Устройство для крепления полупроводникового прибора Советский патент 1983 года по МПК H01L23/34 H05K7/20 

Изобретение относится к полупроводниковой технике,, а именно к конструкциям охладителей, например для полупроводниковых приборов, входяших в состав электронных схем автоматического регулирования и управления транспортными и промышленными энергетическими установками.

Известно устройство крепления полупроводникового в охладителе, содержащее охлаждаемые воздухом пластины с отверстиями и монтажные поверхности для крепления. Каждая монтажная поверхность связана с набором пластин, заключенных по периметру в кожух так, что поток воздуха направлен перпендикулярно к их плоскостям, а зазор между пластилами равен О,2-1,О диаметра отверстий в них. Оси отверстий в соседних пластинах смешены одна относитешзно другой на расстояние, равное половине шага между отверстиями, а стенки кожу- ха отстоят от кромок пластин на расстояиие, меньше удвоенного зазора между

пластинами Причем кожух связан тепловым контактом с набором пластин и имеет дополнительные монтажные поверхности для крепления приборов. Кожух с ппас тинами состоит из двух частей, жестко закрепленных одна относительно другой, а между пластинами н контактирующими с ними частями кожуха проложена фольга из мягкого металла, например отожженной меди. Для гальванической развяэки полупроводниковых приборов, между

10 пластинами и контактирующими с ними частями кожуха проложена проклад1са аз изоляционного .ма -ериала, например окиси бериллия L1J

Недостатком указанного устройства

15 являегёя неоправданные потери эффективности теплообмена между корпусом.полупроводникового прибора и самим охладителем из-за наличия большого теплового

20 контактного сопротивления, которое образуется во время монтажного крепления полупроводникового прибора к охладителю, т. е. между соприкасающимися плоскостя- 3.10 ми прибора и охладителя имеется воздушная прослойка. , Указанная воздушная прослойка образуется за счет неточности (ошибок) изготовпения соприкасающихся элементов полупроводникового прибора и охладителя. Наиболее близким по технической сущ ности к предлагаемому является устройство для крепления полупроводникового прибора, преимущественно штыревой конструкции к радиатору, содержащее элементы оЛхаждения с монтажными поверхностями для установки полупроводниковых приборов, самоустанавпивающуюся шаровую опору, тарельчатые пружины С. Недостатком известного устройства является большое тепловое контактное сопротивление, образуемое во время креп ления полупроводникового прибора к охладителю. Цель изобретения - повышение эффективности охлаждения за счет снижения теплового контактного сопротивления. Поставленная цель достигается тем. что в устройстве для крепления полупро-воднчкового прибора преимущественно штыревой конструкции к радиатору, содержащем элементы охлаждения с монтаж ными поверхностями для установки полупроводниковых приборов, :самоустанавлива юпдуюся шаровую опору, тарельчатые пружины, шаровая опора установлена в полос ти радиатора и содержит центральную упорную втулку выполненную с фланцем и осевой полостью, цилиндр с посадочным местом для полупроводникового прибора, расположенный в осевой полости втулки и снабженный в верхней части головкой, выполненной в виде полурастяну- той гайки с продольными закрытыми пазами и с упорным кольцевым пояском обратной конусности, взаимодействуклцей с ответной упорной кольцевой поверхностью центральной упорной втулки, наружцую упорную втулку, распорную вчулку с фланцем. вьшолненную за одно целое с шаровой опорой с возможностью осевого перемещения совмес-гао с цилиндром, которые установлены коаксиально на центральной упорной втулке с фланцем, взаимодействующим с внешней торцовой поверхностью наружной упорной втулки,причем распорная втулка шаровой опоры жестко соединена с цилиндром, а между фланцем распорной втулки и внутренней торцовой поверхггостью наружной упорной втулки расположены тарельчатые пружины Кроме того, центральная н наружная упорные втулки и цилиндр выполнены из 03 4 материала с меньшим коэффициентом термического расширения, например меди, а распорная втулка шаровой опоры - из материала с большим коэффициентом термического расширения, например из магниевого сплава. На фиг. 1 показан охладитель, обший , разрез; на фиг, 2 -- разрез А-А на .фиг. 1.. . Охладитель содержит основание 1 с монтажной поверхностью 2 и отверстием 3, В основании 1 охладителя выполнена сферическая шаровая полость 4, в которой установлены крепежные элементы, выпопненные в виде шаровой опоры 5. Шаровая опора 5 установлена (закреплена) в сферической шаровой полости 4 основания 1 гайкой 6, Шаровая опора 5 имеет возможность самоустанавливаться, а ее крепежный элемент может совершать осевое перемещение за счет разницы коэффициентов термического расширения материала крепежного элемента и охладителя. Шаровая опора 5 состоит на центральной упорной втулки 7, выполненной с фланцем 8 и осевой полостью 9, цилиндра 10, который установлен в осевой полости центральной упорной втулки 7. н выступающей наружной цилиндричес ой поверхности центральной упорной вгул и 7, со стороны ее фланца 8, вьшолневы ЛЫСКИ под гаечный ключ, предназначенные для удержания от возмож1 ого проворота шаровой опоры 5. и ее элементов B момент монтажа (креп зения) полупроводникового прибора 11 к охладителю, Лыски под гаечный ключ на чертеже не обозначены. Цилиндр 10 в верхней части имеет головку 12, 1полненную в виде полурастянутой гайки. Головка 12 жестгко прикреплена к цилиндру 1О и выполцена из упругого материала. В головку 12 вворачивается резьбовая шпилька 13 полупроводникового прибора 11. На головке (гайке) 12 выполнены закрытые пазы 14, не доходящие на 2-5 витков до верхнего среза головки, т.е. до ее сферической торцовой поверхности, упирающейся в сферическую полость 4 охладителя. Головка 12 имеет кольцевой упорный поясок 15 с обратной конусной поверхностью 16, взаимодействующей с ответной упорной кольцевой поверхностью, выполненной в полости 9 центральной упорной В1УЛКИ 7, Это дает возможность частично разгрузить от усилия смятия верхние, наиболее напряженные на растяжения витки резьбы шпильки 13 полупроводникового прибора 11 и подгрузить ниж510ние не испытывающие столь достаточные усилия растяжения. Шаровая опора 5 также состоит из наружной упорной втулки 17 и распорной втулки 18. Распорная втулка 18 выполнена также с фаанцем 19. Наружная упорная втулка 17 и распорная втулка 18 коаксиально установ лены на центральной упорной втулке 7, Распорная втулка 18 жестко соединена с цилиндром 1О штифтом 20. Для этого в центральной упорной втулке 7 выполнена сквозная полость, через которую с зазором проходит штифт. Ни чертеже сквозная полость не обозначена. Распорная втулка 18 имеет возможность перемещаться совместно с цилиндром 10 в осевом направлении за счет разницы коэффициента термического расширения материала распорной втулки и материала охладителя и его элементов. Центральная упорная втулка 7 установ лена таким образом, что ее фланец 8 упи рается в одну (нижнюю) из торцовых поверхностей наружной упорной втулки 17. Между фланцем распорной втулки 18 и второй торцовой (верхней поверхностью наружной упорной втулки 17 установлены тарельчатые пружины 21. Распорная втулка 18 выполнена из материала с коэффициентом тер- зо мического расширения, например магниевого сплава, а центральная 7, наружная 17 упорные втулки и цилиндр 10 выполнены из материала с меньшим коэффициентом термического расширения, чем распорная втулка 18, например из меди. Монтаж полупроводникового прибора к охладителю осуществляют следующим об разом. Полупроводниковый прибор 11 резьбовой шпилькой 13 вворачивают в резьбовую головку 12 цилиндра 10. Для предот вращения случайного проворота шаровой опоры 5 и ее элементов в горизонтальной плоскости, в момент вворачивания резьбовой шпильки 13 полупроводникового прибора 11 в резьбовую головку 12, ша- ровую опору 5 придерживают гаечным кдю чом, ухватив за лыски, выполненные на наружной поверхности центральной втулки 7. Как только монтажная поверхность полупрюводникового прибора 11 коснется монтажной поверхности 2 охладителя, шаровая onojja 5 вместе со своими элементами: центральной 7, наружной 17 упорными втулками, цилиндром 1О, распорной втулкой 18 и тарельчатыми пружинами 21 провернется и самоустановится При этом гайка 6 до упора не затянута 3« для уменьшения силы трения между вааимодействуюшими поверхностями шаровой опоры 5 и полости 4, в момент самоустановления шаровой опоры 5, После само- установления шаровой опоры 5 гайку 6 затягивают до упора. При самоустановлении шаровой опоры 5 и ее элементов компенсируется неточность изготовления взаимодействующих элементов попупроводникового прибора 11 и охладителя. При этом монтажная опорная поверхность полупроводникового прибора 11 ляжет (расположится) на монтажной поверхности 2 охладителя по, всей фактической пло- щади без перекосов, устраняя этим самым воздушный зазор и внеаентровое приложение нагрузок, действующие на резьбовое соединение, т.е. резьбовая шпилька 13 полупроводникового прибора 11 раэгружена от поперечных сил. Устраняется сложное напряжение состояния в резьбовом соединении и создаются услови , при которых резьбовое соединение работает только на растяжение. При работе полупроводникового прибора 11 прикрепленного к охладителю, в электронной схеме, структура и корпус прибора разогреваются, например до 14О19О С, следовательно, до близко у казан ° температуры разогревается охладитель с его элементами. При нагревании охладителя распорная втулка 18 нагревается и удлиняется в осевом направлегми вниз, при этом чатые пружины 21 деформируются и свое осевое перемещение распорная втулка 18 передает цилиндру 10. Центральная 7, наружная 17 упорные втулки и цилиндр 1О удлиняются значительно меньше, чем распоррая втулка 18, вследствие их малого коэффициента термического расширения. Основание 1 охладителя также удлиняется при нагревании меньше, чем распорная втулка 18, из-за относительно малого коэффициента термического расширения. Цилиндр 1О перемеи ется в осевом направлении шиз совместно с головкой 12, ввернутой резьбовой шпилькой 13 полупроводникового прибора 11, В момент перемещения вниз цилиндра 1О с головкой 12 упорный кольцевой поясок 15 своей обратной конической поверхностью упирается в ответную кольцевую поверхность центральной упорной втулки 7 i и тело головки 12 (растяжной гайки), ограниченное закрытыми пазами 14, упруго деформируясь, перемещается в радиальном направлении, подгружая тем самым нижние витки резьбы шпильки 13, а верхние .витки указанной шпильки, кото рые находались до этого в наиболее напряженном состоянии на растяжение, Час тично разгружаются. Одновременно монталшая опорная Ш1оскоС1ъ полупроводникового прибора 11 прижимается к монтажной плоскости 2 охладителя с усилием. Радиальное перемещение тела головки 12 (растяжной гайки), ограничено закры тыми пазами 14 потому, что резьбовое соединение вьтолнено с зазором, Величина радиального перемещения те ла головки 12 (растяжной гайки) должна быть такой, чтобы в резьбовом сочленении оставался зазор, равный (0,0120,035) d, а величина осевого перемещеш;я распорной втулки 18 должна обеспечивать, постоянное удельное давление опо мой поверхности полупроводникового прибора 11 на монтажную плоскость 2 охладителя 1,2-1,4 jcrc/ммЧ 3- наружный диаметр резьбы шпильки полупроводникового прибора). . Таким образом, термическое переме- шеаке распорной втулки 18 совместно с цилиндром 10 уменьшает наравномерное распределение УСИЛИЯ затяжки по виткам резьбы игпильки 13 полупроводникового прибора 11 и обеспечивает плотность СТЫ.КОВ MOHTajKHbix контактирующих поверхностей при температурном режиме ра боты полупроводникового прибора, прикре к охладителю. Уменьшение теплового контактного со противления в предлагаемом устройстве достигается конструктивным выполнением элементов охладителя, а именно крепежные элементы выполнены в виде шаровой опоры. Это дает возможность устранить воз- душмые прослойки между контактными теплоотводяшими поверхностями полупроводникового прибора и охладителя, которые имеются при монтаже полупроводникового прибора к типовому охладителю из-за неточное изготовления. При самоустановлении шаровой опоры разгружается также резьбовая шпилька от внецентрового приложения нагрузки, р результате чего устраняется изгиб шпильки и смятие ее витков, т,е. резьбо вая шпилька полупроводникового прибора работает на растяжение. Несущая способность резьбового соеди нения обеспечивается за счет равномерно го распределения усилия затяжки по вяткам резьбы шпильки прибора. Это достигается тем, ЧТ9 в предлагаемом техническом решении крепежный элемент вы-. полнен в виде растяжной гайки, тело которой имеет возможность упруго деформироваться и перемещаться в радиальном направлении за счет направленных сил, В результате этого частично разгружаются верхние витки резьбы и дополнительно догружаются средние витки резьбы шпильки прибора, которые находились до этого в менее напряженном состоянии на растяжение. Направленные силы, деформирующие тело головки (распорной гайки),возникают при термическом расцгарении элементов охладителя, а именно распорной втулки, с которой жестко связан цилиндр с укрепленным крепежным элементом, имеющим резьбовое отверстие. Кроме того, в предлагаемом техническом решении создается и обеспечивается непрерывное постоянное усилие давления опорной монтажной плоскости полупроводникового прибора на монтажную плоскость охладителя, равную 1,28-1,35 кгс/мм Г Это Достигается постоянным прижатием монтажной плоскости полупроводникового прибора к плоскости охладителя за счет перемещения распорной втулки при ее термическом расширении. .Формула изобретения, Устройство для креплений полупровод кового прибора преимущественно штыревой конструкции к радиатору, содержащее элементы охлаждения с монтажными поверхностями для установки полупроводниковых приборов, самоустанавдивающуюся шаровую опору, тарельчатые пружины, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения за счет снижения теплового контактного сопротивления, шаровая опора установлена в плоскости радиатора и содержит центральную упорную втулку, выполненную с фланцем и осевой полостью, цилиндр с посадочным местом для полупроводникового прибора, расположенный в осевой полости втулки и снабженный в верхней части головкой, выполненной в виде полурастянутой гайки с продольными закрытыми пазами и с упорным кольцевым пояском обратной конусности, взанмодейст-твующей с ответной упорной кольцевой поверхностью центральной упорной втулки, наружную упорную втулку, распорную втулку с фланцем, выполненную за одно целое с шаровой опорой с возможностью осево