DE60314355T2

DE60314355T2 - Einschnappbarer Kühlkörper für Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE60314355T2
Application number: DE60314355T
Authority: DE
Inventors: Dennis R. Sigl; Richard Mark Achtner
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2023-10-11
Also published as: US6633485B1; JP4202895B2; US20040201964A1; EP1422982A3; JP2004172618A; DE60314355D1; EP1422982A2; EP1422982B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Verwendung mit einer Elektronikkomponente und insbesondere eine Baugruppe einer Elektronikkomponente und eines Kühlkörpers, die ohne weiteres hergestellt und montiert werden kann.
Es gibt natürlich viele Arten und Konstruktionen von Kühlkörpern, die verwendet werden, um Wärme von Elektronikkomponenten wegzuleiten. Die Kühlkörper werden normalerweise in Form von Kühlkörperbaugruppen bereitgestellt, die den Kühlkörper selbst mit der wärmeerzeugenden Elektronikkomponente kombinieren. Der Hauptzweck der Kühlkörperbaugruppe besteht darin, alle die Kühlkörper in einer bestimmten Maschine zu lokalisieren, zu sichern und zu schützen. Als Beispiele weisen alle Schweißstromquellen wärmeerzeugende Elektronikkomponenten auf, und einige dieser Komponenten erfordern ein zusätzliches Mittel zum Abführen der erzeugten Wärme. Somit werden mit solchen Elektronikkomponenten Kühlkörper verwendet, um jene Wärme abzuführen, und solche Elektronikkomponenten können Dioden, IGBTs, Widerstände oder beliebige andere der Elektronikkomponenten enthalten, die in einer verschiedenen unterschiedlichen Art von Vorrichtung verwendet werden.
Bei in Schweißvorrichtungen verwendeten gegenwärtigen Elektronikkomponenten kann die wärmeerzeugende Elektronikkomponente individuell zu einem Standardbaustein zusammengebaut oder zu einem Baustein vom Modultyp zusammengebaut werden, der mehrere der Elektronikkomponenten aufnehmen kann, und entweder die einzelne Montage oder die Modulart von Montage können kommerziell erhalten werden. Obwohl bei dem individuellen Baustein jedoch zwar die Kosten für den Benutzer relativ preiswert sind, besteht eine Notwendigkeit, viele der Einrichtungen zu kaufen, um eine Schweißstromquelle zusammenzubauen, und die schiere Anzahl individueller Einrichtungen machen es sehr schwierig, die Gesamtstromquelle mit den traditionellen Arten von Zusammenbauverfahren zusammenzubauen. Andererseits wird bei dem modularen Baustein der Zusammenbau der Mehrfachelektronikkomponente vereinfacht, da weniger Einrichtungen zusammenzubauen sind, jedoch ist die Modulform der Kühlkörperbaugruppe aufwendiger als der Kauf vieler individueller Einrichtungen.
Als solches besteht außerdem eine Notwendigkeit, die Herstellbarkeit der Kühlkörpereinrichtungen so preiswert wie möglich zu machen und Massenfertigungstechniken bei dem Zusammenbau des Kühlkörpers an die Elektronikkomponente zu verwenden. Traditionellerweise ist ein Mittel zum Anbringen der wärmeerzeugenden Elektronikkomponente an den Kühlkörper über eine mit einem Gewinde versehene Montage wie etwa Schrauben, und dann wird der Kühlkörper und die Einrichtungsbaugruppe an dem Rahmen der Stromquelle mit zusätzlichen Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln montiert. Wenn eine große Anzahl solcher Einrichtungen vorliegt, kann der Zusammenbau erheblich zeitraubend und mit konventionellen Verfahren schwierig zusammenzubauen werden.
Außerdem kann bei der Verwendung von Gewindeeinrichtungen auch eine Notwendigkeit für eine Schraubensicherung bestehen, das Bohren und das Gewindebohren des Kühlkörpers und alle solcher Operationen und zusätzliches Montieren von Hardware trägt zu den Herstellungskosten bei. Die zum Anbringen des Kühlkörpers verwendeten Schrauben müssen auch präzise festgezogen werden. Wenn die Schrauben zu lose angezogen werden, besteht kein ausreichender wärmeleitender Kontakt zwischen der Elektronikkomponente und dem Kühlkörper. Wenn andererseits das Anziehen zu fest ist, kann es zu einem Bruch oder einer Beschädigung an der Einrichtung führen.
Bei anderen Kühlkörperbaugruppen sind Federclips verwendet worden, um den Kühlkörper an einem Rahmen mit der Elektronikkomponente in Kontakt mit dem Kühlkörper anzubringen.
Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus EP 0 143 262 A1 , US 6,229,706 B1 , US 2001/0030037 A1 , US 5,621,244 A und US 6,419,008 B1 .
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft dementsprechend eine Baugruppe zum Anbringen eines Kühlkörpers in guter wärmeleitender Position an einer Elektronikkomponente, die sich mit Massenfertigungstechniken leicht herstellen und zusammenbauen läßt. Bei der vorliegenden Erfindung entfällt die Notwendigkeit zum Montieren von Hardware wie auch die Anforderung, daß möglicherweise zusätzliche Modifikationen an dem Kühlkörper vorgenommen werden müssen, um ihn in einer guten wärmeleitenden Beziehung mit der Elektronikkomponente zu koppeln. Außerdem können die vorliegenden Kühlkörperbaugruppen der vorliegenden Erfindung in in Massen produzierten Modulen großer Menge leicht und preiswert hergestellt werden und daran angepaßt werden, als verschiedene individuelle Baugruppen oder Modultyp von Baugruppen mit mehreren Kühlkörpern hergestellt zu werden.
Somit umfaßt die Kühlkörperbaugruppe der vorliegenden Erfindung einen Rahmen, der eine untere Oberfläche aufweist, die im allgemeinen eine flache Oberfläche ist und die mehrere Führungen aufweist, die sich von der flachen Oberfläche nach oben erstrecken. Wie zu sehen ist, gibt es bevorzugt vier Führungen, die kombiniert die Ecken eines Rechtecks bilden und so dimensioniert sind, daß eine rechteckige Elektronikkomponente in dem Raum zwischen den Führungen plaziert und in Richtung der unteren Oberfläche des Rahmens bewegt werden kann, und der sich nach innen verengende Raum dient dem genauen Positionieren der Elektronikkomponente, wenn er die untere Oberfläche erreicht. Der Rahmen weist auch mehrere Federglieder auf, die sich ebenfalls von der unteren Oberfläche des Rahmens in der gleichen Richtung wie die Führungen nach außen erstrecken und die Federglieder weisen nach innen weisende Vorsprünge an den freien Enden davon auf. Ein weiteres bevorzugtes Merkmal des Rahmens ist, daß viele Federführungen vorliegen können, ebenfalls in den Rahmen gegossen und die von der unteren Oberfläche nach außen vorspringen, um eine Feder bezüglich des Rahmens zu positionieren, wie später erörtert wird. Außerdem kann der Rahmen einen Indexierungsvorsprung aufweisen, der sich von der unteren Oberfläche aus nach außen erstreckt, der mit der Elektronikkomponente zusammenpaßt, um jene Elektronikkomponente beim Zusammenbau in die gewünschte Position in dem Kühlkörper zu führen und wieder, wie später erläutert wird.
Wie zu sehen ist, können alle die oben erwähnten Merkmale zu einer einstückigen Konstruktion spritzgegossen werden und können deshalb in großen Mengen relativ preiswert produziert werden.
Eine Feder wird auf der unteren Oberfläche des Rahmens und innerhalb des Raums zwischen den Führungen positioniert. Die Feder kann eine allgemein zentrale nach außen gebogene Gestalt aufweisen, wobei die Enden der Feder in die gewünschte Position gegen die untere Oberfläche des Rahmens mit Hilfe der Federführungen derart geführt werden, daß die Feder leicht und schnell in die richtige Position eingesetzt werden kann und sichergestellt werden kann, daß sie korrekt sitzt. Die Feder selbst ist bevorzugt aus einem Metallmaterial konstruiert.
Die Elektronikkomponente ist auf der Feder in Kontakt damit positioniert, und die Elektronikkomponente weist bevorzugt eine Öffnung auf, die den Indexierungsvorsprung aufnimmt, so daß die Elektronikkomponente in den Raum zwischen den Führungen eingesetzt werden kann, wo der Indexierungsvorsprung in die Öffnung eintritt und die Elektronikkomponente in ihre richtige Position führt.
Schließlich existiert ein Kühlkörper, der an dem Rahmen gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt wird. Der Kühlkörper ist im Grunde ein Metallblock mit einer im allgemeinen planaren Oberfläche und mehreren wärmeabstrahlenden Rippen, die sich nach außen erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmekörper aus Aluminium extrudiert und weist zwei laterale äußere Oberflächen auf, wobei die wärmeabstrahlenden Rippen in der gleichen Orientierung wie die lateralen äußeren Oberflächen länglich verlaufen, wie es ein Ergebnis des Extrusionsprozesses sein würde. Jede der lateralen äußeren Oberflächen weist eine dort herum ausgebildeten länglichen Steg auf und der über die ganze Länge der lateralen äußeren Oberfläche verläuft.
Der Kühlkörper wird an den Rahmen mit Hilfe des Zusammenpassens der Innenvorsprünge an den freien Enden der Federglieder befestigt, die in die um die lateralen äußeren Seiten des Kühlkörpers ausgebildeten Stege einschnappen und der Ort der Nuten und die ausgelegte Länge der Federglieder ist natürlich vorbestimmt, so daß der Kühlkörper an einem gewünschten Ort an dem Rahmen angebracht positioniert ist und die planare Oberfläche des Kühlkörpers vollständig an die Oberfläche der Elektronikkomponente anstößt, so daß die Wärme von der wärmeerzeugenden Elektronikkomponente Effizienz auf den Kühlkörper transferiert und durch diesen abgeführt werden kann. Der Kühlkörper wird auch in seinem Sitz innerhalb des Rahmens geführt, wenn der Kühlkörper in den Raum zwischen den Führungen eintritt.
Die Elektronikkomponente wird gegen die planare Oberfläche des Kühlkörpers mit Hilfe der Feder gepreßt oder vorgespannt, die zwischen der unteren Oberfläche des Rahmens und der unteren Oberfläche der Elektronikkomponente sitzt, wodurch automatisch die gewünschte Kraft der Elektronikkomponente gegen den Kühlkörper erzeugt wird.
Als solches läßt sich die vorliegende Kühlkörperbaugruppe leicht zusammenbauen, und die Kraft der Elektronikkomponente, die sie gegen den Kühlkörper hält, ist vorbestimmt, und eine bekannte Kraft wird automatisch für eine gute Wärmeleitfähigkeit erzeugt, ohne Notwendigkeit, daß ein Zusammenbauer irgendeine Aktion ergreifen muß, um diese Kraft einzustellen oder zu justieren. Der Zusammenbau der vorliegenden Kühlkörperbaugruppe wird durch eine einfache einstufige Operation durchgeführt und ist deshalb Massenfertigungstechniken förderlich, die relativ preiswert sind, und keine zusätzliche physikalische Abänderung, wie etwa Bohren, Gewindebohren oder dergleichen des Kühlkörpers ist erforderlich, die die Gesamtzeit zum Konstruieren der Kühlkörperbaugruppe verlängern könnte.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres während der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hierin.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Kühlkörperbaugruppe.
2 ist eine Perspektivansicht einer Kühlkörperbau gruppe der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Seitenansicht der Kühlkörperbaugruppe von 1.
4 ist eine Querschnittsansicht der Kühlkörperbaugruppe entlang der Linien 4-4 von 3.
5 ist eine auseinandergezogene Ansicht von mehreren die vorliegende Erfindung verwendenden Kühlkörperbaugruppen.
6 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruierten Kühlkörperbaugruppe.
7 ist eine Perspektivansicht der Kühlkörperbaugruppe von 6.
8 ist eine Seitenansicht der Kühlkörperbaugruppe von 6.
Ausführliche Beschreibung
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird eine auseinandergezogene Ansicht der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Kühlkörperbaugruppe gezeigt. Wie zu sehen ist, enthält die Kühlkörperbaugruppe 10 einen Rahmen 12 mit einer allgemein planaren oberen Oberfläche 14 und mit einer nach unten versetzten unteren Oberfläche 16, die in dem Rahmen 12 ausgebildet ist. Die untere Oberfläche 16 umgeben mehrere Führungen 18, die sich bezüglich der unteren Oberfläche 16 nach außen erstrecken. Die Führungen 18 sind so gezeigt, daß sie von der oberen Oberfläche 14 aus nach außen verlaufen, doch können die Führungen 18 auch direkt von der unteren Oberfläche 16 nach außen verlaufen, wobei es lediglich wichtig ist, daß die Führungen bezüglich der unteren Oberfläche 16 nach außen verlaufen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform von 1 gibt es vier Führungen 18 und die einen Raum 20 dazwischen definieren, wobei sich die Führungen 18 an jeder Ecke eines rechteckigen Raums 20 befinden. Jede der Führungen 18 ist bevorzugt so gestaltet, daß sie freie Enden 22 und eine innere Oberfläche 24 aufweist, die in der Richtung auf die untere Oberfläche 16 nach innen verjüngt ist, d.h., der rechteckige Raum 20 verengt sich in der Richtung auf die untere Oberfläche 16, so daß ein in dem Raum 20 plaziertes rechteckiges Objekt entlang einem sich verengenden Raum 20 läuft und vollständig zu seinem letzten Ort an den inneren Enden der Führungen 18 geführt wird.
Bezüglich der unteren Oberfläche 16 erstrecken sich auch mehrere Federglieder 26 nach außen, die so konfiguriert sind, daß sie ein allgemein nach unten und innen geneigtes freies Ende 28 aufweisen, was zu einer darin ausgebildeten nach innen gerichteten Vorsprüngen 30 führt. Wiederum gibt es, wie bei der bevorzugten Ausführungsform von 1 gezeigt, zwei solche Federglieder 26. Es könnten jedoch mehr Federglieder verwendet werden, wenn die Breite des Kühlkörpers zunimmt. Es gibt auch mehrere in der unteren Oberfläche 16 ausgebildete Löcher 32, und der Zweck und die Verwendung derartiger Löcher 32 wird später offenbar.
Dementsprechend enthält der Rahmen 12 eine Reihe von Merkmalen und kann auch einen in 1 nicht gezeigten Indexierungsüberstand enthalten, der sich von der unteren Oberfläche 16 aus nach außen erstreckt, sowie verschiedene in 1 nicht gezeigte Federführungen, die ebenfalls in der unteren Oberfläche 16 ausgebildet sind. Ein bevorzugtes Kunststoffmaterial, das für den spritzgegossenen Rahmen 12 verwendet werden kann, ist eine hochgeordnete syndiotaktische Molekularstruktur auf der Basis des Polystyrolmonomers und unter dem Namen Questra 533 vermarktet. Es können auch andere Herstellungsmaterialien verwendet werden.
Eine Feder 34 ist vorgesehen und weist eine allgemein nach oben gekrümmte oder gebogene obere Oberfläche 36 und hochgedrehte äußere Enden 38 auf. Die Feder 34 ist bevorzugt aus einem Metall wie etwa rostfreiem Stahl konstruiert und weist Abmessungen und eine Konfiguration auf, die so ausgelegt sind, daß eine vorbestimmte Aufwärtsfederungsaktion bereitgestellt wird, wenn die obere Oberfläche 36 komprimiert wird. Bei der Montage der vorliegenden Kühlkörperbaugruppe 10 wird die Feder 34 auf der unteren Oberfläche 16 des Rahmens 12 plaziert und mit Hilfe der in 1 nicht gezeigten Federführungen in die gewünschte Position auf dieser unteren Oberfläche 16 geführt.
Als eine weitere Komponente der Kühlkörperbaugruppe 10 gibt es eine Elektronikkomponente 40 und bei der es sich um eine Reihe typischer wärmeerzeugender Elektronikkomponenten wie etwa Dioden, IGBTs, Widerstände und dergleichen handeln kann. Die Elektronikkomponente 40 weist mehrere leitende Leitungen 42 auf, die sich in Richtung des Rahmens 2 nach außen und unten erstrecken.
Wie zu sehen ist, verlaufen die leitenden Leitungen 42 durch die Löcher 32, wenn die Elektronikkomponente 40 an der unteren Oberfläche 16 des Rahmens montiert wird, und die leitenden Leitungen 42 können an eine Leiterplatte schwallgelötet werden, die sich an der abwärtsgerichteten Seite des Rahmens 12 befindet, wie in 1 zu sehen. Bevorzugt weist die Elektronikkomponente 40 auch eine Öffnung 44 auf, die mit dem in der unteren Oberfläche 16 des Rahmens 12 ausgebildeten, in 1 nicht gezeigten Indexierungsüberstand koppelt, um die Elektronikkomponente an den gewünschten Ort innerhalb des Rahmens 12 zu führen. Die Elektronikkomponente 40 weist eine flache obere Oberfläche 46 und eine untere Oberfläche 48 auf.
Schließlich wird ein Kühlkörper 50 bereitgestellt und der bevorzugt aus einem Metall ausgebildet ist und bei der bevorzugten Ausführungsform aus Aluminium extrudiert ist. Der Kühlkörper 50 weist laterale externe Oberflächen 52, gegenüber angeordnet, eine untere planare Oberfläche 54 und mehrere wärmeabstrahlende Rippen 56 auf. Wie zu sehen ist, sind die wärmeabstrahlenden Rippen 56 länglich oder entlang einer Achse orientiert, die entlang der Mittellinie A identifiziert ist, die im Grunde durch den Extrusionsprozeß bestimmt ist, und die externen lateralen Oberflächen 52 sind im allgemeinen entlang dieser gleichen Orientierung länglich. Eine längliche Nut oder ein länglicher Steg 58 ist entlang der gleichen Orientierung in jeder der externen lateralen Oberflächen 52 ausgebildet. Die länglichen Nute 58 sind entlang der ganzen Länge jeder der lateralen externen Seiten 52 ausgebildet.
Mit dem eben gesagten kann nun das Grundverfahren des Zusammenbaus der Kühlkörperbaugruppe 10 beschrieben werden. Anfänglich wird der Rahmen 12 an einer PC-Platine befestigt. Die Feder 34 wird dann in dem Rahmen 12 plaziert, um auf der unteren Oberfläche 14 des Rahmens zu ruhen, unterstützt an ihrem Ort durch die Verwendung von in 1 nicht gezeigten Federführungen. Die Elektronikkomponente 40 wird dann auf der oberen Oberfläche 36 der Feder 34 plaziert, geführt von dem in 1 nicht gezeigten Indexierungsüberstand, der in die Öffnung 44 in der Elektronikkomponente 40 eintritt, um die Elektronikkomponente 40 an dem gewünschten Ort auszurichten und zu positionieren.
Dann wird der Kühlkörper 50 in den Raum 20 zwischen den Führungen 18 eingesetzt und nach unten weitergeschoben, bis die untere planare Oberfläche 54 des Kühlkörpers 50 auf der oberen Oberfläche 46 der Elektronikkomponente 40 sitzt, so dazwischen eine gute Wärmeleitfähigkeit vorliegt. Ein Wärmefett auf Silikonbasis wird auf der oberen Oberfläche 46 und dem Kühlkörper 50 aufgetragen, um eine effizientere Wärmeübertragung zu bewirken. Wenn sich der Kühlkörper 50 weiter nach unten bewegt, wird die Feder 34 zusammengedrückt und übt eine Kraft gegen die untere Oberfläche 48 der Elektronikkomponente 40 aus, um zu bewirken, daß die Elektronikkomponente 40 den Kühlkörper 50 mit mehr Kraft kontaktiert.
Am Höhepunkt der vorbestimmten Abwärtsbewegung des Kühlkörpers 50 treten die nach innen gerichteten Vorsprünge 30 der Federglieder 26 in die länglichen Nute 58 ein und schnappen dort ein, um den Kühlkörper 50 in einer an dem Rahmen 12 verriegelten Position zu sichern, wodurch der Zusammenbau der Kühlkörperbaugruppe 10 abgeschlossen wird.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 2 wird eine Perspektivansicht der Kühlkörperbaugruppe 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei der Kühlkörper 50 an dem Rahmen 12 fixiert ist, und wie gesehen werden kann, wurde der Kühlkörper 50 innerhalb der Führungen 18 zentriert, so daß er in der korrekten Position auf dem Rahmen 12 angebracht ist. In dem zusammengebauten Status, wie in 2 gezeigt, wurde das Federglied 26 aufgrund der relativ flexiblen Natur des Federglieds 26 in die längliche Nut 58 eingeschnappt, so daß der Kühlkörper 50 fest am Rahmen 12 gehalten wird. Wie ebenfalls zu sehen ist, sind alle wärmeabstrahlenden Rippen 56 entlang der Mittellinie A in einer allgemein parallelen Beziehung ausgerichtet und was auf den Extrusionsprozeß zurückzuführen ist, der zum Herstellen des Kühlkörpers 50 verwendet wird.
Der Extrusionsprozeß macht die Herstellung des Kühlkörpers 50 relativ leicht und kosteneffektiv, und der Prozeß gestattet auch erhebliche Flexibilität bei der Fähigkeit zum Herstellen von Kühlkörpern unter schiedlicher Größen, d.h., der individuelle Kühlkörper wird nach Extrudierung in langen Längen einfach von dem extrudierten Material entsprechend der gewünschten Länge eines beliebigen jeweiligen Kühlkörpers abgeschnitten. Zum Herstellen von Kühlkörpern einer anderen Größe kann der Schnitt dementsprechend von dem Hersteller auf eine beliebige Länge umgestellt werden, die für die lateralen externen Oberflächen 52 gewünscht wird, wobei auch zu sehen ist, daß die längliche Nut 58 bereits bei der Extrusion ausgebildet wird, und deshalb braucht der herzustellende Kühlkörper nur auf die gewünschte Größe geschnitten und entgratet zu werden. An dem Kühlkörper sind keine weiteren physikalischen Abänderungen erforderlich.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 wird eine Seitenansicht der Kühlkörperbaugruppe 10 gezeigt, d.h. genommen entlang der extrudierten Richtung. In 3 ist der Rahmen 12 an einer PC-Platine 60 fixiert und die leitenden Leitungen 42 verlaufen herunter, um etwa durch Schwallöten an die PC-Platine 60 angeschlossen zu werden. 3 veranschaulicht außerdem die Zusammenschaltung der nach innen gerichteten Vorsprünge 30, an den freien Enden der Federglieder 26 ausgebildet, zusammenpassend in die länglichen Nuten 58, um den Kühlkörper 50 am Rahmen 12 festzuhalten.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird eine Querschnittsansicht der Kühlkörpergruppe 10 entlang der Linie 4-4 von 3 gezeigt. Wieder befindet sich wie gezeigt der Kühlkörper 50 in seiner zusammengebauten Position innerhalb von Führungen 18 mit der Elektronikkomponente 40 unter dem Kühlkörper 50 mit seiner oberen Oberfläche 46 gegen die untere planare Oberfläche 54 des Kühlkörpers 50 in einer guten Wärmeübertragungsbeziehung festgehalten. Die Elektronikkomponente 40 wird gegen die untere planare Oberfläche 54 mit Hilfe einer Feder 34 gedrückt, deren gebogene obere Oberfläche 36 eine Kraft gegen die untere Oberfläche 48 der Elektronikkomponente 40 ausübt. Da der Kühlkörper 50 in die gezeigte Position eingeschnappt worden ist, kann als solches durch das Design der Feder 34 das Ausmaß der Kraft zum Erzeugen der guten wärmeleitenden Beziehung zwischen der Elektronikkomponente 40 und dem Kühlkörper 50 vorbestimmt werden, und es besteht keine Notwendigkeit während des Zusammenbauprozesses, irgendeine Justierung vorzunehmen oder die Kraft zu modifizieren, die die Elektronikkomponente 40 und den Kühlkörper 50 zusammenpreßt.
Wieder ist die PC-Platine 60 ebenfalls dargestellt und kann einfach an dem Boden des Rahmens 12 mit Hilfe von nicht gezeigten Schrauben befestigt werden, die durch Löcher in der PC-Platine 60 gehen, um in die während des Spritzgießprozesses in dem Rahmen 12 erzeugte Löcher eingeschraubt zu werden.
Schließlich wird unter Bezugnahme auf 5 eine auseinandergezogene Ansicht gezeigt, die die Verwendung von mehreren Kühlkörperbaugruppen 10 unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt. In 5 ist ein spritzgegossener Kunststoffmehrfachrahmen 62 mit mehreren individuellen Stellen 64 zu sehen, wo eine Elektronikkomponente 40 an den Mehrfachrahmen 62 montiert werden kann. Dementsprechend weist jede Stelle 64 eine lokalisierte untere Oberfläche 16 derart auf, daß mehrere untere Oberflächen 16 an den individuellen lokalisierten Stellen 64 vorliegen, die in dem Mehrfachrahmen 62 ausgebildet sind, wobei jede Stelle 64 eine Elektronikkomponente 40 auf die oben beschriebene Weise aufnehmen soll, und natürlich gibt es für jedes Montieren einer Elektronikkomponente 40 entsprechende Führungen 18, die Räume 20 zwischen den Führungen 18 ausbilden zum Montieren jener Elektronikkomponenten 40 an jeder der individuellen Stellen 64.
In 5 können auch die Indexierungsüberstände 66 gesehen werden, die sich von jeder der unteren Oberflächen 16 der individuellen Stellen 64 des Mehrfachrahmens 62 nach außen erstrecken und die in die Öffnungen 44 in den Elektronikkomponenten 40 eintreten, um die Elektronikkomponenten 40 richtig und schnell in die gewünschte Stelle 64 innerhalb des Mehrfachrahmens 62 während des Zusammenbauprozesses auszurichten. Außerdem gibt es Federführungen 66, die sich ebenfalls von den unteren Oberflächen 16 jeder der innerhalb des Mehrfachrahmens 62 ausgebildeten Stellen 64 nach außen erstrecken, um den Zusammenbau der Federn 34 leicht zu ermöglichen und um sicherzustellen, daß die Federn 34 in jeder der gewünschten Stellen 64 innerhalb des Mehrfachrahmens 62 korrekt positioniert sind.
Unter Verwendung eines Mehrfachrahmens 62 werden Reihen 68, 70, 72 von nach innen versetzten unteren Oberflächen 16 derart ausgebildet, daß die Elektronikkomponenten 40 in den Reihen 68, 70, 72 zusammengebaut werden können, um mehrere Elektronikkomponenten preiswert und zweckmäßig für eine spezifische Installation zu montieren. Insbesondere können, wie zu sehen ist, die individuellen Stellen 64 für die Elektronikkomponenten 40 horizontal entlang der vertikalen Reihen 68, 70, 72 versetzt sein, so daß die individuellen Elektronikkomponenten 40 bezüglich einer Elektronikkomponente in einer benachbarten Reihe versetzt sein können, d.h., die Stellen 64 zum Aufnehmen der Elektronikkomponenten 40 in Reihe 68 sind von benachbarten Räumen in Reihe 70 wegversetzt, das gleiche gilt zwischen den Reihen 70 und 72.
Auf diese Weise kann das Versetzen der individuellen Stellen 64 von benachbarten Elektronikkomponenten 40 sicherstellen, daß sich elektrisch heiße Kühlkörper 50 nicht nebeneinander befinden, sondern physikalisch in dem Ausmaß getrennt sein können, das erforderlich ist, um elektrische Probleme zu verhindern. Außerdem gestattet die versetzte Beabstandung der Kühlkörper 50 eine effizientere Verwendung der Kühlluft, die über die Reihen von Kühlkörpern 50 streicht, da die Luft leichter und mit besserer Strömungsverteilung zwischen die Kühlkörper 50 hineinfließen kann.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 6 wird eine auseinandergezogene Ansicht einer gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruierten Kühlkörperbaugruppe 10 gezeigt. Wie zu sehen ist, ist die Kühlkörperbaugruppe 10(a) ähnlich der Kühlkörperbaugruppe von 1 und enthält einen Rahmen 12(a) mit einer allgemein planaren oberen Oberfläche 14(a) und mit nach unten verschobener unterer Oberfläche 16(a), die in dem Rahmen 12(a) ausgebildet ist. Von der Oberfläche 14(a) erstrecken sich Führungen 18(a) nach oben.
Die Kühlkörperbaugruppe 10(a) enthält vier Führungen 18(a), die einen Raum dazwischen definieren. Die Führungen 18(a) befinden sich in jeder Ecke des rechteckigen Raums. Jede der Führungen 18(a) ist bevorzugt so gestaltet, daß sie freie Enden 22(a) und eine innere Oberfläche 24(a) aufweisen, die in der Richtung auf die untere Oberfläche 16(a) nach innen verjüngt ist. Das heißt, der rechteckige Raum 20(a) verengt sich in der Richtung auf die untere Oberfläche 16(a), so daß ein in dem Raum 20(a) plaziertes rechteckiges Objekt entlang einem sich verengenden Raum 20(a) läuft und vollständig zu seinem letzten Ort an den inneren Enden der Führungen 18(a) geführt wird.
Bezüglich der unteren Oberfläche 16(a) erstrecken sich auch mehrere Federglieder 26(a) nach außen, die so konfiguriert sind, daß sie ein allgemein nach unten und innen geneigtes freies Ende 28(a) aufweisen, was zu einem darin ausgebildeten nach innen gerichteten Vorsprung 30(a) führt. Es liegen zwei derartige Federglieder 26 vor. Es könnten jedoch mehr Federglieder verwendet werden, wenn die Breite des Kühlkörpers zunimmt.
Außerdem enthält der Rahmen 12(a) eine Reihe von Merkmalen und kann auch einen Indexierungsüberstand enthalten, der sich von der unteren Oberfläche 16(a) nach außen erstreckt, sowie verschiedene Federführungen, die ebenfalls in der unteren Oberfläche 16(a) ausgebildet sind. Eine Feder 34(a) ist vorgesehen und weist eine allgemein nach oben gekrümmte Oberfläche und hochgedrehte äußere Enden 38 auf. Die Feder 34 ist bevorzugt aus einem Metall wie etwa rostfreiem Stahl konstruiert und weist Abmessungen und eine Konfiguration auf, die so ausgelegt sind, daß eine vorbestimmte Aufwärtsfederungsaktion bereitgestellt wird, wenn die obere Oberfläche komprimiert wird. Bei der Montage der vorliegenden Kühlkörperbaugruppe 10(a) wird die Feder 34(a) auf der unteren Oberfläche 16(a) des Rahmens 12(a) plaziert und mit Hilfe der Federführungen in die gewünschte Position auf dieser unteren Oberfläche 16(a) geführt.
Ähnlich der Kühlkörperbaugruppe von 1 enthält die Kühlkörperbaugruppe 10(a) eine Elektronikkomponente 40(a), bei der es sich um eine von einer Reihe typischer wärmeerzeugender elektronischer Einrichtungen wie etwa Dioden, IGBTs, Widerstände und dergleichen handeln kann. Die Elektronikkomponente 40(a) weist mehrere leitende Leitungen 42(a) auf, die sich nach außen und unten zum Rahmen 12(a) erstrecken. Die Elektronikkomponente 40 weist auch eine Öffnung 44 auf, die mit einem in der unteren Oberfläche 16(a) des Rahmens 12(a) ausgebildeten Indexierungsüberstand koppelt, um die Elektronikkomponente in den gewünschten Ort innerhalb des Rahmens 12 zu führen. Die Elektronikkomponente 40(a) weist eine flache obere Oberfläche 46(a) und eine untere Oberfläche 48(a) auf.
Schließlich ist ein Kühlkörper 50(a) vorgesehen und der bevorzugt aus Metall ausgebildet ist und in der bevorzugten Ausführungsform aus Aluminium extrudiert ist. Der Kühlkörper 50(a) weist laterale externe Oberflächen 52(a), gegenüber angeordnet, eine untere planare Oberfläche 54(a) und mehrere wärmeabstrahlende Rippen 56(a) auf. Wie zu sehen ist, sind die wärmeabstrahlenden Rippen 56(a) länglich oder entlang einer Achse orientiert, die im wesentlichen durch den Extrusionsprozeß selbst bestimmt wird, und die externen lateralen Oberflächen 52(a) sind allgemein länglich entlang der gleichen Orientierung. Jede laterale Oberfläche 52(a) enthält ein durch einen Steg 58(a) definiertes oberes Ende. Der Steg 58(a) definiert die obere Oberfläche oder den oberen Rand der lateralen Oberfläche 52(a) derart, daß die Oberfläche 52(a) eine Höhe von etwa der Hälfte von Rippen 56(a) aufweist.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 7 wird eine Perspektivansicht der Kühlkörperbaugruppe 10(a) gezeigt, wobei der Kühlkörper 50(a) an dem Rahmen 12(a) befestigt ist, und, wie zu sehen ist, wurde der Kühlkörper 50(a) innerhalb der Führungen 18(a) zentriert, so daß er in der korrekten Position auf dem Rahmen 12(a) angebracht ist. Wie zusammengebaut wurde das Federglied 26(a) aufgrund der relativ flexiblen Natur des Federglieds 26(a) festgeschnappt, so daß der Kühlkörper 50(a) an dem Rahmen 12(a) festgehalten wird. Wie ebenfalls zu sehen ist, sind alle wärmeabstrahlenden Rippen 56 in einer allgemein parallelen Beziehung ausgerichtet und was auf dem zum Herstellen des Kühlkörpers 50(a) verwendeten Extrusionsprozeß zurückzuführen ist.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 8 wird eine Seitenansicht der Kühlkörperbaugruppe 10(a) gezeigt, d.h. genommen entlang der extrudierten Richtung. In 8 ist der Rahmen 12(a) an einer PC-Platine 60(a) fixiert und die leitenden Leitungen 42 verlaufen herunter, um etwa durch Schwallöten an die PC-Platine 60 angeschlossen zu werden. 8 veranschaulicht außerdem die Zusammenschaltung der nach innen gerichteten Vorsprünge 30(a), ausgebildet an den freien Enden der eng über den länglichen Stegen 58(a) positionierten Federglieder 26(a), zusammenpassend in die länglichen Nuten 58, um den Kühlkörper 50(a) am Rahmen 12(a) festzuhalten.
Der Fachmann erkennt ohne weiteres zahlreiche Anpassungen und Modifikationen, die an der Kühlkörperbaugruppe und dem Verfahren zu seinem Montieren der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, die zu einem verbesserten Prozeß und einer verbesserten Vorrichtung führen, die dennoch alle innerhalb des Schutzbereichs und Gedankens der vorliegenden Erfindung fallen, wie in den folgenden Ansprüchen definiert. Deshalb soll die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt sein.
Die Merkmale der Beschreibung, der Ansprüche und der Zeichnungen, einzeln oder in beliebiger Kombination, sind patentierbar, sofern nicht durch den Stand der Technik ausgeschlossen. Jeder Anspruch kann von einem beliebigen oder mehreren der anderen Ansprüche Abhängen.

Claims

Kühlkörperbaugruppe (10, 10a), wobei die Baugruppe folgendes umfaßt: einen Rahmen (12, 12a), der eine untere Oberfläche (16, 16a) umfaßt, wobei der Rahmen (12, 12a) mehrere Federglieder aufweist, die sich von der unteren Oberfläche (16, 16a) nach oben erstrecken, wobei die mehreren Federglieder mit Vorsprüngen daran konfigurierte freie Enden (28, 28a) aufweisen; eine Elektronikkomponente (40, 40a), die in die Federglieder (26, 26a) eingesetzt ist und an der unteren Oberfläche (16, 16a) des Rahmens (12, 12a) anliegt; einen Kühlkörper (50, 50a) mit einer allgemein planaren Oberfläche (54, 54a) in Kontakt mit der Elektronikkomponente und mit mehreren wärmeabstrahlenden Rippen (56, 56a) die sich von der planaren Oberfläche (54, 54a) nach außen erstrecken, wobei der Kühlkörper (50, 50a) mindestens einen länglichen Steg (58, 58a) aufweist, der entlang mindestens zwei entgegengesetzt angeordneten äußeren Oberflächen (52, 52a) davon ausgebildet ist; wobei der Kühlkörper (50, 50a) in einer festen Position bezüglich des Rahmens (12, 12a) mit Hilfe der mehreren Federglieder (26, 26a) festgehalten wird, um den länglichen Steg (58, 58a) eingeschnappt; gekennzeichnet durch das weitere Umfassen einer Feder (34, 34a), die sich zwischen dem Rahmen (12, 12a) und der Elektronikkomponente (40, 40a) befindet, wobei die Feder (34, 34a) dafür ausgelegt ist, eine vorbestimmte Vorspannung zu erzeugen, um die Elektronikkomponente (40, 40a) nach außen gegen die allgemein planare Oberfläche des Kühlkörpers (50, 50a) zu pressen, wobei der Rahmen (12, 12a) weiterhin mehrere Führungen (18, 18a) aufweist, die sich von dort aus nach außen erstrecken, und wobei der mindestens eine längliche Steg (58, 58a) durch eine in eine äußere Oberfläche geschnittene Nut definiert ist.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkörper (50, 50a) extrudiertes Metall ist.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (50, 50a) extrudiertes Aluminium ist.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Führungen (18, 18a) vier einen rechteckigen Raum bildende Führungen (18, 18a) umfaßt.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikkomponente (40, 40a) eine Öffnung dort hindurch (44, 44a) aufweist und die Basis einen Stift enthält, der sich von der Basis aus nach außen erstreckt und in die Öffnung eintritt, um die Elektronikkomponente (40, 40a) in die gewünschte Position zu führen.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basis die Führungen (18, 18a) enthält und die mehreren Federglieder (26, 26a) eine einteilige spritzgegossene Kunststoffkonstruktion sind.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (50, 50a) eine an dem Rahmen (12, 12a) gegenüber dem Kühlkörper (50, 50a) befestigte PC- Platine (60, 60a) enthält und die leitenden Leitungen der Elektronikkomponente (40, 40a) durch den Rahmen (12, 12a) verlaufen, um mit der PC-Platine (60, 60a) verbunden zu werden.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (34, 34a) mittig nach oben gebogen ist, um die Elektronikkomponente (40, 40a) an dem Aufwärtsbogen zu kontaktieren.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (34, 34a) aus Stahl oder Messing konstruiert ist.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach Anspruch 9, wobei der Stahl rostfreien Stahl oder Kohlenstoffstahl umfaßt.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (12, 12a) weiterhin Federführungen enthält, die sich von der unteren Oberfläche des Rahmens (12, 12a) aus nach oben erstrecken, um die Feder (34, 34a) an einem vorbestimmten Ort zu lokalisieren.
Kühlkörperbaugruppe (10, 10a) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikkomponente (40, 40a) mehrere leitende Leitungen aufweist, die durch die untere Oberfläche des Rahmens (12, 12a) erlaufen.
Kühlkörperbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Rahmen ein Mehrfachrahmen (62) mit mehreren individuellen Stellen (64) ist, wobei jede Stelle eine untere Oberfläche (16) und mehrere sich von der unteren Oberfläche aus nach oben erstreckende Federglieder aufweist.
Kühlkörperbaugruppe nach Anspruch 13, wobei sich die Führungen von der unteren Oberfläche des Rahmens (62) aus nach außen erstrecken.
Kühlkörperbaugruppe nach Anspruch 13 oder 14, wobei die individuellen Stellen in parallelen Reihen von Stellen ausgerichtet sind.
Kühlkörperbaugruppe nach Anspruch 15, wobei die individuellen Stellen jeder Reihe seitlich weg von den in einer benachbarten Reihe ausgebildeten Stellen (64) versetzt sind.
Verfahren zum Montieren eines Kühlkörpers (50, 50a), um eine Elektronikkomponente (40, 40a) zu kontaktieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines -Rahmens (12, 12a, 62) mit mehreren sich nach außen erstreckenden Federgliedern (26, 26a) mit Überständen an den freien Enden daran; Bereitstellen eines Kühlkörpers (50, 50a) mit lateralen Seiten, wobei jede laterale Seite ein von einem länglichen Steg (58, 58a) definiertes oberes Ende aufweist; Positionieren einer Feder (34, 34a) mit einer äußeren Oberfläche in dem Rahmen (12, 12a, 62) an einem vorbestimmten Ort; Positionieren einer Elektronikkomponente (40, 40a) gegen die äußere Oberfläche der Feder (34, 34a) und Einsetzen des Kühlkörpers (50, 50a) zwischen den sich nach außen erstreckenden Federgliedern (26, 26a), um zu bewirken, daß der Überhang über die Stege (58, 58a) in dem Kühlkörper (50, 50a) einschnappt, um den Kühlkörper (50, 50a) in einer Position an dem Rahmen (12, 12a, 62) zu befestigen, wo die Feder (34, 34a) komprimiert wird, um zwischen der Elektronikkomponente (40, 40a) und dem Kühlkörper (50, 50a) eine Kraft zu erzeugen, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Rahmens (12, 12a, 62) das Bereitstellen eines Rahmens (12, 12a, 62) mit mehreren sich nach außen erstreckenden Führungen (18, 18a) umfaßt und wobei der mindestens eine längliche Steg durch eine in eine äußere Oberfläche geschnittene Nut definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Rahmens (12, 12a, 62) das Bereitstellen eines Rahmens (12, 12a, 62) mit einem sich nach außen erstreckenden Indexierungsvorsprung umfaßt und der Schritt des Positionierens einer Elektronikkomponente (40, 40a) das Verwenden des Indexierungsvorsprungs zum Lokalisieren der Elektronikkomponente (40, 40a) in einer vorbestimmten Position umfaßt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Rahmens (12, 12a, 62) das Bereitstellen eines Rahmens mit mehreren sich nach außen erstreckenden Federführungen (26, 26a) umfaßt und der Schritt des Positionierens einer Feder (34, 34a) das Verwenden der Federführungen zum Lokalisieren der Feder (34, 34a) in einer vorbestimmten Position umfaßt.