DE69400254T2

DE69400254T2 - Federbefestigung mit geringer Kraft für eine Wärmesenke für ein elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE69400254T2
Application number: DE69400254T
Authority: DE
Inventors: Paul G Casperson
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2014-04-14
Also published as: EP0622983B1; DE69400254D1; EP0622983A1; JPH0750370A; US5321582A; JPH07118512B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Befestigung von auf einer Platine befestigten, wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten an Kühlkörpern. Insbesondere betrifft die Erfindung die Befestigung elektrischen Komponenten, die Wärmeaustauschverlängerungen aufweisen, an Kühlkörpergehäusen, mittels Federelementen.
Eine Methode, mit der mit Verlängerungen versehene, auf Platinen befestigte, wärmeerzeugende elektrische Komponenten mit Kühlkörpern verbunden worden sind, umfaßt die individuelle Befestigung jeder Komponente an Kühlkörper, wobei jeweils eine Schraube durch ein in der Verlängerung der elektronischen Komponente vorgesehenes Loch eingeschraubt wird, und wobei zwischen dem Kühlkörper und der Verlängerung der Komponente ein elektrisch isolierender thermisch leitender Film vorgesehen ist. Eine Mutter ist auf der Schraube befestigt, um eine zusammendrückende Kraft zu erzeugen, die notwendig ist, um eine geeignete Kompression des Film sicherzustellen, um die Wärmeübertragung von der Komponente auf den Kühlkörper durch den Film zu maximieren. Dabei gibt es eine Vielzahl von Variationen dieser Technik, wie beispielsweise die Verwendung eines Gewindeloches im Kühlkörper in Gegensatz zu einer Mutter. Ganz generell treten Probleme bei der Befestigung auf, weil die durch die Schraube erzeugte Spannung durch Materialverformung in der isolierenden Unterlegscheibe oder der Isolierscheibe entlastet werden kann, oder weil die Schraube sich unter bestimmten Betriebsbedingungen lockern kann, wie beispielsweise dann, wenn die Vorrichtung Vibrationen oder Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil liegt in der großen Anzahl von Teilen, die manuell angeordnet werden müssen, wenn es eine Anzahl von wärmeerzeugenden Komponenten in der Anordnung gibt, und es ist schwierig die Produktion dieser Befestigung für eine Herstellung in großen Stückzahlen zu automatisieren.
Zusätzlich zu den verschiedenen Verwendungen von Befestigungsschrauben ist eine Vielzahl von Befestigungstechniken entwickelt worden, die Federelemente verwenden. Eine Anzahl dieser Befestigungen verwenden Clips mit mehreren Federfingern, wie beispielsweise in den US-A-4,922,601, US-A-4,891,735, US-A-4,872,089, US-A-4,845,590 und US-A-4,707,726 offenbart ist. Jedoch sind mit diesen Techniken aus verschiedenen Gründen Schwierigkeiten verbunden. Um einen kompakten Aufbau zu erzielen, müssen die Federn hohe Kräfte bei geringen Durchbiegungen erzielen und dieses bedeutet, daß die Federn speziell für eine einzelne Komponenten hergestellt werden müssen. Eine Veränderung der Komponenten kann dazu führen, daß die Feder eine zu große oder zu kleine Kraft ausübt, da steife Federn Konstanten aufweisen, die einen sehr schmalen Bereich der Durchbiegung haben, innerhalb dessen ein geeigneter Druck ausgeübt wird.
Weiterhin besteht oft die Notwendigkeit an speziellen Werkzeugen, um sicherzustellen, daß die Komponente oder die Feder während des Zusammenbaus nicht beschädigt werden. Aus historischer Sicht benötigen elektrisch isolierende und thermisch leitende Druckunterlagen 2.068-3.447 MPa (300-500 psi) für eine effektive Wärmeübertragung, jedoch erfordert dieses ein Material, das zwischen der Feder und der Komponente angeordnet ist, um die auf die Komponente ausgeübte Federkraft zu verteilen, um zu verhindern, daß die Feder die Komponente beschädigt. Bei einigen Anordnungen ist es zudem notwendig, daß der Kühlkörper ein vom Gehäuse separates Teil ist, und andere Anordnungen wiederum benötigen eine Vielzahl von einzelnen Teilen, die manuell zusammengebaut werden müssen.
Daher gibt es einen Bedarf an Kühlkörperbefestigungen, die die Verwendung von Federn mit geringer Kraft ermöglichen, um den Bereich der möglichen Federdurchbiegungen zu vergrößern, wodurch die Toleranzen und die Vielfältigkeit von Kühlkörpern vergrößert wird, an denen die Befestigung durchgeführt werden kann, und um zu verhindern, daß Material zur Verteilung der Federkraft zwischengelegt werden muß. Zusätzlich besteht auch der Bedarf nach einer Anordnung, die keine große Anzahl von Teilen benötigt, die ein manuelles Zusammenbauen erfordern.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Befestigung zwischen einer Vielzahl von Typen von wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten und einem Gehäuse anzugeben, das auch als Kühlkörper dient, während gleichzeitig die folgenden Aufgaben erfüllt werden:
- Minimierung der benötigten Anzahl von Teilen,
- Erleichterung des manuellen oder automatisierten Zusammenbaus,
- Erzielung eines minimalen Packungsvolumens und
- Akzeptanz von Teilen mit einem größeren Grad an Dimensionstoleranzen.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Kühlkörperanordnung für elektronische Komponenten nach Anspruch 1 gelöst.
Eine Anordnung für eine thermische Befestigung von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten weist eine aus mehreren Elementen bestehende Feder auf, die eine geringe Kraft, eine hohe Durchbiegung und Federfinger aufweist und die durch Schrauben am Gehäuse einstellbar und befestigbar ist, um direkt auf elektronische Komponenten Druck auszuüben, die generell senkrecht zu mindestens einer Kante einer Platine (PWB) angeordnet sind. Insbesondere weist die Befestigungsanordnung ein Kühlkörpergehäuse auf, in dem die elektronischen Komponenten gegen einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Film gedrückt werden, der an einer Wand des Kühlkörpergehäuses angeordnet ist. Die Platine ist auf einem Träger aufgeschnappt und beide sind im Gehäuse so angeordnet, daß die elektronischen Komponenten innerhalb der Zwischenräume des Trägers angeordnet sind. Der Träger weist geneigte Oberflächen auf, so daß die Federfinger von den elektronischen Komponenten weg durchgebogen werden, wenn die Abdeckung am Gehäuse befestigt wird, wodurch sichergestellt wird, daß die Federfinger in geeigneter Weise auf den elektronischen Komponenten zwischen den Zwischenräumen des Trägers angeordnet sind.
Auf dem geneigten Teil des Trägers sind an den Zwischenräumen zwischen den Federfingern entsprechenden Stellen Rippen angeordnet, die das manuelle Zusammensetzen zu erleichtern, indem die Positionierung der aus der Feder und der Abdeckung bestehenden Anordnung auf dem Träger unterstützt wird. Die Fähigkeit der Federfinger zur einstellbaren Positionierung ermöglicht es der gesamten Anordnung, Abmessungsvariationen der einzelnen Teile der Anordnung zu tolerieren, wie beispielsweise des Gehäuses, des Filmes, der elektronischen Komponenten, der Abdeckung und der Federn. Die elektronischen Komponenten können entlang einer oder beider Seiten der Platine angeordnet sein.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung deutlich, insbesondere wenn sie in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, die zum Zwecke der Darstellung einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befestigung in teilweisem Querschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt einer Anordnung, in der ein Paar von Befestigungsteilen des in Fig. 1 dargestellten Types vorgesehen sind, um einander auszugleichen,
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung der in Fig. 2 dargestellten Anordnung und
Fig. 4 einen Querschnitt einer Anordnung, in der die Kraft eines einzelnen Befestigungsteiles des in Fig. 1 dargestellten Types durch das Vorsehen einer Oberfläche auf der Abdeckung ausgeglichen wird, die mit einer Oberfläche des Gehäuses in Eingriff steht, die auf der entgegengesetzten Seite des Befestigungsteils angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Befestigung, bei der ein Gehäuse 1 als Kühlkörper für zumindest eine wärmeerzeugende elektronische Komponente 3, wie beispielsweise ein T 0220, dient, die mit einem Körperteil 3a versehen ist, von dem eine Verlängerung 3b für den Wärmetransfer und Zuleitungen 3c hervorstehen. Ein Befestigungsloch 5 ist in der Verlängerung 3b für den Wärmetransfer vorgesehen, um zu ermöglichen, daß die Verlängerung 3b zwischen Haken 7a und 7b einschnappbar ist und am Haken 7a des Trägers 7 hängt. Die Zuleitungen 3c der elektronischen Komponente 3 sind S-förmig ausgebildet, um die Kraft zu minimieren, die notwendig ist, den Körperteil 3a der Komponente 3 gegen einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Film 9 zu drücken und um die mechanischen Belastungen in den Zuleitungen 3c nach deren Verschieben zu minimieren.
Der elektrisch isolierende, thermisch leitende Film 9 ist beispielsweise aus einem Polyimidfilm gebildet, der unterhalb einer mit Bornitrid gefüllten Silikonschicht angeordnet ist, die in effizienter Weise die Wärme von den befestigten Komponenten ableitet ohne daß ein hoher Anpreßdruck notwendig ist. Weiterhin ist der Film 9 vorzugsweise mit einer Kleberückseite versehen, so daß es einfach auf der Oberfläche der Schulter 1a des Gehäuse 1 befestigt werden kann. Der Film 9 ist mit schlitzförmigen Ausschnitten versehen, die an schlitzförmige Ausnehmungen 1b angepaßt sind, die in der Gehäusewand 1a ausgebildet sind, um die Haken 7a und 7b des Trägers 7 aufzunehmen.
Um das Körperteil 3a der elektronischen Komponente gegen den Film 9 zu drücken, ist eine mehrteilige Feder 11 vorgesehen. Die mehrteilige Feder 11 weist, wie in Fig. 3 dargestellt ist, eine Mehrzahl von Federfingern 11a auf, die an einem Befestigungsstreifen 11b befestigt sind, der an einer Gehäuseabdeckung 14 mit Schrauben 16 und einer Verriegelungsmutter 18 befestigt ist. Der Abstand der Finger 11a ist an die Stellen angepaßt, an denen die Verlängerungen 3b der elektronischen Komponenten 3 auf die Haken 7a und 7b aufgeschnappt werden. Diese Federfinger 11a müssen lediglich eine Kraft ausüben, die der Summe aus der benötigten Kraft auf den Film 9 (d. h. 20 bis 50 psi) geteilt durch die Oberfläche des Körperteiles 3a und des Verlängerungsteils 3b der Komponente 3 entspricht, das mit dem Film 9 in Eingriff steht, plus die notwendige Kraft für das Drücken der elektronischen Komponente 3 gegen die Wand 1a des Gehäuses 1.
Der Träger 7 weist vertikale Beine 7c auf, die den Zwischenraum definieren, in dem die Körperteile 3a der Komponenten 3 aufgenommen werden können, wenn sie an den Haken 7a hängen. Einige der Beine 7c haben Arme 7d, von denen ein Schnappstecker 7e hervorsteht. Die Schnappstecker 7e werden dafür verwendet, um den Träger 7 an der Platine (PWB, printed wiring board, d. h., eine aufgedruckte Schaltung ohne aktive Komponenten) an der richtigen Stelle zu befestigen, indem sie in Öffnungen eingeschnappt werden, die auf der Platine ausgebildet sind. Der Träger 7 weist auch geneigte Oberflächen 7f auf, die dazu dienen, die Federfinger 11a rückwärts umzubiegen, wenn die Abdeckung am Gehäuse befestigt wird, wodurch sichergestellt wird, daß die Federfinger 11a auf den elektronischen Komponenten 3 in geeigneter Weise angeordnet werden, also in den Zwischenräumen zwischen den Beinen 7c des Trägers 7. Zusätzlich können auf den geneigten Oberflächen des Trägers Rippen 7g an Stellen angeordnet sein, die mit den Zwischenräumen zwischen den Federfingern 11a übereinstimmen, um einen Zusammenbau zu erleichtern, indem die Positionierung der Feder/Abdeckungsanordnung (gebildet aus der Gehäuseabdeckung 14 und der daran befestigten Feder 11) an dem Träger 7 unterstützt wird, um eine greifbare Rückmeldung zu ermöglichen, wenn die Anordnung manuell zusammengebaut wird. Weiterhin wird die nach unten gerichtete Kraft der Federfinger 11 durch die geneigten Oberflächen 7f über die Haken 7a auf den Boden 1c der Vertiefungen Ib übertragen, auf denen die Haken 7a anliegen, nachdem der Träger in das Gehäuse 1 herabgelassen worden ist und auf der Platine aufgeschnappt ist, so daß eine mechanische Belastung der Zuleitungen 3c der Komponenten 3 während des Zusammenbaus vermieden wird.
Die Kraft, die von der mehrteiligen Feder 11 erzeugt wird, muß durch eine gleiche und entgegengesetzte Kraft ausgeglichen werden. Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wird dieser Ausgleich durch Anbringung einer mehrteiligen Feder 11 an jeder der entgegensetzten Seiten der Abdeckung erreicht, so daß deren Federfinger 11a sich gegenseitig ausgleichen. Alternativ dazu, wie es bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist, wobei lediglich eine einzige Reihe von Federfingern verwendet wird, um auf die Komponenten auf einer Seite des Gehäuses einzuwirken, wird ein Befestigungsteil 20 verwendet, um den notwendigen Ausgleichungseffekt zu erzielen. Das Befestigungsteil 20 kann an der Abdeckung befestigt sein, so daß seine Seitenfläche an der inneren Wand des Gehäuses 1 anliegt, wenn die Abdeckung in ihrer Position ist, oder das Befestigungsteil ist an der inneren Wand des Gehäuses l befestigt, so daß es mit einer komplementär ausgebildeten Vertiefung in der Abdeckung in Eingriff steht, wenn die Abdeckung in ihrer Position ist.
Die vorliegende Erfindung wird in einem weiten Anwendungsbereich Anwendung finden, beispielsweise bei Vorrichtungen, in denen verschiedene elektronische Komponenten verwendet werden, die Wärmemengen produzieren, die nicht ohne die Verwendung eines Kühlkörpers in geeigneter Weise verteilt werden kann.

Claims

1. Kühlkörperanordnung für elektronische Komponenten mit einem aus einem Kühlkörpermaterial bestehenden und eine mit einer elektrischen Schaltung versehene Platine und eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten (3) aufweisenden Gehäuse (1), mit zumindest einem die elektronischen Komponenten tragenden und mit der Platine verbundenen Träger (7), mit einer ein offenes Ende des Gehäuses (1) verschließenden Abdeckung (14) und mit zumindest einem Federelement (11) mit einer Mehrzahl von die elektronischen Komponenten in elektrisch nicht leitenden, wärmeleitenden Kontakt mit der Oberfläche einer inneren Wand des Gehäuses drückenden Federfingern (11a), wobei ein wärmeleitender, elektrisch isolierender Film (9) zwischen den elektronischen Komponenten und der Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses angeordnet ist, wobei das zumindest eine Federelement an der inneren Seite der Abdeckung befestigt ist, wobei der zumindest eine Träger eine geneigte Oberfläche (7f) für das Durchbiegen der Federfinger aufweist, um diese davon abzuhalten, die elektronischen Komponenten herunterzudrücken, wenn die Abdeckung auf dem Gehäuse angeordnet wird, und die es den Federfingern ermöglicht, frei mit einer Seite der elektronischen Komponenten in Eingriff zu stehen, wenn sich die Abdeckung in der das offene Ende des Gehäuses verschließenden Position befindet.

2. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 1, wobei die Federfinger ausgestaltet sind, um einen Druck im Bereich von 137.89 kPa bis 344.74 kPa (20-50 psi) auf einen vollen Bereich von verschiedenen Größen der auf dem Träger getragenen elektronischen Komponenten auszuüben, wenn die Federfinger mit deren einer Seite in Eingriff steht, wenn die Abdeckung das Gehäuse verschließt.

3. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf der geneigten Oberfläche Rippen (7g) an Positionen vorgesehen sind, die mit den Zwischenräumen zwischen den Federfingern als Führungsvorrichtung überstimmen, um die Positionierung des Federelementes und der Abdeckung auf dem zumindest einen Träger zu erleichtern.

4. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die geneigte Oberfläche auf einer Seite eines stangenförmigen Teils des Trägers ausgebildet ist, das von der Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses abgewandt ist, und wobei an einer gegenüberliegenden Seite des stangenförmigen Teils des Trägers Haken (7a, 7b) für das Tragen der elektronischen Komponenten angeordnet sind, die mit schlitzförmigen, in der inneren Wand des Gehäuses angeordneten Vertiefungen in Eingriff stehen.

5. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 4, wobei zumindest ein Träger vertikale Beine (7c) aufweist, die sich vom stangenförmigen Teil des Trägers nach unten erstrecken und die Zwischenräume definieren, zwischen denen die Körperteile der Komponenten aufgenommen werden, wenn sie an den Haken hängen.

6. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 5, wobei einige der vertikalen Beine Arme (7d) aufweisen, von denen ein Schnappstecker (7e) vorsteht, wobei der Schnappstecker in eine in der Platine ausgebildete Öffnung eingeschnappt ist.

7. Kühlkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 6, wobei auf der geneigten Oberfläche Rippen (7g) an Positionen vorgesehen sind, die mit den Zwischenräumen zwischen den Federfingern als Führungsvorrichtung überstimmen, um die Positionierung des Federelementes und der Abdeckung auf dem zumindest einen Träger zu erleichtern.

8. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 4 und ggf. einem der folgenden Ansprüche, wobei ein Paar von Trägern in einer Reihe angeordnet ist, die parallel zur Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses angeordnet ist.

9. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 4 und ggf. einem der folgenden Ansprüche, wobei zumindest ein Träger parallel zur Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses angeordnet ist und wobei zumindest ein anderer Träger parallel zur Oberfläche einer gegenüberliegenden inneren Wand des Gehäuses angeordnet ist, und wobei ein zweites Federelement mit einer Mehrzahl von Federfingern an der Abdeckung befestigt ist, das elektronische Komponenten in einen elektrisch nicht leitenden, wärmeleitenden Kontakt mit der Oberfläche der gegenüberliegenden inneren Wand des Gehäuses drückt, wobei sich die von den Federelementen ausgeübten Kräfte gegenseitig aufheben.

10. Kühlkörperanordnung nach Anspruch 4 und ggf. einem der folgenden Ansprüche, wobei zumindest ein Träger parallel zur Oberfläche der inneren Wand des Gehäuses an nur einer Seite des Gehäuses angeordnet ist und wobei ein Befestigungsteil vorgesehen ist, das zwischen der Abdeckung und der Oberfläche der gegenüberliegenden inneren Wand an einer gegenüberliegenden Seite des Gehäuses wirkt, um die vom Federelement ausgeübten Kräfte auszugleichen.