DE1141725B - Siliziumgleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Siliziumgleichrichter und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
S 74060 VIII c/21g
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 27. DEZEMBER 1962
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 verwandten Metalle, wie Eisen oder Messing, weichen erheblich voneinander
ab, so daß thermische Wechselbeanspruchungen zu einer Schädigung 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, z. B. an ein Gehäuse,
wenn dieses etwa aus Kupfer oder Silber besteht.
Die Erfindung betrifft 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 Molybdän—Nickel oder Molybdän—
Gold—Nickel und sind mit Gold mit dem Sinterkörper
verlötet. Die Verlötung kann 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 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 70 bis 99 Gewichtsprozent
Molybdän, 0 bis 10 Gewichtsprozent Gold und 0,2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel. Hierzu wird bevorzugt
Molybdänpulver mit einer Korngröße kleiner als 10 μ. mit einem Anteil von mindestens 10 Gewichtsprozent
mit einer Korngröße kleiner als 1 μ verwendet. Die Pulverroischung kann auch durch gemeinsames
Ausfällen aus einer Lösung aller drei Komponenten und durch Reduktion des Ausfällungspulvers zum
Metallpulver gewonnen werden.
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
Zur Verbesserung der Löteigenschaften können die erfindungsgemäßen Kontaktplatten auf der einen
Seite mit einer dünnen Nickel- und/oder Silberschicht 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, 7, 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 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 den nachfolgenden Beispielen
erläutert: „ . . , ,
Zum Herstellen der Sinter-Kontaktplatten aus Molybdän-Gold-Nickel mit der Zusammensetzung
98 : 1: 1 in Gewichtsprozent werden entsprechende Mengen Metallpulver mit einer Korngröße von
209 749/269
< 0,06 mm innig gemischt und mit 2 t/cm2 gepreßt. Dabei erhält man eine Preßdichte von 5,86 g/cm3, entsprechend
einem Raumerfüllungsgrad von 0,572. Die anschließende Istündige Sinterung bei 1300°C in
Wasserstoffatmosphäre führt zu einer Sinterdichte von 10,0 g/cm3; diese entspricht einem Raumerfüllungsgrad
von 0,98. 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-,' Silber- bzw. Goldschichten
noch verbessert werden. Die Nickel-, Silber- oder Goldschicht kann bereits beim Pressen
mit aufgebracht werden. Eine solche Schicht kann insbesondere in Form einer Aufschlämmung aus
Carbonylnickelpulver (Korngröße < 1 bis 5 μ), Silber- oder Goldpulver (Korngröße
< 1 μ) mit einem Bindestoff, z. B. mit durch Äthylalkohol verdünntem
Äthylenglykol, auf den Preß- oder Sinterkörper aufgestrichen werden. Dann erfolgen das
Sintern der Kontaktplatte und das Festsintern der Schicht auf den Preßkörper gleichzeitig. Wird dagegen
der Aufstrich auf dem Sinterkörper vorgenommen, so wird dieser in einer zweiten Warmbehandlung —
bei Nickel bei etwa 13000C, bei Silber bei etwa 9000C
und bei Gold bei etwa HOO0C — in Wasserstoffatmosphäre
mit dem Sinterkörper verbunden. In entsprechender Weise kann auf der Gegenseite der Platte
eine Goldschicht aufgebracht werden, z. B. durch Aufpinseln einer Gold-Aufschlämmung auf den Sinterkörper;
die Befestigung der Schicht erfolgt dann durch eine Warmbehandlung bei 1100° C während 5 Minuten
in Wasserstoffatmosphäre.
Zum Herstellen einer Sinterkontaktplatte aus Molybdän-Nickel der Zusammensetzung 95/5 Gewichtsprozent
werden die entsprechenden Metallpulvermengen mit einer Korngröße < 0,06 mm innig
gemischt und bei 2 t/cm2 verpreßt. Die Dichte des Preßkörpers beträgt 5,73 g/cm3, entsprechend einem
Raumerfüllungsgrad von 0,564. Die Istündige Sinterung bei 13000C in Wasserstoffatmosphäre ergibt
eine Sinterplatte der Dichte 9,96 g/cm3, entsprechend einem Raumerfüllungsgrad von 0,985. Die Aufbringung
der Nickel-Silber- bzw. Goldschichten kann, wie im Beispiel 1 angegeben, erfolgen.
Zur Fertigstellung des Siliziumgleichrichters wird z. B. die in Fig. 1 dargestellte Schichtenfolge zusammengestellt
und das Legieren und gleichzeitige Löten zwischen 700 und 900° C durchgeführt. Für die Verbindung
der Schichten 2 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 — insbesondere 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.
Claims (7)
1. Siliziumgleichrichter, bei dem der Siliziumkörper symmetrisch zwischen zwei Kontaktplatten
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kontaktplatten aus einem Sinterkörper aus Molybdän-Nickel oder Molybdän-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 70 bis 99 Gewichtsprozent Molybdän,
aus 0 bis 10 Gewichtsprozent Gold und aus 0,2 bis 20 Gewichtsprozent Nickel hergestellt sind.
4. Verfahren zum Herstellen der Sinter-Kontaktplatten für den Siliziumgleichrichter nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molybdänpulver 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 Nickel- und/oder
Silberschicht und/oder auf der anderen Seite mit einer dünnen Goldschicht versehen werden.
7. Verfahren zum Herstellen eines Siliziumgleichrichters nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gegebenenfalls
in Verbindung mit den Verfahren nach Anspruch 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 Gold-Bor-
und Gold-Antimon-Legierungsfolien nach bekannten Legierungsverfahren erfolgt.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 067 936, 1 050 450;
USA.-Patentschriften Nr. 2 922 092, 2 863 105; F. Skaupy, »Metallkeramik«, 4. Auflage, 1950.S. 162;
R. Kieffer und W. Hotop, »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe«, 1943, S. 125 und 228.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 209 749/269 12.
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