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DE2918845A1 - Semiconductor component screw connection to sheet metal heat sink - uses torque socket spanner for connecting screw, whose torque is variable during connecting process - Google Patents

Semiconductor component screw connection to sheet metal heat sink - uses torque socket spanner for connecting screw, whose torque is variable during connecting process

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DE2918845A1
DE2918845A1 DE19792918845 DE2918845A DE2918845A1 DE 2918845 A1 DE2918845 A1 DE 2918845A1 DE 19792918845 DE19792918845 DE 19792918845 DE 2918845 A DE2918845 A DE 2918845A DE 2918845 A1 DE2918845 A1 DE 2918845A1
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DE
Germany
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torque
screw
heat sink
screwdriver
sheet metal
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Withdrawn
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DE19792918845
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German (de)
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Rolf Ing Grad Wegener
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
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Abstract

In the production of radio and TV receivers, the power transistors for e.g. the low frequency end stage, or the line end stage, have to be secured with respective housings to a sheet metal heat sink. Between the transistor housing and the heat sink is inserted an electrically insulating foil and one or several layers of heat conductive paste. The securing screw connection is performed by a socket spanner (15) whose torque is variable during tightening of the screw (6). With the reduced tightening speed the torque of the spanner first rises. Then, on attaching a preset rated value it remains at the same for several seconds and then is disconnected. Pref. the timing of the priod of the constant torque starts before it has reached its rated value. However, it may begin when the torque has reached approximately half of the rated value. The constant torque period may be 4 to 5 sec. With an M3 screw the rated torque may be approximately 40 Ncm.

Description

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3 - H 79/303 - H 79/30

L icentia Patent-Yerwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1L icentia Patent-Yerwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1

6000 Frankfurt / Main 706000 Frankfurt / Main 70

Hannover, den 11.04.1979 K9E2-Wp/rs H 79/30Hanover, April 11, 1979 K9E2-Wp / rs H 79/30

Verfahren zum Anschrauben eines Halbleiter-Bauteils an ein Kühlblech und Schrauber für das Verfahren Method for screwing a semiconductor component onto a cooling plate and screwdriver for the method

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.In telecommunications equipment such as radio and television receivers, power transistors, e.g. for the NF output stage or the line output stage, with its housing on one Cooling plate must be attached in order to dissipate the heat losses generated on the transistor.

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.It is known (DE-GM 75 05 29k) to screw a transistor with its (■ mounting flange directly onto a cooling plate, so that there is a perfect electrical and thermally conductive connection between the transistor housing and the cooling plate. For reasons of good heat dissipation, many transistors the flange is connected directly to the collector electrode. ”With this solution, the collector must be earthed or, if this is not possible, the cooling plate must be connected to a certain voltage.

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.In some cases, both solutions are not applicable. Of the Collector of the transistor and thus the mounting flange are often at a voltage of several 100 V, while the cooling plate common to several transistors, for example, is grounded.

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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.In such cases it is necessary to place an insulating layer between the mounting flange of the transistor and the cooling plate in the form of a mica washer, yes, this must have a dielectric strength of up to several 100 V, it can can not be made as thin as you want. By means of such a mica washer, however, the heat is dissipated from the transistor to the cooling plate considerably worsened because the two requirements for good electrical insulation and good thermal conductivity are mutually exclusive contradict.

(') 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. (') When using such a glass washer, it is therefore known to provide a so-called thermal paste between the individual components through which the heat is to be dissipated. This adhesive-like mass has good thermal conductivity and improves heat dissipation, even through electrically non-conductive parts.

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.It is also known to considerably increase the area at each point of the deteriorated heat transfer compared to the area of the transistor, ie to use a mica washer whose area is significantly larger than that of the fastening flange of the transistor. It is also known to provide an additional copper disk approximately the size of the mica disk between the mica disk and the transistor in order to improve the heat transfer at the point of the poor heat transfer in the area of the mica disk.

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.In many cases, the individual parts are fastened with a commercially available screw, which is screwed through the fastening flange of the transistor into the cooling plate e.g. with an M3 screw. In mass production, such screws are tightened with automatic screwdrivers. Such Screwdrivers have an adjustable nominal torque at which the screwdriver switches off automatically, so that the screw only is tightened with a predetermined torque.

■ Bei der zuletzt beschriebenen Lösung hat sich folgende Schwie- ■ The solution described last has the following difficulties

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H 79/30H 79/30

rigkeit herausgestellt.eligibility.

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.To save time and money, the screw is tightened in a relatively short time at a high speed. It has been shown that the fastening of the transistor after tightening loosened so that the screw could be unscrewed by hand. Such a loosening of the heat transfer deteriorates again and when it is put into operation of the device, the transistor is thermally destroyed. This can be explained by the fact that when the screw is tightened in the thermal grease cannot avoid the relatively short time quickly enough. Only after the screw has been tightened does this begin the thermal paste will flow, and the attachment will become loose.

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."At first an attempt was made to increase the nominal torque when tightening the screw Stress on the transistor on one side. The housing of the transistor is subjected to bending stress for a short time, so that in mass production a number of transistors is now mechanically destroyed. "

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.It would be conceivable per se, the tightening process of the screw behutj (/ - to extend sam over a longer period of time. This is however again often not justifiable for reasons of time and cost savings.

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.The invention is based on the object of creating a method and a screwdriver for carrying out the method, in which the semiconductor component can be tightened in a short time and does not become loose again after the tightening process, however is not stressed too much even during the tightening process.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfin-. dung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowieThis task is accomplished by the inven- tion described in claim 1. dung solved. Advantageous developments of the invention as well

173173

';:.;·: 2918345';:.; ·: 2918345

- 6 - H 79/30- 6 - H 79/30

einen Schrauber für das erfindungsgemäße Verfahren sind in den Unteransprüchen beschrieben.a screwdriver for the method according to the invention are described in the subclaims.

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.The invention is based on the knowledge that with a torque curve in the manner according to the invention if there is sufficient low nominal torque, the thermal grease can be of sufficient advantage during the tightening process of the screw. After he ^ then there is no significant movement after the fastening, the thermal paste more so that the component does not become loose. On the other hand, the nominal torque can be kept so low that that no mechanical damage to the component during the tightening process occurs.

Ein Ausführungsbeispxel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigenAn exemplary embodiment of the invention is explained with reference to the drawing. Show in it

Figur 1 die Befestigung eines Transistors auf einem KühlblechFigure 1 shows the mounting of a transistor on a cooling plate

Figur 2 den Verlauf von Drehmoment und Djrehzahl des zur Befestigung verwendeten Schraubers.Figure 2 shows the course of torque and speed of the fastening screwdriver used.

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.In FIG. 1, the transistor 1 is fastened with its fastening flange 2 to the cooling plate k provided with cooling fins 3. One of the three connections 5, namely the collector, is directly connected to the flange 2 in the transistor 1, so that the flange 2 must not be electrically connected to the cooling plate 4. On the other hand, it should be in good thermally conductive contact with the cooling plate k . The M3 screw 6 " ax spring washer 7, the washer 8, the insulating sleeve 9, the copper washer 10 and the mica washer 11 are provided for fastening the transistor 1 to the cooling plate k. The electrical insulation is provided by the parts 9tH - the thermal conductivity from Flange 2 to the cooling plate k is improved by three layers 12,13,1 ^ of thermal paste.

Zum Anziehen der Schraube 6, die in ein Gewinde des Kühlbleches k eingreift, dient der Schrauber 15, dessen Drehzahl undTo tighten the screw 6, which engages in a thread of the cooling plate k , the screwdriver 15, its speed and is used

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- 7 - H 79/30- 7 - H 79/30

Drehmoment von der Steuereinheit l6 gesteuert sind.Torque are controlled by the control unit l6.

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.The process of screwing the screw 6 into the cooling plate k is explained with reference to FIG. The screw 6 is first screwed briefly, for example by hand, through the parts 9 »H into the thread of the cooling plate k. Then the screwdriver 15 is put on ( which positively grips the head of the screw 6. The screwing-in process begins at time t. Up to time t The actual tightening process begins at time t., where the head of the screw 6 rests on the upper edge of the washer 7. The parts 7,8,9,2,10,11,12, 13 » l4 5 (t are now pulled together. During this tightening process, the torque MD increases, while the speed η of the screwdriver 15 decreases. At the time t_, the torque MD of the screwdriver 15 has reached about half of the nominal value MD2 The torque MD of the screwdriver 15 has reached the nominal torque MD2 at the time t1 this is true for the duration of ft \ approximately k-3 s. After the end of the time measurement beginning at time t o , namely at time t. , the torque MD is switched off again down to the value 0. The operator of the screwdriver 15 registers that the torque has been switched off, since the restoring torque is now no longer applicable. The tightening process is finished this August. The screwdriver 15 is removed from the screw 6. The screw 6 is now no longer influenced.

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 derThe screwing in of the screw is in principle at time t " completed. In practice, the screw 6 is in the time from t_ to t. rotated only very slightly by low values, which can be in the range from 10 to 180. It is crucial, however, that during the time t_ to t ^, in the

. H 79/30. H 79/30

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. the torque MD remains constant at the nominal value MD2, the
Thermal paste can flow in layers 12, 13, ΐΛ and assume its final position and shape. In practice, the two layers 13, 1A fuse with one another at their outer periphery.

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Claims (1)

IJ t » I · · «IIIJ t »I · ·« II ι ι * · · ■ a ιι ι * · · ■ a ι ill M ···■■ t itill M ··· ■■ t it - l - H 79/30- l - H 79/30 PatentansprücheClaims ( 1·!Verfahren zum Anschrauben eines Halbleiter-Bauteils an ein(1 ·! Method for screwing a semiconductor component to a 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.Cooling plate with a screwdriver with Drehmoraentbegrenzung, wherein an electrical insulating film and one or more layers are provided from thermal paste between the housing of the component and the heat sink, characterized in that __ the torque MD of the screw J w when tightening the screw (6) bers (15) with decreasing speed η initially increases (t. To t-), when a preset nominal value (MD2) is reached, this nominal value remains for a few s (t "to t.) And is then switched off (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.2. The method according to claim 1, characterized in that the : time measurement for the duration (t ^ to tj.) Of the constant torque MD2 begins before the torque MD reaches its nominal value MD2. 3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die3 · The method according to claim 2, characterized in that the Zeitmessung dann beginnt, wenn das Drehmoment MD etwa seinen Γ) ■ halben Nennwert MD2 erreicht hat.Time measurement begins when the torque MD has reached approximately its Γ) ■ half the nominal value MD2. k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (t_ bis t^) des konstanten Drehmomentes MD2 etwa 4-5 s beträgt. k. Method according to Claim 1, characterized in that the duration (t_ to t ^) of the constant torque MD2 is approximately 4-5 s. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer M3-Schraube (6) das Nenndrehmoment MD2 etwa kO Ncm beträgt.5. The method according to claim 1, characterized in that with an M3 screw (6) the nominal torque MD2 is approximately kO Ncm. 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^). „6. Screwdriver for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it is provided with control means (l6j which keep the torque MD constant for a few s (t_ to t ^) and after reaching the nominal ■ value MD2 (t,) then switch off (t ^). " . 03QIH7/0173. 03QIH7 / 0173 •Λ-• Λ- ffff "* rrτ f »w»"* rrτ f» w » «ι b r wvp * <■«Ι b r wvp * <■ • t ff• t ff ■ · I 1 t · · ·■ · I 1 t · · · • I · f I• I · f I H 79/30H 79/30 7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß am Schrauber (15) eine Anzeige für die Höhe des jeweiligen Drehmomentes vorgesehen ist.7. A circuit according to claim 6, characterized in that the screwdriver (15) is provided with a display for the level of the respective torque. 8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit (t„ bis t^) des konstanten Drehmomentes MD2 einstellbar ist.8. A circuit according to claim 6, characterized in that the time (t "to t ^) of the constant torque MD2 is adjustable. ■So■ So \ O\ O
DE19792918845 1979-05-10 1979-05-10 Semiconductor component screw connection to sheet metal heat sink - uses torque socket spanner for connecting screw, whose torque is variable during connecting process Withdrawn DE2918845A1 (en)

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DE19792918845 Withdrawn DE2918845A1 (en) 1979-05-10 1979-05-10 Semiconductor component screw connection to sheet metal heat sink - uses torque socket spanner for connecting screw, whose torque is variable during connecting process

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