DE69114622T2

DE69114622T2 - Verpackungsanordnung für elektronische Komponenten.

Info

Publication number: DE69114622T2
Application number: DE69114622T
Authority: DE
Inventors: James Carlton Gordon; Eric Paul Lovgren; Herman Paul Meyer; Donald Paul Rearick
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: DE69114622D1; EP0474396B1; JPH0744082B2; JPH0629101A; US5140298A; EP0474396A1

Description

Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verpackung elektronischer Komponenten und im einzelnen auf die Verpackung elektronischer Komponenten, bei denen die Wärmeübertragung wichtig ist.

Hintergrund der Erfindung

Widerstände wurden lange einzeln verpackt, wobei jedes Widerstandselement von einer Schutzhülle umgeben war. Die von einem solchen Widerstand erzeugte Wärme muß durch die Umgebungsluft abgeleitet werden, das heißt, das Gerät muß ständig von Luft durchströmt werden. Bei Hochstrom-Anwendungen kann mehr Wärme erzeugt werden, als ein luftgekühltes System bewältigen kann.
In Anwendungen mit hoher Spitzenleistung werden konduktionsgekühlte Widerstände verwendet. Diese Widerstände, beispielsweise die von Dale Corporation hergestellten Dale-Widerstände, erzeugen eine beträchtliche Wärme und sind von einem konduktionsgekühlten Mantel umgeben, der die von den Widerständen erzeugte Wärme ableitet. Dale-Widerstände wären jedoch bei bestimmten Anwendungen mit hoher Spitzenleistung abnorm groß und würden in einem Gerät viel zu viel Platz in Anspruch nehmen.
In einer dritten Verpackungslösung hat man die Widerstände auf einer porzellanbeschichteten Aluminiumbasis montiert, um die Wärmeübertragung an einen Wärmeaustauscher zu verbessern. Die Verpackung wird konduktionsgekühlt, indem man sie auf einer Wärmeaustauschfläche montiert, zum Beispiel einer wassergekühlten Fläche. Die Basis besteht aus einem relativ dicken Aluminiumteil (das für die Wärmeübertragung sorgt), auf das eine dünne, elektrisch isolierende Porzellanschicht aufgetragen wird. Die Widerstandselemente werden zum Beispiel von aufgeschleuderten keramischen Distanzstücken an ihrem Platz gehalten, damit sich ein enger Wärmekontakt zwischen den Widerstandselementen und der Basis ergibt.
Ein Beispiel für eine solche Verpackung ist in GB-A-2 190 795 enthalten.
Die oben beschriebene Struktur unterliegt jedoch gewissen Einschränkungen. Die Porzellanschicht ist nicht stark wärmeleitend, wodurch die Wärmeübertragung von den Widerstandselementen auf die Aluminiumbasis begrenzt ist. Die aufgeschleuderten keramischen Distanzstücke üben zwar einen gewissen Druck aus, der den Kontakt zwischen dem Widerstandselement und der Basis aufrechterhält, gewährleisten jedoch keinen konstanten Druck. Außerdem kann die dünne Porzellanschicht leicht Risse bekommen und brechen, was zu Ausfallerscheinungen führen kann. Risse in der Porzellanschicht legen die leitende Aluminiumbasis frei und ermöglichen so einen elektrischen Kontakt mit den Widerstandselementen, wodurch es zu einem Ausfall des Bauteils kommen kann.
Es wird eine Verpackungsmethode benötigt, die eine hohe Wärmeübertragung bereitstellt und die gleichzeitig einen engen Wärmekontakt zwischen den Komponenten und der Verpackung sicherstellt.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung stellt daher eine Verpackungsanordnung für elektronische Komponenten bereit, die folgendes umfaßt: eine Basis, wobei die genannte Basis ein elektrischer Isolator und ein Wärmeleiter ist; eine elektrische Komponente; eine Abdeckung, die mit der genannten Basis zusammengebaut werden kann, um die genannte elektronische Komponente darin aufzunehmen; und elastische Druckmittel, die auf die genannte elektrische Komponente einen Druck ausüben und sie mit der genannten Basis in Kontakt bringen, wobei das genannte Druckmittel zwischen der genannten Abdeckung und der genannten elektrischen Komponente angeordnet ist und die genannte Komponente zusammendrückt, wenn die genannte Basis und die genannte Abdeckung montiert sind.
Die Verpackungsanordnung für elektronische Komponenten der vorliegenden Erfindung hat eine hohe Wärmeübertragungsfähigkeit, sie kann hohe Spitzenleistungsstöße ohne Qualitätsminderung ableiten, die Montage ist einfach, und die Ausfallquote der Verpackungsbasis ist gering. Die dicke wärmeleitende Basis ist gleichzeitig elektrisch isolierend.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Komponente ein Widerstand, der hohe Ströme ohne Ausfälle ableiten kann. Das Druckmittel umfaßt: Federmittel zum Halten des Drucks und elektrische Isoliermittel, um das genannte Federmittel elektrisch gegenüber den elektronischen Komponenten zu isolieren. Die Abdeckung ist mit Aussparungen zur Aufnahme der elektronischen Komponenten und der Federn ausgestattet, welche diese Komponenten zusammendrücken und so einen engen Wärmekontakt mit der Basis bewirken. Die Abdeckung gleitet auf passenden Schienen in der Basis in ihre Einbaulage und hält so die erforderlichen Druckkräfte aufrecht. Die Basis besteht aus Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung der einzelnen Komponenten einer Verpackungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der montierten Verpackungskomponenten der Fig. 1.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen gleiche Komponenten identisch durchnumeriert wurden. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel sich auf Widerstandskomponenten bezieht, ist das hierin beschriebene elektronische Verpackungsschema gleichermaßen auf alle elektronischen Komponenten anwendbar, die im Betrieb eine hohe Wärmeübertragung erfordern.
Fig. 1 zeigt eine in Einzelteile aufgelöste Darstellung einer Widerstandspackung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Darstellung ist die Abdeckung unten; sie zeigt die Einbaureihenfolge der Komponenten. Die Abdeckung 100 besteht aus Preßkunststoff und enthält die Aussparungen 102 zur Aufnahme der elektrischen Komponenten-Unterbaugruppen. Die Abdeckung 100 ist mittels bekannter Techniken aus Preßkunststoff gefertigt. An jedem Ende der Abdeckung 100 sind Schlitze zur Aufnahme der Basisplatte 116 angeordnet. Der Schlitz 104 ist ein Beispiel für die Schlitzform. Mit Hilfe der Schlitze können vor der endgültigen Befestigung der Verpackung an einem Wärmeaustauscher die Komponenten montiert und die Basis in der entsprechenden Position gehalten werden.
Federscheiben, wie zum Beispiel bei 106 gezeigt, werden in die Aussparung 102 eingelegt und gewährleisten den erforderlichen Druck, um die elektronische Komponente gegen die wärmeleitende Basis 116 zu drücken. Die Federscheiben des bevorzugten Ausführungsbeispiels sind gebogene Metallscheiben, wie sie zum Beispiel auch in Lagern verwendet werden. Als Federscheibe kann jeder im Handel erhältliche Typ verwendet werden, der in die Aussparung paßt. Die Federn halten die elektronischen Elemente in engem Wärmekontakt mit der Basis, ohne die Elemente an den Seiten einzuengen. Der Druck wird erzeugt, wenn die Abdeckung mit der Basis zusammengebaut wird. Die Schlitze 104 halten die Basis fest gegen die Abdeckung und bewirken, daß die Federn die elektronischen Komponenten gegen die Basis 116 drücken. Die Komponenten können sich bei ansteigenden Temperaturen seitlich frei ausdehnen, wodurch die Ausfallrate des Bauteus geringer wird.
Die Dämmpolster 108 sorgen für eine gleichmäßige Verteilung des Drucks von den Federscheiben 106 über die Fläche der elektronischen Komponenten. Diese Dämmpolster sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus STEATITE gefertigt, ein im Handel erhältliches Keramikmaterial. Durch die Verwendung von STEATITE in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erreicht man eine elektrische Isolierung und eine niedrige Wärmeübertragungsrate. Eine Wärmeübertragung in die Abdeckung ist nicht erwünscht, da es hierdurch zu einem Anstieg der Temperaturen in dem Bauelement kommen würde.
Widerstandselemente wie die bei 110 gezeigten dienen der Leistungsableitung. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung verwendet. In dieser Anwendung kann auch eine Nickel-Chrom-Legierung (Nichrome) mit ähnlichen Ergebnissen verwendet werden. Chrom-Legierungen werden wegen ihrer Fähigkeit, den hohen Spitzenleistungen in dem Bauelement standzuhalten, verwendet. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel enthält drei Widerstandselemente 110, 112 und 114, wodurch man eine Konditionierung für einen Drei-Phasen-Wechselstromeingang erhält. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verpackung von genau drei Komponenten begrenzt, sondern ist allgemein auch auf eine einzige oder jede beliebige Anzahl von Komponenten anwendbar.
Die Basis 116 besteht aus Aluminiumoxid (Tonerde), einem keramischen Werkstoff, der sowohl ein elektrischer Isolator als auch ein guter Wärmeleiter ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Basisplatte aus 96 Prozent Aluminium verwendet, es wäre aber auch jede Zusammensetzung im Bereich 94-100 Prozent genauso wirksam. Andere wärmeleitende Keramikwerkstoffe könnten verwendet werden, zum Beispiel Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid. Die Basis ist mit den Schienen 118 und 120 ausgestattet, die in den Schlitzen 104 an der Abdeckung 100 gleiten. Die beiden Öffnungen 122 in der Basisplatte dienen zur Aufnahme von (nicht gezeigten) Befestigungselementen, mit denen die Basisplatte an der Abdeckung befestigt wird, und zur Montage der Verpackung auf einer Wärmeübertragungseinheit.
Fig. 2 ist die Draufsicht auf die gesamte Anordnung 200. Die Anschlüsse der Widerstände 110, 112 und 114 ragen aus der Verpackung heraus und bilden die positiven und negativen Kontaktpaare 201 202, 203 204 und 205 206.
Im Betrieb ist die Verpackungsanordnung 200 für elektronische Komponenten auf einer wassergekühlten Fläche montiert, durch welche sich eine Konduktions-Wärmeübertragung durch die Basis und von der Anordnung weg ergibt. Die Anordnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels kann 150 Watt (50 Watt pro Element) ableiten, wobei eine Temperatur von unter 100 Grad C am Kontaktkamm des Elements aufrechterhalten wird, bei Montage auf einer auf 40 Grad C wassergekühlten Platte. Der Entwurf unterstützt jedoch wesentlich höhere Wärmeableitungsanforderungen. Die Montage der Basis auf einer wassergekühlten Oberfläche des bevorzugten Ausführungsbeispiels soll die Anwendung dieses Bauteils nicht hierauf beschränken. Die Wärmeübertragungsfähigkeit des Systems könnte auch mit anderen flüssigkeitsgekühlten oder luftgekühlten Geräten verwendet werden. Die Verwendung einer dicken elektrisch isolierenden keramischen Basis erhöht außerdem den Sicherheitsfaktor der Bauelemente, indem ein ausreichender Abstand zwischen der Hauptstromquelle und der Masse aufrechterhalten wird. Alle Teile, mit Ausnahme der elektronischen Komponenten und der Federn, sind nichtleitend.

Claims

1. Eine Verpackungsanordnung für elektronische Komponenten, die folgendes umfaßt:

eine Basis (116), wobei die genannte Basis ein elektrischer Isolator und ein Wärmeleiter ist;

eine elektrische Komponente (110);

eine Abdeckung (100), die mit der genannten Basis zusammengebaut wird, um die elektronische Komponente darin aufzunehmen;

und federnde Druckmittel (106), welche auf die genannte elektronische Komponente einen Druck ausüben und sie mit der genannten Basis in Kontakt bringen, wobei das genannte Druckmittel zwischen der genannten Abdeckung und der genannten elektrischen Komponente angeordnet ist und auf die genannte Komponente einen Druck ausübt, wenn die genannte Basis und die genannte Abdeckung zusammengebaut werden.

2. Die Anordnung nach Anspruch 1, bei der die genannte elektrische Komponente ein Widerstand ist, der einen hohen Strom ohne Ausfälle ableiten kann.

3. Die Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die genannte Basis aus Keramik besteht.

4. Die Anordnung nach Anspruch 3, bei der die genannte Basis aus Aluminiumoxid besteht.

5. Die Anordnung nach jedem vorangehenden Anspruch, bei der die genannte Abdeckung eine Aussparung hat, um die genannte elektrische Komponente aufzunehmen, und das genannte Druckmittel in der genannten Aussparung zwischen der Abdeckung und der elektrischen Komponente angeordnet ist.

6. Die Anordnung nach jedem vorangehenden Anspruch, bei der das genannte Druckmittel folgendes umfaßt:

Federmittel (106) zur Aufrechterhaltung des Drucks und elektrische Isoliermittel (108), um die genannten Federmittel gegenüber den genannten elektronischen Komponenten elektrisch zu isolieren.

7. Die Anordnung nach jedem vorangehenden Anspruch, bei der die genannte elektrische Komponente eine Vielzahl von elektrischen Kontakten (201) aufweist, und die genannte Abdeckung Öffnungen hat, durch welche die genannten Kontakte hindurchgeführt werden.