DE2725847A1 - Anordnung zur druckkontaktierung einer halbleiterscheibe - Google Patents

Anordnung zur druckkontaktierung einer halbleiterscheibe

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Description

  • Anordnung zur Druckkontaktierung
  • einer Halbleiterscheibe" Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Druckkontaktierung einer Halbleiterscheibe in einer Gleichrichterzelle mit einem Gehäuseflachboden mit oder ohne Gewindebolzen und einer zylinderförmigen Gehäusekappe mit einer Decke aus einem Isolator, durch welche hindurchgehend parallel zur Zellenlängsachse von außen her eine Quetschhülse aus einem Netall mit einer Anschließvorrichtung eingesetzt ist, und in die Quetschhülse ein Stromleiter eingeführt ist, der mit einer mit der Halbleiterscheibe weichgelöteten Hauptelektrode verbunden ist. Eine solche Anordnung ist bekannt durch die DT-0j 1 514 150.
  • Es dienen hiernach zur Druckkontaktierung der Halbleiterjcheibe in einer Gleichrichterzelle eine Ringscheibe als Druckübertrager, die auf der mit der Halbleiterscheibe weichgelöteten Hauptelektrode aufliegt, und ein Silikon-Gummistopfen als Druckmittel, welcher zwischen der Decke der Gehäusekappe und der Ringscheibe eingespannt ist. Durch die Ringscheibe sowie auch durch eine zentrische Bohrung des Gummistopfens hinlurch erstreckt sich von der Hauptelektrode ausgehend ein Stromleiter und zwar ein Kupferseil, welches sich in einem Stromabnehmer fortsetzt. Als Druckmittel kann bei dieser Zelle eine Blattfeder an Stelle des Gummistopfens verwendet werden, die gegen das Gehäuse isoliert sein muß. Die .wirkung des Silikon-Gummistopfens als Druckmittel läßt sich für die Erzeugung eines Kontaktdruckes von ungefähr 20 kp/cm2 jedoch nur bis zu Temperaturen von etwa 100 oO ausnutzen.
  • Durch die Druckkontaktierung wird bei der Halbleitergleich-2 richterzelle ein mechanischer Druck von 10 bis 20 kg/cm erzeugt, welchem die Weichlotverbindungen zwischen den zwei Hauptelektroden und der Halbleiterscheibe ausgesetzt werden, damit diese Verbindungen gegen Temperaturwechselbelastungen beständig werden, insbesondere die Abtrennung des tieichlots von der Halbleiterscheibe wirksam verhindert wird. Durch Temperaturwechselbelastungen können Weichlote ermüden - und dadurch wird die Ausfallrate der Halbleitergleichrichter betrachtlich größer -, wenn sich Risse in der Lotschicht bilden, so daß die im Halbleiter entstehende Verlustwärme nicht gleichmäßig abgeführtwird und es zu lokalen tberhitzungen in der Lotschicht kommt.
  • Es ist durch die DT-OS 2 240 468 bekannt, daß die Ermüdung von stark bleihaltigen Weichloten verhindert werden kann, wenn diese mit dem Halbleiter in einer nicht oxidierenden Stickstoff-Atmosphäre mit z.B. einem Sauerstoffgehalt kleiner als 100 ppm bzw. einem Wassergehalt geringer als nur 50 ppm in einem Gehäuse eingeschlossen sind. Dies erfordert aber, daß Haibleiterzellen zum Evakuieren eingerichtet und mit einer besonderen Verschlußtechnik für Schutzgas versehen werden müssen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Druckkontaktierung einer Halbleiterscheibe in einer Gleichrichterzelle, insbesondere mit einem Metall-Gehäuse, zu scha£-fen, welche in einfacher Weise und mit nicht aufwendigen, für eine Massenfertigung geeigneten Mitteln herstellbar ist und bei welcher eine unbeeinflußte, beständige und konstantbleibende Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe gesichert ist und die Ausfallrate infolge thermischer Wechselbelastung der Weichlotverbindungen der Halbleiterscheibe gering ist.
  • Eine solche Anordnung wird dadurch geschaffen, daß sie die im latentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale erhält und aufweist, nämlich daß die Halbleiterscheibe mittels einer aus einem Stück Bandmaterial u-förmig gebogenen Feder druckkontaktiert ist, deren einer Schenkel gegen die erwähnte Hauptelektrode gedrückt ist, während der andere Schenkel gegen die Innenfläche der Gehäusekappendecke abgestützt ist, und daß ein Ende les Stromleiters flach ausgeformt und zu einer senkrecht zur Längsachse der Zelle abstehenden Schleife gebogen ist, deren rücklaufender Teil an seiner Außenfläche mit der Hauptelektrode (wie auch der Gehäuseflachboden mit der Hauptelektrode) durch eine eichlotschicht verbunden ist.
  • Die ernte Hatiptelektrode der Halbleiterscheibe ist gewöhnlich Kathode. Die andere oder zweite Hauptelektrode (Anode) ist mit der Halbleiterscheibe an deren der Kathode gegenüberliegenden Hauptfläche ganzflächig durch eine Weichlotschicht verbunden und kontaktiert.
  • Gleichrichterzellen für mit zwei Hauptelektroden sowie mit oder ohne Steuerelektrode kontaktierten Halblditerscheiben sind nach unterschiedlichen Aus<##estaltungen der Erfindung ausgebildet. So weist eine Gleichrichterzelle für eine Halbleiterscheibe ohne Steuerelektrode, das heißt ein Gleichrichter-Hiodenbauelement, die im Patentanspruch 2 gekennzeichneten Merkmale auf. Demnach ist der Stromleiter, welcher gewöhnlich als Stromabnehmer der Kathode dient, in der Zellenlängsachse angeordnet ist und der rücklaufende, flach ausgeformte Teil seiner Schleife ist mit der ganzen Hauptelektrode der Halbleiterscheibe verbunden. Weitere Kennzeichenmerkmale sind, daß ein Schenkel der Feder zur Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe auf der Innenfläche des rücklaufenden Teils der Stromleiterschleife aufliegt und der andere Schenkel ein Langloch aufweist, durch das der Stromleiter hindurchgeht.
  • Demgegenüber weist eine Gleichrichterzelle für eine Halbleiterscheibe mit einer zentrischen oder exzentrischen Steuerelektrode, das heißt ein Thyristorbauelement, die im Patentanspruch 3 gekennzeichneten Merkmale auf. Hiernach ist der entsprechende Stromleiter bezüglich der Zellenlängsachse exzentrisch angeordnet und der rücklaufende flach ausgeformte Teil seiner Schleife ist nur mit einem Teil der Hauptelektrode verbunden. Weitere Kennzeichenmerkmale sind, daß zur Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe eine zweimal u-förmig gebogene Feder mit einem Verbindungssteg, welcher schmaler ist als die Feder breit ist, dient, die an der Innenfläche der Gehäusekappendecke durch Klebung befestigt ist und deren Schenkel auf der Hauptelektrode der Halbleiterscheibe aufliegen.
  • Zur Verbindung der Hauptelektroden der Halbleiterscheibe mit dem Stromleiter einerseits und mit dem Gehäuseflachboden andererseits ist gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung eine an sich bekannte Weichlotlegierung aus 70 96 Blei und 30 % Indium und zur Verbindung der Elektroden mit der Halbleiterscheibe eine solche aus 90 96 Blei, 5 96 Silber und 5 96 Indium verwendet.
  • Vorteile der Erfindung sind, daß die üblichen Gehäusebauteile für eine Gleichriiiterzelle genügen und keinesfalls spezielle Verschlußeinrichtungen erforderlich sind. Auch können handelsübliche Stromzuführungen verwendet werden. Die erfindungsgemäße Druckkontaktierung bewirkt, daß die Ausfallrate infolge thermischer Wechselbelastung deutlich geringer als bei Gleichrichterzellen des Standes der Technik ist. Das Konstruktionselement für die Druckkontaktierung besteht aus nur einem Teil, dessen Lagesicherung beim Zusammensetzen der Gleichrichterzelle leicht eingehalten werden kann.
  • Die Erfindung ist nachstehend durch Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin zeigt Figur 1 eine Halbleitergleichrichterzelle für eine Gleichrichterdiodenscheibe in Seitenansicht und teilweise im Durchmesserschnitt Figur 2a eine Halbleitergleichrichterzelle für eine Thyristorscheibe in Seitenansicht und teilweise im Durchmesserschnitt und Figur 2b eine Gleichrichterzelle in Seitenansicht und teilweise im Durchmesserschnitt im rechten winkel zur Seitenansicht und zum Querschnitt der Figur 2a.
  • Gleiche Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Halbleitergleichrichterzellen nach Fig. 1 und 2 haben gemeinsame, an sich bekannte Merkmale (Gattungsmerkmale). Sie sind im wesentlichen aus zwei Hauptbestandteilen zusammengesetzt, einem Gehäuseflachboden 1 ohne Gewindebolzen und einer zylinderförmigen Metall-Glas-Gehäusekappe 2 mit einem den Zellen- und Gehäusemantel bildenden Stück Stahlrohr 21 und einer kreisförmigen Decke 22 aus Sinterglas. Durch die Decke hindurchgehend ist parallel zur Längsachse L der Zelle von außen her mindestens eine Quetschhülse 23 aus Nickeleisen mit einer nicht dargestellten äußeren Anschließvorrichtung, beispielsweise eine tasche, eingesetzt, in der von innen her ein runder Stromleiter 3, welcher als Stromabnehmer der Kathode des in einer Gleichrichterzelle befindlichen Halbleiterbauelementes 5 dient, eingeführt ist. Die Gleichrichterzellen haben eine Vorrichtung 4 zur Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe des betreffenden Bauelementes. Der Gehäuseflachboden 1 aus Kupfer hat einen Randflansch 11, auf dem ein Stahlring 12 zum Verschweißen der Gehäusebestandteile 1 und 2 angeordnet ist.
  • Die Gleichrichterzellen enthalten je ein Halbleiterbauelement 5, nämlich eine als Halbleitergleichrichter ausgebildeten Halbleiterscheibe 5', welche an ihren zwei Hauptflächen durch je eine eichlotschicht mit je einer Hauptelektrode A bzw. K, Anode und Kathode, verbunden ist. Die Anode A ist ganzflächig mit der Halbleiterscheibe verbunden. Das Weichlot ist eine Legierung aus 90 96 Blei, 5 96 Silber und 5 ß Indium.
  • Im Rahmen der oben beschriebenen gemeinsamen Aufbaumerkinale unterscheiden sich die Gleichrichterzellen nach Fig. 1 und 2 voneinander nur hinsichtlich des eingeschlossenen Halbleiterbauelementes. Die Zelle nach Fig. 2 enthält ein Thyristorbauelement mit zentrischer Steuerelektrode G, welcher ein Steuerleiter St durch eine ringförmige Kathode K isoliert zugeführt ist. Durch die Decke 22 hindurchgehend ist parallel zur Längsachse L der Zelle von außen her eine zweite Quetschhülse 24 gleicher Art wie die (erste) Quetschhülse, in die der Stromleiter 3 für die Kathode K eingeführt ist, jedoch dünner als diese, eingesetzt. Durch die Quetschhülse 24 ist der Steuerleiter St von außen her der Steuerelektrode G zugeführt. Die zwei Quetschhülsen 23 und 24 sind bei der Gleichrichterzelle nach Fig. 2 exzentrisch bezüglich der Zellenachse L angeordnet.
  • Die Gleichrichterzelle nach Fig. 1 enthält demgegenüber ein Gleichrichterdiodenbauelement 5 mit lediglich den zwei Hauptelektroden (Anode A und Kathode K) sowie nur eine durch die Glasdecke der Gehäusekappe hindurchgehend eingesetzte Quetschhülse 23 für den Stromleiter 3.
  • Es wird bei den beschriebenen Gleichrichterzellen eine beständige und konstantbleibende Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe mittels einer ganz einfachen Feder 4, ein Stück Bandmaterial aus z.B. Stahl, das u-förmig gebogen ist, bewirkt.
  • Ein Schenkel 41 dieser Feder ist, wie die Figur 1 zeigt, gegen die Hauptelektrode und Kathode K der Halbleiterscheibe 5' gedrückt, während der andere Schenkel 42 gegen die Innenfläche der Decke 22 aus Glas der Gehäusekappe 2 abgestützt ist. Ein Ende des Stromleiters 3 ist flach ausgeformt und zu einer senkrecht zur Zellenachse L abstehenden Schleife 31 gebogen, deren rücklaufender Teil 31' an seiner Außenfläche mit der Kathode K durch eine Schicht 45 aus einem eichlot, bestehend aus 70 96 Blei und 30 s0 Indium, verbunden ist. Durch eine ebensolche Schicht 15 ist andererseits die Anode A mit dem Gehäuseflachboden 1 verbunden. Bei einer Gleichrichterzelle nach Fig. 1 mit einem Gleichrichterdiodenbauelement ist der Schleifenteil 31' so breit, daß damit die ganze Fläche der Kathode bedeckt wird. Der gegen die Kathode gedrückte Schenkel 41 der Feder 4 liegt auf der Innenfläche des rücklaufenden Teils 31' der Schleife 31 des Stromleiters 3 auf. Andererseits befindet sich in dem gegen die KappendeWke 22 abgestützten Schenkel 42 der Feder ein Langloch 42", durch das der gerade Teil des Stromleiters 3 hindurchgeht. Derart angeordnet erhält die Feder bereits vor dem Zusammensetzen und Verschweißen der Bestandteile 1 und 2 der Zelle eine ausreichende Lagesicherung.
  • Bei einer Gleichrichterzelle nach Fig. 2 mit einem Thyristorbauelement wird nur ein Teil der Fläche der Kathode K durch den Schleifenteil 31' bedeckt. Zur Druckkontaktierung dient hier eine zweimal u-förmig gebogene Feder wiederum aus Bandmaterial, welche der Feder 4 nach Fig. 1 ähnlich ist. Die u-förmig gebogenen Teile 4, 4' sind durch einen Verbindungssteg 44 verbunden, welcher schmaler ist als die Feder breit ist, insbesondere schmaler als der Abstand zwei den den Quetschhülsen 23 und 24. Die Feder ist mitt den meilen 42, 42' und dem Steg 44 an der Innenfläche der Decke 2 2 aus Glas der Gehäusekappe 2 durch Klebung befestigt, ist somit eine feste Lagesicherung. Die zwei Schenkel 4-1 und 41 M der Feder liegen auf der Oberfläche der Kathode Ei unter Druck auf.
  • Beim Zusammensetzen der Halbleitergleichrichterzellen nach Fig. 1 und Fig. 2 kann bei gesicherter lage der Feder 4 bzw. 4, 4' ohne schwierigkeiten jeweils der Stromleiter 7), der als Stromabnehmer der Kathode dient, mit seinem geraden Teil in die Quetschhülse 23 eingeführt werden; bei der Zelle nach Fig. 2 kann zugleich auch der oteuerleiter St in die Quetschhülse 24 eingeführt werden. Unter Anwendung eines Druckes werden alsdann die Gehäusebestandteile 1 und 2 miteinander mit Hilfe des Stahlringes 12 verschweißt, wobei die Feder 4 in der Zellegespannt wird. Schließlich werden der gerade Teil des Stromleiters 3 und, nach Fig. 2, der Steuerleiter St mit den Hülsen 23 und 24 durch Quetschung kontaktiert.

Claims (4)

  1. Patentansprüche 9 Anordnung zur Druckkontaktierung einer Halbleiterscheibe in einer Gleichrichterzelle mit einem Gehäuseflachboden mit oder ohne Gewindebolzen und einer zylinderförmigen Gehäusekappe mit einer Decke aus einem Isolator, durch welche hindurchgehend parallel zur Zellenlängsachse von außen her eine ruetschhülse aus einem Metall nit einer Anschließvorrichtung eingesetzt ist, und in die euetsenhülse ein Stromleiter eingeführt ist, der mit einer mit der Halbleiterscheibe weichgelöteten Hauptelektrode verboden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Halbleiterscheibe (5') mittels einer aus einem Stück Bandmaterial u-förmig gebogenen Feder (4) druckkontaktiert ist, deren einer Schenkel (41) gegen die erwähnte Hauptelektrode gedrückt ist, während der andere Schenkel (42) gegen die Innenfläche der Gehäusekappendecke (22) abgestützt ist, und daß ein Ende des Stromleiters (3) flach ausgeformt und zu einer senkrecht zur Längsachse (L) der Zelle abstehenden Schleife (31) geobgen ist, deren rücklaufender Teil (31') an seiner Außenfläche mit der Hauptelektrode (K) wie auch der Gehäuseflachboden (1) mit der Hauptelektrode (A) durch eine Weichlotschicht (35) verbunden ist.
  2. 2) Halbleitergleichrichterzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (3) in der Zellenlängsachse (L) angeordnet ist und der rücklaufende flach ausgeformte Teil (31') seiner Schleife mit der ganzen Hauptelektrode (K) der Halbleiterscheibe (5') verbunden ist, und daß zur Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe ein Schenkel (41) der Feder (4) auf der Innenfläche des rücklaufenden Teils der Stromleiterschleife (31) aufliegt und der andere Schenkel (42) ein Langloch (42") aufweist, durch das der Stromleiter (3) hindurchgeht.
  3. 3) Halbleitergleichrichterzelle nnci! Anspruch 1 , dadurch ekennzeichnet, daß der Stromleiter (3) bezüglich lic.ier Zellenlängsachse (L) exzentrisch anbeordnet ist (undder rücklaufende flach ausgeformte Teil (3@') seiner Schleife mit einem Teil der Hauptelektrode (t) der Halbleiterscheibe verbunden ist), und daß zur Druckkontaktierung i der Halbleiterscheibe eine zweimal u-förmig gebogene Reder (4, 4') mit einem Verbindun#sste# (44), welcher O1,##### ler ist als die Feder breit ist, dient, die an der Innenfläche der Gehäusekappendecke (22) durch Klebung befestigt ist und deren Schenkel (41, 41 ~) auf der Hauptelektrode der Halbleiterscheibe aufliegen.
  4. 4) Halbleitergleichrichterzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Hauptelektroden (A, K) der Halbleiterscheibe (5') mit dem Stromleiter (3) einerseits und mit dem Gehäuseflachboden (1) andererseits eine Weichlotlegierung aus 70 , Blei und 30 % Indium und zur Verbindung der Elektroden mit der Halbleiterscheibe, wie an sich bekannt, eine Weichlotlegierung aus 90 % Blei, 5 ,0 Silber und 5 %0 Indium verwendet ist.
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