DE2446235C3 - Befestigungsbausatz für elektronische Bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Befestigungsbausatz für ein elektronisches Bauelement, bei welchem thermisch leitende Mittel unter Druck am Bauelement anliegen und über einen Isolator gekühlt werden.

Es ist ein Bausatz dieser Art aus der US-Patentschrift 29 35 666 bekannt, bei dem ein rundes elektronisches Bauelement von einem topfaitigen Zwischenkörper umgeben ist, von welchem ein Flansch über einen elektrischen Isolierkörper gekühlt wird. Die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Zwischenkörper wird dadurch hervorgerufen, daß der Zwischenkörper durch Schlitze zu einzelnen Streifen aufgeteilt ist die aufgrund ihrer eigenen elastischen Eigenschaften an das Bauelement anliegen.

Dieser Bausatz ist nur in beschränktem Umfang in der Lage Wärme von dem Bauelement abzuführen und eignet sich daher nur für elektronische Bauelemente kleiner Leistung und damit auch geringer Kühlleistungen.

Demgegenüber ist es das Ziel der Erfindung, einen Befestigungsbausatz für elektronische Bauelemente zu schaffen, bei dem große Wärmeleistungen auch von räumlich kleinen Bauelementen abgeführt werden können, wobei große mechanische Drucke zwischen dem Bausatz und dem Bauelement für diese Wärmeabfuhr möglich sind.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zwei thermisch leitende Körper einerseits mit einander gegenüberliegenden Flächen des Bauelements in thermischem Kontakt stehen und gegeneinander gedruckt sind und andererseits unter elastischem Druck an einen gemeinsamen Kühlkörper anliegen und daß in wenigstens einem von dem Bauelement zu dem Kühlkörper führenden Wärmepfad eine thermisch leitende elektrische Isolierschicht vorgesehen ist.

Durch die Verwendung von zwei Körpern die gegeneinander gedrückt werden und das Bauelement zwischen sich aufnehmen sind große Flächenpressungen möglich, die eine Wärmeabfuhr in dem gewünschten Ausmaß ermöglichen. Unabhängig von der Anklemmung an das Bauelement werden die Körper durch Druck an einen gemeinsamen Kühlkörper ihrerseits gekühlt, so daß beide Wärmeübergangstrennflächen unabhängig voneinander für einen optimalen Wärmeabfluß ausgelegt werden können, ohne daß sie sich gegenseitig beeinträchtigen.

Vorzugsweise werden die Körper über eine ein Gleiten zulassende Trennfläche elastisch an den Kühlkörper gedrückt. Hierdurch wird erreicht, daß mechanische Wärmespannungen den guten thermischen Kontakt an den Übergangsflächen nicht beeinträchtigen können und diese Spannungen auch nicht zur Schädigung von Bauelement oder Bausatz führen können.

Zur elektrischen Isolierung der Körper gegen den Kühlkörper werden vorzugsweise zwischen beide Platten aus Bornitrid eingelegt. Dieses Material verbindet sehr gute thermische Leitfähigkeitseigenschaften mit guten elektrischen Isolationseigenschaften. Die beidseitig elektrische Isolation ist geboten, da die Körper häufig auch als Kontaktelemente zur Zu- und Ableitung des elektrischen Stromes verwendet werden. In diesem Fall bestehen die Körper mit Vorteil aus Kupfer.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Körper über je ein elastisch verformbares Druckelement, z. B. eine Tellerfeder, durch emc gemeinsame, starr mit dem Kühlkörper verbundene Klemmplatte an diesen Kühlkörper gedrückt. Die Tellerfedern gewährleisten eine ausreichende praktisch

konstante Flächenpressung zwischen Bauelement und Kühlkörper auch bei Erwärmung, so daß weder das Bauelement einer zu großen mechanischen Beanspruchung unterworfen wird, noch die Kühlleistung durch Verringerung des Anpreßdrucks vermindert wird.

Weiterhin ist es zweckmäßig, bei allen Kontaktflächen elastisch verformbare Druckelemente wie z. B. Tellerfedern vorzusehen, so daß auch der Druck zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Bausatz praktisch konstant bleibt

Schließlich wird mit Vorteil bei allen Druckflächen eine Gleitmöglichkeit geschaffen. Hierbei sollen die Gleitflächen zwischen Kühlkörper und Körpern einerseits, und den Körpern und dem elektronischen Bauelement andererseits einen Winkel von vorzugsweise 90° einschließen.

In einem Bausatz, bei dem beide Körper gegen den Kühlkörper elektrisch isoliert sind, können diese wärmeleitenden Körper sehr dicht an dem Bauelement liegen und sogar in direktem Kontakt mit ihr.; stehen. Es ist jedoch auch möglich eine dünne Druckplatte dazwischen zu schieben, die sowohl elektrisch als auch thermisch gut leitend sein muß.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Befestigungsbausatzes entsprechend der vorliegenden Erfindung und

F i g. 2 einen von vorn gesehenen Schnitt der rechten Hälfte des Bausatzes, der in F i g. 1 dargestellt ist. Der Schnitt ist in einer senkrechten Ebene durch die Mitte des Bausatzes gelegt.

Entsprechend der Zeichnung dient der Bausatz der Befestigung eines elektronischen Bauelements, in diesem Fall eines Thyristors 1, auf der vorderen Oberfläche einer flachen Kühlkörperplatte 2, die mit einem Stapel von Kühlrippen 3 versehen ist, die an ihrer rückwärtigen Oberfläche befestigt sind. Zwei Kupferkörper 4 und 5 werden aufeinander zugedrückt, um zwischen sich den Thyristor 1 einzuschließen. Die Druckplatten 6 und 7 sind zwischen die jeweils einander gegenüberliegenden Flächen des Thyristors 1 und des jeweiligen Körpers 4 bzw. 5 eingelegt. Der Thyristor 1 ist mit Kontaktflächen versehen, die ihm den elektrischen Strom zu- und ableiten. Jedes der Kontaktflächen erstreckt sich vollständig über jeweils eine der Oberflächen des Thyristors 1, die die Druckplatten 6 bzw. 7 berühren. Deshalb sind die Druckplatten aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material hergestellt. Jeder der beiden Klemmanschlüsse 8 und 9 wird durch einen Zapfen 10 mit einer der Druckplatten in Verbindung gehalten, wobei in der äußeren Stirnfläche eines jeden Zapfens 10 eine Vertiefung angebracht ist, um eine von den zwei Scheiben i 1 und 12 aufzunehmen, die so zusammenwirken, daß sie zwischen sich eine Gleitfläche bilden. Die Scheibe 12 liegt in einer Vertiefung in der einen Stirnfläche einer elektrisch isolierenden Buchse 13. Die isolierende Buchse 13, die Scheiben 11 und 12, der Klemmanschluß 8 (bzw. 9) und der Körper 4 (bzw. 5) werden durch die Wirkung einer Tellerfeder 14 gegen den Thyristor 1 gedrückt, wobei die Tellerfeder 14 an einem Klemmbügel 15 anliegt und in ihrer Lage in bezug auf die isolierende Buchse 13 durch einen Federaufnahmeblock 16 festgehalten wird. Zwei Schrauben 21 halten die Klemmbügel 15 gegen die Federaufnahmeblöcke 16 und ermöglichen es, die Federn 14 in der richtigen Weise vorzuspannen. Die Klemmbüeel 15 sind an zwei Stützen 17, die von der Vorderseite der Kühlkörperplatte 2 aufragen, durch Zugstangen befestigt, die durch elektrisch isolierende Hohlrohre 18 verlaufen.

Eine Klemmplatte 19 hält die Körper 4 und 5 in gutem thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper. Die Klemmplatte 19 wirkt auf beide Körper zusammen ein und ist durch die Schrauben 20 starr mit den Stützen 17 verbunden.

Die Körper 4 und 5 werden durch die Klemmplatte 19 mittels einer Tellerfeder 22 elastisch festgeklemmt, die in einem Federaufnahmeblock 23 gelagert und durch eine Schraube 24 vorgespannt ist. Der Federaufnahmeblock 23 ist in einer Vertiefung in der einen Stirnfläche einer Buchse 25 montiert, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und in deren gegenüberliegenden Stirnfläche eine weitere Vertiefung eine Scheibe 26 des Scheibenpaares 26,27 in ihrer Lage hält, welches eine Gleitfläche zwischen diesen Scheiben liefert.

Scheibe 27 liegt in einer passenden Vertiefung in der oberen Fläche des jeweiligen Körpers 4 bzw. 5.

Die untere Fläche von jedem der Körper 4 bzw. 5 steht mit jeweils einer Scheibe 28 in Kontakt, die aus Bornitrid besteht. Dies ist ein wohlbekanntes Material, das elektrisch isoliert aber thermisch leitet. Jede der Scheiben 28 sitzt auf einem massiven Stutzen 29 auf, der durch eine öffnung in der Kühlkörperplatte 2 ragt und mittels eines ringförmigen, vorstehenden Wulstes, der ein integraler Bestandteil des Stutzens 29 ist, in seiner Lage festgehalten wird.

Jeder Stutzen 29 paßt satt in die zugehörige Öffnung in der Kühlkörperplatte 2, um einen ausgezeichneten thermischen Kontakt mit dieser sicherzustellen. Die Kühlrippen 3, die durch Abstandsstücke 30 getrennt sind, sind durch die Zapfen 31 an den Stutzen 29 befestigt.

Der Befesligungsdruck wird von der Art des elektronischen Bauelementes, das in diesem Fall ein Thyristor ist, und ebenso von der Wärme, die abgeführt werden muß, abhängen, da die Qualität des Wärmepfades vom Thyristor 1 über die Körper 4 und 5 zu der Kühlkörperplatte 2 und den Kühlrippen 3 zum Teil auch von den Drücken abhängt, die an den verschiedenen Übergangsflächen herrschen.

Die Druckkraft, die von den Federn 14 ausgeübt wird, um die Körper 4 und 5 gegen den Thyristor 1 zu pressen, liegt typisch bei ca. 1360 kg (3,000 lbs) und die abwärts gerichtete Druckkraft, die von den Federn 22 ausgeübt wird, um die Körper 4 und 5 jeweils gegen die Kühlkörperplalte 2 zu pressen, beträgt etwa 91 kg (200 lbs.).

Im normalen Betrieb läuft der elektrische Strompfad von dem Klemmanschluß 8 durch den Körper 4, die Druckplatte 33, den Thyristor 1, die andere Druckplatte 33 und durch den Körper 5 zum Klemmanschluß 9. Der dritte Anschluß, der die Steuerelektrode des Thyristors ist, besteht natürlich aus einer Schwachstromleitung und ist als flexibles Kabel (nicht gezeichnet) direkt am Thyristor befestigt.

Die flexible Befestigung des elektronischen Bauelements erlaubt die Bewegung, die für das Ausdehnen und das Zusammenziehen erforderlich ist, die auftreten, wenn sich das Bauelement und die Baugruppe im normalen Gebrauch erhitzen und wieder abkühlen. Die Fedeiii 28 erlauben die vertikale Bewegung und die Federn 14 erlauben die horizontale Bewegung. Die zwischen den Scheibenpaaren 11,12 und den Scheiben-Daaren 26. 27 voreesehenen (!leitflächen erlanhen Haß

diese Bewegung weich und ohne eine Verwindung der Baugruppe zu bewirken vor sich geht, während dort, wo es nötig ist, ein stetiger Verlauf der elektrischen und thermischen Wege aufrechterhalten wird.

Wie bereits erwähnt, ist in der bisher beschriebenen Ausführungsform das elektronische Bauelement ein Thyristor. Solche Bauelemente sind manchmal erforderlich, um eine große Menge von Wärmeenergie abzuführen. In einem typischen Beispiel sei ein Thyristor zum Schalten einer Spannung von 3000 Volt bei einer Verlustleistung von ca. 1,5 Kilowatt erforderlich. Es ist bisher üblich, diese Energiemenge dadurch abzuführen, daß man Wasser- oder Gebläsekühlung auf das elektronische Bauelement anwendet. In manchen Anwendungsfällen muß man sich wegen der Schwierigkeiten und/oder Kosten, die mil der Anwendung einer erzwungenen Kühlung verbunden sind, auf die natürliche Kontaktkühlung verlassen. Die vorliegende Erfindung erlaubt die direkte Kühlung der beiden Stirnflüchen eines elektronischen Bauelementes, wobei die Hitze zu einem einzigen Kühlkörper abgeleitet wird. Dieser Gesichtspunkt ermöglicht den Gebrauch von besonders kompakten Befestigungsbausätzen und erlaubt darüber hinaus, das elektronische Bauelemente einfach dadurch abzudecken, daß ein umgedrehter offener Kasten über den Bausatz gestülpt und der Rand des Kastens auf der Frontseite der Kühlkörperplatte 2 befestigt wird. In Bergwerken ist es z. B. wichtig, elektrische Vorrichtungen in feuerfesten Gehäusen abzuschließen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Befestigungsbausatz für ein elektronisches Bauelement, bei welchem thermisch leitende Mittel S unter Druck am Bauelement anliegen und über einen elektrischen Isolator gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei thermisch leitende Körper (4, 5) einerseits mit einander gegenüberliegenden Flächen des Bauelements (1) in s° thermischem Kontakt stehen und gegeneinander gedrückt sind und andererseits unter elastischem Druck an einen gemeinsamen Kühlkörper (2) anliegen und daß in wenigstens einem von dem Bauelement (1) zu dem Kühlkörper (2) führenden Wärmepfad eine thermisch leitende elektrische Isolierschicht (28) vorgesehen ist.

2. Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Körper (4,5) über eine ein Gleiten zulassende Trennfläche (26,27) elastisch auf den Kühlkörper gedruckt ist

3. Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (28) eine Platte (28) aus Bornitrid ist

4. Bausatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (28) aus Bornitrid zwischen jedem der beiden Körper (4, 5) und dem gemeinsamen Kühlkörper (29) vorgesehen ist.

5. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (4, 5) elektrische Kontakte zu dem Bauelement (1) bilden.

6. Bausatz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Körper (4, 5) über je ein elastisch verformbares Druckelement (22) durch eine gemeinsame, starr mit dem Kühlkörper (2) verbundene Klemmplatte (19) an diesen gedrückt sind.

7. Bausatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (4, 5) über je eine weitere Klemmplatte (15) und je ein weiteres elastisch Φ verformbares Druckelement (14) an die einander gegenüberliegenden Flächen des Bauelements (1) gedruckt sind und diese weiteren Klemmplatten (15) mit der ersten Klemmplatte (19) in starrer Verbindung stehen.

8. Bausatz nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleitfläche (26,27 und 11, 12) zwischen jedem der Körper (4, 5) und allen elastischen Druckelementen (14, 22) vorgesehen ist, wobei die Gleitflächen (26, 27) ein Gleiten in Richtung der Druckkraft der weiteren elastisch verformbaren Druckelemente (14) zulassen und die bei diesen vorgesehenen Gleitflächen (11, 12) ein Gleiten in Richtung der Druckkraft der ersten elastisch verformbaren Druckelemente (22).

9. Bausatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Körper (4,5) über thermisch leitende, aber elektrisch isolierende Platten (28) mit dem gemeinsamen Kühlkörper (2) in Kontakt stehen und Isolierkörper (13, 25) zwischen den Körpern (4, 5) und den Klemmplatten (15,19) vorgesehen sind.