DE1246888C2 - Verfahren zum herstellen von gleichrichteranordnungen in brueckenschaltung fuer kleine stromstaerken - Google Patents
Verfahren zum herstellen von gleichrichteranordnungen in brueckenschaltung fuer kleine stromstaerkenInfo
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- DE1246888C2 DE1246888C2 DE1960S0071401 DES0071401A DE1246888C2 DE 1246888 C2 DE1246888 C2 DE 1246888C2 DE 1960S0071401 DE1960S0071401 DE 1960S0071401 DE S0071401 A DES0071401 A DE S0071401A DE 1246888 C2 DE1246888 C2 DE 1246888C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gleichrichteranordnungen in Brückenschaltung für
kleine Stromstärken, bei dem Halbleitertabletten aus einkristallinem Silizium durch Löten mit streifenförmig
ausgebildeten Leiterteilen verbunden und verschaltet werden und die aus Leiterteilen und Halbleitertabletten
bestehende Anordnung in ein Gehäuse eingebracht wird, das mit Kunststoff ausgegossen wird.
In verschiedenen Zweigen der Elektrotechnik und insbesondere der Elektronik werden in großer Anzahl
Halbleiteranordnungen. insbesondere Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen für geringe Stromstärken
und in Kompaktbauweise, benötigt Solche Gleichrichteranordnungen bestanden bisher in bekannter
Weise aus Selen-Gleichrichterelementen geeigneter Größe. Diese Anordnungen haben die Vorteile einer
hohen Zuverlässigkeit im Betrieb und einer einfachen und wirtschaftlichen Herstellung. Durch die Fortschritt
in der Entwicklung der Halbleitertechnik sind Halbleiterbauelemente auf der Basis einkristallinen Ausgangsmaterials,
beispielsweise Silizium, bekanntgeworden, deren herausragende Vorteile, nämlich hohes
Sperrvermögen, hohe Stromdichte je Flächeneinheit, hohe Betriebstemperatur (insbesondere bei Silizium-Halbleiterbauelementen)
und geringer Platzbedarf, sie für eine Anwendung insbesondere in der Elektronik als
besonders geeignet erscheinen lassen.
Dem stand jedoch bisher im wesentlichen entgegen, da3 die bekannten Methoden zur Fertigung von
Bauelementen auf der Basis einkristallinen Ausgangsmaterials einen im Vergleich zur Herstellung von
Selengleichrichtern erheblich höheren Aufwand an Vorrichtungen und Fertigungszeit erfordern und daß
weiterhin insbesondere der Zusammenbau und die Verschaltung mehrerer Bauelemente zu einer Gleichrichterschaltung
weitere aufwendige Maßnahmen notwendig machte, wobei sich in vielen Fällen unerwünscht
große Abmessungen der fertigen Anordnungen ergeben.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftlicheres Verfahren zur Herstellung von
Gleichrichteranordnungen für kleine Stromstärken mit Einzelelementen aus einkristallinem Silizium mit besonders
einfachem Aufbau und unter Berücksichtigung kompakter Bauweise und möglichst geringer Baugrößen
zu schaffen.
Es sind Trockengleichrichtereinheiten bekannt, bei denen Gleichrichterscheiben auf der Basis von Selen
gegeneinander versetzt zu einer schiefen Gleichrichtersäule geschichtet und mit ihren Anschlußleitern in einer
Umhüllung untergebracht sind. Die Gleichrichtersäule besteht aus mit Lotmetall versehenen Kontaktscheiben
und aus Gleichrichterscheiben, die jeweils abwechselnd im Verlauf des Schichtenaufbaus miteinander verlötet
oder mittels federnder Zwischenscheiben gegenseitig flächenhaft leitend verbunden sind(DT-AS 1042 761).
Bei derartigen Anordnungen sind für Anwendungsfälle mit im Vergleich zur Sperrspannungsbelastbarkeit
der einzelnen Gleichrichterscheibe hoher Betriebsspannung je Gleichrichtersäule und zwischen zwei Anschlußleitern
jeweils mehrere Gleichrichterscheiben und eine entsprechende Anzahl von Kontaktscheiben
erforderlich, wodurch ein hoher Materialaufwand und in vielen Fällen insbesondere unerwünschte Baugrößen
gegeben sind. Weiterhin ist auf Grund der schiefen Schichtung eine einwandfreie flächenhafte Verbindung
zwischen aneinandergrenzenden Scheiben nicht immer gewährleistet.
Weiter sind Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen ein Halbleiterkörper zur verbesserten Ableitung
seiner Verlustwärme beim Betrieb an wenigstens zwei
feilen mit je einem möglichst großflächigen Kühlkörper
verbunden isi und die Kühlkörper durch IsoUerteile •egenseitig elektrisch isoliert, jedoch miteinander starr
verbunden sind (DT-AS 10 52 572).
ϊ Bei anderen bekannten Halble'teranordnungen mit s
pflj-Obergang ist die Oberfläche des Halbleiterkörpers
an der oder den Stellen des Austritts des pn-Übergangs vollständig mit einem Stoff einer hohen Dielektrizitätskonstanten
und/oder eines hohen Dipolmoments abgedeckt und von einem isolierenden und feuchtiglceitsuiidurchlässigen
Schutzstoff umschlossen (DT-AS JO 12 378).
;. Ferner weisen bekannte Trockengleichrichteranordnungen
in einem becherförmigen Isolierstoffgehäuse mit Deckel einen Gleichrichtertablettenstapel sowie
Anschlußleiter und einen Federkörper auf, der die mechanische Stabilität des Stapels und gleichzeitig die
Kontaktierung der Stapelteile gewährleisten soll (DT-AS 10 39 136). Dabei sind insbesondere Maßnahmen
und Ausbildungen zur geführten Anbringung und zur definierten Anordnung des Deckels auf dem
Gehäuse vorgesehen.
Aus der deutschen Auslegeschrift 10 54 585 sind Halbleiterbauelemente bekanntgeworden, bei denen ein
Halbleiterkörper in ein aus Basisteil und Deckelteil bestehendes Gehäuse eingebracht ist und bei denen
über den Halbleiterkörper, zwischen den Gehäuseteilen befindlich eine metallische, gegenüber dem Basisteil
isolierte und mit dem oberen Anschlußleiter des Halbleiterkörpers leitend verbundene Metallkappe
gestülpt ist, deren Hohlraum mit einem gut wärmeleitenden Isolierstoff gefüllt ist.
In der britischen Patentschrift 8 24 255 ist ein Transistoraufbau beschrieben, bei dem eine besonders
wirksame Ableitung der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme erzielt werden soll. Dabei sind die
Anschlußleiter für Emitter und Kollektor gleichzeitig auch als Teile des scheibenförmigen Gehäuses ausgebildet
und an ihrer Randzone mit der jeweiligen Stirnfläche eines Isolierstoffringes fest und dicht
verbunden. Die scheibenförmigen Anschlußleiter weisen in ihrem zentralen Bereich eine Wölbung auf und
sind gegenseitig so angeordnet, daß sie mit dieser ins Gehäuseinnere ragenden Wölbung den Emitter bzw.
den Kollektor des in einer scheibenförmigen Trägerplatte befestigten Transistors kontaktieren. Derartige
Bauelemente können aber hinsichtlich ihres Zusammenbaus zu Schaltungen den Forderungen nach einfachem
kompakten Aufbau und nach rationeller Fertigung nicht genügen.
Aus der FR-PS 12 39 831 ist ein Halbleiternetzwerk bekanntgeworden, das die Aufgabe lösen soll, ausgewählte
Stromleiter einer ersten Leitergruppe mit ausgewählten Stromleitern einer anderen Leitergruppe
nach Bedarf zu verbinden. Dabei ist jeder Stromleiter jeweils mit einer Elektrode einer Reihe von elektrisch
gleichsinnig angeordneten Vierschicht-Dioden galvanisch verbunden. Eine Gleichrichterbrückenschaltung
ist mit einer derartigen Matrix nicht herstellbar.
In der US-PS 27 57 439 ist eine Halbleiteranordnung
und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben, wonach insbesondere kleine kompakte Baueinheiten
herstellbar sind. Dabei ist zur Halterung der Anschlußleiter eines Halbleiterkörpers im Rahmen seiner
Verkapselung ein auf die Leiter aufgesteckter Hilfs- ^5
trägerkörper aus Kunststoff vorgesehen, der nach Einbringung und Einbettung des Halbleiterkörpers im
Gehäuse von den daraus vorstehenden Leiterenden entfernt wird.
Weiterhin sind gemäß der bekanntgemachten deutschen Anmeldung I 4253 Vhlc/21g Halbleiteranordnungen
bekanntgeworden, denen die Aufgabe zugrunde lag, den Aufbau mechanisch stabiler zu gestalten sowie
einfacher und billiger zu fertigen und ein konstantes Betriebsverhalten zu gewährleisten. Das soll dadurch
erzielt werden, daß der Halbleiterkörper und die einen punktförmigen Gleichrichterkontakt bildende Spitzenelektrode
in einen festen Block aus isolierendem, sich in der Hitze verfestigenden Stoff eingebettet werden. Die
Herstellung von Gleichrichteranordnungen mit zwei oder mehr Einzelelementen in gewünschter elektrischer
Vei schaltung mit möglichst einfachem Aufbau und in Kompaktbauweise ist aus dieser Patentanmeldung nicht
zu erkennen.
Schließlich betrifft die bekanntgemachte deutsche Patentanmeldung S 43302 VIIIc/21g ein Verfahren zur
Herstellung von Trockengleichrichteranordnungen. Danach werden zwischen den Enden von zueinander
parallel gehalterten Anschlußleitern Stapel aus Selen-Gleichrichterplatten
angeordnet, nachdem die Anschlußleiter in einem Hilfskörper fixiert wurden. Nach
Umhüllen des aus Plattenstapel und Anschlußleitern bestehenden Aufbaus mit einer Gießmasse wird der
Hilfskörper entfernt.
Ein bekannter Vorschlag zur Herstellung einer Vollweggleichrichteranordnung besteht darin, zwei
Gleichrichtertabletten mit gleicher Polung auf einet gemeinsamen ebenen Trägerplatte mit guter thermischer
und elektrischer Leitfähigkeit vorzusehen und mit Kunststoff abzudecken, wobei die Trägerplatte und die
beiden übrigen Elektroden der Gleichrichtertabletten mit je einer Zuleitung versehen sind. Um hierbei eine
Brückenschaltung zu erhalten, müssen jeweils zwei solche Systeme mit geeigneter Polung der angebrachten
Gleichrichtertabletten zusammengeschaltet werden. Eine solche Anordnung ist noch relativ teuer herzustellen
(französische Patentschrift 12 42 208).
Nach einem anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Vollweggleichrichteranordnungen
werden an Glasdurchführungen eines Gehäusesockels streifenförmige Leiterteile angeschweißt und zwischen
diesen die mit Anschlußelektroden aus Nickel versehenen Halbleiterkörper durch Lötung verbunden. Eine
solche Anordnung gestattet zwar eine relativ einfache luftdichte Kapselung, ist jedoch ebenfalls sehr aufwendig
in der Herstellung (USA.-Patentschrift 28 47 623).
Zur Herstellung einer Halbleiteranordnung für höhere Leistungen ist ein Herstellungsverfahren bekannt,
bei dem bandförmige Zuleitungen etwa sternförmig mit einer Glasverschmelzung vorgesehen sind und
durch eine öffnung in ein aus Metall bestehendes, dosenförmiges Gehäuse einmünden. Zum Verschalten
des Halbleiters sind Leiterteile vorgesehen, die sich zum Teil im Winkel zueinander überlappen. Auch eine solche
Anordnung ist selir teuer herzustellen (französische
Patentschrift 12 43 283).
Zur Herstellung einer Matrix aus dielektrischen Speicherelementen ist es bekannt, diese in ein
Vakuumgefäß unterzubringen, wobei jeweils die in einer Zeile bzw. Spalte vorgesehenen Halbleiterelemente auf
einem bandförmigen Träger leitend befestigt und die zweiten Anschlußleiter von federnden Drähtchen
gebildet werden, die an einem parallelen Leiter oder an den entsprechenden querverlaufenden Trägern angelötet
sind. Eine Gleichrichteranordnung in Vollweg- oder Brückenschaltung stellt diese Anordnung nicht dar
(USA.-Patentschrift 25 92 683).
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Leiterteile entsprechend ihrer Funktion als Träger und
Anschluß für die Halbleitertabletlen mit ebenen Flächen
versehen und an den als äußere Anschlußleiter dienenden Enden als Steckerstifte oder Lötösen
ausgebildet werden, daß die Leiterteile an einem innerhalb des Kunststoffs liegenden Flächenabschnitt
mechanisch oder chemisch aufgerauht und mit einer Glas- oder Keramikummantelung versehen und an den
zur Verlötung mit den Halbleitertabletten vorgesehenen Verbindungsstellen durch Tauchen mit einem
Weichlot überzogen werden und daß die Leiterteile sich rechtwinklig überlappend unter Zwischenlage von mit
vorbereiteten Kontaktelektroden versehenen Halbleitertabletten an den Kreuzungspunkten übereinandergelegt
gegeneinander gehalten und mittels Erwärmung gleichzeitig mit den Halbleitertabletten verlötet und
damit verschaltet werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sollen entweder die als Gleich- oder die als Wechselstromleitungen
dienenden Leiterteile eine rechtwinklige Abbiegung erhalten, derart, daß sämtliche als äußere
Anschlußleiter dienenden Leiterenden nach dem Zusammenbau parallel zueinander, vorzugsweise in einer
Ebene nebeneinander liegen.
Werden zum Aufbau derart kombinierter Schaltungen innerhalb des gleichen Gehäuses oder Blockes
Halbleitertabletten aus Silizium benutzt, bei denen der pn-Übergang durch ein Diffusionsverfahren erzeugt
und die kleinen Tabletten durch Ausätzen aus einer größeren Halbleiterscheibe gewonnen werden, so stellt
man zweckmäßig zwei Typen von Halbleitertabletten her, einen Typ, bei der die Elektrode an der p-dotierten
Zone die größere Fläche und die Elektrode an der η-dotierten Zone die kleinere Räche darstellt, und
umgekehrt. Das zweite Leitcrtei! kann dann ebenso wie
das Trägerleiterteil mit Anschlußflächen verschiedener Dotierung der Tabletten verbunden werden, was den
geometrischen Schaltungsaufbau erheblich vereinfacht. Um nach Möglichkeit zusätzliche Schweiß-, Löt- und
Richtprozesse bei der Herstellung dieser Bauteile mit Halbleiteranordnungen für kleine Stromstärken zu
vermeiden, können die der Stromzu- bzw. -ableitung dienenden Leiterteile, z. B. für den Fall, daß diese als
Steckkontakte in gedruckten Schallungen benutzt werden sollen, in einfacher Weise aus Runddrahtabschnitten
hergestellt werden, wobei sie durch eine spanlose Verformung, z. B. durch Prägen, Quetschen
od. dgl, in einem oder auch in mehreren Arbeitsgängen aus einem Stück hergestellt werden. Die Formgebung
richtet sich hier in erster Linie nach den elektrischen Bedingungen, z.B. zur Erzielung einer hohen Oberschlagsfestigkeit,
wobei auch komplizierte Formen mit einem entsprechend genau gearbeiteten Prägewerkzeug
bei entsprechender Stückzahl in der Massenfertigung billig hergestellt werden können. Auch können
natürlich diese entsprechend ihren verschiedenen Funktionen besonders geformten Leiterteile aus Blech
oder aus einem anderen Flachmaterial, z.B. aus Flachdraht, hergestellt sein. Dies empfiehlt sich
besonders dann, wenn die äußeren für die Stromzu- und -ableitung dienenden Leiterteile derselben als Lötösen
ausgebildet werden sollen. Auch hier kann z.B. nach dem Ausstanzen eines die rohe Form aufweisenden
Blechteiles die weitere Bearbeitung durch eine spanlose Verformung erfolgen. Diese nach dem vorgeschlagenen
Verfahren aus einem einzigen Metallteil hergestellten.
den verschiedenen Aufgaben als Anschlußteile und Trägerkörper optimal angepaßten Leiterteile können so
in einfachster und billigster Weise hergestellt werden. Wie an Hand verschiedener Ausführungsbeispiele im
S einzelnen noch gezeigt werden soll, gelingt es durch die vorgeschlagene Leiterteilausbildung in Verbindung mit
einem geeigneten rationellen Herstellungsverfahren für die Halbleitertabletten und einem sorgfältig durchgeführten
Fertigungsverfahren bei der Block- und
ίο Gehäuseherstellung hochwertige Gleichrichterbauteile
herzustellen, die in jeder Beziehung und auch bezüglich ihrer Herstellungskosten den bisher aus Selen als
Halbleiterbestandteil hergestellten erheblich überlegen sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Zunächst soll an Hand der F i g. 1 bis 13 das gesamte
Herstellungsverfahren einer Gleichrichteranordnung mit Siliziumtabletten beschrieben werden, bei dem in
einem Gehäuse mehr als eine Siliziumtablette eingebaut ist und bei dem die einzelnen Gleichrichter innerhalb
des Gehäuses zu der üblichen Gleichrichter-Brückenschaltung verschaltet sind. Die Silizium-Gleichrichtertableuen
sollen ferner nach dem Diffusionsverfahren hergestellt werden.
Um die eine psn-Schichtenfolge aufweisende Silizium-Halbleitertablette
in eine Gleichrichteranordnung einbauen zu können, muß sie noch mit einem lötfähigen
Metallüberzug versehen werden. Dieser Überzug wird zweckmäßig auf der ganzen Oberfläche angebracht. Es
kann hierbei z. B. das übliche elektrodenlose Vernickeln angewendet werden. Eine niedergeschlagene, etwa
2 μΐη dicke Nickelschicht wird eingebrannt, und auf
diese Schicht wird nochmals eine Nickelschicht aufgetragen und darauf vorzugsweise galvanisch eine
Goldschicht aufgebracht. In F i g. 1 ist die nach diesem Verfahren behandelte Scheibe unmaßstäblich im Schnitt
dargestellt, t ist die schwachdotierte Mittelschicht, 2 und 3 sind die beiden p- bzw. η-leitenden Außenschichten
des Siliziums und 4 und 5 sollen je die die ganze Scheibe umgebende Nickel- bzw. Goldschicht darstellen.
Nach diesem Kontaktierungsprozeß wird die Siliziumscheibe nun in eine größere Anzahl kleinerer
Tabletten unterteilt.
Die Fig.2 und 3 zeigen in einer Seitenansicht die
Struktur dieser durch Ausätzen hergestellten Halbleitertabletten. Der Maßstab ist erheblich vergrößert.
Die Tabletten haben die Form von konischen Kegelstümpfen geringer Höhe, bei denen die eine der
beiden parallelen Kreisflächen etwas größer als die andere ist Die Stärke dieser kleinen Tabletten beträgt
dann zusammen mit den beiden Metallelektroden höchstens 03 mm. Der mittlere Durchmesser soll etwa
>/2 bis 2 mm betragen. In dieser Größe sind die
Tabletten bei der Fertigung noch gut zu handhaben. Bei dem Ausführungsbeispiel in F i g. 2 soll die untere im
Durchmesser größere Schicht 15 η-leitend und die obere im Durchmesser kleinere Schicht 16 p-leitend sein. Bei
to dem Ausführungsbeispiel in Fig.3 ist es umgekehrt:
Die im Durchmesser größere Schicht 17 ist hier p-leitend, und die im Durchmesser kleinere Schicht 18
η-leitend. Es empfiehlt sich nun, bei der weiteren Herstellung des Gleichrichters die Tabletten so mit
G5 ihren beiden Leiterteilen zu verbinden, daß die jeweils
größere Fläche 15 bzw. 17 auf das mit größerer Fläche ausgebildete, als Träger dienende Leiterteil aufgebracht
und die kleineren Flächen 16 und 18 zum Anschluß des
zweiten Leiterteils benutzt werden. Die so gewonnenen Halbleitertabletten können nun unmittelbar für den
Aufbau einer Gleichrichteranordnung verwendet werden und sind auf Grund ihres auf beiden Seiten
vorhandenen metallischen Überzuges auch gut lötfähig.
Das Anbringen der kleinen Halbleitertabletten auf dem Trägerkörper und das Kontaktieren mit dem
zweiten Leiterteil soll an Hand der Fig.4 und 5 noch näher erläutert werden. Die Leiterteile sowie die
Halbleitertabletten sind ebenso wie in den F i g. 2 und 3 in stark vergrößertem bzw. verzerrtem Maßstab
dargestellt. In Fig.4 stellt 19 ein Trägerleiterteil im
Querschnitt dar, das an der Stelle der Verbindung mit der Halbleitertablette einen Lötüberzug 20 aufweist.
Das zu dem Leiterteil 19 im wesentlichen querverlaufende Leiterteil 21 hat ebenfalls einen lötfähigen Überzug
22. Während nun das Leiterteil 19 etwa bändchenförmig mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein kann,
weist, wie Fig.5 ze<gt, das Leiterteil 21 einen
profilierten Querschnitt 23 auf, wobei kleine im Querschnitt runde Vorsprünge oder Warzen 24 an der
Unterseite vorhanden skid, deren Flächen am unteren Ende jedoch nicht größer als die obere kleinere Fläche
der Halbleitertablette 25 sein sollen. Auch die Leiterteile 21 werden vorher mit einem lötfähigen
Überzug 26 versehen. Im übrigen können für hohe Spannungen solche Vorsprünge bzw. Warzen 24 auch
auf dem Leiterteil 19 vorgesehen sein. Das weitere Fertigungsverfahren wird nun an Hand der folgenden
Figuren näher erläutert.
In Fig.6 sind in einer Ansicht zwei Anschlußleiterteile
dargestellt, die im wesentlichen aus zwei Abschnitten bestehen: einem im Querschnitt runden
Abschnitt 27 und 28 und einem im Querschnitt rechteckigen Abschnitt 29 und 30. Die Abschnitte 29 und
30 können beispielsweise durch Quetschen des einen Endes eines Runddrahtabschnittes hergestellt sein,
wobei durch ein geeignetes Werkzeug die Teile ihre aus den F i g. 6 und 7 zu ersehende Form erhalten haben.
Aus der Ansicht gemäß Fig.7 geht hervor, daß die
flachen Abschnitte bzw. Enden 29 und 30 auf der Ebene der im Querschnitt runden Abschnitte 27 und 28 versetzt
liegen, um, wie aus den F i g. 8 und 9 hervorgeht, alle Leiterteilanschlüsse der Gleichrichteranordnung in
einer Ebene zu erhalten. Senkrecht zu den Leiterteilen 29 und 30 liegen die aus den im Querschnitt runden
Abschnitten 31 und den im Querschnitt rechteckigen Abschnitten 32 bestehenden zweiten Anschlußleiterteile.
Aus F i g. 9 ist die Gesamtanordnung mit den etwas zu dick gezeichneten Gleichrichtertabletten 25 in der
Ansicht von oben zu sehen.
Das weitere Herstellungsverfahren verläuft nun etwa in der Weise, daß ein zwischen wassergekühlten
Zuleitungen 33 und 34 vorgesehenes Graphitband 35 eingearbeitete Aussparungen aufweist, die genau die
Form der Leiterteilabschnitte 27,29 bzw. 28,30 haben.
Ebensolche Vertiefungen bzw. Aussparungen sollen wenigstens für die Abschnitte 31 der zweiten geradlinigen
und senkrecht hierzu liegenden Anschlußleiter vorgesehen sein. Wichtig ist ferner, daß die in F i g. 6 bis
10 dargestellten Leiterteile nur an den zur Verbindung mit den Siliziumtabletten dienenden Abschnitten vorher
durch ein Tauchverfahren mit einem Lot fiberzogen wurden. Als Lot eignet sich vorzugsweise ein duktiles
Metall, wie z. B. eine Legierung aus Blei, mit 5 bis 20%
Indium.
Auf die in die Graphitform eingelegten beiden Leiterteile 27, 29 und 28, 30 werden nun je zwei
Gleichrichtertabletten aufgelegt. Wie aus der Darstellung in F i g. 8 und dem Schaltbild in F i g. 11
hervorgeht, sollen die beiden äußeren Anschlüsse 27 und 28 die Stromableitung für die positive bzw. negative
Spannung sein. Nach der Erfindung wird nun so verfahren, daß jedes der beiden Leiterteile 29 und 30 mit
einem anderen Tablettentyp belegt wird, und zwar wird, da das Leiterteil 27,29 beim Arbeiten des Gleichrichters
in Durchlaßrichtung eine positive Spannung erhalten
ίο soll, der Leiterteilabschnitt 29 mit einer Halbleitertablette
des Typs gemäß F i g. 2 und das Leiterteil 30 mit einem Halbleitertyp gemäß F i g. 3 belegt, so daß also
die Halbleitertabletten mit ihrer größeren Fläche auf diesen als Träger dienenden bändchenförmigen Leiterteilen
aufliegen. Um den Halbleitertabletten auf den Leiterleilen 29 und 30 eine genaue Lage zu geben,
können die beiden Auflageflächen der beiden Leiterteile mit Markierungen, z. B. in Form kleiner eingeritzter
Kreise oder zweier zueinander senkrechter Koordinatenlinien versehen sein. Auch ist es möglich, die Stellen,
an denen die Halbleitertabletten liegen, etwas erhöht auszubilden, so daß auch hier kleine Warzen gebildet
werden, die in diesem Falle noch den besonderen Vorteil aufweisen, daß der Leiterteilabstand dadurch
vergrößert wird. Eine solche Ausführung empfiehlt sich besonders dann, wenn die Gleichrichteranordnung für
hohe Sperrspannungen ausgebildet werden soll. Nunmehr werden auf die beiden in die Graphitform 35
eingelegten Leiterteile noch die beiden Zuleitungsleiterteile aufgelegt, die beispielsweise an ihren Abschnitten
32 die in den F i g. 4 und 5 dargestellte Form aufweisen können. Selbstverständlich können diese Leiterteile
auch im Querschnitt anders ausgebildet sein, wobei sie jedoch in jedem Falle an ihrer Unterseite mit kleinen
Vorsprüngen bzw. Warzen versehen sein sollen, mit denen sie auf der Oberseite der Halbleitertabletten
aufliegen, ohne daß sie jedoch mit ihrer Auflagefläche über den Rand der oberen Fläche der Halbleitertabietten
vorstehen. Auch diese Leiterteile werden, wie bereits in Fig.4 und 5 dargestellt, vorher im
Tauchverfahren mit einem Lot überzogen. Hierbei genügt es such, wenn nur die zum Kontaktieren
dienenden Vorsprünge bzw. Warzen (24 in Fig. 5) mit
einem Lot überzogen sind. Die Leiterteile 31,32 werden ebenfalls in der Graphitform genau justiert, so daß die
nach unten ragenden kleinen Warzen genau auf die Mitte der Halbleitertabletten zu liegen kommen.
Um eine gute Lötung durchführen zu können, ist es notwendig, daß die miteinander zu verlötenden kleinen
Flächen vorher möglichst gut, am besten unter einem nicht zu großen Druck zusammengepreßt werden. In
einer auf und ab bewegbaren Vorrichtung können zu diesem Zweck vier kleine Stempel federnd befestigt
sein, die beim Herunternehmen der Vorrichtung mit einem gewissen Druck auf die oberen Leitertsile 31 und
32, und zwar an der Stelle der darunterliegenden Halbleitertabletten liegen. Nunmehr wird durch einen
über die Zuleitungen 33 und 34 zugeführten Strom das Graphitband erhitzt, wodurch in relativ kurzer Zeit das
to gesamte Leiterteilsystem eine Temperatur erhält, bei
der die Lötung stattfinden kann. Durch diese Temperaturbehandlung wird eine innige Lötverbindung zwischen
den Leiterteilen und den dazwischenliegenden Siliziumtabletten erreicht Durch die besondere Form-
6j gebung der oberen Leiterteile mit ihren Warzen und die
übrigen getroffenen Vorkehrungen kann unter, normalen Arbeitsbedingungen vermieden werden, daß das Lot
über den Rand der Halbleitertabletten läuft und auf
509643/310
10
diese Weise ein zu kleiner Abstand zwischen den beiden Leiterteilen zustande kommt. Hierdurch wird eine
wesentliche Voraussetzung für die Höhe der mit der Anordnung erzielbaren Sperrspannung geschaffen.
Zweckmäßig wird der Lötprozeß noch unter Zuhilfenahme eines Flußmittels, wie z. B. Zink-Chlorid,
vorgenommen. Nach Abschalten des Heizstromes und Abkühlen der Anordnung, z. B. durch ein Gebläse, kann
das fertig gelötete Leitersystem aus der Graphitform herausgenommen werden.
An diesen Lötprozeß schließt sich nun zweckmäßig ein Ätz- bzw. Reinigungs- und Trocknungsprozeß an,
um Verunreinigungen, die sich noch an der äußeren Fläche, an der der pn-übergang zutage tritt, zu
entfernen. Zu diesem Zweck wird das System in einer schwach phosphorsäurehaltigen Lösung gespült und
anschließend mit einer siliziumlösenden Ätzlösung, wie z. B. Flußsäure (HF), behandelt. Nach diesem Reinigungsprozeß
wird das System in eine Siliconlacklösung getaucht. Der Siliconlack wird bei etwa 2000C
eingebrannt. Dieser Lacküberzug ist hochtemperaturbeständig und schützt vor allem die Siliziumtabletten
vor einer Oxydation. Diesem Siliconlack wird vorteilhaft noch Titandioxydpulver beigegeben. Sodann wird
die Anordnung in ein flüssiges Gießharz getaucht, wie z. B. Epoxydharz. Diesem Gießharz können vorzugsweise
kleine ballonartige und hohle Mikrogebilde aus Kunststoff, sogenannte Mikrohohlräume, beigefügt
werden, die auf Grund ihrer Form eine gute Kompressibilität aufweisen. Nach Aushärtung dieser
kompressiblen Kunststoffschicht wird der eigentliche Gehäuseaufbau durchgeführt.
Beim Gehäuseaufbau können verschiedene Wege beschriften werden. Der einfachste Weg ist, ein
Gehäuse mit rechteckigem Querschnitt, wie es etwa in F i g. 12 dargestellt ist, zu verwenden. Dieses Gehäuse
36 kann aus Kunststoff oder Metall bestehen. In dasselbe wird die Anordnung eingeführt und genau auf
Mitte justiert. Zur genauen Justierung kann das Gehäuse im Inneren Vorsprünge aufweisen, oder es
können auch die Leiterteile 32 bzw. 29 und 30 so ausgebildet, insbesondere verlängert sein, daß sie mit
zur Justierung dienen. Das Gehäuse wird anschließend mit einem Kunststoff, z. B. einem Epoxydharz, ausgegossen,
der üblicherweise bei Temperaturen zwischen 100 und 1500C ausgehärtet wird. Um die Anordnung
noch weiter vor Feuchtigkeitsdiffusion zu schützen, empfiehlt es sich, den fertigen Aufbau, wie er in F i g.
gezeigt ist, noch mit einem Isolationslack zu überziehen, der insbesondere den Feuchtigkeitsdurchtritt verhindert
Aus diesem Gehäuse ragen die Leiterteilanschlüsse mit ihren äußeren Teilen 37 hervor. Gibt man den
Leiter««*il«?n einen Abstand, der ein Vielfaches von
2.5 mm beträgt, so sind diese Halbleiterbauteile auch in Keramik oder Glas, erheblich besser als zwischen
Kunststoff und Metall. Es ist notwendig, wenigstens an einem Teil der Leiterteilzu- bzw. -abführung eine
Glasummantelung, z.B. in Form einer Glasperle, vorzusehen. Bei der in Fig. 14 dargestellten Gleichrichteranordnung
sind mit 44 diese Glasperlen dargestellt. Diese Glasperlen sollen so an den Leiterteilen
vorgesehen sein, daß sie bei der fertigen Anordnung innerhalb des Kunststoffes liegen.
,o Im Rahmen einer Weiterbildung erscheint es auch
vorteilhaft, sämtliche nach außen gehende Leiterteile mit Glas zusammenzuschmelzen, so daß hierdurch
bereits eine feste Halterung und Festlegung der gegenseitigen Lage der Leiterteile zustande kommt
i5(Fig. 15). Fertigungstechnisch erweist es sich als
günstig, für die Herstellung dieser Glasverbindung von einem Glaspulver auszugehen, das innerhalb einer
Graphitform mit den Leiterteilen, die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Glas besitzen sollen,
verschmolzen wird.
In der Fig. 10 wurde der Fall skizziert, daß die
Anordnung mittels einer Graphitbandvorrichtung verlötet wird. Es kann aber auch ein einfaches Tauchverfahren
zum Auflöten der Tabletten verwendet werden. Die Leiterteilanordnung wird durch eine nichtmetallische
Vorrichtung so gehaltert, daß die Leiterteile federnd zueinander in der später gewünschten Lage zu liegen
kommen. Die Gleichrichtertabletten werden anschließend zwischen die einzelnen Leiterteilabschnitte eingeklemmt.
Die Anordnung wird anschließend in ein Bad aus Lötmetall getaucht, das das jeweils verwendete Lot
in aufgeschmolzener Form enthäU. Beim Eintauchen der Anordnung überziehen sich die lötfähigen Leiterteile
und die beiderseitig mit einer Metallschicht versehene Silizium-Gleichrichtertabletten mit diesem Lot. Nach
dem Herausnehmen aus dieser Lötschmelze erstarrt das auf der Anordnung zurückgebliebene Lot, und es ist ein
inniger Kontakt zwischen Leiterteilen und Tablette
entstanden. Eine Überbrückung des pn-Übergangs durch das Lot bzw. ein Kurzschluß durch das Lot kann
nicht stattfinden, da das Silizium, das nicht mit einer Metallschicht überzogen ist. auch vom Lot nicht benetzt
wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß hierbei kein oder nur wenig Flußmittel verwendet werden muß.
Neben dem Vorteil einer rationellen Fertigung und dem Vorteil, daß das Lot nicht über den pn-Übergang läuft,
ergibt sich auch eine gleichmäßige Benetzung auf der ganzen Oberfläche.
Wie bereits erwähnt, werden die mit Nickelelektroden
versehenen Gleichrichtertabletten mit einem Weichlot überzogen. Bei dem hier erwähnten Tauchverfahren
ist zu beachten, daß die Nickelschicht von einer größeren Menge des Lötmetalls gelöst werden kann.
Aus diesem Grund empfiehlt es sich, dem Lötbad eine so
gedruckten Schaltungen anwendbar. Um eine gute 55 große Menge an Nickel beizugeben, daß das flüssige LoI
Haftung zwischen dem Kunststoff und dem Leiterteil- bereits mit Nickel gesättigt ist, wodurch keine Ablösung
material zu erhalten, empfiehlt es sich, diese an den zu - - - - - .._..—
ihrer Halterung in Kunststoff dienenden Teilen nicht mit einem Lot zu versehen. Statt dessen ist es erforderlich,
sie an diesen Stellen mechanisch oder chemisch aufzurauhen.
Bei der Umhüllung der im vorausgehenden beschriebenen SHiziumgleichrichteranordnungen ist darauf zu
achten, daß keine Feuchtigkeit durch den Kunststoff hindurch zu den Siliziumtabletten hin diffundiert.
Besonders groß ist die Gefahr an der Grenze zwischen den Leiterteilen und dem Kunststoff. Dagegen ist die
Verbindung zwischen Kunststoff, z. B. Epoxydharz und des Nickels von den Silizium-Gleichrichtertabletter
stattfinden kann.
Bezüglich der in der bisherigen Beschreibun£
6c angegebenen Abmessungen der Halbleitertabletter
wäre noch folgendes zu erwähnen:
Die angegebenen Größen sind lediglich im Hinblict
auf ein rationelles, billiges Herstellungsverfahrei zweckmäßig, wobei die gesamten Abmessungen fürd»
vorgesehenen Stromstärken von etwa 0.2 Ampere vie zu groß sind. In den Fällen, wo die Herstellungskostei
nicht im Vordergrund stehen, dagegen z. B. de Raumbedarf ausschlaggebend ist. lassen sich nach der
angegebenen Verfahren die Halbleiterbauteile noch in erheblich geringeren Abmessungen herstellen. Unter
Anwendung entsprechender Werkzeuge und Vergrößerungseinrichtungen können diese Teile ebenso hochwertig
und mit sehr geringerem Raumbedarf hergestellt werden.
Gegenüber den bisher bekannten Verfahren gestattet das Verfahren nach der Erfindung, die Herstellungskosten
solcher Halbleiteranordnungen erheblich herabzusetzen, insbesondere dann, wenn nach dem Diffusionsverfahren
hergestellte Halbleitertabletten verwendet
werden, die durch Unterteilung aus einer größeren fertigen Tablette gewonnen werden. Bei der zweckmäßig
vorgenommenen Überdimensionierung der Halbleitertabletten ist es auch möglich, die gleiche
Tablettengröße für einen großen Spannungs- und Strombereich zu verwenden, was eine Herabsetzung
der Anzahl der herzustellenden Typen und bei Herstellung einer entsprechend großen Stückzahl eine
weitere Herabsetzung der Herstellungskosten zur Folge hat.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zum Herstellen von Gleichrichteranordnungen in Brückenschaltung für kleine Stromstärken,
bei dem Halbleitertabletten aus einkristallinem Silizium durch Löten mit streifenförmig
ausgebildeten Leiterteilen verbunden und verschallet werden und die aus Leiterteilen und Halbleitertabletten
bestehende Anordnung in ein Gehäuse eingebracht wird, das mit Kunststoff ausgegossen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterteile entsprechend ihrer Funktion als Träger
und Anschluß für die Halbleitertabletten mit ebenen Flächen versehen und an den als äußere Anschlußleiter
dienenden Enden als Steckerstifte oder Lötösen ausgebildet werden, daß die Leiterteile an einem
innerhalb des Kunststoffes liegenden Flächenabschnitt mechanisch oder chemisch aufgerauht und
mit einer Glas- oder Keramikummantelung versehen und an den zur Verlötung mit den Halbleitertabletten
vorgesehenen Verbindungsstellen durch Tauchen mit einem Weichlot überzogen werden und
daß die Leiterteile sich rechtwinklig überlappend unter Zwischenlage von mit vorbereiteten Kontaktelektroden
versehenen Halbleitertabletten an den Kreuzungspunkten übereinandergelegt, gegeneinander
gehalten und mittels Erwärmung gleichzeitig mit den Halbleitertabletten verlötet und damit
verschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die als Gleich- oder die als
Wechselstromleitungen dienenden Leiterteile eine rechtwinklige Abbiegung erhalten, derart, daß
sämtliche als äußere Anschlußleiter dienenden Leiterenden nach dem Zusammenbau parallel
zueinander, vorzugsweise in einer Ebene nebeneinander, liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichlot ein Blei-Indium-Lot
verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Halbleitertabletten
zu verlötenden Leiterteile während der Erwärmung mit einer Vorrichtung aus Keramik oder
Graphit gehaltert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Eintauchen in
ein heißes Ölbad vorgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß nach den auf das Löten folgenden Ätz-, Spül- und Trockenprozessen die
Ha!Hi»itertabletten mit einem Schutzüberzug aus
Silikonlack mit einem Zusatz von Titandioxidpulvei abgedeckt werden, tier bei etwa 200°C eingebrannt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung nach dem Aufbringen
des Silikonlackes durch Tauchen in ein Gießharz, das mit Mikrohohlkörpern versehen ist, mit einem
kompressiblen weiteren Überzug versehen wird.
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DE19611439093 DE1439093A1 (de) | 1960-11-24 | 1961-07-24 | Flächengleichrichteranordnung |
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DE1960S0071401 DE1246888C2 (de) | 1960-11-24 | 1960-11-24 | Verfahren zum herstellen von gleichrichteranordnungen in brueckenschaltung fuer kleine stromstaerken |
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-
1960
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