DE2247159C3

DE2247159C3 - Hochspannungs-Halbleitergleichrichter

Info

Publication number: DE2247159C3
Application number: DE2247159A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ishizuka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-26
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2265274A1; DE2247159B2; DE2265208C2; DE2265274C2; DE2265208A1; JPS4843278A; JPS5116264B2; CA987790A; DE2247159A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter gemäß dem Oberbegriff des einzigen Patentanspruchs.

Derartige Hochspannungs-Halbleitergleichrichter, insbesondere mit geringer Stromaufnahme, werden im Hochspannungskreis eines Elektronenmikroskops, Röntgengeräts oder Fernsehempfängers verwendet.

Ein bekannter Hochspannungs-Halbleitergleichrichter geringer Stromaufnahme umfaßt ein Paar von Wolfram- oder Molybdän-Elektroden mit je einem äußeren Anschlußdraht am Ende, eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterplättchen, die zwischen den Elektroden eingefügt und laminiert gebunden sind, ein erstes Isoliermaterial, wie z. B. Silikongummi, das auf dem Umfangsbereich de? Halbleiterplättchenstapels über die gesamte Länge von einer Elektrode zur anderen aufgebracht ist, und ein zweites Isoliermaterial, wie z. B. Silikonharz oder Epoxydharz, das über dem ersten Isolierüberzug aufgebracht ist.

Bei einem solchen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter ist die Bindung zwischen den Elektroden und dem ersten Isoliermaterial instabil, und es tritt ein großer Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliermaterial auf, so daß sich, wenn das zweite Isoliermaterial nach dem Aufbringen auf das erste Isoliermaterial ausgehärtet wird, oft ein Spalt zwischen diesen insbesondere über die Länge zwischen einer Elektrode und der anderen entwickelt, was zu einem dielektrischen Durchschlag aufgrund der Kriechentladung und damit zu teuren Verlusten der Funktionen als Hochspannungs-Halbleitergleichrichter führt.

Um eine hohe Durchschlagsspannung zu erzielen, ist es üblich, eine Mehrzahl der genannten Hochspannungs-Halbleitergleichrichter in Reihe zu schalten und sie einstückig in Epoxydharz einzuformen. Dies ist nicht nur wirksam zum Verhindern der Entladung, die sonst zwischen den Stromzuführteilen oder frei liegenden Teilen des Leiters auftreten würde, sondern auch vorteilhaft zur Handhabung der Halbleitergleichrichter. Jedoch hat dieser Aufbau den Nachteil, daß die erhöhte Querschnittsfläche des Epoxydharzes eine mechanische Beanspruchung verursacht, die bei dem einzelnen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter nicht auftritt.

Epoxydharz hat allgemein einen um eine Größenordnung höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein Halbleiterplättchen, und das Haibleiterplüttchen entwickelt bei hohen Temperaturen aufgrund des Unterschiedes des Wärmeausdehnungskoeffizienten eine Zugspannung, bei der das Halbleiterplättchen leicht versagt Um dies zu verhindern, ist es übliche Praxis, die zulässige Umgebungstemperatur der einstückig eingeformten Vorrichtungen auf 108° C oder weniger zu steuem.

Dieses Problem der Zugbelastung wird durch Verwendung eines ersten Isoliermaterials aus Glas gelöst, das hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Silizium und den Elektroden fast gleich ist Auch läßt sich, da Glas nicht nur elektrisch stabil, sondern auch mechanisch fest ist, das zweite Isoliermaterial einsparen, wodurch sich hinsichtlich der Kompaktheit und geringeren Kosten des Hochspannungs-Halbleitergleichrichters Vorteile ergeben.

Ein solcher Hochspannungs-Halbleitergleichrichter umfaßt dann ein Paar von Elektroden, eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterplättchen, die zu einem Stapel miteinander verbunden sind, um eine Gleichrichtereinheit zu bilden, und eine Glasaufschwemmung oder Mischung von Glaspulver und Wasser, die über die gesamte Länge zwischen den Elektroden am Außenumfang der Gleichrichtereinheit aufgebracht wird. Diese Glasaufschwemmung wird unter Erhitzen geschmolzen und nachher durch Abkühlung zum Erstarren gebracht.

Das am häufigsten verwendete Material eines HaIbleiterplättchens ist Silizium. Aluminiumlot wird wegen seines geringen Preises, guten ohmschen Kontakts und der Abwesenheit von Verspannung, wenn man das Glas erhitzt, allgemein als Lötmaterial verwendet. Silizium, Glas und Aluminium haben Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,52xlO-⁶/°C bzw. 4,OxIO"⁶/⁰ C bzw. 25,7 χ lO-VC. Dies zeigt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas etwa der gleiche wie der von Silizium ist, daß jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient des Aluminiumlots, wie vorstehend gezeigt, um etwa eine Größenordnung größer als der von Silizium ist, wodurch während des Vorganges der Abkühlung des Glases eine Druckbelastung im Glas und eine Zugbelastung im Siliziumhalbleiterplättchen und Aluminiumlot hervorgerufen werden. Wegen des Unterschieds der Zugfestigkeiten dieser Materialien, die 1 kp/mm² bzw. 4kp/mrn² bzw. 15—30 kp/mm² für Silizium bzw. Glas bzw. Aluminium betragen, kann es vorkommen, daß SiIiziumhalbleiterplättchen oder sogar das Glas während des Abkühlens des Glases brechen, wodurch ein weitverbreiteter Gebrauch eines Hochspannungs-Halbleitergleichrichters mit glasüberzogenen Halbleiterplättchen verhindert wird.

Andererseits ist es bekannt (US-PS 32 61 075), zur Herstellung von in Glas eingekapselten Halbleiterbauelementen mit Elektrodenanschlüssen Glas-, Halbleiterund Elektrodenanschlußmetallmaterialien auszuwählen, die möglichst angeglichene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Weiter ist es bekannt (DE-OS 19 39 900), einen Selengleichrichter mit einem oder mehreren Plattenstapeln, jedoch ohne Glashülle so herzustellen, daß Wärmeausdehnungsunterschiede durch federnde Mittel absorbiert werden und unterschiedliche dicke Abstandsstücke besonders im Plattenstapel-Mittelbereich eingesetzt sind, um die Abstrahlung von Wärme zu verbessern und die Temperatur der einzelnen Halbleiterplättchen zu ver-

gleichmäßigen, zu welchem Zweck die Dicke der HaIbleiterpiättchen neben den Gleichrichterenden auf niedriger Temperatur dünner als die Dicke der Halbleiterplättchen mit mittleren Teil höherer Temperatur ist.

Schließlich ist es bekannt (DE-GM 19 21 118), zur Herstellung einer Diodenanordnung mit einem Stapel scheibenförmiger Halbleiterplättchen, zweier Elektrodenanschlüsse und einer Glasschutzhülle zwischen sämtlichen i-i-dlbleiterscheiben metallische Abstandsstücke zu verwenden, die derart ausgewählt sind, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Halbleiterstapels im wesentlichen gleich dem der Glasschutzhülle ist.

Der Erfindung liegt, hiervon ausgehend, die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter mit einem Paar von Elektroden, einer Mehrzahl von zwischen den Elektroden in Form eines säulenförmigen Stapels eingefügten Halbleiterplättchen des PIN-Übergangstyps, einer Mehrzahl von Lötmateriallagen zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Halbleiterplättchen miteinander und mit den Elektroden, und mit einer schützenden Glasschicht, die den Stapel von einer Elektrode zur anderen bedeckt, wobei die Wärmedehnung des Stapels an die der Glasschicht angepaßt ist, derart auszubilden, daß Eigenschaftsverschlechterungen oder Durchschläge infolge von Wärmeausdehnungserscheinungen mit einfacheren Mitteln verhindert werden, ohne daß die mechanische Festigkeit und die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöi.1, daß die Dicke der !-Schicht der den Elektroden benachbarten Halbleiterplättchen derart erhöht ist, daß die Wärmedehnung des Stapels gleich der oder geringer als die der Glasschicht ist

Mit dieser Dickenerhöhung der I-Schicht der an die Elektroden angrenzenden Halbleiterplättchen und bei Einhaltung der Bedingung, daß damit die Wärmedehnung des Stapels höchstens gleich der der Glasschicht ist, werden in einfacher Weise Brüche der Halbleiterplättchen oder des Glases vermieden und ein fester und kompakter Aufbau mit guten elektrischen Eigenschaften gesichert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines Hochspannungs-Halbleitergleichrichters, bei dem einige der Halbleiterplättchen durch erhöhte Dicke der !-Schicht dicker als die anderen sind, und

Fig.2 einen Längsschnitt eines Teils einer integrier- *en Hochspannungs-Halbleitergleichrichteranordnung mit einer Mehrzahl von Halbleitergleichrichtern nach Fig. 1.

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 21a, 21b ... 21/7 Siliziumhalbleiterplättchen mit einem PIN-Übergang, die als lamellierter Stapel untereinander mittels Aiuminiumlötmateriallagen 22b ... 22n so verbunden sind, daß die Halbleiterplättchen elektrisch in Reihe geschaltet sind. An den Siliziumhalbleiterplättchen 21a und 21/3, die an den Enden des Stapels liegen, sind über Elektroden 24a bzw. 246 äußere Zuführungsdrähte 23a und 23b angebracht. Die Elektroden 24a und 246 aus Wolfram oder Molybdän, die angenähert den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium haben, sind ebenfalls als lamellierter Stapel mit den Halbleiterplättchen 21a bzw. 21/7 mittels Aiuminiumlötmateriallagen 22a und 22/2+1 verbunden.

Diese Anordnung stellt man in der Praxis her, indem man eine bestimmte Dicke von Aluminiumlot auf beiden Seiten eines Halbleiterplättchens mit einer bestimmten Oberfläche aufbringt, wonach mehrere solche Plättchen übereinandergeiegt und unter Erhitzung miteinander verbunden werden. Nach dem Abkühlen des Aluminiumlotr und der Halbleiterplättchen werden die als Stapel verbundenen Halbleiterplättchen mit einer Diamantscheibe oder einem anderen Schneidgerät zu einem zylindrischen Stapel geschnitten, um Halbleiterplättchen mit bestimmter Oberfläche zu schaffen. Beim nächsten Schritt werden die Elektroden unter Hitze mit dem Halbleiterplättchenstapel verbunden, um die Gleichrichtereinheit zu vervollständigen.

Vorzugsweise wird Aluminium als Lötmaterial zum Verbinden der Halbleiterplättchen 21a, 2lb... 21/7 untereinander und zum Verbinden der Elektroden 24a und 24b damit verwendet, da Aluminium nicht nur eine gute Benetzbarkeit für Silizium, sondern auch einen geeigneten Schmelzpunkt aufweist, so daß es nicht genügend schmilzt, um eine Trennung zwischen den verbundenen Teilen während des Erhitzungsvorganges des Glases zu verursachen, und einen niedrigen elektrischen Widerstand hat. Auch andere Lötmaterialien, wie z. B. Lötmaterialfolie aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, lassen sich verwenden, soweit die erwähnten Erfordernisse erfüllt sind.

Die Gleichrichtereinheit wird über die gesamte Länge zwischen den Elektroden 24a und 24ö mit einer Niedrigalkaliglasschicht 25 überzogen, um die frei liegenden Umfangsteile jedes PIN-Überganges zu stabilisieren und der Gleichrichtereinheit mechanische Festigkeit zu verleihen.

Das Überzugsglas 25 besteht zunächst aus einer Mischung von Glaspulver und Wasser, die in Aufschwemmungsform gerührt und auf die Umfangsflächen der Gleichrichtereinheit aufgebracht wird. Das Verfahren zum Verarbeiten des Glases variiert mit dessen Zusammensetzung, doch nach den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Glas für etwa 3 Minuten auf 700—730° C erhitzt und zu einem verfestigten Zustand abgekühlt. Daher sollen die Lötmateriallagen 22a, 22b ... 22n+ i einen solchen Schmelzpunkt haben, daß sich die Halbleiterplättchen nicht bei Temperaturen von 700—730°C wieder lösen, bei denen das Glas verarbeitet wird.
Der Hochspannungs-Halbleitergleichrichter, der den vorstehend beschriebenen Aufbau hat und nach den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten erhalten wird, umfaßt eine Gleichrichtereinheit mit einem axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der gleich dem oder niedriger als der von Glas sein sollte. Mit anderen Worten ist der Betrag der Wärmedehnung der Gleichrichtereinheit erfindungsgemäß gleich dem oder geringer als der von Glas gemacht. Diese Beziehung läßt sich durch die Ungleichung

(Th-Ta)(OCi f, +A₂ t₂) S (T₁₁-Ta) a₃ (U + t₂)

wiedergeben, worin Th die anscheinende Erstarrungstemperatur des Glases 25, Ta Raumtemperatur, <x\ der lineare Wärmedehnungskoeffizient des Halbleitermaterials, <x₂ der lineare Wärmedehnungskoeffizient des Lötmaterials, Kz der lineare Wärmedehnungskoeffizient des Glases. 25, U die Gesamtdicke der Halbleiterplättchen und h die gesamte Dicke der Lötmateriallagen ist. Von diesen Größen sind Th, Ta, <x\, <x₂ und cxz Konstanten, während ii und t₂ Variable sind.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung sind die den Elektroden 24a und 24έ> benachbarten Halbleiterplättchen 2!a, 2ib, 2ic, 21/3—2, 21/7 — 1 und 21/3 dicker

als die Halbleiterplättchen 21c/... 21/7—3, indem die Dicke der I-Schicht erhöht ist, um die obige Ungleichung zu erfüllen.

Als Ergebnis wird während des Vorgangs der Verfestigung des Glases 25 das Glas 25 einer Zugbelastung und die Gleichrichtereinheit einer Druckbelastung unterworfen. Silizium, das ein Hauptbestandteil der Halbleiterplättchen ist, gibt leicht einer Zugbelastung nach, wie oben erwähnt ist, hält jedoch eine erhebliche Druckkraft aus. Die Halbleiterplättchen 21a, 2\b ... 21n werden einer Druckkraft aufgrund der Wärmedehnung ausgesetzt, brechen jedoch selten während des Abkühlungsvorganges bei stark verbesserter Ausbeute.

Die Halbleiterplättchen mit dicker !-Schicht wirken dabei nicht nur im Sinne der Regulierung des Betrags der Wärmedehnung des Stapels, sondern tragen auch zu einer höheren Durchschlagsspannung bei.

In Fig. 1 ist die Dicke der Halbleiterplättchen und Aluminiumlötmateriallagen im Verhältnis zu ihren Querschnittsflächen zur Erleichterung der Darstellung übertrieben gezeichnet. Die Dicke und Anzahl dieser Elemente und die Eigenschaften derselben sowie des Glases sind beispielsweise folgende:

Dicke eines einzelnen

Halbleiterplättchens 488 μπι

Zahl der zu einem Stapel
verbundenen Halbleiterplättchen 13
Dicke jeder

Aluminiumlötmateriallage 10 μιτι

Zahl der

Aluminiumlötmateriallagen 14

Anscheinende Erstarrungstemperatur des Glases (T_H) 475° C
Raumtemperatur (7^) 30⁰C Wärmeausdehnungskoeffizient
des Halbleiterplättchens (λ,) 3,52 χ 10-V⁰C
Wärmeausdehnungskoeffizient
des Aluminiumlots (λ₂) 25,7 χ 10~⁶/° C
Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases (a₃) ~ 4,0 χ 10-"/° C

Unter diesen Bedingungen wurde festgestellt, daß Druckbelastung auf den Stapel und Zugbelastung auf den Glasüberzug wirkt.

F i g. 2 zeigt eine integrierte Hochspannungs-Halbieiteranordnung mit einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Hochspannungs-Halbleitergleichrichtern gemäß der Erfindung.

In dieser Figur umfassen die Hochspannungs-Halbleitergleichrichter 41 a, 41 b und 41 c Gleichnchtereinheiten, die mit Glas überzogen sind, und jede davon bildet einen der Gleichrichter, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Die Anschlußdrähte 42a und 42b werden daran angebracht, um sie elektrisch in Reihe zu schalten, während äußere Anschlußdrähte 43a und 436 mit den Hochspannungs-Halbleitergleichrichtern 41a und 41c verbunden werden, worauf Epoxydharz oder Glas 44 auf die gesamte Einheit zwecks Integrationseinformung aufgebracht wird. Jeder Hochspannungs-Halbleitergleichrichter ist einer Beanspruchung aufgrund der Wärmedehnung während des Einformungsvorgangs unterworfen, wird jedoch durch den Glasüberzug gegen Durchschläge oder Bruch geschützt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Hochspannungs-Halbleitergleichrichter mil einem Paar von Elektroden, einer Mehrzahl von zwischen den Elektroden in Form eines säulenförmigen Stapels eingefügten Halbleiterplättchen des PlN-Übergangstyps, einer Mehrzahl von Lötmateriallagen zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Halbleiterplättchen miteinander und mit den Elektroden und mit einer schützenden Glasschicht, die den Stapel von einer Elektrode zur anderen bedeckt, wobei die Wärmedehnung des Stapels an die der Glasschicht angepaßt ist.dadurchgekennzeichnet, daß die Dicke der I-Schicht der den Elektroden (24a, 24b) benachbarten Halbleiterplättchen (21a, 2ib, 21c, 21/1-2, 2\n—\, 2\n) derart erhöht ist, daß die Wärmedehnung des Stapels (21a... 2\n)gleich der oder geringer als die der Glasschicht (25) ist.