DE1194503B - Halbleiter-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1194503

Aktenzeichen: S 73491 VIII c/21 g

Anmeldetag: 14. April 1961

Auslegetag: 10. Juni 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Diode mit zwei in ihrer Mitte einen scheibenförmigen Halbleiterkörper und an ihren Rändern einen Isolierring mit mehreren Endflächen haltenden metallischen Elektroden von gleichmäßiger Dicke sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bei Halbleiter-Dioden herkömmlicher Bauart, wie sie bis jetzt verwendet werden, ist der Halbleiterkörper an eine der Elektroden über ein Verbindungsorgan angeschlossen, das beispielsweise ein leitender Draht ist, der einerseits mit der Ausgangsklemme und andererseits mit dem Halbleiter verlötet ist. Im Betrieb entwickeln derartige Dioden erhebliche Wärmemengen, so daß es unerläßlich ist, sie abzuführen, um brauchbare Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Zu diesem Zweck haben die herkömmlichen Dioden für starke Ströme im allgemeinen eine relativ massive Elektrode, was einerseits in thermischer Hinsicht die Verbindung des Halbleiterkörpers mit Wärmeableitvorrichtungen ermöglicht und andererseits die Ableitung der Wärme durch ihre Masse selbst begünstigt. Diese Bauweise bedingt jedoch eine schwierige Herstellung und Montage und schränkt die Verwendungsmöglichkeiten ein.

Zur Verbesserung der Wärmeabführung ist es bekannt, zwischen den blockartigen Elektroden nach außen vorspringende Scheiben anzuordnen, die den den Halbleiterkörper enthaltenden Zwischenraum dicht abschließen und die Wärmeübergangsfläche an die Atmosphäre vergrößern. Dadurch wird jedoch die Herstellung noch komplizierter als bei gebräuchlichen Dioden. Ferner ist es bekannt, eine der Elektroden als Deckel der von der anderen Elektrode und einem Isolierring gebildeten, den Halbleiterkörper enthaltenden Vertiefung auszubilden. Dabei tritt ein erheblicher Wärmestau an der Kontaktstelle der stopfenartigen Elektrode auf, der durch den Halbleiterkörper in die Scheibenelektrode abgeführt wird. Dabei ist der Halbleiterkörper selbst einer erheblichen Wärmebelastung ausgesetzt und erhält außerdem thermische Spannungen.

Bei einer anderen bekannten Ausfuhrungsform wird der Halbleiterkörper zwischen den beiden konzentrisch gewellten Deckelplatten einer barometerdosenartigen Anordnung eingesetzt. Bei dieser Anordnung ist der Halbleiterkörper an auf die Dosenplatten aufgesetzten Zwischenplatten befestigt, die die Wärmeabführung beeinträchtigen. Durch die Nachgiebigkeit der gewellten Platten ist der Halbleiterkörper dem Außendruck ausgesetzt und wird leicht beschädigt.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Auf-Halbleiter-Diode und Verfahren zu ihrer
Herstellung

Anmelder:

Societe Industrielle de Liaisons Electriques,

Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Leinweber, Patentanwalt,

München 2, Rosental 7

Als Erfinder benannt:
Guy Dumas, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 29. April 1960 (825 725)

gäbe, eine Diode zu schaffen, bei der zur Vereinfachung der Herstellung in bekannter Weise die beiden Elektroden völlig symmetrisch ausgebildet sind, die eine außerordentlich gute Wärmeabführung aufweisen und außerdem auch bei geringem Gewicht eine große Stabilität haben, j
Dies wird bei der eingangs genannten Halbleiter-Diode gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß jede Elektrode zwei rotationssymmetrische Stufen aufweist und daß die Elektroden derart angeordnet sind, daß ihr gegenseitiger Abstand von innen nach außen zunimmt. Durch diese Ausbildung wird die Wärmeabführfläche sehr groß und gleichzeitig der die Temperaturabhängigkeit bestimmende Innenraum sehr klein. Der Zusammenbau der Elektrode der Diode selbst sowie ihre Montage ist außerordentlich einfach.

Vorzugsweise ist der Durchmesser des Halbleiterkörpers größer als der Durchmesser Seiner Berührungsfläche mit den Elektroden, und der Isolierring füllt den von den Randstufen der Elektroden begrenzten Raum im wesentlichen aus. Weiterhin können die Elektroden aus vergoldetem Kupfer bestehen. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Diode symmetrisch in bezug auf die Ebene des Halbleiterkörpers ausgebildet, und die einzelnen Bauteile können miteinander verlötet sein. Der Druck in ihrem Innern kann geringer sein als der freie Atmosphärendrack, und die Diode kann mit einem inerten Gas gefüllt sein.

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Die Diode kann mindestens einen durch den Iso- Scheiben 1 und 2 zu ermöglichen. Die Stirnflächen Herring und eine Elektrode begrenzten eine Verbin- des Isolierringes 3 können vorteilhafterweise metallidung zum Innern der Diode herstellenden Kanal auf- siert sein, um das Verlöten zu erleichtern. Als Lötweisen, der vorzugsweise durch eine radiale Rille im material kann, sowohl für das Anlöten der Scheiben 1 Isolierring gebildet ist. 5 und 2 auf den Abstandsring 3 wie auch für das Ver-

Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer löten der Flansche mit dem Halbleiter 4, eine Bleiderartigen Diode besteht aus folgenden Verfahrens- legierung verwendet werden.

schritten: Aufeinander anordnen der die Diode bil- Der Isolierring 3 besitzt zwei radiale Rillen 7 denden Elemente auf einem nichtlötbaren Träger, und 8 von etwa 1,5 mm Breite und 1 mm Tiefe, die wobei Lötmittel zwischen die verschiedenen mitein- to eine Verbindung des Innenraums der zusammengeander in Berührung gelangenden Abschnitte der EIe- bauten Diode mit der Außenseite herstellen. Diese mente angeordnet werden; Erwärmung der Elemente Kanäle 7 und 8 ermöglichen eine Beeinflussung der in einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur, die Atmosphäre im Innenraum der Diode während des ausreicht, um die Verbindung der in Berührung Zusammenfügens und des Verlötens. Sobald die stehenden Abschnitte durch Verlöten sicherzustellen, 15 Diode zusammengebaut und verlötet ist, werden die und abkühlen lassender so zu der Diode verbundenen Kanäle 7 und 8, wie bei 9 und 10 dargestellt, verElemente. Die Lötmittel können in Form von geeignet schlossen, und der Halbleiterkörper 4 liegt auf diese zugeschnittenen dünnen Folien eingelagert werden, Weise ständig unter Luftabschluß. Es kann auch wobei bei Verwendung einer Bleilegierung als Lot die während des Pressens eine Rille in den Scheiben 1 Erwärmung auf etwa 350° C erfolgt. Die Erwärmung ao und 2 oder eine Verbindungsöffnung in wenigstens und anschließende Abkühlung kann im Vakuum einer der Scheiben vorgesehen werden, die nach dem und/oder in einer inerten Atmosphäre erfolgen. Da- Zusammensetzen und Verlöten der Diode gleichfalls bei kann zuerst ein Vakuum in der Heizeinrichtung geschlossen wird. Das Verschließen erfolgt vorteilhergestellt und dann ein inertes Gas eingeführt wer- hafterweise durch ein bei Wärmezufuhr polymerisierden. Bei Vorhandensein wenigstens eines Verbin- 25 bares Material. Zur Herstellung einer derartigen dungskanals zwischen der Innen- und der Außenseite Diode werden die Einzelteile auf einem Träger aus der Diode kann dieser, anschließend an die Verlötung nicht verlötbarem Material, beispielsweise einem der Teile unter kontrollierter Atmosphäre, Vorzugs- Blech aus nicht oxydierbarem Stahl, wie in F i g. 2 weise mittels eines Elastomers aus polymerisierbarem angedeutet, ineinandergesetzt. Vor dem Zusammen-Silikon, das nach Anordnung in einer Heizeinrich- 30 setzen wird eine Schicht aus Lötmittel auf den vertung bei einer bestimmten Temperatur und während schiedenen Lötbereichen der Elemente aufgebracht, einer für die Sicherstellung der Polymerisation ge- Danach werden die Teile zusammengefügt und im eigneten Zeitspanne polymerisiert wird, verschlossen Anschluß daran auf Löttemperatur erwärmt,
werden. Die Lötmittelschichten sind vorteilhafterweise

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der 35 Scheiben aus einer Bleilegierung von etwa 0,4 mm

Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher er- Stärke. In diesem Fall genügt eine Erwärmung in

läutert. In den Zeichnungen zeigt einer Heizeinrichtung auf etwa 350° C, um die Löt-

F i g. 1 eine Schrägansicht einer Diode, verbindungen der Diode herzustellen. Man kann in

F i g. 2 eine Schrägansicht auf die auseinanderge- der Heizeinrichtung unter Vakuum erhitzen und

zogenen Einzelteile der Diode nach F i g. 1 und 40 dieses während des Abkühlens aufrechterhalten.

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Ferner kann die Luft durch ein inertes Gas, z. B.

F i g. 1. Stickstoff, ersetzt werden. Diese beiden Möglichkeiten

Die in der Zeichnung veranschaulichte Diode ist können auch miteinander kombiniert werden, wobei aus zwei symmetrischen Scheibenelektroden 1 und 2 z. B. zuerst in der Heizeinrichtung ein Vakuum ergebildet, die beiderseits eines Isolierringes 3 angeord- 45 zeugt und dann ein inertes Gas eingeführt wird, net sind. Der Halbleiterkörper 4 ist in der Mitte der Dieses letztere Verfahren weist den Vorteil einer Scheibenelektroden 1 und 2 mit diesen verschweißt wesentlich größeren Sicherheit der Entfernung der bzw. verlötet. Luft und deren Austausch durch das inerte Gas auf.

Die Scheiben 1 und 2 sind Preßkörper aus Kupfer- Dabei ist es in der Regel nicht notwendig, während

blech von etwa 0,5 mm Stärke. Um deren spätere 50 des Verlötens einen bestimmten Druck auf die EIe-

Lötung zu erleichtern, können die Scheiben vorteil- mente der Diode auszuüben. Die Schwerkraft allein

hafterweise mit einem Feingoldüberzug versehen sein. reicht aus, um eine genaue Verbindung sicherzu-

Der Außendurchmesser der Scheiben kann beispiels- stellen.

weise 20 mm betragen, während der Außendurch- Falls das Vakuum oder eine inerte Atmosphäre im

messer der größeren Stufe 5 beispielsweise 10 mm 55 Inneren der zusammengefügten und verlöteten Diode

und der Durchmesser der innersten Stufe 6 beispiels- aufrechterhalten werden soll, läßt man die Diode

weise 3 mm betragen kann. Der Abstand zwischen unter kontrollierter Atmosphäre abkühlen und ver-

dem Außenflansch der Scheiben kann unter diesen schließt dann, noch unter kontrollierter Atmosphäre,

Bedingungen bei etwa 3 mm liegen. In diesem Fall die Kanäle 7 und 8, beispielsweise mit einer Mischung

kann als Halbleiterkörper beispielsweise eine Scheibe 60 auf Silikonbasis, oder auch mit einem polymerisier-

aus Siliziumkristall von 0,2 mm Stärke und 3,5 bis baren Elastomer, das nach Einbringen in die Kanäle 7

4 mm Außendurchmesser verwendet werden. und 8 durch Aufheizen auf eine bestimmte Tempera-

Der dielektrische Keramikisolierring 3 ist vorteil- tür über eine vorbestimmte Zeitspanne polymerisiert

hafterweise, wie dargestellt, ein Abschnitt eines wird. Bei Verwendung der Mischung auf Silikonbasis

Rohres mit einem Außendurchmesser, der dem der 65 genügt praktisch eine Aufheizung auf etwa 80° C.

Scheiben 1 und 2 entspricht, d. h. bei etwa 20 mm Nach Erkalten ist die Diode gebrauchsfertig,

liegt und dessen Innendurchmesser etwas größer als Im Betrieb läßt sich feststellen, daß die Kühleigen-

10 mm ist, um das Einsetzen der Stufen 5 der schäften einer derartigen Diode ausgezeichnet sind.

So kann eine Diode dieser Bauart beispielsweise zur Gleichrichtung eines Wechselstromes von 12 Ampere bei 600 Volt dienen. Die durch eine derartige Diode während ihres Vollbetriebes umgesetzte Wärme von Watt wird von den beiden Scheibenelektroden 1 und 2 abgeführt. Dabei erfolgt der Anschluß einfach durch Anpressen gegen entsprechende Kontakte. Um Spannungen gleichzurichten, die ein Vielfaches der Nennspannung einer derartigen Diode (im vorliegenden Fall 600 Volt) betragen, brauchen nur Dioden in der erforderlichen Anzahl aufeinandergestapelt und die Säule an zwei Kontakte angeschlossen werden. Die Diode dieser Bauweise und das Herstellungsverfahren derartiger Dioden eignet sich besonders gut für die Herstellung großer Stückzahlen, wobei der Gestehungspreis auf ein Minimum reduziert werden kann.

So können beispielsweise bei Bedarf zwei Scheibenelektroden verschiedener Formen verwendet werden, was gleichzeitig die Feststellung der Polarität jeder Kontaktfläche der fertigen Diode ermöglicht.

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Diode mit zwei in ihrer Mitte einen scheibenförmigen Halbleiterkörper und an ihren Rändern einen Isolierring mit mehreren, Endflächen haltenden metallischen Elektroden von gleichmäßiger Dicke, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode zwei rotationssymmetrische Stufen aufweist und daß die Elektroden derart angeordnet sind, daß ihr gegenseitiger Abstand von innen nach außen zunimmt.

2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Halbleiterkörpers größer ist als der Durchmesser seiner Berührungsfläche mit den Elektroden und daß der Isolierring den von den Randstufen der Elektroden begrenzten Raum im wesentlichen ausfüllt.

3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus vergoldetem Kupfer bestehen.

4. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie symmetrisch in bezug auf die Ebene des Halbleiterkörpers ausgebildet ist.

5. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauteile miteinander verlötet sind.

6. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in ihrem Inneren geringer ist als der freie Atmosphärendruck.

7. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem inerten Gas gefüllt ist.

8. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens einen durch den Isolierring und eine Elektrode begrenzten, eine Verbindung zum Innern der Diode herstellenden Kanal.

9. Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal durch eine radiale Rille im Isolierring gebildet ist.

10. Verfahren zum Herstellen einer Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Aufeinander anordnen der die Diode bildenden Elemente auf einem nichtlötbaren Träger, wobei Lötmittel zwischen die verschiedenen miteinander in Berührung gelangenden Abschnitte der Elemente angeordnet werden; Erwärmung der Elemente in einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Verbindung der in Berührung stehenden Abschnitte durch Verlöten sicherzustellen, und abkühlen lassen der so zu der Diode verbundenen Elemente.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötmittel in Form von geeignet zugeschnittenen dünnen Folien eingelagert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Bleilegierung als Lot die Erwärmung auf etwa 350° C erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung und anschließende Abkühlung im Vakuum erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung und anschließende Abkühlung in einer inerten Atmosphäre erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Vakuum in der Heizeinrichtung hergestellt und dann ein inertes Gas eingeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein wenigstens eines Verbindungskanals zwischen der Innen- und der Außenseite der Diode dieser anschließend an die Verlötung der Teile unter kontrollierter Atmosphäre verschlossen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal mittels eines Elastomers aus polymerisierbarem Silikon verschlossen wird, das nach Anordnung in einer Heizeinrichtung bei einer bestimmten Temperatur und während einer für die Sicherstellung der Polymerisation geeigneten Zeitspanne polymerisiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 785 461, 815 289; österreichische Patentschrift Nr. 203 550.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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