DE1133834B - Siliziumgleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Siliziumgleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Die Kontaktierung von Siliziumgleichrichtern bereitet insbesondere bei Leistungsgleichrichtern infolge der im Betrieb auftretenden wechselnden thermischen Beanspruchungen Schwierigkeiten. Die Ausdehnungskoeffizienten der in Frage kommenden Kontaktmetalle, wie Wolfram oder Molybdän, und der Trägermetalle, wie Kupfer oder Silber, sowie der gelegentlich für Gehäuse verwendeten Metalle, wie Eisen und Messing, weichen erheblich voneinander ab, so daß thermische Wechselbeanspruchungen zu einer Schadigung oder gar Zerstörung eines aus diesen Stoffen aufgebauten Gleichrichterelementes führen können.
Es sind verschiedene Vorschläge zur Beseitigung der vorgenannten Schwierigkeiten bekanntgeworden. So ist es bekannt, bei Siliziumgleichrichtern Trägerplatten zu verwenden, die aus einem Wolfram-, Molybdän- oder Chrom-Sintergerüst bestehen, das mit einem gut leitenden Metall ausgefüllt ist. Hierdurch erreicht man zwar eine verhältnismäßig gute Anpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers, nicht aber an die Verbindungsteile der Trägerplatte, ζ. B. an ein Gehäuse, wenn dieses etwa aus Kupfer oder Silber besteht.
Die Erfindung betriift einen Siliziumgleichrichter mit einem symmetrisch zwischen zwei Kontaktplatten angeordneten Siliziumkörper, bei dem die vorgenannten Schwierigkeiten überwunden sind. Erfindungsgemäß bestehen die Kontaktplatten aus einem Sinterkörper aus Wolfram—Nickel oder Wolfram— Gold—Nickel und sind mit Gold mit dem Siliziumkörper verlötet. Die Verlötung kann auf der einen Seite mit Hilfe einer Folie aus einer Gold-Bor-Legierung und auf der anderen Seite mit HiKe einer Folie aus einer Gold-Antimon-Legierung durchgeführt sein. Dann können — und dies ist ein besonderer Vorteil der Erfindung — die Kontaktplatten mit dem Siliziumkörper und mit den Stromzuführungen in einem Arbeitsgang mit dem Dotieren des Siliziumkörpers durch die beiden genannten Folien in an sich bekannter Weise verlötet werden.
Für die Sinter-Kontaktplatten eignen sich vor allem Zusammensetzungen von 80 bis 99 Gewichtsprozent Wolfram, 0 bis 10 Gewichtsprozent Gold und 0,2 bis 10 Gewichtsprozent Nickel. Hierzu wird bevorzugt Wolframpulver mit einer Korngröße kleiner als 10 μ mit einem Anteil von mindestens 10 Gewichtsprozent mit einer Korngröße kleiner als 1 μ verwendet. Die Pulvermischung kann auch durch gemeinsames Ausfällen aus einer Lösung aller drei Komponenten und durch Reduktion des Ausfällungspulvers zum Metallpulver gewonnen werden.
Zur Verbesserung der Löteigenschaften können die Siliziumgleichrichter und Verfahren
zu dessen Herstellung
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr. Horst Schreiner, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden
Kontaktplatten auf der einen Seite mit einer dünnen Nickelschicht und/oder auf der anderen Seite mit einer dünnen Goldschicht — etwa in der Größenordnung von 1 μ — versehen werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt
Fig. 1 schematisch den Schichtenaufbau eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Siliziumgleichrichters,
Fig. 2 schematisch den Aufbau des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 im Endzustand.
In beiden Figuren haben die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung. Es sind bezeichnet mit 1 der Siliziumkörper, mit 2 und 3 die Kontaktplatten, mit 4 und 5 die Stromzuführungen, die hier beispielsweise als Platten ausgeführt sind und die z. B. aus Kupfer bestehen können. In Fig. 1 sind außerdem bei 6, 1, 8 und 9 Lötschichten angegeben. Die Schichten 6 und 7 können z. B. aus einer Gold-Bor- bzw. Gold-Antimon-Folie bestehen. Für die Schichten 8 und 9 kann z. B. auch ein Hartlot verwendet werden.
Die Fig. 2 zeigt die bei der Dotierung entstandenen Legierungsschichten, die mit 10 und 11 bezeichnet sind. Die Darstellung ist schematisch, sie gibt also nicht die tatsächlichen Proportionen wieder.
Das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Gleichrichters sei an dem nachfolgenden Beispiel erläutert:
Zum Herstellen der Sinter-Kontaktplatten aus Wolfram—Gold—Nickel mit der Zusammensetzung 98 :1:1 in Gewichtsprozent werden entsprechende Mengen Metallpulver mit einer Korngröße von 0,06 mm innig gemischt und mit 3 t/cm2 gepreßt. Dabei erhält man eine Preßdichte von 10,7 g/cm3. Die anschließende lstündige Sinterung bei 1400° C
209 627/268
in Wasserstoffatmosphäre führt zu einer Sinterdichte von 18,55 g/cm3; diese entspricht einem Raumerfüllungsgrad von 97%. Die Kontaktplatten besitzen somit nur eine geringe Porosität, die jedoch ausreicht, um die Benetzung der Oberfläche durch das Lot und damit die Löteigenschaften erheblich zu verbessern. Wie oben schon angegeben ist, können die Löteigenschaften durch dünne Nickel- bzw. Goldschichten noch verbessert werden. Die Nickelschicht kann bereits beim Pressen mit aufgebracht werden. Sie kann insbesondere in Form einer Aufschlämmung aus Carbonylnickelpulver, Korngröße 1 bis 5 μ, mit durch Äthylalkohol verdünntem Äthylenglykol auf den Preß- oder Sinterkörper aufgestrichen werden. Dann erfolgen das Sintern der Kontaktplatte und das Festsintern der Nickelschicht auf den Preßkörper gleichzeitig. Wird dagegen der Aufstrich auf dem Sinterkörper vorgenommen, so wird dieser in einer zweiten Wärmebehandlung bei etwa 1500° C während 5 Minuten in Wasserstoffatmosphäre mit dem Sinterkörper verbunden. In entsprechender Weise kann auf der Gegenseite der Platte eine Goldschicht aufgebracht werden, z. B. durch Aufpinseln einer GoIdaufschlämmung auf den Sinterkörper; die Befestigung der Schicht erfolgt dann durch eine Wärmebehandlung bei 1100° C während 5 Minuten in Wasserstoffatmosphäre.
Zur Fertigstellung des Siliziumgleichrichters wird z. B. die in Fig. 1 dargestellte Schichtenfolge zusammengestellt und das Legieren und gleichzeitige Löten bei einer Temperatur zwischen 700 und 9000C durchgeführt. Für die Verbindung der Schichten! und 4 bzw. 3 und 5 wird ein für den vorgenannten Temperaturbereich geeignetes Lot, das ein Hartlot sein kann, gewählt.
Wie schon oben ausgeführt worden ist, besteht ein wesentlicher Vorteil dieses Herstellungsverfahrens darin, daß nur eine einzige Wärmebehandlung erforderlich ist. Dies gilt selbstverständlich auch dann, wenn an Stelle von Platten andere Stromzuführungen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Gleichrichtersystem gegenüber thermischen Wechselbeanspruchungen verhältnismäßig wenig empfindlich und vor allem auch — insbeondere auf Grund der symmetrischen Anordnung der Kontaktplatten — wenig bruchempfindlich ist; es genügt daher in mechanischer und thermischer Hinsicht besonders hohen Anforderungen.
Hinsichtlich der Reinheit ist an die Sinter-Kontaktplatten die Forderung zu stellen, daß sie keine Fremdmetalle enthalten dürfen, die beim Legieren durch die Legierungsschicht in das Silizium hineindiffundieren und den Leitungsmechanismus in störender Weise beeinflussen können.
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatten aus einem Sinterkörper aus Wolfram—Nickel oder Wolfram—Gold—Nickel bestehen und mit Gold mit dem Siliziumkörper verlötet sind.
2. Siliziumgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper auf der einen Seite mit Hilfe einer Folie aus einer Gold-Bor-Legierung und auf der anderen Seite mit Hilfe einer Folie aus einer Gold-Antimon-Legierung mit den Kontaktplatten verlötet ist.
3. Siliziumgleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinter-Kontaktplatten aus 80 bis 99 Gewichtsprozent Wolfram, aus 0 bis 10 Gewichtsprozent Gold und aus 0,2 bis 10 Gewichtsprozent Nickel hergestellt sind.
4. Verfahren zum Herstellen der Sinter-Kontaktplatten für den Siliziumgleichrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wolframpulver mit einer Korngröße kleiner als 10 μ mit einem Anteil von mindestens 10 Gewichtsprozent mit einer Korngröße kleiner als 1 μ verwendet wird.
5. Verfahren zum Herstellen der Sinter-Kontaktplatten für den Siliziumgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung durch gemeinsames Ausfällen aus einer Lösung aller drei Komponenten und durch Reduktion des Ausfällungspulvers zum Metallpulver hergestellt wird.
6. Verfahren zum Herstellen der Sinter-Kontaktplatten für den Siliziumgleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gegebenenfalls in Verbindung mit den Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatten auf der einen Seite mit einer dünnen Nickelschicht und/oder auf der anderen Seite mit einer dünnen Goldschicht versehen werden.
7. Verfahren zum Herstellen eines Siliziumgleichrichters nach einem der Ansprüche 2 und 3, gegebenenfalls in Verbindung mit den Verfahren nach Ansprach 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlöten der Kontaktplatten mit dem Siliziumkörper und mit den Stromzuführungen bzw. mit dem Träger in einem Arbeitsgang mit dem Dotieren des Siliziumkörpers durch die GoId-Bor-Legierungs- und Gold-Antimon-Legierungsfolie nach bekannten Legierungsverfahren erfolgt.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Siliziumgjeiehrichter, bei dem der Siliziumkörper symmetrisch zwischen zwei Kontaktplatten
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 018 557, 1050450,1067 936;
österreichische Patentschrift Nr. 190593; USA.-Patentschriften Nr. 2 863 105, 2 922 092;
F. Skaupy, »Metallkeramik«, 4. Auflage, S. 162;
R. Kieffer, W. Hotop, »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe«, 1943, S. 125.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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