WELLPLATTE FÜR EINE SPANNANORDNUNG FÜR HALBLEITERELEMENT UND

SPANNANORDNUNG Die Erfindung betrifft eine Wellplatte für eine Spannanord ^¬ nung gemäß Anspruch 1 sowie eine Spannanordnung gemäß Anspruch 8.

Eine solche Spannanordnung findet beispielsweise in der Hoch- spannungstechnik Anwendung. Dort werden insbesondere Halbleiter-Bauelemente miteinander verspannt, um eine möglichst gute elektrische Kontaktierung zwischen ihnen zu erreichen. Bekannte Spannanordnungen sind meist über mechanische Elemente verspannt, beispielsweise geeignete Gewindesysteme. Die

Druckkraftübertragung auf die Anordnung der Bauelemente erfolgt meist punktuell mit einem oder mehreren Schraubelementen und wird dann über Druckstücke großflächig verteilt, so dass die Bauelemente im Spannverband verpresst werden. Im Beitrag „4.5kV Press Pack IGBT Designed for Ruggedness and Reliability" von S. Eicher et al . , IAS Seattle 2004, ist ein IGBT-Modul (ein sogenanntes Press Pack-Modul) mit parallel angeordneten IGBT-Chipeinheiten beschrieben, die in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind. Das Gehäuse weist eine sich über mehrere Chipeinheiten erstreckende obere und eine untere leitende Platte auf, die die von einer gemeinsamen Spannvorrichtung erzeugte mechanische Kraft auf die Chipein ^¬ heiten überträgt. Jede Chipeinheit bildet eine Anordnung von stapelweise übereinander liegenden Bauelementen. Jeder der die Chipeinheit bildenden Anordnungen ist dabei eine einzelne Tellerfeder zugeordnet, so dass die Kraftübertragung auf die IGBT-Chips jeweils mittels der einzelnen Tellerfeder erfolgt. Die Druckverteilung auf den gepressten Flächen der einzelnen Chipeinheiten mittels der jeweiligen Tellerfeder ist aller- dings relativ inhomogen.

Mit steigender Fläche der verpressten Bauelemente gewinnt die Homogenität der Verteilung der Druckkraft jedoch an Bedeu- tung. Werden zudem dünne und spröde Bauelemente, wie bei ^¬ spielsweise Halbleiter-Chips, verwendet, so ist eine homogene Verteilung der Druckkraft von entscheidender Bedeutung.

Inhomogenitäten können in solchen Fällen zu einer Beschädi- gung und einem Ausfall der Bauelemente führen.

Ferner ist aus der Druckschrift WO2016/000775 eine Spannan ^¬ ordnung mit einer Federplatte bekannt. Die Federplatte weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten und miteinander verbundenen Tellerfederelementen auf, wobei die Tellerfederelemente vom Mittelpunkt der Federplatte nach außen hin eine Druckkraft stärker abfedern. Hierdurch wird eine vergleichs ^¬ weise gleichmäßigere Druckkraftübertragung der Spannanordnung erreicht .

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von der be ^¬ kannten Federplatte, eine noch weiter verbesserte Gleichmä ^¬ ßigkeit in der Druckübertragung bei einer Spannanordnung zu ermöglichen .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wellplatte mit einem wellenförmigen Querschnitt für eine Spannanordnung erreicht, wobei in der Mitte der Wellplatte der wellenförmige Querschnitt eine erste Wellenlänge aufweist und im Außenbe- reich der Wellplatte der wellenförmige Querschnitt eine zwei ^¬ te Wellenlänge aufweist, wobei die zweite Wellenlänge kürzer ist als die erste Wellenlänge, so dass die Steifigkeit der Wellplatte in ihrer Mitte geringer ist als im Außenbereich.

Die Wellenlänge im Sinne der Erfindung ist dabei ein Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder Wellentälern, der sich bei Ansicht eines Querschnitts der Wellenplatte ergibt, wenn der Querschnitt horizontal ausgerichtet wird. Je größer die Wellenlänge ist, desto leicht kann die Wellplatte eingedrückt werden bzw. desto nachgiebiger ist sie.

Ein wellenförmiger Querschnitt in Sinne der Erfindung kann eine sinusförmige Welle sein. Der wellenförmige Querschnitt kann aber auch nach Art von Sägezähnen mit spitz verlaufenden Tälern und Bergen verlaufen, mithin eher eine dreieckige Form aufweisen. Auch ein rein rechteckiges Querschnittsmuster kann mit Vorteil eingesetzt werden.

Als Material für die Wellplatte kann beispielsweise ein Me ^¬ tall eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellplatte ist die Wellplatte derart ausgebildet, dass bei Einwirkung einer mechanischen Druckkraft mit vorher festgelegter Stärke, wobei die Druckkraft auf die Mitte der Well ^¬ platte am stärksten einwirkt, die Wellplatte auf der dem Druckstück abgewandten Seite eine im Wesentlichen gleichmäßi- ge Druckkraft weitergibt. Die auf die Wellplatte ausgeübte Druckkraft liegt derzeit häufig bei einer Gewichtskraft von 12 Tonnen bis 16 Tonnen. Zukünftig sind jedoch weitaus größe ^¬ re Druckkräfte absehbar, die z.B. zwischen 10 Tonnen bis 100 Tonnen liegen.

Dies ist ein Vorteil, weil die gleichmäßige Kraftübertragung besonders schonend gegenüber einer bruchempfindlichen Schicht ist, die auf die Wellplatte gepresst wird. Materialschäden können so vermieden werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellplatte ist der wellenförmige Querschnitt mittels konzentrischer Ringe um den Mittelpunkt der Wellplatte ausge ^¬ bildet. Dies ist ein Vorteil, weil eine solche Wellplatte be- sonders gleichförmig ausgebildet ist und vergleichsweise ein ^¬ fach herzustellen. Die Wellplatte kann dabei scheibenförmig sein, so dass der äußerste Rand z.B. durch ein Wellental ein ^¬ heitlich ausgebildet ist. Wird eine andere Grundform der Wellplatte verwendet, beispielsweise eine quadratische Grund- form, so können die äußersten Ringe durch die vier Kanten unterbrochen werden. Ein andere Möglichkeit besteht darin, die Ringe von innen nach außen laufend in ihrer Ausprägung immer mehr von rund nach viereckig zu verändern, so dass am äußers- ten Rand wiederrum z.B. ein Wellental einen einheitlichen Rand ausbildet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Wellplatte ist die Wellplatte in mehrere Bereiche un ^¬ terteilt, die im Mittelpunkt der Wellplatte zusammentreffen, wobei Wellenkämme und Wellentäler des wellenförmigen Querschnitts in jedem Bereich parallel zu einer Seitenkante des jeweiligen Bereichs verlaufen. Dies besonders bei einer rechteckigen Grundform der Wellplatte von Vorteil, weil z.B. vier Bereiche gebildet werden können, die jeweils ein paral ^¬ lel verlaufendes Wellenmuster aufweisen. Diese Bauform ist vergleichsweise einfach herzustellen. Auch eine dreieckige Bauform ist in dieser Ausführungsform problemlos möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellplatte ist die Wellplatte im Wesentlichen quadra ^¬ tisch ausgebildet und weist vier Bereiche auf, die im Mittel ^¬ punkt der Wellplatte zusammentreffen, so dass jeder Bereich ein Dreieck bildet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellplatte sind Wellentäler und Wellenkämme des wel ^¬ lenförmigen Querschnitts an Kontaktlinien der Bereiche je- weils derart verbunden, dass die Krümmungsradien der Verbindungsstellen von innen nach außen hin auf der Wellplatte kleiner sind, so dass die Steifigkeit der Wellplatte außen größer ist als Innen. Diese Bauform hat den Vorteil, dass mittels der Festlegung der Krümmungsradien die Steifigkeit und damit die Vergleichmäßigung der Druckkraft noch genauer eingestellt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellplatte ist die Wellplatte derart ausgebildet, dass der wellenförmige Querschnitt in seiner Wellenlänge von der Mitte der Wellplatte nach außen hin kontinuierlich abnimmt. Dies ist ein Vorteil, weil eine besonders gleichmäßige Weitergabe der Druckkraft erreichbar ist. Ferner ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte

Spannanordnung anzugeben, die kostengünstig herzustellen ist und gleichzeitig eine besonders gleichmäßige Druckverteilung sicherstellt, um Materialschäden zu vermeiden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Spannanordnung mit einer Spannvorrichtung zum Erzeugen mechanischer Druckkraft auf stapelweise übereinander liegende Schichten, ge- kennzeichnet durch eine Wellplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Mit der erfindungsgemäßen Wellplatte wird der Vorteil erzielt, auch bei einer mehr oder minder punktförmig aufgebrachten Druckkraft zum Zusammenpressen der Schichten eine gleichmäßige Weitergabe des Drucks, d.h. im Wesentlichen mit einem Druck gleicher Höhe über die gesamte Fläche des Wellenprofils, auf empfindliche weitere Schichten mit elektroni ^¬ schen Bauteilen zu erreichen. In der Regel werden alle

Schichten so verpresst, dass ein sehr guter elektrischer Kontakt zwischen Ihnen hergestellt wird.

Die Spannanordnung kann beispielsweise in einem Submodul ei ^¬ nes modularen Multi-Level Umrichters eingesetzt werden, um eine Reihenschaltung von Leistungshalbleiterschalteinheiten umzusetzen. Die Leistungshalbleiterschalteinheiten weisen jeweils einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiter mit gleicher Durchlassrichtung auf und sind jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig. Weiterhin ist ein dazu in einer Parallelschaltung angeordneten Energiespeicher vorgesehen. Ein solches Submodul ist beispielsweise aus der DE 101 030 31 AI bekannt.

Durch die Verpressung der Leistungshalbleiterschalteinheiten in den Halbleiterschichten mittels der Wellplatte kann das Risiko einer Beschädigung und damit eines Fehlers der Halb- leiter infolge inhomogener Druckverteilung vermindert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung ist ein Druckstück zum Übertragen der mechanischen Druckkraft von der Spannvorrichtung auf die stapelweise übereinander liegende Schichten vorgesehen, wobei die Well- platte zwischen dem Druckstück und den Schichten angeordnet ist. Über das geeignet geformte Druckstück, wobei das Druck ^¬ stück beispielsweise eine Kegel- oder Trapezform haben kann, ist die Druckkraft von der Spannvorrichtung auf die Bauele ^¬ mente besonders flächig homogen übertragbar. Geeigneterweise ist die Grundfläche des Druckstücks an die Geometrie der An ^¬ ordnung angepasst.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung auf der dem Druckstück abgewandten Seite der Wellplatte eine Kühlvorrichtung als erste Schicht vorgesehen ist. Die Kühlvorrichtung dient zur Ableitung der in den weiteren Schichten angeordneten Halbleiterelemente entstehenden Wärme. Diese Wärme entsteht insbesondere durch den Durchlasswiderstand der Halbleiterelemente. Bevorzugt be- steht die Kühlvorrichtung aus einem gut wärmeleitfähigen Ma ^¬ terial wie beispielsweise Metall oder einer Metalllegierung. Dabei ist die Kühlvorrichtung i.d.R. als eine Platte mit der gleichen Grundform wie alle weiteren Schichten ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung ist auf der der Wellplatte abgewandten Seite der Kühlvorrichtung eine Halbleiterschicht als zweite Schicht vorgesehen. Es können in der Anordnung auch eine Mehrzahl von Halbleiterschichten vorgesehen sein, wobei jeder der Halbleiterschichten wenigstens eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist und die Halbleiterschichten eine elektrische Rei ^¬ henschaltung ausbilden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Spannanordnung sind mindestens eine weitere Kühlvorrichtung und eine weitere Halbleiterschicht vorgesehen. Be ^¬ sonders bevorzugt ist es, wenn jede Halbleiterschicht zwi ^¬ schen zwei Kühlvorrichtungen angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr zu beiden Seiten der Halbleiterschicht erfolgen. Da die Kühlvorrichtungen aus leitfähigem Material hergestellt sind, kann die elektrische Kontaktierung zwischen den Halbleiterschichten mittels der Kühlvorrichtungen herge- stellt werden. Zur Verbesserung der Druckkraftübertragung auf die Halbleiterschichten kann die Anordnung eine zusätzliche Wellplatte umfassen, die zwischen zwei Kühlvorrichtungen angeordnet ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung ist mindestens eine weitere Wellplatte vorgesehen, die im Stapel der stapelweise übereinander liegenden Schichten eingefügt ist. Dies ist ein Vorteil, weil so auch über die gesamte Länge des Stapels eine Vergleichmäßi- gung des Anpressdrucks erzielt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung ist mindestens eine Isolierschicht vorgesehen. Die Isolierschicht ist elektrisch nicht leitend ausgebildet und hat den Vorteil, dass durch den Einsatz der

Isolierschicht in der Spannanordnung ein Stromfluss durch die Wellplatte verhindert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Spannanordnung ist die Spannanordnung derart ausgebildet, dass im Betrieb der Spannanordnung die Wellplatte im Wesentlichen stromfrei bleibt. Dies hat den Vorteil, dass ei ^¬ ne Hochspannung in der Halbleiterschicht nicht zu einem

Stromfluss durch die Wellplatte führt, die i.d.R. metallisch und damit elektrisch leitend ausgeführt ist. Dies kann bei ^¬ spielsweise mit einer Isolierschicht nach der eingangs be ^¬ schriebenen Ausführungsform erreicht werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Spannanordnung weist die Halbleiterschicht parallel angeordnete Press-Pack-Halbleiter auf, wobei die Halbleiterschicht elektrisch leitend mit der Kühlvorrichtung verbunden ist. Dabei setzt sich die Halbleiterschicht aus nebeneinander angeordneten Halbleitermodulen zusammen. Die Halbleitermodule bilden eine Parallelschaltung von elektrischen Bauteilen. Beispielsweise kann es sich dabei um IGBT-Halbleiter, Dioden oder Thyristorelemente handeln. Die zu verpressende Oberflä ^¬ che der Bauteile kann je nach Nennspannung und Hersteller beispielsweise zwischen 10x10mm und 18x18mm betragen. Halbleitermodule wie z.B. PressPack IGBT oder Dioden erreichen heute einen Runden Durchmesser von 5 Zoll bzw. zukünftig 6 Zoll in der Gehäusebauform. Auch Presspack Halbleiter mit rechteckigen Außenmaßen sind bekannt. Zukünftige IGBT Halb ^¬ leiter können aber auch diese bekannten Flächengrößen noch übersteigen . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung ist ein Gegendruckstück vorgesehen, das an der dem Druckstück gegenüberliegenden Ende der gestapelten Schichten angeordnet ist. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise ein besonders gleichmäßiges Zusammenpressen der Schichten sicher gestellt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannanordnung ist eine ergänzende Wellplatte zwi ^¬ schen dem Gegendruckstück und den Schichten angeordnet. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise ein besonders gleichmä ^¬ ßiges Zusammenpressen der Schichten sicher gestellt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin ^¬ dungsgemäßen Wellplatte in einer schematischen Darstellung als Draufsicht, und Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Wellplatte gemäß Figur 1, und Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungs ^¬ gemäße Spannanordnung.

Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Wellplatte 1. Die Wellplatte 1 weist in ihrer Mitte 2 einen flachen Bereich auf, der kein Wellenprofil aufweist. In die ^¬ sem Bereich wird folglich keine Kraft durch die Wellplatte 1 übertragen. An die Mitte 2 schließt sich ein innerer Bereich an, der durch das gestrichelte Kästchen 10 angedeutet ist. In diesem inneren Bereich weist der wellenförmige Querschnitt eine erste Wellenlänge auf. Außerhalb des Kästchens 10 ist ein zweiter Bereich bis zu den Außenseiten 3, 4, 5, 6 der Wellplatte 1 vorgesehen, in dem der wellenförmige Querschnitt eine zweite Wellenlänge aufweist, die zumindest im Durch- schnitt kürzer ist als die erste Wellenlänge. Hieraus ergibt sich eine veränderte Steifigkeit der Wellplatte 1, die im in ^¬ neren Bereich deutlich weniger steif als in den Außenbereichen ist. Wird nun ein Druck auf die Wellplatte 1 ausgeübt, und zwar in der Form, dass der Druck auf die Mitte 2 am stärksten aufgebracht wird, so wird mittels der unterschied ^¬ lichen Wellenlängen der Wellplatte 1 sichergestellt, dass der Druck gleichmäßig weitergegeben wird.

Die Wellplatte 1 weist eine quadratische Grundfläche auf und ist in vier Bereiche unterteilt, die sich durch die Linien

7,8,9,14 ergeben. Die vier Bereiche haben jeweils eine drei ^¬ eckige Form und treffen im Mittelpunkt 2 der Wellplatte 1 zu ^¬ sammen, wobei Wellenkämme und Wellentäler der wellenförmigen Querschnitte in jedem Bereich parallel zu der jeweiligen Sei- tenkante 3, 4, 5, 6 des jeweiligen Bereichs verlaufen. An den Verbindungsstellen auf den Linien 7,8,9,14 sind die Wellentäler und Wellenkämme des wellenförmigen Querschnitts derart verbunden, dass die Krümmungsradien der Verbindungsstellen von innen nach außen hin auf der Wellplatte kleiner sind, so dass die Steifigkeit der Wellplatte 1 außen größer ist als innen. Die gezeigte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen von innen nach außen vorgesehen wird. Im Idealfall nimmt die Wel- lenlänge im wellenförmigen Querschnitt von der Mitte 2 der Wellplatte 1 nach außen hin kontinuierlich ab, so dass eine besonders gleichmäßige Druckverteilung sichergestellt ist. Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Wellenplatte 1 gemäß Figur 1. Gleiche Bauelemente weisen die gleichen Be ^¬ zugszeichen auf. Beispielhaft ist gezeigt, dass der Abstand 11 zwischen zwei Wellenkämmen im inneren Bereich der Wellplatte 1 deutlich größer ist als zwischen zwei Wellenlängen 12 in einem äußeren Bereich der Wellplatte. Im Inneren der

Wellplatte 1 am Mittelpunkt 2 ist deutlich zu erkennen, dass es einen Bereich mit Durchmesser 13 gibt, der kein Wellenprofil aufweist. Wird in diesem Bereich ein besonders hoher Druck auf die Wellplatte 1 ausgeübt, so wird dieser nicht weitergegeben, sondern vielmehr über das wellenförmige Profil des Restes der Wellplatte 1 gleichmäßig weitergegeben.

Die Figur 3 zeigt eine Spannanordnung, die mit mindestens ei ^¬ ner nicht gezeigten Spannvorrichtung verspannt ist. Die durch die Spannvorrichtung ausgeübte Kraft ist mit zwei Pfeilen F angedeutet. Von links nach rechts ist zu erkennen, dass zu ^¬ nächst ein trapezförmiges Druckstück 20 vorgesehen ist, wel ^¬ ches den vergleichsweise punktuell auftretenden Druck F auf eine größere Fläche verteilt. Im dreidimensionalen Raum wäre das Druckstück beispielsweise als ein Pyramidenstumpf mit quadratischer Grundfläche ausgebildet, wobei auf der Grund ^¬ fläche eine erfindungsgemäße Wellplatte 1 gemäß Figur 1 ange ^¬ ordnet ist. Als nächste Schicht schließt sich eine Kühlvorrichtung 21 an, auf die eine Halbleiterschicht 22 folgt. Es können auch Iso ^¬ lierschichten (nicht dargestellt) in der Spannanordnung vorgesehen sein, die z.B. wiederum mittels einer Wellplatte an- gepresst wird. Die Wellplatte muss dabei immer so positio- niert sein, dass sie nicht stromdurchflossen ist.

Es folgen durch drei Punkte angedeutete weitere Abfolgen von Kühlvorrichtungen 21 und Halbleiterschichten 22, so dass jede Halbleiterschicht 22 von zwei Kühlplatten 21 eingefasst ist. Dies hat den Vorteil, dass Wärme beidseitig von den Halblei ^¬ terschichten abgeführt werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite wiederholt sich der Aufbau derart, dass eine Well- platte 1 auf ein Gegendruckstück 20 trifft, welches in Ver ^¬ bindung mit dem ersten Druckstück ein gleichmäßiges Zusammenpressen der gesamten Spannanordnung gewährleistet.