DE2918845A1 - Verfahren zum anschrauben eines halbleiter-bauteils an ein kuehlblech und schrauber fuer das verfahren - Google Patents

Verfahren zum anschrauben eines halbleiter-bauteils an ein kuehlblech und schrauber fuer das verfahren

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Description

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L icentia Patent-Yerwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1
6000 Frankfurt / Main 70
Hannover, den 11.04.1979 K9E2-Wp/rs H 79/30
Verfahren zum Anschrauben eines Halbleiter-Bauteils an ein Kühlblech und Schrauber für das Verfahren
In Geräten der Nachrichtentechnik wie Z.B. Körrundfunk- und Fernsehempfangern müssen Leistungstransistoren, z.B. für die NF-Endstufe oder die Zeilenendstufe, mit ihrem Gehäuse an einem Kühlblech befestigt werden, um die am Transistor entstehende Verlustwärme abzuführen.
Es ist bekannt (DE-GM 75 05 29k), einen Transistor mit seinem ( ■ Befestigungsflansch unmittelbar auf ein Kühlblech aufzuschrauben, so daß eine einwandfreie elektrische und wärmeleitende Verbindung zwischen dem Transistorgehäuse und dem Kühlblech besteht. Aus Gründen der guten Wärmeabfuhr ist bei vielen Transistoren der Flansch unmittelbar init der Kollektorelektrode verbunden.« Bei dieser Lösung muß also der Kollektor geerdet oder, wenn dieses nicht möglich ist, das Kühlblech auf eine bestimmte Spannung gelegt werden.
In manchen Fällen sind beide Lö&ungen nicht anwendbar. Der Kollektor des Transistors und damit der Befestigungsflansch liegen oft auf einer Spannung von mehreren 100 V, während das z.B für mehrere Transistoren gemeinsame Kühlblech geerdet ist.
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In solchen Fällen ist es notwendig, zwischen dem Befestigungsflansch des Transistors und dem Kühlblech eii>" Isolierzwischenlage in Form einer Glimmerscheibe vorzusehen, Ja diese eine Spannungsfestigkeit bis zu mehreren 100 V haben muß, kann sie nicht beliebig dünn bemessen werden. Durch eine solche Glimmerscheibe wird indessen die Wärmeabfuhr vom Transistor zum Kühlblech erheblich verschlechtert, weil die beiden Forderungen nach guter elektrischer Isolierung und guter Wärmeleitfähigkeit einander widersprechen.
(') Bei der Anwendung einer derartigen Gl immer scheibe ist es daher bekannt, zwischen den einzelnen Bauteilen, über die die Wärme abgeleitet werden soll, eine sogenannte Wärmeleitpaste vorzusehen. Diese kleberartige Masse hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und verbessert die Wärmeabfuhr auch über elektrisch nicht leitende Teile.
Es ist dabei auch bekannt, die Fläche anjder Stelle des verschlechterten Wärmeüberganges gegenüber der Fläche des Transistors beträchtlich zu erhöhen, d.h. eine Glimmerscheibe zu verwenden, deren Fläche wesentlich größer ist als die des Befestigungsflansches des Transistors. Dabei ist es auch bekannt, zwischen der Glimmerscheibe und dem Transistor noch eine zusätz-' liehe Kupferscheibe etwa von der Größe der Glimmerscheibe vorzusehen, um an der Stelle des an sich schlechten Wärmeüberganges im Bereich der Glimmerscheibe den Wärmeübergang zu verbessern.
Die Befestigung der einzelnen Teile erfolgt in vielen Fällen mit einer handelsüblichen Schraube, die durch den Befestigungsflansch des Transistors hindurch in das Kühlblech hineingedreht wird, z.B. mit einer M3-Schraube. In der Massenfertigung werden solche Schrauben mit automatischen Schraubern angezogen. Derartige Schrauber haben ein einstellbares Nenndrehmoment, bei dem der Schrauber selbsttätig abschaltet, damit die Schraube nur mit einem vorgegebenen Drehmoment angezogen wird.
■ Bei der zuletzt beschriebenen Lösung hat sich folgende Schwie-
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rigkeit herausgestellt.
Das Anziehen der Schraube erfolgt aus Gründen der Zeit- und Kostenersparnis in relativ kurzer Zeit mit einer hohen Drehzahl. Es hat sich gezeigt, daß die Befestigung des Transistors nach dem erfolgten Anziehen sich derart lockerte, daß die Schraube von Hand losgedreht werden konnte. Durch eine derartige Lockerung wird der Wärmeübergang wieder verschlechtert und bei Inbetriebnahme des Gerätes der Transistor thermisch zerstört. Dies läßt sich dadurch erklären, daß beim Anziehen der Schraube in der relativ kurzen Zeit die Wärmeleitpaste nicht schnell genug ausweichen kann. Erst nach erfolgtem Anziehen der Schraube beginnt die Wärmeleitpaste zu fließen, und die Befestigung wird locker.
Es wurde zunächst versucht, das Nenndrehmoment beim Anziehen der Schraube zu vergrößern,« Dabei kommt es aber zu einer schlagartigen Beanspruchung des Transistors an einer Seite. Das Gehäuse des Transistors wird kurzzeitig auf Biegung beansprucht, so daß bei der Massenfertigung eine Reihe von Transistoren nunmehr mechanisch zerstört wird."
Es wäre an sich denkbar, den Anziehvorgang der Schraube behutj ( / - sam über einen längeren Zeitraum zu erstrecken. Dieses ist jedoch wieder aus Gründen der Zeit- und Kostenersparnis oft nicht vertretbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Schrauber zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei dem das Halbleiterbauteil in kurzer 2ieit angezogen werden kann und nach dem Anziehvorgang nicht wieder locker wird, jedoch auch während des Anziehvorganges nicht zu stark beansprucht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfin-. dung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie
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einen Schrauber für das erfindungsgemäße Verfahren sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem Verlauf des Drehmomentes in der erfindungsgemäßen Weise bei genügend kleinem Nenndrehmoment die Wärmeleitpaste sich während des Anziehvorganges der Schraube ausreichend vorteilen kann. Nach er- ^ folgter Befestigung erfolgt dann keine nennenswerte Bewe&uit^, der Wärmeleitpaste mehr, so daß das Bauteil nicht locker wird. Andererseits kann das Nenndrehmoment so gering gehalten werden, daß keine mechanische Beschädigung des Bauteils beim Anziehvorgang auftritt.
Ein Ausführungsbeispxel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen
Figur 1 die Befestigung eines Transistors auf einem Kühlblech
Figur 2 den Verlauf von Drehmoment und Djrehzahl des zur Befestigung verwendeten Schraubers.
In Figur 1 ist der Transistor 1 mit seinem Befestigungsflansch 2 an dem mit Kühlrippen 3 versehenen Kühlblech k befestigt. Eine der drei Anschlüsse 5, nämlich der Kollektor, ist im Transistor 1 unmittelbar verbunden mit dem Flansch 2, so daß der Flansch 2 nicht elektrisch mit dem Kühlblech 4 verbunden sein darf. Er soll andererseits in einem guten wärmeleitenden Kontakt mit dem Kühlblech k stehen. Für die Befestigung des Transistors 1 an dem Kühlblech k sind vorgesehen die M3-Schraube 6„ axe Federscheibe 7, die Unterlegscheibe 8, die Isolierhülse 9, die Kupferscheibe 10 und die Glimmerscheibe 11. Die elektrische Isolierung erfolgt durch die Teile 9tH- Die Wärmeleitfähigkeit vom Flansch 2 zum Kühlblech k ist durch drei Schichten 12,13,1^ aus Wärmeleitpaste verbessert.
Zum Anziehen der Schraube 6, die in ein Gewinde des Kühlbleches k eingreift, dient der Schrauber 15, dessen Drehzahl und
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Drehmoment von der Steuereinheit l6 gesteuert sind.
Anhand der Figur 2 wird der Einschraubvorgang der Schraube 6 in das Kühlblech k erläutert. Die Schraube 6 wird zunächst z.B. von Hand durch die Teile 9»H in das Gewinde des Kühlbleches k kurz eingedreht. Dann wird der Schrauber 15 aufgesetzt( der den Kopf der Schraube 6 formschlüssig erfaßt. Im Zeitpunkt t beginnt der Einschraubvorgang. Bis zum Zeitpunkt t. wird die Schraube 6 lediglich entgegen ihrer Keibung durch ein kleines Drehmonet MDl eingedreht, wobei diese Zeit u.a. von der Länge der Schraube abhängig ist. Im Zeitpunkt t. beginnt der eigent- S liehe Anziehvorgang, wo sich der Kopf der Schraube 6 auf die Oberkante der Scheibe 7 auflegt. Die Teile 7,8,9,2,10,11,12, 13»l45(t werden jetzt zusammengezogen. Bei diesem Anziehvorgang nimmt das Drehmoment MD zu, während die Drehzahl η des Schraubers 15 abnimmt. Im Zeitpunkt t_ hat das Drehmoment MD des Schraubers 15 etwa die Hälfte des Nennwertes MD2 erreicht. Von diesem Zeitpunkt an beginnt in der Steuereinheit l6 eine Zeitmessung. Im Zeitpunkt t,, hat das Drehmoment MD des Schraubers 15 das Nenndrehmoment MD2 erreicht. Vom Zeitpunkt t, an bis tl· wird das Drehmoment durch die Steuereinheit l6 auf dem konstanten Wert MD2 gehalten, und zwar während der Dauer von ft\ etwa k-3 s. Nach Ende der im Zeitpunkt to beginnenden Zeitmessung, und zwar zum Zeitpunkt t. , wird das Drehmoment MD wieder bis auf den Wert 0 abgeschaltet. Die Bedienungsperson des Schraubers 15 registriert das Abschalten des Drehmomentes, da jetzt das Rückstellmoment wegfällt. Der Anziehvorgang ist in diesem Augeri>lick beendet. Der Schrauber 15 wird von der Schraube 6 abgenommen. Die Schraube 6 wird jetzt weiter nicht iimehr beeinflußt.
Das Eindrehen der Schraube ist im Prinzip zum Zeitpunkt t„ beendet. In der Praxis wird die Schraube 6 in der Zeit von t_ bis t. nur noch ganz geringfügig um geringe Werte gedreht, die etwa im Bereich von 10 bis l80 liegen können. Entscheidend jedoch ist, daß sich während der Zeit t_ bis t^, in der
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das Drehmoment MD auf den Nennwert MD2 konstant bleibt, die
Wärmeleitpaste in den Schichten 12,13,ΐΛ fließen und ihre endgültige Lage und Form einnehmen kann. In der Praxis verschmelzen die beiden Schichten 13,1A an ihrem äußeren Umfang miteinander.
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Claims (1)

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    Patentansprüche
    ( 1·!Verfahren zum Anschrauben eines Halbleiter-Bauteils an ein
    Kühlblech mit einem Schrauber mit Drehmoraentbegrenzung, wobei zwischen dem Gehäuse des Bauteiles und dem Kühlblech eine elektrische Isolierfolie und ein oder mehrere Schichten aus Wärmeleitpaste vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß __ beim Festziehen der Schraube (6) das Drehmoment MD des Schrau-J w bers (15) bei sinkender Drehzahl η zunächst ansteigt (t. bis t-), bei Erreichen eines voreingestellten Nennwertes (MD2) einige s bei diesem Nennwert verbleibt (t„ bis t.) und dann abgeschaltet wird (tj.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die : Zeitmessung für die Dauer (t^ bis tj.) des konstanten Drehmomentes MD2 beginnt, bevor das Drehmoment MD seinen Nennwert MD2 erreicht.
    3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
    Zeitmessung dann beginnt, wenn das Drehmoment MD etwa seinen Γ) ■ halben Nennwert MD2 erreicht hat.
    k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (t_ bis t^) des konstanten Drehmomentes MD2 etwa 4-5 s beträgt.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer M3-Schraube (6) das Nenndrehmoment MD2 etwa kO Ncm beträgt.
    6. Schrauber zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Steuermitteln (l6j versehen ist, die das Drehmoment MD nach Erreichen des Nenn- ■ wertes MD2 (t,) einige s konstant halten (t_ bis t^) und dann abschalten (t^). „
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    7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß am Schrauber (15) eine Anzeige für die Höhe des jeweiligen Drehmomentes vorgesehen ist.
    8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit (t„ bis t^) des konstanten Drehmomentes MD2 einstellbar ist.
    ■So
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