EP2122680A1

EP2122680A1 - Transistorklemmvorrichtung

Info

Publication number: EP2122680A1
Application number: EP07802153A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Kaehs; Johann Semerad
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-11-25
Also published as: DE102007003821A1; US8076774B2; JP2010514170A; WO2008083727A1; US20100079958A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transistorklemmvorrichtung für einen Transistor (4) mit einem Halteklotz (2) und einer Feder (3). Der Halteklotz (2) überspannt den Transistor (4), so dass die Feder 3 vorgespannt wird. Zwischen dem Halteklotz (2) und dem Transistor (4) ist eine Andrückplatte (1) vorgesehen. Die Feder (3) fixiert die Andrückplatte (1) auf dem Transistor (4), so dass ein gleichmäßiger Druck über die Andrückplatte (1) auf den Transistor (4) ausgeübt wird und dieser dadurch eine gute Wärmeleitung zu einem Kühlkörper (18) auf der der Andrückplatte (1) abgewandten Seite hat.

Description

Transistorklemmvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Transistorklemmvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Hochfrequenztechnik werden Gerate und Baugruppen in der Regel aus Schirmungsgrunden xn einem geschirmten Gehäuse, d. h. einem Metallgehause untergebracht. Die

Leistungstransistoren haben eine hohe Verlustleistung und müssen deshalb mit entsprechend groß dimensionierten Kühlkörpern versehen sein.

Üblicherweise wird deshalb ein entsprechendes zu kühlendes elektrisches Bauteil, so z. B. auf einer Leiterplatte angeschlossen, dass dessen Kuhlflache mit einem von der Leiterplatte vorstehenden und je nach abzuführender Wärmemenge mit verschieden geformten und einer unterschiedlichen Anzahl von einzelnen Rippen versehenen Kühlkörper in Kontakt steht. Der Metallflansch des zu kühlenden Bauteils (HF-Leistungstransistor) ragt durch eine Aussparung der Leiterplatte und liegt flächig auf einer planen Ausfrasung der Kuhlplatte. Die Anschlussfahnen des Transistors sind mit den

Anschlussflachen der Leiterplatte verlotet. Die Kuhlplatte dient dabei zunächst zur Spreizung der Wärme. Die Verlustwarme kann je nach Ausfuhrung über Kuhlkanale, die sich in der Kuhlplatte befinden, an eine Kuhlflussigkeit oder über Kuhlrippen, die thermisch mit der Kühlplatte verbunden sind, an die durch die Rippen geführte Luft abgegeben werden. Die Kuhlrippen befinden sich typisch auf der den Leistungstransistoren gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers. Um einen Leistungstransistor in entsprechender Lage in gutem Kontakt zur Gehäusewand-Innenfläche zu halten, ist bei der DE 43 27 335 Al eine Vorspanneinrichtung vorgesehen. Mittels der Vorspanneinrichtung, die aus einer Federspange bzw. einem Federbügel besteht, wird das Bauteil in vorbestimmter Lage gehalten. Dadurch ist es möglich, als Kühlkörper die Gehäusewand selbst zu verwenden. Die rückwärtige Abstützung ist in Form einer das elektrische Bauteil überspannenden Brücke gestaltet und kann so in ausreichendem Seitenabstand von dem elektrischen Bauteil mittels Schrauben direkt an der Gehäusewand befestigt werden. Nachteilig an dieser Klemmvorrichtung ist insbesondere die nur punktuell wirkende Federspange, die keine gleichmäßige Verteilung der Kraft auf das komplette elektrische Bauteil gewährleistet und damit nut einen begrenzt guten Wärmetransport zum Kühlkörper bewerkstelligt.

Zu den Unterschieden der vorliegenden Erfindung zur DE 43 27 335 Al ist noch auf Folgendes hinzuweisen:

Bei der DE 43 27 335 Al sollen netzspannungsgeführte Bauteile elektrisch isolierend zur Wärmeableitung auf eine Kühlplatte gedrückt werden. Das Material Kunststoff wird hier also als Isolation von hohen elektrischen Spannungen verwendet und nicht zur Unterbrechung einer elektromagnetisch funktionierenden Übertragerwicklung, die sich aus leitendem Material um den Transistor bildet. Ein Hauptgesichtspunkt der DE 43 27 335 Al ist es, durch die Verwendung der Feder eine Montage mit der relativ dünnwandigen Gehäusewand zu erzielen, um diese bei gleichzeitig ausreichender elektrischer Isolation als Kühlkörper zu verwenden. Dies kommt bei der erfindungsgemäßen Anwendung wegen der hohen Verlustleistung nicht in Betracht. Bei der DE 43 27 335 Al drückt die Haltevorrichtung nicht auch auf den Transistorflansch. Der Druck erfolgt hier ausschließlich über die Feder.

Die DE 43 27 335 Al ist bezüglich der Stabilität des Halteklotzes unkritisch, da lediglich das zu kühlende Bauteil plan an die Gehäusewand angedrückt wird. Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel muss soviel Kraft von der Feder aufgebracht werden, dass sich der vergleichsweise sehr breite Transistorflansch mittig soweit durchbiegt, dass es zu einem guten thermischen und auch elektrischen Kontakt in der Mitte des Bauteils kommt, von wo die meiste Wärme abgeführt werden muss. Der

Halteklotz kann dabei vorzugsweise als Gegenlager diese gesamte Kraft aufnehmen. Die technische Realisierbarkeit bei der Verwendung von Kunststoff als Material für den Halteklotz wird erst durch konstruktive Maßnahmen ermöglicht, damit dieser den Kräften dauerhaft standhält. Die hohen Belastungen an dem Halteklotz werden erfindungsgemäß so minimiert, dass die Verwendung von Kunststoff erst ermöglicht wird.

Ein weiterer Unterschied besteht in der bevorzugten konstruktiven Ausführung: Bei der DE 43 27 335 Al befinden sich die Gewinde für die Befestigungsschrauben in der Haltevorrichtung. Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel befinden sich an vergleichbarer Stelle Durchgangsbohrungen. Die Gewinde sind in der massiven Kühlplatte eingebracht, da die Schrauben den Druck der Feder standhalten müssen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Transistorklemmvorrichtung bereitzustellen, die optimal für den Wärmeabfluss sorgt und damit für die bestmögliche Kühlung des Leistungstransistors sorgt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transistorklemmvorrichtung bei der ein Halteklotz den Transistor übergreift. Eine zwischen Halteklotz und einer Andrückplatte liegende Feder, vorzugsweise eine metallene Blattfeder, wird vorzugsweise durch das Anziehen von z. B. zwei Schrauben vorgespannt. Sie drückt dadurch auf die zwischen Transistor und Feder aufliegende Andrückplatte, so dass die Andrückplatte gleichmäßig auf dem Transistor fixiert wird. Der über die Andrückplatte auf den Transistor gleichmäßig ausgeübte Druck bedingt eine gute Wärmeleitung und zusätzlich eine gute elektrische Masseanbindung zu dem Kühlkörper auf der der Andrückplatte abgewandten Seite.

Der über die Andrückplatte ausgeübte Druck, verteilt sich so gleichmäßig über die gesamte Transistorfläche, dass keine punktuellen Druckstellen entstehen und die Wärmeleitung optimal funktioniert und damit die harte und zerbrechliche Keramikkappe bei dem hohen Druck nicht beschädigt wird was beim einem punktuellen Druck der Fall sein könnte, da die Kappe in der Mitte hohl ist.

Die Blattfeder wirkt in vorteilhafter Weise über die gesamte Breite auf den Halteklotzes. Ein mittiges Durchbiegen des Halteklotz wird dadurch ausgeschlossen. Das Durchbiegen wird vorzugsweise dadurch verhindert, dass die Enden der Blattfedern sehr nahe der Schrauben zum Aufliegen kommen. Beim Stand der Technik erfolgt der Druck dagegen über eine mittige Schraube, was ein Durchbiegen des Klotzes zur Folge hat, insbesondere wenn dieser aus Kunststoff ist. Das Aufliegen der Feder über die Breite des Halteklotzes verhindert ein Nachgeben bzw. ein

Fliessverhalten des Kunststoffs durch den hohen Druck über die Lebensdauer.

Die Blattfeder hat vorzugsweise einen abgerundeten Rand. Die Blattfeder befindet sich in einem Zwischenraum, der ein Teil einer Ausnehmung des Halteklotzes ist. Sie ist zwischen Halteklotz und der Andrückplatte eingespannt. Über die Federvorspannung und den Abstand zwischen Halteklotz und Andrückplatte wird ein definierter Anpressdruck erzeugt. Es wird kein definiertes

Anzugsdrehmoment der Schrauben zum Erzeugen eines definierten Anpressdrucks benötigt, da dieses automatisch bei der Montage der beiden Schrauben im Halteklotz erreicht wird.

Die zwischen Blattfeder und Transistor liegende Andrückplatte erfüllt in vorteilhafter Weise die Funktion eines Klemmelementes. Sie liegt plan auf dem Transistor auf und wird von der vorgespannten Blattfeder in dieser Position fixiert. Der durch die Blattfeder ausgeübte Druck verteilt sich gleichmäßig über die Oberfläche der Andrückplatte und wird auf die gesamte Auflagefläche des Transistors übertragen. Es entstehen wegen der planen Druckverteilung keine punktuellen Druckstellen, die einen deutlich schlechteren Wärmeabfluss zum Kühlkörper bewirken würden. Außerdem kommt es zu keinen lokalen Materialdeformationen. Auch besteht eine schlechte Masseanbindung und die Gefahr der Beschädigung der Keramikkappe des HF-Leistungstransistors. Beim Transistor wird das Auftragen von Wärmeleitpaste auf der Andrückplatte abgewandten Seite sinnvoll. Die Wärmeleitpaste verbessert die Wärmekopplung zwischen Transistor und Kühlkörper so weit, dass der Wärmeabfluss mit einem deutlich geringeren Wärmeleitkoeffizienten über die gesamte aufliegende Fläche erfolgt. Die Wärmeleitpaste kann zur Verbesserung der Masseanbindung idealer Weise auch elektrisch leitfähig sein. Es kann auch eine Wärmeleitfolie zwischen Transistorflansch und Kühlkörper gelegt werden. Diese muss dann jedoch eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, da sonst die Masseanbindung unterbrochen wird.

Die neuartige Transistorklemmvorrichtung, insbesondere der Halteklotz, besteht in vorteilhafter Weise aus einem druck- und temperaturfesten Kunststoff. Das hat Auswirkungen auf die elektrischen und thermischen Materialeigenschaften. Der Halteklotz muss insbesondere elektrisch isolierend ausgeführt sein, deshalb vorzugsweise Kunststoff, damit es nicht zu einer Spulenwicklung kommt. Die Wärme wird nicht über die gesamte Vorrichtung verteilt, sondern nur an den wärmeleitenden Stellen lokalisiert und abgeführt. Die Erwärmung des Transistors und des Kühlkörpers hat keinen Einfluss auf andere Teile der Vorrichtung. Deshalb wird auch aufgrund der thermischen Belastung kein Teil der Vorrichtung deformiert.

Durch die elektrischen Isoliereigenschaften des

Kunststoffs wird die elektromagnetische Verkopplung zum Hochfrequenz-Leistungstransistor unterbunden. Der Halteklotz hat nicht mehr die Möglichkeit über eine elektromagnetische Kopplung zum Transistor einen Stromkreis zu schließen, der wie eine kurzgeschlossene Ubertragerwicklung wirkt. Dadurch können keine Resonanzen entstehen, die die Hochfrequenzeigenschaften des Transistors empfindlich stören konnten.

Die Druckbestandigkeit des Kunststoffmaterials ist im Zusammenhang mit der Spannung der Blattfeder ein Vorteil. Die Belastung des Kunststoffs wird dadurch minimiert, dass die Blattfeder in unmittelbarer der Nahe der Schrauben über die gesamte Breite auf dem Halteklotz auf liegt. Der Halteklotz, der als Gegenlager für die Feder dient, muss deshalb den Druck nicht über einen langen Hebel übertragen, wodurch er sich verbiegen wurde und auf Dauer ein Setzverhalten aufweisen wurde. Die Blattfeder steht nach dem Einbau unter standiger Spannung. Durch den Druck, den sie auf den Halteklotz permanent ausübt, kann sie ihn deformieren und sogar durchbiegen. Durch die Druckbestandigkeit ist auch auf Dauer die Formerhaltung des Halteklotzes erreicht. Das wirkt sich in vorteilhafter Weise auf den Erhalt des Drucks auf die Andruckplatte und damit auch auf die Wärmeleitfähigkeit des Transistors zum Kühlkörper aus.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen, in der ein vorteilhaftes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist, beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der erfindungsgemaßen Transistorklemmvorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemaße Transistorklemmvorrichtung und Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Transistorklemmvorrichtung .

In der Fig. 1 wurde eine Querschnittsdarstellung gewählt um den inneren Aufbau der Transistorklemmvorrichtung zu verdeutlichen. Der Halteklotz 2, der den gesamten Transistor 4 übergreift bzw. überspannt ist als die von den Schrauben 5 begrenzt Kunststoffbrücke zu erkennen. Der Halteklotz 2 überdeckt den Rest der gesamten Vorrichtung. Der Halteklotz 2 beginnt an seiner Oberseite mit den Bohrungen für die Schrauben 5 und erstreckt sich nach unten. Seitlich außerhalb der Ausnehmung 6 sind die Schrauben 5 geführt, die den Halteklotz 2 auf dem Kühlkörper 18 befestigen. Die Führungen 20 der Schrauben 5 sind in einer rechteckigen Ausnehmung 14 auf der Oberseite des Halteklotzes 2 eingebohrt, so dass die Schrauben 5 nach dem Anziehen komplett in der Ausnehmung 14 im Halteklotz 2 verschwinden. Die Ausnehmung ist vorzugsweise durch zwei Längsstege auf dem Halteklotz 2 gebildet, die diese Ausnehmung 14 bilden und zur Stabilität gegen Durchbiegen dienen.

Im Inneren des Halteklotzes 2 befindet sich eine rechteckige Ausnehmung 6, in der sich der Transistor 4, die Andrückplatte 1 und die Blattfeder 3 befinden. Seitlich reicht die Größe der Ausnehmung 6 bis fast zu den eingebohrten Führungen 20 der Schrauben 5. In vertikaler Richtung reicht die Ausnehmung 6 von der unteren Kante bis etwa zur halben Höhe des Halteklotzes 2. Der Halteklotz 2 stellt in der Ausnehmung 6 einen ausreichend großen Zwischenraum für die Blattfeder 3 bereit, die sich beim Befestigen der Schrauben 5 in dem Zwischenraum definiert anspannt . Die Blattfeder 3 ist im Querschnitt bogenförmig geformt und ist in ihrem mittleren Teil ü-förmig durchgebogen. Ihre seitlichen Ränder sind etwas in Gegenrichtung nach unten gebogen, so dass sie sich beim anspannen der

Blattfeder 3 nicht in den Halteklotz 2 bohren können. Mit der Bauchseite des U-förmigen Teils der Blattfeder 3 wird die Andrückplatte 1 fixiert. Auf die Blattfeder 3 wird der Halteklotz 2 gelegt und mittels der Schrauben 5 mit dem Transistor 4 auf dem Kühlkörper 18 verschraubt. Die

Blattfeder 3 liegt in einem Zwischenraum, der auch die Andrückplatte 1 aufnimmt, so dass das Anziehen der Schrauben 5 die Blattfeder 3 definiert spannt und die Andrückplatte 1 auf dem Transistor 4 fixiert.

Die Blattfeder 3 ist von ihren Ausmaßen her etwa so breit wie der Zwischenraum in dem sie sich befindet. Die Andrückplatte 1 liegt plan auf dem Transistor 4 auf und wird von der gespannten Blattfeder 3 gleichmäßig auf den Transistor 4 gedrückt. Durch die Verteilung des Drucks über die Andrückplatte 1 auf den Transistor 4, wird eine gleichmäßige Wärmekopplung zwischen dem Transistor 4 und dem Kühlkörper 18 auf der der Andrückplatte 1 abgewandten Seite aufgebaut. Die Andrückplatte 1 ist im Ausführungsbeispiel genauso breit wie der darunter liegende Transistor 4. Die Dicke der Andrückplatte 1 ist in etwa vergleichbar mit der Höhe des Zwischenraums, in dem sich die angespannte Blattfeder 3 befindet.

Auf dem Transistor 4 liegt eben die Andrückplatte 1. Er liegt eben auf dem Kühlkörper 18 in einer rechteckigen Ausnehmung 16 des Kühlkörpers 18 auf. Er füllt die Ausnehmung 16 nicht vollständig aus, sondern schließt bündig mit den Kanten des Halteklotzes 2 ab, so dass eine kleine Lücke an beiden Seiten der Klemmvorrichtung in der Ausnehmung 16 entsteht.

Neben dem seitlichen Rand des Transistors 4 befinden sich die Bohrungen. Die Schrauben 5 werden durch den Halteklotz 2 in den Kühlkörper 18 geschraubt. Das Gewinde 7 der Schrauben 5 reicht bis tief in den Kühlkörper 18, jedoch nicht bis zur Bohrungstiefe, so dass ein kleiner überstehender Teil unten in den Schraubenbohrungen 20 verbleibt.

Die Höhe des Transistors in diesem Bereich entspricht in etwa der doppelten Höhe der Andrückplatte 1. Die Breite entspricht nicht ganz der Breite der Ausnehmung 6 im Halteklotz 2, so dass seitlich ein Hohlraum bleibt und die darüber liegende Andrückplatte 2 und Blattfeder 3 überstehen. Seitlich neben der Vorrichtung auf dem Kühlkörper 18 ist eine dünne Leiterplatte 9 aufgelegt, die mit den kleinen Schrauben 8 am Kühlkörper 18 festgeschraubt ist.

In der Fig. 2 ist die Transistorklemmvorrichtung von oben zu sehen. Man erkennt den Halteklotz 2 mit den Schrauben 5 die die Vorrichtung auf dem Kühlkörper 18 fixieren. Der Halteklotz 2 hat eine rechteckige Form und deckt nahezu den gesamten Transistor 4 ab. Es ist auch die Ausnehmung 14 auf dem Halteklotz 2 zwischen den Schrauben 5 zu erkennen. Sie ist etwas breiter als die Schrauben 5 selbst und reicht von der linken Kante bis zur rechten Kante. Die Tiefe der Ausnehmung 14 entspricht fast der Höhe eines Schraubenkopfes 5.

An den Ecken des Halteklotzes 2 sind ebenfalls Ausnehmungen 10 zu erkennen. In diesen Ausnehmungen 10 befinden sich Schrauben 11, die am Kühlkörper 18 festgeschraubt sind.

Zwei um die Mitte der oberen Kante angeordnete rechteckige Streifenleiter 13 sind die nach außen geführten Anschlüsse des Transistors 4. An der untern Kante in der Fig. 2 sind ebenfalls zwei Streifenleiter 15 um die Mitte der Kante angeordnet, die ebenfalls die nach außen geführten Anschlüsse 15 des Transistors 4 sind. Die zur Mitte der Kante zeigende Seite der Streifenleiter 15 ist schräg ausgeschnitten.

In der Fig. 3 ist in perspektivischer Ansicht die Transistorklemmvorrichtung dargestellt. Man sieht in perspektivischer Draufsicht den Halteklotz 2 mit den in die Ausnehmung 14 eingedrehten Schrauben 5. Man kann erkennen, dass die Schraubenköpfe 5 in der Ausnehmung 14 versenkt sind und dass sie eine Unterlegscheibe 19 haben. An den Ecken des Halteklotzes 2 sind die bis zum Kühlkörper 18 reichenden Ausnehmungen 10 zu erkennen.

Weiterhin sieht man an den langen Seiten des Halteklotzes 2, dass der untere Teil der Seite ebenfalls ausgenommen ist. Dort befinden sich die Streifenleiteranschlüsse 13 des Transistors 4.

Der erfindungsgemäße Halteklotz ist vorzugsweise derart konstruiert, dass dieser kostengünstig mit einem Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Eine weitere Ergänzung sind insgesamt vier Führungen, die seitlich an den Halteklotz angegossen sein können. Diese verändern die Ausnehmung derart, dass eine Art Führung für die Feder und die Andrückplatte innerhalb der Ausnehmung erreicht wird und dadurch eine automatische Zentrierung die der beiden Komponenten bei der Montage entsteht. Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere könnte auch eine andere Feder als eine Blatt- oder Tellerfeder zum Einsatz kommen. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.

Claims

Patentansprüche

1. Transistorkleramvorrichtung für einen Transistor (4) mit einem Halteklotz (2) und einer Feder (3), wobei der Halteklotz (2) den Transistor (4) übergreift, so dass die Feder (3) vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halteklotz (2) und dem Transistor (4) eine Andrückplatte (1) vorgesehen ist und dass die Feder (3) die Andrückplatte (1) so auf dem

Transistor (4) fixiert, dass ein gleichmäßiger Druck über die Andrückplatte (1) auf den Transistor (4) ausgeübt ist und dieser dadurch eine gute Wärmeleitung zu einem Kühlkörper (18) auf der der Andrückplatte (1) abgewandten Seite hat.

2. Transistorklemmvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (4) ein Hochfrequenz- Leistungstransistor (4) ist.

3. Transistorklemmvorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) eine metallene Blattfeder mit gebogene Rand ist.

4. Transistorklemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) den Druck über die gesamte Breite auf die Andrückplatte (1) ausübt, so dass ein mittiges Durchbiegen ausgeschlossen wird.

5. Transistorklemmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (3) zwischen dem Halteklotz (2) und der Andrückplatte (1) eingespannt ist und dass über die Spannung der Feder (3) und den Abstand zwischen dem Halteklotz (2) und der Andrückplatte (1) ein definierter gleichmäßiger Anpressdruck ausgeübt ist.

6. Transistorklemmvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteklotz (2) aus druck- und temperaturfestem Kunststoff besteht.

7. Transistorklemmvorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteklotz (2) über Schrauben (5) gegen den Kühlkörper (18) vorgespannt ist.