DE1113519B - Siliziumgleichrichter fuer hohe Stromstaerken - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

B56812Vmc/21g

ANMELDETAG: 25. F E B RU AR 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 7. SEPTEMBER 1961

Die Erfindung betrifft einen Siliziumgleichrichter für hohe Stromstärken, bei dem eine dünne Scheibe aus Silizium sperrschichtfrei auf einem als Träger dienenden Plättchen aus einem Metall, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder annähernd gleich groß wie derjenige von Silizium ist, vorzugsweise auf einem Plättchen aus Molybdän, Eisennickel oder Nickel, auf ihrer ganzen Unterseite durch ein Silberlot befestigt ist und an ihrer Oberseite eine durch Einlegieren eines Metalls entgegengesetzter Leitfähigkeit erzeugte Zone enthält, an der eine Zu- bzw. Ableitungselektrode sitzt.

Bei derartigen Gleichrichtern bereitet es besondere Schwierigkeiten, die Siliziumscheibe sperrschichtfrei auf ihrer Metallunterlage anzulöten. Es hat sich nämlich gezeigt, daß auch bei Verwendung eines als Träger dienenden Metalls, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder annähernd gleich groß wie derjenige des Siliziums ist, das verhältnismäßig dünne Siliziumplättchen nach dem in einem Arbeitsgang durchgeführten Löt- und Legierungsvorgang einen hohen Übergangswiderstand zu dem Trägermetall hat und bereits nach kurzer Betriebszeit zerstört wird.

Diese Schwierigkeiten lassen sich vermeiden, und es werden sehr niederohmige Übergänge zwischen der Siliziumscheibe und dem als Unterlage dienenden Metallplättchen erzielt, wenn gemäß der Erfindung das Lot aus 65 bis 75 Gewichtsprozent Silber, 20 bis 30 Gewichtsprozent Kupfer und 1 bis 10 Gewichtsprozent Zinn besteht. Innerhalb dieser Legierungsbereiche hat sich als besonders vorteilhaft eine Dreistofflegierung aus den genannten Bestandteilen erwiesen, bei denen das Silber 70 Gewichtsprozent, das Kupfer 25 Gewichtsprozent und das Zinn 5 Gewichtsprozent ausmacht. Abweichungen von diesen Anteilen bis zu 2% nach oben und unten haben im allgemeinen keine wesentliche Verschlechterung ergeben.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des Gleichrichters nach der Erfindung ein Siliziumgleichrichter für hohe Stromstärken in

Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt;

Fig. 2 zeigt in vergrößerter, jedoch nicht maßstäblicher Darstellung den Aufbau des gleichrichtenden Halbleiterelements.

Der Gleichrichter hat einen aus Kupfer durch Fließpressen hergestellten topfförmigen Kühlkörper 10, der an seiner Außenseite vier aus Kupferblechstreifen hergestellte Kühllamellen 11, 12, 13 und 14 trägt. Die Kühllamellen haben eine durch Stanzen hergestellte Bohrung mit einem eingezogenen Boh-

Siliziumgleichrichter für hohe Stromstärken

Anmelder:

Robert Bosch G. m. b. H.,
Stuttgart W, Breitscheidstr. 4

DipL-Phys. Gotthold Zielasek

und Hildegard Uhlig, Stuttgart,

sind als Erfinder genannt worden

rungsrand 15. Mit diesem Bohrungsrand sind die auf den Kühlkörper 10 aufgeschobenen Kühllamellen mit dem Kühlkörper hart verlötet. Am Grund der zentralen Längsbohrung 16 des Kühlkörpers ist das in Fig. 2 vergrößert dargestellte Halbleiterelement mit Hilfe einer Zinnscheibe 21 festgelötet.

Der Gleichrichter hat als Halbleiterkörper eine etwa 0,20 mm starke Scheibe 22 aus η-leitendem Silizium. Diese ist an ihrer Unterseite mit einer Molybdänscheibe 23 durch eine Lötschicht 24 befestigt. Diese Lötschicht besteht aus einer Dreistofflegierung, die 70 Gewichtsprozent Silber, 25 Gewichtsprozent Kupfer und 5 Gewichtsprozent Zinn enthält. Um eine sichere Lötverbindung zu erzielen und mit Sicherheit zu vermeiden, daß bei den unter Betriebsbedingungen vorkommenden starken Temperaturwechseln die SiIiziumscheibe gesprengt wird, ist es erforderlich, die Lötschicht nicht — wie man allgemein annehmen sollte — möglichst dünn zu machen, sondern eine Stärke für die Lötschicht zu wählen, die mindestens 20%, höchstens etwa 40"Vo der Stärke der Siliziumscheibe ausmacht. Besonders gute Ergebnisse sind erzielt worden bei einer Lötschichtstärke, die etwa 30% der Siliziumscheibenstärke beträgt.

Auf die Oberseite der Siliziumscheibe 22 ist ein Aluminiumplättchen 25 aufgesetzt, das bei dem weiter unten beschriebenen Legierungsvorgang zum Teil in die Siliziumscheibe 22 einlegiert und dort den mit einer unterbrochenen Linie 26 angedeuteten p-n-Übergang ergibt. Auf dem Aluminiumplättchen 25 sitzt ein im Durchmesser etwa gleich groß gehaltenes Molybdänscheibchen 27. An dieses ist mit einer Zinnschicht 28 ein Kupferbolzen 29 angelötet. An seiner freien Stirnfläche enthält der Kupferbolzen einen

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Querschlitz 30, in den eine Anschlußfahne 31 eingepreßt und mit einem nicht dargestellten Stempel, der im Anschlußbolzen 29 eine hufeisenförmige Vertiefung 32 ergibt, zugfest verstemmt und mit einem nicht dargestellten Hartlot gesichert ist.

Zur Herstellung des Gleichrichters wird die Molybdänscheibe 23, eine aus der beschriebenen Silber-Kupfer-Zinn-Legierung hergestellte Lötscheibe, die Siliziumscheibe 22, das Aluminiumplättchen 25 und das Molybdänplättchen 27 in einer nicht dargestellten Graphitform übereinandergestapelt und in dieser Form in einen Ofen gebracht. Diese Anordnung wird dann auf etwa 900 bis 950° C in inerter Atmosphäre erhitzt und etwa 2 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Während dieser Behandlung legiert das Aluminium in die Siliziumscheibe 22 ein und erzeugt dort den p-n-Übergang 26. Gleichzeitig verbindet sich die schmelzflüssig werdende Silberlotscheibe 24 mit der Siliziumscheibe 22 und der als Träger dienenden Molybdänscheibe 23, während das als Legierungswerkstoff dienende Aluminium der Scheibe 25 sich gut mit dem Molybdänplättchen 27 verbindet. Es ist zweckmäßig, während dieses Lot- und Legierungsprozesses auf der Oberseite des Molybdänplättchens 25 eine kleine Zinnpille zum Schmelzen zu bringen und außerdem die Unterseite der Molybdänscheibe 23 mit einer zweiten, ebenfalls nicht dargestellten Zinnpille in Kontakt zu halten, damit die genannten Zinnpillen sich in Form einer dünnen Schicht 21 bzw. 28 auf dem Molybdän gut ausbreiten und mit diesem verbinden. Dadurch wird der spätere Lötvorgang, der dazu dient, die eben beschriebene Halbleitervorrichtung nach ihrem Erkalten am Boden des Kühlkörpers 10 festzulöten und gleichzeitig die Lötverbindung mit dem Anschlußbolzen herzustellen, erheblich vereinfacht, so daß die gewünschten hohen Belastungsstromstärken und die hierzu erforderlichen niederohmigen Kontaktübergänge erreicht werden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Siliziumgleichrichter für hohe Stromstärken, bei dem eine dünne Scheibe aus Silizium sperrschichtfrei auf einem als Träger dienenden Plättchen auf ihrer ganzen Unterseite durch ein Silberlot befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus 65 bis 75 Gewichtsprozent Silber, 20 bis 30 Gewichtsprozent Kupfer und 1 bis 10 Gewichtsprozent Zinn besteht.

2. Siliziumgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus 70 Gewichtsprozent Silber, 25 Gewichtsprozent Kupfer und 5 Gewichtsprozent Zinn besteht, wobei die angegebenen Anteile um höchstens zwei Gewichtsprozent höher oder niedriger liegen dürfen.

3. Siliziumgleichrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Lötschicht (24) etwa 20 bis 40%, vorzugsweise 30% der Dicke der Siliziumscheibe (22) beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Siliziumgleichrichters nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsvorgang und der Lötvorgang bei mindestens 850° C, vorzugsweise bei 900 bis 950° C in inerter Atmosphäre in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1011 082.
1050450, 1058 632;
USA.-Patentschrift Nr. 2 922092;
»Neues aus der Technik«, 1959, H. 6, S. 4.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 687/183 8.61