DE2255151C3 - Anordnung zum Verbinden von Verlustwärme abgebenden Leistungs-Halbleiterschaltelementen mit Kühlelementen durch Kleben und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Description

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Die Lrfindung betrifft eine Anordnung zum Vei binden von Verhisiwärme abgebenden l.eistungs-l IaIbleiterschaltelementen mit Kühlelementen durch Kleben mittels eines aushärtenden Klebstoffes und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Aus der DT-OS 2 0b4 343 ist es bekanni. plalienlöiin ige 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 Wärmeauslausch 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 l.eistungsiransistorcn verwendet werden, die erhebliche Wärmemengen erzeugen und deshalb direkt mit meist größeren Kühlkörpern verbunden werden müssen.

Für solche, viel Verlustvvärme abgebende I.eisiungsllalbleitcrschiiltclemente. wie Leislungstransisiorcn. 6a Tyristorcn. Leisuini'sdioden und ähnliche .Schaltelemente, wurde deshalb beispielsweise nach der DT-OS 042 492 vorgeschlagen, diese direkt durch Kleben mit dem Kühlclemcnt zu verbinden. Zur Sichcrstcllung einer guten Kühlwirkung ist es nötig, daß dem Wariiieübergang vom Schaltelement zum Kühlclemcnt ein möglichst niedriger Wärmeübcrgangswiderstand entgegensteht. Zu diesem Zweck wird das betreffende Schaltelement mit einem aushärtenden Kunststoflkiebei dem Metallovydpulver beigemischt ist. untrennbar lest' nil das Kühlelement geklebt. Dies sicher! zwar einen «Uten Wärmeübergang vom Schaltelement /um Kiihlelemcnt. doch ist damit der Nachteil verbunden, d-iß bei Schadhaft«erden des Sehalielemenies dieses nicht mehr vom Kühlelemeni getrennt werden kann. Sind nun mehrere Schaltelemente der gleichen oder •uieh anderer Art in derselben Weise auf einem gemeinsamen Kühlelement angebracht, dann muß man es bei einem erforderlich werdenden Austausch von auch nur einem einzigen schadhall gewordenen Schaltelement in Kauf nehmen, eine oft beträchtlich ins Gewicht lillende Anzahl von an sich noch vciwendungslähigen Sch-iltelemcnten ebenfalls auszutauschen, obgleich ihre I uuk.ionsiüchtigkei! ihren Lrsatz durch neue Schaltelemente eiHcnilich hinfällig machen würde.

Man war daher bestrebt, die Verbindung einzelner Schaltelemente mit dem einer Mehrzahl von solchen gemeinsamen Kühlelemeni so herzustellen, daß ein einzelnes Sehaltelement vom Kühlelemeni abtrennbar an diesem bclesii-t ist. Bei diese. Befestigungsart von Schaltelementen auf Kuhlelementen ist jedoch mlolge der unvermeidbaren Unebenheiten /wischen den aufemanderliegcndcn dachen ein hoher Wärmeubei .Miigswkkrstand unvermeidbar, der zu unzulässig hohen remperaiursieigenmgen an -dem betreifenden Schaltelement fuhren kann. Man hai diesen Nachteil dadurch zu beheben versucht, daß man zwischen Schaltelement und Kühlelemeni gut wärmeleitende Stolle einfühlt, die die l.iilt/wischenräume zwischen den beiden aulcinandei liegenden I lachen von Schaltelement und Kühlelement gut und vollständig auslullen Ms solche Stofle bieten sich aus der einschlägigen Werkstofftechnik die bekannten, gut wärmeleitenden Polysiloxane an. die als Silikonole. Silikonfeite und SiIi konharze bekanni sind. Durch eine /wischen die aufein anderliegenden Flächen von Schaltclement und Kuhlelement eingeführte Schicht von Silikonöl oder Silikon· fell die mit Vorteil noch gut wärmeleitende Beimengungen enthält, ist eine ausreichende Wärmeabfuhr zum Kühlelement erreichbar, und außerdem isl es möglich, einzelne an einem gemeinsamen Kühlelemeni angebrachte Schaltelemente von diesen: zu trennen. In Anlagen, in denen derartige Anordnungen Verwendung linden, und in denen auch Schaltelemente mit offenen Kontakten, wie Relais oder ahnliche Schaltelemente, vi ihanden sind, hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Silikonölen bzw. Silikonfellen dazu führt, daß Koniaktschwierigkeiten bei diesen offenen Kontakten aufgetreten sind.

So ist z. B. in der Zeitschrift »Der Fernmeldeingenieur« (15.7. l%8). 22. lahrgang. Hell 7, ein Aulsatz von Gabriel Thor ma mit dem Titel »Untersuchungen über schädliche Finflüsse von Silikonen an Schwachstromkonlakicn in der Vermittlungstechnik« erschienen, in dem unter b.2.2 auf S. 30 der genannten Zeitschrift die ungünstige Linwirkung der Silikone auf die Schallzuverlässigkeil der Prülkontakte behandelt ist.

Gleichartige Feststellungen sind einem Aufsatz von Theodor G e r b c r. Bern, mit dem Titel »Umgebungsbedingte Einflüsse auf Sehwachstromkontakte«, abgedruckt in der Zeitschrift »Technische Mitteilungen PTT«. Ig. XLIV (1966). 8 eninchmbar, in dem außerdem ein umfangreiches Literaturverzeichnis zu diesem Gegenstand enthalten ist. Fine weitere Literatlirstelle zu diesem Problem findet sich in den »Unterrichtsblätiern

tier Deutschen Bundespos'« (1%4). |g. 17. Nr. 2. auf S. 4~> inner der Überschrift »Kontaktsehäden durch Silikone«.

Durch diese l.iteraiursiellen ist es also siener nachgewiesen, dall die Verwendung von Siliko;iölen oder SiIikenfciten /ur Sicherstellung eines guten Wärmeüberganges von Verliisiwärmc abgebenden Schnliclemenicn an Kühlelcnientc in Anlagen, in denen auch offene Kontakte Verwendung linden, nicht zulässig ist. Man hat versucht, das Auswandern von Silikonölsehiehten oder .Silikonlettschichten /wischen Sehaltelcmentgmndplatic und Kühldementoberlläche dadurch zu verhindern, dall man an der Trennfuge /wischen diesen beiden Flächen dichtende Abschlüsse in Form von Sikkendichtungen angebracht hat. Ils 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 Problems gesehen werden kann.

Nun ist man aber gerade in Fernmeldevermiiilungsanlagcn darauf angewiesen, oflene Kontakte neben Ilalbleiier-Schallelemeiilen zu verwenden, die nicht selten an einem Itir mehrere bis viele Schaltelemente gemeinsamen Kiihlelement befestigt sind. Bei solchen Anordnungen ergibt sich nun oft die Notwendigkeit, ein ein/iges schadhaft gewordenes Halbleiter-Schaltelemeiit auszuwechseln. Dabei ist man gezwungen, auch eine Mehr/ahl noch \ei wendungsfähiger Schallet ■ mente mit auszutauschen, nur weil sie an dem betreffenden Kiihlelement untrennbar fest angebracht sind.

Daher liegt der FrCindung die Aufgabe zugrunde, für solche Verwendungszwecke eine Anordnung /um Verbinden von Verluslwärme abgebenden I.eistungs-Halbleiterschaltelcmenten mit Kühlelemenien durch Kleben an/ugeben. bei der bei Sicherung eines guten Wärmeüberganges vom Schaltelement /um Kühlelemeni unter Vermeidung der Anwendung von Silikonolen hierfür eine Trennung eines ein/einen Schaltelementes von einem für mehrere Schaltelemente gemeinsamen Kühlelemeni in einfacher Weise leicht durchführbar ist. Die r.rfindung erreicht dies dadurch, daß das Verlustwarme abgebende Schaltelement untrennbar an einei aus in Lagen spaltbarem Material bestehenden, flächig ausgebildeten Zwischenschicht und diese ebenfalls mittels eines aushärtenden Klebstoffes untrennbar an dem Kiihlelement angeklebt ist. Mit dieser Anordnung sind alle mit den bisher bekannten Verbindungen von Schaltelementen mit Kühlelcmcnten verbundenen Nachteile vollständig vermieden.

Nach einer Weiterbildung der Anordnung nach der Erfindung ist das Kiihlelement im Bereich der Fläche des aufgeklebten Sehallelementes mit einer durchsetzenden Bohrung versehen. Durch diese Maßnahme ist die Trennung eines schadhaft gewordenen Sehaliele meines von dem ihm zugeordneten Kühlelement in einfacher Weise sicher durchführbar, indem man ein stiftförmig ausgebildetes Werkzeug in die Bohrung einführt und das abzulösende Schaltelement damit von dem Kühlclcment abdrückt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die das Kiihlelement durchsetzende Bohrung zur Aufnahme eines Temperaturfühlers an sich bekannter Bauart dient. Dadurch ist in einfacher Weise eine Überwachung der am Schaltelement auftretenden Tempera tür möglich.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine aus in Lagen spaltbarem Material bestehende flächig ausgebildete Zwischenschicht auf beiden Oberflächen mit dem aushärtenden Kunststoffkleber bestrichen und an denjenigen Stellen, an denen die Schaltelemente auf dem kühielement befestigt werden sollen, aufgelegt wird, worauf die Schaltelemente auf die Zwischenschicht aufgelegt und unter Preßdruck mit dieser untrennbar verklebt werden.

Stellt sich die Notwendigkeit heraus, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an einem Kühlelement aufgeklebtes Schaltelement gegen ein anderes Schalielement auszutauschen, so bietet die Ablösung des z. B. schafhaft gewordenen zu entfernenden Schaltelementes nach Lösen der Elektrodcnanschliisse und der Befestigungsschrauben keine Schwierigkeiten, denn es genügt ein leichter Sehlag auf die Grundplatte des abzutrennenden Schaltelementes in paralleler Richtung zur Oberfläche des Kühlelementes, um eine Spaltung der Zwischenschicht herbeizuführen, so daß das Schaltelement von dem Kühlelemeni getrennt werden kann. Ist der am Kühlelemeni festhaftende Teil der Zwiscbenao schicht mehrfach spaltbar, so kann ein an die Stelle des entfernten Schaltelementes tretendes anderes Schaltelement direkt auf diesen Teil der Zwischenschicht aufgeklebt weiden. Andernfalls ist es nötig, ein neues, beidseitig mit aushärtendem Kunsistoffklcber bestridienes Zwischenstück auf das Kiihlelement aufzulegen 'incl darauf das Lrsatz-Schaltelement anzubringen, das unter Preßdruck durch die Befestigungsschrauben mit der Zwischenschicht untrennbar verbunden wird.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der An-Ordnung nach der Erfindung. In dieser ist in I ig. 1 eine Anordnung eines Leistungs-Halbleitcr-

schalielemenies auf einem — allenfalls für mehrere Schaltelemente verwendbaren — Kiihlelement gezeigt:

I'ig. 2 zeigt die Anordnung nach F i g. 1 in Untersieht in Pfeilrichtung, und

F 1 g. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eier Verbindung zwischen Schaltelement und Kühlelement in einem Teilausschnitt.

In I i g. 1 ist gezeigt, in welcher Weise ein Vcrlustwärme abgebendes Leistungs-Halbleitersehaltelemcni I, im folgenden kurz Schaltelement genann', bei der Anordnung gemäß der Erfindung auf einem Kühlelemeni 2 mittels zweier Befestigungsschrauben 3 und 4 festgehalten ist. wie dies auch aus der Untersteht nach F i g. 2 hervorgeht.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fungiert die Grundplatte 5 des Schaltelementes I als Kollektorelektrode, die mit dem Kiihlelement 2 in gutem Wärmeleilkontakt steht. Das Kühlelement 2 kann auch für eine Mehrzahl von Schaltelementen gemeinsam vorgesehen sein.

Die Art der Verbindung der Grundplatte 5 des Sehaltelementes ! mit der Oberfläche des Kühlelementes 2 ist in F i g. i in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Grundplatte 5 ist durch eine gut wärmeleitende, aushärtende Klebstoffschicht 6 mit einer aus gut spaltbarem Material bestehenden Zwischenschicht 8 untrennbar fest verbunden. Die Zwischenschicht 8 ist ihrerseits auf ihrer anderen Seite mit der Oberfläche des Kühlelemeines 2 durch eine Klebsioffschicht 7 ebenfalls untrennbar fest verbunden. Dadurch ist eine innige, gut wärmeleitende Verbindung des Schalielemcnles 1 mit dem Kühielement 2 zum Zweck guter Wärmcleitungsüberiragungseigcnschaften sichergestellt. Ergibt sich nun die Notwendigkeit, ein z. B. schadhaft gewordenes Schaltelement 1 von dem Kühielement 2 abzutrennen, so genügt, nachdem die Elektrodenanschlüssc abgetrennt und die Befestigungsschrauben

entlernt sind, ein leichter Schlug a»i <-^llc Grundplatte 5 des abzutrennenden Elementes in paralleler Richtung zur Oberfläche des Kühlelementes. um eine sichere Spaltung der Zwischenschicht 8 herbei/uliihren. so dall das Schaltelement von dem Kühlelement getrennt werden kann. Ist der am Kühlelement 2 festnähende Teil der Zwischenschicht 8 mehrlach spaltbar, so kann ein an die Stelle des entfernten Schaltelementes I iretendcs anderes Schaltelement direkt aiii diesen Teil der Zwischenschicht aufgeklebt werden. Andernfalls ist es nötig, ein neues, beidseitig mit aushärtendem Kunststoffkleber bestrichenes Zwischenstück auf das Kühlelemcnt aufzulegen und darauf das Ersaiz-Schaltelement anzubringen, das unter Prelklruck durch die Befestigungsschrauben mit der Zwischenschicht untrennbar verbunden wird.

Die spaltbare Zwischenschicht 8 hut die Eunktion. die Trennung des Schaltelemenies von dem in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kühlblech 2 ausgebildeten Kühlelemcnt in einfacher Weise zu gestatlen. Dies ist dadurch ermöglicht, daß die spaltbare Zwischenlage 8 parallel zu ihrer l^:lächenausdehnung in einer oder mehreren Ebenen gut und leicht spaltbar ist.

Solche Eigenschaften weisen /.. B. Glimmcrpliiitchen auf. die eine ausgeprägte Spaltlähigkeit parallel zu den Krislallebenen aufweisen.

Es ist aber auch denkbar, andere spaltbare Materialien mit Spaltlähigkeit parallel zu ihrer dem Kühlelemenl zugekehrten Ebene für diesen Zweck zu verwenden, z. B. zwei oder mehrere dünne Metall- oder l.ackbz.w. Kunslstoflschichten. die zwar aneinanderhalten beispielsweise so wie galvanische Metallüberzüge an dem Griindmetall halten, die aber andererseits ohne

ίο wesentlichen Kraftaufwand leicht voneinander trennbar sind, bei Lack- oder Kunststoffschichten allenfalls unter Anwendung von Lösungs- oder Erweichungsmillein. Die Ablösung der Schaltelemente von dem Kühl blech, an dem sie befestigt sind, kann durch Anueii dung eines einfachen stiltlörmigen Werkzeuges er leichten werden, das durch die Bohrung 9 eingcführ werden kann, so daß es gegen die Grundplatte 5 de Schalielemenies I drückt. Diese Bohrung 9 ist mit Vor teil zugleich zu Tcmperaturmessungen verwendbar, in

ao dem ein Temperaturfühler in sie eingefühlt wird.

In I" i g. 2 sind die Durchführungen 10. 11 für die An Schlüsse zur Basis- und zur Emitterelektrode und dii Ansehlußfahne 12 zur Kollektorelektrode des llalblei ler-Schaltelementes 1 nach I- i g. I angedeutet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung /um Verbinden von Verlusiwärmc iibgebenden l-eislungs-l lalblcilcrschallctemcntcn mit Kiihlelementen durch Kleben mittels eines aushärtenden Klebstoffes (6).dadureh gekennzeichnet, daß das Verluslwärme ahgebende Schaltelement (I) untrennbar an einer aus in Lagen spaltbarem Material bestehenden, flächig ausgehst- xo deten Zwischenschicht (8) und diese ebenfalls mittels eines aushüllenden Klebstolfes (7) untrennbar an dem Kühlelemeni (2) angeklebt ist.

2. Anordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, dall das Kühlelement (2) im Bereich der I lache des aulgeklebten Schaltcleincntes (I) mit einer durchsetzenden Bohrung (9) versehen ist.

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

4. Verfahren zur Herstellung einer lösbaren Ver bindung mit niedrigem Wärmeübergangs« itler stand zwischen Verlustwärme abgebenden Lei siungs-llulblcitcr-Schiiltclcmcntcn und einem Kühl element durch Kleben mittels eines aushärtenden Klebstoffes nach Anspruch 1. dadurch gekenn/eiui net. daß eine aus in Lagen spaltbarem Material bestehende flächig ausgebildete Zwischenschicht auf beiden Oberflächen mit dem aushärtenden Kunstsioffkleber bestrichen und an denjenigen Stellen, an denen die Schaltelemente auf dem Kühlelemeni befestigt werden sollen, aufgelegt wird, woran! die Schaltelemente auf die Zwischenschicht aufgelegt und unter Preßdruek mit dieser untrennbar verklebt werden.