DE2265208C2

DE2265208C2 - Hochspannungs-Halbleitergleichrichter

Info

Publication number: DE2265208C2
Application number: DE2265208A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ishizuka; Takeshi Hitachi Sasaki; Kensuke Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-26
Publication date: 1981-12-24
Also published as: DE2265274C2; JPS5116264B2; DE2247159B2; DE2265208A1; DE2247159C3; CA987790A; DE2247159A1; JPS4843278A; DE2265274A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch-.. Solche Gleichrichter mit geringer Stiomaufnahme werden insbesondere für einen Hochspannungsleisxungskreis eines Elektronenmikroskops, Röntgengeräts oder Fernsehempfängers verwendet.

Ein Halbleitergleichrichter der vorausgesetzten Art ist aus der DE-GM 19 21 118 bekannt. Bei diesem sind zwichen den Halbleiterplättchen sowie diesen und den Elektroden zusätzlich zu den der gegenseitigen Verbindung dienenden Lötmateriallagen metallische Zwischenstücke einer derartigen Zusammensetzung und eines derartigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere aus Silber und Gold, eingefügt, daß s^h der resultierende Temperaturausdehnungskoeffizient jeder Reihenanordnung aus Halbleiterplättchen mit Lötschicht und Zwischenstück dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des mehrere Reihenanordnungen aufnehmenden Glaszylinders in einem gewünschten Temperaturbereich von -60⁰C bis +200°C im Bereich von 50 bis 150% annähert. Die Auswahl des für die Metallzwischenstücke verwendeten Materials wird durch die Tatsache erschwert, daß die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Plättchen, der Lötschichten und der Elektroden gleichzeitig berücksichtigt werden müssen.

Aus der US-PS 32 61075 ist es bekannt, die Glaseinbettung statt mit Hilfe eines Glaszylinders durch Auftragen einer Glaspulver-Wasser-Aufschwemmung und Schmelzen unter Erhitzung mit nachfolgendem Abkühlen zwecks Erstarrens herzustellen.

Das am häufigsten verwendete Material eines Halbleiterplättchens ist Silizium. Auch wird Aluminiumlot wegen seines geringen Preises, guten ohmschen Kontakts und der Abwesenheit von Verspannung, wenn man das Glas erhitzt, allgemeinn als Lötmaterial verwendet. Silizium, Glas und Aluminium haben Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,52 χ 10-⁶ bzw. 4,0x10-« bzw. 25,7 χ 10-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 Unterschiedes der Zugfestigkeiten dieser Materialien, die 1 kp/mm² bzw. 4 kp/mm² bzw.

ίο 15 — 30 kp/mm² für Silizium bzw. Glas bzw. Aluminium betragen, kann es vorkommen, daß Siliziumhalbleiterplättchen oder sogar das Glas während des Abkühlens des Glases brechen, wodurch ein weitverbreiteter Gebrauch eines Hochspannungs-Halbleitergleichrichters mit derart glasüberzogenen Halbleiterplättchen verhindert wird.

Diesbezüglich ist es aus der US-PS 32 61 075 bekannt, zur Herstellung von in Glas eingekapselten Halbleiterbauelementen mit Elektrodenanschlüssen Glas-, HaIbleiter- und Elektrodenanschlußmetallmaterialien so auszuwählen, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten möglichst angeglichen sind; dadurch wird Bruch und Zerstörung des Halbleiterbauelementes auch bei großen Temperaturänderungen vermieden.

Auf Anordnungen mit einem Plättchenstapel wird dabei nicht eingegangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs vorausgesetzten Art derart zu

so verbessern, daß Eigenschaftsverschlechterungen oder Durchschläge infolge von Wärmeausdehnungserscheinungen mit einfachen Mitteln und bei unabhängig voneinander jeweils optimaler Auswahlmöglichkeit des Einbettungsglases und der Abstandsstücke verhindert werden, ohne daß die mechanische Festigkeit beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

Mit dem Abstandsstück aus Halbleitermaterial an einem oder beiden Enden des Stapels und bei Einhaltung der Bedingung, daß damit die Wärmedehnung des Stapels höchstens gleich der der Glassschicht ist, werden in einfacher Weise Brüche der Halbleiterplättchen oder des Glases vermieden und ein fester und kompakter Aufbau mit guten elektrischen Eigenschaften gesichert, da man für die Abstandsstücke nicht erst Material mit besonderer Zusammensetzung und bestimmten Temperaturausdehnungskoeffizienten aussuchen muß, sondern in jedem Fall einfach das gleiche Material wie für die Halbleiterplättchen verwendet und indererseits für die Einbettung das zur Verbindung mit dem Stapel und den Elektroden und zur Passivierung optimale Glas verwenden kann.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Hochspannungs-Halbleitergleichrichters bisheriger Art,
F i g. 2 einen Längsschnitt eines Teils eines Hochspannungs-Halbleitergleichrichters gemäß der Erfindung,

F i g. 3 einen Längsschnitt eines Teils einer integrierten Hochspannungs-Halbleitergleichrichteranordnung mit einer Mehrzahl von Halbleitergleichrichtern nach Fig. 2.

h5 In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 11a, itb... 11/7 Siliziumhalbleiterplättchen mit einem PN-Übergang, die als lamellierter Stapel untereinander mittels Aluminiumlötmateriallagen i2b, 12c... 12n so verbun-

den sind, daß die Halbleiterplättchen elektrisch in Reihe geschaltet sind. An den Siliziumhalbleiterplättchen 11a und 11/7, die an den Enden des Stapels liegen, sind äußere Zuführungsdrähte 13a und 130 angebracht. Die Elektroden 14a und 146 aus Wolfram oder Molybdän, die angenähert den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium haben, woraus die Halbleiterplättchen 11a, 116 ... 11/7 bestehen, sind ebenfalls als Lamellierung mit den Halbleiterplättchen mittels Aluminiumlötmateriallägen 12a bzw. 12/7+1 verbunden, m

Die Anordnung mit diesem Aufbau wird Gleichrichtereinheit genannt, in der Praxis stellt man diese Gleichrichtereinheit her, indem man eine bestimmte Dicke von Aluminiumlot auf beiden Seiten eines Halbleiterplättchens mit einer bestimmten Oberfläche aufbringt, wodurch mehrere solche Plättchen übereinandergelegt und unter Erhitzung miteinander verbunden werden. Nach dem Abkühlen des Aluminiumlots und der Halbleiterplättchen werden die als Stapel verbundenen Halbleiterplättchen mit einer Diamantschneide oder einem anderen Schneidgerät zu einem zylindrischen Stapel geschnitten, um Haibleiterplättchen mit bestimmter Oberfläche zu schaffen. Beim nächsten Schritt werden die Elektroden unter Hitze mit dem Halbleiterplättchensignal verbunden, um die Gleichrichtereinheit zu vervollständigen.

Vorzugsweise wird Aluminium als Lötmaterial zum Verbinden der Halbleiterplättchen 11a, 116 ... Hn untereinander und zum Verbinden der Elektroden 14a und 146 damit verwendet, da Aluminium nicht nur eine jo 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 j5 elektrischen Widerstand hat. Auch andere Lötmaterialien, wie z. B. Lötmaterialfolie aus einer Aluminium-Silizium-Legierung läßt sich verwenden, soweit die erwähnten Erfordernisse erfüllt sind.

Die Gleichrichtereinheit wird über die gesamte Länge zwischen den Elektroden 14a und 146 mit einer Niedrigalkaliglasschicht überzogen, um die freiliegenden Umfangsteile jedes PN-überganges zu stabilisieren und der Gleichrichtereinheit mechanische Festigkeit zu verleihen.

Das Überzugsglas 15 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 >o 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 12a, 126 ... 12/7+1 einen solchen Schmelzpunkt haben, daß sich v, die Halbleiterplättchen nicht bei Temperaturen von 7OO-73O°C wieder lösen, bei denen das Glas verarbeitet wird.

Als Ergebnis wird während des Vorgangs der Verfestigung des Glases 15 das Glas 15 einer <io 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 b> 11a, 116... 11/7 werden einer Druckkraft aufgrund der Wärmedehnung ausgesetzt, brechen jedoch selten während des Abkühlungsvorganges bei stark verbesserter Ausbeute.

Allgemein hat Glas eine hohe mechanische Festigkeit, und der Glasüberzug 15 schützt nicht nur die Halbleiterplättchen lla, 116 ... lln, sondern vor allem die freiliegenden PN-Übergänge gegenüber äußeren Kärften. Auch ist es möglich, die Dicke des Glasüberzuges in Radialrichtung dünner zu machen, so daß sich ein kompakter Aufbau des Hochspannungs-Halbleitergleichrichters ergibt.

Um das angestrebte Ergebnis zu erreichen, lassen sich nun erfindungsgemäß Abstandsstücke mit einem niedrigen elektrischen Widerstand und ohne jeglichen PN-Übergang in der Gleichrichtereinheit einfügen. Solche Abstandsstücke sollen zwischen den Elektroden und den Halbleiterplättchen eingefügt werden, um eine verbesserte Durchbruchsspannung derjenigen Halbleiterplättchen zu erzielen, die sonst direkt an die Elektroden angrenzend liegen würden.

Das Prinzip dieser Maßnahme ist bei dem in Fig.2 dargestellten Halbleitergleichric';--;r verkörpert, wo man die Abs'andsslücke 36a und 3<>b zwischen der Elektrode 34a und der Halbleiterplättchengruppe 31a, 316 ... 31n und zwischen der Elektrode 346 und der Halbleiterplättchengruppe eingefügt und mittels Aluminiumiotmateriallagen verbunden sieht. Es ist vorteilhaft, leicht verarbeitbare Abstandsstücke mit einem niedrigen elektrischen Widerstand sowie mit einem angenähert gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient und einer annähernd gleichen Bruchfestigkeit wie die Halbleiterplättchen zu verwenden. Nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet man ein P- oder N-Typ-Siliziummaterial mit einer Dotierungskonzentration von etwa 1 χ 10¹⁸bis 1 χ 10¹⁹ Atome/cm³ oder mehr.

Wenn die Querschnittsfläche der Abstandsstücke größer als die der Halbleiterplättchen wäre, würde die Belastung aufgrund der Wärmeausdehnung auf die Abstandsstiicke 36a und 366, nicht aber auf die Elektroden wirken, wodurch die Einfügung der Abstandsstücke bedeutungslos wäre. Um dies zu verhindern, wird die Querschnittsfläche der Abstandsstücke 3oa und 366 gleich der der Halbleiterplättchen gemacht; dadurch erleichtern sich auch die Herstellungsverfahren der Abstandsstücke und Halbleiterplättchen.

Die aus einem Halbleiter eines einheitlichen Leitungstyps bestehenden Abstandsstücke mit einer hohen Dotierungskonzentration werden unter Hitze mit den Siliziumhalbleiterplättchen vorab mittels Aluminiiumlötmateriallagcn verbunden, und die Einheit wird dann zu einer zylindrischen Form geschnitten, worauf die Verbindung der Elektroden 34a und 346 einschließlich der äußeren Anschlußdrähte 33a und 336 mit dem zylindrischen Stapel unter Hitze und Bildung einer Gkictirichtereinheit folgt.

Während des Verfahrens zum Aufbringen des Glases 35 auf die Gleichrichtereinheit kommt es manchmal vor, daß sich Luft mit der Glasaufschwemmung vermischt, so daß Luftblasen zwichen dem Abstandsstück 36a und der Elektrode 34a oder zwischen dem Abstandsstück 366 und der Elektrode 346 vorliegen. Die Anwesenheit der Abstandsstiicke 36a und 36ö verhindert jedoch, daß solche Luftblasen die freiliegenden Teile von PN-Übergängen der Halbleiterplättchen 31a und 31n erreichen, die sonst an die Elektroden 34a und 346 angrenzend angeordnet wären Infolgedessen wird die Durchbruchsspannung der Halbleiterplättchen 31a und 31n auch in Gegenwart der Luftblasen nicht verringert, wodurch es möglich wird, einen Hochspannungs-Halbleitergleichrichter mit gewünschter Druchbruchsspannung zu

erzielen.

Die Halbleiter-Abstandsstücke könnten an irgendwelchen Stellen zwischen den Halbleiterplättchen oder zwischen einer Elektrode und den Halbleiterplättchen eingefügt werden, wenn der einzige Zweck die Justierung der Wärmedehnung wäre. Wenn es jedoch um eine Verbesserung der Durchbruchsspannung geht, ist der vorstehend erläuterte Aufbau anzuwenden.

Bei diesem Halbleiter-Abstandsstücke verwendenden Ausführungsbeispiel läßt sich die Beziehung zwischen der Wärmedehnung der Gleichrichtereinheit und der des Glasiiberzugs 35 durch die Ungleichung

('/'/,- /',) («V, +llih +(7,M S (T₁₁- T₁)O₁(I₁ +1; +1,).

wiedergeben, worin Tu die anscheinende Erstarrungstemperatur des Glases 35. T.\ Raumtemperatur, tx, den linearen Wärmeausdehnungskoeffizient der Halbleiterplättchen. 1X2 den linearen Wärmpaiisrlphnungskopffizienten der Lötmateriallagen, ^i den linearen Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases 35. Λ4 den linearen Wärmeausdehnungskoeffizient der Abstandsstücke, /1 die Gesamtdicke der Halbleiterplättchen. f> die gesamte Dicke der Lötmateriallagen und U die gesamte Dicke der Abstandsstiicke bedeuten.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist die Dicke der Halbleiterplättchen. Aluminiumlötmateriallagen und Abstandsstückc im Verhältnis zu ihren Querschnittsflächen zur Erleichterung der Darstellung übertrieben gezeichnet. Die Dicke dieser Elemente soll nun unter Bezugnahme auf ein Beispiel des Hochspannungs-Halbleitergleichrichters gemäß der Erfindung näher erläutert werden:

Dicke eines einzelnen
Halbleiterplättchens
Zahl der miteinander
verbundenen
Halbleiterplättchen

Dicke jeder	IO um	TC
Aluminiumlötmateriallage
Zahl der	14	TC
A luminiumlöt materiallagen
Anscheinende Erstarrungs	475X'	TC
temperatur des Glases (Tu)	30° C
Raumtemperatur (T,\)		TC
Wärmeausdehnungskoeffizient	3.52 χ 10
des Halbleiterplättchens («ι)
Wärmeausdehnungskoeffizient	25.7x10
des Aluminiumlots (λ?)
Wärmeausdehnungskoeffizient	4,0x 10
des Glases (αi)
Wärmeausdehnungskoeffizient des	3.52 χ 10
Halbleiterabsiandsstückes (χι)	3,8 mm
Dicke der Halbleiterabstandsstücke

230 μπι

13

Unter diesen Bedingungen wurde festgestellt, daß

Dri!Ckbp|?S'»ⁿg f"f dip nipirhrirhtprfinhoit und 7nghp-

-» lastung auf den Glasüberzug wirkt.

Fig. 3 zeigt eine integrierte Hochspannungs-Halbleiteranordnung mit einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Hochspannungs-Halbleitergleichrichtern gemäß der Erfindung.

In dieser Figur umfassen die Hochspannungs-Halb-Ieitcrgleichrichter4la. 41b und 41cGleichrichtcreinheiten, die mit Glas überzogen sind, und jede davon bildet einen -er Gleichrichter, wie er in F i g. 2 dargestellt ist. Die Anschlußdrähte 42a und 42b werden daran

i" angebracht, um sie elektrisch in Reihe zu schalten, während äußere Anschlußdräh'e 43a und 43b mit den Hochspannungs-Halbleitergleichrichtern 41a und 41c verbunden werden, worauf Epoxyharz oder Glas 44 auf die gesamte Einheit aufgebracht wird. Jeder Hochspan-

r> nungs-Halbleitergleichrichter ist einer Beanspruchung aufgrund der Wärmedehnung während des Einformungsvorganges unterworfen, wird jedoch durch den Glasüberzug gegen Durchschläge oder Bruch geschützt.

llier/u 2 Bl;ilt /cichniiiiücn

Claims

Patentanspruch:

Hochspannungs-Halbleitergleichrichter mit einem Paar von Elektroden, zwischen denen ein säulenförmiger Stapel eingefügt ist, der eine Mehrzahl von Halbleiterplättchen mit PN-Übergang sowie eine Mehrzahl von Lötmateriallagen zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Halbleiterplättchen miteinander und mit den Elektroden aufweist, und mit einer schützenden Glasschicht, die den Stapel von einer Elektrode zur anderen bedeckt, wobei die Wärmedehnung des Stapels durch Anfügung eines Abstandsstücks an einem oder beiden Stapelenden gleich oder geringer als die der Glasschicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsstücke (36a, 36b) aus Halbleitermaterial ohne PN-Übergang und mit einem niedrigen elektrischen Widerstand bestehen und in dw zur Stapelungsrichtung senkrechten Ebene eine Querschnittsfläche aufweisen, die gleich der der Halbleiterplättchen (31a bis 31/j^ist, und daß die Wärmedehnung des Stapels über die Dicke der Abstandsstücke (36a, 36b) angepaßt ist.