DE4041444C1 - Synthetic resin bolts for fixing semiconductor elements - made in pin shape of material which pulls together and thickens on heating - Google Patents

Synthetic resin bolts for fixing semiconductor elements - made in pin shape of material which pulls together and thickens on heating

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Abstract

The plastic bolt secures electronic components, partic. semi-conductors, to cooling bodies or base material. It is pin-shaped and of material which when heated simultaneously contracts in the axial direction and thickens. it can be parted off from a continuous roll and provided with a head, and the material can be extruded. The material can be moistened, and stretched when hot and then rapidly cooled. ADVANTAGE - Low cost, and holds items firmly together even when hot. (Previously notified in Week 9145)

Description

Die Erfindung betrifft einen Kunststoffbolzen zur Ver­ bindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere zur Befestigung von Leistungshalbleiterbauelementen auf Kühlkörpern oder Basismaterial.The invention relates to a plastic bolt for Ver binding of electronic components, in particular for Attachment of power semiconductor components Heat sinks or base material.

Üblicherweise werden elektronische Bauteile durch An­ schrauben oder Annieten mit Metallschrauben oder Nieten befestigt. Dieses Verfahren wird auch für Leistungshalb­ leiter auf Kühlkörpern bzw. Basismaterial verwandt.Electronic components are usually replaced by An screw or rivet with metal screws or rivets attached. This procedure is also used for power half conductor used on heat sinks or base material.

Häufig muß dabei jedoch der Flansch des Halbleiters elektrisch vom Kühlkörper getrennt sein, so daß man zu­ sätzliche nichtleitende Abstandsstücke zwischen der metallenen Schraube oder Niete und dem Flansch des Halb­ leiters verwenden muß. Dies bedeutet stets einen erheb­ lichen Aufwand sowohl an Montageteilen als auch an Montagezeit.Often, however, the flange of the semiconductor must be used be electrically separated from the heat sink, so that one too additional non-conductive spacers between the  metal screw or rivet and the flange of the half conductor must use. This always means an increase effort both on assembly parts and on Assembly time.

Eine Vereinfachung wird erreicht, wenn man anstelle von Metallschrauben oder Nieten solche aus nichtleitendem Kunststoff verwendet. Sie lösen das Isolationsproblem, sind andererseits jedoch meist aus einem für Massenarti­ kel verwendeten Kunststoff, d. h. thermoelastisch. Bei Erhitzung verlieren sie ihre Festigkeit und beginnen zu fließen. Da Leistungshalbleiter sich jedoch typischer­ weise sehr stark erwärmen, - sie sollen ja gerade mit einem Kühlkörper thermisch verbunden werden -, sind sol­ che Kunststoffschrauben für diesen Zweck ungeeignet. Sie würden keine feste Verbindung ergeben können.A simplification is achieved if instead of Metal screws or rivets made of non-conductive Plastic used. You solve the insulation problem, on the other hand, however, are mostly from one for mass items plastic used, d. H. thermoelastic. At Heating they lose their firmness and begin to flow. However, since power semiconductors are more typical wise very warm, - you should just with a heat sink are thermally connected - are sol Plastic screws are unsuitable for this purpose. they would not be able to make a firm connection.

Als unmittelbaren Ausweg bietet sich für die obengenann­ te Halbleiterkühlkörperverbindung an, nicht-thermo­ plastische bzw. sehr temperaturfeste Kunststoffe zu ver­ wenden. Die Herstellung dieser nichtthermoplastischen bzw. temperaturfesten Kunststoffschrauben oder Nieten wäre jedoch sehr aufwendig und teuer, da sie nicht im Spritzgußverfahren hergestellt werden können. Ein typi­ sches Material, das diesen Anforderungen genügen würde, ist PTFE (Teflon).An immediate way out is for the above te semiconductor heat sink connection on, non-thermo plastic or very temperature-resistant plastics to ver turn. The manufacture of this non-thermoplastic or temperature-resistant plastic screws or rivets would be very complex and expensive, since they are not in the Injection molding processes can be produced. A typi material that would meet these requirements, is PTFE (Teflon).

Zusätzlich zu den Kosten weisen solche Kunststoffschrau­ ben oder Nieten aus temperaturfesten Kunststoffen noch weitere Nachteile auf. Bei Verwendung von Schrauben müßte mit einer Schraubensicherung gegen ungewolltes Herausdrehen eine Sicherung vorgenommen werden, da die Oberflächen typischerweise sehr glatt sind. Dazu benö­ tigt man entweder eine Mutter oder ein Gegengewinde. Bei einer Niete aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff tritt das Problem auf, daß sie sich weder mechanisch durch Aufschlagen des Kopfes noch thermisch durch Auf­ schmelzen eines Kopfes leicht verformen läßt.In addition to the cost, such plastic screw show ben or rivets made of temperature-resistant plastics further disadvantages. When using screws would have to with a screw lock against unwanted Unscrewing a fuse can be made as the Surfaces are typically very smooth. To do this you either use a nut or a counter thread. At a rivet made of a high temperature resistant plastic the problem arises that they are neither mechanical  by hitting the head still thermally by opening melting a head can be easily deformed.

Als einziges Verfahren würde eine sogenannte Spreizniete übrig bleiben, die innen hohl ist und mit einem Stempel versehen ist, der in das Niet geschlagen wird, wodurch sich das Ende des Niets aufspreizt. Die Nachteile dieser Form liegen auf der Hand. Zum einen benötigt man ein sehr aufwendiges und teures Herstellungsverfahren, um derart komplizierte Nieten aus temperaturfestem Kunst­ stoff zu fertigen, andererseits muß Platz zum Einschla­ gen des Stempels vorhanden sein, der in vielen Fällen bei enggebauter Elektronik nicht vorhanden ist, und zum weiteren klemmt die Verbindung nur seitlich, drückt aber nicht die zu verbindenden Bauteile fest zusammen. Auch die Herstellung sehr kleiner Nieten ist praktisch nicht möglich.The only method would be a so-called expanding rivet remain that is hollow inside and with a stamp is provided, which is struck in the rivet, whereby the end of the rivet spreads. The disadvantages of this Form are obvious. For one, you need one very complex and expensive manufacturing process to such complicated rivets made of temperature-resistant art to fabricate, on the other hand, space for wrapping against the stamp, which in many cases is not available for tightly-built electronics, and others only clamps to the side, but presses not the components to be connected firmly together. Also the production of very small rivets is practically not possible.

Als Stand der Technik ist zusätzlich noch die DE 38 36 679 A1 zu nennen, in der ein Verfahren zum Verschließen von röhrenförmigen Gegenständen beschrieben ist, das je­ doch das hier vorliegende Problem des Schaffens einer Verbindung von elektronischen Bauteilen nur am Rande be­ rührt.DE 38 36 679 A1 is also state of the art to name in which a method of closing of tubular objects is described, which ever but the problem of creating one here Connection of electronic components only on the edge stirs.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Kunststoffbol­ zen zu schaffen, der auch unter höheren Temperaturen elektronische Bauteile nichtleitend miteinander verbin­ det und einfach bzw. preiswert herzustellen ist.The object of the invention was therefore a plastic bolt zen to create even under higher temperatures non-conductive connection of electronic components det and is simple or inexpensive to manufacture.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Bolzenkörper stiftartig ausgebildet wird und aus einem Material besteht, das sich bei Erhitzen in axialer Richtung zu­ sammenzieht und gleichzeitig verdickt. This problem is solved in that the bolt body is designed like a pen and made of one material exists that when heated in the axial direction contracts and thickened at the same time.  

Ein solches Material kann in einem Strang mit beliebigem Querschnitt extrudiert werden. Damit steht ein sehr ein­ faches billiges Herstellungsverfahren zur Verfügung. Auch das Material ist relativ preiswert erhältlich.Such a material can be in a strand with any Cross-section can be extruded. This is very important multiple cheap manufacturing process available. The material is also relatively inexpensive.

Man wird einen speziellen Kunststoff wählen (z. B. Poly­ olefin) der zur Zeit z. B. bei den in der Elektronik üblichen Schrumpfschläuchen verwandt wird. Das Material wird nach dem Extrudieren ähnlich wie diese Schrumpf­ schläuche vorbehandelt, indem man es in erwärmtem Zu­ stand axial dehnt und schnell in diesem Zustand abkühlt, so daß es, nachdem es wieder erwärmt wird, sich in axia­ ler Richtung zusammenzieht und gleichzeitig verdickt. Schrumpfschläuche werden demgegenüber radial gedehnt und behalten bei erneuter Erwärmung ihre Länge, verkleinern aber ihren Durchmesser.You will choose a special plastic (e.g. poly olefin) currently z. B. in the electronics usual heat shrink tubing is used. The material will shrink like this after extruding hoses pretreated by warming them up stood axially stretching and cooling quickly in this state, so that, after being warmed up again, it turns into axia contraction and thickening at the same time. In contrast, shrink sleeves are stretched radially and keep their length when heated again, reduce but their diameter.

Durch die Verdickung ergibt sich eine Klemmwirkung des Bolzens in der Bohrung, die allein schon neben dem axia­ len Zusammenziehen des Bolzens eine gute Festigkeit ga­ rantiert. Zusätzlich wird sich ein überstehender Teil des Bolzens auch verdicken, so daß praktisch ein Niet­ kopf entsteht. Dies kann auf beiden Seiten geschehen. Es ist jedoch auch denkbar, diesen Bolzen in Sacklöcher einzusetzen.The thickening results in a clamping effect of the Bolzens in the hole that is already next to the axia len tightening the bolt good strength ga guessed. In addition, there will be a protruding part of the bolt also thicken, so that practically a rivet head arises. This can be done on both sides. It however, it is also conceivable to put this bolt in blind holes to use.

Vorteilhafterweise wird der Kunststoffbolzen zur Verwen­ dung aus Endlosmaterial von einer Rolle abgetrennt wer­ den.The plastic bolt is advantageously used end of continuous material from a roll the.

Dadurch, daß die Bolzen als Endlosmaterial auf einer Rolle geliefert werden, kann man eine sehr kostengünsti­ ge, andererseits aber auch für den Benutzer sehr bequeme Herstellungs-, Transport- bzw. Verpackungs- und Ver­ kaufseinheit herstellen, zumal jede beliebige benötigte Bolzenlänge durch einfaches Abschneiden herzustellen ist.The fact that the bolt as a continuous material on a Roll can be delivered, you can a very inexpensive ge, but also very convenient for the user Manufacturing, transport or packaging and Ver produce a sales unit, especially since any required  Produce bolt length by simply cutting is.

In einer alternativen Ausbildung wird der Kunststoff­ bolzen an einem Ende mit einem Kopf versehen. Dadurch muß man natürlich auf das Verpacken als Endlosmaterial verzichten, solange man extrudieren will, hat aber den Vorteil, daß man den Bolzen nur noch an einer Seite erwärmen muß, und man durch den Kopf einen Anschlag besitzt, bis zu dem man den Bolzen in die Bohrungen stecken kann, ohne daß er durchfällt, wodurch er einfa­ cher genau auszurichten ist.In an alternative training, the plastic provide a head on one end. Thereby of course you have to pack it as a continuous material waive as long as you want to extrude, but has that Advantage that the bolt is only on one side must warm up, and you hit a stop through the head owns, up to which one the bolt in the holes can be stuck without failing, which makes it easy is to be precisely aligned.

Die Herstellung eines Kopfes kann sehr einfach durch herstellerseitiges teilweises Erhitzen des Bolzens ge­ schehen.Making a head can be done very easily partial heating of the bolt by the manufacturer happen.

Es wird vorgeschlagen, den Querschnitt des Bolzens kreisförmig zu machen.It is suggested the cross section of the bolt to make circular.

Andere Querschnitte sind natürlich denkbar, aber da Montagelöcher gewöhnlich rund sind, bietet sich auch ein runder Querschnitt des Bolzens an.Other cross sections are of course conceivable, but there Mounting holes are usually round, too round cross section of the bolt.

In einem bevorzugten Herstellungsverfahren für den Kunststoffbolzen wird das Material des Bolzens extru­ diert.In a preferred manufacturing process for the Plastic stud is the material of the stud extru dated.

Dieses Herstellungsverfahren hat den Vorteil, daß man ohne Probleme Endlosmaterial herstellen kann, und daß es mit großen Durchflußmengen betrieben werden kann. Andere Herstellungsverfahren z. B. das obengenannte Spritzguß­ verfahren würden sich für die Herstellung von Nieten mit Köpfen anbieten. This manufacturing process has the advantage that can produce endless material without problems and that it can be operated with large flow rates. Other Manufacturing process z. B. the above injection molding would proceed with the manufacture of rivets Offer heads.  

Nach dem Verfahrensschritt des Extrudierens bzw. Spritz­ gießens wird vorgeschlagen, eine sogenannte Vernetzung des Materials des Bolzens durchzuführen. Eine solche Vernetzung der Moleküle des Kunststoffes geschieht z. B. durch Röntgenstrahlen, und wird dazu führen, daß das Ma­ terial ein sogenanntes Formgedächtnis erhält.After the extrusion or spraying step pouring is proposed, a so-called networking the material of the bolt. Such Crosslinking of the molecules of the plastic happens for. B. by X-rays, and will cause the Ma receives a so-called shape memory.

Abschließend wird vorgeschlagen, daß das Material des Bolzens nach dem Vernetzen in erwärmten Zustand gedehnt und danach rasch abgekühlt wird.Finally, it is proposed that the material of the Bolt stretched in heated condition after crosslinking and then quickly cooled.

Durch die Behandlung des Bolzenmaterials in einer sol­ chen Art und Weise wird die Form des Bolzens in dem der­ zeitigen Zustand praktisch eingefroren und wird erst durch erneutes Erwärmen wieder in ihre ursprüngliche kürzere, dickere Form zurückfinden.By treating the stud material in a sol Chen way the shape of the bolt in which the current state is practically frozen and is only by reheating it to its original find shorter, thicker form.

Im folgenden soll die Herstellung eines solchen Bolzens und die Verwendung in der Praxis an je einem Beispiel näher erläutert werden.The following is the production of such a bolt and use in practice based on an example are explained in more detail.

Als Grundmaterial des Kunststoffbolzens wird ein spe­ zieller Kunststoff zu wählen sein, dessen Eigenschaften oben bereits beschrieben wurden. Ein möglicher Kunst­ stoff ist Polyolefin.A special material is used as the base material of the plastic bolt be selected plastic, its properties have already been described above. A possible art fabric is polyolefin.

Dieses Material wird in einem Strang mit beliebigen Querschnitt zu extrudieren sein. Der Querschnitt wird vorzugsweise rund sein, da die meisten Löcher in denen der Bolzen Anwendung finden soll rund sind.This material is in a strand with any Cross-section to be extruded. The cross section is preferably be round because most holes in those the bolt is to be used round.

Nach dem Extrudieren wird eine Vernetzung der Moleküle des Kunststoffes durchgeführt. Dies kann z. B. durch Be­ strahlung mit Röntgenstrahlen geschehen. Andere Mittel, wie Mikrowellenstrahlung sind natürlich auch möglich. After extrusion, the molecules crosslink of the plastic. This can e.g. B. by Be radiation done with x-rays. Other means, like microwave radiation are of course also possible.  

Nach dieser Vernetzung wird der Kunststoff wieder er­ wärmt und durch Zug in die Länge gezogen. Dadurch nimmt seine Länge zu, der Querschnitt bzw. Durchmesser nimmt jedoch ab, da das Materialvolumen gleich bleiben muß. Durch rasches Abkühlen bleibt dieser Dehnungszustand er­ halten. Es findet also ein sogenanntes Einfrieren der Lagen der Moleküle zueinander statt.After this networking, the plastic becomes he again warms and elongated by train. This takes its length increases, the cross section or diameter increases however, since the material volume must remain the same. This stretching state remains due to rapid cooling hold. So there is a so-called freezing of the Layers of the molecules to each other instead.

Fakultativ kann der Strang in Stücke bestimmter Länge geschnitten werden und mit einem Kopf an der einen Seite versehen werden.Optionally, the strand can be cut into pieces of certain length be cut and with a head on one side be provided.

Der Bolzen ist nun gebrauchsfertig und kann an den Be­ nutzer geliefert werden.The bolt is now ready for use and can be attached to the Be be delivered to users.

Dieser wird nun ähnlich wie bei den bekannten Schrumpf­ schläuchen ein Stück passender Länge von einem Strang vorgegebener Anfangsdicke schneiden, das in dem Loch, in dem es klemmen soll, eng anliegt, und eine Hitzequelle z. B. ein Heißluftgebläse verwenden, um den Kunststoff­ bolzen zu erwärmen.This will now be similar to the familiar shrink hose a piece of appropriate length from one strand cut the specified initial thickness, which in the hole in which it is supposed to pinch, fits snugly, and a source of heat e.g. B. Use a hot air gun to hold the plastic to heat bolts.

Durch die Erwärmung wird der Zustand vor dem sogenannten Einfrieren wieder hergestellt, und der Bolzen wird seine ursprünglichen Moleküllagen (vor dem Dehnen) versuchen wieder herzustellen. Er wird sich also in der Länge zu­ sammenziehen und dabei gleichzeitig verdicken.Due to the heating, the state before the so-called Freeze is restored and the bolt becomes his try original molecular layers (before stretching) restore. So it will increase in length contract and thicken at the same time.

Bei Schrumpfschläuchen geschieht dies bekanntlich ähn­ lich, sie werden nur im Durchmesser gedehnt und in die­ sem Zustand eingefroren, so daß sie sich bei späterem Erhitzen im Durchmesser zusammenziehen, wobei jedoch ihre Länge erhalten bleibt.As is well known, this is done similarly with shrink sleeves Lich, they are only stretched in diameter and into the frozen this state, so that it turns out later Heat contract in diameter, however their length is preserved.

Vor dem Erhitzen wird der Bolzen durch entsprechende Bohrungen in den elektronischen Bauteilen, insbesondere durch die Flanschbohrungen der Leistungshalbleiter die Isolierunterlegscheibe und eine entsprechend große Boh­ rung im Kühlkörper so gesteckt, daß er an beiden Enden ein gewisses Stück herausragt.Before heating, the bolt is replaced by appropriate Drilling in the electronic components, in particular  through the flange holes of the power semiconductors Insulating washer and a correspondingly large boh tion in the heat sink so that it is on both ends protrudes a bit.

Falls es sich um einen Bolzen ohne Kopf handelt, werden beide überstehenden Seiten des Bolzens mit einer Heiß­ luftpistole zu erwärmen sein, worauf sich die erwärmten Enden des Bolzens in der Länge zusammenziehen und gleichzeitig verdicken.If it is a headless bolt, both protruding sides of the bolt with a hot one air gun to be warmed up, whereupon the warmed up Pinch the ends of the bolt in length and thicken at the same time.

Ist der Bolzendurchmesser vor dem Erwärmen so gewählt, daß er gerade noch in die Bohrung paßt, so passen die jetzt verdickten Enden des Bolzens nicht mehr durch die Bohrung und bilden in diesem Sinne einen Nietkopf auf jeder Seite. Das Zusammenziehen des Bolzenkörpers führt dazu, daß die beiden zu verbindenden Teile, Halbleiter­ flansch und Kühlkörper, zusammengepreßt und fest mitein­ ander verbunden werden.If the bolt diameter is selected before heating, that it just fits in the hole, they fit now the ends of the bolt no longer thickened through the Hole and in this sense form a rivet head each side. The contraction of the bolt body leads that the two parts to be connected, semiconductors flange and heat sink, pressed together and firmly together be connected.

Es ergibt sich hierbei ein weiterer entscheidender Vor­ teil des erfindungsgemäßen Kunststoffbolzens. Seine Län­ ge, d. h. die Länge des entstehenden Nietes braucht nicht speziell angepaßt zu werden. Dadurch, daß die überstehenden Enden sich verdicken, wird sich seine Län­ ge automatisch richtig einstellen. Man kann also nicht einen zu langen Bolzen wählen, da sich sämtliches über­ stehende Material verdickt und den Kopf bildet.There is another decisive advantage here part of the plastic bolt according to the invention. His country ge, d. H. the length of the rivet created not to be specially adapted. Because the protruding ends will thicken, its length automatically set the correct ge. So you can't choose a bolt that is too long since everything overlaps standing material thickens and forms the head.

Die bisher auftretenden Probleme, daß bei Erwärmung des Halbleiters im Betrieb ein Kunststoffbolzen anfängt, seine Funktion schlechter zu erfüllen, dadurch, daß er elastisch wird, wird hier gerade nicht eintreten, son­ dern bei Auftreten der Wärme am Bolzenschaft wird sich der Bolzen weiter zusammenziehen, d. h. die Zugspannung wird sich weiter erhöhen und die Verbindung fester ma­ chen.The problems encountered so far that when the A plastic bolt starts in operation, to perform its function worse because it becomes elastic, will not happen here right now, son will change when the heat appears on the bolt shaft continue to tighten the bolt, d. H. the tension  will continue to increase and the connection of fixed ma chen.

Die zu wählende Kunststoffe werden eine hohe Temperatur­ stabilität besitzen müssen. Die als Beispiel erwähnten Polyolefine haben eine Temperaturstabilität bis zu 200°C, was bei den maximal zulässigen Betriebstemperatu­ ren von 150°C für Halbleiter voll ausreicht. Der Bolzen wird seine volle Festigkeit selbst bei maximalen Be­ triebstemperaturen nie verlieren und es wird immer noch eine genügend große Temperaturreserve bleiben.The plastics to be chosen are high temperature must have stability. Those mentioned as an example Polyolefins have a temperature stability up to 200 ° C, which is the maximum permissible operating temperature temperatures of 150 ° C are sufficient for semiconductors. The bolt its full strength even at maximum loading never lose drive temperatures and it still will a sufficiently large temperature reserve remains.

Es ist auch denkbar, daß sich der Anwender erst kurz vor dem Einsetzen des Nietes einen Kopf am Niet dadurch sel­ ber formt, daß er ihn erwärmt und evtl. zusätzlich eine Formpressung vornimmt.It is also conceivable that the user is only just before the insertion of the rivet sel sel About forms that he warms it and possibly an additional Compression molding.

Claims (7)

1. Kunststoffbolzen zur Verbindung von elektronischen Bauteilen, insbesondere zur Befestigung von Leistungs­ halbleiterbauelementen auf Kühlkörpern oder Basismate­ rial, gekennzeichnet durch eine stiftartige Ausbildung des Bolzenkörpers aus einem Material, das sich bei Erhitzen in axialer Richtung zu­ sammenzieht und gleichzeitig verdickt.1. Plastic bolt for connecting electronic components, in particular for fastening power semiconductor components to heat sinks or base materials, characterized by a pin-like design of the bolt body made of a material that contracts when heated in the axial direction and simultaneously thickens. 2. Kunststoffbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kunststoffbolzen aus Endlosmaterial von einer Rolle abgetrennt sind.2. Plastic bolt according to claim 1, characterized records that the plastic bolts made of continuous material are separated from a roll. 3. Kunststoffbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kunststoffbolzen an einem Ende mit einem Kopf versehen sind.3. Plastic bolt according to claim 1, characterized records that the plastic bolt at one end are provided with a head. 4. Kunststoffbolzen nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kunststoffbolzens kreisförmig ist. 4. Plastic bolt according to one of the preceding An sayings, characterized in that the cross section the plastic bolt is circular.   5. Kunststoffbolzen nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Bolzens extrudiert ist.5. Plastic bolt according to one of the preceding An sayings, characterized in that the material of the Bolt is extruded. 6. Kunststoffbolzen nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Bolzens vernetzt ist.6. Plastic bolt according to one of the preceding An sayings, characterized in that the material of the Bolzens is networked. 7. Kunststoffbolzen nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Bolzens in erwärmtem Zustand gedehnt und danach rasch abgekühlt ist.7. Plastic bolt according to one of the preceding An sayings, characterized in that the material of the Bolts stretched when heated and then quickly afterwards has cooled down.
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