DE10353849B4

DE10353849B4 - Anpresselement zum Anpressen eines zu kühlenden elektrischen Beuteils an ein Kühlelement, System zum Kühlen eines elektrischen Bauteils, und Bauteilanordnung mit einem zu kühlenden elektrischen Bauteil

Info

Publication number: DE10353849B4
Application number: DE10353849A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Ferber; Benedikt Specht
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: DE10353849A1; US20060272797A1; WO2005050738A1

Abstract

Anpresselement (4) zum Anpressen eines zu kühlenden elektrischen Bauteils (1) an ein Kühlelement (3), wobei das Anpresselement (4) federnd ausgebildet und kraftschlüssig mit dem Kühlelement (3) verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass das Anpresselement (4) zum Herstellen der kraftschlüssigen Verbindung mindestens eine geschlitzte Hülse (11, 21, 24) aufweist, von denen jede in eine korrespondierende Öffnung (9) des Kühlelements (3) einpressbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Anpresselement, mittels dem ein elektrisches Bauteil an ein Kühlelement anpressbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Kühlen eines elektrischen Bauteils mit einem Kühlelement und einem Anpresselement, mittels dem ein elektrisches Bauteil an das Kühlelement gepresst wird.
Eine derartige, aus der DE 199 42 915 A1 hervorgehende Anordnung umfasst ein elektrisches Bauteil mit einem isolierenden und thermisch leitenden Substrat. Auf der Substratoberseite sind mehrere Leistungshalbleitermodule angeordnet und mit Leiterbahnstrukturen elektrisch verbunden.
Die Substratunterseite fungiert als Wärmeableitkontaktfläche, mit der das Substrat mit Hilfe einer Anpressvorrichtung auf einen Kühlkörper gepresst wird, um beim Betrieb des Bauteils in Form von Wärme auftretende Verlustleistungen abführen zu können. Die Anpressvorrichtung ist von mehreren elektrisch leitenden Druckstücken gebildet, die sich einerseits an einer überdeckenden Leiterplatte und andererseits an dem Substrat abstützen. Die Anpressvorrichtung ist konstruktiv verhältnismäßig aufwendig und in der Montage anspruchsvoll.
Weiterhin sind aus der DE 297 20 480 U1 , aus der JP 8-139 239 A und aus der JP 7-302 867 A Anordnungen für ein elektrisches Bauteil mit einer Anpressvorrichtung bekannt, die als federnde Halteklammer ausgebildet ist und die einen Verankerungsbereich aufweist, der von einem Widerlager des Kühlelements aufgenommen ist.
So zeigt die DE 297 20 480 U1 einen Spannbügel, dessen eines Ende pfeilspitzenartig ausgebildet und von der Vorderseite des Kühlkörpers durch eine darin befindliche Öffnung hindurchgeführt ist. Die Basis der Pfeilspitze liegt an der Rückseite des Kühlkörpers an und verhindert so, dass sich der Spannbügel vom Kühlkörper löst.
Bei der JP 8-139 239 A weist der Kühlkörper ein Sackloch mit gerillten Innenwänden auf. Ein Ende einer Rückhaltevorrichtung ist zylindrisch ausgebildet und mit einem Eingriffselement versehen. Bei der Montage der Rückhaltevorrichtung wird das zylindrische Ende lose in das Sackloch eingeführt. Sobald auf das andere Ende der Rückhaltevorrichtung eine Kraft ausgeübt wird, verkippt deren zylindrisch ausgebildetes Ende im Sackloch, so dass das Eingriffselement in eine der Innenwandrillen eingreift und ein Herausfallen der Rückhaltevorrichtung verhindert.
Die JP 7-302 867 A zeigt ein Befestigungselement, dessen eines Ende mit einem abgewinkelten Eingriffsabschnitt versehen ist. Das eine Ende ist entweder lose durch eine Öffnung des Kühlkörpers hindurchgeführt, so dass der Eingriffsabschnitt an der Rückseite des Kühlkörpers anliegt, oder aber in eine Öffnung des Kühlkörpers eingeführt, so dass es sich an einer Stufe der gestuft ausgebildeten Innenseite der Öffnung verkrallt.
Aus der DE 200 14 739 U1 ist eine Anordnung mit einem Kühlkörper bekannt, auf den eine Federklammer aufgeschraubt ist.
Die US 5 437 561 A betrifft eine als Verbindungselement ausgebildete Steckvorrichtung zur Befestigung eines Kühlkörpers oder eines anderen Bauteils an einer Platine. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verbindungselement einen oberen und einen unteren Abschnitt aufweisen. Der obere Abschnitt weist zwei an einem Ende miteinander verbundene Zylinderhälften auf, die durch Umbiegen eines das Verbindungselement bilden den Blechprägestreifens um die Verbindungsstelle einander gegenüberliegend derart angeordnet sind, dass die Zylinderhälften einen Zylinder bilden. Der obere Abschnitt kann in eine Bohrung des Kühlkörpers eingeführt werden, während der untere Abschnitt in das mit dem Kühlkörper zu verbindende Bauteil eingreift.
Aus der DE 89 10 677 U1 ist eine Anordnung mit einem Kühlkörper bekannt, der ein Bohrung aufweist, in die ein Ende einer federelastischen Befestigungsklammer kraftschlüssig eingesteckt ist. Das andere Ende der Befestigungsklammer presst ein Leistungsbauelement zu dessen Kühlung gegen den Kühlkörper.
Die US 6,195,880 B1 beschreibt eine Anordnung mit einer federelastischen Spange, die an zwei einander gegenüber liegenden Enden jeweils ein Eingreifmittel mit Widerhaken aufweist. Diese Enden der Spange sind zur Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung durch korrespondierende Bohrungen eines Kühlkörpers gesteckt. Zwischen der Spange und dem Kühlkörper befindet sich ein in einem Sockel gehalterter Mikroprozessor, der durch den mittleren Teil der Spange gegen den Kühlkörper gepresst wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Anpresselement, ein System zur Kühlung eines elektrischen Bauteils und eine Bauteilanordnung mit einem elektrischen Bauteil derart auszugestalten, dass eine platzsparende, einfache und kostengünstig herstellbare Verbindung und Wärmeleitung zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlelement geschaffen ist bzw. geschaffen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Anpresselement gemäß Patentanspruch 1, durch ein System zum Kühlen eines elektrischen Bauteils gemäß Patentanspruch 5 und durch eine Bauteilanordnung gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Dabei ist ein Anpresselement zum Anpressen eines zu kühlenden elektrischen Bauteils an ein Kühlelement federnd ausgebildet und kraftschlüssig mit dem Kühlelement verbindbar. Zum Herstellen der kraftschlüssigen Verbindung weist das Anpresselement mindestens eine geschlitzte Hülse auf, von denen jede in eine korrespondierende Öffnung des Kühlelements einpressbar ist. Die Verbindung erfordert gegenüber anderen denkbaren Verbindungen – wie z. B. Schraubverbindungen – nur einen sehr geringen Platzbedarf und keine zusätzlichen Befestigungsteile. Damit ist eine sehr einfache Montage und – wenn erwünscht – auch Demontage möglich. Vorzugsweise besteht eine Anpressvorrichtung aus einem Teil.
Dabei weisen die geschlitzten Hülsen gegenüber den Öffnungen ein Aufmaß oder Übermaß auf, das sich beim Einpressen in die Öffnung elastisch und damit reversibel auf die Öffnungsweite reduziert. Durch die Federkraft und den Durchmesser der Hülse lässt sich die Haftreibungskraft soweit einstellen, dass Beschleunigungskräfte, wie sie beispielsweise durch Vibrationen verursacht werden, nicht zur Lösung der Verbindung führen.
In speziellen Anwendungsfällen, z. B. bei hoch temperatur- und/oder schwingungsbelastenden Umgebungsbedingungen, kann es wünschenswert sein, die Verbindung zusätzlich zu sichern. Dazu sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung vor, die Verbindung zwischen Anpressvorrichtung und Kühlelement durch eine in Demontagerichtung wirkende Sperre zu sichern. Die Sperre kann ein Widerhaken sein, der die Reibungskräfte zwischen den Verbindungspartnern erhöht.
Eine montagetechnisch bevorzugte Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anpressvorrichtung einen federnden Bügel aufweist, mit dem das Bauteil an das Kühlelement anpressbar ist und der beidendig ein federndes Element aufweist.
Das System zum Kühlen eines elektrischen Bauteils umfasst ein solches Anpresselement, sowie ein Kühlelement, das zu jeder an einem Anpresselement angebrachten geschlitzten Hülse eine korrespondierende Öffnung aufweist, in die die betreffende geschlitzte Hülse einpressbar ist.
Die Bauteilanordnung umfasst ein solches System, sowie ein zu kühlendes elektrisches Bauteil, das durch das Anpresselement an das Kühlelement angepresst wird, wobei jede geschlitzte Hülse in die mit dieser korrespondierende Öffnung eingepresst ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauteil im Querschnitt;
2a bis 2d eine Anpressvorrichtung in verschiedenen Ansichten und
3a bis 3c eine weitere erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in verschiedenen Ansichten.
1 zeigt eine erste Bauteilanordnung für ein elektrisches Bauteil (Leistungshalbleitermodul) 1. Das Bauteil 1 weist eine Wärmeableitfläche 2 auf, mit der es in innigem wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlelement 3 steht. Dazu dient eine Anpressvorrichtung 4, die kraftschlüssig mit dem Kühlelement 3 fest verbunden ist und auf das Leistungshalbleitermodul 1 eine Anpresskraft F1 ausübt. Schematisch ist ein externer elektrischer Anschluss 5 des Leistungshalbleitermoduls erkennbar.
Die Anpressvorrichtung 4 besteht aus einem federelastischen Material, beispielsweise aus einem Blattfederstahl, und um fasst einen federnden Bügel 8, der mit der Anpresskraft F1 auf das Leistungshalbleitermodul 1 drückt. Zur Befestigung in einer Bohrung 9 des Kühlelements 3 hat die Anpressvorrichtung 4 zumindest ein Kraftschlusselement (Verbindungselement) 10. Dieses ist vorzugsweise von einer zylindrischen Federhülse 11 gebildet, die aus Blattfederstahl gebildet ist und einen Längsschlitz hat. Dieser verleiht dem Kraftschlusselement die gewünschte radiale Federkraft. Diese Kraft kann durch geeignete Dimensionierung (Länge, Durchmesserübermaß, Einstecktiefe) und Durchmesser anwendungsorientiert so eingestellt werden, dass die dadurch erzeugten (Haft)Reibungskräfte oder Klemmkräfte F2 zwischen der Wandung der Bohrung 9 und der Oberfläche der Federhülse 11 sicherstellen, dass diese fest und zuverlässig in der Bohrung fixiert ist. Damit ist eine Übertragung der Gegenkraft zur Anpresskraft F1 auf das Kühlelement 3 gewährleistet. Zur bedarfsweise zusätzlichen Sicherung ist eine Sperre in Form eines Widerhakens 14 vorgesehen, der eine Bewegung (in Demontagerichtung D und bei einer zylindrischen Federhülse zusätzlich gegen Verdrehung) hemmt.
2a zeigt separat eine Anpressvorrichtung 20 mit einem hülsenförmigen federnden Element 21 als Befestigungsvorrichtung, einem Andruckbügel 22 und einem Widerhaken 23. Wie 2b verdeutlicht, umfasst die Anpressvorrichtung insgesamt zwei federnde Elemente 21, 24, die jeweils an den Enden des Bügels 22 als längsgeschlitzte Hülsen ausgeformt sind. Die Darstellung in 2c und die perspektivische Darstellung in 2d zeigen, dass zur Versteifung des an den Bügel 22 anschließenden Mittelteils 27 dieses am unteren Ansatz der Hülsen 21, 24 gefalzt ist. Dieser Falz 28 verläuft also parallel zum Bügel 22.
Die 3a, 3b und 3c zeigen eine Variante der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung, bei der zwei parallele, im unbelasteten Zustand bogenförmige Blattfedern 30, 31 auf ein Leistungshalbleitermodul 33 (3b, 3c) drücken. Die Fe derenden 30a, 30b und 31a, 31b sind über zwei Querträger 34, 35 zu einem Federrahmen verbunden.
Im jeweiligen mittleren Bereich der Querträger sind jeweils federnde Elemente 36, 37 vorgesehen, die prinzipiell wie vorbeschrieben ausgestaltet sind und durch kraftschlüssige Verbindung in zwei Bohrungen 38, 39 eines Kühlelements 40 fixiert sind (3b und 3c).
Die erfindungsgemäße Bauteilanordnung zeichnet sich durch eine einfache Montage (und Demontage) aus, bei der grundsätzlich nur die Elemente zur Erzeugung der kraftschlüssigen Verbindung in die korrespondierenden und z. B. durch Bohren sehr leicht erzeugbaren Aufnahmen des Verbindungspartners eingesteckt werden müssen. Zusätzliche Teile wie z. B. Schrauben sind nicht erforderlich und der Platzbedarf dieser kraftschlüssigen Verbindung ist sehr gering.

Claims

Anpresselement (4) zum Anpressen eines zu kühlenden elektrischen Bauteils (1) an ein Kühlelement (3), wobei das Anpresselement (4) federnd ausgebildet und kraftschlüssig mit dem Kühlelement (3) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Anpresselement (4) zum Herstellen der kraftschlüssigen Verbindung mindestens eine geschlitzte Hülse (11, 21, 24) aufweist, von denen jede in eine korrespondierende Öffnung (9) des Kühlelements (3) einpressbar ist.
Anpresselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jede der geschlitzten Hülsen (11, 21, 24) eine Sperre (14) aufweist, um die betreffende geschlitzte Hülse (11, 21, 24) zu sichern, wenn diese in die Öffnung (9) des Kühlelements (3) eingepresst ist.
Anpresselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperre ein Widerhaken (14) ist.
Anpresselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpresselement zwei geschlitzte Hülsen (11, 21, 24) aufweist, von denen jede an einem Ende eines federnden Bügels (8) angeordnet sind, mit dem das zu kühlende Bauteil (1) an das Kühlelement (3) anpressbar ist.
System zum Kühlen eines elektrischen Bauteils (1) mit – einem Anpresselement (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche; und – einem Kühlelement (3), das zu jeder an einem Anpresselement (4) angebrachten, geschlitzten Hülse (11, 21, 24) eine korrespondierende Öffnung (9) aufweist, in die die betreffende geschlitzte Hülse (11, 21, 24) einpressbar ist.
Bauteilanordnung umfassend: – ein System zum Kühlen eines elektrischen Bauteils (1) gemäß Anspruch 5; und – ein zu kühlendes elektrisches Bauteil (1); wobei – jede geschlitzte Hülse (11, 21, 24) in die mit dieser korrespondierende Öffnung (9) eingepresst ist; und – das Anpresselement (4) das zu kühlende elektrische Bauteil (1) an das Kühlelement (3) anpresst.