ОБОДОК ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ КОРПУСОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Ободок для герметизации корпусов силовых полупроводниковых приборов относится к конструкциям металлокерамических корпусов полупроводниковых приборов, а именно - к конструкциям с применением металлических ободков для герметизации корпуса. Полезная модель может быть использована в электронной технике, а именно в конструкции ободка, для герметизации металлокерамических корпусов силовых полупроводниковых приборов.
Из технического уровня известен патент «Герметичный корпус для полупроводникового прибора или интегральной схемы СВЧ-диапазона» [RU Патент на изобретение №2489769. Опубликовано: 10.08.2013. Бюл. №22] содержащий многослойное керамическое основание, герметично соединенный с ним металлический ободок и прилегающую герметично к металлическому ободку металлическую крышку. Техническим результатом известного аналога является обеспечение достаточной герметичности корпуса, улучшение его электрорадиоэкранирующих характеристик, обеспечение возможности использования корпуса для поверхностного монтажа БИС СВЧ-диапазона с улучшенными техническими характеристиками и большим количеством выводов.
Также известен патент «Корпус интегральной схемы» [RU Патент на полезную модель №174067. Опубликовано: 28.09.2017. Бюл. №28] который состоит из керамического основания с матрицей столбиковых выводов. В центральной зоне основания выполнено глухое ступенчатое отверстие, в котором на монтажной площадке устанавливается интегральная схема. На верхней ступеньке отверстия закреплен ободок с помощью пайки высокотемпературным припоем. Герметизация крышки осуществляется шовно-роликовой сваркой методом проплавления металлов крышки и ободка. Техническим результатом известного аналога является высокая надежность и удобство в эксплуатации.
Недостатками технических решений [RU №2489769 от 10.08.2013. и RU №174067 от 28.09.2017. Бюл. №28] являются: невозможность их применения для мощных силовых модулей и микросборок, так как габаритные размеры представленных корпусов не позволяют разместить в них несколько кристаллов активных компонентов, схем их управления и пассивные компоненты; выводы указанных корпусов рассчитаны на пропускание максимального тока не более 1 А, что не подходит для применения в силовой электронике.
72
28
Известен корпус ИВЭП-47 (ЗАО «Тестприбор»), предназначенный для источников вторичного питания систем электропитания радиоэлектронной аппаратуры, состоящий из основания (базы) и ободка для герметизации корпуса. Ободок припаивается по периметру верхней поверхности основания и содержит сквозные отверстия в стенках для металлокерамических выводов. Припайка ободка к пластине осуществляется высокотемпературным припоем AgCu (ПСр72), что является отличительной особенностью данного вида корпусов от их аналогов, в которых основание и боковые стенки являются единым целым и выполнены методом фрезерования из металлической заготовки.
Недостатками данного технического решения являются: при высокотемпературной пайке ободка к основанию корпуса припоем ПСр72 в зоне пайки возникают механические напряжения, которые могут приводить к деформации корпуса и нарушению герметичности; наличие отверстий в ободке для расположения в нем выводов влечет за собой применение элементов для изоляции выводов (изоляторов) и как следствие усложнение процесса сборки корпуса; форма и расположение выводов не обеспечивают возможность применения технологии поверхностного монтажа для присоединения выводов к схемам при дальнейшей эксплуатации изделия.
Конструкция рассмотренного выше корпуса корпус ИВЭП-47 (ЗАО «Тестприбор») может быть принята в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Техническим результатом настоящей полезной модели является исключение деформации основания корпуса.
На фиг.1 изображен общий вид металлокерамического корпуса для силовых полупроводниковых приборов, где введены следующие обозначения:
1 - керамическое основание корпуса;
2 - сигнальные выводы;
3 - силовые выводы;
4 - ободок для герметизации корпуса;
5 - теплоотводящий фланец.
Достижение указанного технического результата достигается решением задачи по созданию ободка для герметизации корпусов силовых полупроводниковых приборов, позволяющего избавиться от недостатков, характерных для предшествующего технического уровня. Конструкция полезной модели ободка представлена на фиг. 2, где:
6 - тело ободка;
7 - разгрузочная канавка.
При этом профиль ободка (4) представлен на фиг. 3.
Заявляемое техническое решение представляет собой следующее: керамическое основание (1), выполненное из высокотеплопроводной керамики из нитрида алюминия, служит подложкой для размещения кристаллов активных компонентов устройства и пассивных компонентов. К нижней стороне керамического основания (1) припаиваются металлические выводы (2, 3) и теплоотводящий фланец (5). Металлические выводы (2, 3), служащие для создания электрического контакта с устройством, располагаются на противоположных сторонах керамического основания (1). Теплоотводящий фланец (5) имеет форму параллелепипеда с отверстиями под его крепление винтами. Ободок для герметизации корпуса (4), припаивается к верхней стороне керамического основания (1) на соответствующую металлизированную площадку, расположенную по периметру керамического основания. В качестве материала припоя для припаивания ободка (4), металлических выводов (2, 3) и теплоотводящего фланца (5) используют твердый припой, например, ПСр72. Процесс проводится при температуре 820-900°С в восстановительной среде. Необходимость использования высокотемпературной пайки вызвана требованиями к качеству корпусов, а именно паяный шов должен быть монолитным, поры и воздушные включения должны отсутствовать. Несоответствие температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) керамики и материалов металлических деталей корпуса при высокотемпературной пайке корпусов вызывают внутренние механические напряжения. Эти напряжения могут приводить к изгибу основания и как следствие нарушению герметичности изделия. После проведения операций по сборке электрической части изделия и проведения необходимых технологических испытаний металлокерамический корпус герметизируется путем приваривания никелевой крышки к ободку с помощью лазерной или шовно-роликовой сварки.
Ободок для герметизации корпусов изготавливается из ковара - сплав, содержащий, например, 29% никеля, 17% кобальта и 54% железа (ГОСТ 14082-78), так как этот материал наилучшим образом согласуется по ТКЛР с материалом основания - высокотеплопроводной керамикой из нитрида алюминия. Ободок имеет прямоугольную форму, размеры могут изменяться в зависимости от размеров керамического основания, на которое припаивается ободок. Отличительной особенностью являются наличие разгрузочной канавки по периметру боковой стенки ободка, которая при воздействии высоких температур пайки снижает возникающие в материале ободка механические напряжения. Разгрузочная канавка выполняется механическим способом по периметру боковой стенки ободка.
-8
3
При применении данного технического решения в металлокерамических корпусах силовых полупроводниковых приборов можно избежать деформации корпуса при высокотемпературных операциях по его изготовлению за счет снижения механических напряжений, возникающих в паяном шве при пайке ободка для герметизации к керамическому основанию корпуса. Данное техническое решение можно использовать при изготовлении различных металлокерамических корпусов силовых полупроводниковых модулей. Уровень герметичности корпусов с применением данного технического решения соответствует эквивалентному нормализованному потоку не более 5-10 Па⋅м/сек. Опытные образцы ободков для последующей сборки металлокерамических корпусов разработаны и проходят испытания в рамках выполнения опытно-конструкторской работы по разработке интеллектуальных силовых ключей на напряжение 250 В и ток 30 А с встроенными датчиками температуры.