DE2139745A1 - Halter fuer mindestens ein scheibenfoermiges halbleiterelement - Google Patents

Halter fuer mindestens ein scheibenfoermiges halbleiterelement

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Description

88/71 - He
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Halter für mindestens ein scheibenförmiges Halbleiterelement
? Ia AS Zusatz zu Hauptpatent Nr. (Mp.-Nr.35/71)
Das Hauptpatent betrifft einen Halter für mindestens ein scheibenförmiges Halbleiterelement, bei dem das Halblei» terelement zwischen Druckstücken eingespannt ist und bei dem Einspannmittel vorgesehen sind, durch die die Druckstücke über Federn gegen das Halbleiterelement gepresst sind. Nach dem Hauptpatent weisen Einspannmittel einerseits und die Druckstücke andererseits unterschiedliche Krümmungsradien ihrer Berührungsflächen auf»
Ueblicherweise werden bei Haltern der genannten Art ein© Anzahl von Halbleiterelementen - typischerweise sieben
2098S5/07SS/
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Thyristoren in HGUe-Anwendungen - in einer Säule zusammengefasst. Im statischen Fall darf - bedingt durch die spezielle Ausbildung der Berührungsflächen - der Druck über die Pressflächen der Halbleiterelemente als konstant angesehen werden. Bei dynamischen mechanischen Belastungen, z.B. beim Umfallen der Säule oder beim freien Fall der'Säule aus beschränkter Höhe auf eine Unterlage, können Drucküberhöhungen auftreten, welche zulässige Grenzen überschreiten und damit zur Zerstörungen einzelner Halbleiterelemente führen können.
Der Vorschlag, den Halter mit Federn auszustatten, brachte nur einen Teilerfolg, zumal die Grosse der Federn zu unpraktischen Dimensionen führt. Die Erfindung betrifft eine Verbesserung des Halters nach dem Hauptpatent und hat zum Ziel, Massnähmen anzugeben, durch welche Drucküberhöhungen infolge dynamischer mechanischer Belastungen innerhalb gewisser unschädlicher Grenzen bleiben.
Erfindungsgemäss ist der Halter nach dem Hauptpatent dadurch v/eitergebildet, dass die in Druckkontakt stehenden Berührungsflächen so ausgebildet sind, dass ein Teil der bei dynamischen mechanischen Belastungen auftretenden kinetischen Energie in Reibungswärme umgewandelt wird.
01885/0758,
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Hervorragende Ergebnisse werden erzielt, wenn mindestens eine der in Druckkontakt stehenden Berührungsflächen auf beiden Seiten des Halters einen Reibungskoeffizienten Zwischen 0,025 und 0,3> vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 aufweist, wobei die Härte der genannten Flächen derart bemessen sein sollte, dass bei dem vorgesehenen Einspanndruck keine wesentlichen plastischen Verformungen auftreten.
In einer bevorzugten Realisierung der Erfindung sind mindestens eine der Berührungsflächen auf beiden Seiten des Halters, d.h. entweder die Auflageflächen der Druckstücke und/oder die der Einspannmittel, mit einer Titancarbidschicht versehen. Jedoch eignen sich auch Kunststoffe mit ähnlichen Eigenschaften für diesen Zweck.
Besondere Merkmale und Ausführungsarten der Erfindung sowie die sich daraus ergebenden Vorteile werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei.spiels erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine Prinzipsskizze zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 2 eine Ausführungsbeispiel eines Halters gemäss der Erfindung. ·
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- h - 88/71
Die Prinzipskizze nach Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halters. Zwischen zwei Auflagen A. und Ap ist ein mit Einschnürungen versehener Zylinder Z eingespannt. Die Einspannkraft P ist durch Pfeile angedeutet. Der Zylinder Z symbolisiert eine aus vielen Einzelteilen, wie Halbleiterkörpern, Druckplatten, Kühlkörpern etc.,bestehnde Säule. An den beiden Stirnseiten weist der Zylinder kugelkalottenförmige Druckstücke D, und Dp auf. An W den Auflagen sind Federn F, und Fp vorgesehen.
Beim freien Fall aus einer Höhe h auf eine unnachgiebige Unterlage wird bei der Anordnung nach Fig. 1 eine Kraft R aufgebaut. Sobald diese die Grenze der Haftreibung überschreitet, bleibt die Elongation der Federn F, und Fp konstant, während sich die zwischen den Auflagen eingespannte Säule innerhalb derselben verschiebt (gleitende Reibung), bis die verbleibende kinetische Energie aufgezehrt ist. W Unter der Voraussetzung, dass die Federenergie vernachlässigbar ist und dass die gesamte kinetische Energie in Reibungswärme umgesetzt wird, verschiebt sich die gesamte Säule um einen Betrag
ζ =
2/V
In dieser Gleichung bedeuten ,u„ den Gleitreibungskoeffizienten, P die Einspannkraft, m die Masse der Säule, g die Erdbeschleunigung und h die Fallhöhe.
209885/0756.
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Ein solches System, bei dem an zwei Orten gleichzeitig ein Gleiten auftritt, ist durchaus nicht instabil. Aufgrund der Bewegungsgleichungen kann nämlich gezeigt werden, dass bei allfälligen Unsymmetrien, z.B im Falle ungleicher Reibungskoeffizienten auf beiden Seiten, sofort eine entsprechend höhere Reibungskraft R aufgebaut wird, bis ein symmetrisches Gleiten eintritt. Ebenso wenig gefährlich ist ein einseitiges Gleiten infolge einseitiger Beschleunigung. .
Anhand eines Zahlenbeispiels soll nun die Grosse der Beanspruchung und der Betrag der Verschiebung verdeutlicht werden. Es wird dabei von folgenden Zahlenwerten, welche einem typischen Anwendungsfall entnommen sind, ausgegangen:
/UH /UQ = 0,15 (TiC-Beschichtung) L = 30 cm
h = 50 cm
m = 5 kg
P = 1 Mp
r = 1,4· cm (^kleinster Durchmesser der Säule, entspricht als dem kleinsten Durchmesser eines Zwischenelementes. z.B. Halbleiterkörper oder Molybdänscheibe)
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Unter Zugrundelegung dieser Zahlenwerte ergibt sich die Verschiebung der Säule zu
A ζ = 0,52 cm
Die relative Ueberspannung am Ort der höchsten Belastung, das ist bei symmetrischen Anordnungen im allgemeinen in der Mitte der Säule, beträgt dabei 1,2. Dieser Wert kann für derartige Anordnungen noch als zulässig bezeichnet werden.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Halters nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Mit 7 ist ein Halbleiterkörper, beispielsweise aus Silizium, bezeichnet. Dieser weist einen oder mehrere pn-Uebergänge (nicht eingezeichnet) auf. Die Stirnflächen des Halbleiterkörpers sind mit anlegierten Trägerplatten 8, 81, z.B. aus Molybdän, versehen. Der Halbleiterkörper kann jedoch auch in anderer Weise kontaktiert sein, beispielsweise in der aus der DT-AS 1 275 073 bekannten Art. An die Trägerplatten 8 bzw. 8' schliessen sich - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Siberfolien 9* 9* - beispielsweise aus Kühlkörper ausgebildete Druckstücke 5*6 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung an. Die gesamte Einheit ist zwischen zwei Auflagen 1, 2 eingespannt. Die den Druckstücken 5* 6 zugewandten Flächen der Auflagen weisen im Bereich der Berührungsflächen mit den Druckstücken sowie in einer gewissen Umgebung
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hierzu eine mit 23 bzw. 24 bezeichnete Titancarbid-Beschichtung auf. Allgemein können Beschichtungen verwendet werden, deren Reibungskoeffizient zwischen 0,025 und G»5j vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2, liegt. Gleichzeitig dürfen diese Beschichtungen keine wesentlichen plastischen Verformungen erfahren. Diese würden den Reibungskoeffizienten erhöhen und damit die angestrebte Wirkung der Beschichtung als Reibungsbremse in Frage stellen.
In einer praktischen Ausführung eines Halters gemäss der Erfindung wurde die Titancarbid-Schicht mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Derartige Verfahren zur Behandlung von Metalloberflächen sind beispielsweise aus "Schweizer Archiv", Juni I967, S.157«««l66, bekannt. Der damit erzielte Reibungskoeffizient betrug dabei 0,15 (vgl. Zahlenbeispiel).
Andere Beschiehtungen auf Kunststoffbasis sind ebenfalls denkbar, sofern deren Eigenschaften den oben genannten Bedingungen genügen. So eignen sich sogenannte Kunststoff-Lagerwerkstoffe, wie Polyamide, Hartgewebe etc, für diesen Zweck.
Statt die Auflagen mit einer Beschichtung zu versehen, können selbstverständlich auch die entsprechenden Flächen
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der DruckstUcke oder besser noch beide in Druckkontakt stehende Flächen auf beiden Seiten des Halters zu beschichten.
Gemäss dem Hauptpatent weisen die Druckstücke allgemein konvex gekrümmte Erhebungen J> bzw. 4 auf. Diese sind in Pig. 2 beispielsweise als Kugelkalotten ausgebildet. Die im Ausführungsbeispiel eben dargestellten Berührungsflächen der Auflagen können jedoch auch konvex oder konkav gekrümmt sein. Ebenso ist die dazu spiegelbildliche Anordnung denkbar, d.h. allgemein konvex gekrümmte Erhebungen auf den Auflagen 1 bzw. 2 und konvexe, ebene oder konkave Berührungsflächen auf den Druckstueken (Variante A in Fig. 2).
Auch kann es vorteilhaft sein, Zwischenstücke 20, 21 auf den Druckstücken und/oder Auflagen vorzusehen (Variante B * in Fig. 2) oder zwischen Druckstück und Auflage je eine Kugel (Variante C in Fig. 2) oder einen linsenförmigen Körper (nicht eingezeichnet) vorzusehen. Einsatzstücke bzw. Kugeln oder linsenförmige Körper können dann entweder mit einer der genannten Beschichtungen versehen sein oder selbst aus einem geeigneten Material mit entsprechendem Reibungskoeffizienten'bestehen. Die beiden vorstehend genannten Möglichkeiten bieten den Vorteil einer sehr wirtschaftlichen Fertigung.
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Schliesslich sei auf einen Vorteil der Variante A hingewiesen. Diese gestattet es, im Bedarfsfall mehrere, je aus zwei Druckstücken bzw. Kühlkörpern mit dazwischen- ' liegendem Halbleiterelement bestehende Anordnungen in einfacher Weise in Form einer Säule zusammenzubauen. Zur Potentialtrennung sind dann selbstverständlich geeignete Isolierschichten zwischen benachbarten Druckstücken vorzusehen.
Zur Erzeugung des Einspanndruckes sind Spannbolzen, von denen die Bolzen 10 und 11 in Fig. 2 eingezeichnet sind, vorgesehen. Die Spannbolzen stützen sich über Tellerfedernpakete 12, 13 sowie Isolierteilen 14, 15 gegenüber den Auflagen 1, 2 ab. Die Spannbolzen sind je von einem Isoliermantel 16 umgeben. Uebertrifft die seitliche Ausladung der Druckstücke bzw. Kühlkörper die der Bolzen, so sind in diesen Aussparungen bzw« Durchbrüche vorzusehen. Es ist bei der Bemessung der Aussparungen bzw. Durchbrüche zu beachten, dass zwischen Spannbolzen und Druckstücken ein genügend grosser Abstand eingehalten wird. Dieser ist einmal notwendig, um die durch die Art der. Einspannung bedingte Radialbewegung bei der Montage nicht zu stören, zum anderen Mal darf die seitliche Verschiebung der Säule innerhalb der Auflagen bei dynamischen mechanischen Beanspruchungen.nicht behindert werden.
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Es ist nicht zweckmässig, beim Betrieb des Halters den Strom über die Berührungsflächen zwischen Auflagen und Druckstücken zu leiten. Aus diesem Grunde sind die Druckstücke mit Anschlusselektroden 18 bzw. 19 versehen.
Bei der praktischen Realisierung der Erfindung ist zu beachten, dass die maximale Flächenpressung der Auflager (Berührungsflächen zwischen Auflagen 1,2 und Druckstücken 5*6) unterhalb der Streckgrenze bleibt (Hertz'sche Pressung). Durch geeignete Materialwahl für die Auflager sowie der Krümmungsradien der Berührungsflächen lassen sich jedoch für jeden gewünschten Einsapnndruck diese Bedingungen einhalten. Die zusätzliche Titancarbid-Beschiehtung, welche zwischen 1/um und 100 /um liegen kann, hat dabei keinen nennenswerten Einfluss.
So beträgt der minimale Berührungsradius für Auflager, deren beide Berührungsflächen aus gehärteten Stahl mit ei-
4 2
nem Elastizitätsmodul E = 2,1*10 kg/mm und einer Streckgrenze von 200 kg/mm bestehen, bei einer Einspannkraft von P = 2000 kp
rmin - 82 mm
Die Dicke der Titancarbid-Beschichtung beträgt dabei zwischen 5 /Um und 30/um. Dieser Radius kann verringert werden,
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- 11 - . 88/71
wenn die eine Auflage nicht eben, sondern als konkav gekrümmte Fläche ausgebildet ist.
Eine Verringerung von r .ist auch zulässig, wenn eine nur einmalige Verwendung des Halters-vorgesehen ist. Die Kompensation von Parallelitätsfehlern erfolgt dann bei einer geringeren Einspannkraft, d.h. bevor die Flächenpressung in den Auflagern die Streckgrenze überschreitet.
Zur Vermeidung von Stosswellen bei den genannten Belastungen ist es vorteilhaft, die Ränder der Auflagen mit als Federn dienenden Gummiringen F-,, Fp zu versehen.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: Die zwischen den Auflagen eingespannte Säule stellt sich bei der Montage selbsttätig auf eventuelle Parallelitätsfehler der in Druckkontakt stehenden Flächen ein, ohne die sehr empfindlichen Halbleiterelemente zu beschäftigen, dynamische mechanische Belastungen bei der Handhabung des Halters verhindern durch die "eingebaute" Reibungsbremse Beschädigungen der Aktivteile. Beide Tatsachen ermöglichen es, den erfindungsgemassen Halter insbesondere zu Kontaktierung volldjffundierter Systeme ohne anlegierte oder angelötete Trägerplatten einzusetzen.
209885/0756,

Claims (1)

  1. - 1-2 - 88/71
    -Patentansprüc he
    ( 1. JHalter für mindestens ein scheibenförmiges Halbleiterelement, bei dem das Halbleiterelement zwischen Druckstücken eingespannt ist und bei dem Einspannmittel vorgesehen sind, durch die die Druckstücke über Federn gegen das Halbleiterelement gepresst sind und bei dem die Einspannmittel einerseits und die Druckstücke andererseits unterschiedliche 'Krümmungsradien ihrer Berührungsflächen aufweisen, nach Hauptpatent Nr. (Patentanmeldung I5 ZA..1^ ^3? C ), dadurch gekennzeichnet, dass die in Druckkontakt stehenden Berührungsflächen so ausgebildet sind, dass ein Teil der bei dynamischen mechanischen Belastungen auftretenden kinetischen Energie in Reibungswärme umgewandelt wird.
    2.-Halter nach Ancpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Stosswellen die Auflagen (1,2) mit Federn (F1, F) versehen sind.
    3. Halter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der in Druckkontakt stehenden Berührungsflächen auf beiden Seiten des Halters einen Reibungskoeffizienten zwischs/i 0,025 und 0,3, vorzugsweise zwischen 0,05 und O52 aufweist.
    - 13 - 88/71
    Ö. Halter nach Anspruch 1 oder 3,; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Berührungsflächen auf beiden Seiten des Halters mit einer Metallcarbid-Schicht (23 Tdzw. 2k) versehen sind.
    5. Halter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Metallcarbid-Schicht 1 yum bis 100 /um, vorzugsweise 5/um bis 30yum, beträgt.
    6. Halter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallcarbld-Titancarbld ist.
    7. Halter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch einseitig gekrümmten Zwischenstücke (21) gebildeten Erhebungen auf den Druckstücken (5*6) mit einer Metallcarbid-Schicht, vorzugsweise aus Titancarbld, versehen sind.
    Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe.
    209815/0758
    JH .
    Leerseite
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