ARRANGEMENT FOR DISSIPATING HEAT FROM LAYERED CIRCUITS

Abstract: 1. An arrangement for discharging the heat resulting from power loss in layer circuits, to a metallic housing which accommodates the layer circuits, by means of a flexible and heat-conducting stranded connecting element one end of which is connected to the layer circuit and the other end of which is attached to a heat-discharging part of the housing, characterised in that both ends of the connecting element are provided with a massive, heat-conducting terminal contact having good thermal conductivity and also having a contact surface area which is a factor of 5 to 10 times smaller than the substrate surface area of the layer circuit, that that terminal contact of the connecting element which is connected to the layer circuit is arranged on the rear of the substrate in the direct vicinity of the heat source with an interlying flexible metal sheet of good thermal conductivity, and that the heat-conducting metal sheet which is bonded to the substrate simultaneously forms an electrical screening metal sheet shaped for connection to earth terminals of the layer circuit.

Description: Anordnung zur Wärmeabführung bei Schichtschaltungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abführung der durch Verlustleistung bedingten Wärme von Schichtschaltungen an ein die Schichtschaltungen aufnehmendes metallisches Gehäuse. Auf Schichtschaltungen, auf z.B. Al203-Keramik > können im Bereich von Leistungstransistoren, Widerständen und ähnlichen wärmeerzeugenden Bauelementen punktuell Verlustleistungen von beispielsweise 1 bis 2 Watt anfallen. Die entstehenden Wärmenester verursachen Funktionsstörungen an den Bauelementen. Die bisher übliche Art, zur Wärmeableitung gut wärmeleitende Metallprofile ganz oder teilweise mit der Schichtschaltungsrückseite zu verbinden und gegebenenfalls mit wärmeleitenden, federnden Kontaktsystemen an Chassis-Teile (Frontplatte, Kühlrippen u.dgl.) zu kontaktieren, birgt eine Bruchgefahr für das Substrat durch die nötige Kontaktkraft und durch unterschiedliche Wärmeausdehnung von Substrat und Metallprofil in sich #und erfordert zudem einen grossen Aufwand. durch enge Einbautoleranzen und lageabhängige Kühlkontaktmassnahmen. Ausserdem kann ein starres Einbauprinzip unzulässig hohe mechanische Spannungen am Substrat bzw. an den Anschlüssen zur Leiterplatte verursachen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile eine Anordnung einfachen Aufbaus zur Abführung der Wärme von Schichtschaltungen zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung in der Weise gelöst, dass wenigstens ein hochflexibles und wärmeleitendes, litzenartiges Verbindungselement vorgesehen ist, dessen eines Ende mit einem massiven, gut wärmeleitenden Anschluss (Kontaktstück) in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle (Wärmenest) mit der Substratrückseite der Schichtschaltung verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem massiven, gut wärmeleitenden Anschluss (Kontaktstück) an einem wärmeableitenden Teil des Gehäuses befestigt ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 bis 8 verschiedene Ausführungsformen der Verbin dungselemente und deren Befestigung, Fig. 9 u. 10 zwei Ausführungsformen zweier in einem Ge häuse montierter Verbindungselemente und Fig. 11 in einem Diagramm Kurvenscharen, die die Obertemperatur in Abhängigkeit der Länge und des Querschnitts des Verbihdungselementes angeben. Fig. l zeigt die einfachste Ausführungsform eines Verbindungselementes. Das Verbindungselement besteht aus einer hochflexiblen Litze 1 aus gut wärmeleitendem Material, z.B. Kupfer, die an ihren Enden formschlüssig mit jeweils einem planen Kontaktstück 2,4 verbunden ist, von denen das für die Befestigung am Gehäuse vorgesehene Kontaktstück 2 mit einem Befestigungsloch 3 für eine Schraube oder Niete versehen ist. Fig. 2 zeigt ein Verbindungselement symmetrischen Aufbaus, das aus zwei hochflexiblen Litzen 1 besteht, die ein gemeinsames mittleres Kontaktstück 4 zur Verbindung mit der Schichtschaltung aufweisen und an ihrem zweiten Ende mit jeweils einem planen Kontaktstück 2 mit Befestigungslöchern 3 formschlüssig verbunden sind. Diese sind für die Verbindung mit dem Gehäuse vorgesehen. Das mitt lere Kontaktstück 4 hat gegenüber der Substratfläche eine um den Faktor 5 bis 10 kleinere Kontaktfläche 5, so dass bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung die mechanischein Spannungen am Substrat klein gehalten werden. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Verbindungselementen entsprechend Fig. 1, bei der zusätzlich ein Wärmeleitblech 6 vorgesehen ist, das im montierten Zu stand des Verbindungselementes zwischen der Substratrück seite der Schichtschaltung und den Kontaktstücken 8 des Verbindungselementes angeordnet ist. Die Verbindung der Kontaktstücke 8 der Verbindungselemente mit dem Wärme leitblech 6 erfolgt durch Lötstellen 7 so, dass eine Ver steifung in dem den Kontaktstücken 8 benachbarten Litzen bereich 9 auszuschliessen ist. Das Wärmeleitblech dient der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Substrates, z.B. bei weiteren Wärmenestern und besteht aus einem flexiblen, gut wärmeleitenden Blech, beispielsweise aus Kupfer, das die Schichtschaltung mechanisch wenig belastet. Querschnitt und Materialfestigkeit des Wärmeleitblechs sind so gewählt, dass die Wärmeleitfähigkeit der Schicht schaltung 11 (vgl. Fig. 4) um ca. den Faktor 5 vergrössert wird, und dass im Verbund mit der Schichtschaltung keine schädigenden Spannungen für die Klebeverbindung 12, durch die das Wärmeleitblech mit dem Substrat verbunden ist, und das Substrat 13 selbst entstehen. Das Wärmeleitblech kann zusätzlich als elektrische Abschirmung fungieren mit entsprechenden Lötstiften 14 zur Verbindung mit Masse anschlüssen 21 der Schichtschaltung. Der ganzflächige, möglichst dünne Klebefilm der Klebeverbindung 12 besteht aus flexibiiislertem Epoxy und ist für eine Temperatur von maximal 2000 C ausgelegt. Bei rückseitig metallisierten Substraten kann der Kühlanschluss auch z.B. mit gestuftem Lot ausgelötet werden. Die Figuren 5 bis 8 zeigen verschiedene Ausformungen der Verbindungselemente gemäss Fig. 2 und deren Befestigung an der Schichtschaltung. Die Ausformungen lassen erkennen, dass die Einbaulage für die Kühlanschlussenden sehr variabel ist, so dass dadurch eine Einbauabhängigkeit weitgehend entfällt, d.h. eine gerätespezifische Auslegung weitgehend nicht erforderlich ist. In den Figuren 7 und 8 ist zusätzlich noch in strichpunktierter Darstellung eine weitere Ausführungsform dargestellt als weitere Möglichkeit der Befestigung des Kühlanschlussendes am Gehäuse. Die Fig. 9 und 10 zeigen die Einbaulage von Verbindungselementen in einem Gehäuse. Dabei ist bei der Ausführungsform nach Fig. 9 ein Verbindungselementgemäss Fig. 2 mit seinem mittleren Kontaktstück 4 an der Substratunterseite angeschlossen, während die beiden freien, mit Bohrungen versehenen Kontaktstücke des Verbindungselementes durch Schrauben oder Nieten mit einem Kühlprofil 15 des Gehäuses gut wärmeleitend verbunden sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind entsprechende Verbindungselemente einseitig mit der Substratrückseite der in einer Leiterplatte 20 gehaltenen Schichtschaltung 18 verbunden, während das jeweils andere Ende der Verbindungselemente an der Frontplatte 16 bzw. am Deckel 17 des Gehäuses befestigt ist. Die entsprechenden Ausformungen halten die Schichtschaltung 18, die Anschlüsse 19, über die die Schichtschaltung 18 in der Leiterplatte 20 befestigt ist und die Leiterplatte 20 selbst weitgehend spannungsfrei und ermöglichen grosse Einbautoleranzen. In Fig. 9 sind zusätzlich Bemessungsangaben für die Verbindungselemente (Lange 1, Querschnitt d) und Temperatur werte an den verschiedenen Kontaktstücken # 2 2 an dem an der Schichtschaltung angebrachten mittleren Kontaktstück, an anden im Endbereich liegenden, mit der Kühlrippe verbundenen Kontaktstücken). Diese Dimenslonlerungsangaben und Temperaturwerte dienen der Erläuterung der graphischen Darstellung nach Fig. 11, in der für eine Kurvenschar die Übertemperatur in Abhängigkeit des Litzenquerschnitts für verschiedene Litzen längen aufgetragen ist. Die Dbertemperatur=d 2ist dabei gleich der Differenz zwischen der Temperatur am mittleren, mit der Schichtschaltung verbundenen Kontaktstück und dem im Endbereich li-egenden, mit der Kühlrippe verbundenen Kontaktstück des Verbindungselementes. Diese Darstellung zeigt, in welcher Weise der Wärmeleitungsgradlent durch Wahl des Litzenquerschnitts und der Litzen länge variabel ist. 7 Patentansprüche 11 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Anordnung zur Abführung der durch Verlustleistung bedingten Wärme von Schichtschaltungen an ein die Schichtschaltungen aufnehmendes metallisches Gehäuse, gekennzeichnet durch wenigstens ein hochflexibles und gut wärmeleitendes litzenartiges Verbindungselement, dessen eines Ende mit einem massiven, gut wärmeleitenden Anschluss (Kontaktstück) in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle (Wärmenest) mit der Substratrückseite der Schichtschaltung verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem massiven, gut wärmeleitenden Anschluss (Kontaktstück) an einem wärmeableitenden Teil des Gehäuses befestigt ist. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Substratrückseite der Schichtschaltung und Kontaktstück des Verbindungselementes ein flexibles, gut wärmeleitendes Blech (Wärmeleitblech) angeordnet ist. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech durch Kleben auf dem Substrat befestigt ist. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitblech zugleich ein elektrisches Abschirmblech bildet mit Anschlussgoemetrie zur Verbindung mit Masseanschlüssen der Schichtschaltung. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t dass die Verbindung des Kontaktstückes des Verbindungselementes mit dem Gehäuse durch Schrauben, Nieten oder Klemmen in variablen Lagen erfolgt. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente paarweise angeordnet sind. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verbindungselemente derart symmetrisch ausgebildet sind, dass sie ein gemeinsames mittleres Kontaktstück aufweisen.

Inventors: DREKMEIER, KARL GERD, REITHMAIER, EGON
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H01L23
IPC codes: H05K7