УЛЬТРАБЫСТРЫЙ, ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫЙ, МОЩНЫЙ, ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИОД В МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОРПУСАХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА

Полезная модель представляет собой ультрабыстрый высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в металлокерамических корпусах по типу SMD для поверхностного монтажа в различных радиоэлектронных устройствах преобразовательной, импульсной техники, вторичных источниках питания, выпрямительных мостах, в т.ч. синхронно управляемых, высокочастотных усилителях мощности и др. устройствах и может быть использована в производстве в радиоэлектронной, электротехнической и др. областях промышленности.
В конструкциях современных мощных высоковольтных быстродействующих диодов в плоских металлокерамических корпусах по типу SMD: SMD-0,5; SMD-1, SMD-2, SMD-3, SHD-6; CoolPack-1, CoolPack-2; MultiPack, а также KT-93-1; KT-94-1; КТ-95-1; КТ-106-1 и др. на токи до 150А и напряжения до 1200 В, 1700 В используют следующие типы полупроводниковых диодных кристаллов:
- кремниевые диффузионные высоковольтные быстродействующие диодные кристаллы, выполненные на высокоомных эпитаксиальных или монокристаллических кремниевых подложках (пластинах);
- кремниевые высоковольтные быстродействующие диодные кристаллы с металлическим барьерным контактом Шоттки;
- арсенид-галлиевые высокоскоростные диодные кристаллы с металлическим барьером Шоттки;
- карбид-кремниевые высокоэнергетичные диодные кристаллы с металлическим контактным барьером Шоттки.
При эксплуатации в радиоэлектронной аппаратуре полупроводниковых приборов исключительное значение имеют температурные факторы окружающей среды и корпуса прибора, зависящие от выделяемой мощности на приборе. Предельные температуры эксплуатации на корпусе определяются конструкцией металлокерамического корпуса, вида или типа диодного полупроводникового кристалла, условий пайки, присоединения выводов, технологического цикла герметизации.
В кремниевых диодных структурах существуют физические ограничения рабочих температур, возникающих при рассеянии максимальных мощностей в объеме кристалла. Наиболее критичной областью считается зона границы металлургического р-n перехода диодных кристаллов, где под действием высоких электрических полей носители заряда с дрейфовой скоростью, близкой к насыщению, в зоне пространственного заряда соударяются с кристаллической решеткой, вызывая тепловые фононные колебания кристаллической решетки.
Предельная температура кремниевых диодных кристаллов, как диффузионных, так и с барьером Шоттки, ограничена значением 175°С. Мощность, выделяемая на диодных кремниевых кристаллах, зависит от типа применяемого корпуса и способов отвода тепла от корпусированного прибора в целом. В большинстве случаев верхний температурный предел на поверхности корпуса кремниевых диодов ограничен температурой 125°С. Фактически, уже начиная с рабочих температур на корпусе от 80÷100°С, прямая вольт-амперная характеристика диодных кремниевых кристаллов проявляет значительную нестабильность и с увеличением рабочих токов наблюдается отрицательная температурная зависимость прямого напряжения смещения на р-n переходе, т.е. его величина падает и довольно значительно, при этом на уровне больших инжекций неосновных носителей может возникнуть токовая нестабильность, локальные увеличения плотности электронно-дырочной плазмы в высокоомных катодных областях, приводящие к изменению и задержке комплексных динамических характеристик диодов в целом. Данная неустойчивость часто приводит к потере работоспособности прибора при повышенной температуре, избытку накопленного заряда, задержке времени его рассасывания, перегреву кристаллической решетки диодной структуры, выходу прибора из строя. К недостаткам также следует отнести невозможность параллельного включения диодных кремниевых структур в связи с разным коэффициентом отрицательной температурной зависимости, низкую подвижность неосновных носителей заряда, необходимость корректировок в сторону улучшения динамических свойств радиационными технологиями с последующим возрастанием прямых потерь при переключении, невысокую радиационную стойкость и относительно низкую электрическую прочность.
Рядом западных фирм, например, Semelab, IXYS и др. выпускаются более температуро-стойкие полупроводниковые диоды с ультрабыстрым переключением в металлокерамических корпусах по типу SMD. В конструкции таких приборов применяют диодные кристаллы на основе полупроводникового соединения GaAs с металлическим барьером Шоттки. На примере прибора SML09GB22U2 (www.semelab.com) показано, что максимальная температура p-n перехода металл-полупроводник достигает 175°С. Данные приборы значительно превосходят кремниевые по сочетанию характеристик времени восстановления (быстродействие):заряд восстановления:рабочая температура.
+
Но в силу того, что есть большие, практически пока непреодолимые, сложности получения толстых высокоомных эпитаксиальных структур n-n типа выращиванием из прямой газовой фазы, диапазон рабочих напряжений современных арсенид-галлиевых диодов Шоттки ограничен 250÷300 вольтами и токами до 50 А при очень хорошем быстродействии (время восстановления достигает 20 нсек при температурах свыше 100°С).
rr
2
Наиболее выраженным прототипом предполагаемой полезной модели являются карбид-кремниевые диоды Шоттки и их модификации - JBS диоды Шоттки, имеющие исключительно высокие динамических характеристики в сочетании с очень высоким диапазоном рабочих температур при эксплуатации приборов. Такие карбид-кремниевые диоды Шоттки как SSR30C100S1, SSR30C120S1 фирмы SSDI (Solid State Devices, Inc.) (www.ssdi-power.com), выполненные в корпусах типа SMD-1, имеют токи до 50 А, напряжения до 1200 В, значения τ (времени восстановления) до 30 нсек, заряд восстановления <300 нанокулон, рабочую температуру корпуса до 250°С при размерах кристаллов 4×8 мм.
Но имеются и выраженные недостатки и ограничения, к ним относятся:
- сильно выраженная зависимость прямой вольт-амперной характеристики карбид-кремниевых диодов Шоттки от температуры на р-n переходе и корпусе;
- фактические значения прямого падения напряжения на барьерном переходе металл-полупроводник возрастают в 1,5÷2 раза при изменении температур от 25 до 150°С, а это вызывает возрастание динамических потерь при включении карбид-кремниевых диодов Шоттки не менее чем в 1,5 раза.
+
-
15
-
+
-
2
Высоковольтные карбид-кремниевые приборы выполняются на подложках карбида кремния политипа 4Н n- n типа со значениями толщины эпитаксиального n-4H-SiC слоя от 10 мкм и выше, с концентрацией нескомпенсированной донорной примеси от 3·10 и ниже. Выращивание буферного эпитаксиального слоя n-4H-SiC из прямой газовой фазы - сложнейший дорогостоящий процесс (в десятки раз более трудоемкий чем прямая газовая эпитаксия кремниевых n- n структур). При этом дефектность поля выращенных эпитаксиальных n- областей очень велика и сегодня невозможно говорить о разумности рабочих размеров кристаллов на карбиде кремния свыше 50 мм. Из-за вышеприведенных проблем дефектности эпитаксиальных слоев существует и проблема надежности барьерного перехода полупроводник-металл. При применении различных металлов в качестве контакта барьерного слоя, например, подслоя силицида титана и алюминия верхняя температура такого барьерного перехода ограничивается 160°С, хотя этот барьер наиболее технологически разработан и широко применяется. При применении Ti-Ni-Au слоев температурный диапазон расширяется.
Одной из проблем надежности карбид-кремниевых диодов Шоттки является деградация барьерного слоя при длительной эксплуатации в экстремальных рабочих режимах из-за сильного физико-химического взаимодействия и активности дефектов приповерхностного слоя полупроводника с барьерным металлом, т.е. проблема зарождения дефектов металл-полупроводникового барьера.
Технология термохимической-плазмохимической обработки карбид-кремниевых кристаллов достаточно сложна и трудоемка.
Основной технической задачей предполагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных и динамических характеристик быстродействующих высоковольтных диодов, повышение их надежности., расширение температурного диапазона применения.
3
4
2
3
Данная задача достигается тем, что вместо карбид-кремниевых диодов Шоттки или JBS используются p-i-n диодные кристаллы на основе арсенида галлия с монтажом их в металлокерамических корпусах по типу SMD-0,5; SMD-1, SMD-2, SMD-3, SHD-6; CoolPack-1, CoolPack-2; MultiPack, содержащих в конструкции металлический кристаллодержатель или кристаллодержатель комбинированного типа металл-теплоотводящая изолирующая керамика на основе BeO, AlN, SiN, АlO, BN, SiC-AIN, SiC, SiC-алмаз, AlN-алмаз и др., где теплоотводящая изолирующая керамика имеет на поверхности металлизированный рисунок для монтажа одного, двух, трех, четырех, шести и более кристаллов арсенид-галлиевых p-i-n диодов или электрически автономных, или соединенных попарно - параллельно - последовательно, или по полумостовой или мостовой однофазной схеме, или по мостовой трехфазной схеме, или другими комбинациями. На кристаллодержателе методом пайки монтируется керамический изолирующий каркас с металлизацией по контуру, с выполненными в нем от трех и более планарными выводами для поверхностного монтажа. Кристаллы напаиваются на кристаллодержатель. Выводы к соответствующим областям выполняются методом термокомпрессионной или ультразвуковой сварки медной, алюминиевой, золотой проволоки или методом пайки. Герметизация производится коваровой, никелевой или другой металлической крышкой методом роликовой сварки и другими способами.
Меняя топологию сборки металлизированных участков керамического кристаллодержателя, можно выполнить различные варианты диодных сборок в одном корпусе.
При выполнении, например, последовательности сборки корпуса SMD-типа и монтажа диодного кристалла в корпусе, как-то:
- пайка кристаллодержателя с керамическим изолирующим каркасом, с одновременной пайкой в каркасе планарных столбиковых выводов припоями типа ПСР-72 при температуре около 850°С в вакуумной или инертно-восстановительной среде, с последующей пайкой кристалла p-i-n арсенид-галлиевого диода на эвтектические припои Au-Ge, Au-Si и др., ультразвуковой разваркой выводов и герметизацией корпуса SMD-типа методом роликовой сварки можно достичь рабочих температур корпуса до 300°С (Минимальная температура разрушения данной конструкции корпуса - 620÷630°С по шву роликовой сварки).
На основании результатов исследований и практических результатов испытаний p-i-n диодных кристаллических структур получены следующие результаты:
j
- максимальная рабочая температура р-n перехода T достигает 300°С;
- зависимость прямой вольт-амперной характеристики от температуры управляется и задается технологическим процессом, как с отрицательным, так и с положительным коэффициентом обратной связи в зависимости от схемного применения;
- высокая технологичность и низкая трудоемкость, материалоемкость получения высоковольтных p-i-n диодных арсенид-галлиевых кристаллов;
- достаточно низкие прямые падения напряжения на диодной структуре и низкие динамические потери при включении;
- динамические свойства, быстродействие, времена переключения практически постоянны вплоть до рабочих температур до +250÷+300°С;
- арсенид-галлиевые p-i-n диоды с положительным температурным коэффициентом прямой вольт-амперной характеристики легко параллелятся в различных схемных решениях;
- арсенид-галлиевые p-i-n диоды в металлокерамических корпусах имеют на порядок более высокую по сравнению с кремниевыми ультрабыстрыми высоковольтными диодами радиационную стойкость.
2
3
На фиг.1, 2 показаны конструктивные исполнения арсенид-галлиевых p-i-n диодов в корпусах типа SMD, где 1 - металлический кристаллодержатель; 2 - керамический изолирующий теплоотводящий кристаллодержатель с различными топологическими металлизированными участками для пайки кристаллов; 3 - керамический каркас, чаще всего на основе AlO с металлизацией под герметизацию и выводные отверстия; 4 - планарные выводы, например, из металлов и сплавов на их основе Сu, Mo, W, ковар и др.; 5 - кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода или множество кристаллов с защитным покрытием; 6 - выводы кристалл - вывод корпуса; 7 - герметизирующая металлическая крышка, например из никеля, ковара и др.
+
+
2
3
3
4
Металлические детали корпуса 1, 4, 8 получаются методом штамповки или другим способом. Каркас-изолятор - методом специального прессования, литья и высокотемпературной обработки с нанесенной по контуру и на выводных участках многокомпонентной металлизацией для герметизации шва и токоотводящих отверстий. Кристалл из арсенида галлия изготавливается методом жидкостной эпитаксии катодного p-i-n слоя на низкоомную анодную p- подложку с последующей эпитаксией n- слоя на катодный p-i-n слой, созданием соответствующих меза-областей, металлических контактов к анодной и катодной областям кристалла и защитой меза-области кремнийорганическими покрытиями. Теплоотводящая изолирующая керамика изготавливается из шихты определенного состава на основе материалов с химическим составом BeO, AlN, AlO, SiN, BN, SiC, SiC-Al, SiC-алмаз, AlN-алмаз и др. методом прессования, спекания, с двусторонним нанесением и термообработкой соответствующих топологических рисунков металлизации. Герметизация крышки осуществляется методом шовно-роликовой, лазерной, конденсаторной и другими видами сварки.