DE19632389C1 - Anordnung zum Einspannen eines Bauelements - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Einspannen eines Bauelements entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist durch die DE 39 34 952 C2 bekannt.

Bei der Montage von Bauelementen ist es oft notwendig, die Bauelemente mittels einer Spannvorrichtung unter einer definierten Anpreßkraft zu halten. Zum Beispiel stellt sich ein solches Problem bei dem Zusammenbau eines scheibenförmigen elektrischen Leistungshalbleiters, zum Beispiel eines Scheiben­ thyristors, mit einem die Verlustwärme beim Betrieb des Lei­ stungshalbleiters aufnehmenden und abführenden Kühlkörper. Der Leistungshalbleiter muß dabei einerseits aus Strom- und Wärme­ übergangsgründen mit möglichst hoher Anpreßkraft an den Kühlkörper (Grundkörper) gedrückt werden, andererseits darf aber die Anpreßkraft nicht zu hoch sein, um den kristallinen Leistungshalbleiter nicht zu zerstören. Es ist deshalb eine optimale, experimentell ermittelte oder vom Hersteller des Leistungshalbleiters bereits vorgegebene Anpreßkraft bei der Montage zu berücksichtigen.

Das Problem des Einstellens einer definierten Anpreßkraft findet sich allerdings nicht allein beim vorgenannten Einspannen eines Leistungshalbleiters, sondern bei jeder Art des Zusammenpressens von Bauteilen mit einer definierten Kraft, auch wenn im folgenden die Diskussion des Standes der Technik sich insbesondere auf das Verspannen von Halbleiterelementen bezieht.

Durch die DE-OS 26 02 589 ist eine Vorrichtung zum Einspannen eines Scheibenthyristors zwischen zwei Kühlkörper bekannt, bei der die Kühlkörper über drei als kraftschlüssige Verbindungs­ elemente dienende Sechskantschrauben, einer zwischen der Außen­ fläche des einen Kühlkörpers und den Köpfen der Sechskant­ schrauben befindlichen dreieckigen, gewölbten Spannplatte und in den anderen Kühlkörper gesteckte drei Isolierhülsen und drei Sechskantmuttern miteinander verspannt sind. Die vorgegebene Anpreßkraft zwischen Kühlkörper und Scheibenthyristor wird bei dieser Vorrichtung dadurch sichergestellt, daß die Außenflächen der Kühlkörper derart geformt sind, daß die Köpfe der Sechs­ kantschrauben im verspannten Zustand bündig mit der Außenkontur der Kühlkörper sind und gerade mit der Bündigkeit die Anpreßkraft entsprechend der Federkennlinie der Spannplatte erreicht wird. Die Feststellung der Bündigkeit durch das Montagepersonal ist sehr subjektiv. Daher läßt sich die vorgegebene Anpreßkraft mit der beschriebenen Vorrichtung nur sehr ungenau einstellen.

Vorzugsweise benutzt man beim Zusammenpressen von Bauteilen über Befestigungsschrauben als Verbindungselemente Drehmoment­ schlüssel zur Einstellung der Anpreßkraft. Dabei wird ein der Anpreßkraft entsprechendes, vom Schlüssel aufzubringendes Drehmoment experimentell ermittelt. Allerdings geht das Reibmo­ ment, z. B. abhängig von der Schmierung und der Oberflächengüte aller gleitenden Flächen sowie dem Gewindespiel der Mutter/Bol­ zen-Paarung, beim Anziehen der Befestigungsschrauben mit ein.

Bei mehrfachem Lösen bzw. Anziehen von Schraubenverbindungen erfolgt zusätzlich ein Glätten der betreffenden Reibflächen; d. h. die Anzahl der Reibflächen verringert sich und das Reib­ moment wird geringer. Ein konstantes Anzugsmoment trägt somit zur Erhöhung der Anpreßkraft bei. Es sind durchaus schon Abweichungen von größer als 20% festgestellt worden. Die Einstellung einer vorgegebenen Anpreßkraft mittels eines Drehmomentschlüssels gelingt mithin in den meist geforderten Genauigkeitsgrenzen nur unbefriedigend.

Durch den Prospekt "SILICON ASSEMBLIES", Issue 4 der Fa. WESTCODE SEMICONDUCTORS ist es bekannt, beim Zusam­ menspannen von Halbleiterbauelementen zwischen als sogenannte Kühldosen ausgebildeten Kühlkörpern über eine Abstandsmessung eines Spannelements zu einer Bezugs ebene das Erreichen einer bestimmten Anpreßkraft festzustellen. Dabei wird der zu erreichende Abstand durch Unterlegen eines Endmaßes unter das Spannelement erfaßt. Sobald das Endmaß gerade noch leichtgängig aus dem Spalt zwischen Bezugsebene und Spannelement heraus­ gezogen werden kann, liegt der richtige Abstand und damit die richtige Anpreßkraft vor. Diese Methode ist stark toleranz­ behaftet, denn die Leichtgängigkeit der Bewegung des Endmaßes ist nur subjektiv einschätzbar.

Bei der Anordnung gemäß der eingangs genannten DE 39 34 952 C2 wird das Vorhandensein einer minimalen Anpreßkraft durch das Schließen eines elektrischen Kontaktes überwacht. Diese Anordnung dient lediglich der Überwachung der Spannvorrichtung auf einen eventuellen Bruch des unter Sollspannung eingebauten Verbindungselements. Solange der Kontakt geschlossen bleibt, ist zwar sichergestellt, daß zumindest die zum Schließen des Kontakts notwendige Anpreßkraft vorhanden ist. Aus der Kontakt­ gabe läßt sich aber insbesondere nicht schließen, daß die zulässige Anpreßkraft nicht überschritten worden ist. Diese bekannte Anordnung kann also ebenfalls nicht der Einstellung einer definierten Anpreßkraft dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß unter wenig Aufwand eine vorgegebene Anpreßkraft genau eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Dadurch daß jeweils nur eines der jeweils zwei Kontaktpaare geschlossen ist, wird sichergestellt, daß die Anpreßkraft erreicht, jedoch keinesfalls überschritten ist. Wegen der innerhalb der Toleranzgrenzen gleich langen Kontaktwege beider Kontaktpaare ist dabei der für die vorgegebene Anpreßkraft gültige Anzugsbereich eng abgegrenzt. Die Anordnung stellt sich mithin objektiv sehr feinfühlig dar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnitten dargestellte Ansicht einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht von in Fig. 1 dargestellten Elementen vor dem Zusammenbau,

Fig. 3 einen Leiterplattenausschnitt als senkrechten Schnitt entlang der Linie A-A innerhalb der in Fig. 1 gezeigten Anordnung und

Fig. 4 die Ansicht einer bestückten Leiterplatte innerhalb der in Fig. 1 dargestellten Anordnung nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 soll ein Bauelement 12, hier insbesondere ein Scheibenthyristor, mit einer vorgegebenen Anpreßkraft zwischen einem gerippten Kühlkörper 8 und einem Grundkörper gepreßt werden. Dazu dient fol­ gende Spannvorrichtung:
Drei an einem (nicht gezeigten) Grundkörper befestigte als (elektrisch isolierte) Schraubenbolzen ausgebildete Verbindungselemente 9 greifen durch den Kühlkörper 8, durch eine weiter unten noch näher beschriebene Leiterplatte 5 und drei Ecken eines eine definierte Federkennlinie aufweisenden dreieckigen Federelements 1. Die Leiterplatte 5 weist eine kreisförmige Öffnung auf, in der auf dem Kühlkörper 8 auflie­ gend eine scheibenförmige Druckplatte 2 angeordnet ist. Das dreieckförmige Federelement 1 liegt mit einer kugelförmigen Ausprägung in seinem Zentralbereich mittig auf der Druckplat­ te 2 auf. Auf die Verbindungselemente (Schraubenbolzen) 9 sind unter Verwendung von Unterlegscheiben 10 Muttern 7 geschraubt. Sobald diese angezogen werden, tritt über das Federelement 1 und die als Druckstücke wirkenden Druckplatte 2 bzw. Kühlkör­ per 8 eine zum Grundkörper gerichtete Anpreßkraft auf das Bauele­ ment 12 auf. Es gilt nun, diese Anpreßkraft in engen Grenzen als vorgewählte definierte Größe aufzubringen.

Dazu weist gemäß Fig. 2 die Leiterplatte 5 im Bereich jedes Verbindungselements 9 (Schraubenbolzen), jeweils zwei das Verbindungselement 9 zwischen sich belassende, elektrisch leitende Kontaktstifte 41, 42 auf. Die Gegenkontakte der beiden Kontaktstifte 41, 42 werden durch das ebenfalls elektrisch leitende Federelement 1 gebildet. Das Federelement 1 und jeweils einer der beiden Kontaktstifte 41 bzw. 42 nächst jedem Verbindungselement 9 sind Teil eines gesonderten Stromkreises, in dem ein (nicht gezeigtes) Auswertelement liegt. Die Leiter­ latte 5 weist (nicht gezeigte) Leiterbahnen von jedem Kontakt­ stift 41, 42 zu einem Anschlußfeld 6 mit Stiften auf, an die jeweils der gesonderte Stromkreis zu dem Auswertelement in Reihe mit einer Stromquelle und dem Federelement 1 angeschlos­ sen wird.

Als Auswertelemente können optische und/oder akustische Indi­ katoren, wie zum Beispiel LED-Elemente bzw. Summer und/oder ein Steuerelement vorgesehen sein, über das zum Beispiel das Schrauben der Muttern 7 gesteuert wird.

Die Oberseiten (Kontaktstellen) der Kontaktstifte 41, 42 liegen in einer Bezugsfläche, insbesondere Bezugsebene, parallel zur Angriffsfläche der Druckplatte 2 bzw. der Oberfläche des Kühl­ körpers 8. Damit die Parallelität der Kontaktflächen der Kon­ taktstifte 41, 42 und des Kühlkörpers 8 bzw. des Druckstücks 2 gegeben ist, sind auf der Leiterplatte 5 federnde Elemente 3 aus Kunststoff aufgebracht, insbesondere aufgeklebt, die eine sehr kleine Federkonstante aufweisen. Die federnden Elemente 3 können zum Beispiel aus Schaumstoff bestehen. Durch das Herab­ drücken des Federelements 1 infolge des Anziehens der Muttern 7 wird über diese federnden Elemente 3 die Leiterplatte 5 weich gegen den Kühlkörper 8 gedrückt und damit fixiert.

Die Kontaktwege jedes Kontaktpaares, also der Zwischenraum zwischen der Oberseite eines der Kontaktstifte 41 bzw. 42 und der Unterseite des Federelements sind im ungespannten Zustand gleich lang. Damit kann über den Federweg, den der gewölbte Teil des Federelements 1 in Richtung auf die Kontaktstifte 41 und 42 durch Anziehen jeder der Muttern 7 zurücklegt und aus der Federkonstanten des Federelements 1 eine definierte An­ preßkraft errechnet und damit vorgegeben werden, die erreicht wird, wenn das Federelement 1 auf den Kontaktstiften 41 bzw. 42 gerade aufliegt, also der jeweilige Kontakt geschlossen ist und das Auswertelement anspricht.

Fig. 3 gibt das zuvor erläuterte Prinzip in einem Schnitt senkrecht zu der in Fig. 1 gezeigten Linie A-A wieder:
Auf das Federelement 1 wirkt durch das Anziehen der Mutter 7 auf dem Verbindungselement 9 (Schraubenbolzen) über die Unterlegscheibe 10 eine Kraft F. Der innerhalb der Toleranz­ grenzen für jeden auf der Leiterplatte 5 befindlichen Kon­ taktstift 41 bzw. 42 (hier: 41) gleich lange Federweg Sk ist ein Maß für die auf die von der Leiterplatte 5 umgebene Druck­ platte 2 wirkende Anpreßkraft Fk. Der Gegenkontakt am Feder­ element 1 ist mit 11 bezeichnet.

Nun wirkt gerade die vorgegebene Anpreßkraft und nicht mehr und nicht weniger auf die Druckplatte 2 und den Kühlkörper 8 als Druckstücke, die das Bauelement 12 gegen den Grundkörper pressen, wenn nur einer der beiden Kontakte zwischen Kontakt­ stift 41 bzw. 42 und dem Federelement 1 im Bereich eines Verbindungselements 9 geschlossen ist. Sollten jedoch beide Kontaktpaare geschlossen sein, wäre das ein Zeichen, daß bereits eine zu hohe Anpreßkraft auftritt. Das Einstellen der richtigen vorgegebenen Anpreßkraft ist mithin äußerst fein­ fühlig möglich. Wird ein Auswertelement vorgesehen, über das der Schraubvorgang der Mutter 7 gesteuert wird, kann vorzugsweise beim Schließen des ersten Kontaktpaares der Schraubvorgang abgebrochen werden, weil exakt dann die vorge­ gebene Anpreßkraft erreicht ist.

Fig. 4 zeigt nochmals allein eine bestückte Leiterplatte 5 mit den federnden (Schaumstoff-)elementen 3, den Kontaktstiften 41 und 42 beidseitig jedes Loches, durch das jeweils ein Verbin­ dungselement 9 greifen soll und das Anschlußfeld 6 mit den Stiften für die gesonderten Stromkreise der einzelnen Kontakt­ stifte 41 bzw. 42.

Claims (8)

1. Anordnung zum Einspannen eines Bauelements (12) zwischen einem Grundkörper und einem direkt oder über ein Druck­ stück (2, 8) auf das Bauelement (12) durch kraftschlüssige Verbindungselemente (9) wirkenden, eine definierte Federkenn­ linie aufweisenden Federelement (1), das im ungespannten Zustand teilweise auf dem Bauelement (12) bzw. dem Druck­ stück (2, 8) aufliegt und dessen restliche Teilbereiche im Bereich der Verbindungselemente (9) vom Bauelement (12) bzw. Druckstück (2, 8) hinweggewölbt sind, wobei an den hinweg­ gewölbten Teilbereichen des Federelements (1) und in einer Bezugsfläche einander gegenüberliegende elektrische Kon­ takte (41, 42, 11) eines Stromkreises vorgesehen sind, deren Kontaktierung beim Erreichen einer vorgegebenen Anpreßkraft im gespannten Zustand des Federelements (1) ein im Stromkreis liegendes Auswertelement anzeigt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß im Bereich jedes Verbindungselements (9) jeweils zwei, das Verbindungselement (9) zwischen sich belassende elektrische Kontaktpaare (41, 11; 42, 11) mit innerhalb der Toleranzgrenzen gleich langen Kontaktwegen (Sk) angeordnet sind,
• - daß jedes Kontaktpaar (41, 11; 42, 11) in einem gesonderten Stromkreis mit zumindest einem Auswertelement liegt und
• - daß das Schließen jeweils eines und nur eines der beiden Kontaktpaare (41, 11 oder 42, 11) als Einstellmaß der vorge­ gebenen Anpreßkraft dient.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswertelement ein optischer und/oder ein akustischer Indikator und/oder ein Steuerelement zur Steuerung der über das Verbindungselement (9) eingeleiteten Anpreßkraft vorgesehen ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfläche durch auf einer Leiterplatte (5) ange­ ordnete Kontaktstifte (41, 42) definiert ist, von denen auf bzw. in der Leiterplatte (5) geführte Leiterbahnen zu einem ebenfalls auf der Leiterplatte (5) angeordneten Anschluß­ feld (6) für die Auswertelemente führen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (5) das Bauelement (12) bzw. das Druckstück (2) am Umfang umschließt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Verbindungselement (9) auf der Leiterplatte (5) ein die Leiterplatte (5) auf dem Druckstück (8) festlegendes federndes Element (3) mit sehr kleinen Federkonstanten ange­ ordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Element (3) aus Schaumstoff besteht und auf der Leiterplatte (5) aufgeklebt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß das gesamte Federelement (1) elektrisch leitend als die eine Hälfte (11) der Kontaktpaare (41, 11; 42, 11) ausgebildet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anwendung bei der Montage eines Leistungshalbleiter­ bauelements mit einem oder mehreren Kühlkörpern.