TWI425907B - 電子元件和散熱裝置之組合結構及其絕緣元件 - Google Patents

Description

電子元件和散熱裝置之組合結構及其絕緣元件

本案係關於一種電子元件和散熱裝置之組合結構，尤指一種可提升電氣安全性之電子元件和散熱裝置之組合結構。

隨著科技的進步，各種電子裝置、設備亦朝著小型化及多元化的趨勢發展，因此電路板上的電子元件積集度大幅提升，電子元件之散熱與絕緣問題亦相形重要。以許多控制設備、量測儀器、電器設備、電腦周邊裝置中必須使用的功率電晶體為例，其主要功能為訊號處理或功率驅動，由於功率電晶體一般係處理較大功率之信號，因此相對會產生較高的熱能，更需要克服絕緣與散熱的相關問題。

目前現有技術中，功率電晶體一般被鎖固於散熱片上，以提供較佳的散熱效果。請參閱第一圖A及第一圖B，其係分別為習知功率電晶體鎖固於散熱片之結構爆炸圖及組合示意圖。於現有技術中，係利用螺絲14穿過絕緣粒13之穿孔131、功率電晶體11之穿孔111、絕緣片16之穿孔161和散熱片12之穿孔121，再配合螺帽15將功率電晶體11相對於散熱片12鎖固，並藉由絕緣粒13和絕緣片16將功率電晶體11分別與螺絲14及散熱片12加以阻隔，藉此 阻絕產生火花效應的路徑，亦避免其間發生電壓擊穿的現象。

然而，由於功率電晶體11、絕緣片16和散熱片12的穿孔111、161和121孔徑大致相同，是以功率電晶體11之穿孔111至散熱片12之穿孔121的最小距離僅約等於絕緣片16的厚度，又為了避免影響功率電晶體11與散熱片12間的導熱效果，一般絕緣片16的厚度有限，因此當對功率電晶體11施以高電壓時，極易因絕緣距離不足而導致短路或致使電氣特性不良，不但會影響電器裝置或設備的使用壽命，更有威脅使用者安全之虞。

即便目前亦發展出於散熱片12’之穿孔121邊緣設置導角122(如第一圖C所示)，使功率電晶體11至散熱片12’之間的延長一距離S而增加絕緣效果之技術，但由於導角122的增設會減弱散熱片12’之結構強度，因此仍無法有效提升絕緣效果。

請參閱第二圖A及第二圖B，於另一習知技術中，係以螺絲24配合固定件23和螺帽25而將功率電晶體21相對於散熱片22固定，其中固定件23設有穿孔231及凸桿232，凸桿232可穿過功率電晶體21之穿孔211，螺絲24則依序穿過散熱片22之穿孔221、絕緣片26之穿孔261及固定件23之穿孔231並與螺帽25鎖合，俾將功率電晶體21間接地透過固定件23與絕緣片26和散熱片22貼合，以利用固定件23之穿孔231與凸桿232之間的間隔G來確保電氣安全。然而，正因穿孔231與凸桿232間必須保留間隔G，故散熱片22的整體高度勢必增加，是以不利於產品薄型化設計。

有鑑於此，如何發展一種電子元件和散熱裝置之組合結構，以解決習知技術之缺失，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決 之問題。

本案之主要目的為提供一種電子元件和散熱裝置之組合結構，其中電子元件和散熱裝置之組合結構包括一階梯狀的絕緣元件，絕緣元件之第一段部與第二段部之外徑具有一距離，俾利用該距離來延長電子元件與散熱裝置之間的絕緣距離，以於不影響散熱裝置結構強度及整體高度的條件下，兼顧電氣安全性及散熱效果。

為達上述目的，本案之一較廣實施態樣為提供一種電子元件和散熱裝置之組合結構，其係包括：電子元件，其包括第一穿孔；散熱裝置，其包括第二穿孔對應於電子元件之第一穿孔；以及絕緣元件，其實質上呈階梯狀且包括外徑漸增之第一段部、第二段部及第三段部，第一段部係部份容置於電子元件之第一穿孔中，第二段部設置於第一段部和第三段部之間且對應卡合於散熱裝置之第二穿孔中，而第三段部係與散熱裝置抵頂接觸。

為達上述目的，本案之另一較廣實施態樣為提供一種絕緣元件，其係應用於電子元件和散熱裝置之組合結構中，電子元件包括第一穿孔，散熱裝置包括第二穿孔對應第一穿孔，而絕緣元件實質上呈階梯狀且包括：第一段部；第三段部；以及第二段部，其係設置於第一段部與第三段部之間，且第二段部外徑實質上大於第一段部外徑並小於第三端部外徑；其中，第一段部係部份容置於電子元件之第一穿孔中，第二段部係卡合於散熱裝置之第二穿孔中，而第三段部係抵頂於散熱裝置。

11、21‧‧‧功率電晶體

12、12’、22‧‧‧散熱片

13‧‧‧絕緣粒

14、24‧‧‧螺絲

16、26、36‧‧‧絕緣片

15、25‧‧‧螺帽

111、121、131、161、211、221、231、261‧‧‧穿孔

122‧‧‧導角

23‧‧‧固定件

232‧‧‧凸桿

S‧‧‧距離

G‧‧‧間隔

3‧‧‧電子元件和散熱裝置之組合結構

31‧‧‧電子元件

311‧‧‧第一穿孔

312‧‧‧本體

313‧‧‧金屬片

314‧‧‧接腳

32‧‧‧散熱裝置

321‧‧‧第二穿孔

33、43、53‧‧‧絕緣元件

331、431、531‧‧‧第一段部

332、432、532‧‧‧第二段部

333、433、533‧‧‧第三段部

334‧‧‧通道

334A‧‧‧第一開口

334B‧‧‧第二開口

34‧‧‧第一鎖固元件

341‧‧‧體部

342‧‧‧頭部

35‧‧‧第二鎖固元件

361‧‧‧第三穿孔

37‧‧‧墊片

371‧‧‧第四穿孔

R1‧‧‧第一穿孔孔徑

R2‧‧‧第二穿孔孔徑

R3‧‧‧第三穿孔孔徑

R4‧‧‧第四穿孔孔徑

T1‧‧‧電子元件之金屬片厚度

T2‧‧‧散熱裝置厚度

D1‧‧‧第一段部外徑

D2‧‧‧第二段部外徑

D3‧‧‧第三段部外徑

H1‧‧‧第一段部高度

H2‧‧‧第二段部高度

H3‧‧‧第三段部高度

L‧‧‧第一鎖固元件體部長度

D‧‧‧第一、第二段部外徑間的距離

D’、D’’‧‧‧第一、第二段部外徑間的最小距離

第一圖A：其係為習知功率電晶體鎖固於散熱片之結構爆炸圖。

第一圖B：其係為第一圖A之組合示意圖。

第一圖C：其係為第一圖B之散熱片增設導角之a-a’剖面示意圖。

第二圖A：其係為另一習知功率電晶體鎖固於散熱片之結構爆炸圖。

第二圖B：其係為第二圖A之組合示意圖。

第三圖A：其係為本案一較佳實施例之電子元件和散熱裝置之組合結構的爆炸圖。

第三圖B：其係為本案第三圖A之絕緣元件結構示意圖。

第三圖C：其係為本案第三圖B之絕緣元件之a-a’剖面圖。

第三圖D：其係為本案第三圖A組配完成之軸向剖面圖。

第四圖：其係為本案另一較佳實施例之絕緣元件結構示意圖。

第五圖：其係為本案又一較佳實施例之絕緣元件結構示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第三圖A，其係為本案一較佳實施例之電子元件和散熱裝置之組合結構的爆炸圖。如第三圖A所示，電子元件和散熱裝置 之組合結構3包括電子元件31、散熱裝置32以及絕緣元件33，電子元件31包括第一穿孔311，散熱裝置32包括第二穿孔321對應於第一穿孔311，而絕緣元件33實質上呈階梯狀，且包括外徑漸增之第一段部331、第二段部332及第三段部333，其中，第一段部331係部分容置於電子元件31之第一穿孔311中(如第三圖D所示)，第二段部332係設置於第一段部331與第三段部333之間且實質上對應卡合於散熱裝置32之第二穿孔321中，而第三段部333係與散熱裝置32抵頂接觸，以下將進一步敘述本案電子元件和散熱裝置之組合結構及其絕緣元件的細部結構。

請再參閱第三圖A，本實例之電子元件31可選自電晶體，例如：功率電晶體，但不以此為限，且電子元件31包括第一穿孔311、本體312、金屬片313和接腳314，其中金屬片313係由本體312延伸而出且厚度為T1，用以散去電子元件31於工作時所產生的熱能，而第一穿孔311則可設置於金屬片313上，於本實施例中，第一穿孔311可為圓形穿孔，其孔徑為R1，然第一穿孔311的形狀實質上無所設限，亦可為矩形、其他多邊形或不規則形。而散熱裝置32可選自散熱片，其厚度為T2，且散熱裝置32包括第二穿孔321，於本實施例中，第二穿孔321可為孔徑為R2之圓形穿孔，然其形狀並無所設限。

請參閱第三圖A並配合第三圖B及第三圖C，其中第三圖B為第三圖A之絕緣元件結構示意圖，而第三圖C係為第三圖B之a-a’剖面圖。絕緣元件33包括第一段部331、第二段部332及第三段部333，其中第二段部332係設置於第一段部331與第三段部333之間，而第一、第二及第三段部331、332、333係以絕緣材質所製成之一 體成型結構為佳，但不以此為限。於本實施例中，第一、第二、第三段部331、332、333實質上皆為圓形的短柱狀結構，且彼此共軸，換言之，第一段部331、第二段部332和第三段部333的幾何中心，即圓心，大致位在同一直線，即軸線上，而第一段部331之外徑D1實質上小於第二段部332之外徑D2，第二段部332之外徑D2實質上又小於第三段部333之外徑D3，由於本實施例之第一、第二、第三段部331、332、333垂直於軸向之剖面實質上呈圓形，因此其外徑實質上即為直徑。至於第一段部331之高度H1實質上則大於第二段部332之高度H2和第三段部333之高度H3，但第一段部331、第二段部332和第三段部333的高度H1、H2、H3並不以此為限，其可視需求而調整。是以可知，由於第一段部331、第二段部332及第三段部333之外徑漸增，因此絕緣元件33實質上具有呈階梯狀的外型(如第三圖C所示)。

此外，絕緣元件33亦可設置通道334，其係沿著軸向貫穿第一段部331、第二段部332及第三段部333，其中通道334具有相互對應且口徑大小相同的第一開口334A及第二開口334B，其中第一開口334A實質上係鄰近於第一段部331，而第二開口334B則鄰近於第三段部333。

請再參閱第三圖B、第三圖C並配合第三圖A，絕緣元件33之第一段部331大致對應於電子元件31之第一穿孔311，其中第一段部331的外徑D1係以略小於電子元件31之第一穿孔311的孔徑R1為佳，而第一段部331之高度H1則以大於電子元件31之金屬片313厚度T1為佳；至於絕緣元件33之第二段部332則對應於散熱裝置32之第二穿孔321，其中第二段部332之外徑D2實質上等於散熱裝置 323之第二穿孔321的孔徑R2，第二段部332之高度H2則以大致等於散熱裝置32的厚度T2為佳。

請參閱第三圖A，電子元件和散熱裝置之組合結構3除了電子元件31、散熱裝置32及絕緣元件33外，尚可包括用以輔助固定之第一鎖固元件34、第二鎖固元件35及用以絕緣之絕緣片36，其中第一鎖固元件34包括體部341及頭部342，其中體部341之長度L實質上大於絕緣元件33之第一、第二、第三段部331、332、333之高度H1、H2、H3的總和，俾利於組配電子元件和散熱裝置之組合結構3時可貫穿絕緣元件33，而第二鎖固元件35則可與第一鎖固元件34之體部341相結合，於本實施例中，第一鎖固元件34及第二鎖固元件35係以分別選自螺絲與螺帽為佳，但不以此為限。

至於絕緣片36可配置於散熱裝置32與電子元件31之間，且絕緣片36包括第三穿孔361。於本實施例中，第三穿孔361之孔徑R3實質上係以等於電子元件31之第一穿孔311孔徑R1且小於散熱裝置32之第二穿孔321孔徑R2為佳。此外，為了提升絕緣效果，於本實施例中，電子元件和散熱裝置之組合結構3亦可選擇性地增設由絕緣材質製成之墊片37，墊片37係介於電子元件31與第二鎖固元件35之間，且具有第四穿孔371，其孔徑R4實質上係以等於第一穿孔311之孔徑R1和第三穿孔361之孔徑R3為佳。

請再參閱第三圖A並配合第三圖B至第三圖D，其中第三圖D係為本案第三圖A組配完成之軸向剖面圖。欲組裝電子元件和散熱裝置之組合結構3時，係將墊片37、電子元件31、絕緣片36和散熱裝置32依序排列，並使墊片37之第四穿孔371、電子元件31之第一穿孔311、絕緣片36之第三穿孔361和散熱裝置32之第二穿孔321 彼此對應，絕緣元件33之第一段部331則由散熱裝置32之一側依序貫穿散熱裝置32之第二穿孔321、絕緣片36之第三穿孔361、電子元件31之第一穿孔311和墊片37之第四穿孔371並部分容置於第三穿孔361、第一穿孔311及第四穿孔371中，而由於絕緣元件33之第二段部332外徑D2實質上等於散熱裝置32之第二穿孔321孔徑R2，且第二穿孔321孔徑R2實質上又大於第三穿孔361孔徑R3，因此絕緣元件33之第二段部332無法穿過第三穿孔361而實質上卡合於散熱裝置32之第二穿孔321中，又由於絕緣元件33之第三段部333之外徑D3較第二段部332之外徑D2為大，因此第三段部333無法穿過第二穿孔321，且因第二段部332之高度H2約等於散熱裝置32之厚度T2，是以第二段部332實質上係完全容收於第二穿孔321中，使第三段部333可接觸並抵頂於散熱裝置32。至於第一鎖固元件34之體部341可自絕緣元件33之通道334的第二開口334B進入並貫穿通道334而由第一開口334A凸出，俾於鄰近絕緣元件33之第一段部331處與第二鎖固元件35結合，而第一鎖固元件34之頭部342則可抵頂於絕緣元件33之第三段部333，以透過第三段部333與散熱裝置32隔離，是以便可將墊片37、電子元件31、絕緣片36和散熱裝置32穩固地固定。而當組配完成時，絕緣元件33之第三段部333和第一鎖固元件34之頭部342與第二鎖固元件35、墊片37、電子元件31和絕緣片36係分別位於散熱裝置32的兩相對側(如第三圖D所示)。

由於絕緣元件33之第二段部332係卡合於散熱裝置32之第二穿孔321中，且第二段部332之外徑D2實質上大於貫穿電子元件31之第一段部31之外徑D1，是以可知，本案可藉由絕緣元件33之第二段 部332外徑D2與第一段部331外徑D1間的距離D(如第三圖C所示)來增加電子元件31與散熱裝置32之間的絕緣距離；此外，由於絕緣元件33之第二段部332係卡合填補於散熱裝置32之第二穿孔321中，因此不會對散熱裝置32之整體結構強度造成影響；再者，當擬施予電子元件31之電壓提升時，亦可藉由增加絕緣元件33之第二段部332外徑D2並配合擴大散熱裝置32之第二穿孔321孔徑R2，以增加第二段部332外徑D2與第一段部331外徑D1之間的距離D，俾因應拉長電子元件31和散熱裝置32之間的絕緣距離而提升絕緣效果。又電子元件和散熱裝置之組合結構3亦可視需求調整絕緣元件33之第三段部333的高度H3，俾使第一鎖固元件34之頭部342與散熱裝置32之間能透過絕緣元件33之第三段部333維持適當的絕緣距離，以確保電氣安全性。

當然，本案之絕緣元件並不限於上述實施態樣，請參閱第四圖，其係為本案另一較佳實施例之絕緣元件結構示意圖。如第四圖所示，本實施例之絕緣元件43實質上亦呈階梯狀，其同樣包括外徑漸增之第一段部431、第二段部432和第三段部433，其中第一段部431可呈圓形短柱，第二段部432及第三段部433則可為六角形短柱，例如：正六角形短柱，而第一、第二、第三段部431、432、433之間亦以共軸為佳，是以可知，絕緣元件43之第二段部432的外徑與第一段部431外徑間至少有一最小距離D’，俾利用該最小距離D’達成延長絕緣距離之目的。而第五圖則為本案又一較佳實施例之絕緣元件結構示意圖，其中絕緣元件53包括第一段部531、第二段部532及第三段部533，而本實施例之第一段部531及第三段部533實質上可呈圓形短柱，第二段部532則可為矩形短柱 ，且第一段部531、第二段部532及第三段部533之幾何中心大致位於同一直線上，換言之，第一、第二、第三段部531、532、533同樣以共軸為佳，又第一、第二、第三段部531、532、533之外徑漸增，故應可理解，本實施例之絕緣元件53亦呈階梯狀，且第一段部531之外徑與第二段部532之外徑間至少有一最小距離D’’，俾透過該最小距離D’’而達到延長絕緣距離之目的。

由上述說明應可理解，本案絕緣元件之第一段部、第二段部和第三段部的形狀實無所設限，其可視需求而改變為不同的形狀，換言之，舉凡絕緣元件之第一段部可穿過電子元件之第一穿孔，第二段部可卡合於散熱裝置之第二穿孔，第三段部可抵頂於散熱裝置，且第一、第二、第三段部之外徑漸增而使絕緣元件實質上呈階梯狀者，皆屬本案所欲保護之範圍。此外，本案之絕緣元件的第一、第二、第三段部皆以共軸為例說明，但於某些實施例中，當第一段部外徑與第二段部外徑之間的最小距離已足以確保電氣安全性時，亦不侷限絕緣元件之第一、第二及第三段部必須共軸。

此外，於某些實施例中，墊片和絕緣片可選擇性地移除，舉例而言：當電子元件和散熱裝置之組合結構的第一、第二鎖固元件無碰觸其他鄰近之電子元件之虞時，可因應移除墊片；而於另一些實施例中，若於散熱裝置面對電子元件之一側塗佈有絕緣材質時，亦可省略絕緣片之使用。

又本案係以透過第一鎖固元件和第二鎖固元件相互配合而將電子元件鎖固於散熱裝置為例進行說明，然應可理解，於某些實施例中，亦可直接利用絕緣元件之第一段部穩固卡合於絕緣片之第三 穿孔及電子元件之第一穿孔，並以絕緣元件之第二段部穩固卡合於散熱裝置之第二穿孔，以省略第一、第二鎖固元件之使用，此時不僅可移除用以隔絕第二鎖固元件及電子元件之墊片，亦無需於絕緣元件中設置通道，當然，於此類實施例中，絕緣元件亦可透過螺合等方式固定於電子元件和散熱裝置之間，其固定方式並無限制。

綜上所述，本案主要係將絕緣元件設計為階梯式，且包括外徑遞增之第一段部、第二段部及第三段部，其中第一段部主要對應貫穿並容置於電子元件之第一穿孔中，而第二段部則對應卡合於散熱裝置之第二穿孔，俾利用第一段部與第二段部外徑間的距離來延長電子元件與散熱裝置之間的絕緣距離，以提升其絕緣效果。故相較於習知技術，本案可於不影響散熱裝置之結構強度下有效地提升電氣安全性。此外，當擬施予電子元件之電壓提高時，本案僅需增加絕緣元件之第一段部與第二段部之外徑間的距離，並因應調整散熱裝置之第二穿孔，使其可配合容收第二段部，便能藉此增加電子元件與散熱裝置之間的絕緣距離，從而達到提升絕緣效果的目的。是以可知，本案可彈性地因應需求調整電子元件與散熱裝置之絕緣距離，並克服習知技術中調整絕緣距離之複雜度及不便性。

再者，由於本案之電子元件無需如習知技術般，必須間接透過固定件固定於散熱裝置上，不但可縮小電子元件和散熱裝置之組合結構的整體高度，且可確保電子元件與散熱裝置間可緊密貼覆而同時兼顧電氣安全性及散熱效率。由於上述優點皆為習知技術所不及者，故本案之電子元件和散熱裝置之組合結構極具產業價值 ，爰依法提出申請。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

<AlEx><AlEx>

3‧‧‧電子元件和散熱裝置之組合結構

31‧‧‧電子元件

311‧‧‧第一穿孔

312‧‧‧本體

313‧‧‧金屬片

314‧‧‧接腳

32‧‧‧散熱裝置

321‧‧‧第二穿孔

33‧‧‧絕緣元件

331、332、333‧‧‧第一段部、第二段部、第三段部

34‧‧‧第一鎖固元件

341‧‧‧體部

342‧‧‧頭部

35‧‧‧第二鎖固元件

36‧‧‧絕緣片

361‧‧‧第三穿孔

37‧‧‧墊片

371‧‧‧第四穿孔

R1-R4‧‧‧第一穿孔至第四穿孔孔徑

T1‧‧‧電子元件之金屬片厚度

T2‧‧‧散熱裝置厚度

L‧‧‧第一鎖固元件體部長度

Claims (8)

1. 一種電子元件和散熱裝置之組合結構，其係包括：一電子元件，其包括一第一穿孔；一散熱裝置，其包括一第二穿孔對應於該電子元件之該第一穿孔；一絕緣元件，其實質上呈階梯狀且包括外徑漸增之一第一段部、一第二段部及一第三段部，該第一段部係部份容置於該電子元件之該第一穿孔中，該第二段部設置於該第一段部和該第三段部之間且對應卡合於該散熱裝置之該第二穿孔中，而該第三段部係與該散熱裝置抵頂接觸，其中該絕緣元件之該第一段部、該第二段部及該第三段部實質上共軸，且該絕緣元件包括一通道，其係沿軸向貫穿該第一段部、該第二段部及該第三段部；以及一第一鎖固元件，該第一鎖固元件包括一頭部與一體部，該體部係貫穿該絕緣元件之該通道，而該頭部係抵頂於該絕緣元件之該第三段部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子元件和散熱裝置之組合結構，其更包括一絕緣片設置於該電子元件與該散熱裝置之間，該絕緣片包括一第三穿孔，而該絕緣元件之該第一段部係部分容置於該絕緣片之該第三穿孔及該電子元件之該第一穿孔中。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電子元件和散熱裝置之組合結構，其中該電子元件之該第一穿孔孔徑實質上等於該絕緣片之該第三穿孔孔徑且小於該散熱裝置之該第二穿孔孔徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電子元件和散熱裝置之組合結構，其更包括一第二鎖固元件，該第一鎖固元件之該體部係與該第二鎖固元件結合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電子元件和散熱裝置之組合結構，其中該電 子元件與該第二鎖固元件之間具有一墊片。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電子元件和散熱裝置之組合結構，其中該絕緣元件之該第一段部、該第二段部及該第三段部實質上為一體成型。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電子元件和散熱裝置之組合結構，其中該電子元件係選自電晶體，該散熱裝置係選自散熱片。
8. 一種絕緣元件，其係應用於電子元件和散熱裝置之組合結構中，該電子元件包括一第一穿孔，該散熱裝置包括一第二穿孔對應該第一穿孔，而該絕緣元件實質上呈階梯狀且包括：一第一段部；一第三段部；以及一第二段部，其係設置於該第一段部與該第三段部之間，且該第二段部外徑實質上大於該第一段部外徑並小於該第三端部外徑；其中，該第一段部係部份容置於該電子元件之該第一穿孔中，該第二段部係卡合於該散熱裝置之該第二穿孔中，而該第三段部係抵頂於該散熱裝置，其中該絕緣元件之該第一段部、該第二段部及該第三段部實質上共軸，且該絕緣元件包括一通道，其係沿軸向貫穿該第一段部、該第二段部及該第三段部；其中，該電子元件和散熱裝置之組合結構更包括一第一鎖固元件，該第一鎖固元件包括一頭部與一體部，該體部係貫穿該絕緣元件之該通道，而該頭部係抵頂於該絕緣元件之該第三段部。