CN1956646B - 发热电子部件覆盖物和覆盖物安装方法 - Google Patents

发热电子部件覆盖物和覆盖物安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发热电子部件覆盖物和覆盖物安装方法。覆盖物为了绝缘和散热目的被安装到发热电子部件(T)上。覆盖物包含具有顶壁(23)、底壁(24)、侧壁、开放的前壁(21)和封闭的后壁(22)并限定要在其中插入电子部件(T)的中空内部(27)的、四棱柱形状的中空覆盖物主体(20)。内部具有足以容纳电子部件的尺寸。顶壁和底壁为了与电子部件的可滑动接触形成平整形状。底壁比顶壁厚至少0.1mm。

Description

发热电子部件覆盖物和覆盖物安装方法
技术领域
本发明涉及用于发热电子部件的导热的、电绝缘覆盖物(cover)，该覆盖物也被称为散热板盖。特别地，涉及用于诸如功率晶体管的发热电子部件的导热的、电绝缘覆盖物，该覆盖物具有包括以下方面的优点：易于固定、作为覆盖物固定的结果的电子部件的总体积增加较少以及用于发热电子部件和另一电子部件之间的电绝缘的蠕变距离减小。更具体地，涉及单一散热板盖可同时应用于散热是所关心的事项的应用以及电绝缘是所关心的事项的电源或类似的应用的发热电子部件覆盖物。还涉及将覆盖物安装到发热电子部件上的方法。
背景技术
随着电子和电气设备向更高密度的小型化的最新进展，内置在这种设备中的诸如功率晶体管的发热电子部件的散热问题变得十分突出。
在本领域使用的发热电子部件中，例如，功率晶体管具有图1所示的结构。功率晶体管T包括：具有平整的底面3a和顶面3b的矩形形状的功率晶体管主体3、从主体3的一端突出的多个(图1中为三个)端子5、和固定到晶体管主体3上的板状散热体4。特别地，与端子突出端相反的晶体管主体3的下面的角部分以四棱柱的形状被加工，以限定缺口3c。板状散热体4的一端被装配到缺口3c内，而散热体4的另一端沿与端子突出方向相反的方向延伸。具有平整底面的板状散热体4被固定到晶体管主体3上，使得散热体4的底面与晶体管主体3的底面3a齐平。三个端子5中的任一个穿过功率晶体管主体3并与板状散热体4连接。一般地，上述结构的功率晶体管T被牢固地固定到诸如金属底盘的外部散热片(未示出)上，而合成树脂或橡胶的电绝缘电、传热板被插入外部散热片和散热体4之间。在操作中由功率晶体管4产生的热从散热体4被传导到外部散热片。以这种方式进行散热。
当合成树脂或橡胶的板被插入时，存在包括由于频繁未对准而导致无效操作和电绝缘用蠕变距离太大的问题。因此在JP-U-A S57-2666中提出使用合成树脂或橡胶的管道。图2示出其中公开的管状覆盖物。图2中的管状覆盖物为圆筒状并同时在上下端1和2开放。
当通过使用管状覆盖物封闭功率晶体管时，板状散热体4面朝上的功率晶体管通过下开口端2被嵌入管状覆盖物中，直到只有三个端子伸出覆盖物的下开口端2。一般地，具有容纳于其中的功率晶体管的覆盖物被牢固地固定到外部散热片上。在功率晶体管被封闭到现有管状覆盖物的情况下，由于管道的断面形状与晶体管的截面形状不一致，因此功率晶体管周围留下过剩的空间。存在这种过剩空间是与电子设备的小型化趋势背离的。
在功率晶体管容纳于管状覆盖物中的情况下，管状覆盖物的与端子突出端相反的后端保持开放状态。由于电子部件以较高的密度被组装，因此可通过该后开口在散热体和外部散热片或另一电子部件之间出现放电，从而导致故障。
然后，如图3所示，管状覆盖物6的开放的后面部分沿内侧线被折叠到剩余的部分上，从而封闭覆盖物的后端。端部折叠的覆盖物6被插入由螺栓9固定在一起的两个外部散热片7和8之间。这样克服了与具有开放的端部的管状覆盖物有关的问题。
但是，当以这种方式将管状覆盖物放置在电子设备内的位置上时，折叠的部分常常伸出，并且，折叠的部分提供妨碍平稳固定的厚度，从而对操作效率造成不利影响。不希望的是，覆盖物趋于从折叠的部分开始劣化。
在图4中示出这些问题的一种解决方案。JP-U-B H03-53510公开了用于发热电子部件的覆盖物，该覆盖物包括一端10开放、另一端11封闭的导热、电绝缘套筒12。开口的宽度和高度与要被插入到其中的电子部件的宽度和高度基本上对应。套筒12具有限定内部空间并与电子部件的平整表面对应的平整的内表面。该实用模型的覆盖物12具有包括以下方面的优点：易于固定、作为覆盖物固定的结果的功率晶体管的总体积增加较少以及与另一电子部件或外部散热片的蠕变距离减小，但存在下述问题。覆盖物包括具有与电子部件的平整表面对应的平整内表面的、厚度基本上相同的顶壁12a和底壁12b。具有封闭于其中的电子部件T的覆盖物12被固定到诸如散热金属片的外部散热片上。如果与外部散热片接触的覆盖物顶壁和底壁12a和12b太厚，那么覆盖物发挥较差的散热效果。相反，如果覆盖物顶壁和底壁12a和12b太薄，那么覆盖物会允许与散热金属片的短路，或者发挥较差的电绝缘效果。具有相同厚度的顶壁和底壁的相同的覆盖物不可同时应用于散热是所关心的事项的应用和电绝缘是所关心的事项的电源或类似的应用。必须事先为各种应用供给顶壁和底壁厚度不同的多种类型的覆盖物(例如，一种类型的覆盖物具有较厚的顶壁和底壁，另一种类型的覆盖物具有较薄的顶壁和底壁)。这导致如需要为多个铸模进行投资的不便之处。
发明内容
本发明的第一目的在于提供用于诸如功率晶体管的发热电子部件的覆盖物，该覆盖物具有包含以下方面的优点：易于固定、作为覆盖物固定的结果的电子部件的总体积增加最少。
本发明的第二目的在于提供可减小与另一电子部件或外部散热片的蠕变距离的用于发热电子部件的覆盖物。
本发明的第三目的在于提供单一覆盖物即单一散热板盖可同时应用于散热是所关心的事项的应用以及电绝缘是所关心的事项的电源或类似的应用的用于发热电子部件的覆盖物。
本发明的第四目的在于提供将覆盖物安装到发热电子部件上的方法。
在一个方面中，本发明提供一种用于发热电子部件的电绝缘和散热的覆盖物，该发热电子部件具有其中至少一个是平整的顶面和底面。所述覆盖物包含具有顶壁、底壁、侧壁、一个开放端和另一个封闭端并限定要在其中插入电子部件的中空内部的、四棱柱形状的中空覆盖物主体。内部具有分别与电子部件的最大宽度和最大高度基本上对应的宽度和高度。覆盖物主体的顶壁和底壁具有形成平整形状以与电子部件的平整表面对应并可滑动地与其接触的内表面。覆盖物主体的顶壁和底壁形成为不同的厚度，使得一个壁比另一个壁厚至少0.1mm。
在覆盖物主体的顶壁和底壁中，优选一个壁比另一个壁厚0.1～0.9mm。还优选一个壁具有0.4～1.0mm的厚度，另一个壁具有0.15～0.5mm的厚度。一般地，覆盖物主体的中空内部的截面为矩形。还优选覆盖物主体的另一封闭端的外表面具有指示顶壁和底壁的厚度中的至少一个的标记。
在优选实施例中，覆盖物主体由装载有导热的电绝缘无机填充物的固化的硅酮橡胶成分形成。更优选固化的硅酮橡胶成分具有至少0.5W/m·℃的导热率。
一般地，要被插入覆盖物中的电子部件的截面为矩形。
在另一方面中，本发明提供一种将上述限定的覆盖物安装到发热电子部件上的方法，该发热电子部件具有平整表面并包含具有从电子部件的平整表面延伸的平整表面的板状散热体。该方法包括以下步骤：(a)从散热体的平整表面与覆盖物主体的顶壁和底壁中的较厚的一个的内表面邻接由此散热体通过较厚的壁与外部散热片接触的第一策略(1)和散热体的平整表面与覆盖物主体的顶壁和底壁中的较薄的一个的内表面邻接由此散热体通过较薄的壁与外部散热片接触的第二策略(2)选择安装策略，和(b)根据选择的策略将电子部件插入覆盖物主体的中空内部中，使得覆盖物容纳电子部件。
本发明的用于发热电子部件的覆盖物限定在几何上与要插入其中的发热电子部件(例如，功率晶体管)一致的内部，从而在固定后不留下过剩的空间。由于在现有的覆盖物的情况下对外面开放的、接收发热电子部件的后端(例如，功率晶体管的散热板侧)的覆盖物的后端被实心壁封闭，因此，不会从功率晶体管的散热体到另一电子部件出现放电。因此，在电子设备中，可减小发热电子部件(例如，功率晶体管)和另一电子部件之间的距离。借助于这种距离减小，即使当另一电子部件被放置在发热电子部件(例如，功率晶体管)附近时，本发明也可避免由于从功率晶体管的散热体放电导致的任何故障。
本发明的覆盖物可被容易地安装到发热电子部件(例如，功率晶体管)上。当覆盖物由装载无机填充物的硅酮橡胶形成时，可同时在散热和电绝缘方面实现进一步的提高。
由于本发明的覆盖物具有与电子部件的平整表面对应的、具有平整内表面的、不同厚度的顶壁和底壁(即，两种类型的壁)，因此，通过从发热电子部件(例如，功率晶体管)的散热体通过较厚的壁与外部散热片接触使得覆盖物提供更好的电绝缘效果的第一策略和发热电子部件(例如，功率晶体管)的散热体通过较薄的壁与外部散热片接触使得覆盖物提供更好的散热效果的第二策略选择安装策略，单个覆盖物可同时应用于散热是所关心的事项的应用以及电绝缘是所关心的事项的电源或类似的应用。
附图说明
图1是作为典型的发热电子部件的功率晶体管的透视图。
图2是现有管状覆盖物的透视图。
图3是封闭于现有管状覆盖物内的功率晶体管的部分剖开透视图。
图4是现有中空覆盖物和发热电子部件的透视图。
图5是本发明的一个实施例中的覆盖物和发热电子部件的透视图。
图6是在电绝缘是所关心的事项的应用中使用的发热电子部件覆盖物的透视图。
具体实施方式
在以下的说明书和权利要求书中，将提到应被限定为具有以下意思的多个术语：
术语“顶”和“底”用于表示从附图观察的相对位置，但仅仅是为了便于将一个组成部分与对置的组成部分区分开。类似地，术语“前”和“后”以及“上”和“下”指的是相对位置，但仅仅是为了便于说明。
参照图5，示出根据本发明的一个实施例的覆盖物。覆盖物用于出于安装和固定目的封闭一般是图1中所示的功率晶体管的发热电子部件。简言之，功率晶体管T包括：具有在示出的实施例中平整的顶面3b和底面3a的矩形形状的功率晶体管主体3、三个突出的端子5、和固定到晶体管主体3上使得散热体4的底面与晶体管主体3的底面3a齐平的板状散热体4。
覆盖物包括四棱柱(或矩形管)形状的中空的覆盖物主体20，该覆盖物主体20具有使得功率晶体管T能够穿过其中被插入的一个开放的端部21和另一封闭的端部22。在前端21开放、在后端22封闭的覆盖物主体20具有实心的、即没有开口的顶壁23、底壁24和侧壁25和26。这些壁限定要插入功率晶体管T的中空的内部27。由于除了前开口21以外覆盖物没有其它开口，因此在功率晶体管T的板状散热板4和另一电子部件或外部散热片之间不会出现放电。本发明防止由于存在开口而导致的任何故障。
当功率晶体管T沿图5中所示的方向被插入覆盖物20中时，覆盖物的底壁24的内表面与散热体4的底面接触，并且，顶壁23的内表面不与散热体4的底表面接触。顶壁23和底壁24的内表面形成为与散热体4的平整底面一致的平整表面。覆盖物主体的中空内部27具有分别与功率晶体管的最大宽度和最大高度基本上对应的宽度和高度。由于顶壁23和底壁24的内表面形成为平整表面，因此，当功率晶体管被插入覆盖物时，这些内表面用作允许功率晶体管T的散热体4的底面的滑动的导轨。这保证有效的固定操作。
当覆盖物20被安装到功率晶体管T上时，为特定的应用选择安装策略。在散热是所关心的事项的应用中使用功率晶体管(发热电子部件)的实施例中，功率晶体管T被插入覆盖物主体20的中空内部27中，使得功率晶体管T的散热体4的底面与壁23和24中的较薄的一个(在图5的示出的实施例中较薄的壁是顶壁23，表明从示出的姿势上下翻转覆盖物)的内表面邻接。较薄的壁(顶壁23)的外表面接触外部散热片(未示出)并被固定到其上。
在电绝缘是所关心的事项的电源或类似的应用中使用功率晶体管(发热电子部件)的另一实施例中，功率晶体管T被插入覆盖物主体20的中空内部27中，使得功率晶体管T的散热体4的底面与壁23和24中的较厚的一个(在图5的示出的实施例中较厚的壁是底壁24，表明覆盖物保持示出的姿势)的内表面邻接。较厚的壁(底壁24)的外表面接触外部散热片(未示出)并被固定到其上。通过使用上述安装策略，覆盖物以两种方式执行，使得它在散热是所关心的事项的应用中对外部散热片发挥更好的散热效果，而在电绝缘是所关心的事项的应用中发挥防止与诸如放热金属片的外部散热片的任何短路的更好的电绝缘效果。
本发明的覆盖物一般具有限定与功率晶体管的截面形状一致的内部的中空管状形状。特别地，对于包含诸如矩形或正方形形状的四棱柱形状的晶体管主体3的功率晶体管T，覆盖物优选形成中空四棱柱(或管状矩形棱柱)，其中，从前开口到封闭的后壁延伸的覆盖物的中空内部是诸如矩形或正方形形状的四棱柱形状，该四棱柱形状基本上与功率晶体管主体3的横截面形状对应，并且，中空内部可容纳功率晶体管的主体和散热体。由于覆盖物的形状使得其内部与要插入其中的功率晶体管的形状一致，因此，覆盖物的固定较为容易，并且，在覆盖物固定后留下的任何过剩空间被消除。
覆盖物的中空内部足以在其中插入功率晶体管。覆盖物中空内部具有分别与功率晶体管的最大宽度和最大高度基本上对应的宽度和高度，并优选比最大宽度和最大高度大约0.1～4mm，更优选大约0.5～4mm，最优选大约1～2mm。中空内部具有分别比功率晶体管的最大宽度和最大高度稍大的宽度和高度的覆盖物的结构具有这样一种优点，即，当封闭在覆盖物内的功率晶体管被配置在电子设备中时，可以不在晶体管周围留下过剩空间。覆盖物的长度(前端和后端之间)优选使得，当功率晶体管被安装在其中时，功率晶体管上的端子的至少1/2、优选至少4/5伸出开口21。
本发明的覆盖物的特征在于，覆盖物主体20的顶壁23和底壁24形成为不同的厚度，使得一个壁比另一个壁厚至少0.1mm。常常是，一个壁比另一个壁厚约0.1mm～0.9mm，优选厚约0.1mm～0.5mm，更优选厚约0.15mm～0.3mm。一般地，较厚的壁(图5中的底壁24)的厚度为约0.4mm～1.0mm，优选约0.45～0.8mm，较薄的壁(图5中的顶壁23)的厚度为约0.15mm～0.5mm，优选约0.2～0.35mm。
如果壁太薄，那么它具有较低的耐压强度，从而在金属底盘或放热金属片被用作外部散热片时存在短路的可能性。这种较薄的壁还趋于失去自支持力，从而不能保持其形状。另一方面，如果壁太厚，那么其散热效果会变差。
本发明的覆盖物的另一优点在于，单个覆盖物(相同类型)用作双重目的。当功率晶体管的板状散热板如图6所示通过覆盖物的较厚的壁(图5中的底壁24)与外部散热片30接触时，覆盖物为如电气安全标准规定的那样需要一定的绝缘距离的、电绝缘是所关心的事项的电源或类似的应用提供更好的电绝缘效果。当功率晶体管的板状散热板通过覆盖物的较薄的壁(图5中的顶壁23)与外部散热片30接触时，覆盖物为散热比电绝缘重要的应用提供更好的散热效果。
在覆盖物的实际使用中，如果两个壁(顶壁23和底壁24)的厚度是易于识别的，那么是十分方便的。为此，如图6中所示，在顶壁和底壁附近，覆盖物的封闭的后壁22印刷有指示各个壁的厚度的标记28。因而，为了易于标识，壁的厚度是可见的。有利的是，即使在电子部件被安装到覆盖物内之后，也能够看到覆盖物壁厚标记。标记28可被着色或被刻在上面。
覆盖物可由具有导热和电绝缘性能的任何材料形成。其中，优选使用装载有具有导热和电绝缘性能的无机填充物的硅酮橡胶成分。
硅酮橡胶成分包含基础聚合物和无机填充物。基础聚合物优选包含具有平均成分式RaSiO(4-a)/2的有机聚硅氧烷(organopolysilloxane)作为主要成分。式中，R是1到约10个碳原子的置换或未置换的单价烃基团。适当的烃基团包含：诸如甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、特丁基、2-乙基丁基、环戊基、己基、环己基和辛基的烷基团；诸如乙烯基、烯丙基和己烯基的烯基团；诸如苯基、甲苯基和二甲苯基的芳基；诸如苄基和苯乙基的芳烷基。这些基团可进一步被诸如卤素和氰基(cyano)的置换基团置换。下标“a”是1.85～2.10的范围内的正数。
基本上，上式的化合物是主链由重复的二有机基硅氧烷单元构成的直链结构的二有机基聚硅氧烷(diorganopolysiloxane)。只要“a”在上述范围内，就可加入三功能硅氧烷单元。同样优选的是，分子链可由诸如乙烯基二甲基甲硅氧基(vinyldimethylsiloxy)、甲基二乙烯基甲硅氧基(methyldivinylsiloxy)或三乙烯基甲硅氧基(trivinylsiloxy)的三有机基甲硅氧基(triorganosiloxy)基团或羟基二有机基甲硅氧基(hydroxydiorganosiloxy)基团封端(end-cap)。
如果固化模式是加成硫化(addition vulcanization)，那么有机聚硅氧烷优选在分子中具有至少两个烯基基团。在过氧化物硫化的情况下，不必包含烯基基团，但优选在分子中包含至少两个烯基基团。在冷凝硫化(condensation vulcanization)的情况下，分子链优选由硅醇基团或含烷氧基的硅氧烷单元封端。
有机聚硅氧烷优选为加成硫化(交联)型或过氧化物硫化(交联)类型。其中，有机聚硅氧烷为可轧类型，即，聚合度(或每个分子的硅原子的数量)为至少3000、特别是至少5000的胶质。
这里使用的无机填充物应同时具有导热和电绝缘性能。适当的无机填充物包含：诸如氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氮化硼和氮化硅的粉末化的无机材料；和诸如玻璃纤维和石棉的纤维质填充物。其中，氮化硼、氧化铝和它们的混合物是优选的填充物。
每100重量份的树脂成分(即，上述有机聚硅氧烷)中装载的无机填充物的适当的量在10～900重量份、优选50～200重量份的范围内。少于10pbw的填充物不能提高导热率，而大于900pbw会损害强度。
在使用上述硅酮橡胶成分时，可使用任何公知的硫化手段以形成固化状态的有机聚硅氧烷的覆盖物。这些公知的硫化手段包括：使用有机过氧化物作为固化剂的过氧化物硫化、使用有机氢聚硅氧烷和铂基团金属催化剂的组合作为固化剂的铂加成硫化和使用可水解的硅烷和/或其部分水解冷凝物和有机金属催化剂的组合作为固化剂的湿法固化(或冷凝固化)。使用的固化剂和催化剂的量可以在一般为常规的硅酮橡胶成分使用的范围中。
固化状态的硅酮橡胶成分应优选具有至少0.5W/m·℃的导热率。
可以以与现有管状或圆筒状覆盖物相同的方式使用安装到功率晶体管上的本发明的覆盖物。
图6示出覆盖物在电绝缘较为重要的应用中的示例性用途。在本实施例中，覆盖物被安装到功率晶体管上，使得功率晶体管的散热板的底面与覆盖物主体20的顶壁23和底壁24中的较厚的一个的内表面邻接。较厚的壁一侧的覆盖物被牢固地固定到外部散热片30上。从而，功率晶体管的散热体通过较厚的覆盖物壁与外部散热片30接触。在顶壁(较薄)和底壁(较厚)附近，在覆盖物外侧的封闭的后壁22印刷有指示各个壁的厚度的标记28(“0.3mm”和“0.45mm”)。
图6中示出的覆盖物的用途适用电绝缘较为重要的应用。当希望在散热较为重要的应用中使用覆盖物时，安装策略选择覆盖物20的较薄的壁作为与功率晶体管的散热体和外部散热片接触的壁，并且，覆盖物根据该策略被安装到功率晶体管上。
虽然上述说明将功率晶体管称为发热电子部件，但本发明的覆盖物可同样应用于功率晶体管以外的发热电子部件。

Claims (8)

1.一种用于发热电子部件的电绝缘和散热的覆盖物，该发热电子部件具有其中至少一个是平整的顶面和底面，其中，
所述覆盖物包含四棱柱形状的中空覆盖物主体，所述中空覆盖物主体具有顶壁、底壁、两个侧壁、一个开放端和与所述开放端相对的一个封闭端并限定要在其中插入电子部件的中空内部，所述内部具有分别与电子部件的最大宽度和最大高度对应的宽度和高度，所述覆盖物主体的顶壁和底壁具有形成平整形状以与电子部件的平整表面对应并可滑动地与其接触的内表面，并且，所述覆盖物主体的顶壁和底壁形成为不同的厚度，使得一个壁比另一个壁厚0.1～0.9mm。
2.根据权利要求1的覆盖物，其中，在所述覆盖物主体的顶壁和底壁中，一个壁具有0.4～1.0mm的厚度，另一个壁具有0.15～0.5mm的厚度。
3.根据权利要求1的覆盖物，其中，所述覆盖物主体的中空内部的截面为矩形。
4.根据权利要求1的覆盖物，其中，所述覆盖物主体的与所述开放端相对的所述封闭端的外表面具有指示顶壁和底壁的厚度中的至少一个的标记。
5.根据权利要求1的覆盖物，其中，所述覆盖物主体由装载有导热的电绝缘无机填充物的固化的硅酮橡胶成分形成。
6.根据权利要求5的覆盖物，其中，固化的硅酮橡胶成分的导热率至少为0.5W/m·℃。
7.根据权利要求1的覆盖物，其中，要被插入覆盖物中的电子部件的截面为矩形。
8.一种将根据权利要求1的覆盖物安装到发热电子部件上的方法，该发热电子部件具有平整表面并包含具有从电子部件的平整表面延伸的平整表面的板状散热体，
所述方法包括以下步骤：
从散热体的平整表面与所述覆盖物主体的顶壁和底壁中的较厚的一个的内表面邻接由此散热体通过较厚的壁与外部散热片接触的第一策略，和散热体的平整表面与所述覆盖物主体的顶壁和底壁中的较薄的一个的内表面邻接由此散热体通过较薄的壁与外部散热片接触的第二策略，选择安装策略，和
根据选择的策略将电子部件插入覆盖物主体的中空内部中，使得覆盖物容纳电子部件。
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