DE3325355A1

DE3325355A1 - Verfahren zur herstellung eines gleichrichterelements

Info

Publication number: DE3325355A1
Application number: DE19833325355
Authority: DE
Inventors: Efim Davidovi&ccaron; Tallin Chutoryanskij; Erik Robertovi&ccaron; Galinskij; Eduard Germanovi&ccaron; Karpov; Oleg Michailovi&ccaron; Korolkov; Viktor Leonidovi&ccaron; Kuzmin; Gennadij Nikolaevi&ccaron; Sur&zcaron;enkov; Gunnar Kaarlovi&ccaron; Toomsoo; Vladimir Viktorovi&ccaron; Zumberov
Original assignee: NI I PT I SISTEM PLANIROVANIJA
Current assignee: NI I PT I SISTEM PLANIROVANIJA
Priority date: 1983-02-03
Filing date: 1983-07-14
Publication date: 1984-08-09
Also published as: SE8303838L; IT8341604A0; FR2540673B1; JPS59144176A; SE8303838D0; SU1114253A1; IT1195541B; FR2540673A1; IT8341604A1

Description

Besehreibung
Die Erfindung "betrifft

eis Verfahren zur Herstellung von Gleichrichterelensenten·
Die Erfindung kann beim Metallisieren und bei der Herstellung von Koataktverbindungen in Halbleiterbauelementen der Leistungselektronik mit Druckkontakten in Stift- und Tablettenbauweise verwendet werden. Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleichrichterelemeats bekannt (siehe SU ES 664244-), welches darin besteht, daß zwei gegenüberliegende Seiten einer Halbleiterstruktur durch chemisches Abscheiden von Metall, beispielsweise Aluminium, an ihr metallisiert werdea, und nachstehend an einer der Seiten der HaIbleiterstruktur mittels einer flüssigen Phase (beispielsweise durch Lötea) ein Temperaturkompensator (ein Werkstoff, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient dem Temperaturausdehnungskoeffizient von Si nahe ist, meist Mo, W b^w. deren Legierungen) befestigt wird. B,ei den nach dem angeführten Verfahren hergestellten Gleichrichtereleraenten weist die abgeschiedene Metallschicht einen hohen spezifischen Übergangswiderstand, eine hohe Porösität und die Neigung zur Schichtablösung bei der Dicke der Metallschicht über 5 #m auf, wodurch bei dem Gleichrichterelement eine Erhöhung der fmpuls-Durehlaßspannung und des thermischen Widerstands herbeigeführt wird.

Die Technologie des chemischen Abscheidens beschränkt sieh auf eine geringfügige Zahl von Werkstoffen, welche zum Metallisieren einer Halbleiterstruktur verwendet ^i©rd»n kömaea.

Die sich beim chemischen Abscheiden bildende Metallschicht weist eine ungleichmäßige Dicke auf.

Dieses Verfahren ist kompliziert, da nach dem chemischem Abscheiden des Metalls auf der Halbleiterstruktur das Gleichriehterelement einer Wärraebehand-

lung unterzogen werden muß, um die Adhäsion zwischen der Schickt des abgeschiedenen Metalls und der Halbleiterstruktur zu verbessern.

Das Verfahren gestattet es außerdem

nicht, die gleichzeitige Metallisierung der beiden gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterstruktur mit verschiedenartigen Metallen durchzuführen.

Bis ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleiehrichterelements für ein Halbleiterbauelement der Leistungselektronik bekannt (siehe US-PS 3987217), bei dem die Metallisierung zweier gegenüberliegender Seiten der Halbleiterstruktur durch Aufdampfen in Vakuum einer Metallschicht durchgeführt wird. Hiernach wird an einer der metallisierten Seiten der Halbleiterstruktur mittels einer flüssigen Phase (beispielsweise durch Löten) ein Temperaturkompensator befestigt.

Das genannte Verfahren ermöglicht es, die spezifische Übergangsspannung zu senken da hochreine Metalle verwendet werden können und der Prozeß im Vakuum durchgeführt v/erden kann, die Porosität der aufgedampften Metallschicht zu reduzieren, die Neigung dieser Schicht zum Ablösen bei der Dicke der aufgedampften Schiclrfe über 3 /im zu vermindern, die Zahl der zum Aufdampfen verwendbaren Metalle zu vergrößern und die Wärmebehand-

2J2 lung der aufgedampften Schicht überflüssig zu machen.

Aber das genannte Verfahren gestattet es nicht, die Metallisierung gegenüberliegender Seiten einer Halblei terstruictur gleichzeitig mit verschiedenartigen Metallen durchzuführen.

Die Metallschicht wird bei Schichtdicken über 10 pm porös und neigt zum Ablösen wodurch eine Erhöhung der Impuls-Durchlaßspannuüg des Gleichrichterelements und eine Vergrößerung seines thermischen Widerstands verursacht wird.

Bei einer Vergrößerung der Oberfläche der Halbleiterstruktur wird die Dicke der aufgedampften Sehicht weniger gleichmäßig.

Die Befestigung des Temperaturkompensators an der Halbleiterstruktur mittels einer flüssigen Phase gewährleistet nicht die gewünschte Homogenität des Kontakts, weil es praktisch, unmöglich ist, die Bec diraguagen zur absoluten Benetzung der zu verbindendes Oberflächen zu schaffen, wodurch wiederum eine Erhöhung der Xmpuls-DurGhlaßspannung und des thermischen Widerstands des Gleichriehterelements herbeigeführt wiri..

Außerdem erfolgt die Metallisierung der Halbleiterstruktur und die Befestigung des Tempereturkompensators an ihr in zwei getrennten aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen, wodurch die Arbeitsaufwendigkeit der Herstellung und der Anfall von

Ausschuß vergrößert wird.

Es ist ein Verfahren zur· Herstellung eines Gleichrichterelensents bekannt (V.Y. Zumberov, rB.L. Kusmin, S.D. Bmiroryansky, IT.H. Surzhenkow, Α.Ιϊ. Kyark "Diffusionsschweißen eines Gleichrichterelements eines Halbleiterbauelements der Leistungselektronik¹¹, " "JElektroteldmieheskaya promyshlennost", Seihe "Preobrazovatelnaya tefchnilca", 1978, Heft 7 (103), Seite 3), bei dem die Metallisierung von zwei gegenüberliegenden Seiten einer Halbleiterstruktur durch chmisches Abscheiden von Metall an diesen Seiten bzw. durch Aufdampfen von Metall in Vakuum durchgeführt wird. Hiernach wird an einer der metallisierten Seiten der Halbleiterstruktur der Temperaturkompensator mittels Diffusionsschweißen befestigt.

Da beim Diffusionsschweißen die Verbindung in der festen Phase stattfindet, kennzeichnet sich ein derartiger Eontakt durch einen hohen Homogenisierungsgrad, wodurch eine Reduzierung der Impuls-Durchlaßspannung und des thermischen Widerstands des Gleichrichterelemeats gewährleistet wird.

Da aber die gegenüberliegenden Seiten der Halblei-

terstruktur durch chemische» Abscheiden bzw. Vakuumbedampfung metallisiert worden sind, weist das gemäß diesem Verfahren hergestellte Gleichrichterelement trotzdem eine erhöhte Impula-Durchlaßspannung und einen erhöhten thermischen Widerstand auf, was auf die Neigung des aufgebrachten Metalls «um Ablösen . und zur Porosität und auf seine ungleichmäßige Dicke zurückzafuhren ist.

Die Metallschicht, di» auf die Halbleiterstruktur durch chemisches Abscheiden bzw. Vakuumbedampfung aufgetragen worden ist, weist infolge der Porosität in bezug auf die Verformung einen geringeren Widerstand auf al« die Metallschicht aus einem kompakten Werkstoff, die an der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterstruktur beim Diffusionsschweißen mit dem Temperaturkompensator angeschweißt worden ist, wodurch wiederum eine Vergrößerung der bleibenden Durchbiegung des Gleichrichterelements herbeigeführt wird.

Außerdem werden nach diesem Verfahren das Metallisieren der Halbleiterstruktur und das Befestigen des Temperaturkompensators an dieser Struktur in zwei ge*· trennten aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen ■ duigtfcgeführt, wodurch die Arbeitsaufwendigkeit der Herstellung erhöht und der Anfall von Aussohuß

vergrößert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gleichrichterelements die Metallisierung der Halbleiterstruktur und ihre Verbindung mit dem Temperaturkompensator derart durchzuführen, daß die Möglichkeit eines Ablösens der Metallschicht bei beliebiger Schichtdicke ausgeschlossen wird, ein gleichzeitiges Metallisieren zweier gegenüberliegender Seiten der Halbleiteretruktur mit gleich-bzw. verschiedenartigen Metallen, eine hohe Gleichmäßigkeit der Metallschichtdicke, eine Verminderung der bleibenden Durchbiegung des Gleichrichterelements, eine Reduzierung der Arbeit sauf we.ndigkeit seiner Herstellung, die Herabsetzung der Energieaufwände und eine

Terminderung ,der Zahl der unbrauchbaren Gleichrichterelemente gewätaäüfsistet wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines Gleichrichterelements durch Metalliflieruög zweier gegenüberliegender Seiten einer Halbleiterstruktur erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß die Metallisierung durch Diffusionsschweißen einer Metallfolie mit der Halbleiterstruktur durchgeführt wird, wobei das Schweißen gleichzeitig an beiden Seiten der Halbleiterstruktur erfolgt.

Bei Gleichrichterelementen, welche auf diese Weise hergestellt sind, werden die Dicke der Metallisierungsschicht, die Ungleichmäßigkeit der Dicke dieser Schicht und ihre chemische Ungleichartigkeit nur durch die entsprechenden Kennwerte dee ursprünglichen Materials der angeschweißten Polie bestimmt.

Ba die Folie eine feste Metallschicht mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit und einem niedrigeren elektrischen Widerstand im Vergleich zu dem auf die Obeifläche der Halbleiterstruk:fcur aufgebrachten Metall darstellt, weist dae nach dem erfindungagemäßen Verfahren hergestellte Gleichrichterelement einen kleineren thermischen Widerstand und eine niedrigere impuls-Durchflußep&nnung auf.

Die gleichmäßige Dicke der Metallschicht gewährleistet günstigere Verhältnisse zur Erzeugung eines Druck-Jcontakts mit dem Gleichrichterelement, wodurch wiederum eine zusätzliche ^Reduzierung des thermischen Widerstands und eine Verminderung der Impule-Durchlaßspannung des Halbleiterbauelemente insgesamt gewährleistet wird. Das vorliegende Verfahren ermöglicht es auch, das Metallisieren der Halbleiterstruktur mit einem kompakten !©tail durchzuführen, das frei von Poren und Oxideinschlüssen ist. Auch bei beliebiger Dicke der Metallschicht sich^von der Halbleiterstruktur nicht ab·

Is ist zweckmäßig, das Diffusionsschweißen der Metallfolie mit der Halbleiterstruktur gleichzeitig mit

dem Diffusionsschweißen de» Iemperaturkompensators mindestens an einer der Seiten der Halbleiterstruktur durchzuführen.

Die Durchführung der Metallisierung der gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterstruktur gleichzeitig mit dem Anschweißen des Temperatiarkompensators führt zu einer Herabsetzung der Arbeitsaufwendigkeit der Herstellung, einer Reduzierung der Zahl der unbrauchbaren Gleichrichterelemente und senkt die lünergieaufwände,

Es ist zweckmäßig, die starre Verbindung der Elektrode aus Silber bzw. aus Silberlegierungen mindestens mit einer der metallisierten Oberflächen der Halbleiterstruictur durch Diffusionsschweißen gleichzeitig mit dem Diffusionsschweißen der Metallfolie mit der Halbleiterstruktur durchzuführen und anschließend das hergestellte Gleichrichterelement bis auf die Temperatur von 250⁰C bis 230⁰C mit einer Geschwindigkeit von 0,1-bis l5°C/s abzukühlen.

Es ist zweckmäßig, die starre Verbindung der Elektrode aus Silber bzw. aus Silberlegierungen mit der Außenfläche des Temperaturkompensators durch Diffusionsschweißen gleichzeitig mit der Metallisierung mittels einer Metallfolie der Temperaturkompensatoroberfläche durchzuführen und anschließend das hergestellte Gleichrichterelement bis auf die temperatur von 250 bis 23O⁰C mit der Geschwindigkeit von 0,1 bis 15°C/s abzukühlen.

Die Verwendung des Diffusionsschweißens zur Erzeugung einer starren Verbindung zwischen der Elektrode aus Silber bzw. aus Silberlegierungen und der metallisierten Oberfläche der Halbleiterstruktur oder aber mit der metallisierten Oberfläche des Temperaturkompensators bedingt das Entstehen einer metallischen Bindung zwischen den Oberflächenatomen der Elektrode und den Atomen der Oberfläche der metallisierten Halbleiterstruktur auf der gesamten Kontaktnennoberfläche und eine Herabsetzung dea thermischen

— g _

Widerstands, da in diesem Zontakt der Mechanismus der Wärmeübertragung durch 'wärmeleitung auf Kosten der atomaren und molekularen Prozesse wirksam wird, im Vergleich zu den anderen, reinen Druckkontakten, wo die Wärmeübertragung außer der Wärmeleitung zusätzlich durch Konvektion und Strahlung erfolgt.

Die Verbindung der Elektrode aus Silber bzw. aus Silberlegierungen mit der metallisierten Halbleiterstruktur bzw. mit dem Temperaturkompensator durch Diffusionsschweißen ermöglicht eine Erhöhung der Qualität der hergestellten Gleichrichterelemente , da die Betriebskennwerte dieser Elemente in einem geringeren Maße beeinträchtigt werden, da bei diesem Verfah- sen ein fester physischer Kontakt auf der gesamten Hennfläche gewährleistet und der thermische Widerstand minimal wird und gleichzeitig die bedeutende plastische Verformung und das Herauspressen der Elektrode bei den zyklischen Änderungen des Stroms und kei äen sie begleitenden zyklischen Änderungen der Temperatur beseitigt wird. Letzteres wird dadurch erzielt, daß die radialen Beanspruchungen, welche bei den Zyklischen ^&gfriiqgafiin Erscheinung treten, nicht nur von der Elektrode aufgenommen werden, wie es im Falle der freien Anordnung der Elektroden geschieht, sondern auch Ton derjenigen Oberfläche, an der die Elektrode durch Diffusionsschweißen starr befestigt ist.

Wenn als Metallfolie Aluminium verwendet wird, findet während des Diffueioneschweißens im Bereich der Schweißnaht die Bildung einer festen Lösung aus Aluminium und Silber statt. Bei dem Abkühlen nach dem Schweißen verläuft bei der Temperatur von 39O⁰C gemäß dem Zustandsdiagramm eine peritektische Übergangsreaktion in der übersättigen festen Lösung, wobei sich die intermetallische Terbindung Ag₃Al bildet. Die

Bildung einer solchen Zwischenschicht von intermetallischen Verbindungen ist sehr unerwünscht, da sie den

thermischen Widerstand erhöht und eine wesentliche Herabsetzung der Festigkeit und Plastizität der starren unmittelbaren Verbindung der Elektrode aus Silber bzw. aus Silberlegierungen mit der Metallisierungsschicht aus Aluminium verursacht, und dies wiederum eine Zerstörung der Verbindung herbeiführen kann, insbesondere bei zyklischer Einwirkung der thermischen Belastungen, die bei zyklischen Änderungen des Stroms in Erscheinung treten. Die Durchführung der Abkühlung nach dem Diffusionsschweissen mit einer bestimmten Geschwindigkeit verhindert die Bildung der unerwünschten Schicht der intermetallischen Verbindungen. Dies wird erreicht, wenn die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 15°C/s im Temperaturbereich ausgehend von der Schweisstemperatür bis zur Temperatur von 250 bis 23O⁰O durchgeführt wird. Es erfolgt also ein Abschrecken, d.h. ein Pesthalten des sich nicht im Gleichgewicht befindenden Gefüges der übersättigten festen Lösung von Aluminium in Silber. Bei Temperaturen aafcer 233 bis 23O°C verlaufen die Diffusionsprozesse derart langsam, dass die Bildung einer Schicht aus intermetallischen Verbindungen unmöglich wird. Bei der Abkühlung im angeführten Temperaturbereich mit einer Geschwindigkeit nicht unter O,l°C/s bildet sich im Bereich der Schweissnaht eine dicke Schicht aus intermetallischen Verbindungen Ag-,Al. Bei Abkühlgeschwindigkeiten über 15°0/s besteht die Gefahr, dass sich in der Halbleiterstruktur infolge des Wärme-» stosses und des Zeitmangels zur Relaxation der Spannungen Risse bilden.

Es ist zweckmässig, die Dicke der Metallfolie, die zwischen der Halbleiterstruktur und dem Temperaturkorapensator liegt, sowie die Dicke der an der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterstruktur angeordneten Metallfolie im Verhältnis 0,25 7 5 zu wählen.

Da der Werkstoff und die geometrischen Maße der Ilalbleiterstruktur und des Temperaturkompensators beim

Entwurf des Gleiebrichterelements ausgehend von der Gesamtheit der Anforderungen an die elektrophyeikalischen Kenndaten des Geräts festgelegt werden, verbleibt als einziger geregelter konstruktiver Parameter des Gleichrichterelements, das Verhältnis der Dicken der Metallfolien, die zum Metallisieren der Halbleiterstrukbur und zum Befestigen des Temperaturkompensators an ihr verwendet werden.

Wenn die Bauart des Gleichrichterelements die Verwendung eines Temperaturkompensators vorsieht, welcher eine erhöhte Steifheit und somit geringfügige bleibende Durchbiegungen dee Gleichrichtereleraents gewährleistet, wird das Verhältnis der Dicke der Metallfolie, die zwischen der Halbleiterstruktur und dem Temperaturkompensator liegt, aur Dicke der an der gegenüberliegenden Seite der Sieichrichterstruktur angeordneten Metallfolie zweckmässigerweise in der Grö'ssenordnung von 5 gewählt. Bei einem derartigen Verhältnis wird eine gute Flächigkeit des Elements aufrechterhalten und es ergibt sich die MSglichkeitj für die Metallisierung der Oberfläche der Halbleiterstruktur, welche der am Temperaturkompensator anliegenden Fläche dieser Struktur gegenüberliegt, eine dünne Metallfolie zu verwenden. Die Anwendung einer dünnen Folie ist vorzuziehen, falls in den nachfolgenden Arbeitsgängen bei.der Herstellung des Gleichrichterelemeats das fotolithographische Verfahren verwendet wird, . da hierbei eine höhere Präzision und Qualität der Fotolithographie auf der Metallfolie gewährleistet wird.

Wenn das Gleichrichterelement konstruktiv eine geringe Steifheit aufweist, ist es zur Beseitigung der bleibenden Durchbiegung des Elements zweckmässig mit einem Verhältnis der Dicke der Metallfolie, die zwischen der Halbleiterstruktur und dem Temperaturkompensator liegt, zur Dicke der an der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterstruktur angeordneten Metallfolie in der Grössenordnung von 0,25 zu. arbeiten. Aber wenn mit einem Verhältnis der Foliendickeii gearbeitet wird, das 0,25 unterschreitet, wird das Vorzeichen der bleibenden Durchbiegung des Gleichrichterelements negativ in bezug auf die Durchbiegung des

Iemperaturkompensators und beim Anlegen dee Xnpreßdrucks beim Einbauen de» Gleichrichterelements in das Gehäuse kommt es zur Zerstörung der Halbleiterstruktur. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise naher erläutert. Es zeigt

B¹Ig. I schematisch ein erfindungsgemäßes Gleichrichterelement

Pig. 2 schematisch ein Beispiel des Gleichrichterelements, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

fig. 3 schematisch ein anderes Beispiel de«, Gleichrichterelements, das nach dem- erf iii$g$g$~ ■ gemäßen Verfahren hergestellt ist. Fig. 4 schematisch ein weiteres Beispiel des Gleichrichterelements,das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt

durchgef Ulrrt:

Ein Paket, bestehend aus einer Halbleiterstruktur I Mit an ihren gegenüberliegenden Seiten angeordneten Metallfolienscheiben 2, 3» wird erwärmt, zusammengedrückt und während einer bestimmten Zeit in Vakuum gelagert, wobei Schweißverbindungen gleichzeitig auf den Flächen, die in Pig. I durch waagerechte Linien "a" und "b" gekennzeichnet -eind, auegebildet werden.

Bei der Herstellung des in Fig. 2 dargestellten Gleichrichterelements wird ein Paket zusammengeachichtet, welches aus der Halbleiterstruktur I mit an gegenüberliegenden Seiten dieser Struktur angeordneten Metallfolienscheiben 2, 3 und einem Temperaturkompensator 4 besteht. Das Verhältnis der Dicke der Scheibe 3 und der Dicke der Scheibe 2 muß im Bereich von 0,25 bis 5 gewählt werden. Das zusammengeschichtete Paket wird erhitzt, zusammengepreßt und während einer bestimmten Zeit in Vakuum gelagert, wobei Schweißverbindungen gleichzeitig auf den Flächen, die in Fig. 2 durch waagerechte Linien "a", "b" und "c" gekennzeichnet sind, ausgebildet werden.

Bei der Herstellung des in. Pig. 3 dargestellten GKLeichrichterelements wird ein Paket zusammengeschichtet, welches aus der Halbleiterstruktur I mit an den gegenüberliegenden Seiten dieser Struktur angeordneten Metallfolienscheiben cl₉ 3 und den I'emperaturkom-. pensatoren 4, 5 bestellt, wobei das Terhältnis der Dicken der Scheiben 3 und 2 im Bereich von 0,15 bis 10 zn wählen ist. Das zusammengeschichtete Paket wird erhitzt, zusammengepreßt und während einer bestimmten Zeit in Vakuum gelagert, wobei Schweißverbindungen gleichzeitig auf den Flächen, die in Fig. 3 durch waagerechte Linien "a^tf, "b", "c" und "d" gekennzeichnet sind, ausgebildet werden.

Bei der Herstellung des in Fig. 4 dargestellten Gleichrichterelementß wird ein Paket zusammengeschichtet, welches aua der Halbleiterstruktur I mit an den gegenüberliegenden Seiten dieser Struktur angeordneten Metallfolienscheiben 2, 3, dem Temperaturkompensator 4, einer Metallfolienscheibe 6 und Elektroden 7, 8 aus Silber bzw. Silberlegierungen besteht. Da« ausammengeechichtete Paket wird erhitzt, zusammengepreßt und während einer bestimmten Zeit in Vakuum gelagert, wobei Schweißverbindungen gleichzeitig auf den Flächen, die in Fig. 4 durch waagerechte Linien "a", "b" , "o", "d", "e", "f", und ^lrg" gekennzeichnet sind, ausgebildet herden. Anschließend wird das Gleichrichtereleaent bis auf die Temperatur (250-23O)⁰C mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 13°C/» abgekühlt.

nachstehend werden konkrete Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Terfahrens angeführt. Beispiel I

Hergestellt wurde ein Gleichrichterelement für einen dynamischen Thyristor, welcher für einen Nennstrom von 630 A und eine Scheitelsperrspannung von 2 bis 3 kV ausgelegt ist. Der Durchmesser der Si-Halbleiterstruktur, des Temperaturkompensators aus Wolfram und der Aluminiumfolieascheiben war 50 mm . Die Dicke der

Si-Struktur war 0,6 mm, die des ^emperaturkompensators aus Wolfram 3 mm. Die Dicke der Aluminiumfolie, die zwischen dem Temperaturkompensator und der Halbleiterstruktur angeordnet ist, beträgt 0,12 mm, c die Dicke der Folie, die für das Metallisieren der gegenüberliegenden Seite der Si-Struktur bestimmt ist, beträgt 0,013 mm. Das Terhältnis der Foliendicken ist gleich 9.

Das Diffusionsschweißen des zusammengeschichteten Pakets wurde bei der Temperatur von 55O⁰C mit einem spezifischen Anpreßdruck von 15 n£Pa durchgeführt, der Unterdruck in der Kammer betrug 66,5 MPa während 300 s.

Nachdem die Einzelteile untereinander durch das Diffusionsschweißen verbunden worden waren, betrug die bleibende Durchbiegung des Elements 0,008 mm. Beispiel 2

Hergestellt wurde ein Gleichrichterelement für eine Diode, welche für Schweißumformer bestimmt und für einen Nennetrom von 2000 A und eine Scheitelsperrspannung von 400 V ausgelegt ist. Der Durchmesser der Si-Struktur, des Temperaturkompensators aus Molybdän und der Aluminiumfolienscheiben war 40 mm. Die Dicke der Si-Struktur war 0,25 mm» die des Mo-Temperaturkompenaators 0,5 mm. Die Dicke der Aluminiumfolie, die zwischen dem Temperaturkompensator und der Struktur angeoistiftet wird, war 0,05 mmt <3-^ie Dicke der Folie für das Metallisieren der gegenüberliegenden Seite der Struktur war 0,28 mm. Somit ist das Verhältnis der Foliendicken gleich 0,18. Das Diffusionsschweißen des zusammengeschichteten Pakets wurde bei der Temperatur von 55O⁰C mit einem spezifischen Anpreßdruck von 15 MPa bewerkstelligt, der Unterdruck in der Kammer betrug 66,5 mPa während 300 s.

Nachdem die Einzelteile untereinander durch das Diffusionsschweißen verbunden worden waren, betrug die bleibende Durchbiegung des Elements 0,01 mm. Beispiel 3
Hergestellt wurden Gleichrichterelemente für eine

Süekwärtsdiode mit folgenden Auslegung3d«ten; Hennstrom (80-100) A, Scheitel3perrspannung (0,7-1»5) kV. Der Durchmesser der Si-Struktur und des Temperaturkompensators aus Wolfram betrug 18 mm. Den gleichen Durchmesser wiesen auch die Aluminiumfolienscheiben auf, welche zwischen dem 'lemperaturkompeneator und der Struktur angeordnet wurden, und Scheiben, die zum Metallisieren der gegenüberliegenden Seite der Struktur vewendet wurden. Die Dicke dieser Scheiben betrug 0,05 mm bzw. 0,012 mm. Somit ergab sich ein Verhältnis der Dicken der lolienscheiben gleich 4,2. Die Dicke der Si-Struktur war 0,3 mm, die des li'-Teraperaturkompensators 1,5 mia.

Das Diffusionsschweißen des zusammengeschichteten Pakets wurde bei 55O⁰C mit einem spezifischen Anpreßdruck von 15 MPa dtirahgeführt, der Unterdruck in der Kammer betrug 66,5 mPa während 300 β.

K&chdem die aufgezählten Einzelteile untereinander durch das Diffusionsschweißen verbunden worden waren, betrug die Durchbiegung des Elements 0,01 mm. Beispiel 4

Hergestellt wurde ein Gleichrichterelement für eine HF-Kückwärtsdiode, die für einen Jtfennstrom von 1000 A ausgelegt ist. Der Durchmesser sämtlicher zusammenzuschweißender Elemente betrug 32 jum. Es wurde ein Paket zusammengeschichtet das aus einer Silberscheibe von 0,15 sun Dicke, einer Aluminiumscheibe von 0,1 mm Dicke, einer Si-Struktur, sowie aus Aluminium- und Silberscheiben, deren Dicke 0,1 mm bzw.0,15 mm betrug, bestand. Das Diffusionsschweißen wurde entsprechend den in Beispiel 1 angeführten Betr&bszuständen durchgeführt. Das Abkühlen von der Schweißtemperatur 55O⁰C bis auf die !Temperatur von 250⁰C erfolgte mit der Geschwindigkeit von 0,15 °C/s.

Die nach dem Schweißen durchgeführten metallographischen und Mikroröntgen-StrukturUntersuchungen des Schweißnahtbereichs haben eindeutig erwiesen, daß im

Bereich der Schweißnaht eine Schicht aus intermetallischen Verbindungen Ag-JIl nicht vorhanden ist. Die nachfolgenden Prüfungen der Dioden haben deren hohe elektrische, Temperatur- und Betriebskennwerte erwiesen.

Beispiel 5

Hergestellt wurden Gleichrichterelemente für einen Thyristor, der für einen universalen Einsatz in der Industrie bestimmt ist und für einen Hennstrom von 320 A ausgelegt war. Der Durchmesser sämtlicher zusammenzuschweißender Teile betrug 32 mm. Die starre unmittelbare Befestigung der Elektroden in Form von Silberscheiben mit einer Dicke von 0,05 mm wurde gleichzeitig mit der Erzeugung sämtlicher Schweißverbindungen im Gleichrichterelement durchgeführt. Es wurde ein Paket zusammengeschichtet, welches aus einer Silberscheibe, einer Aluminiumscheibe mit der Dicke von 0,02 mm, einer Si-Struktur, einer Aluminiumscheibe, Dicke 0,1 mm, einem Temperaturkompensator aus Wolfram, einer AIuminiumscheibe mit der Dicke von 0,05 mm und einer Silberscheibe bestand. Das Diffusionsschweißen wurde entsprechend den in Beispiel I angeführten Betriebszuständen durchgeführt. Die Abkühlung im Temperaturbereich von 550 bis 23O⁰C wurde mit einer Geschwindigkeit von 14°C/s durchgeführt.

Metallographische Untersuchungen an fünf Gleichrichterelementen ergaben, daß eine Zwischenschicht aus intermetallischen Verbindungen nicht vorliegt und die Halbleiterstruktur frei von Rissen ist.

Die Prüfungen der Gleichrichterelemente in den entsprechenden Geräten erwiesen die hohen Kennwerte und die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in bezug auf die elektrischen und die thermischen Parameter.

Beispiel 6

Es wurden Gleichrichterelemente für eine Hff-Diode mit 18 mm Durchmesser hergestellt. Die starre unmittel-

bare Befestigung der Sinterelektrodeη wurde gleichzeitig mit der Erzeugung aller anderen Kontakte im Gleichrichterelement durch Diffusionsschweißen durchgeführt. Es wurde ein Paket zusammengeschichtet, welches aus einer 0,02 mm dicken Aluminiumscheibe, einer Si-Strulctur, einer ^ü,l mm dicken Aluminiumscheibe, einer 1,5 m dicken Wolframscheibe, einer 0,05 mm dicken Aluminiumscheibe und einer 0,05 ram dicken Silberscheibe bestand. Das Diffusionsschweißen des Pakets wurde bei der Temperatur von 550⁰C mit einer spezifischen Anpreßkraft von 15 MPa während 300 s in Vakuum 6ö,5 ^mPa durchgeführt. Die Abkühlung nach dem Schweißen bis auf die Temperatur von 230⁰C erfolgte mit der Geschwindigkeit von 4-,5°C/s. Metallographische Untersuchungen ergaben, daß die Schweißverbindung zwischen Silber und Aluminium frei von intermetallischen Verbindungen ist, und die ■Prüfungen der zusammengeschweißten Gleichrichterelemente im Gerät zeugten von hohen elektrischen, thermischen und betriebstechnischen Charakteristiken.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Gleichrichterel'ements weist gegenüber den konventionellen Verfahren folgende Vorteile auf:

- es ermöglicht die Herstellung von Gleichrichterelementen mit einem -kleineren thermischen Widerstand und einer kleineren Impula-Durchlaßspannung;

- es ermöglicht die Erhöhung der Festigkeit

des Gleichrichterelements in bezug auf alle betriebstechnischen Beanspruchungen;

- es ermöglicht eine Verminderung des Verbrauchs hochreiner Metalle

- es ermöglicht das Einsparen von Silber wegen der Verringerung der Dicke der Elektroden aus Silber bzw. aus Silberlegierungen;

- es ermöglicht die starre unmittelbare Befestigung der Elektroden aus Silber bzw. Silberlegierungen gleichzeitig mit der Erzeugung sämtlicher Kontakte im Gleichrichterelement ;

- es ermöglicht die Senkung der Arbeite- und Energieaufwände bei der Herstellung der Gleichrichterelemente;

- es ermöglicht eine Verminderung der Zahl der unbrauchbaren Gleichrichterelemente;

- es ermöglicht eine -Reduzierung der Zahl und der Äosten der zur Anwendung kommenden Ausrüstungen, sowie der Produktionsflächen, welche für das Aufstellen dieser Ausrüstungen erforderlich sind.

Claims

Hauehno-issledovatelsky i proektno-tekhnologichesky institut sistem planirovania i upravlenia ν eloktropromyshlennosti Tallinskogo elektrotekhnicheskogo Zavoda imeni M. I. Kalinina

VESFAHHBN ZUR HERSTELLUNG EINES GLEICHRICH-TERELEMENTS
PATENTANSPRÜCHE:

Verfahren zur Herstellung eines Gleichrichterelemeats durch. Metallisierung zweier gegenüberliegender Seiten einer Halbleiterstruktur (I), dadurch gekennzeichnet , daß

- die Metallisierung durch Diffusionsschweißen einer Metallfolie (2, 3) mit der Halbleiterstruictur (I) durchgeführt wird,

- wobei das Schweißen gleichzeitig an beiden Seiten ter Halbleiteretruktur (£) durchgeführt wird.

9. ¥erfahren nach Anspruch I durch Diffusionsschweißen dea Temperaturkompeasators (4) mindestens an einer der Seiten der Halbleiterstruktur (I), dadurch gekenn -zeichnet , daß das Diffusionsschweißen der Metallfolie (2j 3) mit der Halbleiterstruktur (I) gleichzeitig mit dem Diffusionsschweißen des Temperaturkorapensators (4) dwrekgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der Metallfolie (2), die zwischen der Halbleiterstruktur (I) und dem Tempe-

raturkompensator (4-) angeordnet ist, und. die Dicke der Metallfolie (3), die an der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterstruktur (Ϊ) Angeordnet ist, im Verhältnis (0,15fl0) gewählt wird.

4. Verfahren naeh Anspruch I₁ das eine starre Verbindung _v Elektrode (7) »us Silber bzw. aus Silberlegierungen mindestens mit einer der metallisierten Oberflächen der Halbleiterstruktur (Σ) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindung durch Diffusionsschweißen gleichzeitig mit dem Diffusionsschweißen der Metallfolie (2) mit der Halbleiterstruktur (I) erzeugt wird und hiernach das hergestellte Gleichrichterelement bis auf die Temperatur von 250 bis 230⁰C mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 15°C/s abgekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, das eine starre Verbindung der Elektrode (8) aus Silber bzw. Silberlegierungen mit der Außenfläch· des $emperaturkompeasators umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindung der Elektrode (8) durch Diffusionsschweißen gleichzeitig mit der Metallisierung der Außenfläche des Temperaturkompensators mittels einer Metallfolie durchgeführt wird und hiernach das hergestellte Gleichrichterelement bis auf eine Tempe-

25«
0,1 bis 15 °C/s abgekühlt wird.

ratur von 250 bis 230⁰C mit einer Geschwindigkeit von