist, ist das elektronische Leistungsbauelement 1 an allen vier Seitenflächen in die Ausnehmung 6 eingeklebt. Dabei ist die Klebeverbindung mittels eines Epoxidharzes hergestellt, das temperaturbeständig und korrosionsunempfindlich ist.
  • 3 zeigt ein alternatives (zweites) Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik zu 1, wo die Leiterplatte 2 mit beidseitigen Kühlfahnen 15 versehen ist, die als Kupferflächen (Wärmeleitflächen) wenigstens im Umriß-Bereich der Halbleiter-Leistungselemente 1 und der zugeordneten Auflagefläche am Kühlkörper 3 vorgesehen sind. Dabei ermöglichen mehrere Durchkontaktierungen 17 zwischen den beiden Wärmeleitflächen 15 aus Kupfer den gewünschten Wärmefluß. Dadurch können mit einer Schraube 7 Leiterplatte 2 und Halbleiter-Leistungselement 1 spannungsfrei bezüglich der Lötstelle 10 befestigt werden. Vorher erfolgt lagerichtiges Löten mit entsprechender Vorrichtung oder justierte Fixierung, z.B. durch seitliches Kleben des Leistungselements.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zu den 1a, 1b zeigen 4a, 4b eine Leiterplatte 2 mit Kühlfahnen, die bügelartig mit aufgeschnappten Federarmelementen im Bereich der Halbleiter-Leistungselemente 1 und der zugeordneten Auflagefläche am Kühlkörper 3, 8 die Leiterplatte 2 umgreifen. Das U-förmig um 180° gebogene Federelement 5 ermöglicht den gewünschten Wärmefluß. Dadurch können mit einer Schraube 7 Leiterplatte 2 und Halbleiter-Leistungselement 1 spannungsfrei bezüglich der Lötstellen befestigt werden. Durch entsprechende Formgebung am Federelement 5 zentriert sich dieses lagerichtig auf der Leiterplatte, indem ein winklig abstehender Lappen 23 in den Kühlkörper 3 bzw. dessen erhöhte Fläche 28 eingreift, ferner ein Kragen 22 am Unterarm des Bügels 5 in eine Öffnung 24 der Leiterplatte 2 hineinragt sowie gegenüberliegend am Oberarm des Federelements 5 nach außen abstehende schmale Streifen 21, 22 federnd anliegend in Ausnehmungen des Leistungselements greifen. Dadurch kann das Halbleiter-Leistungselement lagerichtig eingeschnappt werden (Formschlußjustierung). Lagerichtiges Löten mittels einer Vorrichtung oder z.B. durch Kleben ist hier nicht erforderlich.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das als Kühlkörper 3 wirkende Bauteil vorzugsweise ein Gehäuseteil eines elektrischen Gerätes. Um den Abstand zwischen der wärmeabstrahlenden Kühlfläche und der Leiterplatte sicherzustellen, ist an den Kühlkörper ein Steg 8 angeformt, der an dem Leistungsbauelement 1 anliegt.
  • Das elektrische Gerät kann ein kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere ein Außenläufermotor oder ein Reluktanzmotor sein, und das elektronische Leistungsbauelement 1 ist ein Leistungshalbleiter-Bauelement der Motorsteuerung, wie z.B. ein Endstufentransistor, eine Diode, ein Triac oder ein Thyristor.

Claims (6)

  1. Kühlanordnung für elektronische Leistungsbauelemente mit einer wenigstens ein elektronisches Leistungsbauelement (1) aufweisenden Leiterplatte (2) und einem als Kühlkörper (3) wirkenden Bauteil, wobei das elektronische Leistungsbauelement (1) mit der Leiterplatte (2) durch wenigstens eine Anschlussleitung (4) elektrisch verbunden ist, wobei das elektronische Leistungsbauelement (1) mit dem als Kühlkörper (3) wirkenden Bauteil wärmeleitend und fest verbunden ist, und wobei im Bereich des Leistungsbauelements (1) ein Metallbügel (5) mit zwei untereinander wärmeleitend verbundenen Kühlfahnen so angeordnet ist, dass der Metallbügel (5) die Leiterplatte (2) derart umgreift, dass eine der Kühlfahnen mit dem Leistungsbauelement (1) an der der Leiterplatte (2) zugewandten Seite und die andere der Kühlfahnen mit dem als Kühlkörper (3) wirkenden Bauteil an der der Leiterplatte (2) zugewandten Seite jeweils in sattem flächigem Kontakt steht.
  2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kühlfahnen des Metallbügels (5) elastisch sind.
  3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei an dem Metallbügel (5) lappenartige Teile (21, 22, 23) abstehen, die in eine Ausnehmung des Leistungsbauelements (1) und/oder eine Ausnehmung der Leiterplatte (2) und/oder in den Kühlkörper (3) eingreifen.
  4. Kühlanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das als Kühlkörper (3) wirkende Bauteil ein Gehäuseteil eines elektrischen Gerätes ist.
  5. Kühlanordnung nach Anspruch 4, wobei das elektrische Gerät ein kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere ein Aussenläufermotor oder ein Reluktanzmotor ist.
  6. Kühlanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektronische Leistungsbauelement (1) ein Leistungshalbleiter-Bauelement, wie z.B. ein Endstufenransistor, eine Diode, ein Triac oder ein Thyristor ist.
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