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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lösbaren Verbindung mit niedrigem
Wärmeübergangswiderstand zwischen Verlustwärme abgebenden Halbleiterbauelementen und einem Kühlkörper durch Kleben mittels elektrisch isolierenden Klebers unter Anwendung zwischengefügter elektrisch isolierender
Distanzstücke.
Aus der Schweizer Patentschrift Nr. 478456 ist eine Anordnung mit mindestens einem Halbleiterelement und Mitteln zur Abführung der in diesem erzeugten Wärme, welche Mittel aus einem Wärmespeicher, einem
Kühlkörper und einer zwischen diesen befindlichen Isolation bestehen, bekannt, bei der das Halbleiterelement strom-und wärmeleitend auf einem metallischen Wärmespeicher befestigt ist, der unter Zwischenlage einer
Isolation auf einem Kühlkörper befestigt ist. Aus dieser Literaturstelle ist es bekannt, ein Halbleiterbauelement mit einem Kühlkörper unter Zwischenschaltung von Glimmer als einem spaltbaren, isolierenden Material minimaler Dicke durch Verschraubung trennbar zu verbinden.
Anderseits ist die Anwendung von elektrisch isolierenden Distanzstücken zwischen einem
Halbleiterbauelement und einem mit diesem zu verbindenden Kühlkörper beim Kleben mittels elektrisch isolierenden Klebers aus der österr. Patentschrift Nr. 259627 bekannt, wobei die Zwischenfügung von Glimmer bei
Schraubverbindung auch in dieser Literaturstelle genannt ist.
Beide bekannte Verbindungsarten von Halbleiterbauelementen mit einem Kühlkörper weisen Nachteile auf, deren Vermeidung Aufgabe der Erfindung ist.
Bei einer lösbaren Verbindungsart ohne Verkleben der zu verbindenden Bauteile, bei der diese durch
Schrauben aneinander befestigt werden, ist die Grösse des Wärmeübergangswiderstandes sehr stark von dem jeweils angewandten Pressdruck abhängig. Deshalb scheiden derartige Befestigungsarten für den Fall, den die
Erfindung betrifft, ganz aus.
Bei der andern bekannten Verbindungsart durch Kleben unter Zwischenfügen fadenförmiger Distanzstücke an der das Halbleiterbauelement mit dem Kühlkörper verbindenden Klebstelle besteht der Nachteil, dass diese
Distanzstücke den Abstand zwischen den einander zugekehrten Flächen des Halbleiterbauelementes und des Kühlkörpers vergrössern und dadurch eine sehr stark ins Gewicht fallende Vergrösserung des Wärmeübergangswiderstandes verursachen.
Zur Verbesserung des Wärmeüberganges von dem wärmeabgebenden Halbleiterbauteil zu dem Kühlkörper bei lösbarer Schraubverbindung zwischen diesen beiden Bauteilen hat man versucht, in den Zwischenraum zwischen denselben gut wärmeleitende Stoffe einzuführen, die die unvermeidlichen Luftzwischenräume zwischen den beiden aneinanderliegenden Flächen gut und vollständig ausfüllen. Als solche Stoffe bieten sich aus der einschlägigen Werkstofftechnik die bekannten, gut wärmeleitenden Polysiloxane an, die als Silikonöle, Silikonfette und Silikonharze bekannt sind.
Durch eine zwischen die aufeinanderliegenden Flächen von Halbleiterbauelement und Kühlkörper eingeführte Schicht von Silikonöl oder Silikonfett, die mit Vorteil noch gut wärmeleitende Beimengungen enthält, ist eine ausreichende Wärmeabfuhr zum Kühlkörper erreichbar, und ausserdem ist es möglich, einzelne an einem gemeinsamen Kühlkörper angebrachte Halbleiterbauelemente von diesem wieder zu trennen. In Anlagen, in denen derartige Anordnungen Verwendung finden, und in denen auch Schaltelemente mit offenen Kontakten, wie Relais oder ähnliche Schaltelemente, vorhanden sind, hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Silikonölen bzw. Silikonfetten dazu geführt hat, dass Kontaktschwierigkeiten bei diesen offenen Kontakten aufgetreten sind.
So ist z. B. in der Zeitschrift "Der Fernmeldeingenieur" (15. 7. 1968), 22Jg., Heft 7 ein Aufsatz von Gabriel Thorma mit dem Titel "Untersuchungen über schädliche Einflüsse von Silikonen an Schwachstromkontakten in der Vermittlungstechnik"erschienen, in dem unter Punkt 6. 2. 2 auf Seite 30 der genannten Zeitschrift die ungünstige Einwirkung der Silikone auf die Schaltzuverlässigkeit der Prüfkontakte behandelt ist.
Gleichartige Feststellungen sind einem Aufsatz von Theodor Gerber, Bern, mit dem Titel "Umgebungsbedingte Einflüsse auf Schwachstromkontakte", abgedruckt in der Zeitschrift "Technische Mitteilungen PPT", Jg. XLIV (1966), 8, Seite 246 bis 249, entnehmbar, in dem ausserdem ein umfangreiches Literaturverzeichnis zu diesem Gegenstand enthalten ist. Eine weitere Literaturstelle zu diesem Problem findet sich in den "Unterrichtsblättern der Deutschen Bundespost", [1964], Jg. 17, Nr. 2, auf Seite 45 unter der Überschrift"Kontaktschäden durch Silikone".
Durch diese Literaturstellen ist es nachgewiesen, dass die Verwendung von Silikonölen oder Silikonfetten zur Sicherstellung eines guten Wärmeüberganges von Verlustwärme abgebenden Halbleiterbauelementen an Kühlkörpern in Anlagen, in denen auch offene Kontakte Verwendung finden, nicht zulässig ist. Man hat versucht das Auswandern von Silikonölschichten oder Silikonfettschichten zwischen der Grundplatte des betreffenden Halbleiterbauelementes und der Kühlkörperoberfläche dadurch zu verringern, dass man an der Trennfuge zwischen diesen beiden Flächen dichtende Abschlüsse in Form von Sickendichtungen angebracht hat. Es hat sich erwiesen, dass auch diese Massnahme gegen die Ausbreitung der Silikonöle und Silikonfette nicht wirksam ist, so dass auch darin keine wirksame Lösung des Problemes gesehen werden kann.
Nun ist man aber gerade in Fernmeldevermittlungsanlagen darauf angewiesen, offene Kontakte neben Halbleiterbauelementen zu verwenden, die oft an einem für mehrere bis viele Halbleiterbauelemente gemeinsamen Kühlkörper befestigt sind. Bei solchen Anordnungen ergibt sich nun oft die Aufgabe, ein einziges schadhaft
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gewordenes Halbleiterbauelement auszuwechseln, ohne dass man gezwungen wäre, eine Mehrzahl noch verwendungsfähiger Halbleiterbauelemente ebenfalls wegzugeben, weil sie an dem betreffenden Kühlkörper untrennbar fest angebracht sind.
Demnach stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art anzugeben, das die vorstehend beschriebenen Nachteile bekannter Verbindungsarten von Verlustwärme abgebenden
Halbleiterbauelementen mit Kühlkörpern vermeidet.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch isolierende, in an sich bekannter Weise aus Glimmer bestehende, flächig ausgebildete Zwischenschicht auf beiden Oberflächen mit einem aushärtenden Kunststoffkleber bestrichen und an denjenigen Stellen, an denen die Halbleiterbauelemente auf dem Kühlkörper befestigt werden sollen, auf den Kühlkörper aufgelegt wird, worauf die Halbleiterbauelemente auf die Zwischenschicht aufgelegt und unter Pressdruck mit dieser verklebt werden. Durch das erfindungsgemässe Verbindungsverfahren ist eine wesentliche Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes von dem wärmeabgebenden Halbleiterbauelement zu dem Kühlkörper erreichbar.
Messungen desselben haben ergeben, dass Werte von 0, 4 bis 1, 6 C/W bei vergleichbaren bekannten Verbindungsarten solchen von 0, 18 bis 0, 200C/W bei Verbindungen gegenüberstehen, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden sind.
Stellt sich die Notwendigkeit heraus, ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren an einem Kühlkörper aufgeklebtes Halbleiterbauelement gegen ein anderes Halbleiterbauelement auszutauschen, so bietet die Ablösung des z. B. schadhaft gewordenen, zu entfernenden, Halbleiterbauelementes nach Lösen der Elektrodenanschlüsse und der Befestigungsschrauben keine Schwierigkeiten, denn es genügt ein leichter Schlag auf die Grundplatte des abzutrennenden Bauelementes in paralleler Richtung zur Oberfläche des Kühlkörpers, um eine Spaltung der Zwischenschicht herbeizuführen, so dass das Halbleiterbauelement von dem Kühlkörper getrennt werden kann.
Ist der am Kühlkörper festhaftende Teil der Zwischenschicht mehrfach spaltbar, so kann ein an die Stelle des entfernten Halbleiterbauelementes tretendes anderes Halbleiterbauelement direkt auf diesen Teil der Zwischenschicht aufgeklebt werden. Andernfalls ist es nötig, ein neues, beidseitig mit aushärtendem Kunststoffkleber bestrichenes Zwischenstück auf den Kühlkörper aufzulegen und darauf das Ersatz-Bauelement durch Kleben anzubringen, das unter Pressdruck durch die Befestigungsschrauben mit der Zwischenschicht durch den Kleber untrennbar verbunden wird.
Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Verbindung eines Halbleiterbauelementes, mit einem Kühlkörper, der auch für mehrere Halbleiterbauelemente gemeinsam vorgesehen sein kann.
In Fig. 1 ist der Zusammenbau eines Halbleiterbauelementes mit dem Kühlkörper in Seitenansicht, in Fig. 2 in Ansicht in Richtung des Pfeiles in Fig. 1 gezeigt. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Klebestelle in vergrösserter Darstellung.
Das Halbleiterbauelement--l---beispielsweise ein Leistungstransistor oder ein anderes ähnliches Halbleiterbauelement-ist an dem Kühlkörper--2--durch Kleben befestigt, wobei der bis zum Aushärten des Kunststoffklebers nötige Pressdruck durch zwei Befestigungsschrauben-3 und 4--ausgeübt wird. Zwischen der Grundplatte--5--des Halbleiterbauelementes und der dieser zugekehrten Oberfläche des Kühlkörpers --2-- ist die in Fig. 3 vergrössert gezeigte flächig spaltbare Zwischenschicht --8-- angeordnet, die mittels der
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mehreren Flächenschichten bekannt ist.
In Fig. 2 ist noch eine Bohrung--9--im Kühlkörper gezeigt, durch dieein stiftförmiges Werkzeug hindurchsteckbar ist, mit dessen Hilfe ein abzulösendes Halbleiterbauelement unter Spaltung der Zwischenschicht - leicht vom Kühlkörper ablösbar ist. Ferner sind noch die Elektrodenanschlüsse--10, 11 und 12-gezeigt.