DE10052191C1

DE10052191C1 - Kühlanordnung und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE10052191C1
Application number: DE10052191A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Allwang
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2020-10-21

Abstract

Eine Kühlanordnung weist eine Kühlplatte (3), eine parallel zur Kühlplatte beabstandete Leiterplatte (4) und wenigstens zwei zu kühlende elektronische Bauelemente (2) auf, die zwischen der Kühlplatte (3) und der Leiterplatte (4) angeordnet sind. Die Bauelemente (2) werden mit einem an die Kühlplatte (3) montierten Andrückelement (1) an die Kühlplatte gepresst. Das Andrückelement (1) weist einen Rahmen und zwei innerhalb des Rahmens ausgebildete Federzungen (13) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung mit einer Kühlplat te, wenigstens zwei zu kühlenden elektronischen Bauelementen und einer Leiterplatte sowie ein Verfahren zu deren Herstel lung.

Aus der Offenlegungsschrift DE 43 42 553 A1 ist eine Klemmfe der mit einer großflächigen Wärmeaufnahmefläche für ein e lektronisches Bauteil bekannt. Die Klemmfeder wird über den Rand einer Leiterplatte geschoben.

Das Gebrauchsmuster DE 87 07 370 U1 betrifft eine Vorrichtung zum Befestigen eines elektronischen Bauelements an einem Kühlblech. Das an eine Leiterplatte gelötete Bauelement ist teilweise von einem Kunststoffelement umgeben. Mittels einer auf das Kunststoffteil einwirkenden federnden Klammer wird das Bauelement mit seinem Metallteil gegen das Kühlblech ge drückt. Zwischen dem Kühlblech und dem Bauelement ist eine wärmeleitfähige Isolierfolie angeordnet.

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Kühlanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die eine be sonders einfache Handhabung für eine Mehrzahl von zu kühlen den elektronischen Bauelementen erlauben.

Dieses Ziel wird mit einer Kühlanordnung und einem Herstel lungsverfahren erreicht, wie sie in den unabhängigen Ansprü chen definiert sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da das Andrückelement einen Rahmen mit einer Mehrzahl von Fe derzungen aufweist, können mit einem einzigen Andrückelement in der Kühlanordnung eine Mehrzahl von elektronischen Bauele menten an die Kühlplatte gepresst werden.

Für die Herstellung eines optimalen thermischen Pfads zwi schen den Bauelementen und der Kühlplatte sind weder Freispa rungen in der Leiterplatte noch eine periphere Anordnung der Bauelemente notwendig. Beim Layout der Leiterplatte brauchen daher keine Kompromisse zugunsten der Kühlung der elektroni schen Bauelemente eingegangen werden.

Die Kühlanordnung lässt sich besonders kompakt, Fläche spa rend und flach aufbauen, da die Kühlplatte auf der Seite der Leiterplatte angeordnet ist, die mit den zu kühlenden elekt ronischen Bauelementen bestückt ist, und mit den elektroni schen Bauelementen flächig kontaktiert ist. Ferner ist die Wärmeableitung von den zu kühlenden Bauelementen optimiert, weil zwei effiziente thermische Pfade zur Verfügung stehen. Ein thermischer Pfad führt von dem Bauelement unmittelbar auf die Kühlplatte, eventuell unter Vermittlung einer vorzugswei se isolierenden Wärmeleitschicht. Der zweite thermische Pfad führt über das Bauelement und das Andrückelement ebenfalls auf die Kühlplatte, und zwar auf dieselbe Seite auf der die zu kühlenden Bauelemente platziert sind. Durch den zweiten thermischen Pfad verwirklicht das Andrückelement neben seiner Primärfunktion "Andrücken an die Kühlplatte" eine Sekundär funktion.

Die Kühlanordnung gewährleistet auch unter Vibration einen zuverlässigen, großflächigen Kontakt der zu kühlenden elekt ronischen Bauelemente mit der Kühlplatte. Auch ist eine Nach bearbeitung zum Ausgleich von Toleranzen, die beispielsweise durch unterschiedliche Bauhöhen der zu kühlenden Bauelemente bedingt sind, nicht erforderlich. Die in den Deckeln angeord neten Federzungen können ohne Beeinflussung der Primärfunkti on des Andrückelements, nämlich dem Andrücken der Bauelemen te, überdehnt werden, so dass eine plastische Verformung ent steht. Der in der Federzunge verbleibende elastische Bereich sorgt, trotz des flachen Aufbaus der Kühlanordnung, für den Erhalt der Primärfunktion. Das Andrückelement kann lösbar ausgebildet sein, so dass Reparaturen möglich sind.

Die Kühlanordnung eignet sich daher für alle Arten der Leis tungselektronik, bei der einzelne Leistungsbauteile einge setzt werden, wie beispielsweise bei der elektromechanischen Bremse (brake by wire) oder der elektromechanischen Lenkung (steering by wire).

Ferner kann die Kühlanordnung in Steuergeräten von Kraftfahr zeugen, bei denen hohe Verlustleistungen abgeführt werden müssen, vorteilhafte Verwendung finden. Insbesondere kann die Kühlanordnung in Steuergeräten für Kurbellwellen- Startergeneratoren oder für elektromechanische Ventilsteue rungen, in Motorsteuergeräten und Getriebesteuergeräten ein gesetzt werden.

Weiter Vorteile, Ausgestaltungen und Anwendungsmöglichkeiten der Er findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Andrückelement,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Kühlanordnung mit dem Andrückelement der Fig. 1 und

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der Kühlanordnung.

Fig. 1 veranschaulicht ein Andrückelement 1 in Form einer. Federleiste, das aus einem Federblech gestanzt ist. Das An drückelement 1 weist einen im wesentlichen umlaufenden Rahmen 11 und zwei mit dem Rahmen verbundene, gegenüberliegende klappenartige Deckel 12 auf. In den Deckeln 12 sind eine Vielzahl von gegenüberliegenden Federzungen 13 in zwei Reihen ausgebildet. Die Reihen der Federzungen liegen einander ge genüber. Die Federzungen 13 dieser beiden Reihen können auch gegeneinander versetzt sein. Zwischen den Federzungen 13 des Deckels 12 erstrecken sich Stege, so dass sich eine hohe Steifigkeit für das Andrückelement und dessen federnde Be standteile ergibt.

Die Deckel 12 und die Federzungen 13 sind innerhalb des Rah mens 11 angeordnet. Eine Kontaktfläche 14 ist parallel zu den Deckeln 12 angeordnet. Die Deckel 12 lassen eine zentrale Öffnung 15 für Anschlusselemente 21 von zu kühlenden elektro nischen Bauelementen 2 frei.

Die beiden dargestellten Kontaktflächen 14 liegen großflächig auf einer Kühlplatte 3 auf. Die Kontaktflächen 14 weisen Boh rungen zur Befestigung mittels Schrauben oder Nieten auf. Die Kühlplatte 3 besteht aus Aluminium-Druckguss. Als Kühlplatte eignet sich aber auch ein dünnes metallisches Blech.

Da jede Federzunge 13 dazu bestimmt ist, ein elektronisches Bauelement 2 an die Kühlplatte 3 zu drücken, kann ein An drückelement eine Vielzahl von zu kühlenden Bauelementen 2 aufnehmen. Die Bauelemente 2 können entweder direkt oder un ter Vermittlung einer Wärmeleitschicht auf der Kühlplatte platziert sein.

Fig. 2 zeigt eine Kühlanordnung mit der Kühlplatte 3 und ei ner hierzu parallel ausgerichteten Leiterplatte 4. Zwischen der Kühlplatte 3 und der Leiterplatte 4 sind die zu kühlenden Bauelemente 2 und das Andrückelement 1 angeordnet. Die elekt ronischen Bauelemente 2 sind über eine elektrisch isolierende Wärmeleitschicht 31 oder Wärmeleitfolie auf einem von der Grundplatte abragenden Sockel 32 angeordnet.

Die Wärmeleitschicht besteht aus einem elastomeren Bindemit tel, das mit einem wärmeleitenden Füllmittel verbunden ist. Dieses wird als Schicht auf einem Träger aufgebracht. Die Wärmeleitschicht lässt sich aus einer Vielzahl von verschie denen Materialien konstruieren, beispielsweise aus Glasfaser stoff, Silikongummi, Polyimid-Film, Polyester-Film und Füllmittel zur Leistungssteigerung. Beim Aushärten der Wärmeleit schicht werden die Bauelemente 2 an die Kühlplatte geklebt.

Da die Befestigung des Andrückelements 1 auf der Kühlplatte 3 neben dem Sockel 32 erfolgt, werden beim Befestigungsvorgang die Federzungen 13 gegenüber den elektronischen Bauelementen 2 und der Kühlplatte 3 gespannt. Somit können die Federzungen 13 eine Federkraft auf die Bauelemente 2 in Richtung der Kühlplatte 3 hin und von der Leiterplatte 4 weg ausüben.

Dabei ist erkennbar, dass die Federzungen leicht S-förmig aus der Ebene der Deckel 12 heraus und in Richtung zur Kontakt fläche 14 gebogen sind.

Die Bauelemente 2 sind bedrahtete Leistungstransistoren, de ren Anschlusselemente 21 senkrecht zur Kühlplatte 3 und zur Leiterplatte 4 ausgerichtet sind. Die Anschlusselemente 21 sind durch Bohrungen der Leiterplatte geführt und an Lötstel len 41 an Leiterbahnen der Leiterplatte 4 gelötet.

Fig. 3 veranschaulicht das an der Kühlplatte 3 befestigte, einstückig ausgebildete Andrückelement 1, aus dessen zentra ler Öffnung die Anschlusselemente 21 heraus- und durch Boh rungen der Leiterplatte 4 hindurchragen.

Die Leiterplatte 4 wird alleine von den an der Kühlplatte 3 fixierten elektronischen Bauelementen 2 gehalten.

Beim Herstellen der Kühlanordnung wird zunächst das Andrück element 1 auf die Bestückungsseite der Leiterplatte 4 gelegt. Anschließend werden die elektronischen Bauelemente so auf die Federzungen 13 gelegt, dass die Anschlusselemente 21 der Bau elemente durch die zentrale Öffnung des Andrückelements 1 hindurch und an Lötstellen auf der Leiterplatte 2 gebracht werden. Die Lötstellen sind auf der Seite der Leiterplatte 2, die der Bestückungsseite mit den elektronischen Bauelementen gegenüberliegt.

Nachfolgend werden die elektronischen Bauelemente 2 an die Leiterplatte 4 gelötet. Die Leiterplatte 4 wird dann gewendet und mit der Bestückungsseite zusammen mit dem Andrückelement 1 und den Bauelementen 2 auf die Kühlplatte gesetzt. Danach wird das Andrückelement 1 an der Kühlplatte befestigt. Dies kann durch eine Befestigung auf der Kühlplatte 3 selbst oder seitlich hiervon erfolgen. Die Befestigung des Andrückele ments 1 erfolgt nicht auf der Leiterplatte 4, sondern beabstandet hiervon. Zur Befestigung des Andrückelements auf der Kühlplatte 2 können in der Leiterplatte 4 Bohrungen zum Durchführen eines Schraub- oder Nietwerkzeugs vorgesehen sein.

Das Andrückelement 1 wird als ein einziges, einstückiges Teil aus einem Federblech gestanzt. Beim Stanzvorgang werden die Federzungen freigestanzt. Durch Biegen des Stanzteils erhält das Andrückelement seine dreidimensionale Gestalt mit einem stegförmigen Rahmen und vom Rahmen 11 im wesentlichen senk recht abragenden Deckeln 12 und Kontaktflächen 14. Dabei ra gen Deckel 12 und Kontaktflächen 14 - durch die Höhe des Rah mens 11 beabstandet - in entgegengesetzte Richtungen.

Bezugszeichen

1

Andrückelement

11

Rahmen

12

Deckel

13

Federzunge

14

Kontaktfläche

15

Öffnung

2

elektronisches Bauelement

21

Anschlusselement

3

Kühlplatte

31

Wärmeleitschicht

32

Sockel

4

Leiterplatte

41

Lötstelle

Claims

1. Kühlanordnung, die aufweist:
eine Kühlplatte (3),
eine parallel zur Kühlplatte (3) angeordnete und von dieser beabstandete Leiterplatte (4),
wenigstens zwei zwischen der Leiterplatte (4) und der Kühl platte (3) angeordnete, zu kühlende elektronische Bauele mente (2), die auf der Kühlplatte (3) unter Ausbildung ei nes flächigen Kontakts platziert sind und die mittels An schlusselementen (21) elektrisch mit der Leiterplatte (4) kontaktiert sind,
ein an der Kühlplatte (3) montiertes, metallisches Andrück element (1) mit einem Rahmen (11) und wenigstens zwei in nerhalb des Rahmens ausgebildeten Federzungen (13), die die elektronischen Bauelemente (2) an die Kühlplatte (3) pres sen.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (1) wenigstens zwei Reihen mit Feder zungen (13) aufweist.

3. Kühlanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (1) zwei gegenüber liegende Deckel (12) aufweist, in denen die Federzungen (13) angeordnet sind.

4. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (1) einstückig ausgebildet ist.

5. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (1) wenigstens eine zentrale Öffnung (15) zur Aufnahme der Anschlusselemente (21) der elektronischen Bauelemente (2) aufweist.

6. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Rahmen (11) des Andrückele ments (1) im wesentlichen umlaufend ist und großflächig mit der Kühlplatte (3) kontaktiert ist.

7. Kühlanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrückelement (1) eine parallel zu den Deckeln (12) ausgebildete Kontaktfläche (14) aufweist, an der das Andrückelement (1) mit der Kühlplatte (3) befestigt wird.

8. Kühlanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte einen Sockel (32) auf weist auf dem die elektronischen Bauelemente (2) angeordnet sind, und dass die Kontaktfläche (14) die Kühlplatte außer halb des Sockels (32) kontaktiert.

9. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (2) über eine Wärmeleitschicht (31) elektrisch von der Kühlplatte (3) isoliert ist und thermisch mit der Kühlplatte (3) gekop pelt ist.

10. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (4) alleine von den elektronischen Bauelementen (2) gehalten wird.

11. Verfahren zum Herstellen einer Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten:

- das Andrückelement (1) wird auf die Leiterplatte (4) ge legt,
- die elektronischen Bauelemente (2) werden auf die Federzun gen (13) des Andrückelements (1) gelegt, wobei die An schlusselemente (21) durch die zentrale Öffnung (15) ge steckt und an Lötstellen (41) der Leiterplatte (4) gebracht werden,
- die elektronischen Bauelemente (2) werden an die Leiter platte (4) gelötet,
- die Leiterplatte (4) wird mit der Seite, die mit den elekt ronischen Bauelementen (2) bestückt ist, auf die Kühlplatte (3) gelegt,
- das Andrückelement (1) wird auf der Kühlplatte (3) befes tigt.

12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Andrückelement (1) aus einem Feder blech gestanzt und dabei mit den Federzungen (13) versehen wird, und dass das Andrückelement (1) anschließend durch Bie gen mit einem Rahmen (11) ausgestattet wird.