DE2808531A1 - Lichtgetriggertes hochleistungs-halbleiterbauelement - Google Patents

Lichtgetriggertes hochleistungs-halbleiterbauelement

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DE2808531A1 DE19782808531 DE2808531A DE2808531A1 DE 2808531 A1 DE2808531 A1 DE 2808531A1 DE 19782808531 DE19782808531 DE 19782808531 DE 2808531 A DE2808531 A DE 2808531A DE 2808531 A1 DE2808531 A1 DE 2808531A1
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Description

PATE". NTAN Wa1LT
R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER
DIPL.-ING. DIPI CHEM.
MÖNCHEN
J.RICHTER F. WERDERMANN
DIPL.-ING. DIPL.-ΙΝβ.
HAMBURG
20O0 HAMBURG 36
NEUER WALL 1O TEL. (O40) 34 OO 45 34 OO 56 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG
27. 2.78
1849-1-3647-E.77158 Fl
IHR ZEICHEN:
PATENTANMELDUNG
PRIORITÄT: V.St.v.A. Ser. No. 800 706 vom 26. Mai 1977
BEZEICHNUNG: Lichtgetriggertes Hochleistungs-Halbleiterbauelement
ANMELDER: Electric Power Research Institute, Inc. Palo Alto, Kalif. (V.St.A.)
ERFINDER: Maurice H. Hanes und Lewis R. Lowry, Jr.
809848/0557
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Die Erfindung betrifft ein lichtgetriggertes Hochleistungs-Halbleiterbauelement, das aus einem Gehäuse mit einem elektrischen Isolierkörper mit einem mittigen Hohlraum besteht, in dem sich das lichtgetriggerte Halbleiterbauelement befindet, und das zwei in entgegengesetzte Ende des Isolierkörpers eingesetzte Polstücke aufweist, deren innenliegende Polflächen in Nähe gegenüberliegender Seiten des Halbleiterbauelements angeordnet und mit diesen elektrisch gekoppelt sind, und hermetische Abdichtungen zwischen den Polstücken und den jeweiligen Enden des Isolierkörpers vorgesehen sind.
In elektrischen Leistungs- und Steuerschaltungen werden für unterschiedliche Zwecke Thyristoren eingesetzt. Ein Anwendungsbeispiel für Thyristoren sind Hochspannungs-Verteileranlagen. Bei derartigen Anwendungen ergeben sich Steuerprobleme aufgrund von Paktoren wie z.B. Störsignalaufnahme und auch deswegen, weil Hochspannungspotentiale an den zum Triggern der Thyristoren dienenden Steuerleitungen durch aufwendige Mittel wie z.B. Einzelübertrager vermieden werden müssen.
Es wäre daher in Leistungschaltungen wünschenswert, einen lichtgesteuerten Thyristor zu verwenden, um dadurch das Steuersignal von dem Leistungssignal zu trennen und damit Störsignaleinflüsse und Steuerprobleme auszuschalten. Es war bisher jedoch nicht möglich, lichtgetriggerte Thyristoren für Leistungsschaltungen zu verwenden, da derartige Thyristoren hermetisch abgedichtet sein müssen. Die Polflächen der Hochleistungs-Halbleiterbauelemente müssen in massivem thermischen und elektrischem Kontakt stehen, um die verhältnismäßig hohen Ströme aufnehmen zu können. Daher war es bis jetzt nicht möglich, ein Lichttriggersignal einem lichtempfindlichen Bereich einer Polfläche zuzuführen und das Gehäuse dabei gleichzeitig hermetisch abzudichten.
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ORIGINAL INSPECTED
Außerdem ist dazu erforderlich, daß ein entsprechender äußerer Anschluß zwischen dem Gehäuse des Halbleiterbauelements und der Lichtquelle wie z.B. einem Faseroptikstrang vorhanden ist. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glaslichtleitern und anderen Teilen des Bauelements war es bis j etzt nicht möglich, einen hermetisch abgedichteten Hochleistungs-Thyristor auszubilden.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein lichtgetriggertes Hochleistungs-Halbleiterbauelement zu schaffen. Bei diesem Bauelement soll ein Lichttriggersignal einem lichtempfindlichen Bereich in dem hermetisch abgedichteten Bauelement zugeführt werden, wobei das Steuersignal elektrisch von dem Leistungssignal getrennt ist.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Halbleiterbauelement vom eingangs genannten Typ ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Lichtleiter, der an seinem innenliegenden Ende mit einem lichtempfindlichen Bereich des Halbleiterbauelements optisch gekoppelt, und an seinem außenliegenden Ende durch einen Isolierkörper durchgeführt und an diesem Ende mit einer zum Triggern des Bauelements dienenden Lichtquelle koppelbar ist, eine auf einen Abschnitt des außenliegenden Endes des Lichtleiters aufgesetzte Hohlmanschette, eine hermetische Dichtung zwischen Lichtleiter und Hohlmanschette und ein zur Ausbildung einer hermetischen Abdichtung zwischen Hohlmanschette und Isolierkörper dienendes Mittel.
Bei diesem Halbleiterbauelement ist das eigentliche lichtgetriggerte Halbleiterbauelement in einem Hohlraum eines elektrischen Isolierkörpers angeordnet, der auf gegenüberliegenden Seiten gegen den Körper hermetisch abgedichtete, als Kathode und Anode dienende Polstücke trägt. Der Licht-
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leiter kann dabei innerhalb einer radial an einer Polfläche verlaufenden Nut angeordnet sein und ist an seinem innenliegenden Ende optisch mit einem lichtempfindlichen Bereich des Halbleiterbauelements gekoppelt. Das außenliegende Ende des Lichtleiters trägt eine metallische Hohlmanschette, welche durch eine Ausnehmung im Isolierkörper durchgeführt ist. Die Hohlmanschette besteht aus einem Werkstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient vergleichbar ist denen von Lichtleiter und Isolierkörper. Eine hermetische Dichtung ist zwischen dem innenliegenden Ende der Hohlmanschette und dem Lichtleiter ausgebildet, und eine weitere hermetische Abdichtung ist zwischen der äußeren Oberfläche der Hohlmanschette und einem metallisierten Bereich des Isolierkörpers um die Ausnehmung herum ausgebildet. Ein auf das äußere Ende der Hohlmanschette aufgesetzter Paßring dient zur Aufnahme des Endes eines Faseroptikstrangs, der mit der Triggerlichtquelle verbunden ist.
Weitere Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2-10.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Halbleiterbauelement ist im nachfolgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, in welcher ist
Fig. 1 ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Thyristor, und
Fig. 2 ein in einem größeren Maßstab gehaltener Teilquerschnitt einiger Teile des Bauelements von Fig. 1.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein hermetisch abgedichtetes, lichtgesteuertes Halbleiterbauelement 12 in Form eines lichtgetriggerten
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Thyristors, das in einem Gehäuse 10 angeordnet ist. Das Gehäuse des Thyristors ist ausgelegt für Schaltungen, in denen das Steuersignal elektrisch von dem Leistungssignal getrennt werden soll.
Das Gehäuse 10 besteht aus einem ringförmigen elektrischen Isolierkörper 14 aus einem Keramikwerkstoff, der vorzugsweise einen hohen Tonerdegehalt aufweist. Die Innenwand des Isolierkörpers ist zylindrisch und begrenzt einen Hohlraum 18. Die Außenwand des Isolierkörpers weist mehrere Ringrippen 20 zur Vergrößerung des Oberflächenwiderstands in an sich bekannter Weise auf. Der Hohlraum 18 ist im fertiggestellten und hermetisch abgedichteten Halbleiterbauelement mit einem inerten Gas wie z.B. Stickstoff gefüllt.
Der Thyristor 12 befindet sich innerhalb des Isolierkörpers 14 zwischen zwei Polstücken 22 und 24, die vorzugsweise aus vernickeltem Kupfer bestehen und Anoden- und Kathodenkontakt bilden. Der Thyristor besteht aus einem Siliziumplättchen mit einem an seiner Oberseite ausgebildeten lichtempfindlichen Bereich 26. Der Thyristor ist vermittels eines Halterings 28 zwischen den Polstücken zentriert. Der Haltering 28 weist einen nach innen vorstehenden Flansch 30 auf, der in eine Ringnut an der Oberseite des unteren Polstücks eingreift. Eine Kreisscheibe 32 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff wie z.B. Silber ist zwischen dem Thyristor und der Oberseite des Polstücks 22 angeordnet. Bohrungen 33, 34 an den Außenseiten der Polstücke dienen zur Aufnahme von entsprechenden Kupfer-Wärmeableitern bekannter Ausführung, die hier nicht dargestellt sind.
Das untere Polstück 22 ist im unteren Ende des Isolierkörpers 14 durch eine Ringkappe 36 aus Metall wie z.B. Kupfer gehalten. An den Grenzflächen zwischen der Ringkappe 36
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und dem unteren Polstück 22 und zwischen der Ringkappe 36 und dem Isolierkörper 14 sind hermetische Dichtungen durch Hartlötung mit einem geeigneten Werkstoff wie z.B. einer Silber-Kupfer-Legierung ausgebildet. Vor dem Verlöten wird ein Bereich 37 des Keramikkörpers im Bereich der Ringkappe metallisiert, damit er eine metallische Bindung mit dem Lötwerkstoff eingeht. Die Metallisierung kann in der Weise erfolgen, daß eine Mo-Mn-Paste unter hoher Temperatur auf den gewünschten Bereich des Keramikkörpers aufgebracht wird.
Das obere Polstück 24 ist im oberen Ende des Isolierkörpers durch zwei Flansche 38, 40 aus Metall wie z.B. Kupfer gehalten. Der untere Flansch 38 ist hermetisch abgedichtet gegen den Isolierkörper 14 durch Hartlöten mit einem geeigneten Werkstoff wie z.B. einer Süber-Kupfer-Legierung. Vor dem Verlöten wird ein Bereich 41 des Keramikkörpers im Anschlußbereich des Flanschs in der vorstehend beschriebenen Weise metallisiert. Der obere Flansch 40 ist mit dem Umfang des unteren Flanschs kaltverschwexßt, und der innere Rand des oberen Flanschs ist mit dem oberen Polstück 24 vermittels einer Silber-Kupfer-Legierung hartverlötet.
über die Unterseite des oberen Polstücks 24 erstreckt sich in Diametralrichtung eine schmale Nut 42, in welcher ein Lichtleiter 44 angeordnet ist. Der Lichtleiter besteht aus einem Glasstab 45, der von einem konzentrischen Glasmantel 46 umgeben ist. Das innere Ende des Lichtleiters weist einen rechtwinklig überleitenden Bogenabschnitt 47 auf, der in eine ebene Endfläche 48 ausläuft, die gegen den lichtempfindlichen Bereich des Thyristors unter einem im wesentlichen rechten Winkel anliegt. Ein Haft- oder Klebemittel 50 wie z.B. klares Epoxidharz verbindet die ebene Endfläche 48 mit der Thyristoroberfläche, wodurch die optische Kopplung verbessert und der Lichtleiter in seiner vorbestimmten
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Lage gehalten wird.
Das außenliegende Ende 52 des Lichtleiters erstreckt sich in Radialrichtung durch eine an einer Seite des Isolierkörpers 14 ausgebildete Ausnehmung 54. Eine langgestreckte Hohlmanschette 56 umgibt das außenliegende Ende des Lichtleiters konzentrisch innerhalb der Ausnehmung. Die Hohlmanschette 56 ist aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient vergleichbar ist mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glaslichtleiters und von Glasfritte, sowie des den Isolierkörpers bildenden Keramikmaterials. Die Manschette besteht vorzugsweise aus KOVAR (Wz von Westinghouse Electric Corporation; eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung) oder aus CARPENTER 426 (Wz von Carpenter Steel Co.; eine 42 %-ige Nickel-Eisen-Stahl-Legierung). Die Kovar-Legierung weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4,6 bis 5,2 χ 10~ /0C , und der Werkstoff Carpenter 426 einen solchen von 7,4 χ 10~ /0C auf. Diese Legierungen sind daher in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten vergleichbar mit den bevorzugten Werkstoffen für den Lichtleiter und den Isolierkörper. In typischen Lichtleitern weist der innere Glasstab einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 9,1 χ 10 0C, und der äußere Glasmantel einen solchen von 5,15 χ 10 /°C auf. Ein zur Herstellung des Isolierkörpers geeigneter Keramikwerkstoff hohen Tonerdegehalts weist beispielsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 7,8 χ 10~6 /0C auf.
Zur Ausbildung einer hermetischen Dichtung zwischen der Hohlmanschette 56 und dem Lichtleiter 44 wird eine Glasfr itte 58 zwischen dem inneren/der Hohlmanschette und dem Glasmantel 46 verschmolzen. Als Glasfritte wird vorzugsweise Corning Nr. 7583 (Wz. der Fa. Corning Glass Co) verwendet, bei dem es sich um ein Weichglas handelt, das bei
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Temperaturen unter 500 0C fließ- und haftfähig ist.
Vermittels Lötmasse 60 wird außerdem eine hermetische Abdichtung zwischen der äußeren Oberfläche der Hohlmanschette und der Ausnehmung 54 im Isolierkörper ausgebildet. Dazu wird vorzugsweise die äußere Oberfläche der Hohlmanschette zunächst mit einem Metall wie z.B. Nickel überzogen. Ein Bereich 62 des Keramikwerkstoffs um die Ausnehmung 54 herum wird ebenfalls in der gleichen Weise wie vorstehend für die Bereiche 37 und 41 beschrieben metallisiert. Die zur Abdichtung dienende Lötmasse 60 besteht vorzugsweise aus einem Blei-Zinn-Lötmaterial, das sich sowohl mit dem metallisierten Bereich des Keramikkörpers als auch dem Nickelüberzug der Hohlmanschette verbindet.
Ein Paßring 64 aus einem starren Werkstoff wie z.B. Metall oder einem Hartkunststoff ist auf das nach außen vorstehende Ende der Hohlmanschette 56 aufgesetzt. Ein Haftmittel 66 wie z.B. Epoxidharz verbindet den Paßring mit dem Keramikkörper und der Hohlmanschette. Das äußere Ende des Paßrings steht über das Ende des Lichtleiters 44 vor und bildet eine Fassung 68 zur Aufnahme des Endes eines biegsamen Faseroptikstrangs 70, der zu einer hier nicht dargestellten, entfernt angeordneten Triggerlichtquelle geführt ist.
Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Halbleiterbauelements ist kurz wie folgt: Das Thyristorgehäuse 10 wird in eine Leistungsschaltung geschaltet und ermöglichst die wirkungsvolle Überleitung eines außerhalb erzeugten optischen Signals zum lichtempfindlichen Bereich des Halbleiters. Dabei befindet sich das Halbleiterbauelement in einer hermetisch abgedichteten inerten Gasatmosphäre und in verhältnismäßig großem Oberflächenkontakt mit den Polstücken, so
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daß eine gute Wärmeableitung möglich ist und das Bauelement große Ströme aufnehmen kann. Bei Herstellung des Halbleiterbauelements erfolgt die hermetische Abdichtung des Gehäuses durch einen Kaltschweißvorgang vermittels entsprechender, bekannter Vorrichtungen, wobei der Anschluß für die Lichtoptik nicht stört. Da zwischen dem Lichtleiter, der Hohlmanschette und dem Keramikkörper bereits eine hermetische Abdichtung vorhanden ist, braucht die Haftbindung für den Paßring nicht hermetisch abgedichtet zu sein. Nach Einbau des Halbleiterbauelements in einen elektrischen Stromkreis wird das Ende eines Faseroptikstrangs in die Fassung 68 eingesetzt. Ein von einer entfernt angeordneten Quelle ausgehendes optisches Signal wird dann über den Strang und den Lichtleiter 44 zum Thyristor-Halbleiterbauelement übertragen und triggert dieses.
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Claims (10)

  1. ί 8 i.. t: b 3 1
    Patentansprüche :
    Lichtgetriggertes Hochleistungs-Halbleiterbauelement, bestehend aus einem Gehäuse mit einem elektrischen Isolierkörper mit einem mittigen Hohlraum, in dem sich das lichtgetriggerte Halbleiterbauelement befindet, zwei in entgegengesetzte Enden des Isolierkörpers eingesetzten Polstücken, deren innenliegende Polflächen in Nähe gegenüberliegender Seiten des Halbleiterbauelements angeordnet und mit diesen elektrisch gekoppelt sind, und hermetischen Abdichtungen zwischen den Polstücken und den jeweiligen Enden des Isolierkörpers, gekennzeichnet durch einen Lichtleiter (44), der an seinem innenliegenderi Ende (48) mit einem lichtempfindlichen Bereich (26) des Halbleiterbauelements (12) optisch gekoppelt, und an seinem außenliegenden Ende (52) durch den Isolierkörper (14) durchgeführt und an diesem Ende mit einer zum Triggern des Bauelements dienenden Lichtquelle koppelbar ist, eine auf einen Abschnitt des außenliegenden Endes (52) des Lichtleiters (44) aufgesetzte Hohlmanschette (56), eine hermetische Dichtung (58) zwischen Lichtleiter und Hohlmanschette und ein zur Ausbildung einer hermetischen Abdichtung zwischen Hohlmanschette und Isolierkörper (14) dienendes Mittel (60).
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (44) einen rechtwinklig überleitenden Bogenabschnitt (47) aufweist, das innenliegende Ende (48) in senkrechter Richtung mit dem lichtempfindlichen Bereich (26) gekoppelt ist, und das außenliegende Ende (52) in Radialrichtung durch den Isolierkörper (14) durchgeführt ist.
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    °^,NAl INSPECTS
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Polstück (24) in seiner Polfläche eine radial verlaufende Nut (42) aufweist, und das außenliegende Ende (52) des Lichtleiters (44) innerhalb dieser Nut verläuft.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (14) eine radial ausgerichtete Ausnehmung (54) aufweist, durch welche die Hohlmanschette (56) koaxial durchgeführt ist, und daß zur Abdichtung dienende Mittel zwischen Hohlmanschette und Isolierkörper aus zwischen der Hohlmanschette und dem die Ausnehmung (54) aufweisenden Bereich des Isolierkörpers (14) verlöteter Lötmasse (60) besteht.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (14) aus einem Keramikwerkstoff besteht, ein Teil des Keramikwerkstoffs im Bereich der Ausnehmung (54) mit Metallmolekülen in einer zur Ausbildung einer metallischen Bindung mit der Lötmasse (60) ausreichenden Menge kombiniert ist und die äußere Oberfläche der Hohlmanschette (56) aus einem sich mit der Lötmasse verbindenden Metall besteht.
  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (44) aus lichtdurchlässigem Glas (45, 46), und die Hohlmanschette (56) aus Metall von einem dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers (14) und dem des Lichtleiters vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hermetische Dichtung zwischen Lichtleiter (44) und Hohlmanschette (56) aus einem mit der
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    ORiGINAL IWSPECTED
    -Jf-
    C. (.' Ό
    Außenoberfläche des Lichtleiters und dem inneren Ende der Hohlmanschette haftend verbundenen Ring aus Glasfritte
    (58) besteht.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, daß das innenliegende Ende (48) des Lichtleiters (44) vermittels eines optisch klaren Haft- oder Klebemittels (50) in Form einer lichtdurchlässigen Bindung mit dem lichtempfindlichen Bereich (26) des Halbleiterbauelements (12) verbunden ist.
  9. 9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Kopplung des Lichtleiters (44) mit der triggernden Lichtquelle ein mit einem Ende auf einen Abschnitt der radial aus dem Isolierkörper vorstehenden Hohlmanschette aufgesetzter Paßring (64) vorgesehen ist, dessen anderes Ende eine zur Aufnahme eines Endabschnitts eines einen Teil der Lichtquelle bildenden Faseroptikstranges (70) dienende Fassung (68) bildet, und der Paßring vermittels eines Haftmittels mit dem Isolierkörper oder der Hohlmanschette verklebt ist.
  10. 10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Isolierkörper (14) eine ringförmige Formgebung aufweist, die in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Polstücke (22, 24) koaxial in den Isolierkörper eingesetzt sind, und das Halbleiterbauelement (12) aus einem koaxial zwischen den Polstücken gehaltenen und elektrisch mit diesen gekoppelten lichtgetriggerten Thyristor besteht.
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    in
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