DE1057240B

DE1057240B - Hochleistungsgleichrichter der Grossflaechenbauart mit einem als Gleichrichterelement dienenden p-n-Halbleiterkristall

Info

Publication number: DE1057240B
Application number: DEB46728A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ortlieb; Dipl-Phys Gotthold Zielasek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1957-11-09
Filing date: 1957-11-09
Publication date: 1959-05-14
Also published as: CH362753A

Description

Hochleistungsgleichrichter der Großflächenbauart mit einem als Gleichrichterelement dienenden p-n-Halbleiterkristall Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsgleichrichter der Großflächenbauart mit einem als Gleichrichterelement dienenden p-n-Halbleiterkristall, der in den Hohlraum eines gut wärmeleitenden, mit Kühlrippen versehenen Metallblockes eingelötet ist und bei, dem ein als- Anschlußelektrode dienender Kupferbolzen, der mit seiner Stirnseite auf dem am Grunde des Hohlraums festgelöteten Gleichrichterelement aufsitzt. Bei derartigen Gleichrichtern, die für Ströme von 100 bis 200 A bemessen sind, bereitet es Schwierigkeiten, die am p-n-Übergang des Halbleiters entstehenden Wärmemengen nach außen abzuführen. Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, eine der beiden Anschlußelektroden als massiven Kupferstab auszuführen und diesen unmittelbar auf der Oberseite des mit seiner Rückseite innen am Boden des Kühlbehälters festgelöteten, scheibenförmigen Halbleiterelements durch ein gleichzeitig als Legierungswerkstoff dienendes Lötmetall zu verbinden. Infolge der auftretenden mechanischen Beanspruchungen und der beim Betrieb des Gleichrichters mit den angegebenen Stromstärken entstehenden Wärmespannungen muß die Anschlußelektrode so im Metallblock eingespannt- werden, daß die auf das Gleichrichterelement ausgeübten Zug- und Druckkräfte möglichst klein bleiben, weil sonst die Gefahr besteht, daß das Gleichrichterelement zerstört wird.
Diese Aufgabe läßt sich bei einem Gleichrichter der eingangs beschriebenen -Art dadurch lösen, daß der Kupferbolzen gemäß der Erfindung an seinem dem Gleichrichterelement .benachbarten Abschnitt mindestens zwei quer zu seiner Achse verlaufende Schlitze hat, die abwechselnd -von verschiedenen Stellen des Bolzenumfangs her höhenversetzt zueinander so eingeschnitten sind, daß ' -der geschlitzte Bolzenabschnitt in -seiner Längsrichtung elastisch zu federn vermag.
In der Zeichnung ist -als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Hochleistungsgleichrichter dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Gleichrichter und Fig.2 einen stark vergrößerten Ausschnitt des Querschnitts durch das Halbleiterelement des Gleichrichters nach Fig. 1.
Der Gleichrichter hat einen zylindrischen Metallblock 10 aus Kupfer, der am Umfang eine größere Anzahl radial abstehender Kühlrippen 11 trägt und eine zentrale Längsbohrung 12 enthält, in deren oberem Abschnitt ein Innengewinde 24 eingeschnitten ist.
Auf dem Grund 13 der Bohrung 12 liegt eine verzinnte Nickelscheibe 14, darüber eine Germaniumscheibe 15 mit etwa 20 mm Durchmesser und 0,3 mm Dicke und auf dieser ein Indiumplättchen 16. Ein Kupferbolzen 17 sitzt mit der Stirnseite seines dickeren unteren Abschnittes 18 auf dem Plättchen 16 auf. Der dickere Abschnitt 18 des Bolzens hat zwei senkrecht zu seiner Achse verlaufende, in geringem Abstand voneinander liegende Querschlitze 19 und 2d, die, von zwei einander diametral gegenüberliegenden Umfangstellen ausgehend, sich über mehr als die Hälfte des Bolzenquerschnitts erstrecken, so daß sich die aus Fig. 1 ersichtliche S-förmige Gestalt des Abschnitts 18 und 'dadurch eine elastische Federung dieses Abschnitts in der Längsrichtung ergibt.
Wenn die Scheiben 14, 15 und 16 sowie der Bolzen 17 in der beschriebenen Reihenfolge in der Bohrung 12 eingelegt sind; werden die so' zusammengesetzten Teile in einer Wässerstoffschützgäsatmosphäre - auf etwa 500 bis 550°C erhitzt: Dabei schmilzt@nicht nur das Zinn auf der Nickelscheibe 14, sondern auch das Indiumplättchen 16. Das Indium kann dann in das n-Germanium einlegieren, so daß die in Fig.2 mit unterbrochenen Linien angedeutete p-n-Übergangszone entsteht.
Die Nickelscheibe 14 verhindert, daß bei diesem Löt- und Legierungsvorgang Kupferatome aus dem Metallblock 10 in die Germaniumscheibe eindringen. Um auch ein Eindiffundieren von Kupfer aus dem Bolzen 17 in das Indium zu vermeiden, empfiehlt es sich, den der Germaniumscheibe benachbarten verdickten Abschnitt 18 des Bolzens vor dem Zusammenstecken der Teile zu vernickeln.
Sobald die in der Bohrung 12 untergebrachten Teile durch die beschriebene Wärmebehandlung festhaftend miteinander verbunden sind, wird der noch frei liegende Rand der Germaniumscheibe in üblicher Weise geätzt und dann die Bohrung sorgfältig ausgespült. Hierauf werden die zusammenhaftenden Teile bei etwa 100 bis 150°C unter reichlicher Zufuhr von Sauerstoff getrocknet.
Nun erfolgt der weitere Zusammenbau, bei dem der die Scheiben 14, 15 und 16 sowie den Bolzenabschnitt 18 enthaltende Abschnitt der Bohrung 12 nach außen abgedichtet und der Bolzen gegen den Metallblock isoliert in diesem festgespannt wird. Dabei wird zunächst ein über den Bolzen 17 gestreckter Isolierschraubring 22 in das Gewinde 24 der Bohrung 12 eingeschraubt, bis der innere Rand der Büchse auf der Übergangsschulter 23 des Abschnitts 18 des Kupferbolzens 17 aufsitzt. Dann wird auf die eingeschraubte Büchse eine Schicht 25 aus aushärtbarem Gießharz gegossen. Auf die Schicht 25 wird ein Ring 26 aus Weichgummi und hierauf eine Hartpapierscheibe 27 gelegt. Mit Hilfe einer in das Innengewinde 24 der Bohrung 12 eingeschraubten Isolierstoffbüchse 28 wird auf den Gummiring 26 ein axialer Druck ausgeübt; so daß der Ring den Schaft des Bolzens 17 fest und dicht einspannt.
Auf den aus der Büchse 27 herausragenden Abschnitt des Kupferbolzens 17 ist eine Klemmschelle 29 aufgezogen, die viele radial abstehende schmale Kühlrippen 30 aus Kupferblech trägt. Am oberen Ende des Bolzens 17 ist eine Anschlußfahne 31 für nicht dargestellte Zuleitungskabel angelötet.
Die beschriebene Anordnung gewährleistet nicht nur eine allen mechanischen Beanspruchungen standhaltende Befestigung des Anschlußbolzens in der Bohrung des Kühlkörpers, sondern ergibt gleichzeitig einen zuverlässigen Abschluß gegen eindringende Feuchtigkeit.
Darüber hinaus wird durch den im Längsschnitt S-förmig ausgebildeten Bolzenabschnitt 18 sichergestellt, daß die beim Auftreten von Wärmespannungen infolge starker Temperaturwechsel entstehenden Druck- bzw. Zugkräfte von dem Bolzenabschnitt 18 elastisch aufgenommen werden können und eine Zerstörung der Gleichrichterscheibe oder der Lötverbindungen vermieden wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Hochleistungsgleichrichter der Großflächenbauart mit einem als Gleichrichterelement dienenden p-n-Halbleiterkristall, der in den Hohlraum eines gut wärmeleitenden, mit Kühlrippen versehenen Metallblocks eingelötet ist und bei dem ein als Anschlußelektrode dienender Kupferbolzen (17) mit seiner Stirnseite auf dem am Grunde des Hohlraums festgelöteten Gleichrichterelement (15) aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen an seinem dem Gleichrichterelement benachbarten Abschnitt (18) mindestens zwei quer zu seiner Längsachse verlaufende Schlitze (19 und 20) hat, die abwechselnd von verschiedenen Stellen des Bolzenumfangs her zueinander versetzt so eingeschnitten sind, daß der geschlitzte Bolzenabschnitt in seiner Längsrichtung elastisch nachzugeben vermag.
2. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze von einander diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen des Bolzens her parallel zueinander und senkrecht zur Bolzenachse über die Hälfte des Bolzenquerschnitts hinausgehend eingeschnitten sind.
3. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferbolzen im Metallblock (10) durch einen Isolierstoffschraubring (22) festgespannt ist.
4. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubring an einer Ringschulter (23) am oberen Ende des mit den Querschlitzen versehenen Bolzenabschnitts angreift und dessen unteres Ende federnd gegen das Gleichrichterelement drückt.
5. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schraubring (22) und einer darüberliegenden Isolierstoffschraubbüchse (28) ein Ring aus elastisch nachgiebigem Isolierstoff eingespannt ist, der sich beim axialen Zusammenpressen außen gegen die Bohrungswand (12) und innen gegen den Bolzenschaft dichtend anlegt.
6. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schraubring und dem Ring aus elastisch nachgiebigem Isolierstoff eine Vergußmasseschicht (25) aus aushärtendem Gießharz eingebracht ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungsgleichrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus Germanium bestehenden Gleichrichterscheibe und dem Grund des Hohlraums im Metallblock eine aus verzinntem Nickelblech bestehende Scheibe (14) eingelegt ist, die gleichzeitig mit dem Ansehlußbolzen in einem Arbeitsgang durch Erhitzen auf etwa 500 bis 550°C mit der Gleichrichterscheibe verlötet wird. B. Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungsgleichrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteroberfläche vor dem Aufsetzen der die Abdichtung .ergebenden Spannmittel bei etwa 100 bis 150°C getrocknet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 751528.