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Gekapselter Leistungsgleichrichter mit einer einkristallinen Halbleiterscheibe
Gleichrichter mit einer einkristallinen Halbleiterscheibe sind bereits in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt geworden und finden in großem Maße in der Elektrotechnik
Verwendung. Will man die Leistung solcher Anordnungen steigern, so muß man in erster
Linie für die Abführung der Verlustwärme sorgen. Es sind bereits verschiedene Maßnahmen
bekannt geworden, um die Kühlung von Leistung, gleichrichtern zu verbessern. So
wird z. B. ein Metallklotz von großer Wärmekapazität gut wärmeleitend auf die eine
Flachseite der Halbleiterscheibe aufgebracht, z. B. durch Lötung. Es ist bereits
ein Vorschlag bekannt geworden, beide Flachseite der Halbleiterscheibe mit derartigen
Metallklötzen zu versehen, evtl. mit zusätzlicher
Wasserkühlung.
Bei gekapselten Halbleiteranordnungen ist dies aber nicht möglich, da die Kapselung
der Halbleiterscheibe die Anbringung von Kühlklötzen auf beiden Flachseite verhindert.
Es zeigte sich aber, daß auch die Kühlung durch einen einzigen Metallklotz betriebsmäßig
ausreicht, wenn dieser nur groß genug gewählt wird, um die abzuführende Wärmemenge
aufzunehmen.
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Demgegenüber beruht die Neuerung auf folgenden Erwägungen : Durch
den auf einen sehr kleinen Raum zusammengedrängten Leistungumsatz im Halbleiterelement
ist nun aber die Gefahr von plötzlichen, örtlichen Temperatursteigerungen bis zur
thermischen Zerstörung bei kurzseitigen Überbeanspruchungen gegeben. Hierbei kann
es sich um einen Überstrom, z. B. bei Kurzschluß im Lastkreis oder um eine die Sperrfähigkeit
überschreitende Überspannung mit dadurch bedingten erhöhten Sperrstrom handeln.
Wegen der sehr kleinen Wärmekapazität des Halbleiterkörpers folgt dessen Temperatur
weitgehend und kurzzeitig einem plötzlichen Anstieg der Verlustleistung. Wird dabei
die Schmelztemperatur des Lotes an der dem p-n-Übergang der Halbleiterscheibe am
nächsten liegenden Anschlußstelle überschritten, so wird der Gleichrichter durch
das Wegfließen dieses Lotes und Überbrückung des p-n-Übergangs durch geschmolzenes
Lot unbrauchbar.
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Derartige Schäden können häufig auch durch kurzzeitig ansprechende
Schutzeinrichtungen nicht mit Sicherheit vermieden werden. Es erscheint daher zweckmäßig,
das Gleichrichterelement vor allem in unmittelbarer Nähe des p-n-Überganges mit
einer erhöhten Wärmekapazität
zur Milderung stoßartiger Wärmebeanspruchungen
zu versehen.
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Demzufolge besteht gemäß der Neuerung bei einem gekapselten Leistungsgleichrichter
mit einer einkristallinen Halbleiterscheibe, bei dem auf der dem p-n-Übergang näher
liegenden Flachseite ein kleinerer Metallkörper mittels einer Zwischenschicht aus
hochschmelzendem Metall aufgebracht ist, dieser kleinere Metallkörper aus einem
Molybdänblech, das einerseits auf die Halbleiterscheibe aufgebracht ist und auf
der anderen Seite einen kleinen Kupferklotz aufgelötet trägt. Das Molybdänblech
wird zweckmäßig auf der dem Kupferklotz zugewendeten Seite mit einer Fernico (Vakon-)
Plattierung versehen und mit dem Kupferklotz durch ein hochschmelzendes Lot verbunden.
Der zusammengesetzte Metallkörper kann auch aus einem allseitig vergoldeten Molybdänblech
mit aufgelötetem Kupferklotz bestehen. Der kleine Metallkörper kann einen Teil der
Gehäusewand bilden.
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Es hat sich nämlich erwiesen, daß für Dauerbeanspruchungen die bisher
bekannten Maßnahmen genügen, daß aber beim Auftreten kurzzeitiger Überlastungen
die Leistungsgleichrichter zerstört werden. Der Grund ist darin zu suchen, daß der
Wärmeausgleich zu langsam erfolgt. Durch die Anordnung gemäß der Neuerung wird nun
eine Möglichkeit für die schnellere Verteilung der entstehenden Wärme geschaffen,
die sich vor allem dadurch auszeichnet, daß eine genügend große Wärmekapazität in
der Nähe der Entstehungsstelle der Wärme angebracht wird. Die Wärmekapazität der
gesamten Anordnung wird durch diese Maßnahme
nur unwesentlich erhöht,
aber es wird gerade an der entscheidenden Stelle eine Möglichkeit des Wärmeausgleichs
geschaffen. Das durchschnittliche Temperaturniveau der Anordnung wird kaum gesenkt.
Es tritt aber ein merklicher Abbau der Spitzen ein, und diese sind es ja, die zu
den Störungen oder Zerstörungen führen.
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Gerade bei gekapselten Leistungsgleiohrichtern schafft erst die Neuerung
die Möglichkeit einer erheblichen Verbesserung derselben.
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Die technologischen Schwierigkeiten, die hierbei zu überwinden sind,
sind beachtlich. In dem kleinen Raum, der innerhalb der Kapselung verbleibt, lassen
sich keine umfangreichen Kühleinrichtungen unterbringen, und auch das Zusammenfügen
der einzelnen Metallteile bietet erhebliche Schwierigkeiten, da sich einzelne Metalle
überhaupt nicht oder nur unter Einhaltung besonderer VerfahrensmaBregeln durch Lötung
oder Legierung miteinander verbinden lassen, wobei noch besonders darauf zu achten
ist, daß nicht durch neue Erwärmungsvorgänge eine Verschlechterung der Eigenschaften
des Halbleiters eintritt, z. B. durch Eindiffundierung von Verunreinigungen. Außerdem
soll kein bei niedrigeren Temperaturen schmelzendes Lot Verwendung finden, damit
die Gefahr des Wegfließens bei Erwärmung nicht auftritt.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich noch daraus, daß durch die Maßnahmen
gemäß der Neuerung eine gewisse Verzögerung des Erwärmungsvorganges bei Überlast
bewirkt wird. Bei den bisher bekannten Anordnungen tritt nämlich im Falle der Überlastung
die Erwärmung und Zerstörung fast augenblicklich auf. Durch die hierbei auftretende
Überbrückung des Gleichrichters werden aber auch andere Geräte, z. B. andere Gleichrichter
einer mehrphasigen Anordnung oder einer Brückenschaltung, gefährdet.
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Durch die schnellere Wärmeabfuhr bei der Anordnung gemäß der Neuerung
wird dies insoweit verhindert, daß zunächst einmal die Wärmespitzen überhaupt in
erheblichem Maße abgebaut werden, und daß im Falle einer Zerstörung und Überbrückung
des Gleichrichters durch eine allzu hohe Überlastung dieser Vorgang-derart verzögert
wird,"daß entsprechende Sicherungsmittel vorher abschalten können, so daß eine Unterbrechung
statt der Überbrückung eintritt und die oben genannten Schäden vermieden werden.
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Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Neuerung. Figur
1 zeigt einen gekapselten Leistungsgleichrichter mit einer einkristallinen Halbleiterscheibe
im Schnitt, und Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 1 in größerem Maßstab.
Figur 1 enthält die einkristalline Halbleiterscheibe 2, z. B. aus Silizium, den
Kühlklotz 3 aus Kupfer oder einem ähnlichen Metall, der gleichzeitig einen Teil
des unteren Gehäusetopfes bildet, den kleinen Metallkörper 4 und den gasdicht aufgelöteten
Gehäusedeckel 5 mit liner Durchführung 6, durch die ein Anschlußleiter 7 hindurchgeht.
In Figur 2 sind der Metallklotz 4 und das Halbleiterelement 2 genau aufgegliedert.
Das Halbleiterelement besteht aus der Siliziumscheibe 8, einer auflegierten Gold-Antimon-Elektrode
9 (dem p-n-Übergang 18) und einer Molybdänscheibe 10, die mit Hilfe einer Aluminium-Zwischenschicht
11 an der Siliziumscheibe befestigt ist. Vor der Gold-Antimon-Elektrode 9 befindet
sich in der Siliziumscheibe der in der Zeichnung gestrichelt wiedergegebene p-n-Ubergang
18. Die Molybdãnsoheibe 10 trägt eine Fernico (Vakon)-Plattierung 12, mit deren
Hilfe es gelingt, das Halbleiterelement auf dem in Figur 2 nur ausschnittweise wiedergegebenen
Kühlklotz 3 aufzulöten. Der kleinere Metallkörper 4, der auf die Gold-Antimon-Elektrode
9 aufgebracht ist, besteht aus einem Molybdänblech 13, das auf der Oberseite eine
Fernico (Vakon)-Plattierung 14 trägt, auf die ein Kupferklotz 15 hart
aufgelötet
ist, beispielsweise mit einer Silberfolie als Lötmetall.
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Auf der Unterseite trägt das Molybdänblech@ 13 zweckmäßigerweise eine
Nickelschicht 16, mit deren Hilfe es gelingt, eine Gold-Zwischenschicht 17 festhaftend
zu machen. Diese Gold-Zwischenschicht 17 läßt sich dann verhältnismäßig leicht auf
die Gold-Antmon-Elektrode 9 auflegieren. 3 Schutzansprüche 2 Figuren