DE69227239T2

DE69227239T2 - Einbau-anordnung für hochspannungs-/hochleistungs-halbleiter

Info

Publication number: DE69227239T2
Application number: DE69227239T
Authority: DE
Inventors: Stephen Thomas Jr. Erie Pa 16504 Radack
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-10-16
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2012-07-25
Also published as: DE69227239D1; US5168425A; EP0562060B1; EP0562060A1; AU650222B2; JP2954352B2; ES2121862T3; JPH06503688A; CA2096245A1; BR9205415A; AU3638693A; WO1993008601A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Befestigungsanordnungen für Hochspannungs-/Hochleistungshalbleiter.

Hintergrund der Erfindung

Es ist übliche Praxis bei Zugfahrzeugen, zum Beispiel bei Fahrzeugen im Durchgangsverkehr, Lokomotiven und geländegängigen Lastkraftwagen, daß sie entweder von elektrischen Gleichstrom- (DC) oder Wechselstrom- (AC) Motoren angetrieben werden. Die von derartigen Motoren entwickelte Leistung kann bis zu 1940 kW (2600 Pferdestärken HP) betragen. Solche Hochleistungsmotoren erfordern eine verhältnismäßig hohe gesteuerte elektrische Energie bzw. Leistung. Zum Beispiel kann im Antriebsmodus beim Betrieb ein Nennleistungserfordernis von 750 Volt bei 1000 Ampere bestehen. Beim elektrischen Bremsen des Zugfahrzeuges können die Motoren als Generatoren betrieben werden und erzeugen eine noch höhere Spannung sowie einen noch höheren Strom. Für den Fall eines als Generator arbeitenden elektrischen Wechselspannungsmotors übersteigt die Spitzenspannung regelmäßig 1000 Volt.
Die Leistungssteuersysteme für derartige elektrische Antriebsmotoren verwenden typischerweise Leistungshalbleiterbauteile, zum Beispiel Thyristoren mit Gitterabschaltung, um den Leistungsfluß zu und von den Motoren zu steuern. Aufgrund der Größe der zu steuernden Leistung gibt es einen beträchtlichen Wärmebetrag, der von den Halbleiterbauteilen abgeleitet werden muß. Man handhabt diese Wärme im allgemeinen, indem man die Halbleiter auf relativ große Kühlkörper bzw. Wärmesenken montiert. Die Wärmesenken sind massive metallische Leiter, die gute thermische Eigenschaften und eine ausreichende Oberfläche besitzen, um genügend Wärme abzuleiten, um die Halbleiter in ihren Betriebstemperaturgrenzen zu halten.
Es ist aus Sicherheitsgründen wünschenswert, daß solche großen Kühlkörper auf elektrischem Masse- bzw. Erdpotential gehalten werden. Auf der anderen Seite sind die Halbleiter mit hohen Potentialen verbunden. Demzufolge muß irgendeine Form von elektrischer Isolierung zwischen den Halbleitern und dem Kühlkörper vorgesehen werden. Diese Isolierung ist üblicherweise eine dünne Schicht bzw. ein Bandmaterial mit guten thermischen Eigenschaften, weil es zwischen den Halbleitern und dem Kühlkörper angeordnet wird, und ein derartiges Material ist unter dem Handelsnamen Chotherm erhältlich. Als derartiges Material wird ein Material aus Bor-Nitrid mit einem Siliziumbinder in Betracht gezogen. Die Halbleiter werden auf den Kühlkörper mit dem dazwischen eingeklemmten Isoliermaterial aufgespannt. Ein Problem bei dieser Anordnung liegt darin, daß jeder Pfad entlang der Oberfläche des Isolierbleches zwischen den Halbleitern und dem Kühlkörper so eingerichtet sein muß, daß er eine Länge aufweist, die einen Spannungsdurchbruch aufgrund von Kriechströmen verhindert, wobei Kriechströme definiert sind als die Elektrizitätsleitung über die Oberfläche eines Isolators oder Dielektrikums. Die Kriechdistanz, d. h. der kürzeste Abstand über die Isolatoroberfläche zwischen zwei Leitern mit unterschiedlichem Potential wird empirisch festgestellt und kann in einem typischen System bis zu 5,0 cm (zwei Zoll) betragen, um wirksam Leiter mit einer Potentialdifferenz von 1000 Volt zu isolieren. Dieses Erfordernis für den Kriechstromabstand hat es notwendig gemacht, daß die Gehäuse bzw. Ummantelungen für Hochleistungshalbleiter groß und schwerfällig sind und große Flächen an teurem Isolierschichtmaterial beanspruchen.
Nach dem Stand der Technik ausgeführte Verfahren zum Befestigen von Halbleitern innerhalb von Gehäusen haben die Größenanforderungen an solche Ummantelungen noch weiter verschlimmert. Insbesondere ist es eine übliche Praxis, die Halbleiter zu befestigen, indem man sie einzeln auf den Kühlkörper aufspannt. Die Halbleiter für dieses Leistungserfordernis sind vorzugsweise in "Presspackungen" untergebracht bzw. gepackt, in denen die Kathoden- und Anodenanschlüsse große flache Flächen an gegenüberliegenden Enden der Halbleiter sind. Da die Klemmen notwendigerweise mit der Wärmesenke gekoppelt sind, enthält jede Berechnung der Kriechstromdistanz den Abstand der Klemmen von den Halbleitern. Einzelne Klemmen sind insbesondere dort erforderlich, wo benachbarte Halbleiter mit verschiedenen Drücken eingespannt werden können. Somit ist es auch wünschenswert, eine Vorrichtung zum Befestigen von Halbleitern zu schaffen, welche die Anzahl von Klemmen verringert, während sie es erlaubt, über eine einzelne Klemm unterschiedliche Befestigungsdrücke anzulegen. Die EP-A-0 035 135 beschreibt eine Befestigungsanordnung für ein Paar von Halbleitern, in der jeder Halbleiter von einer Vertiefung umgeben ist, um eine sichere Kriechstromdistanz zwischen stromführenden Komponenten und der elektrisch isolierten Grundplatte zu gewährleisten. Die EP-A-0 138 048 beschreibt eine Befestigungsanordnung für zwei Halbleiter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 charakterisiert.
Die obigen sowie andere wünschenswerte Merkmale werden bei der vorliegenden Erfindung erhalten in einer Befestigungsandordnung für zwei Hochspannungs-, Presspackungs-Halbleiter gemäß Anspruch 1. In einer bevorzugten Form ist die Wärmesenke mit einer erhöhten Plattform auf ihrer oberen Oberfläche ausgeführt, welche in einen ausgeschnittenen Teil auf dem Boden der isolierenden Ummantelung paßt. Konzentrisch mit dem ausgeschnittenen Teil gibt es eine Öffnung, die nach innen in die Ummantelung führt, auf der der Halbleiter befestigt ist. Eine Befestigungsplatte wird auf der erhöhten Plattform der Wärmesenke positioniert und paßt in die durch die angrenzende Oberfläche des Mantels führende Öffnung. Ein dünner Streifen aus isolierendem Material ist über der erhöhten Plattform plaziert, um die Befestigungsplatte elektrisch zu isolieren. Die Plattform sowie die entsprechende Öffnung in der Bodenfläche der Ummantelung sind größer als die durch sie führende Öffnung, um so einen Flansch abzugrenzen, der sich um die Öffnung herum erstreckt und sich auf der Plattform abstützt, wenn die Ummantelung an der Plattform befestigt ist. Eine Vertiefung ist in der Bodenfläche der Ummantelung gebildet, welche die Öffnung umgibt, und es ist ein gummiartiger O-Ring in der Vertiefung positioniert. Im Fall von zwei Halbleitern sind zwei Öffnungen in der Bodenfläche der über der erhöhten Plattform liegenden Ummantelung gebildet. Eine Vertiefung sowie ein entsprechender O-Ring sind um die zweite Öffnung herum angeordnet. Es ist eine dritte Vertiefung gebildet, welche beide Öffnungen umgibt, und es ist ein O-Ring in dieser dritten Vertiefung angebracht. Die O-Ringe bilden eine Umgebungsisolierung dazwischen, so daß eine hinsichtlich der Umgebung isolierte Fläche vorliegt, die auf der Bodenfläche der Ummantelung gebildet ist. Diese umgebungsmäßig isolierte Fläche besitzt einen sehr großen Widerstand für eine Kriechspannung, und vermindert dadurch die für die Isolierung der Halbleiter von der geerdeten Wärmesenke erforderliche Kriechstromdistanz. Zusätzlich werden die Halbleiter auf die Wärmesenke gedrückt, und zwar unter Einsatz einer einzelnen Schraube, die durch die Wärmesenke sowie in die Ummantelung führt und an einem über den Halbleitern liegenden Federstahlstab angebracht ist. Die Öffnung, durch welche die Schraube in der Ummantelung führt, ist ebenfalls mit einer Vertiefung und einem entsprechenden O-Ring ausgestattet, um wiederum zusätzliche isolierte Flächen zwischen der Schraube und der Hochspannung der Halbleiter entlang der isolierenden Oberfläche zwischen der Ummantelung und der Wärmesenke zu bilden. Der Federstahlstab erlaubt die Verwendung einer einzelnen Schraube zum Andrücken von beiden Halbleitern, selbst wenn die Halbleiter unterschiedliche Kompressionskräfte erfordern sollten. Durch eine Einstellung der Position, bei der die Schraube durch den Federstahlstab und die Wärmesenke hindurchführt, kann die auf jeden der Halbleiter ausgeübte relative Kraft eingestellt werden. Insbesondere verhält sich die auf jeden der Halbleiterkörper ausgeübte Kraft umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Halbleitern und der Schraube. Die Erfindung schafft somit eine Vorrichtung zur Verminderung der erforderlichen Kriechstromdistanz und damit der Größe der Ummantelung sowie der Wärmesenke für eine Befestigung von Leistungshalbleitern, während sie gleichzeitig die Anzahl von für die Halterung der Halbleiter an der Wärmesenke und der Ummantelung benötigten Klemmen verringert, und zwar ohne dabei auf die Möglichkeit zur Befestigung der Halbleiterkörper unter verschiedenen Klemmdrücken zu verzichten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung kann auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen Bezug genommen werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterbefestigungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm der Kriechstromdistanz als Funktion der Spannung in einem Umfeld für ein Durchgangsfahrzeug;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Bodenteil der Ummantelung von Fig. 1; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Befestigungsanordnung von Fig. 1 zur Veranschaulichung des Verfahrens für das Andrücken der Halbleiter gegen einen Kühlkörper.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im allgemeinen und insbesondere auf Fig. 1 ist dort eine Querschnittsansicht eines auf einer Wärmesenke bzw. einem Kühlkörper 12 angeordneten Halbleiterträgers oder -mantels 10 gezeigt. Ein Halbleiter 14a, z. B. ein Thyristor mit Gitterabschaltung, ist in der Ummantelung 10 montiert. Die Ummantelung 10 ist mittels Schrauben 16 mit dem Kühlkörper an entsprechenden Ecken verschraubt. Eine zentrale Öffnung 18a ist in der Ummantelung gebildet, um den Halbleiter aufzunehmen und es zu ermöglichen, daß die von dem Halbleiter erzeugte Wärme auf den Kühlkörper übergeleitet wird. Die Öffnung 18a ist mit einer größeren Fläche auf der Oberfläche der Ummantelung gebildet, die gegen den Kühlkörper anliegt, als die dem Halbleiter zugewandte Fläche der Öffnung. Die Flächendifferenz der Öffnung auf der inneren und äußeren Oberfläche der Ummantelung bildet einen Flansch 20, der kontinuierlich um die Öffnung 18a herum verläuft. Der mit 22 bezeichnete Teil der an der Oberfläche des Kühlkörpers anliegenden Öffnung ist so bemessen, daß er über eine Oberfläche 24 einer erhöhten Plattform paßt, die integral mit dem Kühlkörper 12 gebildet ist. Eine erste Vertiefung 26b ist um den die Öffnung 18 begrenzenden bzw. umgebenden Flansch 20 herum gebildet. Eine zweite Vertiefung 28 ist außen von der ersten Vertiefung 26 gebildet und würde für den Fall einer zwei Halbleiter enthaltenden Ummantelung sowohl die in Fig. 1 gezeigte Öffnung als auch die zusätzliche für einen zweiten Halbleiter erforderliche Öffnung umgeben. Eine zusammendrückbares bzw. kompressibles elektrisch isolierendes Material, das zu O-Ringen 30A, 30B geformt sein kann, ist in jede der Vertiefungen 26 bzw. 28 eingelegt. Die Höhe der Öffnung 22 sowie die Höhe der Plattform 24 ist so gewählt, daß, wenn die Ummantelung 10 an die obere Oberfläche des Kühlkörpers 12 angeschraubt ist, die O-Ringe 30A, 30B zwischen dem Kühlkörper und der Ummantelung zusammengedrückt werden, um einen umgebungsmäßig isolierten Raum zwischen den benachbarten O-Ringen zu schaffen. In Fig. 1 ist der umgebungsmäßig isolierte Raum zwischen den O-Ringen mit 32 angedeutet.
Beim Befestigen des Halbleiters 14a an der Wärmesenke bzw. an dem Kühlkörper 12 ist es notwendig, einen relativ großen elektrisch leitenden Montage- bzw. Befestigungsblock 34 zur Verfügung zu stellen, gegen den einer der Anschlüsse des Halbleiters 14a angedrückt werden kann. Der Befestigungsblock 34 ist so bemessen, daß er in die Öffnung 18 paßt, die zur genauen Positionierung des Blocks dient. Weil jedoch die Anschlüsse des Halbleiters 14a im allgemeinen auf einem relativ hohen Potentional liegen, während es wünschenswert ist, den Kühlkörper auf Masse- bzw. Erdpotentional zu haben, ist es notwendig, den Befestigungsblock 34 gegenüber dem Kühlkörper 12 zu isolieren. Dies wird erreicht, indem man eine Schicht aus einem Isolierstreifen 35 über die erhöhte Plattform 24 sowie zwischen die Plattform 24 und den Befestigungsblock 34 legt. Der Isoliermaterialstreifen 35 ist vorzugsweise ein dünner Bogen aus einem Bohr-Nitridmaterial mit einem Siliziumbinder, z. B. von dem unter dem Handelsnamen Chotherm verfügbaren Typ. Dieses Material dient nicht nur als Isolator sondern schafft auch eine gute Wärmeleitung zwischen dem Befestigungsblock 34 und der Plattform 24 und ist ebenfalls etwas kompressibel, um einen guten Wärmekontakt über die gesamte an dem Befestigungsblock 34 anliegende Oberfläche zu schaffen. Der Befestigungsblock 34 sieht ferner einen Oberflächenbereich zum Ankoppeln von einem elektrischen Bus 37 an den Halbleiter mittels einer Befestigung an dem Befestigungsblock 34 vor. Das gegenüberliegende von dem Kühlkörper 12 abgewandte Ende des Halbleiters 14 wird ebenfalls durch eine elektrisch leitfähige Befestigungsplatte 38 zusammengedrückt, die eine elektrische Busbefestigung 40 zum Anschluß einer elektrischen Verkabelung an dem oberen Anschluß des Halbleiters 14a, 14b enthält. Die Befestigungsplatte 38 wird mittels eines Isolators 42, der über der Befestiungsplatte 38 angeordnet ist, nach unten auf den Halbleiter 14 gedrückt. Über eine Kugelverbindung 44 wird von einem oberen Federstab 46 Druck auf die obere Oberfläche des Isolators 42 ausgeübt. Der Federstab 46 wird gegen den Halbleiter gedrückt von einer die Last verteilenden Mittelplatte 48 sowie einer Schraube 50, die sich durch den Stab 46 sowie die Mittelplatte 48 hindurch erstreckt und an dem Kühlkörper 12 befestigt ist. Die Mutter 52 am oberen Teil der Schraube 50 kann angezogen werden, um den auf dem Halbleiter 14 lastenden Druck zu steuern, wenn er nach unten gegen den Kühlkörper 12 gedrückt wird.
Es ist anzumerken, daß die Schraube 50 sich von der unteren Oberfläche des Kühlkörpers 12 nach oben durch wenigstens die untere Oberfläche der Ummantelung 10 hindurch erstreckt, bevor sie in den Federstab 46 eingreift. Da die Schraube 50 durch die Ummantelung 10 reicht, ist in der unteren Oberfläche der Ummantelung 10 für die Durchführung der Metallschraube eine Öffnung 54 vorgesehen. Da es wünschenswert ist, diese Metallschraube 50 gegen elektrische Kriechströme zu isolieren, ist eine weitere Vertiefung 56 in der unteren Oberfläche der Ummantelung 10 gebildet, welche die Öffnung 54 umgibt, durch die die Schraube 50 hindurchführt. Die Vertiefung 56 wird mit einem O-Ring 58 ähnlich zu den O-Ringen 30A, 30B gefüllt. Die Ummantelung 10 ist aus einem geformten isolierenden Material hergestellt, das in der Lage ist, eine ausreichende Festigkeit für die Befestigung der Halbleiter zu bieten als auch die elektrische Isolation vorzusehen, um die Halbleiter in elektrischer Hinsicht zu schützen. Die in der oben beschriebenen Weise vorliegenden verschiedenen Öffnungen durch die untere Oberfläche der Ummantelung 10 schaffen jedoch Flächen, in die Staub, Feuchtigkeit oder andere Umgebungsverunreinigungen eindringen und entlang der Oberfläche des Isolierstreifens 35 wandern können. Aus diesem Grund waren nach der bisherigen Praxis gewisse Mindestabstände zwischen der Kante des Befestigungsblockes 34 und dem Ende der Isolierschicht 35 erforderlich, um die Chance für das Auftreten von Kriechströmen zu minimieren, die zu einem elektrischen Zusammenbruch des Systems führen. Für im Bereich von 1000 Volt arbeitende Halbleiter würde in typischen Fällen die Kante 60 des Befestigungsblockes 34 notwendigerweise über eine wenigstens 5,0 cm (zwei Zoll) Kriechstromdistanz gegenüber der Kante 62 der Plattform 24 isoliert sein müssen. Dies hat zu Ummantelungen und Kühlkörpern von relativ großen Abmessungen geführt, um diese Mindestgröße für die Kriechstromdistanz vorzusehen. Indem kurz auf Fig. 2 Bezug genommen wird, ist dort ein Diagramm gezeigt, das die bei verschiedenen Spannungen in einem Umfeld eines Durchgangsfahrzeuges geforderte minimalerforderliche Kriechstromdistanz darstellt. Man beachte, daß bei einer Annäherung an 3000 Volt die minimale zulässige Kriechstromdistanz 15 cm (sechs Zoll) erreicht. Die Anmelderin hat herausgefunden, daß ein Verfahren zum Verringern dieser Kriechstromdistanz darin besteht, Abschnitte auf der Oberfläche des Isolators 35 umgebungsmäßig zu isolieren, um eine Verunreinigung durch Feuchtigkeit, Staub oder andere Verunreinigungen zu verhindern. In dieser Hinsicht bilden die O-Ringe 30A, 30B sowie 58 umgebungsmäßig isolierte Flächen, die keiner Verunreinigung mehr ausgesetzt sind. Wenn die Halbleiterbaugruppe in einem Reinraum zusammengesetzt wird, so daß bei der Montage kein Staub oder andere Verunreinigungen auf der Oberfläche des Isolators zugelassen werden, werden diese umgebungsmäßig isolierten Flächen zur Verringerung der Kriechstromdistanz dienen, die erforderlich ist, um die Spannung der Halbleiter von dem Massepotentional auf dem Kühlkörper zu isolieren. Die Anmelderin hat herausgefunden, daß eine Spannung von 1000 Volt wirksam isoliert werden kann mit einer Kriechstromdistanz von nicht mehr als 0,48 cm (3/16 Zoll), wenn die Fläche entlang dem Isolatorstreifen umgebungsmäßig isoliert ist.
Zum besseren Verständnis der Anordnung der O-Ringe 30A, 30B sowie 58 und der entsprechenden Vertiefungen 26A, 26B, 28, 56, wird Bezug auf Fig. 3 genommen, die eine Bodenansicht der Ummantelung 10 von Fig. 1 darstellt, wobei der Halbleiter 14 und seine zugehörige Befestigung sowie seine elektrischen Verbindungen weggelassen sind. Wie in der Bodenansicht zu ersehen, ist jede der Öffnungen der 18A, 18B und 54 durch die untere Oberfläche umgeben von einer entsprechenden Vertiefung 26A, 26B und 56. Die zuvor erwähnten O-Ringe 30A, 30B und 58 werden in diese Vertiefungen eingesetzt, um eine Dichtung für die Isolation jeder der Öffnungen von der angrenzenden unteren Oberfläche der Ummantelung 10 zu bilden. Eine zusätzliche Vertiefung 28 ist außerhalb von den Öffnungen gebildet, welche Vertiefung vollständig die Öffnungen 18A, 18B sowie 54, die ersten beiden Vertiefungen 26A, 26B, die zu jeder von den entsprechenden Öffnungen 18A, 18B gehören, und zusätzlich die dritte Vertiefung 56 umgibt, die ihrerseits die Mittelöffnung 54 umgibt, durch welche die Schraube 50 für die unter Zusammendrücken erfolgende Befestigung der Halbleiter 14 an dem Kühlkörper 12 führt. Der Raum 32 zwischen den Dichtungen ist ein umgebungsmäßig isolierter Raum in dem Sinne, daß, wenn die Ummantelung 10 einmal an dem Kühlkörper 12 befestigt ist, kein Staub, keine Feuchtigkeit oder keine anderen Verunreinigungen in diesen Raum eindringen können. Da das Vorhandensein von Staub und Feuchtigkeit als hauptsächliche Quelle für einen Spannungsdurchbruch als Ergebnis eines Kriechstroms gefunden wurde, verringert die Beseitigung dieses Mediums bzw. Einflusses von der Oberfläche zwischen der Ummantelung 10 und dem Kühlkörper 12 ganz beträchtlich die erforderliche Kriechstromdistanz. Für die veranschaulichte Ausführung wurde gefunden, daß der tatsächliche Abstand zwischen dem O-Ring 30A und dem äußeren O-Ring 30B auf 0,48 cm (3/16 Zoll) oder weniger verringert werden kann und immer noch der erforderliche Abstand eingehalten wird, um einen Spannungsüberschlag auf Grund von Kriechströmen bei Spannungen von etwa 1200 Volt zu vermeiden.
Wie vorher beschrieben wurde, ist es notwendig, jeden der Halbleiter 14 mit ausreichender Kraft gegen den Kühlkörper 12 zu drücken, um sicherzustellen, daß der Kontakt relativ gleichförmig über die gesamte Oberfläche der Halbleiter ist. Was dies anbelangt, arbeitet die Schraube 50 gegen den Stab 46, um die beiden Halbleiter in der Umhüllung 10 fest gegen den Kühlkörper bzw. die Wärmesenke 12 zu drücken. Wendet man sich nun Fig. 4 zu, so ist dort eine Methode für die Anordnung des Stabes 46 sowie der Schraube 50 derart gezeigt, daß sie für eine Verteilung der in irgendeiner vorgeschriebenen Weise auf jeden der Halbleiter 14A, 14B ausgeübten Kraft sorgt. Bei dieser Anordnung kann der Abstand zwischen dem Punkt, an dem die Schraube 50 mit dem Stab 46 in Verbindung steht und jedem der angrenzenden Halbleiter so eingestellt werden, daß die auf einen der Halbleiter ausgeübte Kraft von der auf den anderen der Halbleiter ausgeübten Kraft verschieden sein kann. Im Einzelnen kann gezeigt werden, daß der Stab 46, der aus einem stark bemessenen Federstahl gestaltet ist, auf jeden der Halbleiter eine Kraft ausüben wird, die proportional ist zu dem relativen Abstand zwischen dem Punkt, an dem die Schraube 50 mit dem Stab 46 in Verbindung steht, und jedem der angrenzenden Halbleiter 14A, 14B. Wenn zum Beispiel der Abstand zu einer Seite der Schraube 50 und dem angrenzenden Halbleiter definiert ist als L1 und der Abstand zu der anderen Seite der Schraube und ihrem benachbarten Halbleiter definiert ist als L2, wird die auf jeden der Halbleiter ausgeübte Kraft dargestellt durch die Gleichung:
P&sub1; = P/L&sub1; + L&sub2;(L&sub2;)
Dabei ist P der auf die Schraube 50 ausgeübte Druck, P&sub1; ist der auf einen der Halbleiter 14A ausgeübte Druck, L&sub1; ist der Abstand von dem einen der Halbleiter zu der Schraube und L&sub2; ist der Abstand von dem anderen der Halbleiter 14B zu der Schraube. Man wird weiterhin bei dieser Ausführung feststellen, daß die oben auf jedem der Halbleiter angeordneten Kugelverbindungen oder Kugelstempel 44 es dem Federstahlstab 46 erlauben, sich in seitlichen Richtungen zu bewegen, ohne eine Kraft auf die Isolatoren 42 auszuüben, was eine seitlich auf die Halbleiter 14A, 14B zu übertragende Kraft verursachen würde. Demzufolge können die Schrauben 50 nach unten auf jeden vorgeschriebenen oder gewünschten Druck angezogen werden, ohne die Lage der Halbleiter 14A, 14B zu verändern. Es ist vorzuziehen, daß die Verteiler- bzw. Streuplatte 48 über dem Federstahlstab 46 verwendet wird, um die über die Schraube 50 angelegte Kraft zu verteilen. Der Stab 46 kann aus einem Federstahlmaterial mit einer Dicke von etwa 4,8 mm (3/16 Zoll) gefertigt sein.

Claims

1. Befestigungsanordnung für zwei Hochspannungs-, Presspackungs-Halbleiter (14a, 14b), enthaltend:

ein Wärmesenke (12) mit einer Stützfläche,

einen Mantel (10), der aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und eine Befestigungsfläche aufweist, zum Zusammenpassen mit der Stützfläche der Wärmesenke, gekennzeichnet durch zwei im Abstand angeordnete Öffnungen (18a, 18b), die sich durch die Befestigungsfläche erstrecken, zum genauen Positionieren von einem entsprechenden der Halbleiter, wobei jede Öffnung von einer entsprechenden von zwei Vertiefungen (26a, 26b) umgeben ist, wobei eine dritte Vertiefung (28) im Abstand von den zwei Vertiefungen auf der Befestigungsfläche angeordnet ist und diese umgibt, wobei die Fläche zwischen den zwei Vertiefungen und der dritten Vertiefung einen Raum (32) bildet,

eine zusammendrückbare elektrische Isoliereinrichtung (30A, 30B), die in jeder der Vertiefungen angeordnet ist, zum Isolieren des Raumes vor Umgebungs-Verunreinigungen, wenn der Mantel auf die Wärmesenke geklemmt ist, und eine Einrichtung zum Befestigen (34, 46, 48, 50, 52) von jeweils einem der zwei Halbleiter in einer der im Abstand angeordneten Öffnungen.

2. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Befestigungseinrichtung (34, 46, 48, 50, 52) ferner enthält:

eine elektrisch leitende Befestigungsplatte (34), die in jeder Öffnung elektrisch isoliert von der Wärmesenke angeordnet ist, wobei der eine Anschluß von jedem Halbleiter in elektrischem Kontakt mit einer entsprechenden Befestigungsplatte angeordnet ist,

einen Federstab (46), der sich zwischen den Halbleitern erstreckt, wobei gegenüberliegende Enden des Stabes auf einem zweiten elektrischen Anschluß von einem entsprechenden Halbleiter gehaltert sind, und

eine Einrichtung (50, 52), die mit der Wärmesenke und dem Stab verbunden ist, zum Spannen des Stabes in Richtung auf die Wärmesenke zum Zusammendrücken der Halbleiter zwischen entsprechenden Enden von dem Stab und der Wärmesenke.

3. Befestigungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Spanneinrichtung (50, 52) ferner enthält:

eine zwischen den Halbleitern so angeordnete Einrichtung (48), daß der relative Abstand zwischen jedem der Halbleiter und der Spanneinrichtung umgekehrt proportional zu der Kraft ist, die durch die Einrichtung auf jeden der Halbleiter ausgeübt wird.

4. Befestigungsanordnung nach Anspruch 3, ferner enthaltend:

eine Einrichtung (44), die zwischen jedem Ende von dem Stab und einem entsprechenden der Halbleiter angeordnet ist, zum Absorbieren von Bewegung des Stabes in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Spannkraft, die durch den Stab während seiner Spannung ausgeübt wird.

5. Befestigungsanordnung nach Anspruch 4, wobei der Stab (46) elektrisch leitend ist und elektrisch isolierendes Material (42) aufweist, das zwischen jedem der Halbleiter und dem Stab angeordnet ist.

6. Befestigungsanordnung nach Anspruch 5, ferner enthaltend:

zwei erhöhte Plattformen (24), die auf der Stützfläche der Wärmesenke ausgebildet sind, wobei jede erhöhte Plattform mit einer entsprechenden Öffnung in dem Mantel ausgerichtet ist, wobei die Öffnungen jeweils eine größere Fläche auf einer Oberfläche des Mantels aufweisen, die gegen die Wärmesenke anliegt, als eine auf die Halbleiter gerichtete Oberfläche, wobei die Differenz in der Oberfläche einen Flansch (20) bildet, der sich von jeder ihrer Seiten in die Öffnung erstreckt, wobei die Vertiefungen in dem Flansch zum Isolieren der Halbleiter gegen die Wärmesenke ausgebildet sind.

7. Befestigungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die zwei die Öffnungen umgebenden Vertiefungen (26a, 26b) an ihren nahegelegensten Punkten die Öffnungen in einem Abstand von 4,8 mm (3/16 Zoll) von der äußeren Vertiefung umgeben.

8. Befestigungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Spanneinrichtung (50,52) ferner enthält:

eine Öffnung (54), die in der Oberfläche des Mantels benachbart zur Wärmesenke ausgebildet ist,

einen Bolzen (50), der zwischen den Halbleitern angeordnet ist und sich durch die Wärmesenke und den Stab erstreckt, eine vierte Vertiefung (56), die in der an der Wärmesenke anliegenden Oberfläche des Mantels ausgebildet ist, wobei die vierte Vertiefung die Öffnung umgibt und von der dritten Vertiefung umgeben ist, und

eine zusammendrückbare elektrische Isoliereinrichtung (58), die in der vierten Vertiefung angeordnet ist, zum umgebungsmäßigen Isolieren der Öffnung von dem Raum zwischen den Vertiefungen, wenn der Mantel mit der Wärmesenke verbunden ist.