CN102869239B - 一种发热电子器件与散热器件的紧固方法 - Google Patents

Abstract

一种发热电子器件与散热器件的紧固方法，涉及电子器件的生产工艺，使用填充物配合螺纹零件在螺纹零件的紧固方向上的行进，使得所述填充物在螺纹零件到达预定的安装位置时产生形变，并对发热电子器件和螺纹零件形成与螺纹零件的行进方向垂直的将发热电子器件挤压到散热器件上的分力。本发明解决了需冷却的部件的附近其他因正常工作需要存在的各种器件的空间需求和装配过程中用常规方法紧固需冷却的部件所产生的物理空间需求之间的冲突问题，及与电子产品应用中为提高电气性能所产生的器件间的相对物理空间需求之间的冲突问题。

Description

一种发热电子器件与散热器件的紧固方法

技术领域

本发明涉及电子器件的生产工艺，特别是需要通过散热器件将发热电子器件进行即时散热的器件生产工艺技术领域。

背景技术

在现代的电子技术高速发展中，单个电子芯片或元器件的工作频率越来越高，而电子产品的外围尺寸却越来越小，这导致工作时的发热问题越来越成为一个技术难点。如为了保持PC主板上的主CPU正常工作，需要为其量身定制一个带风扇的散热器，并牢牢地用螺丝紧固散热器于CPU上方的扁平面；有的甚至要用小型泵和液冷的方式将热传到易安放的铜管处，最后由风扇将热排出PC外。对于变频器或数字化的电源应用，大量的功率电子如MOSFET或IGBT器件的场合因这些功率电子非理想化开关的原因在正常工作时在其体内产生大量的热，需要一定的途径被散出体外，并最终散到变频器或电源的外界工作环境中。在绝大多数的情况下，会有散热器界于功率电子和外界工作环境之间来缓冲功率电子本身发热时因其热容量过小而导致其内部结温升过快的问题，同时向外部环境传导或散出热量，使功率电子的直接外部环境温度由缓慢变化的散热器温度定义。但要确实保证功率电子的直接外部温度可由散热器温度来定义，除需要使用高导热率的材料来传导热和增加散热接触面积外，保证功率电子和散热器接触面之间有一定的压力也是必须的。否则，一般情况下空气会填充接触面表面因制造公差原因而出现的不可避免的微型空洞，而空气的导热能力很差，这会导致散热器温度和功率电子表面之间的温差很大，严重时导致功率电子过热死。

现有的保证接触面间的压力的常规手段是用螺丝紧固件在散热面的垂直方向上直接紧固施加压力来夹紧发热电子器件的发热面和散热器的接触面，或者通过弹簧片或弹簧夹来给出压力。然而，沿垂直方向紧固螺丝或螺栓的办法需要满足因装配过程而产生的空间需求，譬如普通螺丝刀的进刀空间。如图1所示，电子器件3为TO220封装时，其封装厚度只有1厘米左右，当两个这样的器件需要距离很近安放时，如何拧紧螺丝6是个问题，当其他器件7因电气要求必须安放图示位置时，更进一步要求器件3左移压缩两个TO220封装间的距离，加剧拧螺丝的困难。对于表面贴的器件，为配合紧固其到散热器上的要求往往需在电路板上开孔导致电路板的可使用面积的减少，并且常规手段最终还是转化为垂直螺丝紧固方式来夹紧电路板的传热面和散热器的散热面。

如图2所示，采用弹簧夹9的固定手段，缺点一是为实现弹性形变产生压力其本身必须占据一定的体积，而这个体积占用的空间不小；二是在要求高可靠性和长寿命的应用中，对金属疲劳度及耐腐蚀的考虑，对弹片在所有误差范围内工作形变中保证最小工作压力的设计考虑，和装配中放置弹簧片的方便操作性的考虑，导致对弹簧夹的设计和制造要求比较高，成本较高。

对于紧固方向和散热面平行的常规做法，如图2所示，使用楔形零件10进行固定的方式。然而对于长期有振动的应用中，如何保证这种楔形零件10自保持在紧固位置就颇为困难；对于使用中经常面临着热胀冷缩的工作环境的应用，如何选取这种楔形零件的材料使得它和被紧固件之间有较一致的热膨胀系数也是很困难的。如图2中的楔形体即使是用可形变的工程塑料也很难保证使用中不松脱。所以当要求高可靠性地使紧固零件自保持在紧固位置时，一些创造性的思路突破就不可避免。

综上所述，如何在给定的空间里在高可靠性地满足基本的散热需求时，既能不影响装配过程的方便操作性，又能低成本地高可靠性地实现电子产品功率密度最大化（从机械空间和热设计角度），是个电力电子领域里非常有价值和具有挑战性的问题。

发明内容

本发明目的是提出一种方便安装、连接可靠的发热电子器件与散热器件的紧固方法。

本发明技术方案是：使用填充物配合螺纹零件在螺纹零件的紧固方向上的行进，使得所述填充物在螺纹零件到达预定的安装位置时产生形变，并对发热电子器件和螺纹零件形成与螺纹零件的行进方向垂直的将发热电子器件挤压到散热器件上的分力。

本发明使用可拆除零件上的螺纹和散热器件上的螺孔或在整个装配体中与散热器件有固定连接关系的机械连体上的螺孔相配合的方式使得螺纹零件自行保持在需要的安装固定位置，并在该位置对发热器件的发热面形成长期可靠的挤压力，以使发热电子器件与散热器件保持稳定、全面的贴合，达到通过面与面的热传导效果，以解决发热电子器体及时散热的问题。

本发明方便生产中将发热电子器件与散热器件的贴合的装配需要，且这种连接方式稳定性好，可经受运动过程，特别是振动，还可经受温度差较大的变化，也不会发生松驰，另外，本发明无需采用绝缘的螺纹零件衬套，就可实现绝缘。本发明的这种稳定的连接方式，还可取消电路板与散热器件或外壳的固定连接，可达到进一步方便生产、降低生产成本的目的。

本发明填充物可以为独立于发热电子器件的可变形体，即制造一个独立的填充物，填充物也可以为发热电子器件的一部分，如TO220，TO247等此类封装的MOSFET，IGBT，或BJT这样的电子器件大都有用树脂材料做的不导电且有较高硬度的外壳，通过发热电子器件自身的材料——外壳也能形成与可变形的填充物相同的效果。

当填充物为独立于发热电子器件的可变形体时，可以直接采用塑料件。既方便生产、降低成本，还可以通过塑料配方来选择填充物的适应性工作温度和变形系数。

本发明具体的方式可以是：在与散热器件的接触面相背的发热电子器件外侧布置填充物，在远离发热电子器件的所述填充物的外侧固定螺纹零件，所述螺纹零件的轴向与散热器件的接触面平行。

本发明可以在成对的发热电子器件之间布置两组所述填充物，所述螺纹零件布置在两组填充物之间。

所述螺纹零件的外端支撑在散热器件的通孔或螺孔中。

所述螺纹零件的外端支撑在与散热器件有固定连接关系的机械连体上的通孔或螺孔中。

与可拆除零件的螺纹配合的散热器上的螺孔或者与散热器件有固定连接关系的机械连体上的螺孔，当填充物在可拆除零件到达预定的安装固定位置时对可拆除紧固零件形成的沿散热器件接触面平行方向的摩擦力和对其形成的沿散热器件接触面垂直方向的挤压力都能满足正常工作所需的抗振动要求时，可用通孔替代。

本发明所述螺纹零件可以直接用自攻螺丝。

螺纹零件和填充物在要求被挤压发热器件和散热器间实现绝缘的目的或低成本实现方案时，可用普通金属制造的自攻螺丝和适合工作温度要求的塑料来实现。

附图说明

图1为现有技术采用紧固螺丝进行安装的示意图。

图2为现有技术采用弹簧夹和楔块进行安装的示意图。

图3为本发明产品的第一种结构示意图。

图4为本发明产品的第二种结构示意图。

图5为本发明产品的第三种结构示意图。

图6为本发明产品的第四种结构示意图。

图7为本发明产品的第五种结构示意图。

图8为本发明产品的第六种结构示意图。

图9为本发明产品的第七种结构示意图。

图10为具有塑性封装壳体的发热电子器件的结构示意图。

具体实施方式

现有技术：图1中，1为散热器，2为散热器接触面，3为发热的电子器件，4为电路板，5为电子器件3的发热面，6为螺丝，7为其它电子器件，8为用于紧固螺丝6的螺丝刀。

图2中，9为用于压紧两个发热的电子器件的弹簧夹，10为用于卡住两个发热的电子器件的楔块10。

本发明的实施例：

例一：如图3所示，在与散热器件1的接触面2相背的发热电子器件3外侧布置可变形的填充物12，在填充物12的背面固定螺纹零件11，螺纹零件11的轴向与散热器件1的接触面2平行。

以上螺纹零件11可以为自攻螺丝，可变形的填充物12可以为塑料件。

通过以上方式，达到了使用可变形的填充物12配合螺纹零件11在紧固方向上的行进，使得填充物12在螺纹零件11到达预定的安装位置时产生形变，并对发热电子器件3和螺纹零件11形成与行进方向垂直的将发热电子器件3挤压到散热器件1上的分力。

其中螺纹零件11的螺纹和散热器件上的螺孔13螺纹连接。

例二：如图4所示，在成对的发热电子器件31和32之间布置两组填充物121和122，螺纹零件11则布置在两组填充物121和122之间，通过一只螺纹零件11对两组填充物121和122进行挤压，两组填充物121和122将向外施力作用于各自的发热电子器件31和32上，使各发热电子器件31和32分别挤压到两侧的散热器件1上。该例中，螺纹零件11的上端螺纹连接在散热器件1上端的螺孔13中。

机械振动或热膨胀冷收缩带来的使螺纹零件11偏离安装位置的机械力都有螺纹和螺孔13的咬合力来承担了。

例三：如图5所示，在散热器件1外设置有外壳14，散热器件1通过连接螺钉15与外壳14固接，其它类同例二，不同的是：螺纹零件11的上端螺纹连接在外壳14的螺孔16中。

机械振动或热膨胀冷收缩带来的使螺纹零件11偏离安装位置的机械力都有螺纹和螺孔16的咬合力来承担了。

例四：如图6所示，为单个发热电子器件3与其他固定支撑面间的需被填充挤压从而压紧此发热电子器件3到散热器件1接触面上的示例。填充物121和122可事先设计成方便安装的不同形状，并预留下填充物121和122自身移动的空隙来接纳和引导螺纹零件11进入最后的安装固定位置。

以上例一至例四中，当使用带椎体状头部这样的螺纹零件11时，即使螺纹零件11尖顶不是对准填充物12安装前初始位置的空隙的正中，在螺纹零件11行进到设计安装的最终位置的过程中，填充物12也会自行被推开到发热器件3的金属发热面侧。

当不使用带椎体状头部这样的螺纹零件11时，需注意填充物12初始位置预留给螺纹零件11的最初接触部分足够大空隙来方便螺纹零件11进入最后的安装位置，避免螺纹零件11因受填充物12在沿发热面平行方向上对其造成的阻力过大而影响安装。同时，要考虑所用的填充物12材料的物理特性，以保证填充物12在螺纹零件11安装到位完成时的形变的大小不会导致对螺纹零件11进入填充物12的部分的过大阻力。

当填充物12对所至变形的程度是刚性材料时就会产生不可恢复性的塑性形变；当填充物12对所至形变的程度是柔性材料时就会产生可恢复性的弹性形变。无论是哪种形变，只要保持形变下的压力高于从散热角度考虑的所需要的挤压电子器件3的发热面到散热器件1的接触热面的压力，都可以被接受。这是因为主要形变是在与散热器接触面垂直的方向上的，这个方向上的形变导致的机械弹力也是作用在所需要的散热器接触面的垂直方向上的。但是所需压力大时，接受塑性形变可以方便选取填充物的材料如各类工程塑料；而弹性形变或者要求填充物为特殊材料或者要求填充物12的尺寸和螺纹零件11的尺寸的公差配合上的精密，使得实现起来比较困难。

例五：如图7所示，对于塑性形变，安装过程中螺纹零件11遇到的来自填充物12的与散热器件1接触面平行方向上的阻力已经不再需要螺纹和螺孔13或16的咬合来承担。

当发热电子器件3与散热器件1间的挤压力足够大时，它们彼此间的摩擦力足够大。这时，螺纹零件11和填充体间的摩擦力也足够大时，应用中抗干扰的要求可被摩擦力平衡掉，那么这时原本用来和螺纹零件11配合的螺孔就采用通孔18代替。鉴于发热电子器件3的引脚是被焊锡直接焊死固定在电路板上的。当在电路板上有多个角落或多个部分有电子器件被同样方式固定于散热器件的不同面上时，电路板也可通过前述摩擦力被固定于散热器件上。这样省去了对电路板安装到散热器上的常规的对紧固螺丝的螺丝刀进刀的开口需求或空间需求。

例六：如图8所示，由于大多数电子器件的外露金属壁和内部电路有电气上的直接连接关系，在固定其至散热器件1上散热时，往往需要考虑内部电路与散热器件1之间的绝缘问题。

本发明在发热电子器件3和散热器件1之间加设绝缘垫15的基础上，只需使用不导电的填充物12即可实现内部电路与散热器件1之间的绝缘目的。

以上各例中的填充物12均为独立于发热电子器件3的可变形体。

例七：如图9所示，当抗振动要求不高时，也可直接利用发热电子器件3自身的材料作填充物来实现和螺纹零件11的配合。

TO220，TO247等这样封装的MOSFET，IGBT，或BJT这样的发热电子器件3大都有用树脂材料做的不导电且有较高硬度的塑性封装壳体3-1来保护内部的机械上脆弱的半导体结及其与外围引脚和散热片间的电气连接，这部分封装壳体如图10的3-1所示。当如不锈钢螺钉这样的螺纹零件11和这样的发热电子器件3的塑性封装壳体3-1进行安装配合时，螺钉会在塑性封装壳体3-1上划出痕印。由于这类材料材质韧性不强，原痕印处的壳体材料会以粉状损失于安装过程中。这时和用塑料材料形成痕印却不丢失材料而能够紧紧地有弹性地包围住螺纹零件11的被挤压的螺牙不同，壳体3-1的痕印处只能在无大振动的情况下保持对螺纹零件11的挤压力。当振动过大时，痕印处有可能被振动进一步刻出更深的痕印，这样在振动消失后，对螺纹零件11的挤压力就会减少，严重时导致紧固散热器件不能被压紧在散热器接触面上。当然这种不尽人意的缺点主要是现行的电子器件封装普遍所用的材质所致，如果将来MOSFET等器件的外壳封装材料普遍使用有机械韧性的高温塑料材料来实现，直接使用壳体3-1做填充物的方法还是可以用到如电动汽车这样的应用中去。

Claims (9)

1.一种发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于使用和发热电子器件直接接触的填充物配合螺纹零件在螺纹零件的紧固方向上的行进，使得所述填充物在螺纹零件到达预定的安装位置时产生形变，并对发热电子器件和螺纹零件形成与螺纹零件的行进方向垂直的将发热电子器件挤压到散热器件上的分力。

2.根据权利要求1所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于所述填充物为独立于发热电子器件的可变形体。

3.根据权利要求2所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于所述可变形体为塑料件。

4.根据权利要求1所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于所述填充物为发热电子器件的一部分。

5.根据权利要求1所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于在与散热器件的接触面相背的发热电子器件外侧布置填充物，在远离发热电子器件的所述填充物的外侧固定螺纹零件，所述螺纹零件的轴向与散热器件的接触面平行。

6.根据权利要求5所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于在成对的发热电子器件之间布置两组所述填充物，所述螺纹零件布置在两组填充物之间。

7.根据权利要求5或6所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于所述螺纹零件的外端支撑在散热器件的通孔或螺孔中。

8.根据权利要求5或6所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于所述螺纹零件的外端支撑在与散热器件有固定连接关系的机械连体上的通孔或螺孔中。

9.根据权利要求1所述发热电子器件与散热器件的紧固方法，其特征在于所述螺纹零件为自攻螺丝。