DE1976692U - Steuerbarer halbleitergleichrichter. - Google Patents

Description

PA579 855*11·^

5304

General Electric Company, Sehenectady l.Y./USA

Steuerbarer Halbleitergleichrichter

Die Heuerung bezieht sich auf Halbleitergleichrichter und insbesondere auf Halbleitergleichrichteranordnungen mit großflächigen Elektroden, die allein durch Druck mit dem zwischen ihnen befindlichen Halbleiterkörper in Berührung gehalten sind.

für die elektrische Energieumwandlung werden heute in immer stärkerem Maße Festkörpergleichrichter aus Halbleitermaterial, z.B. Silicium, verwendet, die hohe Ströme führen können. Damit durchschnittliche Vorwärts ströme von:.250 Ampdre oder mehr fließen können, sind großflächige Halbleiterkörper notwendig. Im allgemeinen werden dünne, scheibenförmige, •vielschichtige Halbleiterkörper verwendet, die zwischen ebenen Metallelektroden angeofi.net sind, welche derart an zwei entgegengesetzten Enden eines Isolatorhohlkörpers befestigt sind, daß der Halbleiterkörper von einem abgedichteten Gehäuse umgeben ist. Bei Verwendung eines zweischichtigen (PH)-Siliciumkörpers erhält man einen einfachen Glexhrichter oder eine Diode, wohingegen man bei Verwendung eines vierschichtigen (PIPl)-Halbleiterkörpers mit einer Steuerelektrode einen steuerbaren Gleichrichter bzw. Thyristor erhält. Im letzteren Pail ist am Gehäuse auch eine Steuerklemme vorgesehen, über die die Steuerelektrode

am Halbleiterkörper mit einer äußeren Spannungsquelle verbunden werden kann.

Bei einem für hohe Ströme ausgelegten Halbleitergleichrichter kann der erforderliche großflächige, niederohmige Kontakt zwischen dem Siliciumkörper und den angrenzenden Hauptelektroden in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, daß man diese Teile unter hohem Druck gegeneinander drückt. Der !Teuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Halbleitergleichrichter zu verbessern.

Hach einem Ausführungsbeispiel der Neuerung enthält die Steuerklemme des Halbleitergleichrichter einen Metallring, der durch die Wand eines Isolatorhohlkörpers geführt und mi der Steuerelektrode des SilieiumMörpers verbunden ist. Ein zufälliger Kurzschluß zwischen dieser Steuerklemme und der näher liegenden Hauptelektrode wird dabei dadurch vermieden, daß der innere Durehmesser des Metallringes größer als der des Isolatorhohlkörpers ist und daß die Innenwand des Isolatorhohlkörpers in der mähe dieses Metallringes abgeschrägt ist.

Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Feuerung liegt der Silieiumkörper auf einem Wolfram- oder Molybdänsubstrat, dessen äußeres Ende eine konkave Oberfläche aufweist. An dieser Oberfläche ist ein Edelmetallkontakt befestigt, dessen äußere Kontaktfläche eben sein muß, damit zwischen ihr und der angrenzenden Hauptelektrode ein niederohmiger, großflächiger Druckkontakt aufrechterhalten werden kann. Der Edelmetallkontakt enthält daher eine Anzahl dünner Scheiben mit verschiedenen Durchmessern, die konzentrisch an der Außenfläche des Substrats befestigt und anschließend derart bearbeitet sind, daß die erwünschte ebene Kontaktfläche entsteht.

Die Heuerung wird man auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merlanale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Heuerung beitragen können.

Die Pig. 1 ist ein Schnitt durch einen Halbleitergleichrichter für hohe Ströme nach der Heuerung.

Die I¹Ig. 1a zeigt einen Ausschnitt der Pig. 1 in Vergrößerung.

Die Jig. 2 ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Einspannvorrichtung für den Halbleitergleichrichter nach der Pig. 1.

Die Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt durch den Halbleiterkörper zu einem Zeitpunkt vor seiner Fertigstellung.

Im folgenden wird anhand der Pig. 1 ein Halbleitergleichrichter 11 beschrieben, dessen einzelne Teile, wenn es nicht ausdrücklich anders erwähnt ist, kreisförmig ausgebildet sind. Der Halbleitergleichrichter 1.1 enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper 12, der zwischen den ebenen Böden bzw. Elektroden 13 und 14 zweier tassenförmiger Anschlußelemente angeordnet ist. Die Handabsciiitte 15 und 16 der beiden Anschluß elemente sind derart an entgegengesetzten Enden 17 und 18 eines elektrisch isolierenden Hohlkörpers 19 befestigt, daß sich ein aus einem Stück bestehendes, hermetisch abgedichtetes Gehäuse für den Halbleiterkörper 12 ergibt. Wie aus der Pig. 1 hervorgeht, ist der Halbleitergleichrichter unter Druck zwischen den einander zugewandten

Enden zweier aufeinander ausgerichteter Kupferstempel und 21 eingespannt, die als elektrische und thermische Leiter dienen. Eine bevorzugte Einspannvorrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt, die später "beschrieben wird.

Der scheibenförmige Halbleiterkörper 12 des Halbleitergleichrichters 11 besteht aus einem Halbleitermaterial und enthält, wie es in der Pig, 1a angedeutet ist, vorzugsweise eine z.B. 0,45 mm (18 mils) dünne großflächige, kreisrunde Scheibe 22 aus asymmetrisch leitendem Silicium 22, die auf anem dickeren, z.B. 1,5 mm (6o mils) dicken scheibenförmigen Substrat 23 aus Wolfram oder Molybdän befestigt ist, auf dessen äußerer Oberfläche ein Gold-lTickel-Kontakt 24 (z.B. 94 io Gold, 6 <fo nickel) vorgesehen ist, während auf der äußeren Oberfläche der Siliciumscheibe 22 ein dünner Goldkontakt 25 angebracht ist. lOlglich ist der dargestellte Halbleiterkörper 12 an seinen entgegengesetzten Enden mit Metallkontaktflächen versehen.

Der Halbleiterkörper 12 kann in bekannter Weise hergestellt werden. Sein Durchmesser beträgt z.B. 32,4 mm (1,25 Zoll). Im Inneren der Siliciumscheibe 22 ist mindestens ein großflächiger PF-Übergang vorgesehen, der im wesentlichen parallel zu den Endflächen verläuft. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist ein steuerbarer Halbleitergleichrichter, d.h. Thyristor, dessen Halbleiterkörper vier Zonen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp enthält, von denen die eine am Rand eine Steuerelektrode 26 aufweist, die mit einer flexiblen Steuerleitung 27 ohmsch kontaktiert ist. Mit dem .,Substrat 23 ist in diesem Falle eine P-leitende Zone des Halbleiterkörpers 22 ohmseh verbunden,

so daß der Vorwärtsstrom durch den Halbleiterkörper v.am Kontakt 24 zum Kontakt 25 fließt. Die äußeren Kontaktflächen dieser Kontakte sind vorzugsweise exakt parallel zueinander und liegen senkrecht zur Achse des Halbleiterkörpers 12,"die in radialer Richtung über die Oberfläche des Kontaktes 25 hinausragt, und auf demjenigen Teil der Obei'läche des Kontaktes 25_} der neben der am Umfang befindlichen Steuerelektrode 26 liegt, ist ein Schutzüberzug 28 aus Isoliermaterial, z.B. Siliconkautschuk, vorgesehen. Der Halbleiterkörper 12 wird während seiner Herstellung verbogen. Dies ist in der Mg. 3 übertrieben dargestellt. Infolgedessen besitzt die äußere Oberfläche des kreisförmigen Substrats 23 dieses Halbleiterkörpers eine konkave Krümmung. Die Größe der Krümmung ist bei einem Wolframsubstrat geringer als bei einem Molybdänsubstrat. Wie schon erwähnt wurde, sind die äußeren Kontaktflächen des fertig bearbeiteten Halbleiterkörpers 12 vorzugsweise eben und parallel zueinander. Aus diesem Grunde werden der Gold-üTickel-Kontakt 24 auf dem Substrat 23 und der Gold-Kontakt 25 auf dem Siliciumkörper 22 geschliffen und/oder geläppt, damit längs der in der Mg. gezeigten Linien A und B planare Oberflächen entstehen. Gemäß der Neuerung kann man Edelmetall und dadurch Geld einsparen, wenn man den Kontakt 24 aus mindestens zwei dünnen Scheiben mit verschiedenem Durchmesser herstellt. In der Mg. 3 sind drei Scheiben 24a, 24b und 24 c mit einer Dicke von je etwa 0,025 mm ( 1 mil) dargestellt, die grundsätzlich alle aus einem Edelmetall, vorzugsweise Gold, bestehen. Unter einem Edelmetall wird hier ein reines Edelmetall oder eine Legierung verstanden, die mehr als 50 $ eines Edelmetalls enthält.
* Auf der ringförmigen Fläche des Halbleiterkörpers 12_f

Die erste Scheibe 24a mit dem größten Durchmesser wird konzentrisch gegen die äußere Fläche des Substrats 23 gelegt, während anschließend die zweite Scheibe 24b mit dem mittleren Durchmesser konzentrisch gegen die Scheibe 24a und danach die Scheibe 24c mit dem kleinsten Durchmesser konzentrisch gegen die zweite Scheibe 24b gelegt wird. Alle drei Scheiben werden,miteinander verkittet und an der äußeren Oberfläche:., des Substrats befestigt, indem man einen Legierungsprozess oder dgl. anwendet. Danach wird der Siliciumkörper 22 durch ein Legierungsverfahren an der anderen Oberfläche des Substrats 23 befestigt, wodurch der Halbleiterkörper 12 gebogen wird.

Der hierdurch entstehende Halbleitergleichrichter ist in der lig. 3 vor dem abschließenden fertigbearbeiten durch Schleifen und Läppen gezeigt. Es ist offenbar, daß sehr viel mehr Material verworfen werden müßte, wenn die Durchmesser der Scheiben 24b und 24c gleich dem der Scheibe 24a wären. Um das erwünschte Ergebnis zu erhalten, ist es nicht notwendig, daß die übereinandergestapelten Scheiben auf dem Substrat genauestens zentriert werden, oder daß die fertig bearbeitete Oberfläche völlig frei von Einbuchtungen ist. Eine die Scheibe 24b umgebende Rille in der Kontaktfläche verkleinert den wirksamen Bereich der äußeren, ebenen Kontaktfläche dieses Kontaktes nur unwesentlich.

Wie aus der lig. 1 hervorgeht, befinden sich die entgegengesetzten Endflächen des Halbleiterkörper 12 mit je einer ebenen Oberfläche der parallelen Elektroden 13 und 14 der beabstandeten .Anschlußelemente des Halbleitergleichrichters

11 in izLlage, so daß der zwischen den Kupfer stempeln 20 und 21 fließende Verbraucherstrom auch durch die Elektroden 15 und 14 und den Halbleiterkörper 12 fließt. Dabei kann die Elektrode 13 auch als inode und die Elektrode 14 auch als Katode bezeichnet werden. Jede Elektrode besteht aus einer flachen, gleichförmig dicken, runden Scheibe aus einem leitenden Material, z.B. Kupfer oder im BedarfsiüLl Wolfram oder Molybdän.

Die Anode 13 ist mittels eines dünnen, im wesentlichen zylindrischen Rohr 29 aus einem duktilen Metall, z.B. Kupfer, bleibend mit dem nach außen erweiterten Randabschnitt 15 verbunden, der an einer metallisierten Endfläche 17 des Isolatorhohlkörpers 19 angelötet oder andersartig befestigt ist. Die Teile 13, 15 und 29 bilden somit ein aus einem Stück bestehendes, tassenförmiges Anschlußelement, wobei das Rohr 29 ein Teil einer Art elastischer Membran (Diaphragma) ist, dürfe deren Mittelabschnitt die Anode 13 ragt. Das Rohr 29 ist innerhalb des Isolatorhohlkörpers 19 ageordnet. Sein Innesr durchmesser ist kleiner als der des Isolatorhohlkörpers, so daß zwischen dem Rohr und der Innenwand des Isolatorhohlkörpers ein möglichst kleiner ringförmiger Raum ausgebildet ist. Ein d?m Anschlußelement (1J, 15, 29) ähnliches Anschlußelement ist durch die Katode 14, den Randabschnitt 16 und ein diese beiden Teile verbindendes Rohr 30 gebildet.

Wie die 3?ig. 1 zeigt, ist im linken Teil der Katode 14 ein am Umfang befindlicher Teilr.31 von ihr abgebogen, damit derjenige Teil der Elektrodenfläche, der an die obere Ober· Hache des Halbleiterkörpers 12 in der Nähe der peripheren Steuerelektrode 26 angrenzt, entlastet wird. Hierdurch

wird verhindert, daß der Kontaktdruck auch auf einen zu nahe an der Steuerelektrode "befindlichen Teil des Halbleiterkörpers 12 ausgeübt wird.

Der periphere Randabschnitt 16 des an der Katode 14 befestigten Rohrs 30 besitzt einen aus seinem linken Teil irr radialer Richtung herausragenden Ansatz 32 aus leitendem Matedal. Der Ansatz 32 ist außerdem bis über den Umfang des Isolatorhohlkörpers 19 verlängert, so daß an einer geeigneten äußeren Stelle eine Anschlußmöglichkeit für eine Bezugsleitung für die Steuersignale besteht. Der Ansatz 32, das elektrisch leitende Rohr 30 und die Katode 14 bilden auf diese Weise einen Teil des Strompfades für den Steuerstrom, der dem Halbleiterkörper 12 über die Steuerelektrode 26 zugeführt wird. Da außerdem der Ansatz 32 auf derjenigen Seite des Anschlußelementes liegt, der dem abgebogenen Teil 31 der Katode 14 benachbart ist, dient er gleichzeitig als sichtbare Markierung für die Winkelstellung dieses Teils beim Einspannen des Halbleitergleichrichters zwischen den Kupferstempeln 20 und 21.

Damit auch die innere Steuerzuleitung 27 von außen her zugänglich ist, enthält der Halbleitergleichrichter 11 eine Steuerklemme 33 aus leitendem Material, die durch den Isolatorhohlkörper 19 geführt ist. Wie die Fig. 1 zeigt, enthält der Isolatorhohlkörper 19 zwei koaxial zueinander angeordnete Zylinderringe 34 und 35 mit gMchem Innendurchmesser, die vorzugsweise aus Keramik bestehen. Der Zylinderring 35, an dessen metallisierter Endfläche 18 der Randabschnitt 16 des Katodenanschlußelementes angelötet ist, ist in Achsrichtung relativ kurz, wohingegen der Zylinderring 34 aus einer länglichen Hülse besteht, die die Anode 13, den Halbleiterkörper 12, die Katode 14 und den unteren Teil des Rohrs 30 umgibt.

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Die beiden Zylinderringe 34 und 35, aus denen der Isolatorhohlkörper 19 zusammengesetzt ist, sind durch einen Metallring 36 und die ringförmige Steuerklemme 33 verbunden. Der Metallring 36 und die Steuerklemme 33 sind koaxial zwischen den Zylinderringen 34 und 35 angeordnet, wobei die Steuerklemme 33 βώ. der metallisierten Endfläche des Zylinderrings 34 befestigt ist und ringförmig nach außen ragt, während der Metallring 36 an der metallisierten Endfläche des Zylinderrings 35 befestigt ist und in ähnlicher Weise ringförmig nach außen ragt. Der Metallring 36 und die Steuerklemme 33 sind längs ihres äußeren Umfangs miteinander verschweißt, so daß sich ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse für den Halbleiterkörper 12 ergibt. Wie aus der Mg. 2 hervorgeht, kann an den äußeren Rand der Steuerklemme 33 eine Leitung angeschlossen werden, die die Steuerklemme mit einer entfernt liegenden Sparinungsquelle für die Steuersignale verbindet. Der aus zwei Teilen bestehende Isolatorhohlkörper 19 ßiit zwischen seinen beiden Teilen angeordneten Dichtnngsringen ähnlich den Ringen 33 und 36 könnte auch in vorteilhafter Weise zum Einkapseln eines Halbleiterkörpers verwendet werden, der keine Steuerelektrode aufweist.

Gemäß der Pig. 1 ist der Innendurchmesser der beiden Ringe 33 und 36 größer als der der Zylinderringe 34 und 35. In unmittelbarer Nähe dieser Ringe sind die Innenflächen 37 der Zylinderringe gemäß der Neuerung abgeschrägt, bzw. sind die metallisieri.^eSndflachen der Zylinderringe von deren Innenwänden her eingekerbt. Hierdurch wird vermieden, daß die metallischen Überzüge auf den Endflächen der Zylinderringe 34 und 35 zufällig mit dem Rohr 30 in Berührung kommen, was bei dem dargestellten Halbleitergleichrichter einen Kurzschluß des Steuerelektrode-Katode-Kreises zur Folge haben würde.

Die Steuerklemme 33 weist einen in das Innere des Gehäuses ragenden leitenden Vorsprung 38 auf, der auch in der Pig. 4 dargestellt ist. Dasjenige Ende der flexiblen Steuerzuleitung 27, das nicht mit der Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 verbunden ist, ist um diesen Vorsprung 38 gewiekelt und durch Ultraschallschweißung oder dergleichen mit diesem verbunden. Hierdurch ist die Steuerklemme 33 mit der Steuerelektrode 26 elektrisch verbunden. Das äußere Ende des Vorsprungs 38, das gemäß der Fig. 1 längs der Innenwand des Zylinderringes 34 nach unten gebogen ist, ist mit einem Isolierrohr 39 umhüllt. Außerdem ist über den kurzen Abschnitt der Steuerzuleitung 27 zwischen dem Zylinderring 3# und dem Schutzüberzug 28 aus Isoliermaterial auf dem Halbleiterkörper 12 ein Isolierrohr 40 geschoben. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Steuerzuleitung 27 mit Hilfe des Vorsprungs 38 an der Steuerklemme 33 fest abgestützt ist, ohne daß die Schweißverbindung zwischen diesen beiden Teilen merkbar belastet ist. Ein Abschnitt 30a des sonst zylindrischen Eohrs 30 ist außerdem bevorzugt derart mit einer Einbuchtung verbunden, daß zwischen dem Zylinderring 34 und dem Rohr 30 ein vergrößerter Raum für die Steuerzuleitung 27 und den Vorsprung 38 entsteht. Aus diesem Grunde ist das Rohr 30 nicht völlig zylindrisch.

Um beim Zusammenbau des Halbleitergleichrichters 11 und vor dessen Einspannen zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 die Zentrierung des Halbleiterkörpers 12 auf der Anode 13 zu erleichtern, ist eine neuartige Zentrierungseinrichtung vorgesehen, die einen inneren Zentrierring 41 enthält, der in der lig. 1 sichtbar ist. Dieser Zentrierring 41, der aus einem dünnen Stahlstreifen gestanzt und geformt werden kann, sitzt satt auf einem peripheren Flansch 42 auf, der bleibend

an der Anode 15 ausgebildet ist und erstreckt sich achsparallel in Richtung der Katode 14. Der Innendurchmesser dieses verlängertan Teils ist etwas größer als der Außendurchmesser des Halbleiterkörpers 12. Der äußere Rand des metallischen Substrats 23, der an der Bodenfläche der Siliciumscheibe 22 des Halbleiterkörpers 12 beginnt und achsparallel ist, befindet sich nach dem Zusammenbau des Halbleitergleichrichters innerhalb des Zentrierrings 41. Dadurch, daß man den unteren Teil des Halbleiterkörpers in den Zentrierring 41 einsetzt, kann man den Halbleiterkörper leicht konzentrisch zur Anode 13 anordnen.

Der Halbleiterkörper 12 wird zwischen den Hauptelektroden und 14 des Halbleitergleichriehters mechanisch unter Druck so eingespannt, daß er gleichzeitig elektrisch mit den Hauptelektroden in Serie liegt. Zum Verbinden dieser Teile wird kein Lötmittel oder dergl. verwendet. Der elektrische Kontakt zwischen den Metallflächen des Halbleiterkörpers 12 und den angrenzenden Kontaktflächen der zugeordneten Elektroden wird lediglich dadurch gesichert, daß diese Teile durch einen cn) Bereich der Grenzflächen wirksamen Druck eingespannt werden. Dieser Druck wird in erster Linie durch die elastischen Eigenschaften der beiden Anschlußelemente bewirkt, dfe an den beiden Enden des Halbleitergleichrichter^ 11 angeordnet sind. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Anode 13 und die Katode 14 mittels der außen liegenden Kupferstempel 20 und 21 fest gegen den Halbleiterkörper gedruckt, wodurch sich eine noch innigere Berührung und eine für hohe Ströme geeignete Grenzfläche mit geringem Widerstand ergibt. Zum Herstellen des Drucks kann irgendeine von außen her wirksame Einspannvorrichtung verwendet werden. Im folgenden wird ein· bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine solche Einspannvorrichtung anhand der 3?ig. 2 beschrieben, das bereits in einer früheren Anmeldung vorgeschlagen worden ist.

Die Einspannvorrichtung bestellt aus zwei oder mehr parallel zueinander liegenden Sätzen von aufeinander ausgerichteten, beabstandeten Druckkörpern, zwischen denen jeweils eine Anzahl von lösbaren Verbindungsgliedern vorgesehen sind, wobei die Verbindungsglieder zwischen den Druckkörpern mindestens eines Satzes einen Halbleitergleichrichter 11 enthalten, und aus einem auf Zug beanspruchten Bauteil, der in der Mitte zwischen den Sätzen von Druckkörpern und parallel zu diesen angeordnet ist und dessen beide Enden mit den zugehörigen Druckkörpern jedes Satzes mechanisch verbunden sind. Hierdurch werden alle Druckkörper fest gegen die zugehörigen Verbindungsglieder gedruckt. Die Druckkörper, zwischen denen der Halbleitergleichrichter 11 angeordnet ist, enthalten die oben erwähnten Metallstempel

20 und 21.

Die aufeinander ausgerichteten Kupferstempel 20 und 21 besitzen einen kreisförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser im allgemeinen größer als der des Halbleiterkörpers 12 des Halbleitergleichrichters 11 ist. Wie die Fig. 1 zeigt, sind die einander zugewandten Enden dieser Kupfersianpel abgeschrägt, damit sie in die tassenförmigen .Anschlußelemente des Halbleitergleichrichters passen, und am Ende mit Kontaktflächen 43 bzw. 44 versehen. Die Kontaktfläche 43 des Kupferstempels 20 ist etwa so groß wie die angrenzende äußere Kontaktfläche der Anode 13 und liegt dieser parallel. In ähnlicher Weise ist die!Kontaktfläche 44 des Kupferstempeis

21 etwa so groß wie die angrenzende äußere Kontaktfläche der Katode 14 und liegt dieser ebenfalls parallel. Beide Hauptelektroden 13 und 14 des Halbleitergleichrichter 11 sind somit innerhalb eines relativ großen Flächenbereiches leitend mit aner der beiden Kontaktflächen 43 bzw. 44 der Kupferstempel 20 bzw. 21 in Berührung, so daß der Halbleiter-

gleichriehter 11 mit den Kupferstempeln elektrisch in Serie liegt.

Parallel zu dem Satz von Kupferstempeln 20 und 2}, zwischen denen der Halbleitergleichrichter 11 eingespannt ist, ist wenigstens ein weiterer Satz von "beanstandeten, in axialer Richtung ausgerichteten Druckkörpern vorgesehen, die zwei Stahlstempel 46 und 47 enthalten. Wie in der fig. 2 angedeutet ist, ist im Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Enden der Stahlstempel 46 und 47 sin Abstandsstück 48 aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen. Mit Hilfe des auf Zug beanspruchten Bauteils, der einen lägjnlichen Verbindungsbolzen 50 mit je einer Mutter 51 bzw. 52 an seinen beiden Enden enthält, wird das Abstandsstück in axialer Richtung zwischen den Stahlstempeln 46 und 47 und werden die Hauptelektroden des Halbleitergleichrichtas zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 eingespannt. Die Mutter 51 ist mit den äußeren Enden der Stempel 20 und 46 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Tellerfeder und eines Isolierrings und die Mutter 52 mit den äußeren Enden der beiden Stempel 21 und 47 mittels einer ähnlichen Tellerfeder und eines ähnlichen Isolierrings verbunden. Durch Anziehen der Muttern auf dem Verbindungsbolzen werden daher die Kupferstempel einem hohen Axialdruck ausgesetzt, so daß der Halbleitergleichrichter 11 fest, aber lös^:b"aiDii, eingespannt wird.

Zum elektrischen Verbinden des Halbleitergleichrichters 11 mit einer äußeren elektrischen Schaltung und zum mechanischen Befestigen der gesamten Anordnung sind die Kupferstempel 20 und 21 mit geeigneten Befestigungselementen versehen, die aus zwei L-förmigen Kupferstäben oder Kupferleitungen 54 bzw. 55 bestehen, die an den Kupferstempeln befestigt sind. Die äußeren Enden der Kupferstäbe 54 und 55 liegen

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frei und tonnen zum Festschrauben der gesamten Anordnung an einer (nicht gezeigten) elektrisch leitenden Stützplatte verwendet werden. Zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit ist der Kupferstab 54 auch am Stahlstempel 46 und der Kupferstab 55 auch am Stahlstempel 47 befestigt.

Die beiden Kupferstempel 20 und 21 dienen nicht nur als mechanische Stütze oder elektrische Zuleitung, sondern auch als thermische Wärmesenke für den Halbleitergleichrichter Um die Wärmeableitung yon den Stempeln zu fördern, sind diese mit zwei Gruppen 56 und 57 von beabstandeten Kühlrippen aus Metall ausgerüstet. Die erste Kühlrippe 56a am inneren Ende der Gruppe 56 ist in der Fig. 2 teilweise sichtbar. Um zu vermeiden, daß die Übertragung hoher Kontaktdrüeke auf die Anode 13 und die Katode 14 des Halbleitergleichrichters gestört wird, befinden sich wäder die Kühlrippen noch die Kupferstempel in unmittelbarer Uähe des Isolatorhohlkörpers 19 mit dem Halbleitergleichrichter 11 in Anlage. In den kleinen Zwischenräumen, die sich daher an den beiden Enden des Isolatorhohlkörpers 19 ergeben, sind Dichtungsringe 58 aus einem nachgiebigen Material, z.B. Siliconkautschuk, vorgesehen, die zur mechanischen Stabilität des Isolatorhohlkörpers 19 beitragen und verhindern, daß Staub oder andere Verunreinigungen in den Raum eintreten, der die abgeschrägten Enden der Kupfertempel 20 und 21 umgibt.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist zwischen den beiden Gruppen 56 und 57 aus Kühlrippen eine Prallwand 59 aus Isoliermaterial vorgesehen. Ein Ende dieser Prallwand dient als Befestigungsplatte für einen koaxialen Anschluß 60 eines Drahts 61a, der mit der Steuerklemme 33 des Halbleitergleichrichters verbunden ist. Die Hülle des Anschlußes 60 ist über eine Bezugsleitung 61b, die mit dem Draht 61a verdrillt ist, mit dem Ansatz 32 verbunden, der an die Katode des Halbleitergleichrichters 11 angeschlossen ist.

¥enn der Halbleitergleichrichter 11 zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 gemäß der lig. 1 eingespannt ist, dann sind seine Anode 13 und seine Katode 14 fest gegen den dazwischen befindlichen, scheibenförmigen Halbleiterkörper 12 gedrückt. Auf die aneinandergrenzenden Kontaktflächen dieser Teile wird ein hoher Druck von beispielsweise 211 kg/cm ( 3000 psi) ausgeübt, so daß im gesamten Bereich der großflächigen Grenzfläche eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sichergestellt ist. In radialer Richtung ist der Halbleiterkörper 12 dabei jedoch höchstens durch Reibung beansprucht.

Während des Betriebs wird der Halbleitergleichrichter Wärmestößen unterworfen, die Änderungen seiner Dimensionen zur Folge haben. Da die Anode 13 und die Katode 14 nicht aus dem gleichen Material wie der Halbleiterkörper 12 bestehen, besitzen diese Teile verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten, so daß ihre miteinander in Berührung befindlichen Kontaktflächen gegeneinander reiben. Wenn der Halbleiterkörper beispielsweise von einer Raumtemperatur von 2O⁰C auf eine Betriebstemperatur von 12O⁰G erwärmt wird, dann vergrößert sich sein Radius, wenn er ursprünglich etwa 10,5 mm (0,4 Zoll) beträgt, um etwa 0,005 mm (o,2 mils), wohingegen sich die benachbarte Oberfläche der Anode 13 in radialer Richtung um etwa 0,618 mm (0,7 mUs) ausdehnt. Hierdurch ergibt sich eine relative Gleitbewegung an der Grenzfläche über eine Strecke von etwa 0,013 mm (o,5 mils). TJm einen längsböglichen Betrieb eines solchen für hohe Ströme ausgelegten Halbleitergleichrichters sicherzustellen, müssen solche Oberflächenverschiebungen bzw. Gleitbewegungen stattfinden können, ohne daß die in Berührung befindlichen Oberflächen angefressen, verschweißt, aufgerissen oder anderweitig verformt werden und ohne daß die Siliciumscheibe 22 beschädigt wird. Um eine sanfte Gleitbewegung zu ermöglichen,

wird in jede Grenzfläche ein sehr dünner, z.B. weniger als 0,003 mm (0,1 mil) dünner Mim aus einem inerten Schmiermittel gebracht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man auf jede Oberfläche des Halbleiterkörpers 12 ein oder zwei Tropfen eines für Diffusionspumpen verwendeten Schmiermittels (Siliconöl) aufbringt, wenn der Halbleitergleichrichter 11 zusammengesetzt wird. Durch den süi ergebenden Öffifilm wird nicht nur die Reibung vermindert und das mechanische Gleiten der miteinander in Berührung befindlichen Kontaktflächen gefördert, sondern es werden auch der thermische und der elektrische Widerstand zwischen diesen Kontaktflächen vermindert. Aus einem ähnlichen Grund können in den Grenzflächen zwischen den Hauptelektroden 13 und 14 des Halbleitergleichrichters und den angrenzenden Kontaktflächen 43 und 44 der Kupferstempel 20 und 21 dünne Filme aus Siliconöl oder dgl. vorgesehen sdn. In diesem Falle dient das Öl außerdem zur Vermeidung von Oxidierungen an den sich berührenden Kimtaktflächen und zur Verminderung ihrer Adhäsion.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammensetzen der einzelnen Teile des Halbleitergleichrichters ist das folgende: Zuerst wird eine Teilanordnung hergestellt, indem man das untere tassenförmige Anschlußelement, das die Anode 13 enthält, an die metallisierte Endfläche des Zylinderringes 34 und die Steuerklemme 33 Bn dessen entgegengesetzte Endfläche anlötet. In ähnlicher Weise stellt man dann eine zweite Teilanordnung her, indem man das obere tassenförmige Anschlußelement, das die Katode 24 enthält, an die metallisierte Endfläche 18 des Zylinderrings 35 und den Metallring 36 an dessen entgegengesetzte Endfläche lötet.

Die erste Teilanordnung (13» 33, 34) wird dann in einer geeigneten Haltevorrichtung abgestützt. Auf den peripheren Flansch

der Anode 13 wird der Zentrierring 41 aufgesetzt. Danach wird ein Topfen Siliconöl auf die freie Oberfläche der Anode 13 getropft und der Halbleiterkörper 12 innerhalb des Zentrierrings auf diese Oberfläche gelegt, wobei die Steuerzuleitung in der Nähe des nach innen ragenden Vorsprungs 38 der Steuerklemme 33 angeordnet wird. !Danach wird das Isolierrohr 40 über die Steuerzuleitung 27 gezogen und das freie Ende der Steuerzuleitung um den Vorsprung gewickelt und an diesem festgeschweißt, lach dem Anbringen des Isolierrohrs 39 wird dann das freie Ende des Vorsprungs 38 nach unten bis in die in der Pig. 1 gezeigte Stellung gebogen.

Der nächste Schritt besteht darin, daß man auf die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers 12 einen Tropfen Siliconöl gibt. Hierauf kann die zwei te Teilanordnung (14, 35, 36) koaxial auf die erste Teilanordnung gelegt werden. Dabei wird der Ansatz 32 am Randabaiinitt 16 der zweiten .Teilanordnung derart angeordnet, daß die Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 unterhalb des umgebogenen Teils 31 der Kontaktfläche der Katode 14 liegt, d.h. der Ansatz 32 wird in Übereinstimmung mit der lig. 1 auf die Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 ausgerichtet.

Zur Vervollständigung des Halbleitergleichrichters werden die Steuerklemme 33 und der Metallring 36 gegeneinander gedrückt und längs ihres gemeinsamen Umfangs fortlaufend verschweißt. Währaö dieses Verfahrensschritts sollte dafür gesorgt werden, daß der Ansatz 32 der zweiten Teilanordnung seine Winkelstellung bezüglich der inneren Steuerelektrode 26 beibehält. Dies kann dadurch geschehen, daß man ihn in einer Linie mit einer Markierung hält, die man vorher auf der äußeren Mantelfläche des Zylinderrings 34 außerhalb des Vorsprungs 38 anbringt.

Haeh dem Verschweißen der Steuerklemme 33 und des Metallrings 36 ist der Halbleiterkörper 12 bleibend in anem hermetisch, abgedichteten Gehäuse eingeschlossen, das aus den beiden Hauptelektroden 13 und H , dem Isolatorhohlkörper 19 und der Steuerklemme 33 gebildet ist.

Claims (4)

1. ΡΛ579 855*11- tö-67

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   S chut zansprüche

   Mt
   1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem schabenförmigen Halbleiterkörper, der zwischen zwei metallenen Hauptelektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (12) durch einen mittels zweier Druckkörper (20, 21) auf die Hauptelektroden (13, H) ausgeübten Druck mit diesen in Berührung gehalten und von einem aus zwei aufeinander ausgerichteten Zylinderringen (34, 35) mit gleichem Innendurchmesser bestehenden Isolatorhohlkörper (19) umgeben ist, daß ferner die Hauptelektroden an je einem äußeren Ende der Zylinderringe befestigt sind und mit diesen ein Gehäuse für den Halbleiterkörper bilden, und daß die Innenwände (37) äer beiden Zylinderringe, zwischen denen eine koaxiale Eingseheibe (33) liegt, deren Innendurchmesser größe? als der der Zylinderringe ist, im Bereich der Ringscheibe abgeschrägt sind.
2. 2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, da durch gekennz eichnet, daß die Hauptelektroden die Boden tassenförmiger Anschlußelemente sind, deren ringförmige Seitenteile (29,30), die einen Heineren Durchmesser im Vergleich zum Innendurchmesser der Zylinderringe haben, an den den Böden entgegengesetzten Enden einen erweiterten Rendabschnitt (15, 16) aufweisen, der konzentrisch am äußeren Ende des zugehörigen Zylinderrings befestigt ist.
3. 3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (33) als Steuerklemme ausgebildet und mit einer am Umfang des Halbleiterkörpers befindlichen Steuerelektrode (2 6) verbunden
4. 4. Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (12) aus einer dünnen, runden Halbleiterscheibe (22) besteht, an deren einer Endfläche ein rundes Metallsubstrat (23) mit konkav gewölbter Außenfläche befestigt ist, an der ein aus mehreren dünnen Scheiben (24a, 24b, 24c) mit verschiedenen Durchmessern bestehender Edelmetallkontakt mit eben geschliffener Außenfläche konzentrisch angebracht ist.