DE1589854A1 - Loetstellenfreier Halbleitergleichrichter - Google Patents
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Description
Patentanwälte
DL-Ing. Wiliifhu Reinhel
DipHii.7. V/üI:':'i-ng Köichel
DipHii.7. V/üI:':'i-ng Köichel
6 Ficn:-..j-.:a. M. 1
Paxksiraßö 13
Paxksiraßö 13
P 15 89 854. 1-35 3. November 1969
General Electric Company RevS-Gu-5302
Lötstellenfreier Halbleitergleichrichter
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitergleichrichter und insbesondere auf Halbleitergleichrichteranordnungen mit großflächigen
Elektroden, die ohne Lötverbindungen oder dergleichen allein durch Druck mit dem zwischen ihnen befindlichen
Halbleiterkörper in Berührung gehalten sind.
Für die elektrische Energieumwandlung werden heute in immer stärkerem Maße Festkörpergleichrichter aus Halbleitermaterial,
z.B. Silicium, verwendet, die hohe Ströme führen können. Damit durchschnittliche Vorwärtsströme von 250 Ampdre oder mehr fließen
können, sind großflächige Halbleiterkörper notwendig. Im allgemeinen werden dünne, scheibenförmige, vielschichtige Halbleiterkörper
verwendet, die zwischen ebenen Metallelektroden, angeordnet sind, welche derart an zwei entgegengesetzten Enden
eines Isolatorhohkörpers befestigt sind, daß der Halbleiterkörper von einem abgedichteten Gehäuse umgeben ist. Bei Verwendung
eines zweischichtigen (PN)-Siliciumkörpers erhält man einen einfachen Gleichrichter oder eine Diode, wohingegen man bei Verwendung
eines vierschichtigen (PNPN)-Halbleiterkörpers mit einer Steuerelektrode einen steuerbaren Gleichrichter bzw. Thyristor
erhält. Für einen optimalen Wirkungsgrad ist es in Jedem Fall erforderlich, daß die Grenzflächen zwischen den Endflächen des
Halbleiterkörpers und den an diesen angrenzenden Elektroden einen möglichst geringen elektrischen und thermischen Widerstand
aufweisen. In der Praxis ist es jedoch schwierig, zwi-
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sehen diesen Teilen des abgedichteten Halbleitergleichrichters
eine großflächige Kontaktierung mit geringem Widerstand aufrechtzuerhalten, da der Halbleiterkörper nicht den gleichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die angrenzenden Metallelektroden
aufweist.
Zum Befestigen der Metallelektroden an einem Halbleiterkörper wird bevorzugt ein Lötmittel mit geringem Schmelzpunkt verwendet.
Bei Halbleitergleichrichtern für sehr hohe Ströme, bei denen ein inniger Kontakt im Bereich einer großen Fläche von
mehr als etwa 3,2 cm (0,5 Zoll ) über einen breiten Temperaturbereich von beispielsweise 150 0C aufrechterhalten v/erden
muß, eignet sich dagegen besser ein durch Druck hergestellter Gleitkontakt,
Bei der Herstellung eines solchen durch Druck bewirkten Gleitkontaktes
wird kein Lötmittel, Bindemittel oder dgl. zum Befestigen des Halbleiterkörpers zwischen den beiden Hauptelektroden
des Halbleitergleichrichters verwendet. Stattdessen v/erden diese Teile unter Druck eingespannt und dabei in gleitender Berührung
gehalten, so daß sie sich, wenn die Betriebstemperatur ansteigt, mit verschiedenen Geschwindigkeiten frei ausdehnen
können.
Um die Gleitbewegung zu fördern, werden erfindungsgemäß die Kontaktflächen des Halbleiterkörpers mit einem dünnen Film aus
einem inerten Schmiermittel überzogen, durch das sowohl der thermische und der elektrische Widerstand zwischen diesen Oberflächen
und der angrenzenden Elektrode erniedrigt, als auch gleichzeitig eine relative Gleitbewegung zwischen diesen beiden
gefördert wird. Das Schmiermittel besteht bevorzugt aus einem hochviskosen Silikonöl.
Die Erfindung wird, nun auch an Hand der beiliegenden Abbildungen
ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung
der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.
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Die Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Halbleitergleichrichter für hohe Ströme nach der Erfindung.
Die Fig.1a zeigt einen Ausschnitt der Fig. 1 in Vergrößerung.
Die Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Einspannvorrichtung
für den Halbleitergleichrichter nach der Fig. 1.
Die Fig. 3 ist eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1.
Die Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den die Steuerelektrode enthaltenden
Teil des Halbleitergleichrichters.
Im folgenden wird an Hand der Fig. 1 ein Halbleitergleichrichter 11 beschrieben, dessen einzelne Teile, wenn es nicht ausdrücklich
anders erwähnt ist, »kreisförmig ausgebildet sind. Der Halbleitergleichrichter 11 enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper
12, der zwischen den ebenen Böden bzw. Elektroden 13 und 14 zweier tassenförmiger Anschlußelemente angeordnet ist.
Die Randabschnitte 15 und 16 der beiden Anschlußelemente sind derart an entgegengesetzten Enden 17 und 18 eines elektrisch
isolierenden Hohlkörpers 19 befestigt, daß sich ein aus einem Stück bestehendes, hermetisch abgedichtetes Gehäuse für den
Halbleiterkörper 12 ergibt. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, ist der Halbleitergleichrichter unter Druck zwischen den einander
zugewandten Enden zweier aufeinander ausgerichteter Kupferstempel 20 und 21 eingespannt, die als elektrische und thermische
Leiter dienen. Eine bevorzugte Einspannvorrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt, die später beschrieben wird»'
Der scheibenförmige Halbleiterkörper 12 des Halbleitergleichrichters
11 besteht aus einem Halbleitermaterial und enthält, wie es in der Fig. 1a angedeutet ist, vorzugsweise eine z.B.
0,3 mm (12 mils) dünne großflächige, kreisrunde Scheibe 22 aus
asymmetrisch leitendem Silicium 22, die auf einem dickeren, z.B. 1,5 mm (60 mils) dicken scheibenförmigen Substrat 23 aus Wolfram
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oder Molybdän befestigt ist, auf dessen äußerer Oberfläche ein
Gold-Nickel-Kontakt 24 (z.B. 9li% Gold, β% Nickel) vorgesehen
ist, während auf der äußeren Oberfläche der Siliciumscheibe* 22 ein dünner Goldkontakt 25 angebracht ist. Folglich ist der dargestellte
Halbleiterkörper 12 an seinen entgegengesetzten Enden mit Metallkontaktflächen versehen, obwohl beim erfindungsgemäßen
Halbleitergleichrichter das Substrat 23 und/oder die Metallkontakte 24 und 25 im Bedarfsfall auch weggelassen werden kön-.
nen. Wenn man das Substrat wegläßt, dann empfiehlt es sich, an
der Bodenfläche der Siliciumscheibe 22 einen dünnen Gold-Bor-Kontakt zu befestigen oder die Oberfläche mit Nickel oder dgl.
zu plattieren.
Der Halbleiterkörper 12 kann in bekannter Weise hergestellt werden. Sein Durchmesser beträgt z.B. 32,4 mm (1,25 Zoll). Im
Inneren der Siliciumscheibe 22 ist mindestens ein großflächiger PN-Übergang vorgesehen, der im wesentlichen parallel zu den Endflächen
verläuft. Das gezeigte Ausführungsbeispfel ist ein steuerbarer Halbleitergleichrichter, d.h. Thyristor, dessen Halbleiterkörper
vier Zonen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp enthält, von denen die eine am Rand eine Steuerelektrode
26 aufweist, die mit einer flexiblen Steuerleitung 27 ohmsch kontaktiert ist. Mit dem Substrat 23 ist in diesem Falle eine
P-leitende Zone des Halbleiterkörpers 22 ohmsch verbunden, so daß der Vorwärtsstrom durch den Halbleiterkörper vom Kontakt 24
zum Kontakt 25 fließt. Die Kontakte sind geschliffen und geläppt, damit ihre Kontaktflächen parallel zueinander und senkrecht zur
Achse des Halbleiterkörpers 12 liegen. Auf der ringförmigen Fläche des Halbleiterkörpers 12, die in radialer Richtung über die
Oberfläche des Kontaktes 25 hinausragt, und auf demjenigen Teil der Oberfläche des Kontaktes 25, der neben der am Umfang befindlichen
Steuerelektrode 26 liegt, ist ein Schutzüberzug 28 aus Isoliermaterial, z.B. Silikonkautschuk vorgesehen.
Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, befinden sich die entgegengesetzten
Endflächen des Halbleiterkörpers 12 mit je einer ebenen
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Oberfläche der parallelen Elektroden 13 und 14 der beabstandeten Anschlußelemente des Halbleitergleichrichters 11 in Anlage,
so daß der zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 fließende Verbraucherstrom auch durch die Elektroden 13 und 14 und den
Halbleiterkörper 12 fließt. Dabei kann die Elektrode 13 auch als Anode und die Elektrode 14 auch als Katode bezeichnet werden.
Jede Elektrode besteht aus einer flachen, gleichförmig dicken, runden Scheibe aus einem leitenden Material, z.B. Kupfer
oder im Bedarfsfall Wolfram oder Molybdän. Die besten Ergebnisse erhält man, wenn man Kupfer verwendet und dieses mit
dünnen Silber- oder vorzugsweise Nickelschichten plattiert.
Die Anode 13 ist mittels eines dünnen, im wesentlichen zylindrischen
Rohrs 29 aus einem duktilen Metall, z.B. Kupfer, bleibend mit dem nach außen erweiterten Randabschnitt 15 verbunden,
der an einer metallisierten Endfläche 17 des Isolatorhohlkör- - pers 19 angelötet oder andersartig befestigt ist. Die Teile 13»
15 und 29 bilden somit ein aus einem Stück bestehendes, tassenförmiges
Anschlußelement, wobei das Rohr 29 ein Teil einer Art elastischer Membran(Diaphragma) ist, durch deren Mittelabschnitt
die Anode 13 ragt. Das Rohr 29 ist innerhalb des Isolatorhohlkörpers 19 angeordnet, wobei zwischen dem Rohr 29 und der Innenwand
des Isolatorhohlkörpers ein möglichst kleiner zylindrischer Raum vorgesehen ist. Ein ähnliches Anschlußelement ist durch
die Katode 14, den Randabschnitt 16 und ein diese beiden Teile verbindendes Rohr 30 gebildet.
Die Fig. 3 ist eine Draufsicht auf dieses letztereAAnschlußelement.
Wie die Figuren 1 und 3 zeigen, ist im linken Teil 31 der Katode 14 ein am Umfang befindlicher Teil von ihr abgebogen,
damit derjenige Teil der Elektrodenfläche, der an die obere
Oberfläche des Halbleiterkörpers 12 in der Nähe der peripheren Steuerelektrode 26 angrenzt, entlastet wird. Hierdurch wird
verhindert, daß der Kontaktdruck auch auf einen zu nahe an der Steuerelektrode befindlichen Teil des Halbleiterkörpers 12 ausgeübt
wird.
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Der periphere Randabschnitt 16 des an der Katode 14 befestigten Rohrs 30 besitzt erfindungsgemäß einen aus seinem linken Teil
in radialer Richtung herausragenden Ansatz 32 aus leitendem Material. Der Ansatz 32 ist außerdem bis über den Umfang des Isolatorhohlkörpers
19 verlängert, so daß an einer geeigneten äußeren Stelle eine Anschlußmöglichkeit für eine Bezugsleitung
für die Steuersignale besteht. Der Ansatz 32, das elektrisch leitende Rohr 30 und die Katode 14 bilden auf diese Weise einen
Teil des Strompfades für den Steuerstrom, der dem Halbleiterkörper 12 über die Steuerelektrode 26 zugeführt wird. Da außerdem
der Ansatz 32 auf derjenigen Seite des Anschlußelementes
liegt, der dem abgebogenen Teil 31 der Katode 14 benachbart ist, dient er gleichzeitig als sichtbare Markierung für die Winkelstellung
dieses Teils beim Einspannen des Halbleitergleichrichters zwischen den Kupferstempeln 20 und 21.
Damit auch die innere Steuerzuleitung 27 von außen her zugäng-'lich
ist, enthält der Halbleitergleichrichter 11 eine Steuerklemme 33 aus leitendem Material, die durch den Isolatorhohlkörper
19 geführt ist. Wie die Fig. 1 zeigt, enthält der Isolatorhohlkörper 19 zwei koaxial zueinander angeordnete Zylinderringe
34 und 35 mit gleichem Innendurchmesser, die vorzugsweise aus Keramik bestehen. Der Zylinderring 35t an dessen metallisierter
Endfläche 18 der Randabschnitt 16 des Katodenanschlußelementes
angelötet ist, ist in Achsrichtung relativ kurz, wohingegen der Zylinderring 34 aus einer länglichen Hülse besteht, die die
Anode 13, den Halbleiterkörper 12, die Katode 14 und den unteren
Teil des Rohrs 30. umgibt.
Die beiden Zylinderringe 34 und 35, aus denen der Isolatorhohlkörper
19 zusammengesetzt ist, sind durch einen Metallring 36 und die ringförmige Steuerklemme 33 verbunden. Der Metallrin.g
36 und die Steuerklemme 33 sind koaxial zwischen den Zylinderringen 34 und 35 angeordnet, wobei die Steuerklemme 33 an der
metallisierten Endfläche des Zylinderringes 34 befestigt ist und ringförmig nach außen ragt, während der ^etallring 36 an
der metallisierten Endfläche des Zylinderrings 35 befestigt ist
109886/0340"
und in ähnlicher Weise ringförmig nach außen ragt. Der Metallring
36 und die Steuerklemme 33 sind längs ihres äußeren Umfangs miteinander verschweißt, so daß sich ein hermetisch abgedichtetes
Gehäuse für den Halbleiterkörper 12 ergibt. Vorzugsweise wird die Verschweißung in einer inerten Atmosphäre
vorgenommen, so daß Sauerstoff und andere unerwünschte Gase bleibend vom Inneren des Gehäuses abgehalten sind.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, kann an den äußeren Rand der Steuerklemme 33 eine Leitung angeschlossen werden, die die
Steuerklemme mit einer entfernt liegenden Spannungsquelle für die Steuersignale verbindet. Der aus zwei Teilen bestehende
Isolatorhohlkörper 19 mit zwischen seinen beiden Teilen angeordneten
Dichtungsringen ähnlich den Ringen 33 und 36 könnte auch in vorteilhafter V/eise zum Einkapseln eines Halbleiterkörpers
12 verwendet werden, der keine Steuerelektrode aufweist.
Gemäß der Fig. 1 ist der Innendurchmesser der beiden Ringe 33 und 36 größer als der der Zylinderringe 34 und 35. In unmittelbarer
Nähe dieser Ringe sind die Innenflächen 37 der Zylinderringe abgeschrägt. Hierdurch wird vermieden, daß die metallischen
Überzüge auf den Endflächen der Zylinderringe 34 und 35 zufällig mit dem Rohr 30 in Berührung kommen, was bei dem dargestellten
Halbleitergleichrichter einen Kurzschluß des Steuerelektrode-Katode-Kreises zur Folge haben würde.
Die Steuerklemme 33 weist einen in das Innere des Gehäuses ragenden
leitenden Vorsprung 38 auf, der auch in der Fig. 4 dargestellt ist. Dasjenige Ende der flexiblen Steuer.zuleitung 27,
das nicht mit der Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 verbunden ist, ist um diesen Vorsprung 38 gewickelt und durch
Ultraschallschweißung oder dgl. mit diesem verbunden. Hierdurch ist die Steuerklemme 33 mit der Steuerelektrode 26 elektrisch
verbunden. Das äußere Ende des Vorsprungs 38 wird dinn mit einem
Isolierrohr 39 umhüllt und längs der Innenwand des Zylinderrings 34 nach unten gebogen, wie es in der Fig. 1 dargestellt
ist. Außerdem ist über den kurzen Abschnitt der Steuerzulei-
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tung 27 zwischen dem Zylinderring 34 und dem Schutzüberzug. 28
aus Isoliermaterial auf dem Halbleiterkörper 12 ein Isolierrohr 40 geschoben. Durch diese Anprdnung wird erreicht, daß die
Steuerzuleitung 27 mit Hilfe des Vorsprungs 38 an der Steuerklemme
33 fest abgestützt ist, ohne daß die Schweißverbindung zwischen diesen beiden Teilen merkbar belastet ist. Ein Abschnitt
30a des sonst zylindrischen Rohrs 30 ist außerdem bevorzugt derart mit einer Einbuchtung versehen, daß zwischen
dem Zylinderring 34 und dem Rohr 30 ein vergrößerter Raum für die Steuerzuleitung 27 und den Vorsprung 38 entsteht. Aus diesem
Grunde ist das ^ohr 30 nicht völlig zylindrisch.'
Um beim Zusammenbau des Halbleitergleichrichters 11 und vor dessen Einspannen zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 die
Zentrierung des Halbleiterkörpers 12 auf der Anode 13 zu erleichtern, ist eine neuartige Zentrierungseinrichtung vorgesehen,
die einen inneren Zentrierring 41 enthält, der in der Fig. 1 sichtbar ist. Dieser Zentrierring 41, der aus einem dünnen
Stahlstreifen gestanzt und geformt werden kann, sitzt satt auf einem peripheren Flansch 42 auf, der bleibend an der Anode
13 ausgebildet ist, und erstreckt sich ächsparallel inRichtung der Katode 14. Der Innendurchmesser dieses verlängerten Teils
ist etwas größer als der Außendurchmesser des Halbleiterkörpers 12. Der äußere Rand des metallischen Substrats 23, der an der
Bodenfläche der Siliciumscheibe 22 des Halbleiterkörpers 12 beginnt und achsparallel ist, befindet sich nach dem Zusammenbau
des Halbleitergleichrichters innerhalb des Zentrierrings 41. Dadurch,
daß man den unteren Teil des Halbleiterkörpers in den Zentrierring 41 einsetzt, kann man den Halbleiterkörper leicht
konzentrisch zur Anode 13 anordnen.
Der Halbleiterkörper 12 wird zwischen den Hauptelektroden 13 ■und 14 des Halbleitergleichrichters mechanisch unter Druck so
eingespannt, daß er gleichzeitig elektrisch mit den Hauptelektroden in Serie liegt. Zum Verbinden dieser Teile wird kein Lötmittel
oder dgl. verwendet. Der elektrische Kontakt zwischen den Metallflächen des Halbleiterkörpers 12 und den angrenzenden Kon-
109886/0340
taktflächen der zugeordneten Elektroden wird lediglich dadurch gesichert, daß diese Teile durch einen im Bereich der Grenzflächen
wirksamen Druck eingespannt werden. Dieser Druck wird in erster Linie durch die elastischen Eigenschaften der beiden
Anschlußelemente bewirkt, die an den beiden Enden des Halbleitergleichrichters
angeordnet sind. Im Bedarfsfall kann der Halbleitergleichrichter auch.mit federnden Balganordnungen oder dgl.
ausgerüstet werden, wenn der Kontaktdruck erhöht werden soll. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden jedoch die
Anode 13 und die Katode 14 mittels der außen liegenden Kupferstempel
20 und 21 fest gegen den Halbleiterkörper gedrückt,.wodurch sich eine noch innigere Berührung und eine für hohe Ströme
geeignete Grenzfläche mit geringem Widerstand ergibt. Zum Herstellen des Drucks kann irgendeine von außen her wirksame Einspannvorrichtung
verwendet werden. Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine solche Einspannvorrichtung
. an Hand der Fig. 2 beschrieben.
Die Einspannvorrichtung besteht aus zwei oder mehr parallel zueinander
liegenden Sätzen von aufeinander ausgerichteten, beabstandeten Druckkörpern, zwischen denen jeweils eine Anzahl von
lösbaren Verbindungsgliedern vorgesehen sind, wobei die Verbindungsglieder zwischen den Druckkörpern mindestens eines Satzes
einen Halbleitergleichrichter 11 enthalten, und aus einem auf Zug beanspruchten Bauteil, der in der Mitte zwischen den Sätzen
von Druckkörpern und parallel zu diesen angeordnet ist und dessen beide Enden mit den zugehörigen Druckkörpern jedes Satzes
mechanisch verbunden sind. Hierdurch werden alle Druckkörper fest gegen die zugehörigen Verbindungsglieder gedrückt. Die
Druckkörper, zwischen denen der Halbleitergleichrichter 11 angeordnet ist, enthalten die oben erwähnten Metallstempel 20 und
Die aufeinander ausgerichteten Kupferstempel 20 und 21 besitzen einen kreisförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser im allgemeinen
größer als der des Halbleiterkörpers 12 des Halbleitergleichrichters 11 ist. Wie die Fig. 1 zeigt, sind die einander zugewandten
Enden dieser Kupferstempel abgeschrägt, damit sie in
109886/0340
die tassenförmigen Anschlußelemente des Halbleitergleichrichters
passen, und am Ende mit Kontaktflächen 43 bzw. 44 versehen. Die Kontaktfläche 43 des Kupferstempels 20 ist etv/a so
groß wie die angrenzende äußere Kontaktfläche der Anode 13 und liegt dieser parallel. In ähnlicher Weise ist die Kontaktfläche
44 des Kupferstempels 21 etwa so groß wie die angrenzende
äußere Kontaktfläche der Katode 14 und liegt dieser ebenfalls
parallel. Beide Hauptelektroden 13 und 14 des Halbleitergleichrichters 11 sind somit innerhalb eines relativ großen Flächenbereiches
leitend mit einer der beiden Kontaktflächen 43 bzw.
2 2 44 der Kupferstempel 20 bzw. 21 von etwa 3,9 cm (0,6 Zoll ) in
Berührung, so daß der Halbleitergleichrichter 11 mit den Kupferstempeln
elektrisch in Serie liegt.
Parallel zu dem Satz von Kupferstempeln 20 und 21, zwischen
denen der Halbleitergleichrichter 11 eingespannt ist, ist wenigstens ein weiterer Satz von beabstandeten, in axialer Richtung
ausgerichteten Druckkörpern vorgesehen, die zwei Stahlstempel 46 und 47 enthalten. Wie in der Fig. 2 angedeutet ist,
ist im Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Enden der Stahlstempel 46 und 47 ein Abstandsstück 48 aus einem elektrisch
isolierenden Material vorgesehen. Mit Hilfe des auf Zug beanspruchten Bauteils, der einen länglichen Verbindungsbolzen 50
mit je einer Mutter 51 bzw. 52 an seinen beiden Enden enthält, wird das Abstandsstück 48 in axialer Richtung zwischen den Stahlstempeln
46 und 47 und werden die Hauptelektroden des Halbleitergleichrichters 11 zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 eingespannt.
Die Mutter 51 ist mit den äußeren Enden der Stempel 20 und 46 mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Tellerfeder und . eines
Isolierrings 53 und die Mutter 52 mit den äußeren Enden der beiden Stempel 21 und 47 mittels einer ähnlichen Tellerfeder
und eines ähnlichen Isolierrings verbunden. Durch Anziehen der Muttern auf dem Verbindungsbolzen werden daher die Kupferstempel
einem hohen Axialdruck ausgesetzt, so daß der Halbleitergleichrichter 11 fest, aber lösbar, eingespannt wird.
10988 6/0340
Zum elektrischen Verbinden des Halbleitergleichrichters 11 mit einer äußeren elektrischen Schaltung und zum mechanischen
Befestigen der gesamten Anordnung sind die Kupferstempel 20 und 21 mit geeigneten Befestigungselementen versehen, die aus
zwei L-förmigen Kupferstäben oder Kupferleitungen 54 bzw. 55 bestehen, die an den Kupferstempeln befestigt sind. Die äußeren
Enden der Kjupferstäbe 54 und 55 liegen frei und können zum
Festschrauben der gesamten Anordnung an einer (nicht gezeigten) elektrisch leitenden Stützplatte verwendet werden. Zur Erhöhung
der Festigkeit und Steifigkeit ist der Kupferstab 54 auch am
Stahlstempel 46 und der Kupferstab 55 auch am Stählstempel 47 befestigt.
Die beiden Kupferstempel 20 und 21 dienen nicht nur als mechanische
Stütze oder elektrische Zuleitung, sondern auch als thermische Wärmesenke für den Halbleitergleichrichter 11. Um
die V/ärmeableitung von den Stempeln zu fördern, sind diese mit zwei Gruppen 56 und 57 von beabstandeten Kühlrippen aus Metall
ausgerüstet. Die erste Kühlrippe 56a am inneren Ende der Gruppe 56 ist in der Fig. 2 teilweise sichtbar. Um zu vermeiden,
daß die Übertragung hoher Kontaktdrücke auf die Anode 13 und die Katode 14 des Halbleitergleichrichters gestört wird, befinden
sich weder die Kühlrippen noch die Kupferstempel in unmittelbarer Nähe des Isolatorhohlkörpers 19 mit dem Halbleitergleichrichter
11 in Anlage. In den kleinen Zwischenräumen, die sich daher an den beiden Enden des Isolatorhohlkörpers 19 ergeben,
sind Dichtungsringe 58 aus einem nachgiebigen Material, z.B. Silikonkautschuk, vorgesehen, die zur mechanischen Stabilität
des Isolatorhohlkörpers 19 beitragen und verhindern, daß Staub oder andere Verunreinigungen in den Raum eintreten, der
die abgeschrägten Enden der Kupferstempel 20 und 21 umgibt.
Wie die Fig. 2 zeigt,ist zwischen den beiden Gruppen 56. und 57
aus Kühlrippen eine Prallwand 59 aus Isoliermaterial vorgesehen. Ein Ende dieser Prallwand dient als Befestigungsplatte
für einen koaxialen Anschluß 60 eines Drahts 61 a, der mit der
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-.12 -
Steuerklemme 33 des Halbleitergleichrichters verbunden ist. Die Hülle des Anschlusses 60 ist über eine Bezugsleitung 61b,
die mit dem Dra,ht 61 a verdrillt ist, mit dem Ansatz 32 verbunden,
der an die Katode des Halbleitergleichrichters 11 angeschlossen ist.
Wenn der Halbleitergleichrichter 11 zwischen den Kupferstempeln 20 und 21 gemäß der Fig. 1 eingespannt ist, dann sind seine
Anode 13 und seine Katode 14 fest gegen den dazwischen befindlichen, scheibenförmigen Halbleiterkörper 12 gedrückt. Auf die
aneinandergrenzenden Kontaktflächen dieser Teile wird ein hoher Druck von beispielsweise 211 kg/cm (3000 psi) ausgeübt,
so daß im gesamten Bereich der großflächigen Grenzfläche eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sichergestellt
ist. In radialer Richtung ist der Halbleiterkörper 12 dabei
jedoch höchstens durch Reibung beansprucht.
Während des Betriebs wird der Halbleitergleichrichter Wärmestößen unterworfen, die Änderungen seiner Dimensionen zur Folge
haben. Da die Anode 13 und die Katode 14 nicht aus dem
gleichen Material wie der Halbleiterkörper 12 bestehen, besitzen diese Teile verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten,
so daß ihre miteinander in Berührung befindlichen Kontaktflächen gegeneinander reiben. Wenn der Halbleiterkörper
beispielsweise von einer Raumtemperatur von 20 0C auf eine Betriebstemperatur
von 120 0C erwärmt wird, dann vergrößert sich
sein Radius, wenn er ursprünglich etwa 10,5 mm (0,4 Zoll) beträgt, um etwa 0,005 mm (0,2 mils), wohingegen sich die benachbarte
Oberfläche der Anode 13 in radialer Richtung um etwa 0,018 mm (0, 7 mils) ausdehnt. Hierdurch ergibt sich eine relative
Gleitbewegung an der Grenzfläche über eine Strecke von etwa 0,013 mm (0,5 mils). Um einen längstmöglichen Betrieb
eines solchen für hohe Ströme ausgelegten Halbleitergleichr
richters sicherzustellen, müssen solche Oberflächenverschiebungen bzw. Gleitbewegungen stattfinden können, ohne daß die
in Berührung befindlichen Oberflächen angefressen, verschweißt, aufgerissen oder anderweitig verformt werden und ohne daß die
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- Siliciumscheibe 22 beschädigt wird. Aus diesem Grunde wird in jede Grenzfläche ein sehr dünner, z.B. weniger als 0,003 mm
(0,1 mil) dünner Film aus einem inerten Schmiermittel gebracht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man auf jede
Oberfläche des Halbleiterkörpers 12 ein oder zwei Tropfen eines für Diffusio'nspumpen verwendeten Schmiermittels (Silikonöl)
aufbringt, wenn der Halbleitergleichrichter 11 zusammengesetzt
wird. Durch den sich ergebenden Ölfilm wird nicht nur die Reibung vermindert und das mechanische Gleiten der miteinander ·
in Berührung befindlichen Kontaktflächen gefördert, sondern es werden auch der thermische und der elektrische Widerstand
zwischen diesen Kontaktflächen vermindert. Die Verminderung des elektrischen Widerstands ist überraschend, da Silikonöl
im allgemeinen als guter elektrischer Isolator bekannt ist.
Wegen der Gegenwart eines Schmiermittels in den Grenzflächen . können die Metallkontakte an den beiden Endflächen der Siliciumscheibe
22 relativ dünn gemacht oder auch weggelassen werden, wodurch die Herstellungskosten des Halbleiterkörpers 12
vermindert werden. Dadurch, daß die Katode 14 ohne festzukleben über den Metallkontakt 25 gleiten kann, wird nur eine vernachlässigbare
kleine mechanische Spannung auf die Siliciumscheibe 22 übertragen, deren angrenzende Oberfläche daher frei
von Rissen bleibt, die das Aufspreizen des Stroms in der dargestellten Siliciumscheibe während des normalen Einschaltvorgangs
schädlich beeinflussen würden. Aufgrund der in mehrfacher Hinsicht günstigen Eigenschaften des Schmiermittels kann
der Grenzflächenbereich vergrößert werden, so daß höhere Stromstärken möglich sind oder ein Halbleitergleichrichter von gegebener
Querschnittsfläche einen größeren Wirkungsgrad erhält.
Das verwendete Schmiermittel sollte gegenüber den Materialien
des Halbleitergleichrichters. 11 inert sein, d.h. es darf mit keinem dieser Materialien derart reagieren, daß die elektrischen
Eigenschaften des Halbleitergleichrichters verschlechtert werden. Silikonöl ist für diesen Zweck am besten geeignet. An
100886/0 3 40
diesem Öl ist auch die Eigenschaft zu beobachten, daß es bei
langdauernden Temperaturwechselbehandlungen mit großen Temperaturunterschieden wandert. Es kann daher von den Rändern der
sich berührenden Kontaktflächen wegdampfen und sich anschließend an den kühleren Innenwänden des Isolatorhohlkörpers 19
kondensieren. Um einen hierdurch bedingten Verlust an Öl in der Grenzfläche möglichst klein zu halten, kann der abgedichtete
Hohlraum innerhalb des Halbleitergleichrichters 11 mindestens teilweise mit dem Schmiermittel gefüllt werden, wie es
bei 62 der Fig. 1 angedeutet ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß die freiliegenden Ränder der Kontaktflächen dauernd in das
Schmiermittel eingetaucht sind, so daß dasjenige Öl, das bei den höchsten Betriebstemperaturen aus dem mittleren Bereich der
Grenzfläche gequetscht wird, während der nachfolgenden Abkühlung wieder zurückströmt.
Den Verlust an Öl durch Verdampfung kann man auch durch Verwendung
eines Schmiermittels mit relativ geringem Dampfdruck in der Grenzfläche beschränken. Eine solche Eigenschaft erfordert
im allgemeinen eine hohe Viskosität. Insbesondere sind Visko-. sitäten von etwa 100 Zentistokes oder mehr bei 25 0C erwünscht.
Dünne Filme aus Silikonöl oder dgl. können auch in den Grenzflächen
zwischen den Hauptelektroden 13 und 14 des Halbleitergleichrichters 11 und den mit ihnen in Berührung befindlichen Kontaktflächen
43 und 44 der Kupferstempel 20 und 21 vorgesehen werden, um auch dort eine Gleitbewegung zu ermöglichen und die Leitfähigkeit
zu erhöhen.
Das Öl dient in diesem Falle noch dem zusätzlichen Zweck, eine Oxidierung der miteinander in Berührung befindlichen Kontaktflächen
zu verhindern und ihre Adhäsion zu verringern, so daß der Halbleitergleichrichters 11 leicht von den Kupferstempeln
20 und 21 getrennt und daher im Bedarfsfall leicht entfernt oder ausgewchselt werden kann.
I i J 9 8 8 G / 0 U 0
Ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammensetzen der einzelnen Teile des Halbleitergleichrichters ist das folgende: Zuerst
wird eine Teilanordnung hergestellt, indem man das untere tassenförmige Anschlußelement, daß die Anode 13 enthält, an
die metallisierte Endfläche des Zylinderrings 34 und die Steuerklemme 33 an dessen entgegengesetzte Endfläche anlötet. In
ähnlicher Weise stellt man dann eine zweite Teilanordnung her, indem man das obere tassenförmige Anschlußelement, das die Katode
14 enthält, an die metallisierte Endfläche 18 des Zylinderrings 35 und den Metallring 36 an dessen entgegengesetzte
Endfläche lötet.
Die erste Teilanordnung (13, 33, 34) wird dann in einer geeigneten
Haltevorrichtung abgestützt. Auf den peripheren Flansch 42 der Anode 13 wird der Zentrierring 41 aufgesetzt. Danach
wird ein Tropfen Silikonöl auf die freie Oberfläche der Anode 13 getropft und der Halbleiterkörper 12 innerhalb des Zentrierrings
auf diese Oberfläche gelegt, wobei die Steuerzuleitung 27 in der Nähe des nach innen ragenden Vorsprungs 38 der Steuerklemme
33 angeordnet wird. Danach wird das Isolierrohr 40 über die Steuerzuleitung 27 gezogen und das freie Ende der
Steuerzuleitung um den Vorsprung gewickelt und an diesem festgeschweißt. Nach dem Anbringen des Isolierrohrs 39 wird dann
das freie Ende des Vorsprungs 38 nach unten bis in die in der Fig. 1 gezeigte Stellung gebogen.
Der nächste' Schritt besteht darin, daß man auf die obere Oberfläche
des Halbleiterkörpers 12 einen Tropfen Silikonöl gibt. Außerdem kann man in die erste Teilanordnung eine geeignete
Menge Silikonöl tropfen lassen, damit der Vorratsbehälter 62 im Bedarfsfall gefüllt ist. Hierauf kann die zweite Teilanordnung
(14, 35, 36) koaxial auf die erste Teilanordnung gelegt werden. Dabei wird der Ansatz 32 am Randabschnitt 16 der zweiten
Teilanordnung derart angeordnet, daß die Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 unterhalb des umgebogenen Teils 31
der Kontaktfläche der Katode 14 liegt, d.h. der Ansatz 32 wird in Übereinstimmung mit der Fig. 1 auf die Steuerelektrode 26
des Halbleiterkörpers 12 ausgerichtet.
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Zur Vervollständigung des Halbleitergleichrichters werden die Steuerklemme 33 und der Metallring 36 gegensinnig gegeneinander
gedrückt und längs ihres gemeinsamen Umfangs fortlaufend verschweißt. Während dieses VerfahrensSchritts sollte dafür ge~
sorgt werden, daß der Ansatz 32 der zweiten Teilanordnung seine Winkelstellung bezüglich der inneren Steuerelektrode 26 beibehält.
Dies kann dadurch geschehen, daß man ihn in einer Linie mit einer Markierung hält, die man vorher auf der äußeren Mantelfläche
des Zylinderrings 34* außerhalb des Vorsprungs 38
anbringt. Nach dem Verschweißen der Steuerklemme 33 und des Metallrings 36 ist der Halbleiterkörper 12 bleibend in einem
hermetisch abgedichteten Gehäuse eingeschlossen, das aus den beiden Hauptelektroden 13 und 14, dem Isolatorhohlkörper 19
und der Steuerklemme 33 gebildet· ist.
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Claims (7)
1. Halbleitergleichrichter mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper,
der zwischen zwei metallenen Hauptelektroden angeordnet ist, welche zur Herstellung eines Druckkontaktes
mit Hilfe zweier. Druckkörper, gegen den Halbleiterkörper gedrückt
sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptelektroden (13,14) an je einem Ende eines
den Halbleiterkörper (12) umgebenden Isolatorhohlkörpers (34, 35) befestigt sind und mit diesem ein hermetisch abgedichtetes
Gehäuse für den Halbleiterkörper (12) bilden, und daß zwischen mindestens einer Endfläche des Halbleiterkörper und der mit
dieser in Berührung befindlichen Hauptelektrode ein Schmiermittelfilm vorgesehen iat.
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der durch die Hauptelektrode und den Isolatorhohlkörper^ gebildete Hohlraum (62) teilweise mit Schmiermittel gefüllt ist.
3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Endflächen der Druckkörper (20,21) und den •Hauptelektroden (13,14) Schmiermittelfilme vorgesehen sind.
4. Halbleitergleichrichter nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schmiermittel ein hochviskoses Silikonöl enthält.
5. Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hauptelektrode (13) scheibenförmig ausgebildet ist
und an ihrem Rand einen ringförmigen Flansch (42) aufweist, auf den von der Seite der anderen Hauptelektrode her ein Zentrierring
(41) aufgesetzt ist, in den der Halbleiterkörper (11) oder
ein an dessen einer Endfläche befestigtes metallisches Substrat (23) fest einsetzbar ist.
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Unterlagen (Art 7 § I Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Änderungsoe·. v. 4.9.1967)
6. Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper am Umfang eine Steuerelektrode (26) aufweist, die mit einer durch den Isolatorhohlkörper (19) geführten
Steuerklemme (33) verbunden ist.
7. Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolatorhohlkörper aus zwei in axialer Richtung übereianderliegenden Keramikringen (34,35) besteht, zwischen denen
eine ringförmige Steuerklemme (33) angeordnet ist.
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