Устройство для крепления полупроводникового прибора

0 П И С А Н И Е (п)1003203ИЗЬЬРЕТЕН ИЯ Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУОпубликовано 07.03.83. Бюллетень Мт 9Дата опубликования описания 07,03,83 ае лелем кзаеретеикк и етервтий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГОПРИБОРА 1Изобретение относится к полупроводниковой технике,. а именно к конструкциям охладителей, например для полупроводниковых приборов, входяших в составэлектронных схем автоматического регулирования и управления транспортнымии промышленными энергетическими установками,Известно устройство крепления полупроводникового прибора в охладителе, содержащее охлаждаемые воздухом пластины с отверстиями и монтажные поверхности для крепления. Каждая монтажнаяповерхность связана с набором пластин,заключенных по периметру в кожух так,что поток воздуха направлен перпендикулярно к их плоскостям, а зазор междупластинами равен 0,2-1,0 диаметра отверстий в них, Оси отверстий в соседнихпластинах смещены одна относительнодругой на расстояние, равное половинешага между отверстиями, а стенки кожувха отстоят от кромок пластин на расстояние, меньше удвоенного зазора между 2пластинами Причем кожух связан тепловым контактом с набором пластин и имеет дополнительные монтажные поверхности для крепления приборов. Кожух с плас тинами состоит из двух частей, жестко закрепленных одна относительно другой, а между пластинами и. контактирующими с ними частями кожуха проложена фольга из мягкого металла, например отожженной меди, Для гальванической развяэ 1 о ки полупроводниковых приборов, междупластинами и контактирующими с ними частями кожуха проложена прокладка аз изоляционного материала, например окиси бериллия 1.115 Недостатком указанного устройстваявляется неоправданные потери эффектив. ности теплообмена между корпусом, полупроводникового прибора и самим охладителем из-за наличия большого теплового контактного сопротивления, которое образуется во время монтажного крепления полупроводникового прибора к охладителю, т. е. между соприкасающимися плоскостя203 4 материала с меньшим коэффициентом термического расширения, например меди, а распорная втулка шаровой опоры - иэ материала с большим коэффициентом термического расширения, например из магниевого сплаваеНа фиг, 1 показан охпадитепь, общий вид, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на 1 фиг. 1Ьхпадитепь содержит основание 1 с монтажной поверхностью 2 и отверстием 3. Б основании 1 охпадитепя выпсанена сферическая шаровая полость 4, в которой установлены крепежные элементы, выпсдненные в виде шаровой опоры 5. Шаровая опора 5 установлена (закреплена) в сферической шаровой полости 4 основания 1 гайкой 6. Шаровая опора 5 имеет возупорной втулки 7, выполненной с францем 8 и осевой полостью 9, цилиндра 10, который установпен в осевой полости центральной упорной втулки 7.На выступающей наружной цилиндрической поверхности центральной упорной втулки 7, со стороны ее фланца 8, выполнены лыски под гаечный ключ, предназначенные для удержания от возможного проворота шаровой опоры 5. и ее элементов в момент монтажа (крепления) попупроводникового прибора 11 к охпадитепю.Лыски под гаечный ключ на чертеже необозначены, Бипиндр 10 в верхней частиимеет головку 12 выполненную в видепопурастянутой гайки, Головка 12 жест=ко прикреплена к цилиндру 10 и выполнена из упругого материала. Н головку12 вворачивается реэьбовая шпилька 13полупроводникового прибора 1 1,На головке (гайке) 12 выполнены закрытые пазы 14, не доходящие на 2-5витков до верхнего среза головки, т.е.до ее сферической торцовой поверхности,упирающейся в сферическую полость 4охпадитепя, Головка 12 имеет кольцевойупорный поясок 15 с обратной конуснойповерхностью 16, взаимодействующей сответной упорной кольцевой поверхностью,выполненной в полости 9 центральнойупорной втулки 7. Это дает воэможностьчастично разгрузить от усилия смятияверхние, наиболее напряженные на растяжения витки резьбы шпильки 13 полупроводникового прибора 11 и подгрузить ниж 3 1003ми прибора и охпадитепя имеется воздушная прослойкаУкаэанная воздушная прослойка образуется за счет неточности (ошибок) изготомения соприкасающихся элементов упапупроводникового прибора и охпадитепя.Наиболее близким по технической сущ-ности к предпагаемому является устройство дпя крепления полупроводниковогоприбора, преимущественно штыревой кон- р 0струкции к радиатору, содержащее элементы охпаждения с монтажными поверхностями дпя установки полупроводниковыхприборов, самоустанавпивающуюся шаровую опору, тарепьчатые пружины 2.Недостатком известного устройстваявляется большое тепловое контактноесопротивление, образуемое во время крепления полупроводникового прибора к ох- можность самоустанавпиваться, а ее кре 20 нежный элемент может совершать осевоеБель изобретения - повышение эффек- перемещение за счет разницы коэффицитивности охлаждения за счет сниженияентов термического расширения мате- теплового контактного сопротивления,Поставленная цель достигается тем, Шаровая опора 5 состоит из центральной что в устройстве для крепления попупро 2водникового прибора преимущественноштыревой конструкции к радиатору, содержащем элементы охлаждения с монтажными поверхностями дпя установки полупроводниковых приборов, самоустанавпиваюшуюся шаровую опору, тарепьчатые пружины, шаровая опора установпеиа в полости радиатора и содержит центральнуюупорную втулку, выполненную с фпанцеми осевой полостью, цилиндр с посадочным местом для полупроводникового прибора, расположенный в осевой полостивтулки и снабженный в верхней части головкой, выполненной в виде попурастянутой гайки с продольными закрытыми па 40зами и с упорным кольцевым пояском об ратной конусности, вэаимодействующей 1с ответной упорной кольцевой поверхностью центральной упорной втулки, наружную упорную втулку, распорную втулку43с фпанцем выполненную за одно целое сшаровой опорой с возможностью осевогоперемещения совместно с цилиндром, которые установлены коаксиапьно на центральной упорной втулке с фпанцем, взаимодействующим с внешней торцовой по 50верхностью наружной упорной втулки, причем распорная втулка шаровой опоры жест.ко соединена с цилиндром, а между фпанцем распорной втулки и внутренней торцовой поверхностью наружной упорнойвтулки расположены тарельчатые пружины.Кроме того, центральная и наружнаяупорные втулки и цилиндр выполнены из5 10032ние не испытывающие столь достаточныеусилия растяжения, Шаровая опора 5 также состоит из наружной упорной втулки 17 и распорной втулки 18. Распорная втулка 18 выполнена также с фланцем 19. Наружная упорная втулка 17 ираспорная втулка 18 коаксиально установлены на центральной упорной втулке 7.Распорная втулка 18 жестко соединенас цилиндром 10 штифтом 20, Для этого 1 Ов центральной упорной втулке 7 выполнена сквозная полость, через которую сзазором проходит штифт, Нв чертежесквозная полость не обозначена.Распорная втулка 18 имеет возможность перемешаться совместно с цилиндром 10 в осевом направлении за счетразницы коэффициента термического расширения материала распоркой втулки иматериала охладителя и его элементов, 20Центральная упорная втулка 7 установлена таким образом, что ее фланец 8 упи рается в одну (нижнюю) из торцовых поверхностей наружной упорной втулки 17,Между фланцем распорной втулки 18 и 25второй торцовой (верхнейповерхностьюнаружной упорной втулки 17 установлены тарельчвтые пружины 21,Распорная втулка 18 выполнена иэматериала с бол шим коэффициентом тер- Зймического расширения, например магниевого сплава, в центральная 7, наружная 17упорные втулки и цилиндр 10 выполненыиз материала с меньшим коэффициентомтермического расширения, чем распорнаявтулка 18, например иэ меди,Монтаж полупроводникового прибора кохладителю осуществляют следующим образом.Полупроводниковый прибор 1 1 резьбо-40вой шпилькой 13 вворачивают в реэьбовую головку 12 цилиндра 10. Для предотвращения случайного проворота шаровойопоры 5 и ее элементов в горизонтальной плоскости, в момент вворачиванияреэьбовой шпильки 13 полупроводниковогоприбора 11 в резьбовую головку 12, ша 1ровую опору 5 придерживают гаечным ключом, ухватив эа лыски, выполненные нанаружной поверхности центральной втул 50ки 7. Как только монтажная поверхностьполупроводникового прибора 1 1 коснетсямонтажной поверхности 2 охлвдителя, ша трювая опора 5 вместе со своими элементами: центральной 7, наружной 17 упорными втулками, цилиндром 10, рвспорной втулкой 18 и тарельчатыми пружинами 21 провернется и самоустановитсяПри этом гайка 6 до упора ые затянута 03 4для уменьшения силы трения между взаимодействующими поверхностями шаровойопоры 5 и полости 4, в момент самоустановления шаровой опоры 5. После самоустановпения шаровой опоры 5 гайку 6затягивают до упора. При свмоустановлении шаровой опоры Б и ее элементовкомпенсируется неточность изготовлениявзаимодействующих элементов полупроводникового прибора 11 и охладителя.При этом монтажная опорная поверхностьполупроводникового прибора 1 1 ляжет(расположится) на монтажной поверхности 2 охладителя по всей фактической плошади без перекосов, устраняя этим самым воздушный зазор и внецентровое приложение нагрузок, действующие на резьбовое соединение, т,е. резьбовая шпилька13 полупроводникового прибора 1 1 разгружена от поперечных сил, Устраняетсясложное напряжение состояния в резьбовом соединении и создаются условя.,при которых резьбовое соединение работает только на растяжение,При работе полупроводникового прибора 13 прикрепленного к охлвдителю, вэлектронной схеме, структура и корпусприбора разогреваются, например до 140190 С, следовательно, до близко указаноной температуры разогревается охлаатель с его элементами.При нагревании охладителя распорнаявтулка 18 нагревается и удлиняется восевом направлении вниз, при этом тарельчатые пружины 21 деформируются и своеосевое перемещение распорная втулка 18передает цилиндру 10.Центральная 7, наружная 17 упорныевтулки и цилиндр 10 удлиняются значительно меньше, чем распорная втулка 18,вследствие их малого коэффициента термического расширения, Основание 1 охладителя также удлиняется при нагревании меньше, чем распорная втулка 18,из-за относительно малого коэффициентатермического расширения.цилиндр 10 перемещается в осевомнаправлении вниз совместно с головкой12, ввернутой резьбовой шпилькой 13полупроводникового прибора 1 1. В момент перемещения вниз цилиндра 10 сголовкой 1 2 упорный кольцевой поясок15 своей обратной конической поверхностью упирается в ответную кольцевую поверхность центральной упорной втулки 7и тело головки 12 (растяжной гайки),ограниченное закрытыми пазами 14, упруго деформируясь, перемешается в радиальном направлении, подгружая тем св 7 ЮОЗмым нижние витки резьбы шпильки 13,а верхние .витки указанной шпильки, которые находились до этого в наиболее напряженном состоянии на растяжение, Частично разгружаются. 3Одновременно монтажная опорнаяплоскость полупроводникового прибора 11прижимается к монтажной плоскости 2охладителя с усилием,Радиальное перемещение тела головки12 (растяжной гайки), ограничено закры-,тыми пазами 14 потому, что резьбовоесоединение выполнено с зазором,Величина радиального перемещения тела головки 12 (растяжной гайки) допжнабыть такой, чтобы в резьбовом сочленении оставался зазор, равный (0,0120,035) д, а величина осевого перемешеш:я распорной втулки 18 должна обеспечивать постоянное удельно, давление опор-опой поверхности полупроводникового прибора 11 на монтажную плоскость 2 охладителя 1,2-1,4 кгс/мм( с 1- наружныйдиаметр резьбы шпильки полупроводникового прибора), 23Таким образом, термическое перемещение распорной втулки 18 совместно сцилиндром 10 уменьшает неравномерноераспределение усилил затяжки по виткамрезьбы шпильки 13 полупроводниковогоприбора 1 1 и обеспечивает плотностьстыков монтажных контактирующих поверхностей при температурном режиме работы полупроводникового прибора, прикреплейного к охладителю,Уменьшение теплового контактного со35протирпения в предлагаемом устройстведостигается конструктивным выполнениемэлементов охладителя, а именно крепежные элементы выполнены в виде шаровой4 Оопоры,Это дает возможность устранить воздушные прослойки между контактнымитеплоотводяшими поверхностями полупроводникового прибора и охладитела, которые имеются при монтаже полупроводни 45кового прибора к типовому охпадителюиз-за неточности изготовления.При самоустановпении шаровой опорыразгружается также резьбовая шпилькаот внецентрового приложения нагрузки,, в результате чего устраняетсяизгибшпильки и смятие ее витков, т,е. резьбовая шпилька полупроводникового прибораработает на растяжение.Несущая способность реэьбового соеди-ффкения обеспечивается за счет равномерного распределения усилия затяжки по виткам резьбы шпильки прибора. Это дости 20 Эгается тем, чтд в предлагаемом техническом решении крепежный элемент вы-, полнен в виде растяжной гайки, тело которой имеет возможность упруго деформироваться и перемещаться в радиапьном направлении эа 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 расширении элементов охладителя, а именно распорной втулки, с которой жестко связан цилиндр с укрепленным крепежным элементом, имеющим реэьбовое 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 Это достигается постоянным прижатием монтажной плоскости полупроводникового прибора к плоскости охладителя за счет перемещения распорной втулки при ее термическом расширении.формула изобретения,Устройство для крепления полупроводникового прибора преимущественно штыревой конструкции к радиатору, содержащее элементы охлаждения с монтажными поверхностями дпя установки полупроводниковых приборов, самоустанавпиваюшуюся шаровую опору, тарельчатые пружины, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения за счет снижения теплового контактного сопротивления, шаровая опора установпена в плоскости радиатора и содержит центральную упорную втулку, выполненную с фланцем и осевой полостью, цилиндр с посадочным местом дпя полупроводникового прибора, расположенный в осевой полости втулки и снабженный в верхней части головкой, выполненной в виде полу- растянутой гайки с продольными закрытыми пазами и с упорным кольцевым пояском обратной конусности, взаимодейст-твующей с ответной упорной кольцевой поверхностью центральной упорной втулки, наружную упорную втулку, распорную втулку с фланцем, выполненную эа одно целое с шаровой опорой с воэможностью осевоилнап ППП ф Патент Ужгород,ул. Проектная,4 9 1003203 10 го перемещения совместно с цилиндром, иены из материала с меньшим коэффипикоторые установлены коаксиально на энтом термического расширения напри(центральной). упорной втулке с фпанцем, мер меди, а.распорная втулка шаровой взаимодействующим с внешний торцовой опоры - из материала с бопьшим коэффи-. поверхностъю наружной упорной втулки,циентом термического расширения, напри- ,причем распорная втулка шаровой опорымер из магниевого сплава. жестко соединена с цилиндром, а междуфпанцем расцорной втулки и внутренней Источники информации, торцовой цоверхностью наружной упорной, принятые во внимание при экспертизе втулки расположены тарельчатые пружины, 1 О. 1, Авторское свидетельство СССРУстройство по п. 1, о т л и ч а ю - М 682970, кл. Н 01 Ь 23/34, 1977. а е е с я тем, что центральная и на., Патент СССР % 674696, ружная упорные втулки и цилиндр выпал- кп. Н 01 Ь, 23/34, 1976 (прототип), 1.