DE3612862A1

DE3612862A1 - Kuehlkoerperbefestigungsanordnung fuer einen halbleiter

Info

Publication number: DE3612862A1
Application number: DE19863612862
Authority: DE
Inventors: David van Dearborn Mich. Voorhis Tinder
Original assignee: Lear Corp EEDS and Interiors
Current assignee: Lear Corp EEDS and Interiors
Priority date: 1985-04-29
Filing date: 1986-04-16
Publication date: 1986-11-06
Also published as: FR2581249A1; US4707726A; FR2581249B1

Description

Kühlkörperbefestigungsanordnung für einen Halbleiter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlkörperbefestigungsanordnung für einen Halbleiter und betrifft insbesondere eine Anordnung zum Befestigen von in Gehäusen, beispielsweise TO-220-Gehäusen, verkapselten Halbleitern in fester Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlkörper.

\jy Die Wärme, die durch verschiedene Halbleiter, beispielsweise Leistungstransistoren und dgl., erzeugt wird, muß durch einen wirksamen Kühlkörper abgeleitet werden, um an der Transistorübergangszone eine zulässige Temperatur aufrechtzuerhalten. Leistungstransistoren werden in verschiedenen geometrischen Konfigurationen verkapselt, ein repräsentatives Gehäuse ist aber das TO-220-Gehäuse, das ziemlich häufig benutzt wird. Bei der Verkapselung in einem TO-220-Gehäuse ist der Transistor in einen relativ dünnen, geradlinigen, gepreßten oder gespritzten Block oder Körper aus elektrisch nichtleitender Vergußmasse, wie beispielswei-

se Epoxy od.dgl., eingekapselt. Ein flacher Befestigungslappen oder eine flache Befestigungsplatte aus Metall ist ebenfalls vorgesehen, erstreckt sich von dem Block aus und bildet eine Seite des Gehäuses. Der so verkapselte Halbleiter wird dann normalerweise in guter Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlkörper angeordnet, damit unerwünschte Wärme abgeleitet wird. Es gibt eine Vielzahl von Anordnungen zum Befestigen von solchen verkapselten Transistoren an Kühlkörpern.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei bekannte Methoden zum Befestigen eines Leistungstransistors, der in einem TO-220-Gehäuse enthalten ist, an einem Kühlkörper. Fig. 1 zeigt einen Leistungstransistor 110 in einem TO-220-Gehäuse, wobei der Halbleiter in einen elektrisch nichtleitenden Block 112 eingeschlossen ist, der mit einer über ihn vorstehenden Metallplatte 114 versehen ist. Die Platte 114 hat eine Durchgangsöffnung 116 zum Befestigen des Transistorgehäuses 110 an einem Kühlkörper 120. Eine Elektrode des Transistors ist typisch mit der Platte 114 elektrisch verbunden. In den meisten Fällen muß das Halbleitergehäuse 110 von dem Kühlkörper 120 elektrisch isoliert sein, üblicherweise wird das erreicht, indem eine dünne Isolierplatte aus eingefettetem Glimmer, Kunststoff oder Silikongummi 122 zwischen den verkapselten Transistor 110 und den Kühlkörper 120 eingefügt und dann die Metallplatte 114 des Gehäuses 110 mit dem Kühlkörper 120 mittels einer Isolierscheibe oder -hülse 124 verschraubt wird, um zu verhindern, daß der Kopf der Schraube 126 einen elektrischen Kurzschluß zu der Metallplatte 114 herstellt. Diese Methode erfordert, daß ein Loch durch die Isolierplatte 122 und, noch wichtiger, durch den Kühlkörper 120 gebohrt oder gestanzt wird, das die Schraube 126 aufnimmt. Statt dessen kann der Transistor 110 an einem Druckgußkühlkörper, der entweder mit Sack- oder mit Durchgangs-

löchern versehen ist, befestigt werden, indem Schneidschrauben und die gleiche Isolierplatte 122 und die gleiche Isolierscheibe 124 benutzt werden.

In einer weiteren Anordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Kühlkörper 220 mit zwei gegenseitigen Abstand aufweisenden Durchgangsöffnungen 228 und 229 versehen. Die entgegengesetzten Schenkel einer Federklammer 230 werden durch die KühlkörperÖffnungen 228, 229 eingeführt, bis sie hinter die Rückfläche des Kühlkörpers 220 fassen und so den verkapselten Transistor 210 in Wärmeübergangsberührung mit dem Kühlkörper 220 halten. Da die Federklammer 230 nur den elektrisch nichtleitenden Block oder Körper 212 des Transistorgehäuses 210 berührt, braucht kein Äquivalent der Isolierscheibe 124 nach Fig. 1 benutzt zu werden, eine Isolierplatte 222 ist aber zwischen dem Transistor und dem Kühlkörper noch erforderlich.

Noch eine weitere Ausführungsform einer Wärmeableitvorrichtung für Halbleitervorrichtungen ist aus der US-PS 4 167 031 bekannt. Gemäß dieser US-Patentschrift wird ein Halbleiter auf einer Leiterplatte befestigt und dann in Wärmeübergangsbeziehung mit einem Kühlkörper verbunden. Die Anordnung zum Verbinden des Transistors mit dem Kühlkörper ist jedoch kompliziert und erfordert Schrauben, die sich durch den Kühlkörper erstrecken und in einen Metallring einfassen, der seinerseits eine Feder gegen den Halbleiter drückt. Weiter ist ein großer Metallhalter vorgesehen, der einen großen Teil der Verbindungsanordnung umgibt.

Noch eine weitere Anordnung zum Kuppeln von Halbleitern mit einem Satz Kühlplatten ist aus der US-PS 3 436 603 bekannt. Gemäß dieser US-Patentschrift werden federnde, blattartige Kühlplatten als Paare in einem Stapel angeordnet, wobei die beiden Platten eines Paares so ausgebildet und ausreichend

eng benachbart angeordnet sind, daß sie ein Halbleitergehäuse zwischen sich in Wärmeaustauschbeziehung aufnehmen und festhalten können. Diese Anordnung basiert auf einer genauen Bestimmung des Abstands zwischen benachbarten Kühlplatten und erfordert das Zusammenbauen der verschiedenen Kühlplatten in der gewünschten Anordnung.

Ein Nachteil einiger der vorgenannten Methoden zum Befestigen von Leistungstransistoren ist, daß sie das Herstellen von Löchern in dem Kühlkörper erfordern. Aluminiumstrangpreßteile sind typisch die wirtschaftlichsten Kühlkörper, und Löcher können nur hergestellt werden, indem sekundäre Fertigungsvorgänge benutzt werden, die die Kosten des Teils erhöhen. Die Kosten der Handhabung von mehreren Teilen für jeden zu befestigenden Transistor machen die verschiedenen verschraubten Anordnungen für die Massenproduktion zu teuer. Darüber hinaus werden in vielen kompakten Elektronikmoduln die Transistoren an dem Kühlkörper erst befestigt, nachdem die Transistoren zuerst in eine Leiterplatte gelötet worden sind. Am besten werden die Leistungstransistoren zusammen mit allen anderen Elektronikkomponenten durch Schwall-Löten mit der Leiterplatte verbunden, um Handlötvorgänge zu vermeiden und den Funktionstest der vollständigen Schaltung zu ermöglichen, während sämtliche Komponenten zur Reparatur zugänglich sind. Wenn ein konformer überzug erforderlich ist, kann er aufgebracht werden, bevor die Transistoren an dem Kühlkörper befestigt werden. Daher kann, wenn die auf der Leiterplatte befestigten Transistoren mit dem Kühlkörper zusammengebracht werden, der Zugang für Verbindungsoder Befestigungselemente sehr begrenzt sein, und je mehr Teile vorhanden sind, umso schwieriger wird der Zusammenbau.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung zum Befestigen eines Kühlkörpers an einem Halbleiter zu schaffen, wobei die Kühlkörper/Halbleiter-Befestigungsanordnung relativ einfach und wirtschaftlich herstellbar und

zusammenbaubar sein soll.

Gemäß der Erfindung wird eine verbesserte Anordnung zum Befestigen eines Halbleiters an einem Kühlkörper geschaffen, wobei in dem Kühlkörper ein Kanal gebildet ist, der durch zwei entgegengesetzte Seitenwandoberflachen des Kühlkörpers begrenzt wird und an seiner Vorderseite offen ist, wobei ein Halbleiter in dem Kühlkörperkanal angeordnet wird und wobei eine Feder, die in dem Kühlkörperkanal angeordnet ist, zwischen einer der beiden Seitenwandoberflachen und dem Halbleitergehäuse angeordnet wird, so daß diese in gegenseitige Druckberührung gebracht werden.

Der verkapselte Halbleiter ist typisch ein Leistungstransistor in einem TO-220-Gehäuse. In den meisten Ausführungsformen hat der in dem Kühlkörper gebildete Kanal eine ausreichende Länge, um mehrere diskrete Halbleitergehäuse aufnehmen zu können, und ein oder mehrere, unabhängig voneinander wirkende Federarme sind vorzugsweise jedem Transistorgehäuse zugeordnet. In einer bevorzugten Anordnung sind die Federarme, die mehreren Transistorgehäusen innerhalb eines Kühlkörperkanals zugeordnet sind, jeweils an einem Ende zu einer kammartigen Anordnung miteinander verbunden, um das Handhaben und Zusammenbauen zu erleichtern. Die Größe und der Abstand benachbarter Federn sind so gewählt, daß bei einem vorbestimmten Mindestabstand zwischen benachbarten Transistorgehäusen kein einzelner Federarm mehr als ein Transistorgehäuse berührt, während zwei oder drei Federarme jedes Transistorgehäuse berühren. Jedes Federelement hat vorzugsweise die Form eines konvexen Federarms oder -bügeis und ist an seinen entgegengesetzten Enden mit einer der Seitenwandoberflachen des Kühlkörperkanals und an seinem Mittelteil mit dem elektrisch nichtleitenden Block in Berührung, in den der Halbleiter eingekapselt ist. Die Enden jedes Federarms können etwas zurückgebogen sein, um die Biegung innerhalb des Kühlkörperkanals zu erleichtern. Ein

dünnes, elektrisch isolierendes Material kann zwischen dem Metallplattenbasisteil des verkapselten Halbleiters und der anderen Seite des Kühlkörperkanals vorgesehen sein, wenn diese Isolierung erforderlich ist. Der verkapselte Halbleiter wird typisch vorher mit einer Leiterplatte zusammengebaut, bevor er mit dem Kühlkörper zusammengebaut wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in auseinandergezogener Darstellung eine bekannte Anordnung zum Befestigen eines Leistungstransistors an einem Kühlkörper,

Fig. 2 eine Schnittansicht, die eine weitere bekannte Anordnung zum Befestigen eines Leistungstransistors an einem Kühlkörper zeigt,

Fig. 3 in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung die Transistor- und Kühlkörperbefestigungsanordnung nach der Erfindung und

Fig. 4 eine Endansicht der Kühlkörper- und Transistorbefestigungsanordnung nach der Erfindung nach dem Zusammenbau .

Wie oben erläutert zeigen die Fig. 1 und 2 bekannte Anordnungen zum Befestigen von Halbleitern in Form der Leistungstransistoren 110, 210 an den Kühlkörpern 120 bzw. 220.

Die Erfindung wird nun anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben. Gemäß Fig. 3 ist eine Reihe von Leistungstransistoren 10 in TO-220-Gehäusen in einer oder mehreren Zeilen mit deren Metallplatten 14 rechtwinkelig zu einer Leiterplatte 30 befestigt. Ein Fortsatz 32 eines gepreßten oder gespritzten Verbinders 34 (deutlicher in Fig. 4 zu erkennen) dient zur Halterung der Transistoren 10 in dieser rechtwinkeligen Position, während sie durch Schwall-Löten mit der Leiterplatte 30 verbunden werden. Nach dem Schwall-Löten ist die elektro-

nische Schaltung, in der die Transistoren 10 benutzt werden, fertig und kann einem Funktionstest unterzogen werden, wobei, falls erforderlich, vorübergehend Kühlkörper an die Leistungstransistoren geklemmt werden, und kann dann nach Bedarf repariert und/oder überzogen werden.

Der Kühlkörper 20 ist ein Aluminiumstrangpreßteil, das mehrere parallele Kühlrippen 36 hat. Ein Schlitz oder Kanal ist in dem Kühlkörper 20 zwischen zwei im wesentlichen parallelen Wänden 38a und 38b gebildet. Der Kanal 38 ist an seiner Vorderseite offen und an seiner Rückseite durch eine Oberfläche 38c verschlossen. Der Kanal 38 kann in dem Kühlkörper 20 durch eine Aussparung in der Hauptmasse des Kühlkörpers oder durch zwei Seitenwände, die sich von dieser Masse aus erstrecken wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel oder durch eine Kombination davon gebildet werden. Der Abstand zwischen den entgegengesetzten Wänden 38a, 38b des Kühlkörperkanals 38 wird so gewählt, daß dieser die Dicke der Transistoren 10, den Glimmerstreifen 22 sowie eine Federvorrichtung 40 in enger gegenseitiger Berührung in sich aufnehmen kann.

Gemäß der Erfindung besteht die Federvorrichtung 40 vorzugsweise aus einer Reihe von Federarmen oder -fingern 42, die parallel zueinander, mit gegenseitigem Abstand voneinander längs eines gemeinsamen Verbindungssteges 44 wie bei einem Kamm angeordnet sind. Mit dem Steg 44 ist jeder Federarm 42 an einem Ende verbunden, wogegen das andere Ende jedes Federarms frei ist. Die Federarme 42 sind zwar hier im Zusammenhang mit einem gemeinsamen Verbindungssteg 44 dargestellt und beschrieben, es ist jedoch klar, daß in manchen Fällen einzelne Federarme 42 auch benutzt werden könnten.

Die Federvorrichtung 40 besteht aus Federstahl od. dgl., und jeder Federarm 42 hat insgesamt eine konvexe Form, so

/M

daß seine entgegengesetzten Enden mit der Kanalwandoberfläche 38a in Berührung bringbar sind und sich der Mittelteil in dem Kanal 38 nach innen erstreckt und mit dem Verkapselungsblock oder -körper 12 eines Transistors 10 in Berührung bringbar ist. Die entgegengesetzten Enden jedes Federarms 42 sind etwas zurückgebogen, um das Biegen der Feder zu erleichtern, ohne daß diese sich in der Wand 38a des Kanals 38 "festbeißt¹¹.

Durch Herstellen der Federarme 42 als Teil einer Baugruppe, in der sie durch den Steg 44 miteinander verbunden sind, ist es möglich, die Baugruppe auf die gewünschte Länge zuzuschneiden und die Federn als eine Einheit in dem Kanal 38 anzuordnen. Bei der dargestellten Ausführungsform haben die einzelnen Federfinger 42 eine Breite von ungefähr 3 mm und einen gegenseitigen Abstand von etwa 0,7 mm. Ihre Länge von einem Ende zum anderen beträgt etwa 18 mm, wobei die Tiefe des konvexen Mittelteils etwa 2,6 itm beträgt. Jeder verkapselte Transistor 10 hat eine Breite von etwa 9 mm, und der gegenseitige Abstand der Transistoren beträgt etwa 3 mm, so daß zwei oder drei Federfinger 42 einen besonderen Transistor erfassen können. Aufgrund dieser Dimensionierung der Federarme 42 und der Transistoren 10 wird jedoch normalerweise ein einzelner Federarm 42 nicht zwei benachbarte Transistoren 10 berühren, und gewiß ist nicht ein einzelner Federarm 42 erforderlich, um die Haupthaltekraft für ein Paar benachbarter Transistoren 10 zu liefern. Diese Anordnung kompensiert gewisse Abweichungen in der Große und Dicke von benachbarten Transistoren 10.

Fig. 4 zeigt die Transistoren 10 im mit dem Kühlkörper 20 zusammengebauten Zustand unter Verwendung der Befestigungsanordnung nach der Erfindung. Zum Zusammenbauen wird der isolierende Glimmerstreifen 22 auf beiden Seiten mit thermischem Fett überzogen, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Falls der Isolator 22 nicht erforderlich ist, kann

das thermische Fett direkt entweder auf die Transistormetallplatte 14 oder auf die Wand 38b des Kanals 38 aufgetra gen werden. Die Federvorrichtung 40 wird dann in dem Kanal 38 so angeordnet, daß sich der Verbindungssteg 44 entweder innen (wie dargestellt) oder außen in dem Kanal befindet und sich die Mittelteile zur Mitte des Kanals erstrecken. Die verkapselten Transistoren 10, die zuvor mit der Leiter platte 30 zusammengebaut worden sind, werden dann in dem Kanal 38 zwischen die Federvorrichtung 40 und den Isolator 22 eingeführt. Die konvexe Form der einzelnen Federarme ergibt eine schräge Oberfläche, die das Einführen der Transistoren erleichtert. Wenn die Transistoren 10 in den Kanal 38 zu dessen Rückwand 38c hin gedrückt werden, übt die schräge Fläche der Federarme 42 Druck auf diejenigen Federn aus, die sich zwischen dem Körper der Transistoren 10 und der Wand 38a des Kanals befinden. Wenn die Transistoren 10 ganz in den Kanal 38 eingeschoben sind, ist der Körper 12 der verkapselten Transistoren 10 durch den Mittelteil der Federarme 42 erfaßt und die Transistoren sind durch den Federdruck in inniger Berührung mit der Wand 38b des Kanals 38 über den eingefetteten Isolator 22. Es hat sich gezeigt, daß die Druckkraft der Federarme 42 eine gute Wärmeübergangsbeziehung zwischen den Transistoren 10 und dem Kühlkörper 20 gewährleistet und daß diese Wärmeübergangsbeziehung über zahlreiche und extreme Arbeitsspie le aufrecht erhalten wird.

Die Länge wenigstens eines der Teile, die die entgegengesetzten Wände 38a, 38b des Kühlkörperkanals 38 bilden, ist so, daß es einen Teil der Verbindervorrichtung 34 erfaßt, bevor die Metallplatten 14 der Transistorgehäuse 10 die Bodenwand 38c des Kanals 38 erreichen, wodurch eine elektrisch leitende Metall/Metall-Berührung zwischen den Metallplatten 14 und dem Kühlkörper 20 verhindert wird. Die in Fig. 4 gezeigt zusammengebaute Anordnung bewirkt nicht nur, daß die Transistoren 10 in guter Wärmeübergangsbeziehung zu dem Kühlkörper 20 festgehalten werden, sondern er-

laubt auch, diese Transistoren zur Reparatur und/oder zum Austausch und Wiedereinbau einfach zu entfernen.

Claims

United Technologies Automotive/ Inc. Dearborn, Michigan 48126, V.St.A.

Patentansprüche :

2/ Kühlkörperbefestigungsanordnung für einen Halbleiter, gekennzeichnet durch:

einen Kühlkörper (20), in welchem ein Kanal (38) gebildet ist, der durch zwei entgegengesetzte Seitenwandoberflachen (38a, 38b) des Kühlkörpers (20) begrenzt und an seiner Vorderseite offen ist,

einen verkapselten Halbleiter (10), der in dem Kühlkörperkanal (38) angeordnet ist, und

eine Federvorrichtung (40), die in dem Kühlkörperkanal (38) und zwischen einer der beiden Seitenwandoberflachen (38a) und dem Halbleiter (10) in gegenseitiger, entgegengesetzter Druckberührung mit diesen angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verkapselte Halbleiter (10) ein in einem elektrisch nichtleitenden Körper (12) verkapselter Halbleiter ist, wobei der Körper (12) an einer elektrisch leitenden Metallplatte (14) befestigt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Metallplatte (14) des Halbleitergehäuses in der Nä-

he der anderen Seitenwandoberflache (38b) des Seitenwandoberflächenpaares des Kühlkörperkanals (38) befindet und daß ein dünnes, elektrisch isolierendes Material (22) zwischen der anderen Seitenwandoberflache (38b) und der Metallplatte (14) angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die Federanordnung (40) nur den elektrisch nichtleitenden Körper (12) des Halbleitergehäuses berührt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung (40) wenigstens eine Feder (42) von insgesamt konvexer Form aufweist, deren entgegengesetzte Enden mit der einen Seitenwandoberflache (38a) des Kühlkörpers (20) in Berührung sind und deren Mittelbereich mit dem Halbleitergehäuse in Berührung ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörperkanal (38) langgestreckt ist und mehrere Halbleiter (10) enthält, die in ihm über seiner Länge angeordnet sind, und daß die Federvorrichtung (40) mehrere Federarme (42) aufweist, die an einem Ende wie bei einem Kamm miteinander verbunden sind, wobei jeder Federarm nur einem der Halbleiter (10) zugeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verkapselten Halbleiter (10) auf einer Leiterplatte (30) vormontiert sind.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Federarm (42) konvex geformt und so angeordnet ist, daß er im Anschluß an das Positionieren in dem Kanal (38) eine schräge Oberfläche aufweist, die den Eintritt der Halbleiter (10) führt.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Federarm (42) an seinen entgegengesetzten Enden zurückgebogen ist, um das Biegen in dem Kühlkörperkanal (38) zu erleichtern.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verkapselten Halbleiter (10) sich jeweils in einem TO-220-Gehäuse befinden.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der verkapselte Halbleiter (10) in einem TO-220-Gehäuse befindet.