DE1514150C3 - Halbleitergleichrichterzelle mit Weichlotkontaktierungen - Google Patents

Halbleitergleichrichterzelle mit Weichlotkontaktierungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitergleichrichterzelle mit Weichlotkontaktierungen an der Halbleiterscheibe, bei denen die Halbleiterscheibe direkt mit den Abnahmeelektroden über Weichlot verbunden und einem Druck ausgesetzt ist.
Weichlotkontaktierungen von Siliziumgleichrichtern zeigen bei rasch folgenden Temperaturwechseln besonders im Gebiet der Grenzstromkennlinie so starke Ermüdungserscheinungen, daß schon nach einigen 100 bis 1000 Temperaturwechseln eine Zerstörung der Gleichrichter erfolgt. Insbesondere treten die Ermüdungserscheinungen bei diffundierten Gleichrichtern auf, wenn die zu kontaktierenden Siliziumscheiben einen über 4 mm gehenden Durchmesser überschreiten und man aus wirtschaftlichen oder aus technischen Gründen eine Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnung zwisehen Silizium und den z. B. aus Kupfer bestehenden Abnahmeelektroden mittels Molybdän nicht in Betracht zieht.
Aber selbst dann dürften die Ermüdungserscheinungen bei Weichlotkontaktierungen nur weiter hinausgeschoben werden. Es ist verständlich, daß dann nur die an ein Gleichrichterelement zu stellenden Anforderungen sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht die zu treffenden Maßnahmen bestimmen würden. Bei Überschreitung eines Durchmessers von 6s etwa 8 mm der Siliziumscheiben ist eine Verbindung von Molybdän zur Pufferung des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens aber durchaus angebracht.
Bekanntlich sind die auf diffundierten Siliziumschei-| ben angebrachten Metallschichten, die zur Kontaktierung mit den Abnahmeelektroden dienen, nur einige μΐη stark. Die Verwendung von Hartloten, z. B. vonhochprozentigen Gold-Zinn-Legierungen, wie sie beil Legierungsgleichrichtern benutzt werden, sind bei dif-i fundierten Gleichrichtern wegen Fehlens der über! 100 μπι starken einlegierten Gold-Silizium-ElektrodeJ die eine gewisse Pufferwirkung ausübt, nicht empfehlenswert.
Die Verwendung verschiedener Weichlote mit unterschiedlicher Fließfähigkeit brachte bei dem Kontaktierungsproblem nur eine geringe Verschiebung im Temperaturwechselverhalten. Auch Lötstärken verschiedener Dicke bis zu 400 μπι brachten keine wesentliche Besserung.
Durch das deutsche Patent 1 439 304 ist ein Halbleiterbauelement bekanntgeworden, das aus einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit pn-übergang und zwei Kontaktelektroden auf einander gegenüberliegenden Seiten und zwei Anschlußkörpern besteht, von denen je einer mit einer der Kontaktelektroden über eine Weichlotschicht verbunden ist. Dabei bestehen die beiden Anschlußkörper aus einem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient wesentlich von dem des Halbleiterkörpers abweicht. Über einen Kraftspeicher werden die beiden Anschlußkörper gegeneinandergedrückt, wobei ein Druck von etwa 0,2 bis 2 kp/mm2 auf die Weichlotschicht ausgeübt wird.
Hierbei wirkt die stempeiförmig ausgebildete starre Stromzuführung zugleich als Druckübertrager. Sie ist durch Löten oder Sicken fest mit den Gehäusewänden verbunden und über mehrere Isolierkörper elektrisch von den übrigen Bauteilen getrennt. Nachteilig daran ist, daß immer mehrere Isolierkörper erforderlich sind und wegen der starren Verbindung ein Druckausgleich innerhalb des Gehäuses bei wechselnden thermischen Belastungen nicht möglich ist.
Untersuchungen an kontaktierten diffundierten Siliziumgleichrichtern unter geeigneten Versuchsbedingungen über die nachteiligen Auswirkungen thermischer Wechselbelastungen zeigten den Verlauf der Ermüdungserscheinungen in der Art, daß eine Trennung Lot-Siliziumscheibe am Rand der Siliziumscheibe beginnt und nach der Mitte zu fortschreitet. Wenn die noch intakte Lötfläche zu klein wird, erfolgt die Zerstörung der Gleichrichter bei einem der folgenden Stromdurchgänge.
An Hand nicht zerstörter, sondern lediglich bei Temperaturwechsel mit Stromdurchgang aufgeheizter Gleichrichter, bei denen eine Trennung der Lotung zwischen Siliziiimscheibe und Abnahmeelektrode erfolgte, wurde festgestellt, daß die Trennung des Lotes in unmittelbarer Nähe der Siliziumscheibe erfolgte und die Hauptmenge des Lotes an der Abnahmeelektrode haftete.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Trennung zu verhindern oder aber den nach dem Lötvorgang guten Stromdurchgang auch bei starkem Temperaturwechsel zu halten.
Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitergleich- j richterzclle mit Weichlotkontaktierungen an der Halbleiterscheibe, bei denen die Halbleiterscheibe direkt mit den Abnahmeelektroden über Weichlot verbunden und einem Druck ausgesetzt ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mit der Halbleiterscheibe verlöteten Abnahmeelektroden einem mechanischen Druck von etwa 10 bis 20 kp/cm2 ausgesetzt sind, wobei ein Gummi-
stopfen oder eine Blattfeder als Druckmittel und eine Ringscheibe, die mit einem flexiblen Stromzuführungsseil verbunden ist, zwischen dem Druckmittel und der oberen Abnahmeelektrode als Druckübertrager vorgesehen sind.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß bei wechselnden thermischen Belastungen sich die flexible Stromzuführung den jeweiligen Druckbedingungen anpaßt, wobei besonders vorteilhaft ist, daß als Druckübertrager nicht diese Stromzuführung, sondern eine Ringscheibe dient, die den Druck der als Druckmittel dienenden Gummistopfen oder Blattfedern überträgt. Wärmespannungen werden daher durch die Druckmittel innerhalb des Gehäuses ausgeglichen und belasten die Lötstellen oder andere empfindliche Kontakte nicht mehr.
Die Figur zeigt in zum Teil schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Gleichrichterzelle nach der Erfindung. In der Mitte der Lötfläche des Gleichrichtersockels 1 aus Kupfer befindet sich eine Erhebung, die im Durchmesser etwa 0,5 mm kleiner als der Durchmesser der Siliziumscheibe 2 ist und etwa 0,1 bis 0,2 mm hoch ist. Ebenfalls ist der zylindrische Teil der Abnahmeelektrode 4 um etwa 0,5 mm im Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Siliziumscheibe 2. Diese Maßnahme hat den Zweck, eine direkte Beruhrung oder einen zu engen Kontakt der Randzone der Siliziumscheibe mit dem relativ harten Kupfer zu verhindern. Die Siliziumscheibe 2 ist mittels der Lötstellen 3 einerseits mit dem Sockel 1, andererseits mit dem zylindrischen Teil 4 der Abnahmeelektrode verbunden. Eine Ringscheibe 5 überträgt den Druck eines Silikongummistopfens 6, der zwischen Gehäuseoberteil 7 und Abnahmeelektrode 4 wirksam wird, auf die Lötverbindungen. An das zur Abnahmeelektrode gehörige Kupferseil 8 ist eine Metallhülse 9 angepreßt, die für einen guten Preßkontakt zwischen dem Kupferseil und dem Gehäuse erforderlich ist. Das zylinderförmige Oberteil 7 ist über einen Glasring 10 mit einem inneren Metallring 11 verbunden, der dem Druck auf den Silikongummi ausgesetzt ist.
Die Herstellung eines Gleichrichters der beschriebenen Art geht wie folgt vor sich: In geeigneten Lötformen aus Kohle oder einer bearbeitbaren keramischen Substanz wird die Siliziumscheibe 2 mit dem Unterteil 1 und der Abnahmeelektrode 4 mit Lotscheiben bis zu 0,3 mm Stärke aus Blei-Indium-(70:30)- oder Blei-Zinn-(85:15)-Lot im Flußmitteldampf verlötet. Nach dem Lötprozeß wird die Randzone der Siliziumscheibe mit einem Silikongummipräparat 12 abgedeckt und ausgeheizt. Danach wird die Ringzwischenscheibe 5 auf die Abnahmeelektrode gelegt und schließlich der Gummistopfen 6 oder eine Blattfeder, die gegen das Gehäuse isoliert sein muß, auf das Seil der Abnahmeelektrode geschoben. Schließlich kommt noch die Metallhülse 9 auf das freie Ende des Kupferseils. Das Gehäuse wird nun auf das Unterteil gebracht, und durch Stumpfschweißen werden beide miteinander verbunden.
Weichlotverbindungen dieser Art zeigen ein überraschend gutes Temperaturwechselverhalten. Selbst nach vielen 1000 Temperaturwechseln treten, wie Versuche gezeigt haben, keine Ausfälle-auf. Bei geöffneten intakten Gleichrichtern war auch nach langer Temperaturwechselbehandlung keine Trennung der Abnahmeelektroden von den Siliziumscheiben festzustellen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Halbleitergleichrichterzelle mit Weichlotkontaktierungen an der Halbleiterscheibe, bei denen die Halbleiterscheibe direkt mit den Abnahmeelektroden über Weichlot verbunden und einem Druck ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Halbleiterscheibe verlöteten Abnahmeelektroden einem mechanischen Druck von etwa 10 bis 20 kp/cm2 ausgesetzt sind, wobei ein Gummistopfen oder eine Blattfeder als Druckmittel und eine Ringscheibe, die mit einem flexiblen Stromzuführungsseil verbunden ist, zwischen dem Druckmittel und der oberen Abnahmeelektrode als Druckübertrager vorgesehen sind.
2. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als Gummistopfen ein Silikongummistopfen vorgesehen ist.
3. Halbleitergleichrichterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel durch den Gehäusedeckel gespannt ist.
4. Halbleitergleichrichterzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseoberteil aus einem äußeren Zylinder besteht, der über einen Glasring isolierend mit einem inneren Metallring zur Aufnahme des Stromzuführungsseils vakuumdicht verbunden ist.
5. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Metallring das Druckmittel spannt.
6. Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das eine Ende des Stromzuführungsseils ein zylindrischer Kupferkörper angepreßt ist.
DE1514150A 1965-07-26 1965-07-26 Halbleitergleichrichterzelle mit Weichlotkontaktierungen Expired DE1514150C3 (de)

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