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Kühlkörper für eine Halbleitereinrichtung Die Erfindung betrifft
einen Kühlkörper für eine Halbleitereinrichtung, welche in einem Gehäuse eingeschlossen
ist.
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Halbleitereinrichtungen wie integrierte Schaltungen sind klein, obwohl
sie oft für eine beträchtliche Leistung ausgelegt sind. Eine der hauptsächlichen
Schwierigkeiten bei der Verwendung von Halbleiterschaltungen ist die Abfuhr der
erzeugten Wärme. Dies führte zu der Verwendung von Kühlkörpern. Um ein thermisches
Gleichgewicht zu erzielen, sind die bisher verwandten Kühlkörper so groß und schwer,
daß sie die Vorteile von Halbleitereinrichtungen wesentlich verringern, die durch
den geringeren Raumbedarf und das geringere Gewicht erzielt werden können.
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Integrierte Schaltungen der hier interessierenden Art werden gewöhnlich
aus einem einzigen Halbleiterplättchen hergestellt, an dem Zuleitungen angelötet
oder sonstwie elektrisch leitend mit der Schaltung verbunden werden. Ein kürzlich
entwickeltes Herstellungsverfahren verwendet ein Substrat aus Silizium, dasauf eine
Oberfläche eines Metallstreifens aufgetragen wird. Verschiedene monolithische integrierte
Schaltungen können in dieser Weise entlang
einem einzigen Metallstreifen
hergestellt werden, welcher dann unterteilt wird. Das Substrat wird dann mit einem
dielektrischen Material umhüllt, so daß sich der Metallstreifen durch das Gehäuse
an gegenüberliegenden Seiten davon erstreckt und als Kühlfahr! dienen kann. Die
dielektrische Umhüllung kann aus Kunststoff oder einem keramischen Material bestehen.
Dabei ist kein metallisches Gehäuse erforderlich. Der Körper ist gewöhnlich reckteckförmig
ausgebildet und weist eine Reihe von äußeren metallischen Zuleitungen auf, die sich
von der Umhüllung erstrecken.
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Bisher hatte die Anordnung derartiger Halbleitereinrichtungen auf
Kühlkörpern gewisse Schwierigkeiten verursacht. Gewöhnlich wird der Kühlkörper an
der Halbleitereinrichtung angelötet. Dazu ist jedoch verhältnismäßig viel Zeit und
eine kostspielige Einrichtung erforderlich, obwohl in manchen Fällen die Kühlkörper
nicht erneut Verwendung finden können, wenn die Halbleitereinrichtung aus irgendwelchen
Gründen ausgewickelt werden muß.
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Im Falle von mit Kunststoff umhüllten Halbleitereinrichtungen mit
einer freiliegenden Metallfläche bereitet die Befestigung an dem Kühlkörper zusätzliche
Schwierigkeiten. Wenn beispielsweise eine Schraube verwandt wird, kann ein Werkzeug
zur Ausübung eines begrenzten Drehmoments erforderlich sein, um zu gewährleisten,
daß die Schraube stark genug angezogen ist, um eine Verschiebung und Lockerung zu
verhindern, aber nicht so stark angezogen werden kann, daß die Umhüllung beschädigt
werden kann. Auch wenn eine Schraube nicht benutzt werden sollte, muß die Befestigung
sorgfältig entsprechend der speziellen Konstruktion und dem Raumbedarf der Schaltung
vorgeplant werden.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kühlkörper dieser Art
unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten
derart auszubilden, daß er nicht nur leicht, kompakt und billigist, sondern daß
er auch einen guten Wärmekontakt mit den Kühlfahnen ermöglicht, wenn Halbieitereinrichtungen
der genannten Art mit einer Umhüllung aus Kunststoff und sich einem aus der Umhüllung
erstreckenden Metallstreifen Verwendung finden. Insbesondere soll die Halbleitereinrichtung
an dem Kühlkörper zuverlässig und entfernbar bei gutem Wärmekontakt und mit möglichst
geringem Aufwand ohne die Verwendung von Werkzeugen befestigbar
sein.
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Ein Kühlkörper gemäß der Erfindung besteht aus ausgestanztem Metallblech,
so daß der Kühlkörper ein Basisteil und zwei sich davon divergierend erstreckende
Rippenteile aufweist. Jeweils zwei Paare von gegenüberliegend angeordneten Fingern
sind aus dem Metallblech ausgeschnitten und nach oben in einer Richtung gegenüber
der Erstreckung der Kühlrippen umgebogen. Der Halbleiterkörper kann angrenzend an
dem Basisteil des Kühlkörpers zwischen zwei dieser Finger eingeklemmt werden, welche
eine elastische Klemmeinrichtung bilden. Dieser Lage folgen die beiden anderen Finger
der sich in entgegengesetzter Richtung erstreckenden Kühlfahnen, die deshalb zwischen
den Fingern mit aneinanderliegenden Oberflächen mit gutem Wärmekontakt erstrecken.
Die beiden Finger sind mit einer Anzahl von ausgeschnittenen und versetzten Streifen
versehen, um eine verbesserte Wärmeableitung zu ermöglichen.
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Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung
in e inem Kühlkörper für eine Halbleitereinrichtung zu sehen, von dem sich L-förmige
Kühlfahnen erstrecken, und der aus einem ausgestanzten Blechkörper besteht, der
zwei Paare zueinander weisender Finger aufweist, die aus dem Metallblech ausgeschnitten
und aus dessen Ebene herausgebogen sind. Zwei der Finger bilden eine elastische
Klemmeinrichtung, die zum Haltern der Halbleitereinrichtung dienen. Die anderen
beiden Finger sind L-förmig ausgebildet, um der Form der Kühlfahnen zu entsprechen
und können in einen gut wärmeleitenden Kontakt mit den gegeneinander angeordneten
ebenen Oberflächen gelangen. Der Kühlkörper hat zwei Kühlrippen, die sich in entgegengesetzter
Richtung von den beiden Fingerpaaren divergierend erstrecken.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es
zeigen: Fig. 1 ene Seitenansicht eines Kühlkörpers gemäß der Erfindung, an dem eine
integrierte Schaltung in einer Umhüllung aus Kunststoff angeordnet ist; Fig. 2 eine
Draufsicht auf den Kühlkörper in Fig. 1; Fig. 3 eine Untenansicht des Kühlkörpers
in Fig. 1; Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 1;
Fig.
5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 2 und Fig. 6 eine Draufsicht
auf ein Metallblech, das zur Herstellung eines Kühlkörpers gemäß der Erfindung dient.
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Die Fig. 1-5 zeigen eine Halbleitereinrichtung 10 mit einer Umhüllung
12 aus Kunststoff und vier sich davon erstreckende Zuleitungen 14 auf gegenüberliegenden
Seiten davon. Die Halbleitereinrichtung 10 ist eine monolithische Halbleiterschaltung,
von der bestimmte Schaltungspunkte mit den Zuleitungen 14 elektrisch leitend verbunden
sind. Die Halbleitereinrichtung 10 kann jedoch irgendeine umhüllte Halbleitereinrichtung
sein, von deren Umhüllung 12 sich eine Anzahl von äußeren Zuleitungen erstrecken.
Der durch die Umhüllung umgebene Körper 12 ist recheckförmig und verhältnismäßig
klein ausgebildet, und hat beispielsweise eine Länge von 19 mm (3/4 Zoll), eine
Breite von 9,5 mm (3/8 Zoll) und eine Dicke von 6,35 mm (1/4 Zoll). Trotzdem können
beträchtliche Leistungen auftreten.
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Wie am besten aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, besteht die Schaltung
aus einem kleinen Halbleiterplättchen 16, das auf einem Metallstreifen 18 angeordnet
ist. Die Verbindung zwischen den äußeren Zuleitungen 14 und dem Plättchen 16 sind
schematisch durch die Leitungen 19 in Fig. 4 angedeutet. Der Metallstreifen 18 erstreckt
sich durch die Umhüllung 12 an gegenüberliegenden Seiten davon. Beide Enden davon
sind nach unten umgebogen (Fig.
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5),um zwei L-förmige Kühlfahnen 20 und 22 zu bilden. Die KUhlfahnen
20 und 22 dienen zur Kühlung, um die Halbleitereinrichtung auf einer Temperatur
unterhalb der maximal zulässigen Temperatur zu halten.
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Wie am besten aus den Fig. 1 bis 4 ersichtlich ist, besteht der Kühlkörper
aus einem ausgestanzten Blechkörper 24, der ein Basisteil 26 und zwei Kühlrippen
28 und 30 aufweist. Die Kühlrip pen 28 und 30 konvergieren zunächst entlang einer
kleinen Entfernung angrenzend an den Basisteil entlang den Teilen 32 und 34, und
divergieren dann mit einem Winkel von etwa 300 zu der Vertikalen entlang der Teile
36 und 38. Die größeren Teile 36 und 38 sind mit einer Anzahl von parallelen Streifen
40 versehen, die
nach außen aus der Ebene des Blechs ausgestanzt
und versetzt angeordnet sind, um die Wärmeableitung zu verbessern.
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Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind zwei Paare
42, 44 und 54, 56 aus dem Kühlkörper ausgeschnitten und nach unten von dem Basisteil
26 umgebogen. Das erste Paar von Fingern 42, 44 ist ganz von dem Basisteil 26 ausgeschnitten
und dient als elastische Klemmvorrichtung zur entfernbaren Aufnahme der umhüllten
Halbleitereinrichtung. Die Finger 42 und 44 erstrecken sich unmittelbar angrenzend
an den Basisteil 26 leicht konvergierend entlang den Teilen 46 und 48, während sie
an ihren unteren Enden nach außen geneigt umgebogen sind, um Führungen 50 und 52
zu bilden, durch die das Einsetzen der Halbleitereinrichtung erleichtert ist. Das
zweite Paar von Fingern 54 und 56 ist aus den Kühlrippen 28 bzw. 30 ausgeschnitten
und erstreckt sich von dem Basisteil 26 in Ebenen senkrecht zu denjenigen der Finger
46, 48. Wie am besten aus Fig. 5 ersichtlich ist, erstrekken sich die Finger 54,
56 nach unten entlang den Teilen 58, 60 in einem Abstand entsprechend der Breite
der Umhüllung 12 der Halbleitereinrichtung und sind dann zuerst nach außen und dann
nach innen umgebogen, um L-förmige Teile 62 und 64 zu bilden, welche gut den L-förmigen
Kühlfahnen 20 und 22 angepaßt sind, sodaß sich durch eInseine Oberflächenberührung
ein guter Wärmekontakt ergibt. Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist,
ragen zwei äußere Zuleitungen 14 von der Umhüllung 12 an beiden Seiten der Finger
54, 56 vor und sind in entsprechender Weise nach unten abgebogen, um eine einfache
Einsetzung in ein Schaltungsbrett mit einer gedruckten Schaltung zu ermöglichen.
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Der Basisteil 26 des Kühlkörpers ist vorzugsweise rechteckförmig
ausgebildet, und die Kühlrippen 28, 30 sind vorzugsweise quadratisch ausgebildet
und haben praktisch dieselbe Breite wie der Basisteil 26.
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Obwohl die Dimensionen des Kühlkörpers unterschiedlich sein können,
hat der Basisteil 26 bei einer bevorzugten Ausführungsform eine rechteckige Flächengröße
von 38 x 9, 5 mm (1 1/2 x 3/8 Zoll), während die Flügel eine quadratische Fläche
mit 38 mm (1 1/2 Zoll) Kantenlänge bilden. Das Blech hat eine Dicke von 0,76 mm
(0,03 Zoll). Die ausgestanzten Streifen 40 sind von den Flügeln um etwa
2,5
mm (0,10 Zoll) versetzt. Das Material ist vorzugsweise Beryllium-Kupfer, kann jedoch
auch ein anderes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium,
sein. Das Metallblech kann anodisch oxidiert oder geschwärzt sein, so daß sich eine
matte Oberfläche ergibt, um die Wärmeabgabe in an sich bekannter Weise zu verbessern.
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Aus den Fig. 1-4 ist ersichtlich, daß der Kühlkörper in einfacher
Weise aus einem einzigen rechteckförmigen Metallblech ausgestanzt werden kann, wie
in Fig. 6 dargestellt ist. Parallele Schneidlinien 66 kennzeichnen dort die Kanten
der ausgebogenen Streifen 40, während die Schneidlinien 6879en Umriß der Finger
42, 44 und die Schneidlinien 72, 74 den Umriß der Finger 54, 56 kennzeichnen.
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Um den in Fig. 1 dargestellten Kühlkörper herzustellen, werden die
Finger 42, 44 nach unten aus der Ebene des Blechs entlang Biegelinien 76, 78 umgebogen
und dann nach außen entlang Biegelinien 80 und 82, um die Führungen 50 und 52 zu
bilden. Die Finger 54, 56 werden auch nach unten von der Ebene des Blechs entlang
Biegelinien 81, 83 und dann zu der Ausbildung entsprechend Fig. 5 entlang Biegelinien
84, 86 bzw. 88, 90 umgebogen. Schließlich werden die beiden Kühlrippen 28, 30 nach
oben entlang Linien 92, 94 umgebogen und dann nach außen divergierend entlang Linien
96 und 98. Die Streifen 40 werden zu der in Fig. 1 dargestellten Form ausgebogen.
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Nach dem Einsetzen in den Kühlkörper mit Hilfe der elastischen Finger
42, 44 kann die Halbleitereinrichtung elektrisch an ein Schaltbrett angeschlossen
werden. Zu diesem Zweck ist das Schaltbrett im allgemeinen mit einer Reihe von Löchern
versehen, die zur Aufnahme der Leitungen 14 dienen, die an der Unterseite des Schaltbretts
elektrisch leitend durch Verlöten oder dergleichen befestigt werden. Das Schaltbrett
ist ferner vorzugsweise auch mit Schlitzen versehen, die zur Aufnahme der Finger
54, 56 und der Kühlfahnen 20, 22 dienen, um eine stabile Anordnung zu gewährleisten.
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Die Halbleitereinrichtung wird normalerweise an dem Kühlkörper durch
Klemmfinger 42, 44 gehaltert. In manchen Fällen kann
es jedoch wünschenswert
sein, die Kühlfahnen 20, 22 an den Fingern 54, 56 des Kühlkörpers dauerhaft zu befestigen,
wodurch eine zuverlässigere Halterung der Halbleitereinrichtung an dem Kühlkörper
24 erfolgen kann, sowie eine verbesserte Wärmeableitung von den Kühlfahnen zu dem
Kühlkörper. Zu diesem Zweck können die Kühlfahnen 20, 22 an den Fingern 54, 56 nach
dem Anklemmen der Halbleitereinrichtung an den Kühlkörper angelötet werden. In diesem
Falle ist es jedoch schwierig, die Halbleitereinrichtung von dem Kühlkörper zu entfernen,
falls ein Austausch erforderlich werden sollte.
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Aus den obigen Ausführungen geht hervor, wie ein Kühlkörper mit den
erwähnten Eigenschaften hergestellt werden kann. Bei dem Hersteller für die Schaltung
muß dann nur noch die Halbleitereinrichtung an dem Kühlkörper angeklemmt werden
un d die Einheit an dem Schaltungsbrett mit einer gedruckten Schaltung in der oben
beschriebenen Weise befestigt werden. Der Kühlkörper hat ein geringes Gewicht und
ist kompakt ausgebildet, ermöglicht aber trotzdem die Einhaltung höchstzulässiger
Temperaturen bei verhältnismäßig großen Leistungen.
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Als Anwendungsbeispiel soll ein Spannungsstabilisator beschrieben
werden, der eine monolithische integrierte Schaltung enthält, bei der eine Wärmeerzeugung
bis zu 5 Watt erfolgt.
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Die maximal zulässige Grenzschicht-Temperatur für diese Einrichtung
beträgt etwa 125 0c. Die allgemeine Gleichung für die Bestimmung der erforderlichen
Wärmeableitung lautet:
wobei TA = Umgebungstemperatur TJmax = maximal zulässige Grenzschicht-Temperatur
(125 C) - -Tab = Wärmewiderstandgrenzschicht zu Kühlfahne (11°C/W) PD = Wärmeentwicklung
in der integrierten Schaltung Die maximale Wärmeentwicklung ist gegeben durch PDmax
= (Vin max - Vout min) X Iin max.
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In einem typischen Fall beträgt Vin max - Vout min etwa 8 Volt und
der maximale Eingangsstrom beträgt 0,5 Ampere bei
einer maximalen
Umgebungstemperatur von +75 0C. Ein Einsetzen in Gleichung (1) ergibt:
= 1,50C/W Ein Kühlkörper gemäß der Erfindung kann 10°C/W ableiten.
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Daraus ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad dieses Kühlkörpers mehr
als ausreichend ist, eine Halbleitereinrichtung für hohe Leistungen unterhalb der
maximal zulässigen Temperatur zu halten.
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Ein derartiger Kühlkörper hat ein geringes Gewicht, geringe Herstellungskosten
und ist gut für Halbleitereinrichtungen für hohe Leistungen geeignet. Der Kühlkörper
kann in einfacher Weise aus Metallblech ausgestanzt werden, wobei praktisch kein
Abfall anfällt. Das Umbiegen der ausgestanzten Teile erfolgt vorzugsweise durch
einen Automat oder auf einem Fließband. Die Befestigung des Kühlkörpers an der Halbleitereinrichtung
kann in einfacher Weise durch manuelles Einklemmen erfolgen, wobei keine Schrauben
und Muttern bestimmter Größe und aus einem geeigneten Material erforderlich sind,
ebenso keine Unterlegscheiben zur Begrenzung des Drehmoments oder zur Verankerung.
Bei der Herstellung und dem Zusammenbau mitgedruckten Schaltungen sind die Herstellungskosten
verringert. Es besteht ferner nicht die Gefahr, daß die dielektrische Umhüllung
der Halbleitereinrichtung beschädigt wird. Irgendeine Schrumpfung oder ein kalter
Fluß der Halbleitereinrichtung und deren Umhüllung wird durch die elastische Konstruktion
der Klemmfinger aufgenommen.
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Patentansprüche