DE2838404A1 - Anordnung zur waermeuebertragung zwischen einer elektrischen leistungseinrichtung und einer waermesenke - Google Patents

Anordnung zur waermeuebertragung zwischen einer elektrischen leistungseinrichtung und einer waermesenke

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DE2838404A1 DE19782838404 DE2838404A DE2838404A1 DE 2838404 A1 DE2838404 A1 DE 2838404A1 DE 19782838404 DE19782838404 DE 19782838404 DE 2838404 A DE2838404 A DE 2838404A DE 2838404 A1 DE2838404 A1 DE 2838404A1
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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verbessern der Wärmeübertragung zwischen (1) einer elektrischen Leistungsvorrichtung, die im Betrieb eine wesentliche Leistung an eine äussere Last liefert und dabei im Inneren eine wesentliche Wärme erzeugt und deshalb im folgenden als "Wärmequelle" bezeichnet wird , und (2) einer "Wärmesenke", die die erzeugte Wärme abziehen und dadurch die Wärmequelle schützen soll. Die Erfindung ist bevorzugt bei einem Leistungshalbleiter als Wärmequelle und insbesondere bei einem Leistungstransistor anwendbar.
Um die Leistung von temperaturempfindlichen Vorrichtungen, wie beispielsweise Leistungshalbleitern und insbesondere Leistungstransistoren, zu verbessern, werden die Leistungstransistoren im allgemeinen auf einer Wärme-abführenden Vorrichtung, wie beispielsweise einer Wärmesenke, montiert. Es wurde jedoch gefunden, dass bei einer Montage eines Leistungshalbleiters, und insbesondere eines Leistungstransistors in einem TO,-Gehäuse, auf einer üblichen Wärmesenke nicht mehr als 5 bis 10 % der überlappenden Fläche tatsächlich immer in Kontakt ist, da benachbarte Oberflächen des Transistors und der Wärmesenke hoch- und tiefliegende Punkte aufweisen. Dieser minimale direkte Oberflächenkontakt hat eine Begrenzung der Wärmemenge zur Folge, die von dem Leistungstransistor auf die Wärmesenke übertragen werden kann, und dies schränkt sehr stark den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtanordnung ein. Dadurch wird die maximale Leistung, mit der der Leistungstransistor bei Verwendung von Leistungstransistoren beispielsweise in Pulsbreiten-modulierten Servoantriebssystemen/eingeschränkt, und die Antriebsleistung, die an einen Servomotor geliefert werden kann, wird ebenfalls begrenzt. Somit wird das Gesamtsystem begrenzt, einfach weil die durch den Transistor erzeugte Wärme nicht auf wirksame Weise abgeführt werden kann. Eine Methode zum Verbessern des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung von dem Leistungstransistor auf die Wärmesenke bestand darin, auf den ■^betrieben werden kann,.
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Oberflächenbereich zwischen dem Transistor und der Wärmesenke flüssiges Siliconfett aufzubringen. Dadurch konnte zwar die Wärmeübertragung zwischen dem Leistungstransistor und der Wärmesenke verbessert werden, es wurde jedoch festgestellt, dass auf Grund der flüssigen Natur des Materials das Siliconfett auf elektrische Kontaktbereiche tropft, mit denen der Leistungstransistor verbunden ist, wodurch eine Verschlechterung der elektrischen Leistung der die Leistungstransistoren verwendenden Schaltungsanordnung entstand.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmeübertragungsanordnung zwischen einer Wärmequelle der beschriebenen Art und ihrer benachbarten Wärmesenke zu schaffen, die eine vergrösserte direkte Kontaktfläche der benachbarten Oberflächen aufweist.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung zum Übertragen von Wärme zwischen einer derartigen Wärmequelle und ihrer Wärmesenke zu schaffen, die die elektrische Leistungsfähigkeit der Wärmequelle nicht nachteilig beeinflusst.
Schliesslich soll eine verbesserte Wärmeübertragungsanordnung zwischen einem Leistungstransistor und seiner benachbarten Wärmesenke geschaffen werden, die einen Betrieb des Transistors bei höheren Leistungen als zuvor ermöglicht.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Wärmeübertragungsanordnung zwischen einer Wärmequelle und ihrer benachbarten Wärmesenke geschaffen, indem dazwischen ein verformbares, mit Vertiefungen versehenes Plättchen angeordnet wird. Dadurch wird ein Plättchen bzw. Wafer erhalten. Dies hat zur Folge, daß das Plättchen bzw. Wafer einen direkten Kontakt zwischen 50 und 60 % der benachbarten über-
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läppenden Oberflächenbereiche von sowohl der Wärmesenke als auch der Wärmequelle herstellt, wodurch eine grössere Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke erhalten wird. Das Plättchen kann im allgemeinen etwa die gleiche Grosse wie die Wärmequelle haben, die typischerweise ein Leistungstransistor in einem TO,-Gehäuse ist. Das Plättchen sollte auch für eine Handhabung genügend dick sein, aber nicht zu dick sein, um seine Verformung nicht zu erschweren. Ein typisches Plättchen kann etwa auf seine gleiche normale Dicke tiefgezogen sein, ist ein guter Wärmeleiter und ist ausreichend kalt verformbar bzw. streckbar, indem es eine Streckfestigkeit von weniger als 70 kg/cm aufweist.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näha?erläutert.
Figur 1 ist eine perspektivische Sprengbildansicht von einer Wärmequelle, die auf einer Wärmesenke gemäss der erfindungsgemässen Wärmeüberfcragungsanordnung angebracht ist.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmequelle, die auf einer erfindungsgemässen Wärmesenke angebracht ist, wobei der Abstand zwischen der Oberfläche der Wärmesenke und der benachbarten Oberfläche der Wärmequelle am äusseren Rand der Wärmequelle am kleinsten ist.
Figur 3 ist eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Wärmeübertragungsanordnung, wobei der Abstand zwischen der Oberfläche einer Wärmequelle und der benachbarten Oberfläche der Wärmesenke an einem Punkt nahe der Mitte der Wärmequelle am kleinsten ist.
Figur h ist eine Ansicht von oben auf einen Teil des in Fig. gezeigten Plättchens und zeigt die Orientierungen der benachbarten Vertiefungen.
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Figur 5 ist eine Querschnittsansicht des in Figur 4 gezeigten Plättchens entlang der Schnittlinie 5-5·
Wie aus den Figuren 1 bis 5 hervorgeht, ist die Wärmeübertragungsanordnung gemäss der Erfindung mit eisern mit Vertiefungen versehenen, tief-ziehbaren Plättchen 10 (s. die Vertiefungen
versehen
20 an bestimmten Stellen in Figur 5)/ das zwischen der benachbarten Oberfläche einer Wärmequelle 12 und einer Wärmesenke angeordnet ist. Während die Wärmequelle irgendeine aktive Leistung erzeugende Vorriehtung sein kann, wie beispielsweise ein steuerbarer Siliciumgleichrichter, ist die in den Zeichnungen dargestellte Wärmequelle ein üblicher Leistungstransistor, der sich in einem TO-.-Gehäuse befindet (ein TO.,-Gehäuse weist eine metallische Grundplatte mit einer etwa elliptischen Form auf, auf der sich eine metallische Kapsel befindet, an der die eine Elektrode angelegt bzw. geerdet ist, wobei die anderen Elektroden durch Leiter herausgeführt sind). Ein Lei s tungs transistor in einem TO .,-Gehäuse weist zwei Leiter 16 und 18 auf, die durch Löcher in dem Plättchen bzw. Wafer und der Wärmesenke herausführen, um diesen gegenüber elektrisch isoliert zu sein. Die Wärmesenke 14 kann eine übliche kommerziell erhältliche Wärmesenke sein. Das Plättchen 10 sollte die gleiche Flächenkonfiguration wie die Flächenausdehnung derjenigen Oberfläche des Leistungstransistors aufweisen, die der Wärmesenke 14 benachbart ist.
Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, ist der Abstand zwischen den benachbarten Oberflächen des Leistungstransistors und der Wärmesenke nicht immer gleich. In Figur 2 ist der Abstand zwischen den benachbarten Oberflächen in Richtung auf die Mitte des Transistors grosser, während bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der·Abstand zwischen den benachbarten Oberflächen am Umfang des Transistors am grössten ist. Um also die StrömungsCharakteristiken des Materials zu verbessern und für eine Anpassung an die Abstandsänderungen zu
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sorgen,-die normalerweise zwischen den benachbarten Oberflächen des Leistungstransistors und der Wärmesenke auftreten5 sollte das Plättchen 10 mit Vertiefungen versehen bzw. angesenkt sein. Die resultierende Dicke des Plattchens würde etwa die iiälfte oder die gleiche sein wie seine normale Dickes wenn das Plättchen nicht mit Vertiefungen versehen wäre., da sich das ursprüngliche Plattchenmaterial während der Ausbildungen der Vertiefungen oder Senkungen dehnt. Das Plättchen sollte normalerweise ein guter thermischer Leiter,, tief^ziehbar und weich sein, um so leicht verformbar zu sein. Materialien mit einer
Streckfestigkeit von weniger als 70 kg/cm werden unter diesen Umständen allgemein als genügend verformbar bzw. tief—-ziehbar gehalten. Während GoId5 Silber, Zink und Blei Beispiele für typische geeignete tie£-~ziehbarea xieiches verformbare Materialien mit hervorragender thermischer Leitfähigkeit sindj können Blei und Zink vorzuziehen sein3 da sie billiger als Gold oder Silber sind,, In diesem Zusammenhang ist jedoch zu bemerken, dass die oben genannten Materialien als Beispiele für geeignete Materialisn gegeben worden sind., dass die erfindungsgemäss verwendbaren Materialien jedoch nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt sind. Beispielsweise kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Bleiplättchen mit einer Dicke von Os125 mm durch übliche Presstechniken in einem geeigneten Gesenk tief—gezogen und auf eine Grosse von etwa 2s5 cm im Quadrat von einer Bleifolienrolle geschnitten werden. Die Vertiefungen können in einem Abstand von etwa 0,25 bis 1,5 mm von Mitte zu Mitte angeordnet sein,, wobei in diesem Ausführungsbeispiel ein Abstand von I3 2 mm gewählt ist j so dass das Plättchen mit 21 + 1 Vertiefungen pro 25 mm in jeder Richtung versehen ist« Wie in Figur 1J gezeigt ist, können benachbarte Reihen ναι Vertiefungen versetzt zueinander angeordnet sein, um auf diese Weise die Dichte der Vertiefungen auf dem Plättchen möglichst gross zu machen. Wie in Fig.5
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gezeigt ist, erstreckt sich jede Vertiefung 20 von einer oberen Oberfläche 22 des Plättchens 10 in runder (halbkugelförmiger) konkaver oder diamantartiger Form. Ein üblicher klarer Acrylkleber 24 kann an der oberen Oberfläche 22 des Plättchens 10 angebracht werden, so dass das Plättchen an der benachbarten Oberfläche der Wärmequelle (Transistor) 12 während der Fertigmontage befestigt oder mit dieser verbunden werden kann, damit das Plättchen nicht wegschlüpft und die Leiter des Transistors berührt und einen Kurzschluss bewirkt.
Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, kann das mit Vertiefungen versehene Plättchen zwischen der Wärmequelle (Transistor) 12 und der benachbarten Oberfläche der Wärmesenke angeordnet und der Transistor an der Wärmesenke befestigt werden, wobei übliche Bolzen 26uid 28 verwendet werden, die in entsprechende Löcher 30 und 32 in der Wärmesenke geschraubt werden, wobei das Plättchen 10 zwischen dem Transistor und der Wärmesenke festgeklemmt wird.
Wie in Figur 2 gezeigt ist, wird das mit Vertiefungen versehene Bleiplättchen dort, wo der Abstand zwischen den benachbarten Oberflächen der Wärmequelle und der Wärmesenke am kleinsten ist (nahe den Bolzen oder dem Umfang des Transistors), am stärksten verformt, und die benachbarten Oberflächen der Wärmesenke und des Transistors sind durch das thermisch leitfähige Plättchen im wesentlichen in Kontakt miteinander gebracht, während in Richtung auf die Mitte des Transistors, wo der Abstand zwischen dem Transistor und der Wärmesenke am grössten ist, eine minimale Verformung des Plättchens auftritt, obwohl gleiche Oberflächenbereiche der-ent spre chenden Wärmesenke und Wärmequelle durch das Plättchen weiterhin in Berührung gehalten werden. In ähnlicher WeI^ erfolgt in Figur 3> wo der Abstand zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke am kleinsten ist
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(an der Mitte des Transistors) eine maximale Deformation des Plättchens , während eine minimale Deformation am Umfang des Transistors oder an den Bolzen auftritt.
Somit beträgt in jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der resultierende Oberflächenbereich des Transistors und des benachbarten Wärmesenkenteils, der in direktem Kontakt mit dem thermisch leitfähigen Plättchen steht, etwa 50 bis 60 % des gesamten benachbarten Oberflächenbereiches des Transistors gegenüber den 5 bis 10 % der entsprechenden Flächen, wenn kein Plättchen verwendet werden würae.
Auf Grund der wesentlich vergrösserten Oberfläche des Transistors, die über das thermisch leitfähige, mit Vertiefungen versehene Plättchen thermisch mit der Wärmesenke verbunden ist, ist erfindungsgemäss die Wärmemenge, die von dem Transistor auf die Wärmesenke übertragen werden kann, stark erhöht, wodurch der Transistor bei höheren Leistungen arbeiten und die Transistoren nunmehr zur Speisung grösserer Lasten verwendet werdenskönnen, als dies anderenfalls ohne die Verwendung des Plättchens gemäss der Erfindung möglich wäre.
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Claims (12)

  1. Ansprüche
    Wärmeubertragungsanordnung mit einer elektrischen Leistungsvorrichtung, die eine wesentliche elektrische Leistung an eine externe Last liefert und dabei in Form einer Wärmequelle interne Wärme erzeugt, und mit einer Wärmesenke, dadurch gekennzeichnet, dass ein tief^-ziehbares Plättchen (10) mit einer Vielzahl von Vertiefungen (20) versehen und zwischen der Wärmequelle (12) und der Wärmesenke (14) angeordnet und bei deren Zusammenfügung deformiert ist, wobei das Plättchen bis zu einem wesentlichen Grad mit den benachbart en Oberflächen von Wärmesenke und Wärmequelle in Berührung steht und die thermische Leitfähigkeit zwischen diesen Oberflächen verbessert.
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  2. 2. Wärmeubertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Plättchen etwa die gleiche Flächenausdehnung hat wie die benachbarte Oberfläche der Wärmequelle.
  3. 3. Wärmeubertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierte Plättchen mit etwa minimal 50 % der benachbarten gegenüberliegenden Oberflächen der Wärmesenke und der Wärmequelle in Berührung steht.
  4. 4. Wärmeübertragungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die
    Streck
    trägt.
    2 Streckfestigkeit des Plättchens weniger als 70 kg/cm be-
  5. 5. Wärmeübertragungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzei chnet , dass das Plättchen aus Gold, Silber, Zink oder Blei besteht.
  6. 6. Wärmeubertragungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche Ibis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Plättchen etwa auf seine gleiche normale Dicke tief—gezogen ist.
  7. 7. Wärmeubertragungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen in Reihen angeordnet sinci und jede Reihe in bezug auf die benachbarte Reihe versetzt angeordnet ist.
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  8. 8. Wärmeübertragungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche Ibis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen des Plättchens von seiner oberen Oberfläche ausgehen.
  9. 9. Warmeubertragungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass auf die obere Oberfläche des Plättchens ein Klebstoff aufgebracht ist, der die Oberfläche mit der Wärmequelle verbindet.
  10. 10. Wärmeübertragungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9j dadurch gekennzeichnet, dass etwa 21 Vertiefungen pro 2,5 cm auf dem Plättchen angeordnet sind, die in einem Abstand von etwa 0,25 bis 1,5 mm von Mitte zu Mitte angeordnet sind, wobei das Plättchen etwa 0,125 mm dick ist.
  11. 11. Wärmeübertragungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche Ibis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Leistungstransistor ist.
  12. 12. Warmeubertragungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass der Leistungstransistor ein TO -Gehäuse aufweist.
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DE19782838404 1977-09-07 1978-09-02 Anordnung zur waermeuebertragung zwischen einer elektrischen leistungseinrichtung und einer waermesenke Withdrawn DE2838404A1 (de)

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