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Die
Erfindung betrifft ein Elektrisches Gerät.
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Elektrische
Geräte
mit wärmeerzeugenden Bauelementen
sind allgemein bekannt, wobei das Bauelement am Kühlkörper angeschraubt
wird und somit eine gut wärmeleitfähige Verbindung
hergestellt wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrisches Gerät weiterzubilden,
wobei die Herstellung einfach und kostengünstig ausführbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem elektrischen Gerät
nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei dem elektrischen Gerät sind, dass es ein wärmeerzeugendes
Bauelement und einen Kühlkörper umfasst,
insbesondere zur Wärmeabfuhr
an die Umgebung,
wobei das Bauelement von einem Federmittel
gegen einen Teilbereich des Kühlkörpers gedrückt wird,
wobei
das Federmittel zwischen einem Träger und/oder einer Schale und
dem Bauelement vorgesehen ist
oder wobei das Federmittel zwischen
einem Träger und/oder
einer Schale und dem Kühlkörper vorgesehen
ist.
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Dabei
ist das Wort „zwischen" wirkungsmäßig bezüglich des
Kraftflusses zu verstehen. Denn von dem Federmittel wird eine Kraft
erzeugt, die auf das Bauelement wirkt und über dieses auf den Kühlkörper wirkt,
der wiederum auf das Federmittel direkt oder indirekt wirkt.
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Von
Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper zuletzt
mit dem elektrischen Gerät
verbindbar ist, nachdem das Bauelement schon mit dem Träger verbunden
wurde. Beispielsweise wird also das Bauelement mit der Leiterplatte
mechanisch und elektrisch verbunden und erst dann der Kühlkörper angeschraubt an
die Leiterplatte oder ein mit der Leiterplatte verbundenes Teil
des elektrischen Geräts.
Dabei ist das Bauelement vorteiligerweise mittels SMD-Technik bestückbar und
als Leistungshalbleiter, wie beispielsweise IGBT oder MOSFet ausführbar.
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Beim
Verbinden des Kühlkörpers entsteht also
eine Federkraft, die das Andrücken
des Bauelements auf den Teilbereich des Kühlkörpers bewirkt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als vom Federmittel umfasstes
Federelement die Anschlussdrähte
des Bauelementes vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die stets
sowieso notwendigen Anschlussbeinchen des Bauelements nicht nur
zum elektrischen Anschließen
sondern auch zur Erzeugung der notwendigen Andrückkraft verwendbar sind. Ein
zusätzliches
Mittel ist also nicht notwendig, sondern es genügt, die Anschlussbeinchen als
für die Erzeugung
von Federkraft in der benötigten
Richtung entsprechend zu formen und auszubilden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement Vergussmasse vorgesehen, insbesondere wobei die Vergussmasse
zwischen Träger
und Bauelement angeordnet ist und das Bauelement teilweise umgibt.
Von Vorteil ist dabei, dass die Vergussmasse einerseits zum Schutz
der auf der Leiterplatte weiteren bestückten Bauelemente und auch
des erfindungsgemäßen Bauelementes
verwendbar ist als auch zur Erzeugung von Andrückkraft für das erfindungsgemäße Bauelement,
das hierzu nicht vollständig
umgeben sondern nur teilweise umgeben ist von der Vergussmasse.
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Vorteiligerweise
ist der dem Kühlköroper zugewandte
Oberflächenbereich
des Bauelements frei von Vergussmasse. Somit ist die Federwirkung
insbesondere zwischen Bauelement und Leiterplatte beziehungsweise
Schale, also Begrenzungsmittel für die
Vergussmasse, wirksam.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement der Träger elastisch
ausgeführt
und vorgesehen oder verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass sogar
die Elastizität des
Trägers
selbst alleine verwendbar ist oder zumindest mitverwendbar ist zum
Erzeugen der Andrückkraft
des Bauelements gegen den Teilbereich des Kühlkörpers.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement eine Feder, wie Spiralfeder, Tellerfeder oder dergleichen, verwendet.
Von Vorteil ist dabei, dass einfache und kostengünstige Elemente verwendbar
sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als vom Federmittel umfasstes
Federelement ein elastischer Kunststoff verwendet. Von Vorteil ist
dabei, dass auch die bloße
Ausführung
eines Gehäuseteils oder
Verbindungsteils aus geeignetem Kunststoff die Federkraft erzeugbar
macht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Träger mit einer Schale verbunden
und/oder in einer Schale vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass
ein gehäusebildender
Schutz für
die elektrischen Verbindungen erreicht ist und ein zur Befestigung
geeignetes Mittel vorsehbar ist. Außerdem ist bei Verwendung von
Vergussmasse ein diese begrenzendes Mittel vorsehbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Träger und/oder Schale mit dem
Kühlkörper direkt oder
indirekt lösbar
verbunden, wobei der Abstand zwischen Bauelement und Träger beziehungsweise Bauelement
und Schale den Federweg bestimmt, also auch die Federkraft zum Andrücken des
Bauelements gegen den Teilbereich des Kühlkörpers. Von Vorteil ist dabei,
dass das Federmittel derart angeordnet ist, dass Träger oder
Schale fest und abstandskonstant mit dem Kühlkörper verbindbar sind. Beim
Verbinden wird dann das Federmittel um den Federweg ausgelenkt und
somit die Federkraft erzeugt. Das Mittel umfasst beispielsweise
die Anschlussdrähte
und/oder die Vergussmasse und/oder den Träger selbst.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauelement, insbesondere
mit konstantem Abstand, mit dem Träger und/oder der Schale direkt
oder indirekt verbunden, wobei der Abstand zwischen Kühlkörper und
Träger
beziehungsweise Kühlkörper und
Schale den Federweg bestimmt, also auch die Federkraft zum Andrücken des
Bauelements gegen den Teilbereich des Kühlkörpers. Von Vorteil ist dabei,
dass das Federelement separat anbringbar ist und somit separat einstellbar
ist. Hierzu ist vorteiligerweise eine Schraube oder anders Mittel zum
Einstellen von Abstand vorsehbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Anschlussdrähte für das Bauelement
einen zur Leiterplattenoberfläche
parallelen Endbereich auf, insbesondere zur SMD-Bestückung, insbesondere als
auf die Leiterplattenoberfläche
auflegbares und liegend SMD-bestückbares
Teil. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Fertigungsmethode
für große Stückzahlen
einsetzbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Anschlussdrähte mit
zwei oder mehr Knicken ausgeführt,
insbesondere mit mindestens einer Sicke und/oder V-förmigem Verlauf.
Von Vorteil ist dabei, dass große
und wohldefinierbare Kräfte
auf kleinem Raumbereich erzeugbar sind. Insbesondere ist dabei die
Federkraft mittels der Ausführung
und Dimensionierung des Gerätes
vorgebbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vergussmasse im ausgehärteten Zustand
derart elastisch, dass die für
das Andrücken
des Bauelementes notwendige Federkraft erzeugbar ist. Von Vorteil
ist dabei, dass
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die
Federkraft mittels eines Anzugsmomentes einer Schraube festlegbar.
Von Vorteil ist dabei, dass
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
weist das Bauelement ein Gehäuse
auf, das einen metallischen oder keramischen Bereich umfasst, der
an den Teilbereich des Kühlkörpers angedrückt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass ein Bereich sehr guter Wärmeleitfähigkeit
vorgesehen ist, der somit einen verbesserten Abtransport der Wärme ermöglicht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs
Wärmeleitpaste
zwischen Bauelement und Kühlkörper vorgesehen.
Von Vorteil ist dabei, dass der Wärmeübergangswiderstand hierbei
weiter reduzierbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Träger eine Leiterplatte. Von
Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Technik
zur Fertigung und Bestückung
anwendbar ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Wärmeerzeugendes
Bauelement
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Schale
- 5
- Vergussmasse
- 6
- Schraube
- 7
- Federelement
- 10
- Anschlussdraht
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1 ist eine erste erfindungsgemäße Anordnung schematisch skizziert.
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In
der 2 ist eine zweite erfindungsgemäße Anordnung
schematisch skizziert.
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Die
Anordnung nach 1 oder 2 ist von
einem elektrischen Gerät
umfasst, das ein wärmeerzeugendes
Bauelement 2 umfasst, dessen Wärme im Wesentlichen über einen
Kühlkörper 1 abgeführt wird.
Der Kühlkörper kann
einstückig
oder aus mehreren Stücken
zusammengesetzt sein.
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In
der Anordnung nach 1 wird das Bauelement 2 gegen
einen Teilbereich des Kühlkörpers 1 gepresst,
so dass hier Wärme
gut übertragbar
ist, also mit einem nur geringen Wärmeübergangswiderstand. Insbesondere
ist dieser Wärmeübergangswiderstand
kleiner als der Wärmeübergangswiderstand vom
Bauelement zu anderen Teilbereichen des Kühlkörpers 1 oder zu anderen
Teilen des elektrischen Geräts.
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Dabei
ist das Bauelement 2 mit seinen Anschlussdrähten 10 auf
einer Leiterplatte mittels Lötverbindungen
mit metallischen Bereichen der Leiterplatte elektrisch leitfähig verbunden.
Vorteiligerweise ist das Bauelement 2 in SMD-Technik auf
die Leiterplatte bestückbar.
Somit ist die Bestückung
automatisiert mittels eines Roboters ausführbar.
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Die
in Richtung auf den Kühlkörper 1 hin
wirkende Presskraft wird bei einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung
durch die Anschlussdrähte 10 selbst
erzeugt. Hierzu sind die Anschlussdrähte entsprechend gebogen. In 1 ist
klar dargestellt, dass die Anschlussdrähte in ihrem Endbereich parallel
zur Leiterplattenoberfläche
ausgeführt
sind und auf dieser aufliegen. Das zugehörige Lötzinn ist nicht dargestellt.
An diesen parallelen Endbereich schließt sich ein Bereich an, in
welchem die Anschlussdrähte in
Normalenrichtung zur Leiterplatte verlaufen. Von diesem Bereich
ausgehend verlaufen die Anschlussdrähte wiederum parallel zur Leiterplattenoberfläche auf
das Bauelement hinzu.
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Somit
ist von dem Anschlussdraht eine Federkraft zumindest in Normalenrichtung
zur quasi ebenen Leiterplatte erzielbar, wenn der Abstand zwischen
der Kontaktfläche
des Kühlkörpers 1 für das Bauelement
und der Leiterplatte in Normalenrichtung geeignet vorgegeben wird.
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Hierbei
ist der Kühlkörper 1 mit
einer Schale 4, insbesondere Kunststoffschale, lösbar verbunden mittels
einer Schraube 6. Die Leiterplatte 3 ist mit der Schale 4 verbunden.
Somit ist der Abstand zwischen Leiterplatte und Kühlkörper fest
vorgegeben durch die Gestaltung der Teile und die Verbindungen.
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Darüber hinaus
sind die Teile und Verbindungen derart gestaltet und dimensioniert,
dass das Bauelement beim Herstellen des Gerätes um einen derartigen Betrag
ausgelenkt wird, dass die für
einen guten Wärmeübergang
vom Bauelement zum Kühlkörper erforderliche
Anpresskraft erzeugbar ist.
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Bei
dem geschilderten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird also ein Aufbau nach 1 aber ohne
die dort gezeigte Vergussmasse 5 ausgeführt.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist die Leiterplatte auch direkt mit dem Kühlkörper verbindbar, also ohne
Schale. Somit ist das Einhalten der erforderlichen Toleranzen einfacher
ausführbar.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist eine Vergussmasse 5 gemäß 1 hinzugefügt, die
aber derart elastisch und welch ist, dass die Anpresskraft im Wesentlichen
von der Vergussmasse unbeeinflusst in der geschilderten Weise erfolgt,
also von den Anschlussdrähten 10 erzeugt
wird.
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Die
Anpresskraft ist dann ohne Vergussmasse erzeugbar, also ausschließlich durch
die Anschlussdrähte
des Bauelements. Hierzu sind diese entsprechend lang und geknickt
ausgeführt.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
sind die Anschlussdrähten 10 nicht nur
mit jeweils zwei Knickstellen wie bei 1, sondern
mit mehr Knickstellen ausgeführt.
Hierzu sind auch vorteiligerweise Sicken oder ähnliche Verläufe ausgebildet.
Auf diese Weise lässt
sich die gleiche Anpresskraft bei kürzeren Anschlussdrähten bewirken
oder hohe, insbesondere im Vergleich höhere Anpresskräfte. Besonders
vorteilig haben sich V-förmige Verläufe herausgestellt
und selbstverständlich auch
ziehharmonika-ähnliche
Verläufe,
also mehrere seriell angeordnete V-förmige Verläufe.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird gemäß 1 Vergussmasse hinzugefügt, die
das Bauelement teilweise umgibt. Jedoch berührt der Kühlkörper 1 die Vergussmasse nicht.
Denn der Kühlkörper 1 ist
bei der Herstellung des elektrischen Gerätes erst nach dem Aushärten der
Vergussmasse 5 aufgesetzt und verbunden. Die Schale 4 stellt
eine Begrenzung für
die Vergussmasse 5 dar. Die Vergussmasse 5 ist
im ausgehärteten Zustand
derart elastisch gewählt
und ausgeführt, dass
beim Aufsetzen und Verbinden des Kühlkörpers mit der Schale 4 beziehungsweise
mit dem die Schale 4 umfassenden Teil des elektrischen
Gerätes
die gewünschte
Anpresskraft des Bauelementes 2 gegen den Teilbereich des
Kühlkörpers 1 erzeugt
wird.
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Bei
dieser Ausführung
ist also kein weiteres Federelement notwendig, da die Vergussmasse
eine Doppelfunktion ausführt – einerseits
mechanische Befestigung der Bauelemente gegen Rüttelschwingungen und andererseits
Erzeugen der gewünschten Federkraft.
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Darüber hinaus
ist durch die Vergussmasse auch eine verbesserte elektrische Isolationsfestigkeit erzielbar.
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Die
Anschlussdrähte 10 sind
derart ausgeführt,
dass das Bauelement mittels SMD-Technik auf die Leiterplatte 3 bestückbar ist.
Dabei werden die Anschlussdrähte
nicht durch Ausnehmungen der Leiterplatte 3 hindurchgeführt sondern
nur der zur Leiterplattenoberfläche
parallel verlaufende Endbereich aufgelegt und mittels der Lötmasse beim
Lötvorgang elektrisch
und mechanisch mit der Leiterplattenoberfläche verbunden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 wird der Abstand zwischen Bauelement und Leiterplatte
veränderbar
vorgesehen und als Federweg verwendet.
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Bei
dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 2 ist die Anpresskraft durch ein Federelement 7 erzielbar,
das zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper 1, insbesondere zwischen
der Schale 4 und dem Kühlkörper 1 angeordnet
ist. Auf diese Weise ist das Bauelement mit kurzen Anschlussdrähten 10 auf
der Leiterplatte verbindbar, wobei keine Elastizität erforderlich
ist. Mittels des Federelementes wird die gesamte Leiterplatte samt
Bauelement 2 auf den Kühlkörper hin
gedrückt
und somit die erforderliche Anpresskraft für das Anpressen des Bauelementes 2 auf
den Teilbereich des Kühlkörpers 1 hin
erzeugt.
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Das
Federelement ist nicht direkt am Bauelement 2 angeordnet
im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
nach 1, wo die Anschlussdrähte und/oder die Vergussmasse
als Federelement vorgesehen sind.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 wird der Abstand zwischen Kühlkörper und Leiterplatte veränderbar
vorgesehen. Die Änderung
des Abstandes ist dem Federweg proportional, wobei die elastische
Auslenkung der Leiterplatte dann unberücksichtigt bleibt.
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Vorteiligerweise
ist das Bauelement direkt auf die Leiterplatte positionierbar und
auflegbar.
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Das
Federelement ist derart ausführbar, dass
die Federkraft über
das Anzugsmoment einer Schraube vorgebbar ist. Hierzu ist eine Spiralfeder zwischen
einem Schraubenkopf und der Schale angeordnet. Je weiter die Schraube
in den Kühlkörper 1 oder
ein mit diesem fest verbundenes Teil hineingeschraubt wird desto
größer ist
die Federkraft.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird statt der Leiterplatte nach 1 und 2 ein
anderer Träger
verwendet.
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Zur
Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen
dem Bauelement 2 und dem Kühlkörper 1 ist auch Wärmeleitpaste
vorsehbar
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird die Elastizität
der Leiterplatte und/oder Schale selbst verwendet und somit die
Leiterplatte und/oder Schale als Federelement verwendet oder dem
Federelement als weiteres in Serie geschaltetes Federelement hinzugefügt. Insbesondere ist
in Abänderung
zur 2 die Spiralfeder weggelassen und der Schraubenkopf
berührend
auf die Schale aufgeschraubt. Je weiter die Schraube dann in den
Kühlkörper eingeschraubt
wird desto größer ist die
Federkraft. Alternativ ist die Schale weggelassen und die Leiterplatte
selbst berührend
mit dem Schraubenkopf vorgesehen.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist der Teilbereich des Kühlkörpers oberflächenbearbeitet,
wie beispielsweise geschliffen oder sandgestrahlt.