DE2603813C2

DE2603813C2 - Spannvorrichtung für ein thermisch und elektrisch druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise

Info

Publication number: DE2603813C2
Application number: DE2603813A
Authority: DE
Inventors: Arno Ing.(grad.) 6941 Groxheimertal Henke
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1976-02-02
Filing date: 1976-02-02
Publication date: 1982-11-18
Also published as: CH604371A5; AT348622B; ATA66777A; DE2603813A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannvorrichtung für ein thermisch und elektris.· Ί druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Spannvorrichtung ist aus der DE-OS 16 14 437 bekannt. Die bekannte Spannvorrichtung eignet sich insbesondere für eine Gleichrichteranordnung mit Gleichrichterzellen, die in einem im wesentlichen scheibenförmigen Gehäuse angeordnet sind, das an einem Flüssigkeitskühlkörper anliegt, und bei der jeweils mehrere Zellen abwechselnd mit einem Kühlkörper zu einer säulenförmigen Baueinheit gestapelt sind. Die Gleichrichteranordnung ist dabei durch eine Reihenschaltung der Kühlkörper im geschlossenen Kreislauf des Kühlmediums gekennzeichnet. Die bekannte Spannvorrichtung besitzt ein starres Joch als flache Spannplatte auf der einen Seite. Die notwendige Anpreßkraft wird mittels der im Zentrum des )i hs angeordneten Einstellschraube bewirkt. Eine präzise Einstellung der Anpreßkraft ist nicht möglich, da insbesondere keine Meßmöglichkeit der Kraft an der Spannvorrichtung selbst gegeben ist.

Bei einer weiteren bekannten Spannvorrichtung mit zusätzlichen, auf die Druckplatten einwirkenden Blattfedern (DE-OS 22 10 180) 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 Drucksyfnmetrie erreicht. Nur bei eng tolerierter Druckkraft und genauer Drucksymmetrie sind optimale Sironv und Wärmeübergänge an den Kontaktflächen gewährleistet, Bekanntlich resul· tiert die Größe der Kontaktkraft Vornehmlich aus den erforderlichen kleinen Wärmewiderständen der Scheibenzelle selbst und den Wärmewiderständen zwischen dieser und den Kühlkörpern. Die Summe aller Wärmewiderstände 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 Kristallfläche 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 Leistungs-Halbleiterbauelemente sind allgemein bekannt (z. B. Typ CS 500 von Brown, Boveri

6 Cie Mannheim oder aus der »VDI-Zeitschrift«, Bd. 107.1965, Heft 34, Seite 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 (DE-OS 24 17 106).

Der Erfindung liegt ausgehend von der Spannvorrichtung der eingangs genannten Gattung die Aufgabe zugrunde, die Spannvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine gewünschte Kontaktkraft in äußerst zuverlässiger, rubcher und sehr genauer Weise eingestellt werden kann, um damit eine eng tolerierte Druckkraft bei gleichmäßiger Druckverteilung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zur genauen Einstellung lediglich eine zentrale Einstellschraube verdreht werden muß, wobei eine Meßmöglichkeit der eingestellten Kraft an der Spannvorrichtung selbst gegeben ist. Es sind sehr große Kontaktkräfte zuverlässig beherrschbar, wobei eine gleichmäßige Druckverteilung auch für im Durchmesser sehr große Scheibenzellen gewährleistet ist. Ein Verkanten der Spannplatte ist aufgrund ihrer quadratischen Form nicht möglich. Die Eigenbewegungen der Spannplatte während des Verspannvorganges werden mit Hilfe der Kugelabschnitte kompensiert, so daß eine gewünschte Drucksymmetrie unabhängig von der Höhe der Anpreßkraft erhalten bleibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Spannvorrichtung kommt mit einer bedeutend geringeren Bauhöhe aus. als es z. B. bei bekannten Ausführungen mit Teller-, Sattel- oder Schraubenfedern der FaIIiSt(DE-AS 12 76 209, DE-AS 12 04 751. GB-PS

7 77 985. DE-AS 12 48 813), weil die Federung über die großflächige Ausbildung der Spannplatte erzielt wird. Dieser Vorteil besteht auch gegenüber dem Gegenstand der DEOS 22 10 180, weil bei praktischer Realisierung der bekannten Anordnung zur Erzielung eines Kontaktdruckes von z, B, 18 kN drei Blattfedern Von 22 · 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 etwa 4 mm Federweg aufgebracht werden. Durch 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 Einstellschraube auf der Spannplatte mit den entsprechenden Toleranzgrenzen markiert ist und somit die benötigte Spannkraft bezüglich der Spannplatte bzw. die Druckkraft bezüglich <_!er Scheibenzelle herstellbar ist. Der Federweg ist folglich groß genug, um die zulässige Toleranzgrenze von üblicherweise +10% der Spannkraft einzuhalten.

Während im bekannten Fall (DE-OS 22 10 180) die Druck- bzw. Ableitplatten auf den Spannbolzen geführt sind, so daß zwecks Drucksymmetrierung die an der einen Druckplatte befindliche konvexe Fläche mit ihrer punklförmigen Auflage genau auf der Symmetrieachse geführt ist, ist bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung die zentrale Einstellschraube genau auf der Symmetrieachse gehalten und die nicht an den Spannbolzen geführten Kühldosen werden symmetrisch zur Mittelachse der Scheibenzelle und symmetrisch zur mittleren Scheibenebene in die Spannvorrichtung eingebracht Da zwischen der konvexen Fläche und der Einstellschraube ebenfalls keine siarre Kopplung besteht, ist auch bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung eine symmetrische Druckverteilung gewährleistet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Spannvorrichtung für ein druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise mit zwei Kühldosen für Flüssigkeitskühlung,

F i g. 2 die Spannvorrichtung nach F i g. 1 in perspektivischer Teildarstellung von oben und

Fig. 3 ein Detail von Spannbolzen an einer Spannplatte.

Die Scheibenzelle 1 liegt zwischen zwei Kühldosen 2 und 2' (Fig. 1/, wovon sich eine über ein Druckstück 3 auf einer Bodenplatte 4 abstützt. Diese ist mit vier Isolierstücken 5 versehen, durch die die Spannbolzen 6 greifen, die mit Muttern 6' versehen sind. Die Spannbolzen 6 sind durch Isolierrohre 7 gegenüber der Bodenplatte 4 isoliert. Auf der in der Zeichnung gezeigten oöeren Kühldose 2' befindet sich eine Druckplatte 8 mit einer konvexen Fläche 8', auf dem sich eine Einstellschraube 13 abstützt. Die Reaktionskraft der Einstellschraube 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 Spannbolzen 6 abgespannt wird.

Der Spannvorgang wird wie folgt vorgenommen.

Bei um den Abstand a zurückgedrehter Einstellschraube 13 werden nach dem Auflegen der Spannplatte 11 die Muttern 10 von Hand soweit angezogen, daß eine satte Auflage der Einstellschraube 13 auf der Druckplatte 8 erfolgt. Danach wird die Einstellschraube um einen bestimmten Winkel cn gedreht, so daß entsprechend ihrer Gewindesteigung ein Hub gemäß dem Absland a entsteht, der entsprechend der Federsteife c die erforderliche Spannkraft F hervorruft Das heißt, der Winkel«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 Federcharakterbtik aufweist.

Um die Unverdrehbarkeit des Gewindeeinsatzes 12 gegenüber der Spannplatte 11 herzustellen, ist ein runder Schaft 14 des Gewindeeinsa ..-es 12 auf zwei gegenüberliegenden Seiten 15 angcfls-ht (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 Spinnbolzen 6 sind durch Bohrungen 18 der Spannplatte 11 hindurchgeführt (F i g. 3). Diese sind mit Ansenkungen 19 versehen, in die die Kugelabschnitte 9 eingreifen. Dadurch wird sichergestellt, daß die Spannbolzen 6 nicht durch Biegekraft, beansprucht werden und die Spannplatte sich in vorbestimmten Toleranzen frei einstellen kann. Für den Fall, daß mehrere Scheibenzellen 1 und Kühldosen 2,2' in an sich bekannter Weise zu einem Stapel zusammengefaßt werden, ist es zweckmäßig, zur Aufnahme der daraus resultierenden größeren thermischen Längendehnungen im vorgeschriebenem Kontaktkraft-Toleranzbereich anstelle der Bodenplatte 4 eine zweite federnde Spannplatte einzusetzen.

in weiterer Ausgestaltung ist es möglich, bei direkter Luftkühlung die Spannbolzen 6 in Form von Stiftschrauben cirekt in einer der Druck- bzw. Ableitplatlen zu verankern und die elektrische Isolation auf Seiten der Spannplatte 11 durchzuführen.

Weiterhin können die Druck- bzw. Ableitplatten auch wärmeaufnehmende Enden von Wärmeronren sein, die als solche z. B. aus der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik«, Bd. 41,1969. Seite 30 bis 37 und in Verbindung mit Thyristorkühlung aus der eingangs genannten Literatur bekannt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannvorrichtung für mindestens ein thermisch und elektrisch druckkontaktiertes Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise mit mindestens zwei als Flüssigkeits-Kühldosen ausgeführten Druck- bzw. Ableitplatten, zwischen denen das Halbleiterbauelement angeordnet ist, mit einer flachen Spannplatte auf der einen Seite und einer Bodenplatte auf der anderen Seite, durch welche beiden Platten in den Eckbereichen mit Muttern versehene Spannbolzen geführt sind, mit einer durch einen zentralen verdrehsicheren Gewindeeinsatz der Spannplatte geführten und gegen die Ableitplatte über eine konvexe Fläche sich abstützenden is Einstellschraube für die Kraft bzw. den Kontaktdruck, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannplatte (11) quadratisch und federnd ausgebildet ist und daß die Spannbolzen (6) über unterhalb ihrer M"^ftern (10) angeordneten Kugelabschnitte (9), die in Ansenkungen (19) der Spannplatte (11) geführt sind, an die Spannplatte angreifen.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spannplatte (11) mit flacher Federcharakteristik in einem großen Kontaktkraftbereich.

3. Spannvorrichtung nacii Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (4) ebenfalls als federnde Spannplatte ausgeführt ist.

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