CN1097827C - 带有散热片并具有改进的热传导界面的可安装散热片的电阻器 - Google Patents

Abstract

一种功率电阻器(46)，由于设置有台阶或突起(40)，底下的散热片(43)的散热能力增强，所述台阶或突起与安装螺栓或螺钉(54)共同作用，明显避免了模制引起的翘曲或弯曲效应(42)。

Description

带有散热片并具有改进的热传导界面的可安装散热片的电阻器

背景技术

近年来，具有包围安装孔的合成树脂(塑料)的功率封装已广泛应用于如功率半导体和功率电阻器等电子元件。例如，Motorola“FULL Pak”功率半导体和Caddock MP816、MP850和MP930功率电阻器。在这种类型的封装中，经常设置有源元件和其支撑结构，它们与器件的底部(安装面)及器件安装于其上的外部散热片有着密切的散热关系。安装到外部散热片上一般都是借助单个螺栓(螺钉)实现的。

人们总是要求增大电子或电器件的额定功率，特别是基本上不增加成本地增大额定功率。另外，如果能够只增加一点或不增加成本地构成所述类型的功率电阻器件，以得到较高的额定功率的话，对该行业是十分有益的。

发明概述

当功率电阻器的有源元件恰好设置于中心之下(恰好是器件的中间平面之下)时，例如设置于器件的底部或粘结到设于器件底部的金属片上时，封装自然要产生轻度的翘曲或弯曲。(翘曲或弯曲不一定是平滑曲线)。即使封装(主体)模具的底面平坦，且形成封装的合成树脂为刚性环氧树脂(或类同物)，情况也是如此。所述翘曲或弯曲在器件的安装(底部)面(邻近外部散热片的面)形成凸面，且沿器件的纵向取向。(由于该部分的几何形状的缘故，还有一较小的面到面翘曲。)

翘曲的原因是塑料(模制材料)的热膨胀系数(TCE)比有源元件或与金属片粘结的有源元件高的缘故。高温模制工艺后，在器件的冷却过程中，由于塑料有较高的TCE，且因有源元件上的部分较厚，产生了弯曲力，导致了翘曲或弯曲。此外，模制后模制塑料的固化引起的收缩更进一步增加了导致翘曲的力。

本说明书中所述的模制工艺为典型的压铸，也可以是(例如)注射模法。

对于普通大小的零部件来说，所述的翘曲一般在0.0127毫米到0.1016毫米范围内，这取决于塑料的类型(也说是说，取决于特定塑料的TCE和固化收缩率)。器件底面的凸状弯曲(翘曲)会减小功率运用能力(power handling capability)或所述功率封装的性能。在用单个螺栓将器件固定于散热片上时，远离螺栓的器件端部(这一般是指有端子的端部)会因所谓的摇臂作用从散热片上抬高。这种抬高在散热片和部件的安装面间形成间隙，所以会减小功率驾驭能力。即使该间隙中填有热油，其热阻抗也较高。换句话说，与较小的间隙或没有间隙相比，因摇臂作用所致的所述间隙，其热阻抗高到了足以严重影响电子器件的额定功率的程度。

本发明涉及一种功率电阻器，其中安装力不作用于中心，而是作用于较靠近其一端片。这种安装力的作用一般是由延伸穿过合成树脂中的孔的单个螺栓(螺钉)引起的。

根据本的另一方案，在封装上即在合成树脂的底侧的一端形成一模制台阶或突起，所述这一端较靠近螺栓的孔。此台阶最好是设置在安装面远离端子的那一端的最边缘区。

根据本发明的又一方案，所形成的突起或台阶的高度(相对于安装面来说)选成用于补偿所述的翘曲。换言之，此台阶可以有意这样构成，使安装面和散热片之间的间隙显著减小或消除，即远离螺孔的那一部分处的间隙显著减小或消除。由于间隙的这种显著减小或消除，散热片和电阻器的发热有源元件之间有较好的热接触。所以可以有较高的功率能力和/或更可靠的性能。

按优选方式，所述台阶或突起沿边缘延伸，并与螺孔间隔一定距离，也即，设置成沿离开端子的方向远离孔，由此增加拧紧螺栓时的转动。结果使远离孔向着端子的器件散热部分处向下的力较大。所述的向下的力以较大的力将封装的散热部分推向散热片，并作用于用作散热片和器件安装面间热界面材料的粘性热油上。这种较大的向下的力可以改善器件和散热片间的热界面。

台阶、螺栓和散热部分间的关系类似于第三级杠杆(third-class lever)。

本发明可以应用于“TO-220”功率封装，也可用于其它具有包围着单个螺孔的塑料的功率封装，所述孔偏离封装的中心。

附图简述

图1是根据本发明的功率电阻器的成比例的底视放大图；

图2是图1电阻器的侧视剖面图；

图3是图2右部的进一步放大视图；

图4是展示现有技术的夸大了的主要侧视剖面示图，展示了本发明中不会发生的摇臂效应，但未示出引线；

图5也是一幅夸大了的示图，用于展示本发明，但也未示出引线；

图6是展示引入了本发明的一种现有功率电阻器的纵剖图；

图7是展示引入了本发明的另一种现有功率电阻器的纵剖图。

详细说明优选实施例

这里引证1994年3月1日公布的美国专利5291178和1994年4月19日公布的美国专利5304977供参考，但5304977的图8除外。这里的图6引自美国专利5291178，图7引自美国专利5304977(除图7中的数字带有字母“a”外)。

图1展示了一种与图7或图6中的电阻器(或封装)相同的功率电阻器(或模制封装)，但有一主要不同点。所说的不同点在于，在电阻器(封装)的下侧上，在底面(安装面)最靠近偏心的螺孔(螺钉孔)41的端部，有台阶或突起40。台阶40与孔41隔开一定间距42。

台阶40、孔41和间距42皆存在于电阻器远离电阻器的主散热面43的那部分上。面43是有源元件陶瓷基片的下表面，或是粘结在有源元件上的金属片的下表面，参看所引证的专利。引线(端子)44一般与面43一样在电阻器的相同部分上，因此远离台阶40、孔41和间距42。

所述的优选功率电阻器具有基本为矩形的模制体(封装)，模制体在端子44的方向为长边。其上表面为45，镜像侧面为46，端面为47，48，底面为49。底面49为用于贴附例如底板、金属板等散热片的平坦上表面的安装面。除上述的轻度翘曲或弯曲外，底面49是平坦的。孔41基本上垂直于底面49。

散热面43与底面(安装面)49的其余部分同面。

除面43为陶瓷或金属外，电阻器(电阻器封装)的所有面皆为合成树脂(塑料〕。

夸大的附图4和5表示的皆是图7。作为第二实施例，图4和5表示的皆是图6。在每情况下，图4中没有引入本发明，而图5引入了本发明。

图4和5中示出了有平坦上表面53的铜(或铝等)散热片板52，其上带有与之垂直的螺孔，用于容纳所述螺栓(螺钉)54。螺栓54(螺钉)延伸穿过螺孔41，并紧固于散热片52上。

参见图4，该图在不采用本发明的情况下，示出了如何由于螺栓54的拧紧导致了摇臂作用，由于该作用电阻器靠近螺孔41的那部分保持向下，而远离螺孔的部分抬起，形成间隙56。尽管间隙56中填充了热油或其它增强导热能力的物质(未示出)，但图4的情况严重妨碍了从陶瓷基片(引自美国专利5304977的图7中标示为数字13a)向散热片52的热传导。

参见图5，在采用了本发明后，在螺栓54拧紧时，台阶40起作用，使底面49远离台阶的以很大面积紧靠着或附着于散热片的上表面53。于是间隙56显著减小，可以极大地减少设置于有些弯曲或翘曲的底面49与平坦上表面53之间的热油。与图4的构形相比，额定功率可以显著提高。

下面说明台阶或突起40的优选构形，并特别参考图1、3和5，应指出的是，基本上为平底的隆起57邻近端部48，并平行于面49的间距42处的区域，并最好是在电阻器主体的所有方向延伸。在其较靠近孔41的那侧，台阶40在间距42处向着面49倾斜。这样台阶在最好是与螺孔41隔开的区58处与面49交汇。

对于最普通尺寸的电阻器来说，隆起57的底和面49的邻近部分(即间距42处)间的垂直距离为0.0127毫米到0.1016毫米。电阻器主体的厚度，即电阻器的面49与45间的距离一般约为3.175毫米。一般情况下，电阻器(封装)的底面和上表面为约15.24毫米长，约10.16毫米宽，底面的面积小于6.45平方厘米。

一般情况下，电阻器(封装)的长度为10.16-27.94毫米。电阻器(封装)的宽度为6.35-17.78毫米。电阻器(封装)的厚度为2.032-7.620毫米。

在实施本发明时，只需要通过按补偿台阶40的方式，加深邻近螺孔端的底部，改变现有的模具即可。然后，只将电阻器安装于散热片上，并插入螺栓(螺钉)，并向下旋转到与现有技术相同的程度即可。结果是，特别是对于有陶瓷散热面14a的图7所示电阻器，功率驾驭能力显著增加。

台阶40、螺栓54和电阻器的远离螺孔41的那部分(即散热面43处)间的关系类似于第二级杠杆，电阻器(封装)主体为实际的杠杆。台阶40为支点，螺栓54施加作用力，面53和其上的油为阻力或负载。

表I

本说明书的图7(现有技术)中的数字和部件引自美国专利5304977，只是每个数字后加了“a”

10a合成树脂主体(模制)

11a平坦上表面

12a下表面

13a基片(陶瓷)

14a基片的底面

16a螺孔

22a引线或端子

23a端部(end section)

24a触头(tab)

26a抬起部分(riser portion)

27a基本部分(section)

28a肩(shoulder)

29a头部(prong)

31a抬起处的凹口(notch in riser)

32a凹口或凹槽(notch or recess)

表II

本说明书的图6(现有技术)中的数字和部件引自美国专利5291178

10基片

11内部散热片(金属)

12金属线(metalization traces)

13电阻膜

14涂层(釉面)

15引线或管脚

17合成树脂主体(模制)

31模制体的上表面

35端面

36端面

38孔

在本发明的优选实施例中，电阻元件是平板状，是其上最好通过丝网印刷淀积有电阻膜。

在图7的实施例中，如有关的专利所述，基片13a的上表面上有电阻材料膜的陶瓷基片。

如图6和7所示，水平中间平面上的合成树脂明显多于该平面下的树脂。

以上的详细说明目的只是通过描述和实例能使人清楚地理解本发明，本发明的精神和范围由所附的权利要求书唯一限定。

Claims (19)

1.功率电阻器，包括：

(a)电阻元件，

(b)包围所述电阻元件的矩形的模制合成树脂主体，

所述电阻元件与所述主体的关系是，所述电阻元件靠近所述主体的底面设置，且与所述主体的上表面隔开一定距离，

所述主体的底面由于模制材料的固有作用力而一定程度地向下凸出，

(c)延伸穿过所述主体的螺孔，所述螺孔的中线位于所述矩形体的中点和所述主体的一端之间，以及

(d)所述主体的所述底面上、靠近所述主体的所述一端的突起装置，

所述突起装置有一定的形状、大小和位置，所以在螺栓穿过所述螺孔，并拧紧于具有平坦上表面的底部散热片时，与不存在所述突起装置时相比，所述突起装置和所述凸面使得所述底面的所述电阻元件区更贴近所述散热片的所述平坦上表面。

2.如权利要求1所述的电阻器，其特征在于，所述功率电阻器具有螺栓和上表面平坦的散热片，所述螺栓延伸穿过所述散热片中的所述螺孔。

3.如权利要求2所述的电阻器，其特征在于，在所述底面和所述平坦上表面之间提供有热油。

4.如权利要求1所述的电阻器，其特征在于，所述电阻元件包括陶瓷基片，陶瓷基片的底侧与所述底面共面，所述底侧裸露，在拧紧所述螺栓时，该底侧与所述平坦上表面贴近。

5.如权利要求1所述的电阻器，其特征在于，所述突起装置的底侧在所述电阻器的的所述底面的邻近部分之下并与之间隔0.0127-0.1016毫米。

6.如权利要求1所述的电阻器，其特征在于，所述主体的长度为10.16-27.94毫米。

7.如权利要求1所述的电阻器，其特征在于，所述电阻元件贴近金属板，金属板的底侧与所述底面共面，所述底侧裸露，在拧紧所述螺栓时，该底侧与所述平坦上表面贴近。

8.如权利要求7所述的电阻器，其特征在于，所述电阻元件粘结于所述金属板上。

9.用于电子器件的热效率高且散热片固定的热传导封装，所述电子器件在工作时产生大量热，所述封装包括：

(a)矩形的合成树脂主体，

所述主体已模制成包围电子器件，使得所述主体的中间平面上的树脂多于所述平面下的树脂，

所述主体的底面或安装面将安装在散热片的平坦表面上，

所述底面具有翘曲面，

所述主体上有使螺栓穿过的安装孔，该孔不在所述主体的中心，而比另一端更靠近所述主体的一端，

(b)在所述主体的所述底面上、且在比所述主体的所述另一端较远的所述安装孔的一端设置的突起装置，以便在螺栓穿过所述孔，并使所述散热片在所述散热片的所述平坦表面上被拧紧，以使所述散热片接合起来，从而增加热传导率。

10.如权利要求9所述的热传导封装，其特征在于，所述电子器件是电阻元件。

11.如权利要求10所述的热传导封装，其特征在于，所述电阻元件包括薄陶瓷基片，其上表面上有电阻膜。

12.如权利要求11所述的热传导封装，其特征在于，所述基片的底裸露，其下没有金属片或树脂。

13.如权利要求10所述的热传导封装，其特征在于，所述电阻元件包括薄陶瓷基片，其上表面上有电阻膜，还包括粘结于所述基片底侧的金属片，所述金属片的底裸露。

14.如权利要求9所述的热传导封装，其特征在于，所述封装设置于其中有孔的散热片的平坦表面上，螺栓插过所述主体中的所述安装孔，进入所述散热片的所述孔中，并在将远离所述安装孔的所述主体部分向所述散热片移动时，将之拧紧，使之与所述突起装置共同作用。

15.如权利要求9所述的热传导封装，其特征在于，所述突起装置距安装孔一定距离。

16.如权利要求9所述的热传导封装，其特征在于，所述突起装置是在所述底面或安装面上模制的台阶。

17.如权利要求9所述的热传导封装，其特征在于，所述突起装置为一隆起，其相对所述安装面的高度为0.0127-0.1016毫米。

18.如权利要求17所述的热传导封装，其特征在于，所述封装的长度为10.16-27.94毫米。所述封装的宽度为6.35-17.78毫米，所述封装的厚度为2.032-7.620毫米。

19.用于电元件的发热有源元件的封装，包括：

(a)按以下方式包围着发热有源元件的模制合成树脂主体：

i)所述主体的底基本平坦(nominally flat)，

ii)所述主体的中间平面上的合成树脂比其下面的更多，

由此所述主体的所述底面向外凸出或翘曲，

(b)穿过所述主体的孔，垂直于所述底面，并配置于所述主体的中心与其一端之间，以及

(c)设置于所述底面上所述孔与所述一端之间的台阶，

其特征在于，在螺栓穿过所述孔，并拧紧于散热片的平坦表面上时，三级杠杆作用使得从所述主体到所述散热片的热传导加强。

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