DE1218621B - Siliziumgleichrichterelement mit einem kreisscheibenfoermigen Siliziumplaettchen - Google Patents

Siliziumgleichrichterelement mit einem kreisscheibenfoermigen Siliziumplaettchen

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DE1218621B
DE1218621B DET20772A DET0020772A DE1218621B DE 1218621 B DE1218621 B DE 1218621B DE T20772 A DET20772 A DE T20772A DE T0020772 A DET0020772 A DE T0020772A DE 1218621 B DE1218621 B DE 1218621B
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Katsumo Sakurada
Masao Wakatsuki
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
Nummer: 1218 621
Aktenzeichen: T 20772 VIII c/21 g
Anmeldetag: 15. September 1961
Auslegetag: 8. Juni 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein Siliziumgleichrichterelement mit einem kreisscheibenförmigen Siliziumkörper, welcher im wesentlichen parallel zu den ebenen Oberflächen eine gleichmäßige und senkrecht hierzu eine symmetrische Ladungsträgerkonzentration aufweist.
Bei bekannten Elementen dieser Art hat sich die Tatsache als sehr nachteilig herausgestellt, daß das zwischen Metallplatten verlötete Siliziumplättchen auf Grund der in ihm entstehenden Spannungen, die auf unterschiedliche Dehnung beim Erhitzen oder Abkühlen während des Gebrauchs oder während der Fertigung zurückzuführen ist, leicht bricht. Um Brüche des Siliziumplättchens infolge der bei Temperaturwechseln auftretenden inneren Spannungen zu vermeiden, schaltet man zwischen das Siliziumplättchen und die Metallelektroden Plättchen aus Wolfram oder Molybdän ein, deren Ausdehnungskoeffizienten im wesentlichen dem des Siliziumplättchens entsprechen. Der Aufbau eines derartigen Siliziumgleichrichterelementes hat sich jedoch als verhältnismäßig aufwendig und kostspielig herausgestellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Siliziumgleichrichterelement wesentlich einfacheren Aufbaus zu schaffen, bei dem die Gefahr von Brüchen des Siliziumplättchens infolge innerer Spannungen beseitigt ist.
Das Siliziumgleichrichterelement nach der Erfindung zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß der Siliziumkörper über die ganzen einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen unmittelbar mit Kupferelektroden verlötet ist, deren Durchmesser gleich oder größer als der Durchmesser des Siliziumplättchens und deren Höhe gleich oder größer als ein Sechstel des Durchmessers des Siliziumplättchens ist. Es hat sich gezeigt, daß das Siliziumplättchen den Dehnungen und Schrumpfungen der Metallelektroden bei Temperaturwechseln zu folgen in der Lage ist, ohne daß lokalisierte, übermäßige Beanspruchungen auftreten, die zu Brüchen führen könnten.
In der Zeichnung sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen
F i g. 1, 2, 3 und 4 Querschnitte durch eine Reihe von schematisch dargestellten Siliziumgleichrichterelementen nach der Erfindung mit diffundiertem pn-Übergang und
F i g. 5 einen Querschnitt durch ein Gleichrichterelement dieser Art in herkömmlicher Bauart.
Entsprechend der Zeichnung trägt eine Siliziumscheibe 1 mit diffundiertem pn-Übergang auf einander gegenüberliegenden Flächen Kupferelektroden 2
Siliziumgleichrichterelement mit einem
kreisscheibenförmigen Siliziumplättchen
Anmelder:
Tokio Shibaura Electric Co., Ltd.,
Kawasaki-shi (Japan)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Leinweber, Patentanwalt,
München 2, Rosental 7
Als Erfinder benannt:
Katsumo Sakurada, Kawasaki-shi;
Masao Wakatsuki, Yokohama (Japan)
Beanspruchte Priorität:
Japan vom 16. September 1960 (38106)
und 3, die im wesentlichen symmetrisch und konzentrisch zu ihr angeordnet und mit ihr verlötet sind, um ein Siliziumgleichrichterelement zu bilden. Bei dem Siliziumgleichrichterelement nach der Erfindung ist festzustellen, daß in dem Siliziumplättchen mit reinem diffundierten pn-Übergang eine beträchtliche Spannung entsteht, während in den Kupferelektroden praktisch keine Beanspruchung auftritt. Das gesamte Gleichrichterelement unterliegt jedoch einer gleichmäßigen Ausdehnung und Zusammenziehung und bei unter der Löttemperatur liegenden Temperaturen kommt die Spannungsverteilung nur einer gleichmäßigen, zweidimensionalen Kompression nahe. Besonders die Spannungsänderung in zur allgemeinen Ebene des Gleichrichterelements senkrechter Richtung oder entlang der in F i g. 1 dargestellten Z-Achse ist bei aufs äußerste beschränkter Schubspannungskomponente begrenzt. Weiterhin ist festzustellen, daß die Siliziumplatte bereit ist, dem Schrumpfen oder Zusammenziehen der einander gegenüber angeordneten Kupferelektroden zu folgen und auf diese Weise die Neigung der Kupferelektroden zum Verbiegen ausgeschaltet wird, mit dem Ergebnis, daß angrenzend an die Seitenfläche des Gleichrichters in bezug auf die senkrecht zur Z-Achse verlaufende Ebene keine Spannungskomponente auftritt. Diese
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3 4
Vorteile des vorliegenden Siliziumgleichrichterelements ist nämlich für den Zweck ungeeignet, weil es sich
erklären sich durch die Tatsache, daß durch die in senkrechter Richtung nicht symmetrisch ausbilden
scheibenartige Ausbildung des Siliziumplättchens mit läßt und weil es unmöglich ist, eine über die gesamte
reiner, im wesentlichen parallel zu den ebenen Ober- Fläche des Süiziumplättchens gleichmäßige Legie-
flächen gleichmäßigen und senkrecht hierzu symmetri- 5 rungsschicht herzustellen, ohne daß etwas von der
sehen Ladungsträgerkonzentration und der Kupfer- Siliziumoberfläche an der Plattenumfangskante un-
elektroden die erreichte Spannungsverteilung gleich- legiert bleibt.
mäßig, aber nicht konzentriert ist, daß wegen des Im Gegensatz dazu stellt ein Sih'ziumplättchen mit Durchmessers der Kupferelektroden, der im wesent- einem durch Diffusion hergestellten pn-Übergang in liehen genau so groß oder größer als der der Silizium- io mechanischer Hinsicht oder in bezug auf die Materialplatte ist, entlang der Umfangskante der Elektroden festigkeit eine einzige Platte aus Silizium dar, auf keine Spannungskonzentration und daher keine lokali- die sich die Bedingungen der Erfindung in bezug auf sierte, übermäßige Beanspruchung auftritt, und daß, Symmetrie und Durchmesser des Erzeugnisses ohne da die Siliziumplatte., und die JCupferelektroden im weiteres anwenden lassen.
wesentlichen symmetrisch und konzentrisch zusam- 15 Im folgenden werden an Hand von F i g. 1, 2, 3
mengelötet sind, die Spannungsverteilung weiter und 4 einige praktische Ausführungsbeispiele des
symmetriert ist, um das Auftreten irgendwelcher Gleichrichterelements nach der Erfindung beschrieben,
lokalisierten, übermäßigen Beanspruchungen zu ver- Ihre Abmessungen sowie einige Ergebnisse der mit
hindern. Es ist ratsam, die Siliziumplatte verhältnis- diesen Ausführungsbeispielen durchgeführten, vermäßig dünn, die Kupferelektroden dagegen verhältnis- 20 schiedenen Versuche sind unten in den Tabellen 1
mäßig dick auszubilden. Der Grund dafür ist, daß bzw. 2 aufgeführt.
das SiHziumplättcheTnierdürch der Zusammenziehung Die Prüfstücke wurden folgendermaßen hergestellt:
der Kupferelektroden ohne weiteres folgen kann und Zuerst wurden die Sih'ziumplättchen 1 vorbereitet und
dadurch die Neigung der Kupferelektroden zum zwar durch Aufbringen eines pn-Überganges auf die Verbiegen verringert wird, während gleichzeitig die 25 einander gegenüberliegenden Flächen eines Silizium-
Spannungs- und Schubbeanspruchungen, die in der plättchens von η-Leitfähigkeit mittels Diffusion von
a Ebene rechtwinklig zur Mittelachse des Silizium- Bor und Phosphor in die Oberflächen, durch Ver-
plättchens auftreten, vermindert werden. nickeln der Oberfläche jeder der gebildeten Sperr-
Auf diese Weise wird die in dem Siliziumelement schichten zur Erleichterung des Lötvorganges und
auftretende Wärmespannung symmetrisch verteilt, 30 durch darauffolgendes Schneiden in kreisrunde Schei-
aber nicht örtlich konzentriert, obgleich sie eher zu- ben mittels Ultraschallbearbeitung. Die auf diese
nimmt als abnimmt. Dadurch werden die Kompo- Weise hergestellten Siliziumplättchen 1 wurden zur
nenten der Schub- und Spannungsbeanspruchung ver- Bildung von Prüfstücken mit Silber enthaltendem
kleinert, und die Spannungsverteilung nähert sich Bleilot an Kupferelektroden 2 und 3 von der in
einer gleichmäßigen Kompression. 35 Fig. 1, 2, 3 und 4 im Querschnitt gezeigten Form
Weiter kann die Spannungsverteilung in dem vor- angelötet.
liegenden Gleichrichterelement so eingerichtet werden, Die Prüfstücke wurden folgenden Versuchen unter-
daß sie einer gleichmäßigen, dreidimensionalen Korn- zogen: Bei einem ersten Temperatur-Schock-Test (A)
pression nahekommt, um dadurch das Gleichrichter- wurde das Zimmertemperatur aufweisende Prüfstück
element zu verbessern, und zwar indem die zwei 40 3 Minuten lang in ein Bad mit kochendem Wasser
Kupferelektroden zusätzlich von außen gepreßt wer- von 100 0C und danach weitere 3 Minuten lang in
den. eisgekühltes Wasser von 00C eingetaucht. Dieses
Die Kupferelektroden können als Vorbereitung Eintauchen wurde wiederholt. Bei einem zweiten zum Verlöten mit Gold oder einem anderen, geeigne- Temperaturschocktest (B) wurde das Prüfstück in ten Material plattiert werden. Auch ist das Material 45 ähnlicher Weise in Azeton von 300C und dann in für die Kupferelektroden nicht auf reines Kupfer eine Mischung von fester Kohlensäure und Azeton beschränkt, sondern kann einen oder mehrere andere bei —80° C eingetaucht. Bei einem dritten Temperatur-Bestandteile in solcher Menge besitzen, daß seine schocktest (C) wurde nur eine der Kupferelektroden thermische und elektrische Leitfähigkeit nicht wesent- 10 Minuten lang in eine Zinnschmelze von 2300C lieh verringert wird. Die Tatsache, daß es sich bei 50 eingetaucht und dann wurde das ganze Gleichrichterden Kupferelektroden um im wesentlichen symmetrisch element in eine Mischung von Trichlene (Trochloran das Siliziumplättchen angelötete Elektroden han- äthylen) und fester Kohlensäure von —400C eingedelt, wie oben angegeben, schließt nicht die Verwen- taucht. Zuletzt, bei einem vierten Temperaturschockdung einer Elektrodenausbildung wie die in F i g. 3 test (D), wurde das Zimmertemperatur aufweisende gezeigte aus. Auch kann die Kupferelektrode in den 55 Prüfstück auf eine auf 2000C erhitzte Heizplatte geFällen, in denen die Stärke irgendeiner der beiden legt. Jedes der Prüfstücke wurde den Versuchen (A) Kupferelektroden größer als etwa ein Sechtel des und (B) oder den Versuchen (C) und (D) in der entDurchmessers des Siliziumplättchens ist, wie F i g. 4 sprechenden Reihenfolge unterzogen,
zeigt, in ihrem äußeren Teil asymmetrisch ausgebildet In der die Abmessungen der Prüfstücke enthaltenden werden, der über den etwa einem Sechstel des Silizium- 60 Tabelle 1 entsprechen die Bezeichnungen t, ta bzw. plattendurchmessers entsprechenden Teil der Elek- D, Da den Buchstaben t, ta und D, Da in den F i g. 1 trodenstärke hinausgeht, ohne die symmetrische Aus- bis 5. Die Zahlen für die Prüfstückgruppe 11 und 12 bildung des erzeugten Gleichrichterelementes angren- wurden zu Vergleichszwecken angegeben und stellen zend an die gelöteten Kontaktstellen zu stören. Werte dar, die mit herkömmlichen Prüfstücken nach
Weiter ist das in dem Gleichrichter nach der Erfin- 65 dem Stand der Technik erzielt wurden. Der Querdung verwendete Siliziumplättchen auf eines mit schnitt der Prüfstückgruppe 12 ist in F i g. 5 dargeeinem diffundierten pn-Übergang beschränkt. Ein stellt. Jedoch hatte die Prüfstückgruppe 11 den glei-Siliziumplättchen mit einem einlegierten pn-Übergang chen Elektrodentyp wie in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 Abmessungen
Prüfstück Siliziumplättchen Stärke Stärke Kupferelektrode Durchmesser Typ Gesamtzahl
gruppe Durchmesser mm t, mm Stärke mm Fig. 1 der Stücke
Nr. mm 0,4 5 ta, mm 30 Fig. 1
1 25 0,3 bis 0,4 6 5 20 Fig. 1 4
2 20 0,3 bis 0,4 5 6 20 Fig. 1 10
3 20 0,3 bis 0,4 4 5 20 Fig. 1 10
4 20 0,3 bis 0,4 3 4 20 Fig. 1 10
5 20 0,3 bis 0,4 . 2 3 20 Fig. 1 10
6 20 0,3 bis 0,4 1 2 20 Fig. 2 10
7 20 0,4 bis 0,5 6 1 30 Fig. 3 10
8 20 0,3 bis 0,4 6 6 22 Fig. 4 5
9 20 0,35 5 7 11 20
10 20 0,3 5 4 15 Fig. 5 20
11 20 0,3 7 5 D = Il 2
12 13 0,5 Da = 15 2
Tabelle 2 Versuchsergebnisse
Prüfstückgruppe
Nr.
Bezeichnung der durchgeführten Versuche und Verhältnis der Anzahl der Prüfstücke, die den Versuchen standhielten, zur Gesamtzahl der Prüfstücke Bemerkungen
2
3
4
5
6
7
10
11
12
A— 4/4
A —10/10
4rA —10/10
A —10/10
A —10/10
A— 9/10
A— 8/10
A— 5/5
C —10/10
C —10/10
B— 4/4
B —10/10 B —10/10 B —10/10 B— 8/10 B— 3/9 B— 2/8
B— 5/5
D— 9/10
D —10/10
Nach dem Löten gebrochen Nach dem Löten gebrochen Große Elektroden zeichneten sich durch gute Wärmeableitung aus. Vorsprünge mit dem gleichen Durchmesser wie das Siliziumplättchen erleichtern das relative Einstellen der Teile
Im wesentlichen vom gleichen Typ wie bei F i g. 1. Die Elektroden sind jedoch zum leichteren Anbringen am Gehäuse nur wenig unterschiedlich ausgebildet unter Beibehaltung einer allgemeinen Symmetrie. Die Elektroden wurden vor dem Verlöten vergoldet.
Wo wegen der besonderen Anordnung des Gehäuses oder der Heizplatte in senkrechter Richtung eine Asymmetrie erforderlich ist, tritt dann kein Versagen ein, wenn die Asymmetrie auf einen von dem Siliziumplättchen genügend weit entfernten Teil begrenzt ist. Die Elektroden dieser Prüfstückgruppe wurden vor dem Löten vergoldet.
Aus vorstehendem ist ersichtlich, daß ein Gleichrichter, der Siliziumgleichrichterelemente nach der Erfindung mit diffundiertem pn-Übergang verwendet, einen Wärmewiderstand aufweist, der etwa um ein Drittel niedriger ist als der der herkömmlichen Gleichrichter, die beispielsweise Siliziumgleichrichterelemente mit Molybdänträgerplatten verwenden, und im wesentlichen keine Schwankungen in diesem Widerstandswert zeigt sowie in der Leistung außerordentlich beständig ist. Ein nach der Erfindung
ausgebildeter Gleichrichter hat auch stark verbesserte Durchlaßeigenschaften, besonders im Hochstrombereich, während die Eigenschaften in der umgekehrten Richtung im wesentlichen unverändert bleiben. Weiter hat der Gleichrichter nach der Erfindung verbesserte Überstromeigenschaften mit einer mindestens verdoppelten Überstromleistung. Bemerkenswert ist, daß auf Grund der Erfindung der Produktionsausstoß an Siliziumgleichrichterelementen dieser Art wesentlich erhöht wird.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Siliziumgleichrichterelement mit einem kreisscheibenförmigen Siliziumkörper, welcher im we-
    sentlichen parallel zu den ebenen Oberflächen eine gleichmäßige und senkrecht hierzu eine symmetrische Ladungsträgerkonzentration aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sih'ziumkörper (1) über die ganzen einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen unmittelbar mit Kupferelektroden (2, 3) verlötet ist, deren Durchmesser gleich oder größer als der Durchmesser des Siliziumplättchens und deren Höhe gleich oder größer als ein Sechstel des Durchmessers des Siliziumplättchens ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften:
    USA.-Patentschrift Nr. 2 863 105.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DET20772A 1960-09-16 1961-09-15 Siliziumgleichrichterelement mit einem kreisscheibenfoermigen Siliziumplaettchen Pending DE1218621B (de)

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