УЛУЧШЕННАЯ ДИСКОВАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ НЕСКОЛЬКИХ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОСРЕДСТВОМ ЗАЖАТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
IMPROVED DISC CELL FOR SEVERAL SEMICONDUCTOR ELEMENTS CONTACTING THROUGH CLAMPING

Данное изобретение относится к дисковой ячейке для нескольких полупроводниковых элементов, в частности нескольких силовых полупроводниковых элементов. Как правило, такие дисковые ячейки служат для приема и электрического контакта по меньшей мере одного полупроводникового элемента и обычно находятся в теплопроводящем контакте с радиатором охлаждения. Важной сутью этой ячейки является герметичное закрытие полупроводникового элемента при одновременном электрическом и тепловом соединении посредством прижимного контакта полупроводникового элемента снаружи.
Известная дисковая ячейка включает в себя по существу корпус и по меньшей мере один полупроводниковый элемент. При этом дисковая ячейка представляет собой коммерчески реализуемую единицу. Сверх этого, известны дисковые ячейки, в которых установлены несколько полупроводниковых элементов, которые в отношении своих геометрических размеров имеют одинаковый тип конструкции. Однако это не является проблемой, так как при совпадающем типе конструкции конструктивные элементы идентичны в отношении своих предельных механических нагрузок. Зажатие нескольких конструктивных элементов становится проблематичным в том случае, если они, например, уже ввиду различной геометрии могут нагружаться различными механическими нагрузками. В то время как само оснащение внутренней части корпуса полупроводниковыми элементами, как правило, не является проблемой, механически самый слабый конструктивный элемент может легко повреждаться при зажатии, если дисковая ячейка, как правило, у конечного потребителя зажимается для электрического и теплового контакта. Поэтому до сих пор благодаря различным предельным нагрузкам полупроводниковые элементы различных типов конструкции должны были зажиматься в отдельных дисковых ячейках, для того чтобы была возможность отдельно регулировать зажатие для каждого конструктивного элемента, для того чтобы таким образом была в конечном счете возможность учитывать различные механические предельные нагрузки конструктивных элементов. Это имеет тот недостаток, что количество конструктивных элементов повышено, конструктивный объем дисковой ячейки оказывается отрицательным образом большим и конструкция и/или необходимая при определенных условиях отдельная регулировка зажатия является сравнительно трудоемкой.
Для этого соответствующие данному типу, включающие в себя дисковую ячейку системы имеют зажимные средства, такие как разжимающие или сжимающие резьбовые средства, которые служат для фиксации полупроводниковых элементов и установления электрического, а также теплового прижимного контакта согласно изобретению нескольких полупроводниковых элементов. Применительно к встречающимся именно в силовой полупроводниковой электронике проблемам при переменных тепловых нагрузках были разработаны подобные зажимные контакты для контакта устойчивых к высокому напряжению и высокому току конструктивных элементов. Примерами таких устойчивых к высокому напряжению полупроводниковых элементов являются высоковольтные тиристоры, которые являются центральными конструктивными элементами в сверхмощных преобразователях частоты переменного тока. В частности, для таких устройств имеют место высокие требования к надежности конструктивных элементов. Так как конструктивные элементы имеют сравнительно хрупкие слои из полупроводникового материала, конструктивные элементы постоянно подвержены опасности разрушения при чрезмерной механической нагрузке из-за прижимного контакта.
При этом установление и сохранение механического и таким образом электрического и теплового контакта между контактной областью электронного конструктивного элемента и проводящим ток контактом также осуществляется по существу посредством механически приложенных усилий. Это имеет то преимущество, что благодаря соответствующей регулировке механических усилий - например, при помощи зажимных устройств или пружинных устройств - за счет связанных с этой механической фиксацией механических допусков могут в достаточной степени учитываться переменные тепловые нагрузки.
С учетом этих недостатков перед данным изобретением была поставлена задача по предоставлению дисковой ячейки для нескольких полупроводниковых элементов, а также системы из этой дисковой ячейки с зажимными средствами, у которой, несмотря на различные полупроводниковые элементы, достигнута высокая степень интеграции, уменьшено количество конструктивных элементов, а также количество необходимых дисковых ячеек, сокращен конструктивный объем, может упрощаться регулировка зажатия и/или могут лучше учитываться различные механические предельные нагрузки конструктивных элементов.
Согласно изобретению эта задача решается с помощью дисковой ячейки с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Дальнейшие, наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные по отдельности в пунктах формулы изобретения признаки могут комбинироваться друг с другом произвольным и технически целесообразным образом и показывают дальнейшие варианты осуществления изобретения. Описание характеризует и дополнительно уточняет изобретение в частности в связи с чертежом.
Изобретение относится к дисковой ячейке для нескольких полупроводниковых элементов. Соответствующая изобретению дисковая ячейка включает в себя корпус. Корпус предпочтительно имеет стенку из не проводящего электричество материала, такого как керамика. Стенка имеет форму, например, кольца. Предпочтительно полупроводниковые элементы установлены внутри корпуса, будучи герметично закрыты. Далее дисковая ячейка включает в себя, по меньшей мере, один первый, установленный в корпусе, полупроводниковый элемент первого типа конструкции и, по меньшей мере, один второй, установленный в корпусе, полупроводниковый элемент второго типа конструкции. Таким образом, термин "дисковая ячейка" определяет узел из одного корпуса и нескольких полупроводниковых конструктивных элементов, которые в дальнейшем обозначаются также кратко как "конструктивные элементы". Предпочтительно конструктивные элементы установлены в корпусе без возможности съема, даже если дисковая ячейка не зажата и/или не закреплена на радиаторе охлаждения. Терминология "различный тип конструкции" должна толковаться в широком смысле и подразумевает, например, различные наружные размеры и/или геометрии, а также различие в структуре слоя, однако при в остальном идентичных наружных размерах может также означать различное контактное усилие при прижимном контакте. Предпочтительно речь идет, по меньшей мере, о различии в механической предельной нагрузке различных типов конструкции, параллельной к направлению зажатия.
Согласно изобретению корпус включает в себя, по меньшей мере, одну покрывающую первый и второй полупроводниковый элемент, ориентированную по существу под прямым углом к зажимному усилию, металлическую прижимную пластину для зажатия первого и второго полупроводникового элемента. При этом прижимная пластина выполнена таким образом, что зажимное усилие воздействует на нее с локальным ограничением, для того чтобы при помощи прижимной пластины зажимать первый и второй полупроводниковый элемент, причем первый полупроводниковый элемент расположен под локальной областью воздействия зажимного усилия, а второй конструктивный элемент расположен, по меньшей мере, частично, то есть от частично до полностью, предпочтительно полностью, за пределами локальной области воздействия.
Далее изобретение относится к системе из описанной выше дисковой ячейки и зажимных средств, которые предусмотрены для того, чтобы зажимать первый и второй полупроводниковый элемент под воздействием созданного зажимными средствами зажимного усилия и электрически контактировать первый и второй полупроводниковый элемент. Зажимное усилие создается, например, посредством пружин или винтовых средств, предпочтительно посредством разжимающего или сжимающего резьбового средства.
В одном варианте осуществления конструктивные элементы первого и второго типа конструкции зажимаются между описанной выше прижимной пластиной и воспринимающей давление контрпластиной, причем контрпластина, например, по всей поверхности прилегает к радиатору охлаждения. Согласно предпочтительному варианту осуществления конструктивные элементы первого и второго типа конструкции зажимаются между двумя выполненными согласно изобретению прижимными пластинами. Предпочтительно прижимная пластина и контрпластина выполнены таким образом и соответственно предусмотрены такие диски регулировки по высоте, что во время предшествующего по времени перед зажатием сближения контрпластины и прижимной пластины одновременно происходит механический контакт с первым полупроводниковым элементом и со вторым полупроводниковым элементом.
Другими словами, выступание прижимной пластины за пределы области воздействия обеспечивает разделение силового потока. В то время как первый полупроводниковый элемент расположен в силовом потоке зажимного усилия, второй расположенный под выступающей частью прижимной пластины полупроводниковый элемент находится в ответвленном на прижимной пластине силовом потоке. Таким образом, металлическая, предпочтительно круглая прижимная пластина, действует в качестве упругой балки изгиба и подпружинивает воздействие на второй или вторые полупроводниковые элементы. Следовательно, прижимная сила и таким образом также механическая нагрузка второго или вторых полупроводниковых элементов уменьшена по сравнению с первым или первыми полупроводниковыми элементами. Это может использоваться, например для того, чтобы тот полупроводниковый элемент, который имеет менее критичную зависимость контактного сопротивления от зажимного усилия, располагать в качестве второго полупроводникового элемента в ответвленном силовом потоке. Предпочтительно второй полупроводниковый элемент имеет тип конструкции, механическая предельная нагрузка которого в направлении зажатия меньше, чем соответствующая механическая предельная нагрузка первого полупроводникового элемента.
Согласно изобретению второй полупроводниковый элемент находится в области ответвленного силового потока. Например, различная предельная нагрузка между первым и вторым конструктивным элементом возникает из-за различной толщины ориентированного, как правило, под прямым углом к зажимному усилию полупроводникового слоя. Благодаря соответствующему изобретению исполнению дисковой ячейки даже при максимальном зажатии первого конструктивного элемента обеспечивается "подпружиненная" нагрузка второго конструктивного элемента, и таким образом, несмотря на максимальную нагрузку первого конструктивного элемента зажимным усилием, может обеспечиваться меньшая нагрузка второго конструктивного элемента. Таким образом, в одной дисковой ячейке возможно составлять пару из механически менее нагружаемого конструктивного элемента с механически более нагружаемым конструктивным элементом. В частности, при соответствующем расположении, а именно если второй конструктивный элемент является механически одинаково или менее нагружаемым конструктивным элементом, возможно надежно зажимать первый конструктивный элемент без опасности механического разрушения второго конструктивного элемента. Таким образом, даже при максимальной нагрузке первого конструктивного элемента, которой добиваются по причинам теплового и электрического контакта, может надежно предотвращаться разрушение вторых полупроводниковых элементов.
Предпочтительно прижимная пластина прилегает к соответствующим контактным поверхностям полупроводниковых элементов и тем самым одновременно служит для непосредственного электрического и теплового контакта полупроводниковых элементов.
Согласно дальнейшему варианту осуществления предусмотрено то, что первый полупроводниковый элемент по меньшей мере одной из своих поверхностей прилегания по меньшей мере в незажатом состоянии прилегает не по всей поверхности. Другими словами, полупроводниковый элемент своей прилагающей ответной частью, например к соответствующей изобретению прижимной пластине или к воспринимающей давление контрпластине образует пустое пространство. Вследствие этого существует та возможность, что первый полупроводниковый элемент под воздействием зажатия подвергается деформации, и поверхность прилегания полупроводникового элемента увеличивается с повышением зажимного усилия благодаря упругой или пластичной деформации конструктивного элемента. Таким образом, полупроводниковый элемент "подпружинивает" зажатие. Тем самым зажатие второго полупроводникового элемента может лучше регулироваться благодаря противодействующему усилию первого полупроводникового элемента. Предпочтительно это выполняется посредством изогнутой поверхности прилегания на сторонах полупроводникового элемента. Например, наружный состоящий из полупроводникового материала, например из кремния, слой первого полупроводникового элемента имеет поверхность, которая изогнута в направлении от поверхности прилегания.
Согласно дальнейшему варианту осуществления первый полупроводниковый элемент, то есть например вся слоистая структура, в незажатом состоянии имеет изогнутую форму.
Согласно дальнейшему варианту осуществления максимальное расстояние в свету между поверхностью прилегания и соответствующей ответной поверхностью в незажатом состоянии находится в диапазоне от 5 мкм до 150 мкм, предпочтительно от 10 мкм до 100 мкм. Понятие "расстояние в свету" означает максимально возможную разность по высоте между прилеганием по всей поверхности и прилеганием в ненагруженном состоянии.
Согласно предпочтительному варианту осуществления внешний периметр первого полупроводникового элемента находится за пределами области воздействия зажимного усилия или является конгруэнтным с внешним периметром области воздействия. Таким образом, в комбинации с первым полупроводниковым элементом, который прилегает лишь на внешнем периметре и приподнят во внутренней области поверхности прилегания в незажатом состоянии, при дискообразных полупроводниковых элементах достигается высокая гибкость первого полупроводникового элемента.
Согласно предпочтительному варианту осуществления соответствующей изобретению дисковой ячейки предусмотрен ровно один первый полупроводниковый элемент, в то время как предусмотрены несколько вторых полупроводниковых элементов, и вторые полупроводниковые элементы расположены, будучи распределены вокруг первого полупроводникового элемента на одном расстоянии или различных расстояниях, причем в каждом случае различное расстояние должно быть при этом учтено. При помощи этого варианта осуществления можно повышать степень интеграции без необходимости отказываться от указанных ранее преимуществ, таких как распределение механической нагрузки в радиальном направлении. Предпочтительно локальная область воздействия прижимной пластины включает в себя ее геометрическую центральную точку.
Предпочтительно первый полупроводниковый элемент выполнен в виде круглого плоского элемента и предусмотрены несколько вторых полупроводниковых элементов, которые расположены, будучи равномерно распределены вдоль одной или нескольких концентрических окружностей, вокруг радиального периметра первого полупроводникового элемента.
Согласно предпочтительному варианту осуществления проводящие жидкость каналы интегрированы в прижимную пластину, для того чтобы охлаждающее вещество могло протекать сквозь прижимную пластину для активного охлаждения.
Первый полупроводниковый элемент выполнен, например, в виде круглого плоского элемента. Например, он имеет диаметр в диапазоне от 10 мм до 100 мм, предпочтительно в диапазоне от 20 мм до 80 мм, еще предпочтительно в диапазоне от 50 мм до 70 мм, например 60 мм. Предусмотренные в варианте осуществления, расположенные вокруг первого полупроводникового элемента вторые полупроводниковые элементы расположены, например кольцом вокруг первого полупроводникового элемента, причем внутренний/внешний диаметр кольца находится в диапазоне от 10/20 мм до 100/200 мм, предпочтительно в диапазоне от 20/40 мм до 80/160 мм, еще предпочтительно в диапазоне от 50/100 мм до 70/140 мм, например 60/120 мм.
Согласно дальнейшему варианту осуществления предусмотренные для электрического контактирования максимальные поверхности, называемые также активной поверхностью, находятся в определенном соотношении. Среди прочего для достижения высокой плотности покрытия поверхности соотношение активной поверхности первого конструктивного элемента к активной поверхности второго конструктивного элемента находится в диапазоне от 1:1 до 1:4, предпочтительно в диапазоне от 1:1,5 до 1:2,5, и составляет, например 1:2. Для наиболее высокой плотности покрытия поверхности и тем самым степени интеграции соответствующей изобретению дисковой ячейки, по меньшей мере, один второй полупроводниковый элемент выполнен в виде прямоугольного, предпочтительно квадратного, или трапециевидного плоского элемента.
Предпочтительно первый полупроводниковый элемент является монолитным полупроводниковым элементом, таким как диод или тиристор.
Предпочтительно, по меньшей мере, один второй полупроводниковый элемент является биполярным транзистором с изолированным затвором (БТИЗ).
Предпочтительно полупроводниковые элементы первого и второго типа конструкции расположены на расстоянии друг относительно друга в перпендикулярном к зажимному усилию направлении, например, расстояние составляет от 2 мм до 10 мм.
Кроме того, изобретение относится к системе из радиатора охлаждения и дисковой ячейки в одном из описанных выше вариантов осуществления и с соответствующими, упомянутыми ранее техническими преимуществами.
Изобретение разъясняется более подробно при помощи последующего чертежа. При этом чертеж следует воспринимать лишь в качестве примера, и он изображает лишь предпочтительные варианты осуществления. На чертеже показаны:
фиг. 1 - вид в разрезе первого варианта осуществления соответствующей изобретению системы из дисковой ячейки и зажимных средств;
фиг. 2 - вид в разрезе второго варианта осуществления соответствующей изобретению системы из дисковой ячейки и зажимных средств; и
фиг. 3 - относящийся к фиг. 1 и 2 подробный вид.
На фиг. 1 в разрезе и схематично показана соответствующая изобретению первая система из дисковой ячейки 1 и зажимных средств 4, 13. Дисковая ячейка 1 имеет герметично закрытый корпус 2, 3, 7, 8. Корпус 2, 3, 7, 8 включает в себя изолирующее электричество кольцо 8 из керамики, которое на своих торцевых поверхностях снабжено металлическим покрытием. При помощи покрытия кольцо на обеих торцевых сторонах в каждом случае спаяно с кольцевой шайбой 7 из меди. Кольцевые шайбы 7 в каждом случае герметично уплотнены с прижимной пластиной 2 и соответственно воспринимающей давление контрпластиной 3. Между прижимной пластиной 2 и воспринимающей давление контрпластиной 3 зажат ровно один круглый дискообразный первый полупроводниковый элемент 6 первого типа конструкции и несколько вторых полупроводниковых элементов 5 второго типа конструкции, в данном случае БТИЗы, причем вторые полупроводниковые элементы 5 расположены, будучи равномерно распределены вокруг внешнего периметра первого полупроводникового элемента 6.
Полупроводниковые элементы 5, 6 в каждом случае имеют проходящие под прямым углом к направлению зажатия полупроводниковые слои 10, 10`. Кроме того, в каждом случае на находящихся в механическом контакте с прижимной пластиной 2 и контрпластиной 3 сторонах полупроводниковых элементов 5, 6 предусмотрены металлические слои для электрического контактирования полупроводниковых элементов 5, 6. Электрическое контактирование, а также необходимый отвод тепла осуществляется через прижимную пластину 2, а также контрпластину 3. Для отвода тепла прижимная пластина 2 и контрпластина 3 пронизаны одним или несколькими проводящими жидкость каналами 11, 12. Каналы 11 прижимной пластины 2 и каналы 12 контрпластины 3 расположены в ориентированной под прямым углом к направлению зажатия воображаемой плоскости.
В показанной на фиг. 1 системе контрпластина 3 прилегает к радиатору 13 охлаждения по всей поверхности. Зажимные средства включают в себя нажимной пуансон 4, 18, через который созданное, например, не изображенным нажимным винтом зажимное усилие F воздействует на круглую прижимную пластину 2. Поверхность 9 воздействия задается платообразным выступом 18 прижимной пластины 2. Выступ 18 может быть выполнен за одно целое с прижимной пластиной 2 или в виде отдельной части прижимной пластины 2. В то время как полупроводниковый элемент 6 расположен непосредственно под областью 9 воздействия, вторые полупроводниковый элементы 5 расположены под выступающей за область воздействия наружной частью прижимной пластины 2. Благодаря упругой гибкости прижимной пластины 2 в ответвленном силовом потоке через вторые полупроводниковые элементы 5 их механическая нагрузка уменьшена по сравнению с механической нагрузкой первого полупроводникового элемента 6. Если, например первый 6 и вторые 5 полупроводниковые элементы имеют неодинаковые механические максимальные предельные нагрузки, то благодаря соответствующему изобретению исполнению прижимной пластины 2 вплоть до достижения максимальной нагрузки первого полупроводникового элемента 6, которую добиваются по причинам электрического и теплового контакта, может предотвращаться механическое разрушение вторых полупроводниковых элементов 5.
На фиг. 2 показан второй вариант осуществления соответствующей изобретению системы, которая отличается от показанной на фиг. 1 системы исполнением зажимных средств 4, 13 и тем, что предусмотрена не ровно одна соответствующая изобретению прижимная пластина 2, а две таких прижимных пластины 2. Тем самым на обеих сторонах полупроводниковых элементов 5, 6 возникает описанный ранее предпочтительный эффект.
На фиг. 3 показан относящийся как к фиг. 1, так и к фиг. 2 подробный вид. Фиг. 3 показывает находящуюся между прижимными пластинами 2 или между прижимной пластиной 2 и контрпластиной 3 слоистую структуру первого полупроводникового элемента 6 в незажатом, находящемся лишь в механическом контакте с прижимными пластинами 2 или контрпластиной 3 состоянии. Вся слоистая структура первого конструктивного элемента 6 имеет изгиб, причем показанный изгиб изображен не в масштабе. Изогнутая в направлении от полупроводникового слоя 10 и по наплавлению к металлическому молибденовому слою 17 слоистая структура обеспечивает "выпуклость/вогнутость" полупроводникового элемента 6 на величину X на обеих сторонах первого конструктивного элемента 6 в области поверхностей 15 и 15` прилегания. Таким образом, с увеличением зажатия доходит до выгибания слоистой структуры первого конструктивного элемента 6 в обратную сторону против этой изначальной кривизны. Основывающийся на изначальной кривизне момент предпочтительно упругого изгиба противодействует зажатию и упрощает регулировку и масштабирование зажимного усилия F по максимальной предельной нагрузке первого полупроводникового элемента 6. Тем самым минимизирована опасность механического разрушения второго полупроводникового элемента 5 во время зажатия.