DE1589854B2 - Halbleitergleichrichter - Google Patents

Halbleitergleichrichter

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Description

Die Erfindung betrifft Halbleitergleichrichter mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, der zwischen zwei metallischen napfförmig ausgebildeten Hauptelektroden angeordnet ist, welche zur Herstellung eines Druckkontaktes mit Hilfe zweier Druckkörper mit ihrer äußeren Bodenfläche gegen den Halbleiterkörper gedruckt sind und an je einem Ende eines den Halbleiterkörper umgebenden Isolierhohlkörpers derart befestigt sind, daß sie mit diesem ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse bilden, in welchem der Halbleiterkörper oder ein an seiner einen Endfläche befestigtes metallisches Substrat mit Hilfe eines Zentrierrings zentriert ist.
Die Elektroden derartiger Halbleitergleichrichter werden häufig, insbesondere wenn sie großflächig sind, ohne Lötverbindungen allein durch Druck mit dem zwischen ihnen befindlichen Halbleiterkörper in Berührung gehalten: :
Für die elektrische Gleichrichtung \yerden heute in immer stärkerem Maße Festkörpergleicfirichter aus Halbleitermaterial, "z. B. Silizium verwendet, die Hohe Ströme führen können.. Damit durchschnittliche i; Vorwärtsströme von 250 Ampere oder mehr fließen können, sind großflächige Halbleiterkörper notwendig. Im allgemeinen werden dünne, scheibenförmige, vielschichtige Halbleiterkörper verwendet, die zwischen ebenen Metallelektröden angeordnet sind, welche derart an zwei entgegengesetzten Endenι eines Isolierhohikörpers befestigt sind, daß der Halbleiterkörper von einem abgedichteten Gehäuse umgeben ist. Bei Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Silizium mit PN-Schichtenfolge erhält man einen einfachen Gleichrichter, wohingegen man bei Verwendung eines Halbleiterkörpers mit PNPN-Schichtenfolge . und 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 Halbleiterkörper und den an diesen angrenzenden Elektroden einen möglichst geringen elektrischen und thermischen Widerstand aufweisen. In der Praxis ist es jedoch schwierig, zwischen diesen Teilen des abgedichteten Halbleitergleichrichters eine großflächige Kontaktierung mit geringem :
ίο Widerstand aufrecht zu erhalten, da der Halbleiterkör- ; per nicht den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffi- ' zienten wie die angrenzenden Metallelektroden aufweist. Zum Befestigen der Metallelektröden an einem \ Halbleiterkörper wird manchmal ein Lötmittel mit ge- ; ringem Schmelzpunkt verwendet. Wenn ein Halbleitergleichrichter der eingangs erwähnten Art jedoch für ; hohe Ströme ausgelegt ist, bei denen ein inniger Kon- \ takt im Bereich einer großen Fläche von mehr als 3,2 cm2 über einen weiten Temperaturbereich von beispielsweise 1500C aufrechterhalten werden muß; eignet sich dagegen besser ein durch Druck hergestellter Gleitkontakt.
Bei der Herstellung eines solchen durch Druck gebildeten Gleitkontaktes wird kein Lötmittel, Bindemittel od. dgl. zum Befestigen des Halbleiterkörpers zwischen den beiden Hauptelektroden des Halbleitergleichrich- ; ters verwendet. Statt dessen werden diese Teile unter Druck eingespannt und dabei in gleitender Berührung gehalten, so daß sie sich, wenn die Temperatur ansteigt, in verschiedenem Maße frei ausdehnen können. Sowohl für den Zusammenbau als auch für den Betrieb eines Halbleitergleichrichters, dessen Halbleiterkörper unter Druck eingespannt ist, ist es wichtig, daß der Halbleiterkörper vorzugsweise gegenüber einer der Eiektroden des Gleichrichters zentriert ist.
Es ist bereits ein Halbleitergleichrichter der eingangs erwähnten Art (BE-PS 675 735) bekannt, bei dem zur Zentrierung des Halbleiterkörpers ein Zentrierring verwendet wird. Der Zentrierring ist dabei als Rahmen ausgebildet, der den Halbleiterkörper über ein an seiner einen Endfläche befestigtes Substrat gegenüber dem Isolierhohlkörper zentriert. Dieser Zentrierrahmen hat einen verhältnismäßig großen Durchmesser und er ist daher materialmäßig aufwendig. Ferner ist der Halbleiterkörper nur direkt gegenüber dem Isolierhohlkörper zentriert lind damit nur indirekt gegenüber j den Elektroden. Die Zentrierung ist also verhältnismäßig umständlich und eine bestimmte Genauigkeit läßt sich nur dann erreichen, wenn sowohl der Isolierhohlkörper als auch die daran anschließenden Halterungsteile sowie die Elektroden und die an den Halbleiterkörper angesetzten Substrate genau gearbeitet sind.
Es ist andererseits eine scheibenförmige Halbleiterzelle bekanntgeworden (DT-Gbm 1 946 404), bei der eine zufriedenstellende Justierung dadurch erreicht
.wird,, daß in den Hauptelektroden kreisförmige Ausbuchtungen vorgesehen sind, in. die der Halbleiterkörper bzw. ein Druckstück eingesetzt sind, die unter Druck in den Ausbüchtungen in ihrer Lage festgehalten werden. Eine genaue '-Zentrierung wird dann möglich, wenn die Ausbuchtungen scharfkantig ausgebildet sind. Es ist jedoch nicht einfach, derartig scharfkantige Ausbuchtungen in den deckeiförmig ausgebildeten Elektroden vorzusehen, da es bei der Herstellung der Ausbuch-
tungen leicht zur Abscherung des Materials kommen { kann, wodurch eine solche Elektrode unbrauchbar wird. j Durch Auswahl eines besonderen Materials läßt sich j dieses Problem umgehen, jedoch wird dann die Elek- i
trodc kostspieliger.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Halbleitergleichrichter der eingangs erwähnten Art eine einfache Justieranordnung zum Justieren des Halbleiterkörpers gegenüber einer der Hauptelektroden zu schaffen!
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem Halbleitergleichrichter der eingangs erwähnten Art der Zentrierring auf einer peripheren stufenförmigen Einbuchtung der einen Hauptelektrode satt aufsitzt.
Bei dieser Anordnung ist es gewährleistet, daß der zur Zentrierung in den Zenlrierring eingesetzte Halbleiterkörper direkt gegenüber der einen Hauptelektrode ausgerichtet ist. Um eine genaue Zentrierung zu erreichen, müssen nurdie eine Hauptelektrode und insbesondere die daran angebrachte periphere stufenförmige Einbuchtung und der Zentrierring mit bestimmter Genauigkeit ausgebildet sein. Durch diese direkte Zen^ trierung. ist eine große Genauigkeit bei geringem Aufwand möglich. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme das Zusammensetzen von Halbleitergleichrichtern mit zentriertem Halbleiterkörper wesentlich erleichtert. Es wird an die periphere stufenförmige Ausbuchtung nicht die Anforderung gestellt, daß sie für eine gute Justierung scharfkantig sein muß. Wesentlich. ist nur, daß der Justierring und die periphere stufenförmige Einbuchtung so geformt sind, daß der Zentrierring satt auf der Hauptelektrode, aufsitzen kann. Eine Elektrode mit einer derartigen Einbuchtung sowie ein Zentrierring, der dieses Erfordernis erfüllt, lassen sich in einfachen Arbeitsgängen aus üblichem Werkstoff herstellen.
Ein Ausführungsbeispiel des Halbleitergleichrichters gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichter für hohe Ströme,
F ig. la einen Ausschnitt aus Fig. 1. in Vergrößerung,. . . . , '■;.... ' ; ..-.
F i g. 2 eine Seitenansicht einer, bevorzugten Einspannvorrichtung für den Halbleitergleichrichter nach
Fi g. 3 .eine Ansicht des Ausführungsbeispiels des Halbleitergleichrichters nach F i g. 1 von oben und .
F i g. 4 eine Ansicht auf den die Steuerelektrode enthaltenden Teil des Halbleitergleichrichters. :
Im folgenden wird an Hand der F i g. 1 ein Halbleitergleichrichter i 1 beschrieben, dessen,einzelne Teile, wenn.es nicht ausdrücklich anders erwähnt ist,, mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Der Halbleitergldchrichter.il, enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper 12, der zwischen den /ebenen, Böden der napfförmig ausgebildeten Hauptelektroden 13 und 14 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 I-;ig,l: hervorgeht;: ist; der Halbleitergleichrichter., unter; Druck zwischen.den einander zugewandten Enden zweier aufeinander ausgerichteter Kupferstengei 20 und 21, eingespannt, dier als elektrische und thermische Leiter dienen. Eine bevorzugte; Einspannvorrichtung ist in der Fi g. 2 dargestellt, die später beschrieben wird. : .:
Der scheibenförmige Halbleiterkörper 12, des Halbleitergleichrichters 11 besteht aus einem.'Halbleitermaterial und enthält, wie es in der. F i g..la angedeutet ist.
vorzugsweise eine z. B. 0,3 mm dünne großflächige, kreisrunde Scheibe 22 aus Silizium 22, die auf einem dickeren, z.B. 1,5mm dicken scheibenförmigen Substrat 23 aus Wolfram oder Molybdän befestigt ist, auf dessen äußerer Oberfläche ein Gold-Nickel-Kontakt 24 (ζ. B. 94% Gold, 6% Nickel) vorgesehen ist, während auf der äußeren Oberfläche der Siliziumscheibe 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 Metallkontäkte 24 und 25 im Bedarfsfall auch weggelassen werden können. Wenn man das Substrat wegläßt, dann empfiehlt es sich,'ari der Bodenfläche der Siliziumscheibe 22' eine'nj'dünneri GoldrBor-Kontakt zu befestigen oder die Oberfläche rrjit Nickel od. dgl. zu plattieren.' ' ·'"'...]-·." "..'.. ' .
Der Halbleiterkörper 12 kann in bekannter Weise hergestellt werden. Sein Durchmesser betragt z. B. 32,4 mm. Im Inneren der Siliziumscheibe 22 ist mindestens ein großflächiger PN-Übergang vorgesehen, der im wesentlichen parallel zu den Endflächen, verläuft. Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist ein "steuerbarer Halbleitergleichrichter, d. h. Thyristor, dessen HaIlDV leiterkörper vier Zonen von abwecHselnd entgegenge^ setztem Leitungstyp enthält, von 'denen die eine am Rand eine Steuerelektrode 26 aufweist, die mit.einer flexiblen Steuerleitung 27 ohmsch koritaktiert ist. Mit dem Substrat 23 ist in diesem Falle eine P-Ieitende 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 HaIbleiterkörpers 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. -\'.:■■■..','..',, ; :,:. \X
Wie aus der F ig. 1 hervorgeht, befinden sich die'entgegengesetzten Endflächen ,des Halbleiterkörpefs 12 mit je einer ebenen Oberflächen der parallelen.Böden der Hauptelektroden 13 und 14 und diese mit den Kupferstempeln 20 und 21.des Halbleitergleichrichters 11 in Anlage, so daß der zwischen denKupferstempeln 20; und 21 fließende Verbräucherstrom: auch durcrfdie.' Böden der Hauptelektroden 13 und; 14 und den Halbleiterkörper 12,\ fließt. Dabei kann die; Hauptelektrode^ 13 auch als Anode und die Hauptelektrode 14 auch als Katode bezeichnet werden. Jeder .Boden der .Hauptelektroden 131 undL14besteht aus, einer flachen,'gleichförmig dicken, runden;Scheibe "aus einem leitenden^Mä-; terial, z. B. kupfer oder im"'Bedarfsfall Wolfram <?der Molybdän. Die',bestenι Ergebnisse: erhält' mani^enh man. Kupfer7yerwendetVund dieses,mH,dünrieji !Silber- oder vorzugsweise. Nickejschichten plattiert. /;; „il,,' ; V Der Bodea,der. Hauptelektrode, 13. ist,mittels^'eines dünnen, im wesentlichen zylindrischen' Rohrs :29: aus ' einem duktilenί Metall;;V BJ, Kupfer, bleibend"mit,;dem nach außen; erweiterten Randabschnitt 15 verbunden, der, an einer'metailisierten Endfläche; 17 dei' hohlkörpers19 angelötet oder andersartig befestigt ist, wodurch somit eine aus einem Stück bestehende, napfförmige Hauptelektrode 13 gebildet wird, wobei das Rohr 29 ein Teil einer Art elastischer Membran (Diaphragma) ist, deren Mittelabschnitt der Bpden\,der
Hauptelektrode 13 bildet. 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. Eine ähnliche Hauptelektrode 14 ist durch den Boden der Hauptelektrode 14, den Randabschnitt 16 und ein diese beiden Teile verbindendes Rohr 30 gebildet.
Die F i g. 3 ist eine Draufsicht auf dieses letztere Anschlußelement. Wie die F i g. 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 Halbleiterkorpers 12 ausgeübt wird.
Der periphere Randabschnitt 16 des an der Katode 14 befestigten Rohrs 30 besitzt erfindungsgemäß einen aus seiriem 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 Zuleitüng 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 zugänglich ist, enthält der Halbleitergleichrichter 11 eine Steuerklemme 33 aus leitendem Material, die durch den Isolatorhohlkörper 19 geführt ist. Wie die F i g. 1 zeigt, enthält der Isolatorhohlkörper 19 zwei koaxial zueinander angeordnete Zylinderringe 34 und 35 mit gleichem Innendurchmesser, die vorzugsweise aus Keramik bestehen. Der Zylinderring 35, 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 Hauptelektrode 13, den Halbleiterkörper 12, den Boden der Hauptelektrode 14 und den unteren Teil des Rohrs 30 umgibt, /r ;' ';/ .', ." : "" '""'\"'/'\':'
\ Die beiden Zylinderringe 34 und 35, aus denen der IsoIatorKohikörper 19 zusammengesetzt ist, sind durch einen MetaÜring 36 und die ringförmige Steuerklemme
33 verbunden. Der Metallring 36 und die Steuerklemme 33 sind koaxial zwischen den Zyliriderringen 34 und 35 angeordnet, wobei die Steuerklemme 33 an der metallisierten Endfläche des Zyliriderringes 34 befestigt ist und ringförmig" nach außen ragt, während der Metallring 36 an der, metallisierten Endfläche des' Zylinder- rihgs;35 befestigt ist und in ähnlicher Weise ringförmig nach'." außen1 ragt. DerMetallrihg 36; und dieSteuerklemrrie' 33 sind längs ihres äußeren Ümfangs miteinander'verschweißt, so daß sich ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse für den Halbleiterkörper 12 ergibt. Vorzu'gswejse wird die Verschweißüngin einer inerten Atmosphäre* vorgenommen, so daß Sauerstoff und andere unerwünschte Gase bleibend vom' Inneren des Gehäuses abgehalten sind.
Wie aus der F i g. 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 Weise zum Einkapseln eines Halbleiterkörpers 12 verwendet werden, der keine Steuerelektrode aufweist.
Der Innendurchmesser der beiden Ringe 33 und 36 ist 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 Steuerkjemme 33 weist einen in das Innere des Gehäuses ragenden leitenden Vorsprung 38 auf, der auch in der F ig. 4; dargestellt ist. Dasjenige Ende der flexiblen Steuerleitung 27, das nicht mit der Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 verbunden ist, ist um diesen Vorsprung 38 gewickelt und durch Ultraschallschweißung od. dgl. mit diesem verbunden. Hierdurch ist die Steuerklemme 33 mit der Steuerelektrode 26 elektrisch verbunden. Das äußere Ende des Vorsprungs 38 wird dann mit einem Isolierrohr 39 umhüllt und längs der Innenwand des Zylinderrings 34 nach unten gebogen, wie es in der F i g. 1 dargestellt ist. Außerdem ist über den kurzen Abschnitt der Steuerzuleitung 27 zwischen dem Zylinderring 34 und dem Schutzüberzug 28 aus Isoliermaterial auf dem Halbleiterkörper 12 ein Isolierrohr 40 geschoben. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Steuerzuleitung 27 mit Hilfe des Vorsprungs 38 an der Steüerklemme 33 fest abgestützt ist, ohne daß die Schweißverbindung zwischen diesen beiden Teilen merkbar belastet ist. Ein Abschnitt 30a des sonst zylindrischen Rohrs130 ist außerdem bevorzugt derart mit einer Einbuchtung versehen, daß zwischen dem Zylinderring 34 und dem Rohr 30 ein vergrößerter Raum für die Steuerzuleiturig 27 und den Vorsprung 38 entsteht. Aus diesem Grunde ist das Rohr 30 nicht völlig zylindrisch. Vr^';-'"'.■'■■-v.
Um beim Zusammenbaü'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 Zeritrierring 41 enthält,der in; der Fig. 1 sichtbar ist. Dieser Zeritrierring 41, der aus; einem dünnen Stahlstreifen gestanzt und geformt werden kann, sitzt satt auf einer; peripheren stufenförmigen Einbuchtung 42 auf, die an der Anode 13 ausgebildet ist,; und erstreckt sich achsparailel ίη Richtung auf die Katode 14. Der Innendurchmesser dieses verlängerten Teils1 ist etwas größer als der Außehdiirchmesser des Halbleiterkörpers 12. Der äußere Rand des metallischeri Substrats 23, der ah der; Bodenfläche der SiliziürnscheiBe 22 des Halbleiterkörpers 12 beginnt und achsparailel ist, befindet sich nach dem Zusammenbau des Halbleitergleichrichters innerhalb des Zentrierrings 41. Dadurch, daß man den unteren Teil des Halbleiterkörpers in den Zentrierung 41 einsetzt, kann man den Halbleiterkörper leicht konzentrisch zur Anöde 13 anordnen.
Der Halbleiterkörper 12 wird zwischen den Haupt-
elektroden 13 und 14 des Halbleitergleichrichters mechanisch unter Druck so eingespannt, daß er gleichzei-' lig elektrisch mit den Hauptelektroden in Serie liegt. Zum Verbinden dieser Teile wird keine Lötmittel od. dgl. verwendet. Der elektrische Kontakt zwischen den Metallflächen des Halbleiterkörpers 12 und den angrenzenden Kontaktflächen 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 od. 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 gedruckt, 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 solehe Einspannvorrichtung an Hand der Fi g. 2 beschrieben. ■ ■-''■■'■::■--■'■■'"''■
Die Einspannvorrichtung besteht aus zwei oder mehr parallel zu einander 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 obenerwähnten Metallstempel 20 und 21.
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 die napfförmigen Hauptelektroden 13 und 14 des Halbleitergleichrichters passen, und am Ende mit Kontaktflächen 43 bzw. 44 versehen. Die Kontaktfläche 43 des Kupferstempels 20 ist etwa so groß wie die angrenzende äußere Bodenfläche der Anode 13 und liegt dieser parallel. In ähnlicher Weise ist die Kontaktfläche 44 des Kupferstempels 21 etwa so groß wie die angrenzende äußere Bodenfläche 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. 44 der Kupferstempel 20 bzw! 21 von etwa 3,9 cm2 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 F i g. 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.
Zum elektrischen Verbinden des Halbleitergleichrichters 11 mit einer äußeren elektrischen Schaltung und zum mechanischen Befestigen der gesamten Anordnungsind 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 Kupferstäbe 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 Stahlstempel 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 diese Wärmeableitung von den Stempeln zu fördern, sind diese mit zwei Gruppen 56 und 57 von beabstandeten Kühlrippen aus Metajl ausgerüstet. Die erste Kühlrippe 56a am inneren Ende der Gruppe 56 ist in der F i g. 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 F i g. 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 61a, der mit der Steuerklemme 33 des Halbleitergleichrichters verbunden ist. Die Hülle des Anschlusses 60 ist über eine Bezugsleitung 616, die mit dem Draht 61a verdrillt ist, mit dem Ansatz 32 verbunden, der an die Katode des Halbleitergleichrichters 11 angeschlossen ist.
Wenn der Halbleitergleichrichter 11 zwischen den
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Kupferstempeln 20 und 21 gemäß der F i g. 1 eingespannt ist, dann sind seine Anode 13 und Katode 14 fest gegen den dazwischen befindlichen, scheibenförmigen Halbleiterkörper 12 gedrückt. Auf die aneinandergrenzenden Kontaktflächen dieser; Teile wird ein hoher Druck von beispielsweise 211kg/cm2 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 200C auf eine Betriebstemperatur von 1200C erwärmt wird, dann vergrößert sich sein Radius, wenn er ursprünglich etwa 10,5 mm beträgt, um etwa 0,005 mm, wohingegen sich die benachbarte Oberfläche der Anode 13 in radialer Richtung um etwa 0,018 mm ausdehnt. Hierdurch ergibt sich eine relative Gleitbewegung an der Grenzfläche über eine Strecke von etwa 0,013 mm. Um einen längstmöglichen Betrieb eines solchen für hohe Ströme ausgelegten Halbleitergleichrichters sicherzustellen, müssen solche Oberflächenverschiebungen bzw. Gleitbewegungen stattfinden können, .ohne daß die in Berührung befindlichen Oberflächen angefressen, verschweißt, aufgerissen oder anderweitig yerformt werden und ohne daß die Siliziumscheibe 22 beschädigt wird.
.:;; Ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammensetzen :der einzelnen Teile des Halbleitergleichrichters ist das ,.folgende: Zuerst wird eine Teilanordnung hergestellt, indem man die napfförmige Hauptelektrode 13 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 die napfförmige Hauptelektrode 14 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 die periphere stufenförmige Einbuchtung 42 der Anode 13 wird der Zentrierring 41 aufgesetzt. Danach wird der Halbleiterkörper 12 innerhalb des Zentrierrings auf diese Oberfläche gelegt, wobei die Steuerzuleitung 27
ίο 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 F i g. 1 gezeigte Stellung gebogen.
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 F i g. 1 auf die Steuerelektrode 26 des Halbleiterkörpers 12 ausgerichtet.
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 soilte dafür gesorgt 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 Isolierhohlkörper 19 und der Steuerklemme 33 gebildet
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Halbleitergleichrichter mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, der zwischen zwei metallischen, napfförmig ausgebildeten Hauptelektroden angeordnet ist, welche zur Herstellung eines Druckkontaktes mit Hilfe zweier Druckkörper mit ihrer äußeren Bodenfläche gegen den Halbleiterkörper gedrückt sind und an je einem Ende eines den Halbleiterkörper umgebenden Isolierhohlkörpers derart befestigt sind, daß sie mit diesem ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse bilden, in welchemi'der Halbleiterkörper oder ein an seiner einen Endfläche befestigtes metallisches Substrat mit Hilfe eines .Zentrierrings zentriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (41) auf einer peripheren stufenförmigen Einbuchtung (42) der einen Hauptelektrode (13) satt aufsitzt.
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (12) am Rande einer Halbleiterzone eine Steuerelektrode (26) aufweist, die mit einer durch den Isolierhohlkörper (19) geführten Steuerklemme (33) verbunden ist.
3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Steuerklemme (33) zwischen zwei in axialer Richtung übereinanderliegenden, den Isolierhohlkörper (19) bildenen Keramikringen (34, 35) angeordnet ist.
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