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DE1181823B - In ein Gehaeuse eingebauter Hochleistungsgleichrichter - Google Patents

In ein Gehaeuse eingebauter Hochleistungsgleichrichter

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Publication number
DE1181823B
DE1181823B DEST12161A DEST012161A DE1181823B DE 1181823 B DE1181823 B DE 1181823B DE ST12161 A DEST12161 A DE ST12161A DE ST012161 A DEST012161 A DE ST012161A DE 1181823 B DE1181823 B DE 1181823B
Authority
DE
Germany
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rectifier according
power rectifier
semiconductor body
connection line
strand
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEST12161A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr Hermann F A Hinrichs
Hans Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent Deutschland AG
Original Assignee
Standard Elektrik Lorenz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to BE564212D priority Critical patent/BE564212A/xx
Application filed by Standard Elektrik Lorenz AG filed Critical Standard Elektrik Lorenz AG
Priority to DEST12161A priority patent/DE1181823B/de
Priority to US710572A priority patent/US2989578A/en
Priority to CH361865D priority patent/CH361865A/de
Priority to GB2459/58A priority patent/GB838167A/en
Priority to CH7133759A priority patent/CH365146A/de
Publication of DE1181823B publication Critical patent/DE1181823B/de
Pending legal-status Critical Current

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOIl
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche KL: 21g-11/02
St 12161 VIII c/21,
25. Januar 1957
19. November 1964
Die Erfindung bezieht sich auf einen in ein Gehäuse eingebauten Hochleistungsgleichrichter mit einem Halbleiterkörper aus Silizium, Germanium oder einer intermetallischen Verbindung, bei dem mindestens eine Anschlußleitung aus einer elektrisch gut leitenden flexiblen Litze vorgesehen ist, die ohne Unterbrechung aus dem Gehäuse herausgeführt ist und die an dem zum Halbleiterkörper führenden Ende eine massive Verbreiterung aufweist, die an den Halbleiterkörper angelötet ist. Zu dieser Gruppe von Gleichrichtern gehören beispielsweise auch die sogenannten Diffusionsgleichrichter, bei denen die Anwendung der Erfindung besondere Vorteile bringt.
Die Herstellung von Diffusionsgleichrichtern erfolgt z. B. in bekannter Weise aus plattenförmigen! Halbleitermaterial, das zunächst zur Erzeugung einer Zone von bestimmtem Leitungstyp einem Diffusionsprozeß unterworfen, dann mit einer Nickelauflage versehen und in kleine quadratische Plättchen vorgegebener Größe zersägt wird, an welche die elekirischen Zuleitungen angelötet werden. Als geeignetes Material für die Anschlüsse wird Kupfer verwendet, und zum Verlöten dienen vorgeformte Plättchen der üblichen Blei-Zinn- bzw. Blei-Silber-Legierung mit Zinkammoniumchloridlösung als Flußmittel. Der kontaktierte Gleichrichter wird häufig noch einem Ätzverfahren ausgesetzt und dann in ein Gehäuse eingebaut, um mechanische Beschädigungen und atmosphärische Einwirkungen zu verhüten.
Bei der Herstellung und beim Betrieb solcher Hochleistungsgleichrichter entstehen nun eine Reihe von Schwierigkeiten, die unter anderem dadurch verursacht werden, daß man wegen der hohen Ströme dicke Anschlußleitungen verwenden muß, die beispielsweise in der bekannten Form von Stäben, Bolzen oder dicken Drähten ausgeführt sein können. Diesen Anschlüssen haftet der Nachteil an, daß sie beim Betrieb der Gleichrichtervorrichtung mechanische Spannungen am Gleichrichterplättchen erzeugen, die z. B. durch Ausdehnung der Anschlußleitungen infolge Erwärmung des Gleichrichters entstehen. Zur Vermeidung dieses Nachteiles hat man versucht, die Anschlußleitungen elastisch auszuführen, z. B. mit einer kleinen Wendel zu versehen oder in S-Form auszubilden.
Es ist auch bekannt, die Anschlußleitungen in Form einer Litze auszuführen, die an ihrem mit dem Halbleiterplättchen zu verbindenden Ende in einem breiten Metallfuß mit ebener Stirnfläche eingelötet ist. Abgesehen davon, daß hier ein zusätzliches Teil für die Herstellung des Gleichrichters benötigt wird, ist der thermische und elektrische Übergang vom In ein Gehäuse eingebauter
Hochleistungsgleichrichter
Anmelder:
Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42
Als Erfinder benannt:
Hans Wagner,
Dr. Hermann F. A. Hinrichs, Nürnberg
Halbleiter zur Anschlußleitung infolge der zusätzlichen Grenzflächen schlechter. Weiter ergibt sich der Nachteil, daß beim Einlöten der Litze in den Fuß das Lot in den Kapillarenzwischenräumen hochsteigt, so daß die Litze versteift wird und damit der Vorteil der flexiblen Litze wieder aufgehoben wird.
Es ist auch bekannt, massive Anschlußdrähte an der Verbindungsstelle mit dem Halbleiter mit einer Verbreiterung zu versehen, jedoch haben solche Anschlüsse di&-oben erwähnten Nachteile der steifen Anschlußleitungen.
Weitere Schwierigkeiten entstehen bei der Herstellung von Diffusionsgleichrichtern, die nach dem Kontaktieren einem Ätzverfahren unterzogen werden. Beim Ätzen des bereits kontaktierten Gleichrichters darf das Anschlußmaterial von der Ätzflüssigkeit nicht angegriffen werden. Diese Aufgabe hat man beispielsweise dadurch zu lösen versucht, daß man die Anschlußleitung mit einem besonderen metallischen Überzug versehen hat. Es hat sich aber gezeigt, daß die bekannten Schutzauflagen beim Anlöten der Anschlüsse infolge der hohen Löttemperatur zum Teil unwirksam werden, z. B. durch teilweise Diffusion des Überzugs in das Grundmaterial.
Die Verwendung der bekannten Anschlußleitungen ohne verbreitertes Ende hat noch den weiteren Nachteil, daß nur ein Teil der Nickelauflage auf dem Halbleiterplättchen von den Anschlüssen bedeckt wird. Auf diese Weise werden beim nachträglichen Ätzen des kontaktierten Gleichrichters die nichtbedeckten Teile der Nickelschicht abgelöst und der für die Stromführung nutzbare Querschnitt verkleinert, wodurch sich die Flußkennlinie wesentlich verschlechtert.
Durch die Erfindung werden diese Nachteile bei dem eingangs genannten Hochleistungsgleichrichter
409 728/318
i 181 823
dadurch vermieden, daß das Ende der Litze zu einer aus dem Litzenmaterial bestehenden massiven Verbreiterung verformt ist.
Eine derartige Ausführungsform einer Anschlußleitung erfüllt die Forderung, die Entstehung mechanischer Spannungen am Halbleiterkörper während des Betriebes zu verhindern; denn die Flexibilität der Anschlußleitung bleibt auch nach dem Anlöten erhalten, da keine Kapillarwirkung wegen des massiv verbreiterten Teils eintreten kann, die das Lot in der Litze hochsteigen ließe und dadurch zu einer Versteifung führen könnte. Durch die vorliegende Ausführung der Litze wird weiter eine einwandfreie und sichere Kontaktierung des halbleitenden Körpers durch die breite und ebene Anschlußfläche der Zuleitung ermöglicht. Aus dem gleichen Grunde erhält man auch eine gute Wärmeabführung vom Halbleiterkörper, so daß auf diese Weise ein Hochleistungsgleichrichter entsteht, der im Betrieb weitgehend sicher arbeitet.
Gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung wird eine Anschlußleitung aus einer Litze verwendet, deren Ende durch Verschmelzen oder Quetschen des verschmolzenen Endes verformt ist. Hierzu wird eine elektrisch gut leitende flexible Litze in eine Lehre eingespannt, und zwar in der Weise, daß das eine Ende etwas herausragt, welches dann beispielsweise mittels eines Schweißbrenners oder im Stumpfschweißverfahren zu einer Verbreiterung verschmolzen und/oder zu der gewünschten Form gepreßt oder gequetscht wird. Zur besseren Kontaktierung auf dem Halbleiterkörper wird noch das verbreiterte Ende der Litze eben abgeschliffen·.
Bei anderen Ausführungsformen erhält das verbreiterte Ende die Form einer Pyramide oder eines Kegels. In diesen Fällen verbreitert sich die Anschlußleitung dem Ende zu kontinuierlich, was besondere Vorteile bei nachträglich geätzten Halbleitervorrichtungen bringt.
Die Anschlußleitungen können nun unmittelbar nach einem der üblichen Verfahren am Halbleiterkörper angelötet werden. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, sie vor dem Anbringen auf den halbleitenden Körper noch mit elektrisch gut leitenden Überzügen zu versehen. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise von Wichtigkeit sein zur Herstellung einer guten Kontaktierung des halbleitenden Körpers. Vorzugsweise ist sie aber von Bedeutung bei Halbleitervorrichtungen, die nach dem Kontaktieren noch einem Ätzverfahren unterworfen werden.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung erhält daher mindestens der verbreiterte Teil der Anschlußleitung einen oder mehrere elektrisch gut leitende Überzüge, und zwar muß der äußere Überzug so beschaffen sein, daß er sich beim Ätzen der Halbleitervorrichtung nicht in der verwendeten Ätzflüssigkeit löst. Zu diesem Zweck kann der äußerste Überzug aus einem geeigneten Edelmetall bestehen. Wird beispielsweise als Material für die Anschlußleitung Kupferlitze verwendet, so besteht dieser Überzug zweckmäßig aus Gold. Beim Ätzen des kontaktierten Halbleiterkörpers, ζ. B. in einer Mischung von Fluß- und Salpetersäure, schützt dieser Goldüberzug die Kupferlitze vor chemischen Angriffen.
Es hat sich aber ergeben, daß der Goldschutz der Kupferlitze weitgehend zuverlässiger und wirksamer wird, wenn die Kupferlitze vor ihrer Vergoldung eine Silber- oder Nickelauflage erhält. Dieser Maßnahme liegt folgende Erkenntnis zugrunde: Beim Kontaktieren des Halbleiterkörpers beispielsweise mit Blei-Zinn- bzw. Blei-Silber-Lot wird die Anordnung auf etwa 350° C erhitzt. Bei dieser Temperatur diffundiert ein beträchtlicher Teil der Goldauflage in das Kupfermaterial hinein. Für das anschließende Ätzen der Halbleitervorrichtung ist daher der Goldschutz auf der Kupferlitze teilweise unwirksam. Es gehen ίο Kupferionen in Lösung und setzen sich als Kupferatome auf dem Halbleiter ab. Dadurch kann beispielsweise bei Gleichrichtern die PN-Schicht des Halbleiterkörpers kurzgeschlossen werden. Durch die Zwischenvernickelung oder -Versilberung wird die Diffusion der Goldauflage in das Kupfermaterial wesentlich herabgesetzt. Es ist zu diesem Zweck erforderlich, die Silber- bzw. Nickel- und Goldauflage genügend dick herzustellen. Von besonderem Vorteil ist es, vor der Vergoldung zwei oder mehrere
ao Schichten aus Silber und Nickel in wechselnder Reihenfolge aufzubringen, so daß auf diese Weise die Schutzauflage aus Gold beim nachträglichen Ätzen voll wirksam ist. Es können auch andere Materialien für die einzelnen Überzüge verwendet werden, falls sie bei Löttemperatur die Bedingungen erfüllen, sich weder mit dem Anschlußmaterial noch miteinander zu legieren und weder in das Anschlußmaterial noch ineinander merklich zu diffundieren.
Zur besseren Kontaktierung erhält noch die mit dem Halbleiterkörper durch Lot verbundene Fläche am verbreiterten Ende der Anschlußleitung einen elektrisch gut leitenden Überzug aus einem als Lot dienenden Material. Bei Verwendung des üblichen Lots besteht dieser Überzug z. B. aus Blei. Die auf diese Weise hergestellten Anschlußorgane werden nun am Halbleiterkörper festgelötet.
Wird die Halbleitervorrichtung noch einem nachträglichen Ätzverfahren unterzogen, so muß zur Ver-
meldung der Verunreinigung des Ätzbades die Maßnahme getroffen werden, den kontaktierten Halbleiterkörper beim Ätzen nur so weit in das Bad einzusetzen, daß zwar der überzogene verbreiterte Teil der Anschlußleitung, aber nicht die Litze selbst eintaucht. Selbst bei einer vollständig überzogenen Anschlußleitung ist diese Vorsichtsmaßregel zu empfehlen, da häufig die Plattierung an der Übergangsstelle zwischen verbreitertem Teil und Litze ungenügend ausfallen kann, so daß an dieser Stelle beim Ätzen Ionen des Litzenmaterials in Lösung gehen können. Insbesondere zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, dem verbreiterten Teil der Anschlußleitung mindestens eine Länge von 2 mm zu geben, so daß auf alle Fälle die Gefahr der Verunreinigung des Ätzbades dadurch herabgesetzt wird. Eine Verlängerung des verbreiterten Teils über 2 mm hinaus richtet sich dann auch nach der Größe der verbreiterten Anschlußfläche.
Ein Merkmal einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Ausführung der Anschlußleitung so vorzunehmen, daß ihre verbreiterte Endfläche die Anschlußfläche des Halbleiterkörpers beim Kontaktieren vollständig bedeckt. Auf diese Weise läßt sich eine besonders vorteilhafte Kühlwirkung ermöglichen, was bei Hochleistungsgleichrichtern von Wichtigkeit ist. Diese Maßnahme ist aber auch wieder von besonderem Interesse bei Halbleitervorrichtungen, die nachträglich geätzt werden.
In vielen Fällen ist der Halbleiterkörper an seinen Anschlußseiten plattiert, unter anderem zur Vergrößerung des Stromquerschnitts. Bei der Verwendung von die Plattierung nicht vollständig bedeckenden Anschlüssen können die nichtbedeckten Teile geätzt werden. Dadurch wird der für die Stromführung nutzbare Querschnitt verkleinert. Wenn die verbreiterte Endfläche der Anschlußleitung die Anschlußfläche des Haibleiterkörpers bedeckt, wird dieser Nachteil vermieden.
Die Erfindung wird zur besseren Verständlichkeit an Hand einiger Ausführungsbeispiele erläutert, die in einer Zeichnung dargestellt sind.
F i g. 1 bis 3 zeigen in Seitenansicht die einzelnen Herstellungsschritte für eine Anschlußleitung nach der Erfindung, und zwar handelt es sich hierbei um die Herstellung der Verbreiterung an seinem Ende;
F i g. 4 zeigt im Querschnitt eine nach diesem Verfahren gefertigte Anschlußleitung, die für die angegebenen Zwecke metallisch überzogen ist; in der
F i g. 5 werden teilweise in Seitenansicht, teilweise in Draufsicht weitere Ausführungsformen einer Anschlußleitung nach der Erfindung gezeigt; die
Fig. 6 zeigt im Querschnitt schematisch einen mit Anschlüssen versehenen Gleichrichter mit PN-Übergang, und in
Fig. 7 ist ein betriebsfertiger Hochleistungsgleichrichter dargestellt.
In den Fig. 1 bis 3 bezeichnet 1 die Anschlußleitung, die z. B. aus einer Kupferlitze besteht. Diese wird nach Fig. 1 in eine Lehre2 eingespannt, und zwar derart, daß wenigstens das eine Ende etwas herausragt. Der herausstehende Teil la wird z. B. mittels eines Schweißbrenners zu einer Perle Ib verschmolzen, wie in F i g. 2 gezeigt ist. Die Perle wird zur besseren Kontaktierung auf dem Halbleiterkörper zu einer Verbreiterung Ic fiachgequetscht und die verbreiterte Endfläche Id eben abgeschliffen. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Eine solche Anschlußleitung kann nun unmittelbar am Halbleiterkörper festgelötet werden.
In anderen Fällen, bei denen die Anschlußleitung vor chemischen Angriffen geschützt werden soll, wird die so vorbehandelte Kupferlitze metallisch überzogen. Eine geeignete Ausführung zeigt F i g. 4. Die Kupferlitze 1 erhält eine Silber- oder Nickelauflage 3 und wird dann mit einer Goldauflage 4 versehen. Das verbreiterte Ende erhält noch einen Bleiüberzug 5 zur Verlötung mit dem Halbleiterkörper.
Fig. 5a zeigt in Seitenansicht eine Anschlußleitung, bestehend aus einer flexiblen Litze I5 mit Pyramiden- oder kegelförmig verbreitertem Teil 6. Die Fig. 5b und 5c zeigen diese Ausführungen in Draufsicht, von der Anschlußleitung aus gesehen. Diese Formgebungen sind dahingehend gekennzeichnet, daß sich die Litze dem Ende zu kontinuierlich verbreitert. Von besonderem Interesse sind solche Ausführungen bei Halbleitervorrichtungen, die nachträglich geätzt werden. Die Länge h der Verbreiterung 6 soll dann mindestens 2 mm betragen. Die So Form der verbreiterten Endfläche 7 richtet sich zweckmäßig nach der Formgebung des Halbleiterkörpers. Besteht dieser, wie beispielsweise bei Diffusionsgleichrichtern, aus einem quadratischen Plättchen, so wählt man zweckmäßigerweise ebenfalls eine quadratisch verbreiterte Endfläche, möglichst von der gleichen Größe wie die Anschlußfläche des Halbleiterkörpers. In jedem Fall ist es von Wichtigkeit, daß die Verbreiterung in einer zur Längsachse der Litze querliegenden ebenen Fläche endet.
Bei dem Gleichrichter nach Fig. 6 sind auf einem Halbleiterblock 8 mit PN-Übergang, der an seinen Anschlußseiten geeignete metallische Auflagen 9 und 10 aufweist, die litzenförmigen Anschlußleitungen 1 mit dem verbreiterten Ende 11 aufgelötet und bedecken· vollständig die Anschlußseiten des Halbleiterkörpers, was die bereis angegebenen Vorteile bringt.
Bei der Bauart eines Hochleistungsgleichrichters nach F i g. 7 wird eine metallische Trägerplatte 12, die zugleich als Elektrode dient, verwendet, auf welche der Halbleiterkörper 13 nach einem üblichen Verfahren aufgebracht ist. Der Halbleiterkörper besitzt eine Metallauflage 14, auf der die Elektrodenzuleitung 15 mit dem verbreiterten Ende 16 angelötet ist. Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und atmosphärischen Einflüssen ist der Halbleiterkörper von einem Gehäuse 17 umgeben, durch welches die Elektrodenzuleitung 15 isoliert hindurchgeführt ist. Durch die Ausbildung der Elektrodenzuleitung als flexible Litze können beim Betrieb der Gleichrichtervorrichtung keine mechanischen Spannungen am Gleichrichter infolge Erwärmung des Gleichrichters und der damit vorhandenen beträchtlichen Wärme im Gehäuse entstehen, da die Anschlußlitze weder bei Ausdehnung des Gleichrichters noch bei Ausdehnung des Gehäuses sich vom Halbleiterkörper abheben bzw. auf diesen einen Druck ausüben kann. Durch das stark verbreiterte Ende der Anschlußleitung ergibt sich außerdem eine gute Wärmeabführung vom Gleichrichter, und man erhält bei allen vorkommenden Temperaturen eine weitgehend sicher arbeitende Gleichrichtervorrichtung.

Claims (15)

Patentansprüche:
1. In ein Gehäuse eingebauter Hochleistungsgleichrichter mit einem Halbleiterkörper aus Silizium, Germanium oder einer intermetallischen Verbindung, bei dem mindestens eine Anschlußleitung aus einer elektrisch gut leitenden flexiblen Litze vorgesehen ist, die ohne Unterbrechung aus dem Gehäuse herausgeführt ist und die an dem zum Halbleiterkörper führenden Ende eine massive Verbreiterung aufweist, die an den Halbleiterkörper angelötet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Litze zu einer aus dem Litzenmaterial bestehenden massiven Verbreiterung verformt ist.
2. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Litze durch Verschmelzen oder Quetschen des verschmolzenen Endes verformt ist.
3. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ende der Litze gleichmäßig pyramidenförmig verbreitert.
4. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Litze aus Kupfer besteht.
5. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der verbreiterte Teil der Anschlußleitung einen oder mehrere elektrisch gut leitende Überzüge aufweist.
6. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Überzüge sich bei Löttemperatur weder mit dem Anschlußmaterial noch miteinander legieren und weder in das Anschlußmaterial noch ineinander merklich diffundieren.
7. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Überzug sich in einer Ätzflüssigkeit nicht löst. ίο
8. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Überzug aus einem Edelmetall besteht.
9. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Anschlußleitung aus Kupfer der Überzug aus Gold besteht.
10. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter dem Goldüberzug eine Silberauflage befindet.
11. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter dem Goldüberzug eine Nickelauflage befindet.
12. Hochleistungsgleichrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter dem Goldüberzug zwei oder mehrere aufeinanderliegende Schichten aus Silber und Nickel in wechselnder Reihenfolge befinden.
13. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Halbleiter durch Lot verbundene Fläche der Anschlußleitung einen elektrisch gut leitenden Überzug aus einem als Lot dienenden Material besitzt.
14. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander durch Lot verbundenen Flächen der Anschlußleitung und des Halbleiterkörpers gleiche Form und Größe aufweisen.
15. Hochleistungsgleichrichter nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der verbreiterte Teil der Anschlußleitung mindestens eine Länge von 2 mm aufweist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2763 822.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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