DE2603813A1 - Spannvorrichtung fuer ein thermisch und elektrisch druckkontaktiertes halbleiterbauelement in scheibenzellenbauweise - Google Patents

Spannvorrichtung fuer ein thermisch und elektrisch druckkontaktiertes halbleiterbauelement in scheibenzellenbauweise

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Description

  • "Spannvorrichtung für ein thermisch und elektrisch druckkon-
  • taktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzellenhauweise" Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannvorrichtung für ein thermisch und elektrisch druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in-Scheibenzellenbauweise mit zwei Druck- bzw.
  • Ableitplatten, zwischen denen das Halbleiterbauelement angeordnet ist und die mittels Spannbolzen und flacher Federn mit einstellbarer, an der Spannvorrichtung meßbarer Kraft zusammendrückbar sind, wobei die Spannbolzen durch Federn geführt sind und die Mitte der Federn über eine konvexe Fläche im mittleren Bereich der einen Druck- bzw. Ableitplatte angreift.
  • Bei einer derartigen bekannten Spannvorrichtung (DT-OS 2 210 180) wird durch eine einstellbare und durch die Auslenkung der Enden der Blattfedern meßbare Kraft und die punktförmige Ausübung dieser Kraft an der Mitte der einen Druckplatte - ohne starre Kopplung - eine exakte Drucksymmetrie erreicht. Nur bei eng tolerierter Druckkraft und genauer Drucksymmetrie sind optimale Strorn- und Wärmeübergänge an den Kontaktflächen gewährleistet. Bekanntlich resultiert die Größe der KontaY.tkraft vornehmlich aus den erforderlichen kleinen Wärmewiderständen der Scheibenselle selbst und den Wärmewiderständen zwischen dieser und den Kühlkörpern. Die Summe aller Warmewiderstände ist bei gegebenem Temperaturgradienten ein Maß für die Strombelastbarkeit bzw. die zulässige Verlustleistung des Halbleiterelementes. Eine eng tolerierte Druckkraft resultiert aus dem Erfordernis, daß die Kontaktkraft entsprechend der Kristalifläche zu bemessen ist und unabhängig von den Temperaturen in relativ engen Toleranzen konstant gehalten werden muß.
  • Unter den Begriffen "Scheibenzellenbauweise" bzw. "Scheibenzelle" wird im vorliegenden Zusammenhang eine bereits in einem Isoliergehäuse unter Zwischenlage von Ableitplatten eingeschlossene Halbleiterscheibe verstanden. Weitere Ableitplatten bzw. Kühldosen können außerhalb des Isoliergehäuses druckkontaktiert sein. Derartige Beistungs-Halbleiterbauelemente sind allgemein bekannt (z. B. Typ CS 500 von Brown Boveri & Cie Mannheim oder aus der "VDI-Zeitschrift" 107 (1965) Nr. 34 - Dezember, S. 1656).
  • Aus der letztgenannten Literaturstelle ist es weiterhin bekannt, die Scheibenzelle in Kühlkörper einzuspannen und abhängig von der gewünschten Strombelastbarkeit mit Selbstkühlung, mit forcierter Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung zu versehen. Es ist auch bekannt, die wärmeaufnehmenden Seiten von Wärmerohren einzuspannen (DT-OS 2 417 106).
  • Der Erfindung liegt ausgehend von der Spannvorrichtung der eingangs genannten Gattung die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Meßmöglichkeit der Kraft an der Spannvorrichtung selbst und damit einer eng tolerierten Druckkraft und bei gleichmäßiger Druckverteilung auch im Durchmesser sehr große Scheibenzellen bzw. sehr große Kontaktkräfte zu beherrschen. Die Kontaktkräfte von Scheibenzellen erreichen heute bereits Werte von 28 kN, ohne daß damit eine endgültige Grenze erreicht ist.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erflndungsgemß als flache Feder über mindestens der einen Druck- bzw. Ableitplatte eine großflächige Spannplatte mit zentralem Gewindeeinsatz dient, die über einen bestimmten, der Kraft proportionalen Drehwinkel einer zentralen, auf der konvexen Fläche abgestützten Druckschraube spannbar ist und die durch mindestens zwei diametrale, durch ihre Eckbereiche geführte Spannbolzen abgefangen ist.
  • Vorzugsweise wird eine quadratische, an allen vier Ecken abgespannte Spannplatte benutzt.
  • Während bei der eingangs genannten bekannten Anordnung (DT-OS 2 210 180 ) die erforderliche Druckkraft durch wechselweises Anziehen der auf den Spannbolzen befindlichen Muttern erreicht wird, braucht bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung vorteilhaft lediglich eine zentrale Druckschraube verdreht werden.
  • Die Spannvorrichtung kommt mit einer bedeutend geringeren Bauhöhe aus, als es z.B. bei bekannten Ausführungen mit Teller-, Sattel- oder Schraubenfedern der Fall ist (DT-AS 1 276 209, DT-AS 1 204 751, GB-PS 777 985, DT-AS 1 248 813), weil die Federung über die großflächige Ausbildung der Spannplatte erzielt wird. Dieser Vorteil besteht auch gegenüber dem Gegenstand der DT-OS 2 210 189, weil bei praktischer Realisierung der bekannten Anordnung zur Erzielung des beispielsweise genannten Kontaktdruckes von 18 kN drei Blattfedern von 22 x 4 mm2 geschichtet werden müssen, wobei sich nur ein Federweg von 1,5 mm ergibt, was in Verbindung mit der optischen Anzeige zu unzulässigen Abweichungen von der gewünschten Federkraft führen kann.
  • Bei gleichen sonstigen Abmessungen kann mit der erfindungsgemäßen quadratischen Spannplatte von beispielsweise 4 mm Dicke eine Kontaktkraft bis zu 25 kN bei 4 mm Federwegaufgebracht werden. Die weichere Federcharakteristik und aufgrund vermiedener Teilreibung sind die Kräfte genauer einstellbar. Sie sind auch optisch besser abzulesen; denn es versteht sich, daß der Drehwinkel der Druckschraube auf der Spannplatte mit den entsprechenden Toleranz grenzen markiert ist und somit die benötigte Spannkraft bezüglich der Spannplatte bzw. die Druckkraft bezüglich der Scheibenzelle herstellbar ist. Der Federweg ist folglich groß genug, um die zulässige Toleranz von üblicherweise + 10 % der Spannkraft einzuhalten.
  • Bevorzugt sind bei größeren Leistungen die Druck- bzw. die Ableitplatten in an sich allgemein bekannter Weise als Flüssigkeits-Kühldosen ausgeführt. Mit derartigen Anordnungen sind bekanntlich höhere Wärmeübergangswerte zu erreichen als bei Anschluß direkt luftgokühlter Kühlkörper.
  • Während im bekannten Fall (DT-OS 2 210 180) die Druck- bzw. Ableitplatten auf den Spannbolzen geführt sind, so daß zwecks Drucksymmetrierung die an der einen Druckplatte befindliche konvexe Fläche mit ihrer punktförmigen Auflage genau auf der Symmetrieachse geführt ist, ist bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung die zentrale Druckschraube genau auf der Symmetrieachse gehalten und die nicht an den Zugstangen geführten Xühldosen werden symmetrisch zur Mittelachse der Scheibenzelle und symmetrisch zur mittleren Scheibenebene in die Spannvorrichtung eingebracht. Da zwischen der konvexen Fläche und der Druckschraube ebenfalls keine starre Kopplung besteht, ist auch bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung eine symmetrische Druckverteilung gewährleistet.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigen: Fig. 1 eine Spannvorrichtung für ein druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise mit zwei Kühidosen für Flüssigkeitskühlung, Fig. 2 die Spannvorrichtung nach Fig. 1 in perspektivischer Teildarstellung von oben und Fig. 3 ein Detail von Zugstangen an einer Spannplatte.
  • Die Scheibenzelle 1 liegt zwischen zwei Kühldosen 2 (Fig. 1), wovon sich eine über ein Druckstück 3 auf einer Traverse 4 abstützt. Diese ist mit vier Isolierstücken 5 versehen, durch die die Zugstangen bzw. Spannbolzen 6 greifen, die mit Muttern 6' versehen sind. Die Zugstangen 6 sind durch Isolierrohre 7 gegenüber der Traverse 4 isoliert. Auf der in der Zeichnung gezeigten oberen Kühldose 2' befindet sich ein Druckstück 8 mit einer konvexen Fläche 8', auf dem sich eine Druckschraube 13 abstützt. Die Reakticnskraft der Druckschraube 13 wird über einen Gewindeeinsatz 12 auf eine großflächige, quadratische Spannplatte 11 übertragen die ihrerseits über Kugelabschnitte 9 und Muttern 10 an den oben mit Gewinde versehenen Zugstangen 6 abgespannt wird.
  • Der Spannvorgang wird wie folgt vorgenommen: Bei um den Abstand a zurtickgedrehter Druckschraube 13 werden nach dem Auflegen der Spann- bzw. Federplatte 11 die Muttern 10 von Hand soweit angezogen, daß eine satte Auflage der Druckschraube 13 auf der Druckplatte 8 erfolgt.
  • Danach wird die Druckschraube um einen bestimmten Winkel α gedreht, so daß entsprechend ihrer Gewindesteigung ein Hub gemäß dem Abstand a entsteht, der entsprechend der Federsteife c die erforderliche Spannkraft F hervorruft. Das heißt, der Winkel α ist ein Maß für die Größe der Spannkraft F.
  • Je nach-Größe des Halbleiterbauelementes kann der Kontaktkraftbereich von 5 bis 28 kN gehen. Die Spannplatte 11 überdeckt diesen Bereich, weil sie vorteilhaft eine flache Federcharakteristik aufweist.
  • Um die Unverdrehbarkeit des Gewindeeinsatzes 12 gegenüber der Federplatte 11 herzustellen, ist ein runder Schaft 14 des Gewindeeinsatzes 12 auf zwei gegenüberliegenden Seiten 15 angeflacht (Fig. 2). Entsprechend gestaltet ist ein Durchbruch 16 in der Spannplatte 11. Der Gewindeeinsatz 12 stützt sich an der Spannplatte 11 über einen Bund 17 ab.
  • Die Zugstangen 6 sind durch Bohrungen 18 der Spannplatte 11 hindurchgeführt (Fig. 3). Diese sind mit Ansenkungen 19 versehen, in die die Kugelabschnitte 9 eingreifen. Dadurch wird sichergestellt, daß die Zugstangen 6 nicht durch Biegekräfte beansprucht werden und die Spannplatte sich in vorbestinnnten Toleranzen frei einstellen kann. Für den Fall, daß mehrere Scheibenzellen 1 und Kühldosen 2, 2' in an sich bekannter Weise zu einem Stape3/zusammengefaßt werden, ist es zweckmäßig, zur Aufnahme der daraus resultierenden größeren thermischen Längendehnungen im vorgeschriebenem Kontaktkraft-Toleranzbereich anstelle der Traverse 4 eine zweite Blattfeder bzw. Federplatte einzusetzen.
  • In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, bei direkter Lüftkühlung die Zugstangen 6 in Form von Stiftschrauben direkt in einer der Druck- bzw. Ableitplatten zu verankern und die elektrische Isolation auf Seiten der Blattfeder 11 durchzuführen.
  • Weiterhin können die Druck- bzw. Ableitplatten auch wärmeaufnehmende Enden von Wärmerohren sein, die als solche z.B.
  • aus der Zeitschrift "Chemie-Ingenieur-Technik" 41. Jahrgang 1969, S. 30 bis 37 und in Verbindung mit Thyristorkühlung aus der eingangs genannten Literatur bekannt sind.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Spannvorrichtung für ein thermisch und elektrisch druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzel'.enbauweise mit zwei Druck- bzv. Ableitplatten, zwischen denen das Halbleiterbauelement angeordnet ist und die mittels Spannbolzen und flacher Federn mit einstellbarer. an der Spannvorrichtung meßbarer Kraft zusammendrückbar sind, wobei die Spanribolzen durch Federn geführt sind und die Mitte der Federn über eine konvexe Fläche im mittleren Bereich der einen Druck- bzw. Ableitplatte angreift, dadurch gekennzeichnet, daß als flache Feder über mindestens der einen Druck- bzw. Ableitplatte eine großflächige Spannplatte (11) mit zentralem Gewindeeinsatz (12) dient, die über einen bestimmten der Kraft proportionalen Drehwinkel ( g ) einer zentralen, auf der konvexen Fläche(8') abgestützten Druckschraube (13) spannbar ist und die durch mindestens zwei diametrale, durch ihre Eckbereiche geführte Spannbolzen (6) abgefangen ist.
  2. 2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. Ableitplatten als Flüssigkeits-Kühldosen (2, 2') ausgeführt sind.
  3. 3. Spannvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannplatte (11) quadratisch und an allen vier Ecken abgespannt ist.
  4. 4. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Spannplatte (11) ein Durchbruch (16) vorgesehen ist, in dem ein auf zwei Seiten angeflachter, ansonsten runder Schaft (14) des Gewindeeinsatzes (12) verdrehsicher gehalten ist, und daß der Gewindeeinsatz (12) unterhalb der Spannplatte (11) einen Bund (17) größeren Durchmessers als ihn der Schaft (14) besitzt, aufweist.
  5. 5. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbolzen (6) über Kugelabschnitte (9), die in Aussenkungen (19) der Spannplatte (11) geführt sind, an derselben angreifen.
  6. 6. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch eine Spannplatte (11) mit flacher Federcharakteristik in einem großen Kontaktkraftbereich.
  7. 7. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Druck- bzw. Ableitplatte oder Kühldose (2) auf einer an den Spannbolzen (6) geführten großflächigen Traverse (4) abgestützt ist.
  8. 8. Spannvorrichtuiig nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Traverse (4) als Blattfeder bzw. Spannplatte ausgeführt ist.
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