NO116508B - - Google Patents

Description

Halvlederlikeretteranordning.og fremgangsmåte til fremstilling

a<y>denne.

Foreliggende oppfinnelse angår en halvlederlikeretteranordning med et antall innbyrdes tilpassede likeretterenheter som er fast anordnet mellom en metallbasisplate og en felles kontaktplate, og som er elektrisk forbundet med hver sin kappe og kontakttråd, og en fremgangsmåte til fremstilling av en slik anordning.

Det er prinsippielt to fremgangsmåter til fremstilling

av likerettere for stor strom. Den ene av disse gjor bruk av en enkelt likeretterenhet for den bnskede strom, og når kravet til strbmstyrken oker, må denne ene likeretterenhet gjores storre og .storre, og den andre består i å parallellkople et antall likeretterenheter med mindre nomi-

nell strom.

Hittil har fabrikanter av likerettere for stor strom anvendt forskjellige fremgangsmåter for å komme frem til en enkelt lik< retterenhet, på grunn av vanskelighet med å oppnå samme stromgjennomgang i de enkelte parallelle likeretterenheter uten anvendelse av ut-vendige parallellkoplingskomponenter, og selv om omkostningene ved frei stilling av store likeretterenheter er meget stor, har omkostningene hittil ved fremstilling av parallellkoplede likeretterenheter for lave]strom blitt ennå kostbarere enn fremstillingen av enkle likeretterenheter.

Det er mange problemer forbundet med enkle likeretterenheter som gjor dem langt fra ideelle ved store strommer. Slike likerettere med store overgangsarealer kan ikke fremstilles uten noen uful^ kommenheter og jo storre arealet er desto storre blir antall ufullkomne heter. Selv om det her er tale om en enkelt stor likeretterenhet, kan en slik enhet ansees som bestående av et stort antall mindre, likerettende arealer som kan være gode og dårlige og som er parallellforbundel

Spenningstapet over alle disse mindre, likerettende arealer er ikke noyaktig det samme og derfor vil noen av disse arealer tillate storre strømgjennomgang enn normalt. Disse arealer med meget hoy strom kan bli overopphetet, hvilket kan fore til termisk tretthet og derved gjore likeretteren dårligere. Disse termisk påkjente område]og andre ufullkomne områder opptar dessuten den storste strom, hvilket kan fore til odeleggelse av likeretteren. Disse ulemper forer derfor til en praktisk grense for den strom slike enkéltlikerettere kan ut-settes for fordi det kreves store og praktisk talt perfekte likeretter-arealer og disse er som oftest forbundet med urimelige omkostninger å fremstille.

Ved den andre metode anvendes et antall mindre likeretterenheter som er parallellforbundet til en likeretter for praktisk talt en hvilken som helst strom. Ved oppdeling av store likeretter-arealer i mange små arealer oppnås muligheten av utvelgning av tilnærmet perfekte likeretterenheter som deretter kan parallellkoples sli] at det dannes en stor likeretteranordning med mere ideelle egenskaper.

Den storste ulempe ved anvendelse av et antall parallel koplede likeretterenheter ligger i vanskeligheten med lik strømgjennom-gang i de enkelte enheter. Av denne grunn er det nodvendig å tilpasse passeringsspenningskarakteristikken for hver enkelt enhet innenfor få millivolt ved strommer på 100 amp. eller mere.

Da halvlederlikerettere er meget temperaturfolsomme mec hensyn til stromkarakteristikken, er det nbdvendig at de holdes på tilnærmet samme temperatur, og derved kan temperaturendringer mellom de forskjellige enheter gjores så liten at man kan se bort fra en resul-terende ubalanse i strbmmen.

Da det er kjent at pn-overganger i halvledere endrer sin karakteristikk under de forskjellige monteringsoperasjoner som f.eks. lodding av halvledermateriale og innkapsling, er det bnskelig at disse operasjoner foretas for utvelgningen av de enkelte enheter. Dette gjores fortrinnsvis ved at hver enhet monteres som en praktisk talt komplett likeretter. Når dette gjores vil den parallellkoplede anordning ha flere fordeler: 1. Hele gruppen av enheter kan proves for den endelige sammenkopling og enheter som ikke svarer til spesifikasjonene kan unn-gås slik at den endelige anordning får den bnskede kvalitet. 2. En eller flere reserveenheter kan lett bygges inn for å oppnå en ekstra strbmgrense, og hvis en enhet ved midlertidig overbelastning svikter, kan anordningen alikevel utfore sin funksjon.

Til tross for disse fordeler har parallellkoplede enheter ikke vært gjenstand for massefremstilling fordi det var klart at en meget effektiv produksjon i stor målestokk krever fremgangsmåter til fremstilling av så store antall likeretterenheter at det kunne velges ut tilstrekkelig store antall til hverandre passende enheter. For å oppnå en slik produksjonskapasitet må konstruksjonen av de enkelte likeretterenheter være meget effektiv og reproduserbar for å bringe omkostningene for de enkelte enheter ned på et rimelig nivå. Uten en slik produksjonsmetode er det ikke bkonomisk gjennomfbrbart å velge ut og anvende enheter med tilnærmet lik elektrisk karakteristikk selv om slike enheter i seg selv forelå.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveie-bringe en halvlederlikeretteranordning som er sammensatt av et antall innbyrdes tilpassede likeretterenheter som kan fremstilles med mindre omkostninger enn en enkelt likeretter for stor strom og som kan tåle betydelig storre strom enn en enkeltlikeretter idag kan.

Dette oppnås ifblge oppfinnelsen ved at metallbasisplaten er forsynt med et antall fordypninger i hvilke enhetens kapper er fastloddet for termisk og elektrisk kontakt med metallbasisplaten som er forsynt med et kombinert kontakt- og monteringsorgan og at kontaktplaten er forsynt med åpninger som ligger i flukt med de respektive fordypninger, i hvilke åpninger enhetenes kontakttråder er fastloddet for elektrisk og termisk kontakt med kontaktplaten som er for-

synt med et felles kontaktorgan.

Et utforelseseksempel på oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser i perspektiv og delvis i snitt en halvlederlikeretteranordning ifolge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et aksialt snitt gjennom en likeretterenhet slik denne kommer tilsyne i snittet på fig. 1. Fig. 3 viser i perspektiv de enkelte bestanddeler av likeretterenheten på fig. 2 i avstand fra hverandre. Fig. 4 viser i perspektiv de enkelte deler av halvlederlikeretteranordningen ifolge oppfinnelsen i avstand fra hverandre. Fig. 5 viser et sideriss av en halvlederlikeretteranordning ifolge oppfinnelsen, hvor innkapslingen av likeretterenhetene er antydet med strekprikkede linjer.

Halvlederlikeretteranordningen ifolge oppfinnelsen fremstilles ved massefabrikasjon av et antall likeretterenheter og ut-sortering av disse i til hverandre tilpassede grupper. Disse grupper monteres deretter sammen til halvlederlikeretteranordninger for stor strom. På fig. 1 er en slik likeretteranordning 11 vist. Denne omfatter et antall likeretterenheter 12 som er parallellkoplet ved lodding av enhetenes kapper til en metallbasisplate 14 av kobber og ved at kontakttråder 15 er loddet til en kontaktplate 17 .av kobber. Enhetene 12 og platen 17 blir etterpå innstopt i en stopemasse 18. En felles kob-berkontakt 19 er forbundet med kontaktplaten 17 og tjener som likeret-teranoretningens- ene kontakt mens basisplaten 14 danner den andre. En gjengetapp 21 er anordnet på undersiden av basisplaten 14 for monter-ingsformål og i den hensikt å trekke basisplaten 14 med god termisk kontakt inn til en metall kjoleflate. Alternativt kan basisplaten være forsynt med huller for montering av denne ved hjelp av skruer eller bolter.

Som vist på fig. 2 er likeretterenhetene bygget opp av en silisiumlikeretterplate 3° som er elektriske forbundet med en stål-kappe 31 som kan lukkes hermetisk og som er forsynt med en kontakttråd 15. Kontakttråden 15 er isolert fra kappen ved hjelp av en glassering 48 som er omgitt av en metallflens 47°S har et sentralt metallrdr 45»idet kontakttråden 15 er fort gjennom roret mens flensen 47 ved 33 er forbundet med stålkappen 31» Silisiumplaten 30 er loddet mellom to kobberplater 35°S 36 • Kobberplaten 36 er loddet til.bunnen av stålkappen 31 mens oversiden av kobberplaten 35 vec* lodding er forbundet med en i en form boyet ende 38 av kontakttråden 15. De to kobberplater 35°S 36 tjener som varmeakkumulatorer for å minske varmevirkningen ved midlertidig overoppvarming. Varmekapasiteten i kobber og kobberplatenes masse er slik at det kreves en betydelig strom for å oppnå bare en mode-rat okning av temperaturen i kobberplatene mens en slik okning ikke vil skje i silisiumplaten. Varmeledningsevnen for kobber er meget stor slik at ved å anbringe kobberplatene mot silisiumplaten vil denne ikke oppvarmes nevneverdig ved en midlertidig opphetning idet denne hurtig vil avledes gjennom kobberplatene som bare vil få en liten temperatur-økning. Denne temperaturøkning vil avledes gjennom stålkappen og basisplaten og derfra til det legeme som anordningen er festet på.

For å oppnå en lignende likeretterenhet uten kobberplatene måtte det anvendes en tykk kobberkappe i stedet for den tynne stålkappen. En egnet kopperkappe er flere ganger kostbarere for det forste og i tillegg hertil vil det kreves minst to ytterligere bestanddeler og flere arbeidsoperasjoner for å oppnå den nodvendige hermetiske lukning av enheten.

En stabilisert omgivelse for silisiumplaten 3° oppnås inne i cellen ved hjelp av en hul sylinder 39 av meget absorberende materiale så som natriumaluminiumsilikat og/eller kaliumaluminiumsilikat. Dette materiale absorberer gasser fra glass eller metalldeler og opp-rettholder atmosfæren inne i enheten på et hovedsakelig konstant fuktig-hetsnivå.

De enkelte likeretterenheters komponenter samles på den måte som fremgår av fig. 3* Fremstillingen av disse enheter begynner med fremstilling og utvelgning av store antall silisiumplater 30* Platene er av diffusjonstypen med full over nikkelmetallisering på flatene. Fremgangsmåten av slike metalliserte plater er vel kjent i halvlederindustrien. Utvelgningen av platene omfatter måling av deres likeretterkarakteristikk, fysiske dimensjoner og kassering av de plater som ikke holder minstemål.

For å minske omkostningene ved monteringen er konstruksjonen av likeretterenhetene slik at silisiumplaten og de andre kompo-nentene lett kan plasseres i kappen 31 og sylinderen 39 som tjener som en slags mal. Videre er de fleste bestanddeler med unntagelse av silisiumplaten, sylinderen og den isolerte gjennomføring billige presse-deler av enkleste sort som ved hurtig sammensetning tilfredsstiller kravene. Bestanddelene anbringes lost på hverandre under monteringen. Kappen 31©r kobberbelagt stål. I kappen anbringes forst en presset hul sylinder 39 av natriumaluminiumsilikat. Inne i sylinderen anbringes i tur og orden en skive ZP- av loddemetall, en kobberplate 36 > en skive 42 av loddemetall, silisiumplaten 30>en skive 43 av loddemetall, en kobberplate 35°S n°k en skive 44 av loddemetall. Kontakttråden 15 tres gjennom roret 45 i den isolerte gjennomføring og en liten ring 46 av loddemetall anbringes på kontakttråden 15 over roret 45 deretter anbringes gjennomfbringen 34 med flensen 47 Pa den ovre kappekant 33 idet den s-formede ende 38 av kontakttråden 15 ligger an på oversiden av skiven 44 av loddemetall. Den således samlede likeretterenhet anbringes på et transportbånd som er fort gjennom en opphetningsanordning med hydrogenatmosfære. Alle loddeforbindelser skjer ved opphetning i noen minutter til 465°^* På grunn av den lett redu-serende atmosfære i opphetningsanordningen, er noe loddemiddel ikke nodvendig under loddingen. Loddemetallet som anvendes i skivene 4^>

42, 43>44°g ringen 46 inneholder 2,5$ sblv, 5$ indium og for resten bly. Denne blanding er valgt på grunn av god fuktingsevne under loddingen og stor motstand mot termisk og mekanisk utmattelse.•

Under loddingen vil den fbrste kobberskive 36 bli loddet til kappebunnen og til undersiden av silisiumplaten 30* Den andre kobberplate 35 loddes til den ovre flate av silisiumskiven og til den i s-form bbyede ende 38 av kontakttråden 15 som loddes fast til roret 45* Den således loddede enhet transporteres så til en sveiseinnretning som sveiser den ovre kant 33 av kappen 31 til flensen 47 slik at det blir en hermetisk lukning av enheten. Kontakttråden 15 blir under sveisingen utsatt for et trykk, men dette opptas av den s-formede del 38 som er tilstrekkelig ettergivende. Likeretterenheten er nå ferdig til proving.

Likeretterenhetene proves og grupperes i samsvar med passeringsspenningskarakteristikken, det vil si de tilpasses innenfor 20 millivolt ved 100 amp. De proves også med hensyn til minstemål med hensyn til lekkasje og kontaktkarakteristikk som f.eks. temperaturøk-ning i overganger pr. avgitt_ effektenhet.

Ved sammensetning av enhetene til en likeretteranordning blir det i utsparinger 51 i basisplaten 14 anbrakt aktivert harpiksloddemiddel og plater 50 av loddemetall og enhetene anbringes med sine kapper ovenpå platene 50 av loddemetall. Når alle enhetene 12 er brakt på plass, anbringes et isolerende avstandsstykke 54 på hver av kontakttrådene 15 og ovenpå disse anbringes kontaktplaten 17 ved at kontakttrådene 15 fores gjennom åpninger 58 i kontaktplaten 17 som på oversiden er forsynt med et kontaktorgan 19. Deretter anbringes en liten ring 60 av loddemetall og som er aktivert med harpiksloddemiddel på hver kontakttråd 15 over platen 17.

For å oppnå best mulig termisk kontakt mellom enhetene og basisplaten 14 maskineres utsparingene 51 slik at loddemetalltyk-kelsen blir tynnest og jevnest mulig fordi loddemetallet har liten termisk ledningsevne.

Loddemetallet i platene $ 0 og ringene 60 har betydelig lavere smeltepunkt enn det loddemetall som anvendes i de enkelte enheter, og inneholder 3»5$ solv, 36, 5% tinn og dette gir et eutektisk loddemetall med et smeltepunkt på 221°C.

Hele den sammensatte anordning anbringes på et transportbånd og bringes til å passere en opphetningsanordning som foretar loddingen ved en temperatur på 230°C i en nitrogenatmosfære. Loddetemperaturen ligger godt under loddetemperaturen og mykningspunktet for loddemetallet i de enkelte enheter for at disse skal forbli upåvirket av denne andre loddeprosess. Anvendelsen av loddemiddel er ikke på noen måte uonsket ved denne andre loddeoperasjon fordi alle folsomme halvlederdeler er hermetisk innelukket i kappene.

Etter at denne andre lodding er utfort blir anordningen etter avfetting som også fjerner rester av loddemiddel, forsynt med et nikkelbelegg hvoretter likeretterenhetene og kontaktplaten 17 innstopes i en stopemasse l8 av epoxyharpiks som antydet med strekprikkede linjer på fig. 5.

En slik likeretteranordning for stor strom er meget billig å fremstille idet de enkelte bestanddeler er billig og krever lite arbeide i monteringen både i de enkelte enheter 12 og i hele anordningen 11. Kappen 31 og sylinderen 39 virker som maler under monteringen og det samme gjor basisplaten 14. Av de forskjellige bestanddeler har de fleste form av frittliggende flater og sylindere slik at den som monterer disse ikke har noen fintilpasning å utfore. Utsparingene i basisplaten 14 tjener også til å lokalisere kontakttrådene 15 slik at disse lett kan fores gjennom åpningene i kontaktplaten 17.

Da likeretterenhetene på forhånd velges ut med hensyn til kvalitet og ikke endres på noen måte under sammensetningen til en likeretteranordning, vil fremstillingseffektiviteten være tilnærmet 100% hvilket er flere ganger storre enn for en likeretter med en enkelt overgang.

"Kombinasjonen av små monteringsomkostninger og stor

effektivitet gir en likeretteranordning for stor strom som er meget billigere enn en tilsvarende likeretter med en enkelt overgang. Selv om likerettere med en enkelt overgang ikke er særlig vanskelig å mon-tere er produksjdnseffektiviteten forholdsvis lav. De deler som anvendes såsom store lukkédeler og store plater er temmelig kostbare og derfor vil omkostningene ved kasserte anordninger være ganske store.

Da disse omkostninger må bæres av fremstillingen av brukbare anordninger, blir likerettere for stor strom med en enkelt overgang meget kostbare særlig sammenlignet med anordninger ifolge oppfinnelsen. Ved fremstilling av anordninger ifolge oppfinnelsen vil selv effektiviteten av fremstillingen av de enkelte enheter nærme seg 100% på grunn av at de små plater som anvendes med meget storre sannsynlighet kan godtas og er mindre utsatt for odeleggelse under produksjonen.

Den viste utforelse er en likeretter for 24-0 amp. hvilket tilsvarer 11. enheter a* 25 amp. Det vil si at bare 10 enheter er nodvendig og 1 ekstra enhet er innbygget for å gi en ekstra sikker-het slik at hvis en enhet faller ut under midlertidige ekstreme forhold, vil anordningen allikevel opprettholde sin funksjon.

"Anordninger for storre strom enn 240 amp. kan fremstilles ganske enkelt ved anvendelse av en storre basisplate med flere utsparinger og ved anvendelse av flere enheter.

Anordninger for strommer opp til over 1000 amp. kan

lett fremstilles likesom anordninger med bare 2 celler. For spesielle anvendelser kan også en enkelt enhet loddes på en basisplate med bare en enkelt utsparing.

Anordninger ifolge oppfinnelsen er meget pålitelige og feilprosenten av enhetene er mindre enn 0,005%. Effektiviteten av likerettere ifolge oppfinnelsen er meget god. Prover utfort på likerettere på 400 amp. viser at strommen ikke konsentrerer seg bare i noen få av anordningens enheter. Anordningene ble provet under folgende forhold:

Frekvens 1 kHz.

Strbmgjennomgangens varighet $ 00 mikrosekunder. Stromgjennomgang 4°.000 amp.

Denne stromgennomgang ble gjentatt seks ganger med hver anordning hvilket skulle bevise at anordningene er istand til å motstå stor stromgjennomgang uten feil. Dette betyr en betydelig forbedring sammenlignet med halvlederlikerettere med bare en enkelt overgang, og dette skyldes-at de enkelte.enheter i anordningen ifolge oppfinnelsen er vel tilpasset hverandre slik at strommen gjennom anordningen for-deles jevnt. Enhetene er hver for seg i kombinasjon istand til å fylle*.

de fleste anvendelsesmuligheter for likerettere. Likeretteranordninger ifolge oppfinnelsen viser:

1. En okning av muligheten for stromgjennomgang sammenlignet med vanlige likerettere fra en grense betydelig mindre enn 500 amp. til godt og vel 1000 amp. og en okning til flere ganger når det gjelder midlertidige strbmtopper. 2. En betydelig reduksjon av fremstillingsomkost-ningene for en likeretter for stor strom. 3. En ekstra margin med hensyn til pålitelighet på grunn av innebygget reserve.

Claims (3)

1. Halvlederlikeretteranordning med et antall innbyrdes tilpassede likeretterenheter som er fast anordnet mellom en metallbasisplate og en felles kontaktplate, og som er elektrisk forbundet med hver sin kappe og kontakttråd, karakterisert ved at metallbasisplaten (14) er forsynt med et antall fordypninger (51) i hvilke enhetens (12) kapper (31) er fastloddet for termisk og elektrisk kontakt med metallbasisplaten som er forsynt med et. kombinert kontakt-og monteringsorgan (21) og at kontaktplaten (17) er forsynt med åpninger (58) som. ligger i flukt med de respektive fordypninger (5D> i hvilke åpninger enhetenes kontakttråder (15) er fastloddet for elektrisk og termisk kontakt med kontaktplaten som er forsynt med et felles kontaktorgan (19).

2. Anordning ifolge krav 1, karakterisert ved at trådkontakten (15) og kappen (31) har samme termiske egenskaper.

3. Anordning ifolge krav 1 eller 2, karakterisert ved at enhetene (12) og metallkontaktplaten (17) er innstopt i en stbpemasse (18), f.eks. epoxyharpiks.

4« Anordning ifolge et av kravene l-3>karak'teri~ sert ved at metallkontaktplaten (17) hviler på avstandsisolatorer (54) s° m er anordnet på kontakttrådene (15).