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Folienzwischenlage für elektrische Druckkontakt-Verbindungen Es ist
bekannt, zwischen zwei Körpern einen gut leitenden Übergang für elektrischen Strom
und/oder Wärme durch eine dauerhafte Druckkontaktverbindung sicherzustellen. Mit
ihrer Hilfe kann beispielsweise bei in Gehäusen gekapselten Halbleiterbauelementen
ein guter Wärme- und Stromübergang zwischen den Halbleiterelementen und bestimmten
Teilen der Kapselung gewährleistet sein.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum Herstellen einer Wärme und
elektrischen Strom gut leitenden Druckkontaktverbindung zwischen den angepaßten
Flächen zweier aufeinandergepreßter Körper, von denen wenigstens einer aus einem
duktilen Material besteht, mindestens eine der Kontaktflächen aufzurauhen und danach
durch Drücken mit Hilfe eines Werkzeuges unter plastischer Verformung wieder teilweise
zu glätten.
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Es ist ferner bekannt, eine Silberfolie zwischen die angepaßten Kontaktflächen
der beiden Körper zu legen. Die Silberfolie kann auf beiden Seiten mit einem erhabenen
Muster versehen sein, z. B. mit einem Waffelmuster ähnlich der Rändelung von Rändelschrauben,
das durch Drücken mit Hilfe eines geeigneten Werkzeuges wieder teilweise geglättet
wurde (vgl. belgische Patentschrift 620 067). Einerseits müssen die Flachseiten
einer zur Förderung des Strom-und/oder Wärmeüberganges zwischen zwei Kontaktflächen
gelagerten Folie so ausgebildet sein, daß sich möglichst viele und gleichmäßig verteilte
Berührungsstellen mit den Kontaktflächen ausbilden. Andererseits darf die Folie
dem Wärme- und/oder Elektrizitätsstrom keinen unnötig großen Widerstand entgegensetzen.
Schließlich sollen die Stromlinien in der Folie möglichst gleichmäßig verteilt sein,
damit sich in der Folie keine lokalen Wärme-und/oder Stromstauungen ausbilden, die
zu einer ungleichmäßigen Erwärmung und Belastung der Folie führen könnten.
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Werden zwei vollkommen geglättete, beispielsweise polierte ebene Kontaktflächen
zweier Metallkörper gegeneinandergepreßt, so ergibt sich in den meisten Fällen eine
gewisse Balligkeit bzw. Aushöhlung der Oberflächen und damit lediglich eine einzige
verhältnismäßig kleine Berührungsfläche zwischen den beiden Kontaktflächen. Die
Größe dieser Berührungsfläche, die man in erster Näherung als eine ebene Kreisfläche
bzw. Kreisringfläche annehmen kann, ist proportional dem Druck, mit dem die beiden
Metallteile aufeinandergepreßt werden und umgekehrt proportional der Härte des Metalles,
das beim Anein= anderpressen verformt wird. Der ohmsche Widerstand und der Wärmewiderstand
dieser Berührungsstelle wird als »Engewiderstand« bezeichnet. Der Engewiderstand
ist proportional dem spezifischen Widerstand des Materials und umgekehrt proportional
dem Durchmesser der Berührungsfläche. Der Leitwert der Berührungsfläche ist daher
proportional zu ihrem Durchmesser und zum spezifischen Leitwert des Materials.
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Nähere Einzelheiten hierzu kann man dem Buch von R. Holm, »Die technische
Physik der elektrischen Kontakte«, erschienen beim Springer-Verlag, Berlin 1941,
entnehmen.
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Bei einer Folienzwischenlage werden die zahlreichen Erhebungen auf
den Flachseiten der zwischen zwei Kontaktflächen gelagerten Folie aus duktilem weichem
Metall beim Zusammenpressen der beiden Kontaktflächen abgeflacht, und man erhält
eine Reihe von kleineren Berührungsflächen, deren Leitwerte sich zu einem Gesamtleitwert
addieren. Dieser Gesamtleitwert ist bei ausreichend vielen Erhebungen auf den Flachseiters
der Folie sehr viel größer als der Leitwert der= einzigen Berührungsstelle, die
sich beim Zusammenpressen der geglätteten Kontaktflächen ohne Zwischenlegen einer
Folie ergeben würde. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Widerstand,
den die zwischen den Kontaktflächen liegende Folie sowohl dem Wärmestrom wie auch
-dem elektrischen Strom entgegensetzt, dann am geringsten ist,'wenn. die zwischen
den Erhebungen befindlichen Vertiefungen bei gestreckter Lage der Folie auf der
einen Flachseite der Folie annähernd in derselben Ebene liegen wie die Vertiefungen
auf der anderen Flachseite der Folie. Vorzugsweise soll der Abstand der durch die
tiefsten Stellen auf der einen Flachseite::bestiminten Fläche
von
der. durch die tiefsten Stellen auf der anderen Flachseite bestimmten Fläche nicht
mehr als 10 % der Folienstärke betragen. Die Erfindung ermöglicht es, eine weitgehende
Einnäherung an dieses Optimum praktisch zu erreichen.
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Die Erfindung betrifft .demgemäß eine Folienzwischenlage aus duktilem,
elektrischem Strom und/ oder Wärme gut leitendem Material zum Herstellen einer dauerhaften
Druckkontaktverbiüdung:zwischen Körpern, insbesondere Teilen -eines I#.alblriterbauelementes,
bei der eine Folie auf beiden Flachseiten gleichmäßig verteilte Erhebungen aufweist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die tiefsten Stellen,-der -zwischen
..den Erhebungen befindlichen Vertiefungen auf der einen Flachseite der Folie annähernd
in derselben Fläche, bei gestreckter Folie in derselben Ebene liegen wie die tiefsten
Stellen der Vertiefungen auf der anderen Flachseite der Folie.
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An Hand der Zeichnung seien die Erfindung und ihre Vorteile an Beispielen
näher erläutert.
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F i g.1 a zeigt, einen Schnitt durch einen Teil einer Folienzwischenlage
gemäß der Erfindung in stark vergrößertem Maßstab; die F i g. 1 b und 1 c zeigen
zur Erläuterung der Erfindung - andere Ausführungsformen einer Folienzwischenlage
mit gegenüber der Folienzwischenlage nach F i g. 1 a erhöhtem Widerstand; F i g.
2 a zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Folienzwischenlage; F i g. 2 b zeigt zur Erläuterung eine andere Ausführungsform
einer Folienzwischenlage mit gegenüber der Folienzwischenlage nach F i g. 2 a erhöhtem
Widerstand; F i g. 3 zeigt die perspektivische Ansicht eines Ausschnittes aus einer
besonders- vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Folienzwischenlage;
F i g. 4 zeigt eine Draufsicht auf die auf den Flachseiten der erfindungsgemäßen
Folienzwischenlage dieser Ausführungsform angeordneten Erhebungen in vergrößertem
Maßstab; F i g. 5 zeigt eine Draufsicht auf etwas anders angeordnete Erhebungen
auf den Flachseiten der erfindungsgemäßen Folienzwischenlage dieser Ausführiuigsform
in vergrößertem Maßstab; F i g. 6 zeigt eine in ihrer Wirkung verbesserte Fohenzwischenlage
gemäß der Erfindung; F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch die Kontaktträger eines
Starkstromschalters mit -einer Folienzwischenlage gemäß der Erfindung.
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Die in der F i g.1 a dargestellte- Folienzwischenlage besteht aus
einer Folie aus weichem Metall, vorzugsweise Silber, Kupfer, Gold o. ä., auf deren
Flachseiten riefenförmige Erhebungen 2 und 3 angeordnet sind, deren Querschnitt
ein gleichschenkliges Dreieck ist. Die Erhebungen 2 auf der oberen Flachseite sind
um die halbe Länge der Basis dieser gleichschenkligen Dreiecke gegen die Erhebungen
3 auf der unteren Flachseite der Folie versetzt. Die Vertiefungen zwischen den Erhebungen
2 auf der oberen Flachseite der Folie liegen annähernd in einer Ebene mit den Vertiefungen
zwischen den Erhebungen 3 auf der unteren Flachseite der Folie. In dieser Folie
verlaufen die Stromlinien von den Graten der Erhebungen 2 zu den Graten der- Erhebungen
3 weitestgehend glechmäßig,_so_ daß in der Folie keine lokalen.Staustellen für den
elektrischeu.Strom - und den Wärmestrom auftreten. Außerdem wird der Strom kaum
durch den Widerstand- des zwischen den Grund-Flächen der Erhebungen auf beiden Flachseiten
liegenden Materials geschwächt. Die Stärke der in F i g. 1 a dargestellten Folie
beträgt etwa 0,1 mm und der Abstand der Grate zweier benachbarter Erhebungen etwa
0,1 mm. Die Grate der Erhebungen auf einer Folie, die zwischen die Kontaktflächen
zweier Körper gelagert ist, die aus härterem Metall bestehen als die Folie, werden
durch Druck unter Vergrößerung der Gesamtkontaktfläche abgeflacht.
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Demgegenüber sind bei der Folienzwischenlage -nach F i-g..1 b die
Flanken der Erhebungen 2,_ 3_ dünner als bei der Folienzwischenlage nach F i g.1
a. Die Folienzwischenlage nach F i g. 1 c ist um eine Zwischenschicht d dicker als
die Folienzwischenlage nach F i g. l a. Somit ist sowohl bei der Folienzwischenlage
nach F i g. 1 b als auch bei der Folienzwischenlage nach F i g. 1 c der Widerstand
größer als bei- der erfindungsgemäßen Folienzwischenlage nach F i g. l a.
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Die Erhebungen 2, 3 auf den Flachseiten der in F i g. 2 a dargestellten
Folie bestehen ebenfalls aus Riefen, deren Querschnitt ein gleichschenkliges Dreieck
ist. Auch hier liegen die tiefsten Stellen der Vertiefungen zwischen den Erhebungen
2 auf der oberen Flachseite der Folie annähernd in einer Ebene mit den tiefsten
Stellen der Vertiefungen zwischen den Erhebungen 3 auf der unteren Flachseite der
Folie. Die Erhebungen 2 liegen jedoch genau gegenüber den Erhebungen 3: Diese Folie
hat den Vorteil, daß die Stromlinien von den Graten der Erhebungen 2 zu- den Graten
der Erhebungen 3 gleichmäßig verlaufen. Auch die mechanische Festigkeit der Folie
nach F i g. 2 a ist ausreichend, da diese nach Lagerung zwischen den Kontaktflächen
weder auf Zug noch auf Biegung beansprucht wird.
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Demgegenüber ist die Folienzwischenlage nach F i g. 2 b, ebenso wie
nach F i g. 1 c, um eine Zwischenschicht d dicker als die Folienzwischenlage nach
F i g. 2 a und damit der Widerstand größer als bei der erfindungsgemäßen Folienzwischenlage
nach Fig.2a.
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Mit Vorteil verjüngen sich die Erhebungen der Folie nach oben. Damit
ist bereits bei geringen Drücken eine gleichmäßige Kontaktierung über die gesamte
Kontaktfläche sichergestellt. Die Erhebungen 2, 3 auf der Folie können gleiche geometrische
Form und gleiche Größe besitzen.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, auf den Flachseiten
der Folie, wie es die perspektivische Ansicht nach F i g. 3 zeigt, gleichseitige
Pyramiden dicht anzuordnen, deren Höhe etwa 0,05 mm beträgt. Die Grundflächen der
Pyramiden und damit die tiefsten Stellen der Vertiefungen zwischen den Pyramiden
auf der einen Flachseite der Folien liegen annähernd in einer Ebene mit den Grundflächen
der Pyramiden bzw. der tiefsten Stelle der Vertiefungen zwischen den Pyramiden auf
der anderen Flachseite der Folie. Die durch die Grundflächen der Pyramiden bzw.
den tiefsten Stellen auf den beiden Flachseiten gebildeten Ebenen sind nicht mehr
als 0,01 mm voneinander entfernt. Der Abstand der Spitzen zweier benachbarter Pyramiden
beträgt etwa 0,1 mm.
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_ In F i g. 4 ist die Draufsicht auf zwei gleichseitige Pyramiden
auf der oberen Flachseite einer Folie der Ausführungsform nach F i g. 3 dargestellt..
Gestrichelt
sind zwei gleichseitige: Pyramiden auf der unteren Flachseite
der Folie angedeutet. Die Pyramiden auf der oberen Flachseite der Folie sind gegen
die Pyramiden auf. der unteren. Flachseite der Folie nach beiden Seiten jeweils
.uni eine halbe Seitenlänge versetzt angeordnet.
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In F i g. 5 sind zwei gleichseitige Pyramiden auf der oberen Flachseite
einer Folie gemäß F i g. 3 dargestellt. Gestrichelt sind vier Pyramiden auf der
unteren Flachseite der Folie angedeutet. Die Pyramiden auf der unteren Flachseite
sind gegen die Pyramiden auf der oberen Flachseite der Folie um einen Winkel von
45° um eine Achse senkrecht zu den Flachseiten verdreht angeordnet.
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Bei der in F i g. 6 dargestellten Folienzwischenlage ist zwischen
die Kontaktflächen 6 a und 7 a zweier Metallkörper 6 und 7 eine Folie 8 gelagert.
Unmittelbar zwischen einer Kontaktfläche 6 a bzw. 7 a und der Folie 8 ist eine dünne,
beispielsweise 20,u starke, Hilfsfolie 9 aus einem Metall angeordnet, das weicher
ist als das Metall der Folie B. Besteht die Folie 8 beispielsweise aus Silber, so
verwendet man zweckmäßig Hilfsfolien 9 aus Gold oder Indium. Der Vorteil der Hilfsfolien
9 liegt darin, daß beim Zusammenpressen der Metallkörper 6 und 7 an den Kontaktstellen
10 verhältnismäßig große Kontaktflächen entstehen.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Folien 8
werden zunächst
die Erhebungen auf den Flachseiten mit Hilfe von Stempeln eingepreßt. Bei der Herstellung
von gleichartigen Erhebungen auf beiden Flachseiten, die gegeneinander lediglich
um eine Achse senkrecht zu den Flachseiten verdreht sind, sind beide Stempel vollkommen
gleich beschaffen, da sie in der Preßvorrichtung so eingespannt werden können, daß
ihre Prägemuster gegeneinander um den gewünschten Winkel verdreht sind. Beim Einprägen
der Erhebungen auf den Flachseiten wird das Kristallgefüge der Folie infolge der
Verformung gefestigt, was eine Aushärtung der Folie zur Folge hat. Durch Tempern
wird die Folie nach dem Einprägen der Erhebungen auf den Flachseiten wieder weich
gemacht. Das Tempern kann bei Verwendung von weichen Hilfsfolien nach F i g. 6 entfallen.
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Die Folienzwischenlage gemäß der Erfindung kann insbesondere bei gekapselten,
vorzugsweise steuerbaren Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise der deutschen
Auslegeschrift 1241536 zu entnehmen ist, mit Vorteil verwendet werden. Gegebenenfalls
kann auch hierbei, wie in F i g. 6 dargestellt, die Folie zwischen zwei Hilfsfolien
eingebettet sein. Falls die Folie aus Silber besteht, können die Hilfsfolien aus
Gold oder Indium gefertigt sein. Bei einer Dicke der Folie von beispielsweise 0,1
mm können die Hilfsfolien etwa 0,02 mm dick sein. Eine Folie gemäß der Erfindung
und gegebenenfalls Hilfsfolien können außer zwischen einem Bodenteil und einem Trägerkörper
auch zwischen einer Kontaktelektrode und einem Trägerkörper eines gekapselten Halbleiterbauelements
gelagert sein.
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Die in der F i g. 7 dargestellten Kontaktträger 50 eines Starkstromschalters,
bei dem Folienzwischenlagen gemäß der Erfindung verwendet werden, weisen eine Ausnehmung
53 auf, in die das Kontaktteil 52 eingelegt ist. Das Kontaktteil 52 besitzt
zweckmäßig eine zylindrische Mantelfläche, die stufenartig abgesetzt ist. Zwischen
der Bodenfläche der Ausnehmung 53 und der Flachseite des Kontaktteils 52 ist eine
erfindungsgemäße Folie 8 gelagert. Zweckmäßig können noch Hilfsfolien 9 aus weicherem
Metall als dem der Folie 8 auf beiden Flachseiten der Folie 8 gelagert sein. Die
Kontaktteile 52 sind auf die Folien 8 und gegebenenfalls 9 sowie. auf den Boden
:der Ausnehmung 53 gepreßt und mittels des umgebördelten Randes 54 der Ausnehmung
53 befestigt. Die Kontaktträger 50 bestehen meist aus Kupfer, während die
Kontaktteile 52 aus Silber mit einem geringen Kadmiumzusatz gefertigt sind. Der
Kadmiumzusatz fördert das Löschen des beim Schalten zwischen den Kontaktteilen 54
entstehenden Lichtbogens. Die erfindungsgemäße Folie 8 und gegebenenfalls die Hilfsfolien
9 begünstigen sowohl den übergang des elektrischen Stromes als auch der beim Schalten
entstehenden Wärme zwischen den Kontaktteilen 52 und den Kontaktträgern
50.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Folienzwischenlage ist nicht auf
die dargestellten Anwendungsbeispiele beschränkt, sondern sie ist auch bei beliebigen
anderen Anordnungen möglich, bei denen eine dauerhafte Druckkontaktverbindung zur
Überleitung von elektrischem Strom und/oder Wärme zwischen mehreren Körpern hergestellt
wird.