DE4390783C1 - Vorrichtung zum Verbinden eines Kühlkörpers mit einem elektronischen Schaltkreis - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung zum Anbringen eines Kühlkörpers an eine elektronische Packung, umfassend einen Stift (10) mit einer zusammendrückbaren Spitze (16), die durch ausgerichtete Löcher in einem Kühlkörper (40) und einer gedruckten Schaltungskarte (60) hindurchgeht, so daß die Spitze beim Hindurchgehen durch die zwei Löcher zusammengedrückt wird und, nachdem sie aus der gedruckten Schaltungskarte gegenüber dem Kühlkörper wieder austritt, in eine expandierte Lage zurückfedert, wodurch der Kühlkörper an der Schaltungskarte mit der dazwischen angeordneten elektronischen Packung (50) gehalten wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kühlkörper und betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden eines Kühlkörpers mit einem elektronischen Schaltkreis, der auf einer gedruckten Schaltungskarte oder anderen Unter­ lage befestigt ist.

Hintergrund der Erfindung

In der Elektronikindustrie besteht ein starker Trend, die Dichte von elek­ tronischen Schaltkreisen auf gedruckten Schaltungskarten und bei Halblei­ tern zu steigern, um die Leistung zu erhöhen und die Kosten zu senken. Beispielsweise wird die Anzahl der Eingangs/Ausgangs-Adressenleitungen (I/O) mit der erhöhten Dichte der Schaltkreise gesteigert, wodurch die Ver­ bindung mit anderen logischen Schaltkreisen verbessert wird. Ein mit der steigenden Anzahl der Stifte an Halbleiterschaltkreisen zusammenhängen­ des Problem ist das Erfordernis, die Montagekosten beizubehalten oder zu senken. Aus diesem Grund wurden Oberflächenbefestigungen oder kleine Schaltkreise entwickelt. Ohne ein Verfahren, die Wärme von diesen Elek­ tronikschaltkreisen abzuleiten, ist jedoch ihre Leistung beschränkt, da diese Schaltkreise selbst keine Einrichtung enthalten, mit der die Wärme abge­ leitet werden kann. Diese Schaltkreise umfassen weiter keine Einrichtung, mit der ein Kühlkörper angebracht werden kann, wobei die hohe Dichte der von der auf der Oberfläche befestigten Schaltkreisen hervortretenden elek­ tronischen Leiterbahnen die Anbringungsmethode für irgendeinen zu ver­ wendenden Kühlkörper stark beschränkt.

Dies ist insbesondere wichtig, da unabhängig von der verwendeten Anbrin­ gungsart zum Befestigen von Kühlkörpern an diesen auf der Oberfläche befestigten Schaltkreisen erfordert, daß die Leitungen des Schaltkreises zugänglich bleiben, nachdem der oberflächenmontierte Schaltkreis auf der gedruckten Schaltungskarte angebracht wurde. Auch muß irgendeine vor­ geschlagene Kühlkörperanbringungsart die Spannungsbelastung auf die winzigen Leitungen auf dem oberflächenmontierten Schaltkreis so klein wie möglich halten und darf diese nicht beschädigen. Wenn die Leitungen durch äußere Kräfte beschädigt werden, wie sie z. B. beim Anbringen oder Entfernen eines Kühlkörpers auftreten können, können die elektrischen Verbindungen zwischen dem oberflächenmontierten Schaltkreis und den Leiterbahnen auf der gedruckten Schaltungskarte unterbrochen werden.

Bisher wurden Kühlkörper an derartigen Schaltkreisen durch Ankleben des Kühlkörpers an den Schaltkreis mittels eines thermisch leitenden Epoxidklebers angebracht, das dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kunststoffge­ häuses entsprach. Dieses Verfahren hat jedoch verschiedene Nachteile. Erstens ist das Anbringen des Epoxidklebstoffes arbeitsintensiv und erfordert die richtige Mischung und die Verwendung eines speziellen Werkzeugs zum Anbringen des Kühlkörpers an den Schaltkreis. Weiter sind derartige Klebstoffe etwas gefähr­ lich, wodurch Abfallprobleme entstehen. Wenn der Kühlkörper einmal ange­ bracht ist, kann er nicht einfach von dem Schaltkreis entfernt werden, wenn der Schaltkreis erneuert oder instandgesetzt werden muß.

US 4,710,852 beschreibt eine Federhalterung vom Bajonettverschlußtyp, mit der eine Halbleitereinrichtung an eine Schaltungskarte entweder direkt oder über einen Zwischenwärmeverteiler befestigt werden kann.

US 4,712,159 offenbart eine Clipanordnung, mit der ein Kühlkörper an ei­ nen elektronischen Schaltkreis befestigt werden kann.

In DE 34 09 037 A1 wird ein elektrisches Schaltgerät beschrieben das mit einem Kühlverband für abzuleitende Verlustwärme versehen ist. Der Kühlverband um­ faßt ein Federelement, welches ein elektronisches Bauelement über eine Isolierfolie an einen als erstes Kühlteil wirkenden Kühlrahmen und ein zweites Kühlteil an die Grundplatte des elektronischen Bauele­ mentes preßt.

Bei der in US 4,872,089 beschriebenen Kühlkörperanordnung für eine Vielzahl von Transistoren werden die speziell geformten Kühlkörper mit­ tels besonders gebogener Federclips an den Transistoren gehalten.

US 3,764,729 offenbart eine lösbare Befestigung für zwei Komponenten, wie eine gedruckte Schaltungskarte und ein Chassis. Die lösbare Befesti­ gung enthält ein Paar von gekrümmten flexiblen Flanschgliedern, welche mit den zwei lösbar zu verbindenden Komponenten in Eingriff gebracht werden, und ein Paar von flexiblen Schenkelgliedern, welche mit einem der gekrümmten Flanschglieder zusammen wirken, um das Chassis zu befesti­ gen.

DE 35 31 958 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum vibrationsfreien Abstützen von in ein Gehäuse einschiebbaren Leiterplatten, die mittels eines Ab­ standshalters gegeneinander und/oder gegen eine Gehäuseinnenwand abge­ stützt sind.

Bei der in DE 40 20 194 C1 beschriebenen Kühlvorrichtung für gehäuselose integrierte Chips wird eine gemeinsame Kollektivkühlplatte für mehrere Chips und ein zusätzlicher Kühlkörper pro Chip verwendet, wobei die Be­ festigung der Kühlvorrichtung an die Chips allein mittels Druckkräften ge­ schieht.

US 5,010,949 beschreibt eine Kühlkörperanbringung in einem elektroni­ schen Schaltkreis mittels eines Federelementes, das Formstabilität aufweist, wobei die Befestigung derart ist, daß das Element leicht entfernt werden kann.

Bei der Erfindung wird die Ableitung der Wärme von den auf der Oberflä­ che befestigten elektronischen Schaltkreisen mittels eines Kühlkörpers durchgeführt, der die Oberfläche des Schaltkreises mittels einer federvor­ gespannten Vorrichtung mit einer selbstsperrenden, zusammendrückbaren Spitze erreicht. Die Vorrichtung ist zylindrisch und hat an einem Ende ein vergrößertes Oberteil und am anderen Ende ein Paar flexibler Zacken, die die zusammendrückbare Spitze bilden. Der Schaft wird von einer Feder umgeben. Beim Betrieb wird die Vorrichtung durch ein Loch in dem Kühl­ körper eingesetzt, wobei das Loch zu klein ist, um das vergrößerte Oberteil durchzulassen. Die Spitze gelangt jedoch durch die Kühlkörperöffnung. Der Kühlkörper wird über dem auf einer Karte zu befestigenden Schaltkreis angeordnet, und die Spitzen werden mit den Löchern in der Karte ausge­ richtet. Die Spitzen der Vorrichtungen werden dann durch die Löcher in der Karte gedrückt. Hierdurch werden die flexiblen Zacken zusammengedrückt, und die Spitze gelangt durch das Loch. Wenn die Spitze schließlich durch das Loch hindurchgetreten ist, federn die flexiblen Zacken der Vorrichtung wieder zurück, so daß die Spitze mit der Unterseite der Karte in Eingriff tritt, wodurch die Vorrichtung an Ort und Stelle gehalten wird. Die Feder ist rings um den Schaft zwischen dem Oberteil und dem Kühlkörper ange­ ordnet und erzeugt eine Vorspannkraft, die den Kühlkörper gegen den Schaltkreis drückt, so daß ein guter thermischer Kontakt entsteht. Gewöhn­ lich werden mehr als eine Vorrichtung verwendet, und vorzugsweise soll die Aufbringung der Kraft von den federvorgespannten Vorrichtungen symmetrisch in Bezug auf den oberflächenmontierten Schaltkreis erfolgen. Die Vorrichtung oder die Vorrichtungen können leicht durch Zusammen­ drücken der Zacken entfernt werden, so daß die Spitze wieder durch das Loch in der gedruckten Schaltungskarte hindurchgleitet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden soll eine bevorzugte Ausführungsform nach der Beschreibung der Zeichnungen beschrieben werden:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer selbstsperrenden Vorrich­ tung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, wie er an einem Kühlkörper angebracht ist; und

Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Darstel­ lung der Anbringung der Vorrichtung an einem Kühlkörper, einem Schaltkreis und einer gedruckten Schaltungskarte.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 10 ist zylindrisch und umfaßt ein vergrößertes, zylindrisches Oberteil 12, einen Schaft 14 und eine Spitze 16. Eine Feder 18 ist um den Schaft 14 angeordnet. Die Vorrichtung 10 besteht bei der bevorzugten Aus­ führungsform aus hochfestem Nylon, obwohl ebenfalls andere Materialien möglich sind. Vorzugsweise beträgt die Gesamtlänge der Vorrichtung 10 16,51 mm, wobei der Schaft 14 eine Länge von 11,68 mm und einen Durchmesser von 2,286 mm aufweist. Natürlich sind andere Abmessungen möglich und tatsächlich auch notwendig, und zwar in Abhängigkeit von der Größe des Schaltkreises, des Kühlkörpers und der Dicke der Karte und der Größe ihrer Halterung.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht die Spitze 16 aus einem Paar Zacken 20, 22, die mittels eines Schlitzes 24 getrennt sind, der sich in den Schaft 14 erstreckt. Der Schlitz 24 ist etwa 5,08 mm lang, und zwar gemessen von der Oberseite der Spitze 16 bei der bevorzugten Ausführungsform, und ist weiter 0,762 mm breit. Andere Abmessungen sind möglich. Jeder Zacken 20, 22 umfaßt eine kegelförmige Fläche 26, 28, die an einem Ende 30 der Spitze 16 beginnt und sich rückwärts in Richtung des Schaftes 14 erweitert, und die zusammen eine mittels des Schlitzes 24 zweigeteilte Kegelform bilden. Hierdurch können die Zacken 20, 22 ein wenig zusammengedrückt werden, wobei jedoch, wenn die Druckkraft aufgehoben wird, sie in ihre Ausgangslage zurückkehren, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Länge der Flächen 26, 28 beträgt 2,54 mm bei der bevorzugten Ausführungsform, und der maximale Durchmesser des Paares Zacken 20, 22 beträgt etwa 3,556 mm. Wie bei den anderen Abmessungen der bevorzugten Ausfüh­ rungsform können unterschiedliche Abmessungen verwendet werden.

Die Funktion der Vorrichtung 10 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. In Fig. 2 ist ein Standardlamellenkühlkörper 40 mit einem daran angebrachten Paar Vorrichtungen 10 dargestellt. Es können jedoch auch andere Kühlkör­ per verwendet werden. In jedem Fall wird die Spitze 16 der Vorrichtung 10 durch ein Loch (nicht dargestellt) im Kühlkörper 40 eingesetzt, so daß die Spitze 16 sich unterhalb des Kühlkörpers erstreckt, während das Oberteil 12 und die Feder 18 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Der Durchmesser des Loches (nicht dargestellt) im Kühlkörper ist größer als der des Schaftes 14 der Vorrichtung 10, so daß sich der Schaft 14 in dem Loch auf und abbewegen kann. Das Oberteil 12 der Vorrichtung 10 ist zu groß, um durch das Loch im Kühlkörper 40 hindurchzugehen. Allgemein werden mindestens zwei Vorrichtungen für einen Kühlkörper verwendet und gewöhnlich vier, die an den Ecken angeordnet sind, um die Kraft so gleichförmig wie möglich zu verteilen, wenn der Kühlkörper angebracht wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt, werden die Vorrichtungen 10 verwendet, um den Kühlkörper 40 an einen oberflächenmontierten Schaltkreis 50 wie folgt an­ zubringen. Der oberflächenmontierte Schaltkreis 50 wird auf einer ge­ druckten Schaltungskarte 60 befestigt (andere elektronische Geräte und an­ dere Unterlagen können natürlich verwendet werden). Die Karte 60 hat Lö­ cher 62, die benachbart zu dem Schaltkreis 50 angeordnet sind. Nachdem die Vorrichtungen 10 (gewöhnlich vier) in den Löchern des Kühlkörpers 40 angeordnet sind, wie in Fig. 2 dargestellt, wird der Kühlkörper 40 über dem Schaltkreis 50 angeordnet und die Spitzen 16 der Vorrichtungen 10 mit den Löchern 62 in der Karte, auf der der Schaltkreis 50 befestigt wer­ den soll, ausgerichtet. Einmal ausgerichtet, werden die Vorrichtungen 10 in Richtung der Löcher 62 nach unten gedrückt. Hierdurch gleiten die kegeli­ gen Oberflächen 26, 28 der Spitze 16 in die Löcher 62. Die Seiten der Lö­ cher 62 drücken die Zacken 20, 22 zusammen, und, wie in Fig. 3 darge­ stellt, gelangen die Spitzen 16 durch die Löcher 62. Nachdem sie jedoch durch die Löcher 62 hindurchgetreten sind, federn die Zacken 20, 22 in ihre nichtzusammengedrückte Ausgangslage zurück, wobei sie mit der Unter­ seite der Karte 60 in Eingriff treten und dadurch die Vorrichtung 10 an Ort und Stelle halten, ohne den oberflächenmontierten Schaltkreis 50 oder sei­ ne elektronischen Leitungen (nicht dargestellt) zu beschädigen. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird dann der Kühlkörper 40 gegen den oberflächenmon­ tierten Schaltkreis 50 an Ort und Stelle gehalten. Die den Vorrichtungen 10 zugeordneten Federn 18 dienen dazu, den Kühlkörper 10 federvorgespannt gegen den Schaltkreis zu drücken, um eine gute, thermisch leitende Berüh­ rung zwischen den beiden sicherzustellen. Die Vorrichtungen 10 können leicht ohne Beschädigung des oberflächenmontierten Schaltkreises 50 oder seiner Leitungen (nicht dargestellt) durch Zusammendrücken der Zacken 20, 22 entfernt werden, so daß die Vorrichtungen 10 wieder durch die Lö­ cher 62 gleiten. Die Feder 18 unterstützt diese Bewegung.

Es wird darauf hingewiesen, daß ein Merkmal der Erfindung in dem verän­ derbaren, mittels der federvorgespannten Vorrichtungen 10 geschaffenen Druck besteht. Dies gestattet ein wirksames Anbringen, wobei die Mög­ lichkeit der Beschädigung des Schaltkreises vermindert wird. Es wird wei­ ter darauf hingewiesen, daß der Schaft 14 länger oder kürzer sein kann, um unterschiedlichen Abmessungen der elektronischen Schaltkreise zu ent­ sprechen, und daß die Spitze 16 größer oder kleiner sein kann, um den Ab­ messungen unterschiedlicher Abmessungen von gedruckten Schaltungs­ kartenlöchern oder den Dicken unterschiedlicher Schaltungskarten zu ent­ sprechen. Es wird weiter darauf hingewiesen, daß die Feder 18 in die Vor­ richtung 10 integriert sein kann, und daß bestehende Formwerkzeuge ver­ wendet werden können, um entweder zwei oder vier Vorrichtungen als eine Anordnung herzustellen.

Claims (3)

1. Vorrichtung (10) zum Verbinden eines Kühlkörpers (40) mit einem elektronischen Schaltkreis, der auf einer gedruckten Schaltungskarte (60) oder anderen Unterlage befestigt ist, umfassend:
einen Schaft (14),
wobei der Schaft (14) zylindrisch ist und an einem Ende ein vergrößer­ tes Oberteil (12) aufweist, das einen größeren Durchmesser als der Schaft (14) hat, wobei der Schaft (14) eine Spitze (16) hat, die sich an einem Ende entgegengesetzt zu dem Oberteil (12) befindet, wobei die Spitze (16) eine Fläche (26, 28) und ein Ende (30) entgegengesetzt zu dem Schaft (14) hat, wobei die Fläche (26, 28) an einem Ende (30) der Spitze (16) beginnt und sich rückwärts in Richtung des Schaftes (14) erweitert,
wobei die Spitze (16) einen Schlitz (24) aufweist, um eine erste Zacke (20) und eine zweite Zacke (22) auf der Spitze (16) zu bilden,
wodurch die Vorrichtung (10) mit dem Kühlkörper (40) oder der Unter­ lage durch Einfügen der Spitze (16) in ein Loch auf dem Kühlkörper (40) oder der Unterlage verbindbar ist, wobei die erste und zweite Zacke (20, 22) zueinander biegbar sind und die Biegung dazu dient, den effek­ tiven Durchmesser der Spitze (16) beim Einbauen zu reduzieren, und wobei sich die Zacken (20, 22) nach dem Einsetzen der Vorrichtung wie­ der aufbiegen, um die Vorrichtung (10) an dem Kühlkörper (40) oder der Unterlage zu halten,
eine Vorspanneinrichtung umfassend eine zylindrische Feder (18), die den Schaft (14) umgibt und einen kleineren Durchmesser als das Ober­ teil (12) und die Fläche (26, 28) der Spitze aufweist,
wobei die Vorspanneinrichtung so gestaltet ist, daß sie mit dem Kühl­ körper (40) oder der Unterlage in Eingriff steht, wenn die Vorrichtung (10) montiert ist, um in Kooperation mit dem vergrößerten Oberteil (12) des Schafts die Fläche (26, 28) der Spitze gegen den Kühlkörper (40) oder die Unterlage zu halten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vergrößerte Oberteil (12) zy­ lindrisch ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Schlitz (24) ganz über die Spitze (16) und zumindest einen Teil des Schafts (14) erstreckt.