DE2255151B2 - Anordnung zum Verbinden von Verlustwärme abgebenden Leistungs-Halbleiterschaltelementen mit Kühlelementen durch Kleben und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verbinden von Verlustwärme abgebenden Leistungs-Halbleiterschaltelementen mit Kühlelementen durch Kleben mittels eines aushärtenden Klebstoffes und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Aus der DT-OS 2 064 343 ist es bekannt, plattenförmige Leiter durch einen isolierenden, wärmeleitenden Kleber auf einem Kühlkörper zu befestigen. Mit den leitenden Platten wiederum sind die Anschlüsse von Dioden verbunden, so daß ein ausreichender Wärmeaustausch von den Dioden über die leitenden Platten auf den Kühlkörper stattfindet. Die Zwischenlage von leitenden Platten ist für eine bestimmte Ausbildung schaltungstechnisch von Vorteil, kann aber nicht zur Wärmeabführung von Leistungstransistoren verwendet werden, die erhebliche Wärmemengen erzeugen und deshalb direkt mit meist größeren Kühlkörpern verbunden werden müssen.

Für solche, viel Verlustwärme abgebende Leistungs-Halbleiterschaltelemehte, wie Leistungstransistoren, Tyristoren, Leistungsdioden und ähnliche Schaltelemente, wurde deshalb beispielsweise nach der DT-OS 042 492 vorgeschlagen, diese direkt durch Kleben mit dem Kühlelement zu verbinden. Zur Sichersteliung einer guten Kühlwirkung ist es nötig, daß dem Wärmeübergang vom Schaltelement zum Kühlelement ein möglichst niedriger Wärmeübergangswiderstand entgegensteht. Zu diesem Zweck wird das betreffende Schaltelement mit einem aushärtenden Kunststoffkleber, dem Metalloxydpulver beigemischt ist, untrennbar fest auf das Kühlelement geklebt. Dies sichert zwar einen guten Wärmeübergang vom Schaltelement zum Kühlelement, doch ist damit der Nachteil verbunden, daß bei Schadhaflwerden des Schaltelementes dieses nicht mehr vom Kühlelemeni getrennt werden kann. Sind nun mehrere Schaltelemente der gleichen oder auch anderer Art in derselben Weise auf einem gemeinsamen Kühlelement angebracht, dann muß man es bei einem erforderlich werdenden Austausch von auch nur einem einzigen schadhaft gewordenen Schaltelement in Kauf nehmen, eine oft beträchtlich ins Gewicht fallende Anzahl von an sich noch verwendungsfähigen Schaltelementen ebenfalls auszutauschen, obgleich ihre Funktionstüchtigkeit ihren Ersatz durch neue Schaltelemente eigentlich hinfällig machen würde.

Man war daher bestrebt die Verbindung einzelner Schaltelemente mit dem einer Mehr/ahl von solchen

ao gemeinsamen Kühlelement so herzustellen, daß ein einzelnes Schaltelement vom Kühlelement abtrennbar an diesem befestigt ist. Bei dieser Befestigungsart von Schaltelementen auf Kühlelementen ist jedoch infolge der unvermeidbaren Unebenheiten zwischen den auf-

»5 einanderliegenden Flächen ein hoher Wärmeübergangswiderstand unvermeidbar, der zu unzulässig hohen Temperatursteigerungen an dem betreffenden Schaltelement führen kann. Man hat diesen Nachteil dadurch zu beheben versucht, daß man zwischen Schahelement und Kühlelement gut wärmeleitende Stoffe einführt, die die Luflzwischenräume zwischen den beiden aufeinanderliegenden Flächen von Schaltelement und Kühlelement 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 Schaltelement und Kühlelement eingeführte Schicht von Silikonöl oder Silikon fett, die mit Vorteil noch gut wärmeleitende Beimengungen enthält, ist eine ausreichende Wärmeabfuhr zum Kühlelement erreichbar, und außerdem ist es möglich, einzelne an einem gemeinsamen Kühlelement angebrachte Schaltelemente von diesem zu trennen. In Anlagen, in denen derartige Anordnungen Verwendung finden, und in denen auch Schahelemente mit offenen Kontakten, wie Relais oder ähnliche Schaltelemente, vorhanden sind, hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Silikonölen bzw. Silikonfetten dazu führt, daß Kontaktschwierigkeiten bei diesen offenen Kontakten aufgetreten sind.

So ist z. B. in der Zeitschrift »Der Fernmeldeingenieur« (15.7. 1968), 22. Jahrgang, Heft 7. ein Aufsatz von Gabriel Thor ma mit dem Titel »Unlersuchun- ■ gen über schädliche Einflüsse von Silikonen an Schwachstromkontakten in der Vermittlungstechnik« erschienen, in dem unter 6.2.2 auf S. 30 der genannten Zeiischrift die ungünstige Einwirkung der Silikone auf die Schaltzuverlässigkeit der Prüfkontakte behandelt

Gleichartige Feststellungen sind einem Aufsatz von Theodor Gerber, Bern, mit dem Titel »Umgebungsbedingte Einflüsse auf Schwachstromkontakte«, abgedruckt in der Zeitschrift »Technische Mitteilungen

«5 PTT«. Jg. XLIV (1966), 8 entnehmbar, in dem außerdem ein umfangreiches Literaturverzeichnis zu diesem Gegenstand enthalten ist. Eine weitere Literaturstelle zu diesem Problem findet sich in den »Unterrichtsblättern

_ucr Deutschen Bundespost« (1964). Ig. 17. Nr. 2, auf S. der Überschrift »Kontaktschäden durch Si!·-

Durch diese Uteraturstellen ist es also sicher nachge-S daß die Verwendung von Silikynölen oder SiIi- 5

zur Sicherstellung eines guten Wärmeüber-Γη Verlustwärme abgebenden Schaltelemcn-S an Kühlelemente in Anlagen, in denen auch ofiene Kontakte Verwendung finden, nicht zulässig ist. Ma₁₁ et versucht, das Auswandern von Silikonölschichten io S Hikonfettschichten zwischen SchaltelementndDläu und Kühlelementoberfläche dadurch zu SS£ n!daß man an der Trennfuge zwischen diesen beiden Flächen dichtende Abschlüsse in Form von Sik-Jendihtungen angebracht hat. Es hat sich erwiesen. x₅ auf beiden Oberflächen mit ^m aushärtenden Kunststoffkleber bestrichen und an denjenigen Stellen, an ae »en die Schaltelemente auf dem Kühlelement befestigt werden sollen, aufgelegt wird, worauf die ^j»¹™«- mente auf die Zwischenschicht aufgelegt und unter Preßdruck mit dieser untrennbar verklebt^weraen-

Stellt sich die Notwendigkeit heraus, ein "ach dem erfindungsgemäßen Verfahren an eiuem ^K"Wele^ment aufgeklebtes Schaltelement gegen ein anderes Schauelement auszutauschen, so b.etet d.e Ablösung des z.B.

schafhaft gewordenen zu entfernenden Schaltelementes nach Lösen der Elektrodenanschlusse und derBefest.gungsschrauben keine Sehw.engkeiten ie™ « ^ nügt ein leichter Schlag auf d.e ^G™^^li^_n ^a _e™_r trennenden Schaltelementes ui paralleler Richtung zur

wirksame Lösung des P.blems gese-

^h _ΝΓη st man aber gerade in Fernmeldevermittlungs- ,o anbgen dluf angewiesen, offene Kontakte neben Halbleiter-Schaltelementen zu verwenden, die nicht sehen an einem für mehrere bis viele Schahelemente Leinsamen Kühle.ement befestigt sind. Bei solchen

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fernem auszuwechseln. Dabei ist man gezwungen, auch schicht mehrfach spaltbar,so kann entfernten ^«^«X element direkt auf diesen Teil der geklebt werden. Andernfalls ,st beidseitig mit aushärtendem K

unter Preßdruck durch d.e

ein an,die,Stelle des

Zw.schtns es notig

solche Verwendungszwecke eine Anordnung zum Ver-Wnden von Verlustwärme abgebenden Leistungs-Halbfcuerschaltelementen mit Kühlelementen durch Kleben in?ueeben _bei der bei Sicherung eines guten Wärme-S vom Schaltelement zum Kühlelement unter Vermeidung der Anwendung von Silikonölen hierfür eine Trennung eines einzelnen Schaltelementes von cinem für mehrere Schallelcmentc gemeinsamen Kühlelement in einfacher Weise leicht durchfuhrbar .st. D.e Erfindung erreicht dies dadurch, daß das Verlustwärme f3Sr

schaltelementes auf einem - ^'"J^"^· _t. Schaltelemente verwendbaren - "«bleiernenf 8™ | F i g. 2 zeigt d.e Anordnung nach F. g. 1 m Unter

sieht in Pfeilr.chtung. und narsteiluns der Ver-

F. g. 3 ze.gte.ne vergrößerte Dajidljg der Je bindung zw.schen Schaltelement und Kuhlelement

^eincni_^Te'^la _] ^u"^ch"^. , _{in welcher} Weise ein Verlust-JnF₁ fj'^s'^"'^, "^^Halbleiterschaltelement warme ab ^^"^'^'^S^nt genannt, bei der ^^S^ fi Kühlele-

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verbundenen

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SSSAS SSSSSS SS/Ä „ndenUrung »mehea Durch die« Maßnahme „, die Trennung eines schadhaft gewordenen Schallele-„emes »on dem ihm zugeordneten Kuhlelemenl m eintaeher Weise sieher durchführbar, indem man em «ifltörmig ausgebildeles Wcrk₂eug m die Bohrung einfuhrt _u„d das abzulösende Schailelemen, dam,, »on dem

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entfernt sind, ein !leichter Schlag auf die Grundplatte 5 des abzutrennenden Elementes in paralleler Richtung zur Oberfläche des Kühlelementes, um eine sichere Spaltung der Zwischenschicht 8 herbeizuführen, so daß das Schaltelement von dem Kühlelement getrennt werden kann. Ist der am Kühlelement 2 festhaftende Teil der Zwischenschicht 8 mehrfach spaltbar, so kann ein an die Stelle des entfernten Schaltelementes 1 tretendes anderes Schaltelement direkt auf diesen Teil der Zwischenschicht aufgeklebt werden. Andernfalls ist es _lö nötig, ein neues, beidseitig mit aushärtendem Kunststoffkleber bestrichenes Zwischenstück auf das Kühlclement aufzulegen und darauf das Ersatz-Schaltelcment anzubringen, das unter Preßdruck durch die Befestigungsschrauben mit der Zwischenschicht untrennbar _1S verbunden wird.

' Die spaltbare Zwischenschicht 8 hat die Funktion, die Trennung des Schaltelementes von dem in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kühlblech 2 ausgebildeten Kühlelement in einfacher Weise zu gestatten. _ao Dies ist dadurch ermöglicht, daß die spaltbare Zwischenlage 8 parallel zu ihrer Flächenausdehnung in einer oder mehreren Ebenen gut und leicht spaltbar ist. Solche Eigenschaften weisen z. B. Glimmerplättchen auf. die eine ausgeprägte Spaltfähigkeit parallel zu den Kristallebenen aufweisen.

Es ist aber auch denkbar, andere spaltbare Materialien mit Spaltfähigkeit parallel zu ihrer dem Kühlelcmenl zugekehrten Ebene für diesen Zweck zu verwenden, z. B. zwei oder mehrere dünne Metall- oder Lackbzw. Kunststoffschichten, die zwar aneinanderheften, beispielsweise so wie galvanische Metallüberzüge an dem Grundmetall haften, die aber andererseits ohne wesentlichen Kraftaufwand leicht voneinander trennbar sind, bei Lack- oder Kunststoff schichten allenfalls unter Anwendung von Lösungs- oder Erweichungsmitteln. Die Ablösung der Schaltelemente von dem Kühlblech, an dem sie befestigt sind, kann durch Anwendung eines einfachen stiftförmigen Werkzeuges erleichtert werden, das durch die Bohrung 9 eingeführt werden kann, so daß es gegen die Grundplatte 5 des Schaltelementes 1 drückt. Diese Bohrung 9 ist mit Vorteil zugleich zu Temperaturmessungen verwendbar, indem ein Temperaturfühler in sie eingeführt wird.

In F i g. 2 sind die Durchführungen 10.11 für die Anschlüsse zur Basis- und zur Emitterelektrode und die Anschlußfahne 12 zur Kollektorelektrode des Halbleiter-Scha!tclemcntes 1 nach F i g. 1 angedeutet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

\ Patentansprüche:

1. Anordnung zum Verbinden von Verlustwärme abgebenden Leistungs-Halbleiterschaltelemenlen mit KJhlelementen durch Kleben mittels eines aushärtenden Klebstoffes (6),dadurch gekennzeichnet, daß das Verlustwärme abgebende Schaltelement (1) untrennbar an einer aus in Lagen spaltbarem Material bestehenden, flächig ausgebildeten Zwischenschicht (8) und diese ebenfalls mittels eines aushärtenden Klebstoffes (7) untrennbar an dem Kühlelement (2) angeklebt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (2) im Bereich der Fläche des aufgeklebten Schaltelementes (1) mit einer durchsetzenden Bohrung (9) versehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die das Kühlelement (2) durchsetzende Bohrung (9) zur Aufnahme eines Temperaturfühlers an sich bekannter Bauart dient

4. Verfahren zur Herstellung einer lösbaren Verbindung mit niedrigem Wärmeübergangswiderstand zwischen Verlustwärme abgebenden Lei stungs-Halbleiier-Schaltelementen und einem Kühlelement durch Kleben mittels eines aushärtenden Klebstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus in Lagen spaltbarem Material bestehende flächig ausgebildete Zwischenschicht auf beiden Oberflächen mit dem aushärtenden Kunststofftileber bestrichen und an denjenigen Stellen, an denen die Schaltelemente auf dem Kühlelement befestigt werden sollen, aufgelegt wird, worauf die Schaltelemente auf die Zwischenschicht aufgelegt und unter Preßdruck mit dieser untrennbar verklebt werden.