DE102020133794A1

DE102020133794A1 - Scheibenzelle mit internen Kompensationsmitteln zur Reduzierung einer inneren Einspannkraft und zugehörige Anordnung

Info

Publication number: DE102020133794A1
Application number: DE102020133794.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Nübel; Markus Schulte; Reiner Barthelmess
Original assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN114639642A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Scheibenzelle (1) zur Druckkontaktierung eines Halbleiterelements (2) mittels einer eine Einspannkraft (F) erzeugenden Spannvorrichtung (11, 12), aufweisend:ein im Wesentlichen rechtwinklig zur Einspannkraft (F) ausgerichtetes, metallisches Druckstück (3), das eine äußere Druckfläche (D) vorgibt, über die die Einspannkraft (F) der Spannvorrichtung (11, 12) in das Druckstück (3) einzuleiten ist; undein im Wesentlichen rechtwinklig zur Einspannkraft (F) ausgerichtetes, metallisches Gegendruckstück (4), das eine äußere Gegendruckfläche (G) vorgibt, über die das Gegendruckstück (4) an der Spannvorrichtung (11, 12) abzustützen ist;das Halbleiterelement (2), welches zwischen dem Druckstück (3) und dem Gegendruckstück (4) und bei Einleitung der Einspannkraft (F) mittels eines ersten Kraftverlaufs (K1) zwischen diesen eingespannt ist, wobei der erste Kraftverlauf (K1) über eine Kontaktfläche (W) des Halbleiterelements (2) in das Halbleiterelement (2) eingeleitet wird, wobei die Kontaktfläche (W) innerhalb eines von der Druckfläche (D) und der Gegendruckfläche (G) aufgespannten, gedachten Volumens angeordnet ist und die Kontaktfläche (W) kleiner als die Druckfläche (D) und kleiner als die Gegendruckfläche (G) ist.;ferner zwischen dem Druckstück (3) und dem Gegendruckstück (4), zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, innerhalb des Volumens angeordnete, das Druckstück (3) und das Gegendruckstück (4) elektrisch nicht kurzschließende Kompensationsmittel (7), die wenigstens bereichsweise elastisch unter Erzeugung einer der Einspannkraft (F) entgegengerichteten Gegenkraft (FG) verformbar ausgebildet sind und bei Wirkung der Einspannkraft (F) außerhalb des ersten Kraftverlaufs (K1) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ein Halbleiterelement beinhaltende Scheibenzelle. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um ein zur erleichterten Handhabung, insbesondere während der Montage, gehaustes Leistungshalbleiterelement, wobei der Leistungshalbleiter zwischen einem Druckstück und einem Gegendruckstück angeordnet ist und zur mechanischen, thermischen und elektrischen Kontaktierung mittels einer Spannvorrichtung zwischen diesen eingespannt ist. Scheibenzellen sind üblicherweise als Dioden und Thyristoren höherer Leistungen (einige 100 A bis kA) ausgebildet. Der Spannungsbereich reicht von wenigen 100 V (Schweißdioden) bis einige kV Sperrspannung. Scheibenzellen sind druckkontaktierte Bauelemente, das heißt, das Halbleiterelement ist nicht stoffschlüssig, sondern nur durch Druck mit den Anschlussteilen verbunden. Der Druckkontakt ist höchst zuverlässig und langlebig, da keine Lotschichten mit ihren Ermüdungserscheinungen bei häufigen Temperaturänderungen verwendet werden. Das Halbleiterelement, insbesondere der Siliziumchip, ist meistens durch Legieren mit Aluminium oder durch Sintern mit einer Molybdänscheibe oder beidseitig mit einer Molybdänscheibe stoffschlüssig verbunden, es gibt aber auch Aufbauten, bei denen der Halbleiterchip frei zwischen zwei Molybdänscheiben floatet. Da in der Regel der Halbleiter vor mechanischer Beschädigung und dem Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen ist, weist die Scheibenzelle ein hermetisch dichtes Gehäuse auf, welches einen aus Keramik, Glas oder in seltenen Fällen aus Kunststoff ausgebildeten Gehäusering aufweist. Wie zuvor erwähnt, bedarf es zur betriebssicheren Montage von Leistungshalbleitern und deren elektrischen Zuleitungen aufgrund der hohen zu übertragenden Ströme einer Spannvorrichtung, die durch Zusammenpressen der stromdurchflossenen Komponenten, wie Druckstück, Gegendruckstück und Halbleiter eine sichere Stromübertragung gewährleistet. Bei gebräuchlichen bekannten Konstruktionen besteht die Spannvorrichtung meistens aus drei in Form eines gleichseitigen Dreiecks auf einem Kühlkörper, als Gegendruckplatte, angeordneten Stehbolzen, in deren Mitte sich die Komponenten befinden, die ihrerseits von einer ebenfalls dreieckigen Druckplatte mit Hilfe von auf die Stehbolzen geschraubten Muttern zusammengepresst werden, wobei bei größeren Ausführungen Einspannkräfte von 120 kN erreicht werden.
Dabei ist bei den auftretenden hohen Strömen und Spannungen durch Aufbringen einer Einspannkraft, auch Anpresskraft genannt, sicherzustellen, dass dem Strom der komplette elektrisch leitende Querschnitt des Leistungshalbleiters und der sich berührenden Flächen benachbarter Komponenten zur Verfügung steht. Ist diese Bedingung nicht erfüllt und der Stromdurchlass nur punktuell möglich, bedeutet dies einen erhöhten ohmschen Widerstand und eine damit verbundene unzulässige Erwärmung, die zu einer Zerstörung der Komponenten, vor allen der teuren Halbleiterelemente führen kann. Da andererseits die Halbleiterelemente vergleichsweise spröde Schichten aus Halbleitermaterial aufweisen, sind sie jedoch immer der Gefahr ausgesetzt, bei mechanischer Überbeanspruchung durch die Druckkontaktierung zerstört zu werden.
Um die Stromtragfähigkeit der Leistungshalbleiter und der elektrischen Verbindungen zu erreichen, werden alle zur Erfüllung einer bestimmten Funktion notwendigen Komponenten im Allgemeinen zu einer Baugruppe, dem sogenannten Spannverbund zusammengefasst. Der bildet dann ein Paket aus mehreren gestapelten Scheibenzellen, elektrischen Zuleitungen (Kupferschienen), Isolierzellen und Kühlkörpern, das von einer solchen Spannvorrichtung zur Aufbringung der erforderlichen Einspannkraft gemeinsam zusammengehalten wird. Das Problem was regelmäßig auftritt ergibt sich daraus, dass mechanisch empfindlichere Halbleiterelemente in einem Spannverbund mit mechanisch belastbareren Halbleiterelementen gemeinsam einzuspannen sind. D.h. während die vorgegebene Einspannkraft für einen Teil der Scheibenzellen des Spannverbunds eine sichere thermische und elektrische Kontaktierung sorgt, stellt für eine spezifische der Scheibenzellen diese Einspannkraft eine mechanische Überbelastung dar. Somit besteht Bedarf nach solchen Scheibenzellen, die in der Lage sind, aufgrund der Scheibenzelle immanenter Konstruktionsmerkmale den das Halbleiterelement durchsetzenden Kraftverlauf der Einspannkraft, hier als innere Einspannkraft bezeichnet, zu abzusenken. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn, wie zuvor erwähnt, die Scheibenzellen in einem Stapel zur Bildung eines Spannverbunds angeordnet sind und die zugehörigen Halbleiterbauelemente sich in der Bauart unterscheiden. Dieser Bauartunterschied kann sich aus dem Unterschied ihrer mechanischen Belastbarkeit ergeben, weil sie beispielsweise eine unterschiedliche axiale, d.h in Einspannrichtung gemessene Dicke der Halbleiterschicht und/oder eine unterschiedliche radiale, d.h. senkrecht zur Einspannrichtung gemessene Ausdehnung der Halbleiterschicht oder genauer der für die Druckkontaktierung der Halbleiterschicht vorgesehenen Kontaktfläche aufweisen. Da der zuvor erwähnte Gehäusering meist zwischen elastischen federnden, radial, d.h. senkrecht zur Einspannkraft, vorstehenden Ringscheiben festgelegt ist, dabei aber weit außerhalb des Wirkbereichs der von der Spannvorrichtung aufgebrachten Einspannkraft, nämlich außerhalb des von der Druckfläche und der Gegendruckfläche aufgespannten gedachten Volumens angeordnet ist, ist eine Auswirkung auf den das Halbleiterbauelement durchsetzenden Kraftverlauf der inneren Einspannkraft nicht gegeben, so dass diese sich nicht als Kompensationselement im Sinne der vorliegenden Erfindung qualifizieren.
Vor dem Hintergrund dieser Nachteile hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Scheibenzelle mit einem ersten Halbleiterelement, nachfolgend auch nur kurz als Halbleiterelement bezeichnet, bereitzustellen, bei dem die auf das Halbleitelement einwirkende Einspannkraft der Spannvorrichtung durch die Scheibenzelle zumindest in einem gewissen Rahmen selbst reduziert werden kann, ohne dass es einer Verringerung der Einspannkraft der Einspannvorrichtung bedarf, was insbesondere die mechanische, wärmeleitende und elektrisch leitende Druckkontaktierung möglicherweise anderer im Spannverbund vorhandener Scheibenzellen gefährden könnte. Darüber hinaus kann die den Aufbau der Scheibenzelle und/oder die Spannvorrichtung betreffende Teilevielfalt reduziert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Scheibenzelle mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Entsprechendes betrifft die Anordnung des nebengeordneten Anspruchs. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Die Erfindung betrifft eine Scheibenzelle zur Druckkontaktierung eines Halbleiterelements mittels einer eine Einspannkraft erzeugenden Spannvorrichtung. Die Scheibenzelle weist ein im Wesentlichen rechtwinklig zur Einspannkraft ausgerichtetes, metallisches Druckstück auf, das eine äußere Druckfläche vorgibt, über die die Einspannkraft der Spannvorrichtung, beispielsweise über deren Druckplatte, welche auch als Druckstempel bezeichnet wird, in das Druckstück einzuleiten sind. Die Scheibenzelle umfasst ferner ein im Wesentlichen rechtwinklig zur Einspannkraft ausgerichtetes, metallisches Gegendruckstück, das eine äußere Gegendruckfläche vorgibt, über die das Gegendruckstück an der Spannvorrichtung, beispielsweise an der Gegendruckplatte, abzustützen ist. Die erfindungsgemäße Scheibenzelle weist ein Halbleiterelement auf, welches zwischen dem Druckstück und dem Gegendruckstück der Scheibenzelle angeordnet ist und bei Einleitung der Einspannkraft durch die Spannvorrichtung mittels eines ersten Kraftverlaufs zwischen diesen eingespannt ist. Dabei wird der erste, das Halbleiterelement durchsetzende Kraftverlauf über eine Kontaktfläche des Halbleiterelements in das Halbleiterelement eingeleitet, das seinerseits über eine Auflagefläche am Gegendruckstück aufliegt. Die dem Halbleiterelement zugeordnete Kontaktfläche ist dabei innerhalb eines von der Druckfläche und der Gegendruckfläche aufgespannten, gedachten Volumens angeordnet. Das Flächenmaß der Kontaktfläche ist dabei kleiner als das der Druckfläche und das der Gegendruckfläche. Da bei gattungsgemäßen Halbleiterelementen die Auflagefläche grundsätzlich mindestens das Flächenmaß der Kontaktfläche aufweist und jegliche Belastbarkeitsüberlegung sich auf die kleinste der beiden Flächen bezieht, wird im Sinne der Erfindung auf die Kontaktfläche nachfolgend Bezug genommen.
Als Halbleiterelement wird ein mindestens eine Halbleiterschicht aufweisendes Bauelement verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Halbleiter um einen Leistungshalbleiter, wie eine Diode, Thyristor und Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Bevorzugt handelt es sich bei dem Halbleiter um ein kreisrundes Flächengebilde und folglich sind die Druckfläche und die Gegendruckfläche bevorzugt kreisrund und konzentrisch angeordnet. Bevorzugter sind Druckfläche und Gegendruckfläche der Scheibenzelle im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet.
Erfindungsgemäß sind ferner zwischen dem Druckstück und dem Gegendruckstück, zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, innerhalb des Volumens angeordnete, das Druckstück und das Gegendruckstück elektrisch nicht kurzschließende Kompensationsmittel vorgesehen. Diese sind bei Wirkung der durch die Spannvorrichtung erzeugten Einspannkraft außerhalb des ersten, das Halbleiterelement betreffenden Kraftverlaufs angeordnet. Die Kompensationsmittel sind bereichsweise elastisch verformbar ausgebildet, um die das Halbleiterelement betreffende innere Einspannkraft des ersten Kraftverlaufs mittels einer bei der elastischen Verformung des Kompensationsmittel erzeugten und der Einspannkraft entgegengerichteten Gegenkraft zu reduzieren.
Es wird somit bei gegebener an der Druckfläche und der Gegendruckfläche äußerer Einspannkraft eine Reduzierung der „inneren“, an dem Halbleiterelement anliegenden Einspannkraft durch die der Scheibenzelle immanenten Kompensationsmittel erreicht. Es bedarf somit bei der Anordnung eines mechanisch weniger belastbaren Halbleiterelements oder eines Halbleiterelements mit kleinerer Kontaktfläche zwischen den Druckstücken keiner Anpassung der Einspannkraft der Spannvorrichtung. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn weitere im Spannverbund, beispielsweise in einem Stapel angeordnete und gemeinsam zwischen der Druckplatte und der Gegendruckplatte der Spannvorrichtung eingespannte Scheibenzellen vorgesehen sind, und wenigstens zwei der Scheibenzellen sich zumindest in der Bauart, beispielsweise in der Größe ihrer Kontaktflächen, unterscheiden. Hier kann durch die erfindungsgemäße Ausführungsform einer Scheibenzelle mit demjenigen Halbleiterelement mit der niedrigsten mechanischen Belastbarkeitsgrenze dessen mechanische Beschädigung ausgeschlossen werden, ohne dass die ausreichende mechanische, wärmeleitende und elektrisch leitende Druckkontaktierung der anderen vorhandenen Scheibenzellen gefährdet wird. Darüber hinaus bieten die erfindungsgemäßen Kompensationsmittel die Chance, die Bauteilvielfalt zu reduzieren, da es aufgrund der Kompensationsmittel möglich ist, die sich bei vorgegebenen Bauteilen ergebenden inneren Einspannkraftverhältnisse so an das jeweilige Halbleiterelement mit seinen individuellen mechanischen Belastungsgrenzen anzupassen.
Beispielsweise ist die von den Kompensationsmitteln bewirkte elastische Gegenkraft so ausgebildet, dass mit dem Einspannvorgang eine für das Halbleiterbauelement vorgegebene innere Einspannkraft im ersten Kraftverlauf nur mit einer höheren, an der Druckfläche und der Gegendruckfläche anliegenden Einspannkraft der Spannvorrichtung erreicht werden kann.
Beispielsweise sind die Kompensationsmittel so ausgebildet, dass beim Einspannvorgang eine Gegenkraft erzeugt wird, bevor ein erster beidseitiger Berührkontakt mit dem Halbleiterelement hergestellt ist. Anders ausgedrückt, die Gegenkraft liegt zwischen Druckstück und Gegendruckstück an, bevor diese beiden an dem Halbleiterelement anliegen.
Bevorzugt liegt die durch die Kompensationsmittel bewirkte Federrate in einem Bereich von 10 bis 100 kN/mm, bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 75 kN/mm noch bevorzugter beträgt sie etwa 50 kN/mm bis etwa 60 kN/mm. Als Federrate, die auch als Federkonstante oder Federsteifigkeit bezeichnet wird, wird das Verhältnis aus der auf die Kompensationsmittel wirkenden in Richtung der Einspannkraft wirkenden Kraft und der relativen durch diese Kraft bewirkten Abmessungsänderung der Kompensationsmittel in Wirkrichtung dieser Kraft verstanden. Beispielsweise wird die Federrate an der Scheibenzelle ohne das Halbleiterelement bestimmt, indem die Federrate anhand der gemessenen Einwirkkraft und der gemessenen relativen Annäherung zwischen Druckstück und Gegendruckstück als Abmessungsänderung ermittelt wird.
Bevorzugt ist im Verlauf eines Einspannvorgangs vom nicht-eingespannten Zustand zu einem eingespannten Zustand des Halbleiterelements ein anfänglicher Einspannzustand vorgesehen, bei dem trotz einer durch die Spannvorrichtung bewirkten, und damit von Null verschiedenen Einspannkraft die durch die Kompensationsmittel erzeugte Gegenkraft die das Halbleiterelement betreffende, innere Einspannkraft des ersten Kraftverlaufs vollständig kompensiert. Somit ist ein Einspannzustand vorgesehen, bei dem trotz Anliegen einer Einspannkraft durch die Spannvorrichtung keine innere Einspannkraft auf das Halbleiterelement einwirkt und dieses kraftfrei aufgenommen ist.
Um eine ausgedehnte Kraft-Weg-Kennlinie zu erhalten, ist bevorzugt vorgesehen, dass der elastisch verformbare Bereich oder die elastisch verformbare Komponente der Kompensationsmittel in einem nicht-eingespannten Zustand Übermaß bezogen auf die in Richtung der Einspannkraft zu bestimmende Dicke einer Halbleiterschicht des Halbleiterelements aufweist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine senkrechte Projektion des Halbleiterelements auf die Druckfläche eine imaginäre erste Projektionsfläche definiert und eine senkrechte Projektion der Kompensationsmittel auf die Druckfläche eine imaginäre zweite Projektionsfläche definiert, die beabstandet zur ersten Projektionsfläche ist. Durch diese räumliche Trennung zwischen Kompensationsmitteln und Halbleiterelement wird eine Berührung und damit mechanische Beschädigung des Halbleiterelements ausgeschlossen.
Um eine Justierung der Gegenkraft in Abhängigkeit der einwirkenden äußeren Einspannkraft während des Einspannens, also letztlich eine Kraft-Weg-Verlaufsbeeinflussung der Kompensationsmittel beim Einspannvorgang zu bewirken, weisen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Kompensationsmittel ferner eine plastisch verformbare Komponente auf. Beispielsweise ist die plastisch verformbare Komponente vorgesehen, die Kompensationsmittel am Druckstück oder Gegendruckstück abzustützen. Beispielsweise ist die plastisch verformbare Komponente als Ring aus einem plastischen verformbaren Material mit einem Ringdurchbruch ausgebildet, wobei in dem Ringdurchbruch das Halbleiterelement angeordnet ist.
Bevorzugt weisen die Kompensationsmittel einen unmittelbar an das Druckstück und/oder an das Gegendruckstück angrenzenden Ring mit einem Ringdurchbruch auf, wobei in dem Ringdurchbruch das Halbleiterelement angeordnet ist. Der Ring ist beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff hergestellt und wirkt somit ferner elektrisch isolierend. In einer anderen Ausgestaltung ist der Ring aus einem elastisch verformbaren Material, wie einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, ausgebildet. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist der Ring aus einem Elastomer und fungiert als elastisch verformbare Komponente der Kompensationsmittel. In einer Ausgestaltung grenzt der Ring auf einer Seite umlaufend an das Druckstück an, während er auf seiner gegenüberliegenden Seite an das Gegendruckstück angrenzt und somit zwischen beiden eingespannt ist, wodurch eine hermetisch abdichtende Wirkung durch den Ring erreicht wird. Bevorzugt bildet wenigstens das Druckstück und/oder das Gegendruckstück jeweils Vorsprünge oder Rippen aus, deren Stirnflächen an den als elastisch verformbare Komponente fungierenden Ring angrenzen und mit diesem zusammenwirken. Durch die Form, relative Beabstandung und Größe dieser Stirnflächen kann der Verlauf der Gegenkraft in Abhängigkeit der relativen Annäherung zwischen Druckstück und Gegendruckstück, d.h. der Kraft-Weg-Verlauf, gezielt eingestellt werden.
Bevorzugt weisen die Kompensationsmittel eine oder mehrere gleichmäßig entlang des Umfangs des Halbleiterelements verteilt angeordnete, metallische Druckfederelemente, beispielsweise Tellerfederelemente auf. Diese sind beispielsweise aus Federstahl mit geeignet angepasster Federkennlinie hergestellt.
Bevorzugt weisen die Kompensationsmittel mindestens eine einstückig mit dem Druckstück oder der Gegendruckstück ausgebildete Komponente auf.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Scheibenzelle einen außerhalb des Volumens angeordneten Gehäusering auf, welcher ein Gehäuseinnenvolumen definiert, in dem die Kompensationsmittel und das Halbleiterelement angeordnet sind. Bevorzugt ist der Gehäusering aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff, wie einem faserverstärkten Thermoplast oder einem Keramikwerkstoff hergestellt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der laterale Außenumfang des Halbleiterelements innerhalb des Volumens angeordnet ist, also das Halbleiterelement vollumfänglich in dem von Druckfläche und Gegendruckfläche aufgespannten, gedachten Volumens aufgenommen ist.
Bevorzugt weist das Halbleiterelement wenigstens eine Halbleiterschicht und wenigstens eine Molybdänscheibe auf, die unmittelbar angrenzend an die Druckfläche oder an die Gegendruckfläche angeordnet ist.
Bevorzugt weisen die Kompensationsmittel mindestens eine Komponente aus einem Keramikwerkstoff auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibenzelle bilden das Druckstück und/oder das Gegendruckstück eine Ausnehmung zur Anordnung der Kompensationsmittel aus, wodurch eine kompakte Ausgestaltung der Scheibenzelle erreicht wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus der Spannvorrichtung und wenigstens einer Scheibenzelle in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, wobei die Einspannmittel eine Druckplatte, wie einen Druckstempel, und eine Gegendruckplatte, wie einen Kühlkörper, aufweisen. Die Begrifflichkeit Druckplatte bzw. Gegendruckplatte impliziert nicht zwingend eine plattenförmige Ausgestaltung, sondern dient lediglich der begrifflichen Unterscheidung zu den zur Scheibenzelle gehörigen Druckstücken. Dabei grenzt das Druckstück mit seiner Druckfläche an die Druckplatte an, und das Gegendruckstück grenzt mit seiner Gegendruckfläche an die Gegendruckplatte an, um die wenigstens eine Scheibenzelle mittels der Einspannkraft zwischen der Druckplatte und der Gegendruckplatte einzuspannen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung mit mehreren einen Spannverbund bildenden, in einem Stapel angeordneten Scheibenzellen, wobei der Spannverbund mindestens eine erste Scheibenzelle mit einem ersten Halbleiterelement in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und mindestens eine zweite Scheibenzelle mit einem zweiten Halbleiterelement aufweist, die beispielsweise keine Kompensationsmittel aufweist und demnach nicht erfindungsgemäß ausgebildet ist, und sich erstes Halbleiterelement und zweites Halbleiterelement in der Bauart unterscheiden. Dabei ist der Spannverbund zwischen der Druckplatte und der Gegendruckplatte mittels der Einspannkraft eingespannt. Die Unterschiedlichkeit in der Bauart der Halbleiterelemente soll sich in erster Linie auf die unterschiedliche mechanische Belastbarkeit und/oder die andere geometrische Bemaßung der Kontaktflächen beziehen, beispielsweise weil eine unterschiedliche äußere Bemaßung des Halbleiters, einer anderen Bemaßung einer Schicht des Halbleiters, oder ein anderer Aufbau, eine andere elektrische Funktion, eine andere Materialauswahl oder möglicherweise sogar lediglich eine andere Dotierung des verwendeten Halbleitermaterials vorgesehen ist.
Bevorzugt unterscheidet sich das erste Halbleiterelement mindestens in der Größe der Kontaktfläche von dem zweiten Halbleiterelement.
Zur Verringerung der Diversität der Teile der an dem Spannverbund beteiligten Scheibenzellen weisen die Scheibenzellen des Spannverbunds eine im Wesentlichen übereinstimmende Größe der Druckfläche und/oder eine im Wesentlichen übereinstimmende Größe der Gegendruckfläche auf.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte
Figurenliste

1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung aus einer Scheibenzelle 1 und einer Spannvorrichtung;
2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung aus der Scheibenzelle und einer Spannvorrichtung;
3 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, welche einen Spannverbund aus einer erfindungsgemäßen Scheibenzelle und eine nicht-erfindungsgemäßen Scheibenzelle aufweist.

In 1 ist im Schnitt und schematisch eine erfindungsgemäße erste Anordnung aus einer Scheibenzelle 1 und einer Spannvorrichtung 11, 12 gezeigt, wobei die Spannvorrichtung 11, 12 lediglich ausschnittsweise gezeigt ist, so ist nämlich deren Druckplatte 11 und deren Gegendruckplatte 12 gezeigt. Dabei liegt die Druckplatte 11 im Bereich der Druckfläche D an der Scheibenzelle 1, nämlich an deren Druckstück 3, an, während die Gegendruckplatte 12 im Bereich der Gegendruckfläche G an der Scheibenzelle 1, nämlich an deren Gegendruckstück 4, anliegt. Die Spannvorrichtung 11, 12 umfasst ferner beispielsweise eine nicht dargestellte Druckschraube, welche die auf das runde Druckstück 3 einwirkende Einspannkraft F erzeugt.
Zwischen dem Druckstück 3 und dem Gegendruckstück 4 ist ein Halbleiterelement 2 angeordnet. Dieses weist eine Halbleiterschicht 2a und mindestens eine stoffschlüssig mit der Halbleiterschicht verbundenen Molybdänschicht 2b auf. Das Halbleiterelement 2 grenzt mit einer Kontaktfläche W an das Druckstück 2 an, während es mit einer nicht näher bezeichneten Auflagefläche an das Gegendruckstück angrenzt. Druckstück 3 und Gegendruckstück 4 können Schichten aus duktilem Material aufweisen, die jeweils die dem Halbleiterelement 2 zugewandte Grenzfläche bilden. Da bei gattungsgemäßen Halbleiterelementen 2 die Auflagefläche grundsätzlich mindestens die Größe der Kontaktfläche W aufweist und eine Belastbarkeitsüberlegung grundsätzlich die kleinste der beiden Flächen betrifft, wird hier auf die Kontaktfläche W als kleinste Fläche abgestellt und Bezug genommen. Die Kontaktfläche W ist in dem von der Druckfläche D und der Gegendruckfläche aufgespannten, gedachten Volumen angeordnet. Auch der laterale Außenumfang des Halbleiterelements 2 ist innerhalb des Volumens angeordnet, also ist das Halbleiterelement 2 vollumfänglich in dem von Druckfläche D und Gegendruckfläche G aufgespannten, gedachten Volumen aufgenommen.
Die elektrische Kontaktierung des Halbleiterelements 2 sowie eine erforderliche Wärmeabfuhr erfolgt einerseits über das Druckstück 3 und die Druckplatte 11 und/oder das Gegendruckstück 4 und die Gegendruckplatte 12 andererseits. Zur Wärmeabfuhr sind die Druckplatte 11 oder die Gegendruckplatte 12 beispielsweise mit einem oder mehreren fluidleitenden Kanälen durchzogen, was hier nicht dargestellt ist.
Zwischen dem Druckstück 3 und dem Gegendruckstück 4 und dabei zumindest teilweise innerhalb des durch die Druckfläche D und die Gegendruckfläche G aufgespannten Volumens sind ein- oder mehrteilige Kompensationsmittel 7 angeordnet, die das Druckstück 3 und das Gegendruckstück 4 elektrisch nicht kurzschließen. Diese Kompensationsmittel 7 sind bei Wirkung der durch die Spannvorrichtung 11, 12 erzeugten Einspannkraft F außerhalb des ersten, das Halbleiterelement 2 betreffenden Kraftverlaufs K1 angeordnet. Die Kompensationsmittel 7 sind in der in 1 gezeigten Ausführungsform bereichsweise elastisch verformbar ausgebildet, um eine elastisch rückstellende, der Einspannkraft entgegengerichtete Gegenkraft F_G zu erzeugen.
So wird die das Halbleiterelement 2 betreffende innere Einspannkraft des ersten Kraftverlaufs K1 aufgrund einer durch elastische Verformung der Kompensationsmittel erzeugten und der Einspannkraft F entgegengerichteten Gegenkraft F_G reduziert. Durch die Kompensationsmittel 7 wird somit bei gegebener an der Druckfläche D und der Gegendruckfläche G äußerer Einspannkraft F eine Reduzierung der „inneren“, an dem Halbleiterelement 2 anliegenden Einspannkraft durch die der Scheibenzelle 1 immanenten Kompensationsmittel 7 erreicht. Es ist somit bei der Anordnung eines mechanisch weniger belastbaren Halbleiterelements 2 oder eines bezüglich seiner Kontaktfläche verkleinerten Haltleiterelements 2 zwischen dem Druckstück 3 und dem Gegendruckstück 4 der Scheibenzelle keine Reduzierung der äußeren Einspannkraft F der Spannvorrichtung 11, 12 erforderlich, was insbesondere die Aufnahme der erfindungsgemäßen Scheibenzelle in einem Spannverbund aus höher belastbaren Scheibenzellen gestattet. Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform weisen die in einer Ausnehmung des Druckstücks 3 angeordneten Kompensationsmittel 7 einen angrenzend an das Gegendruckstück 4 angeordneten Ring 5 aus einem Keramikwerkstoff auf. Dieser Ring 5 definiert einen Ringdurchbruch in dem das Halbleiterelement 2 aufgenommen ist. Es sind ferner gleichmäßig entlang des Umfangs des Rings 4 verteilt angeordnete Druckfedern 6 in Form von Tellerfedern vorgesehen, die sich einerseits am Ring 5 und andererseits am Druckstück 3 abstützen, um die der Einspannkraft F entgegengerichtete elastische Gegenkraft F_G zu erzeugen. Der Ring 5 kann in einer Ausgestaltung aus einem im Bereich der hier wirkenden Kräfte plastisch verformbaren, d.h. duktilen Material, wie einem Metall oder einer metallischen Legierung ausgebildet sein, um aufgrund der plastischen Verformung einerseits toleranzausgleichend zu wirken. Andererseits kann durch die gewählte Bemaßung des plastisch verformbaren Rings 5 eine gezielte plastische Verformung beim Einspannvorgang erreicht werden, was in einer „Arbeitspunkt“-Verschiebung der Druckfedern 6 und damit eine Verringerung und damit Anpassung der Gegenkraft F_G pro Druckfeder 6 resultiert. Bei mehreren Druckfedern 6 sorgt der plastisch verformbare Ring 5 ferner für eine gleichmäßigere Kraftentfaltung aller Druckfedern 6. Zur elektrischen Isolation kann ein weiterer nicht dargestellter Ring aus elektrisch nicht-leitendem Material vorgesehen sein.
Dabei ist die von den Kompensationsmitteln 7 bewirkte elastische Gegenkraft F_G so ausgebildet, dass mit dem Einspannvorgang ein für das Halbleiterbauelement 2 vorgegebene innere Einspannkraft im ersten Kraftverlauf K1 nur mit einer höheren, an der Druckfläche D und der Gegendruckfläche G anliegenden Einspannkraft F der Spannvorrichtung 11, 12 erreicht werden kann.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass im Verlauf eines Einspannvorgangs vom nicht-eingespannten Zustand zu einem eingespannten Zustand des Halbleiterelements 2 ein anfänglicher Einspannzustand vorgesehen ist, bei dem trotz einer durch die Spannvorrichtung 11, 12 bewirkten Einspannkraft F die durch die Kompensationsmittel 7 erzeugte Gegenkraft F_G die das Halbleiterelement 2 betreffende, innere Einspannkraft F des ersten Kraftverlaufs vollständig kompensiert. Somit ist beim Einspannen ein Zustand vorgesehen, bei dem trotz Anliegen einer Einspannkraft F durch die Spannvorrichtung 11, 12 keine innere Einspannkraft am Halbleiterelement 2 „ankommt“ und dieses kraftfrei in der Scheibenzelle 2 aufgenommen ist.
Wie 1 andeutet, sind die Kompensationsmittel 7 und das Halbleiterelement 2 räumlich getrennt angeordnet: Definiert eine senkrechte Projektion des Halbleiterelements 2 auf die Druckfläche D eine imaginäre erste Projektionsfläche und eine senkrechte Projektion der Kompensationsmittel 7 auf die Druckfläche D eine imaginäre zweite Projektionsfläche, so sind die zweite Projektionsfläche und erste Projektionsfläche voneinander beabstandet angeordnet sind. Durch diese räumliche Trennung zwischen Kompensationsmitteln 7 und Halbleiterelement 2 wird eine Berührung und damit mechanische Beschädigung des Halbleiterelements 2 ausgeschlossen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung aus Scheibenzelle 2 und Spannvorrichtung 11, 12. Diese Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen durch deren Kompensationsmittel 7 von denen der 1. So weisen die Kompensationsmittel 7 einen Ring 6' aus elastisch verformbarem Material, wie einem Elastomer auf. Die dadurch erzeugte Gegenkraft F_G, bzw. deren Verlauf in Abhängigkeit der relativen Annäherung von Druckstück 3 und Gegendruckstück 4 wird gezielt beispielsweise durch die Form und Größe der Auflagefläche eingestellt, über die das Druckstück 3 und/oder das Gegendruckstück 4 an dem Ring 6' anliegt. Hier liegt beispielsweise der Ring 6' vollflächig am Gegendruckstück 4, während er am Druckstück 3 lediglich an den Stirnflächen mehrerer vorstehender Rippen 13 oder Vorsprünge anliegt, die an einer Oberfläche des Druckstücks 3 ausgebildet sind und in Wirkeingriff mit dem zu den Kompensationsmitteln 7 gehörigen elastischen Ring 6' stehen. Die zur plastischen Verformung notwendige Kraft dieses Rings 6' ergibt auch hier eine der Einspannkraft entgegengerichtete Gegenkraft F_G, die durch die Einspannkraft der Spannvorrichtung 11, 12 zu überwinden ist und somit bei entsprechender Dimensionierung das Halbleiterelement 2 diesen vor Beschädigungen schützt.
Die erfindungsgemäße Auslegung der Scheibenzellen aus den 1 und 2 ist insbesondere von Vorteil, wenn weitere im Spannverbund, wie in einem Stapel angeordnete und gemeinsam zwischen der Druckplatte 11 und der Gegendruckplatte 12 der Spannvorrichtung 11, 12 eingespannte Scheibenzellen vorgesehen sind, und wenigstens zwei der Scheibenzellen sich zumindest in der Bauart unterscheiden.
3 zeigt eine solche Anordnung aus einer ersten Scheibenzelle 1 mit Kompensationsmitteln 7 und mit einem ersten Halbleiterelement 2 und aus einer zweiten Scheibenzelle 1' ohne Kompensationsmittel. Das zur zweiten Scheibenzelle 1' gehörige zweite Halbleiterelement 2' ist von anderer Bauart als das erste Halbleiterelement 2 und weist zumindest eine größere Kontaktfläche W' und einen größeren Außendurchmesser auf. Hier kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung der ersten Scheibenzelle 1 mit dem ersten Halbleiterelement 2, welches das mit der kleineren Kontaktfläche W ist und somit schon aufgrund dessen einem höheren Flächendruck ausgesetzt ist, eine mechanische Beschädigung aufgrund der Kompensationsmittel 7 ausgeschlossen werden, ohne dass die Einspannkraft F reduziert werden muss und dabei die mechanische, wärmeleitende und elektrisch leitende Druckkontaktierung der zweiten Scheibenzelle 1' gefährdet wird. Die Kompensationsmittel 7 in der ersten Scheibenzelle 1 reduzieren im ersten Kraftverlauf K1 aufgrund der erzeugten Gegenkraft F_G die auf das erste Halbleiterelement 2 wirkende innere Einspannkraft, ohne dass es einer Veränderung der durch die Spannvorrichtung 11, 12 erzeugten Einspannkraft bedarf. Darüber hinaus bieten die erfindungsgemäßen Kompensationsmittel 7 die Chance, die Bauteilvielfalt zu reduzieren, da es aufgrund der Kompensationsmittel 7 möglich ist, die sich bei vorgegebenen Bauteilen ergebenden inneren Einspannkraftverhältnisse so an das jeweilige Halbleiterelement 2 mit seinen individuellen mechanischen Belastungsgrenzen oder einer verkleinerten Kontaktfläche anzupassen.

Claims

Scheibenzelle (1) zur Druckkontaktierung eines Halbleiterelements (2) mittels einer eine Einspannkraft (F) erzeugenden Spannvorrichtung (11, 12), aufweisend: ein im Wesentlichen rechtwinklig zur Einspannkraft (F) ausgerichtetes, metallisches Druckstück (3), das eine äußere Druckfläche (D) vorgibt, über die die Einspannkraft (F) der Spannvorrichtung (11, 12) in das Druckstück (3) einzuleiten ist; und ein im Wesentlichen rechtwinklig zur Einspannkraft (F) ausgerichtetes, metallisches Gegendruckstück (4), das eine äußere Gegendruckfläche (G) vorgibt, über die das Gegendruckstück (4) an der Spannvorrichtung (11, 12) abzustützen ist; das Halbleiterelement (2), welches zwischen dem Druckstück (3) und dem Gegendruckstück (4) und bei Einleitung der Einspannkraft (F) mittels eines ersten Kraftverlaufs (K1) zwischen diesen eingespannt ist, wobei der erste Kraftverlauf (K1) über eine Kontaktfläche (W) des Halbleiterelements (2) in das Halbleiterelement (2) eingeleitet wird, wobei die Kontaktfläche (W) innerhalb eines von der Druckfläche (D) und der Gegendruckfläche (G) aufgespannten, gedachten Volumens angeordnet ist und die Kontaktfläche (W) kleiner als die Druckfläche (D) und kleiner als die Gegendruckfläche (G) ist; ferner zwischen dem Druckstück (3) und dem Gegendruckstück (4), zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, innerhalb des Volumens angeordnete, das Druckstück (3) und das Gegendruckstück (4) elektrisch nicht kurzschließende Kompensationsmittel (7), die wenigstens bereichsweise elastisch unter Erzeugung einer der Einspannkraft (F) entgegengerichteten Gegenkraft (F_G) verformbar ausgebildet sind und bei Wirkung der Einspannkraft (F) außerhalb des ersten Kraftverlaufs (K1) angeordnet sind.
Scheibenzelle (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kompensationsmittel (7) ausgebildet sind, eine innere, das Halbleiterelement (2) betreffende Einspannkraft des ersten Kraftverlaufs (K1) zu reduzieren.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmittel (7) eine Federrate im Bereich von 10 bis 100 kN/mm, bevorzugt 20 bis 75 kN/mm, aufweisen.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmittel (7) so ausgebildet sind, dass im Verlauf eines Einspannvorgangs vom nicht-eingespannten Zustand zu einem eingespannten Zustand des Halbleiterelements (2) ein anfänglicher Einspannzustand vorgesehen ist, bei dem trotz einer durch die Einspannvorrichtung (11, 12) bewirkten Einspannkraft (F) die durch die Kompensationsmittel (7) erzeugte Gegenkraft (F_G) die das Halbleiterelement (2) betreffende, innere Einspannkraft des ersten Kraftverlaufs (K1) vollständig kompensiert.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein elastisch verformbarer Bereich oder eine elastisch verformbare Komponente (6, 6') der Kompensationsmittel (7) in einem nicht-eingespannten Zustand Übermaß bezogen auf die in Richtung der Einspannkraft zu bestimmende Dicke einer Halbleiterschicht (2a) des Halbleiterelements (2) aufweist.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine senkrechte Projektion des Halbleiterelements (2) auf die Druckfläche (W) eine imaginäre erste Projektionsfläche definiert und eine senkrechte Projektion der Kompensationsmittel (7) auf die Druckfläche (W) eine zweite Projektionsfläche definiert, die beabstandet zur ersten Projektionsfläche ist.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmittel (7) eine plastisch verformbare Komponente aufweisen, um die durch die Kompensationsmittel (7) erzeugte Gegenkraft (F_G) während eines Einspannvorgangs durch plastische Verformung der plastisch verformbaren Komponente zu justieren.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmittel (7) einen unmittelbar an das Druckstück (3) und/oder an das Gegendruckstück (4) angrenzenden Ring (5, 6') mit einem Ringdurchbruch aufweisen, wobei in einem Ringdurchbruch des Rings (5, 6') das Halbleiterelement (2) angeordnet ist.
Scheibenzelle (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Ring (6') aus einem elastisch verformbaren Kunststoff ausgebildet ist und eine elastisch verformbare Komponente (6, 6') der Kompensationsmittel (7) ausbildet.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmittel (7) eine oder mehrere gleichmäßig entlang des Umfangs des Halbleiterelements (2) verteilt angeordnete, metallische Druckfederelemente, beispielsweise Tellerfederelemente, als elastisch verformbare Komponente (6) aufweisen.
Scheibenzelle (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen außerhalb des Volumens angeordneten Gehäusering (8), welcher ein Gehäuseinnenvolumen definiert, in dem die Kompensationsmittel (7) und das Halbleiterelement (2) angeordnet sind.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (2) ein aus einer Gruppe bestehend aus Diode, Thyristor und Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode ausgewählter Leistungshalbleiter ist.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der laterale Außenumfang des Halbleiterelements (2) innerhalb des Volumens angeordnet ist.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement (2) wenigstens eine Halbleiterschicht (2a) und wenigstens eine Molybdänscheibe (2b) aufweist, die unmittelbar angrenzend an das Druckstück (3) oder an das Gegendruckstück (4) angeordnet ist.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmittel (7) mindestens eine Komponente, wie den Ring (5), aus einem Keramikwerkstoff aufweisen.
Scheibenzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckstück (3) und/oder das Gegendruckstück (4) eine Ausnehmung zur Anordnung der Kompensationsmittel (7) ausbilden.
Anordnung aus einer Spannvorrichtung (11, 13) und wenigstens einer Scheibenzelle (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (11, 12) eine Druckplatte (11) und eine Gegendruckplatte (12) aufweist, wobei das Druckstück (3) mit seiner Druckfläche (D) an die Druckplatte (11) angrenzt und das Gegendruckstück (4) mit seiner Gegendruckfläche (G) an die Gegendruckplatte (12) angrenzt, und die Spannvorrichtung (11, 13) ausgebildet ist, die Scheibenzelle (1) zur Druckkontaktierung eines Halbleiterelements (2) zwischen der Druckplatte (11) und der Gegendruckplatte (13) mittels einer Einspannkraft (F) einzuspannen.
Anordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, mit mehreren einen Spannverbund bildenden, in einem Stapel angeordneten Scheibenzellen (1, 1'), wobei der Spannverbund zwischen der Druckplatte (11) und der Gegendruckplatte (13) mittels der Einspannkraft (F) eingespannt ist und mindestens eine erste Scheibenzelle (1) mit einem ersten Halbleiterelement (2) und mindestens eine zweite Scheibenzelle (2) mit einem zweiten Halbleiterelement (2') aufweist und sich erstes Halbleiterelement (2) und zweites Halbleiterelement (2') in der Bauart unterscheiden.
Anordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich das erste Halbleiterelement (2) und das zweite Halbleiterelement (2') mindestens in der Größe ihrer Kontaktflächen (W, W')) unterscheidet.
Anordnung gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scheibenzellen (2, 2') des Spannverbunds eine im Wesentlichen übereinstimmende Größe der Druckfläche (D) und/oder eine im Wesentlichen übereinstimmende Größe der Gegendruckfläche (G) aufweisen.