Силовий напівпровідниковий прилад з притискними контактами (варіанти)

1 Силовий напівпровідниковий прилад з притискними контактами, який містить корпус з металевими струмопровідними електродами, між контактними поверхнями яких розташований напівпровідниковий кристал з одним або двома плоскими термокомпенсаторами, який відрізняється тим, що хоча б одна контактна поверхня термокомпенсатора, яка не є прилеглою до напівпровідникового кристалу, вкрита шаром напиленого алюмінію 2 Прилад за п 1, який відрізняється тим, що контактна поверхня з'єднаного з кристалом термокомпенсатора вкрита шаром напиленого алюмінію 3 Прилад за п 1, який відрізняється тим, що хоча б одна, не прилегла до напівпровідникового кристалу контактна поверхня термокомпенсатора, не з'єднаного з напівпровідниковим кристалом, вкрита шаром напиленого алюмінію 4 Прилад за п 1, який відрізняється тим, що усі контактні поверхні термокомпенсаторів вкриті шаром напиленого алюмінію 5 Прилад за пп 1-4, який відрізняється тим, що шар напиленого алюмінію є шаром напиленого у вакуумі алюмінію, і його товщина складає від 3 до ЗО мкм, а чистота алюмінію перевищує 97 % 6 Силовий напівпровідниковий прилад з притискними контактами, який містить корпус з металевими струмопровідними електродами, між контактними поверхнями яких розташований напівпровід никовий кристал з плоским термокомпенсатором і з тонкими металевими прокладками з високою електро- і теплопровідністю, який відрізняється тим, що контактна поверхня хоча б одного з електродів вкрита шаром напиленого алюмінію 7 Прилад за п 6, який відрізняється тим, що шаром напиленого алюмінію вкриті контактні поверхні обох електродів 8 Прилад за пп 6, 7, який відрізняється тим, що контактна поверхня з'єднаного з кристалом термокомпенсатора вкрита шаром напиленого алюмінію 9 Прилад за пп 6-8, який відрізняється тим, шар напиленого алюмінію є шаром напиленого у вакуумі алюмінію завтовшки від 3 до ЗО мікрометрів, а чистота алюмінію перевищує 97 % 10 Силовий напівпровідниковий прилад з притискними контактами, який містить корпус з металевими струмопровідними електродами, між контактними поверхнями яких розташований напівпровідниковий кристал з двома плоскими термокомпенсаторами, який відрізняється тим, що контактна поверхня хоча б одного з електродів вкрита шаром напиленого алюмінію 11 Прилад за п 10, який відрізняється тим, що шаром напиленого алюмінію вкриті контактні поверхні обох електродів 12 Прилад за п 10, який відрізняється тим, що хоча б одна контактна поверхня термокомпенсатора вкрита шаром напиленого алюмінію 13 Прилад за п 10, який відрізняється тим, що всі контактні поверхні електродів і термокомпенсаторів вкриті шаром напиленого алюмінію 14 Прилад за п 10 або 11, який відрізняється тим, що між контактними поверхнями електродів і термокомпенсаторів містяться тонкі металеві прокладки з високою електро-1 теплопровідністю 15 Прилад за пп 11-14, який відрізняється тим, що шар напиленого алюмінію є шаром напиленого у вакуумі алюмінію завтовшки від 3 до ЗО мікрометрів, а чистота алюмінію перевищує 97 % Винахід належить до галузі напівпровідникових приладів і може бути використаний при виготовленні силових напівпровідникових приладів з притискними контактами, наприклад, таблеткової або штирьової конструкції ДІОДІВ, тиристорів, фототиристорів, асиметричних тиристорів, тиристо (О (О ю 56620 рів-дюдів тощо, а також модулів з притискними металеві прокладки з високою електро- і теплоконтактами провідністю, новим є те, що хоча б одна контактна Відомим Є СИЛОВИЙ напівпровідниковий прилад поверхня термокомпенсатору, яка не є прилеглою (СНП) таблеткової конструкції (Ю А Евсеев, П Г до напівпровідникового кристалу, вкрита шаром Дерменжи Силовые полупроводниковые приборы напиленого алюмінію, -М Энергоиздат, 1981, с 86), який містить метановим також є те, що контактна поверхня з'єдлокерамічний корпус з мідними нікельованими наного з кристалом термокомпенсатору вкрита струмопровідними електродами, між плоскими шаром напиленого алюмінію, контактними поверхнями яких міститься напівпроновим також є те, що хоча б одна не прилегла відниковий кристал, сплавлений анодною поверхдо напівпровідникового кристалу контактна повернею з плоским молібденовим термокомпенсатохня термокомпенсатору, не з'єднаного з напівпрором відниковим кристалом, вкрита шаром напиленого алюмінію, Недоліком такого приладу є підвищене значення напруги на приладі у проводячому стані UFM, новим також є те, що усі контактні поверхні що призводить до виділення надмірного тепла на термокомпенсаторів вкриті шаром напиленого приладі під час його роботи і, як наслідок цього, до алюмінію, перегріву приладу і передчасного його виходу з новим також є те, що шар напиленого алюміладу Причина збільшення UFM полягає в наявності нію є шаром напиленого у вакуумі алюмінію, і його окису на контактній поверхні термокомпенсатору товщина сягає від 3 до ЗО мкм, а чистота алюмінію Цей окис з'являється неминуче під час термічних перевищує 97% операцій створення, стравлювання і пасивацм так Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю званого елементу напівпровідникового (напівпроознак технічного рішення, що заявляється, і технівідниковий кристал з термокомпенсатором), а тачним результатом, що досягається, полягає в токож перед і під час збирання приладу Доробок му, що введення нового покриття контактних потакого паразитного окису в загальне значення UFM верхонь з обмеженою товщиною природного окиможе сягати декількох десятих частин вольта, насу, а саме те, що хоча б одна контактна поверхня віть в тому випадку, якщо низку операцій проведетермокомпенсатору вкрита шаром напиленого но у неокислювальній атмосфері СНП такої консалюмінію - у сукупності з відомими ознаками затрукції властивий великий розбіг значень UFM В безпечує зниження UTM за умови збереження тримежах виробничої партії і від партії до парти, себто валої працеспроможності низька відтворюваність цього параметру Внаслідок нанесення алюмінію за допомогою Найбільш близьким за технічною суттю і ренапилення на контактну поверхню термокомпенсазультатом, що досягається, є силовий напівпровітору, остання вкривається шаром пластичного дниковий прилад (тиристор) з притискними контакметалу з високою електро- і теплопровідністю, що тами 5STR16F2800, що виробляється фірмою ABB має, з одного боку, високу адгезію до матеріалу Semiconductors AG (каталог "Тиристоры" фірми термокомпенсатора (молібдену, вольфраму тощо), ABB, 1996 р), який містить корпус з плоскими міда з іншого боку відтворює на своїй поверхні тонкий ними нікельованими електродами, між контактниміцний шар природного (нативного) окису Цей ми поверхнями яких розташований напівпровіднишар запобігає подальшому окисленню контактної ковий кристал з двома плоскими термокомпенсаповерхні під час ХІМІЧНИХ І термічних обробок при торами - молібденовими дисками, які вкриті шаром виготовленні елементу напівпровідникового і під родію (Rh) час складальних операцій Товщина окису практично не збільшується Така конструкція є цілком притискною і також має підвищене значення UTM на приладі До того ж, Кристалічна структура напиленого алюмінію процес покриття термокомпенсаторів родієм затака, що окрім відмінної адгезії і низького рівню надто складний і дорогий контактного опору напилений шар відрізняється високою пластичністю і електропровідністю на В основу винаходу поставлено задачу в силорівні об'ємного металу Перевагу має покриття вому напівпровідниковому приладі з притискними алюмінієм у вакуумі, наприклад, електронноконтактами шляхом введення нового покриття копроменевим напиленням Позитивний результат нтактних поверхонь термокомпенсатору, яке має досягається також нанесенням покриття за допообмежену товщину природного окису, забезпечити могою магнетронного розпилення зниження величини напруги на приладі у відкритому (проводячому) стані UTM (UFM ДЛЯ ДІОДІВ) при У випадку цілком притискної конструкції, коли зберіганні його довготермінової працеспроможношар напиленого алюмінію вкриває усі контактні сті Окрім вказаного технічного результату технічповерхні термокомпенсаторів, досягається найбіне рішення, що заявляється, дозволяє підвищити льший ефект Проте, позитивний результат досявідтворюванність UTM В межах партії приладів і від гається і втім випадку, коли напиленим алюмінієм партії до парти, а також технологічність виготоввкрита хоча б одна контактна поверхня термокомлення СНП пенсатору Поставлена задача вирішується тим, що в сиАЛЮМІНІЙ Є активним металом, і плівка прироловому напівпровідниковому приладі з притискнидного окису з'являється на його поверхні миттєво ми контактами, який містить корпус з металевими при зіткненні з повітрям Ця плівка є дуже тонкою і струмопровідними електродами, між контактними щільною її товщина з плином часу залишається поверхнями яких розташований напівпровідникопрактично незмінною в процесі виготовлення привий кристал з одним або двома плоскими термоладу, його збирання в корпус і герметизації При компенсаторами і, в необхідних випадках, тонкі монтажі СНП у робоче положення здійснюється 56620 рівномірне притискування контактуючих поверхонь му через декілька приладів в плечі схеми при їх з тиском близько до 15 МПа Пластичність алюміпаралельнім з'єднанні нію дозволяє одержати максимальну ефективну Так само рішення, що заявляється, використоплощу контакту, а суцільність тонкого окису руйнувується в штирьових СНП притискної конструкції, ється де притискування елементів один до одного здійсВикористання технічного рішення, що заявлянюється вже у корпусі за допомогою тарілчастих ється, дозволяє вилучити внесок електроопору пружин, а також у силових напівпровідникових мопідкисленої поверхні термокомпенсатору(ів) в задулях, де притискний контакт силових елементів гальний електроопір приладу Цей опір може сягаздійснюється до герметизації модуля ти значення, яке дає внесок в UTM на рівні десятих В СНП з так званим повним притискуванням частин вольту Він визначається багатьма техно(фіг 2, керуючий вивід, корпус і центруючий елелогічними чинниками Таким чином, рішення, що мент не вказані) напівпровідниковий кристал 13 заявляється, знижує рівень і підвищує відтворюмає двобічну металізацію - шар напиленого алюванність UTM В партіях приладів, що випускаються мінію 15-20 мкм завтовшки Кристал розташований між контактними поверхнями електродів корпусу 2 Діапазон товщини шарів, що напилюються, і 3 через термокомпенсатори 14 і 15 Контактні було визначено авторами емпіричним шляхом поверхні термокомпенсаторів, не прилеглі до наПри товщині шару алюмінію менш, ніж 3 мкм і стапівпровідникового кристалу, 13, вкриті шаром нандартних вимогах до неплоскісності і шерохуватопиленого алюмінію 16 сті термокомпенсаторів і корпусних деталей відтворюваного зменшення UTM не спостерігалося Після монтажу приладу в устаткування і його Збільшення товщини напиленого алюмінію більш, притискування ЗОВНІШНІМИ струмовід ВОДЯЧИМИ як ЗО мкм не призводить до додаткового зменшеншинами горизонтальні зазори між елементами ня UTM І ДО ТОГО Ж Є технологічно утрудненим і екозникають Зниження рівню і стабілізація значення номічно недоцільним UTM при роботі приладу здійснюються так само, як і в минулому прикладі Чистота напиленого алюмінію визначається способом напилення і чистотою матеріалу, що Позитивний ефект досягається не тільки в вивипаровується (розпилюється) Дослідним шляхом падку покриття усіх поверхонь термокомпенсатовстановлено, що при ЗМІСТІ АІ В напиленім шарі рів шаром напиленого алюмінію, але і втім випадбільш як 97% властивості окису (товщина і СТІЙку, коли хоча б одна, не прилегла до кристалу, КІСТЬ) практично незмінні і ведуть до зниження UTM, поверхня термокомпенсатору, не з'єднаного з напопри ХІМІЧНІ і термічні обробки і тривале зберіганпівпровідниковим кристалом, вкрита шаром напиня перед герметизацією порівняно з приладом леного алюмінію аналогом Було виготовлено дві партії лавинних ДІОДІВ притискної конструкції на струм 2000 А з діаметРішення, що заявляється, пояснюється малюром елементу напівпровідникового 56 мм в станнками, де зображені дартних корпусах Дюдні структури для обох парНа фіг 1 - поперечний переріз СНП притискної тій виготовлялися з одного і того ж злитку кремнію, конструкції, в якому кристал сплавлений з термоа поділення на партії відбувалося після сплавленкомпенсатором ня структури з термокомпенсатором Відміна доНа фіг 2 - поперечний переріз СНП, в якому слідної партії від контрольної в тім, що контактна контакт напівпровідникового кристалу з термокомповерхня термокомпенсатору в приладах дослідпенсаторами забезпечується за рахунок притискуної партії була вкрита шаром напиленого алюмінію вання (елементи корпусу не вказані) діаметром 50 мм Напилення втілювалося посліЗображений на фіг 1 діод притискної конструдовно на поверхню кремнію, а потім на поверхню кції містить герметичний металокерамічний корпус молібдену, після чого відбувався відпал алюмінію I з масивними мідними струмопровідними електза стандартною технологією В приладах контрородами 2 і 3, між нікельованими контактними польної партії поверхня молібденового термокомпеверхнями яких 4 і 5 крізь тонкі, наприклад, срібні нсатору алюмінієм не вкривалася прокладки 6 і 7 розташований елемент напівпровідниковий - кристал 8, сплавлений своєю анодною Випробування партій КІЛЬКІСТЮ ПО 50 приладів поверхнею з молібденовим або вольфрамовим кожна показало, що UFM ДЛЯ контрольної партії термокомпенсатором 9 Для центрування елеменскладало 1,73±0,19 В, а для дослідної - 1,57±0,11 ту напівпровідникового у корпусі використана В Звертає на себе увагу не тільки зменшення сецентруюча втулка 10 Кристал 8 має металізацію реднього значення UFM В ДОСЛІДНІЙ парти, але і його відтворюванність (середньоквадратичне відI I - шар напиленого алюмінію завтовшки 20 - 25 хилення набагато менше) мкм Контактна поверхня термокомпенсатора, яка Дослідна партія лавинних ДІОДІВ З успіхом вине є прилеглою до напівпровідникового кристалу, тримала випробування на довготермінову експлутакож вкрита шаром напиленого алюмінію 12 Заатацію в умовах жорсткого струмового навантазори між окремими елементами конструкції тут і ження на перетворювачі, який керував прокатним надалі вказані умовно При монтажі приладу на станом робочій позиції в перетворювачі відбувається стиОдержано тотожні результати і на тиристорах, скування приладу ЗОВНІШНІМИ зусиллями з тиском виготовлених згідно варіанту конструкції з повним близько 15 МПа таким чином, що горизонтальні притискуванням контактів Ці результати доводять, зазори між деталями зникають, і UTM встановлющо технічне рішення, що заявляється, дозволяє ється на стабільному рівні Дякуючи цьому, споживирішити поставлену задачу зниження величини вач досягає рівномірного розподілу великого струнапруги на приладі у відкритому (проводячому) 56620 стані, а також відтворюванність цього параметру, покращення технологічності виготовлення СНП Відомим Є СИЛОВИЙ напівпровідниковий прилад (СНП) з притискними контактами Т-153 (ИЕАЛ 432645 002), який виробляється заводом "Электровыпрямитель" (м Саранськ, Російська федерація), який містить металокерамічний корпус з мідними нікельованими струмопровідними електродами, між плоскими контактними поверхнями яких міститься крізь тонкі срібні, вкриті шаром родію 0,5±0,2 мкм завтовшки, прокладки напівпровідниковий кристал, сплавлений анодною поверхнею з плоским молібденовим термокомпенсатором, і центруючий елемент у вигляді кільця Недоліком такого приладу є підвищене значення напруги на приладі у відкритому стані UTM, що призводить до виділення надмірного тепла на приладі під час його роботи і, як наслідок цього, до перегріву приладу і передчасного його виходу з ладу Причина збільшення UTM полягає в наявності окису на контактних поверхнях електродів корпусу Цей окис з'являється після нікелювання корпусів, під час їх зберігання, транспортування, складання приладу і герметизації Процес складання СНП містить термообробки, що веде до окислення навіть коли відпал перед герметизацією проводять в неокислювальній атмосфері Прилад, таким чином, є критичним до умов проведення передскладальних операцій, власне складання і герметизації, а також до дотримування міжопераційних термінів зберігання - себто він є нетехнолопчним Такому СНП властивий великий розбіг значень напруги на приладі у відкритому (проводячому) стані в межах виробничої партії і від партії до парти, тобто низька відтворюванність цього параметру В основу винаходу поставлено задачу в силовому напівпровідниковому приладі з притискними контактами шляхом введення нового покриття контактних поверхонь з обмеженою товщиною природного окису забезпечити зниження величини напруги на приладі у відкритому (проводячому) стані UTM (UFM) при зберіганні його довготермінової працеспроможності Окрім вказаного технічного результату, технічне рішення, що заявляється, дозволяє підвищити відтворюванність UTM Поставлена задача вирішується тим, що в силовому напівпровідниковому приладі з притискними контактами, який містить корпус з металевими струмопровідними електродами, між контактними поверхнями яких розташований напівпровідниковий кристал з одним або двома плоскими термокомпенсаторами і, в необхідних випадках, тонкі металеві прокладки з високою електро- і теплопровідністю новим є те, що контактна поверхня хоча б одного з електродів вкрита шаром напиленого алюмінію, новим також є те, що шаром напиленого алюмінію вкриті контактні поверхні обох електродів, новим також є те, що контактна поверхня з'єднаного з кристалом термокомпенсатора вкрита шаром напиленого алюмінію, новим також є те, що хоча б одна контактна поверхня термокомпенсатору(ів), не з'єднаного(их) з напівпровідниковим кристалом, вкрита шаром напиленого алюмінію, 8 новим також є те, що всі контактні поверхні електродів і термокомпенсаторів вкриті шаром напиленого алюмінію, новим також є те, що шар напиленого алюмінію є шаром напиленого у вакуумі алюмінію завтовшки від 3 до ЗО мкм, а чистота алюмінію перевищує 97% Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак технічногорішення, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що введення нового покриття контактних поверхонь електродів з обмеженою товщиною природного окису, а саме те, що контактна поверхня хоча б одного з електродів вкрита шаром напиленого алюмінію - в сукупності з відомими ознаками забезпечує зниження UTM за умови збереження довготермінової працеспроможності Внаслідок нанесення алюмінію на контактну поверхню електроду напиленням, остання вкривається шаром струмопровідного пластичного металу, який має, з одного боку, високу адгезію до матеріалу електроду, а, з іншого боку, відтворює на своїй поверхні тонкий міцний прошарок природного окису, що запобігає окисленню контактної поверхні вглиб під час термообробки на складальній стадії Авторами дослідним шляхом встановлено, що позитивний ефект досягається при напиленні алюмінію як безпосередньо на мідну поверхню струмопровідного електроду, так і на нікелеве покриття за умови відповідної підготовки останнього перед напиленням Кристалічна структура напиленого алюмінію така, що окрім відмінної адгезії і низького контактного електроопору, шару властиві висока пластичність і висока (на рівні об'ємного матеріалу) питома електропровідність Перевагу має покриття алюмінієм у високім вакуумі, наприклад, за допомогою електронно-променевої гармати Позитивні результати досягаються також при використанні покриття, нанесеного за допомогою магнетронного розпилювання У випадку, коли напиленим алюмінієм вкриті обидва електроди, досягається максимальний ефект Однак, позитивний ефект досягається і в тім випадку, коли алюмінієм вкритий один з струмопровідних електродів Таке на практиці можливо, наприклад, коли виготовлювач приладів використовує куповані корпуси і не має можливості провести ефективну хімічну обробку перед напиленням, або коли напилювальне обладнання не дозволяє обробляти масивні корпусні деталі Наявність шару напиленого алюмінію на суміжній з електродом контактній поверхні термокомпенсатору також зменшує UTM на СНП, оскільки дозволяє позбутись внеску електроопору окису на термокомпенсаторі в загальне значення електроопору приладу Це рішення може бути застосоване як в випадку елементу напівпровідникового, так і для цілком притискної конструкції АЛЮМІНІЙ Є активним металом, і плівка окису створюється на його поверхні миттєво при зіткненні з повітрям Ця плівка дуже тонка і міцна, и товщина з плином часу залишається практично незмінною При монтажі СНП в робоче положення здійснюється рівномірне притискування контактів по усій площині з тиском близько 15 МПа Пласти 56620 10 чність алюмінію дозволяє при цьому збільшити має покращувати блокуючі властивості приладу, ефективну площу контакту, а тонкий окис руйнуяка захищається за допомогою шару захисного ється компаунду Контактна поверхня кристалу має напилену алюмінієву металізацію 11 Контактна поЗавдяки різниці к т р кремнію, матеріалу терверхня термокомпенсатору також може бути вкримокомпенсатора і МІДІ ПІД час роботи СНП здійста шаром напиленого алюмінію 12 Горизонтальні нюються взаємні радіальні мікропересування стизазори між елементами конструкції (вказані на фіг снутих деталей СНП, що додатково руйнує суцільЗ умовно) після монтажу СНП в агрегат зникають ність окисної плівки за рахунок притискування Використання технічного рішення, що заявляється, дозволяє позбутися доробку в загальний Було виготовлено партію СНП (ДІОДІВ) на електроопір СНП електроопору підокислених конструм 2000 А з використанням технічного рішення, тактів поверхонь електродів і, в певних випадках, що заявляється МІДНІ струмопровідні електроди термокомпенсаторів Величина цих складових зукорпусу на контактних поверхнях зсередини вкримовлюється численними технологічними чинникавали шаром напиленого алюмінію завтовшки 10-20 ми і має випадковий характер Таким чином, рімкм, після чого складали СНП згідно з звичною шення, що заявляється, підвищує відтворювантехнологією Порівняно з вибіркою ДІОДІВ у станність UTM (UFM) В партіях СНП, що виробляються дартних корпусах, контактна поверхня електродів яких була нікельованою, середнє значення UFM Діапазон товщин алюмінію, що напилюється, виявилося зменшеним на 8% і на 12% в разі виковизначено дослідним шляхом Так саме, як і для ристання ВІДПОВІДНО одної або обох контактних термокомпенсаторів, при товщині шару алюмінію поверхонь корпусу, вкритих алюмінієм менш, як 3 мкм, і стандартних вимогах щодо неПЛОСКІСНОСТІ і шерохуватості електродіві термокоТаким чином, силовий напівпровідниковий мпенсаторів зменшення UTM практично не досягаприлад, що заявляється, дозволяє забезпечити ється Збільшення товщини алюмінію більш, ніж ЗО зниження величини напруги на приладі у відкримкм, не призводить до додаткового зниження UTM І, тому (проводячому) стані при зберіганні довготердо того ж, є технічно і економічно недоцільним мінової працеспроможності, одночасно підвищити відтворюванність цього параметру і технологічРішення, що заявляється, пояснюється на фіг ність виготовлення СНП З, де зображений поперечний переріз СНП притискної конструкції з елементом напівпровідниковим Вимога єдності стосовно групи технічних ріМеталокерамічний корпус і центруюча втулка не шень, що заявляються, як групи винаходів, пов'явказані Контактні поверхні мідних струмопровідзаних єдиним винахідницьким задумом, підтверних електродів 2, 3 вкриті шаром напиленого алюджується тим, що обидві конструкції - з вкриттям мінію 17, 18 Між НИМИ через тонкі металеві проалюмінієм термокомпенсаторів і з вкриттям алюкладки з високою електро- і теплопровідністю (срімінієм контактних поверхонь електродів (і, при бні або МІДНІ, вкриті сріблом) 6, 7 розташований необхідності, термокомпенсаторів) є винаходами напівпровідниковий кристал 8, сплавлений за стаоднакового призначення, які забезпечують одерндартною технологією з термокомпенсатором 9 жання одного і того ж результату принципово одКристал зазвичай містить по периметру фаску, що ним і тим самим шляхом 11 56620 Підписано до друку 05 06 2003 р 12 Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24