ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Полупроводниковое устройство
Полезная модель относится к полупроводниковой технике и может быть использована в преобразовательной технике,электроприводе. Известны полупроводниковые устройства,содержащие,по крайней мере,два электрически связанных р-п-перехода,выводы к ним (см.патент ФРГ №1617748,МКИ HO1L ,опубл. 1974г.). Известное устройство имеет недостатки,оно сложно по конструкции, имеет неравномерное напряжение пробоя на р-п-переходах,ненадежно при эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является полупроводниковоеустройство,содержащееметаллическое
основание,корпус,вкоторомразмещеныдва,четыре,шесть
полупроводниковых элементов.Полупроводниковые элементы,каждый из которых имеет р-п-переход,соединены в электрическую цепь,прикреплены совместно со связанными с ними проводниковыми частями к одной стороне общей металлической пластины-основания таким образом,что обеспечивается электрическая изоляция,между контактными элементами имеется промежуток.Иногда полупроводниковые структуры разделяются канавками.Это устройство имеет недостатки.Оно имеет недостаточную электрическую изоляцию и,следовательно,недостаточную надежность при эксплуатации(см.патент ФРГ № 1426176,МКИ HO1L 25 10,1973г.).
Технический результат,который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели,сводится к повышению электрической прочности и надежности.
Технический результат достигается тем,что в полупроводниковом устройстве,содержащем металлическое основание,корпус,внутри которого расположены изоляционные подложки,полу проводниковые элементы, металлические шины,изоляционный слой герметика,крышку,внешние электроды,на металлическом основании размещена,по крайней мере,одна дополнительная металлическая подложка,на которой размещена изоляционная подложка,размеры которой больше размеров дополнительной металлической подложки,при эТом на изоляционной подложке размещена первая металлическая шина,размеры основания которой равны размерам дополнительной металлической подложки,на поверхности первой металлической шины расположен катод или анод,по крайней мере,одного полупроводникового элемента,а на аноде или катоде полупроводникового элемента расположена вторая металлическая щина,при этом щирина металлических шин совпадает с наибольшей из сторон (диаметром) полупроводникового элемента,вокруг которого расположено дополнительное изоляционное кольцо,корпус снабжен,по крайней мере,двумя дополнительными выступами с отверстиями,в которых размещены винты.
Дополнительная металлическая подложка,изоляционная подложка,металлические шины,полупроводниковый элемент соединены с металлическим основанием методом прижима,при этом пружина размещена таким образом,что отверстия дополнительных выступов корпуса совпадают с отверстиями на концах пружины,в которых размещены винты для соединения корпуса,дополнительной металлической подложки,изоляционной подложки,полупроводниковых элементов,металлических шин с металлическим основанием.
В дополнительном изоляционном кольце выполнен паз,в котором размещена пружина.
На второй металлической шине расположен или анод или катод,по крайней мере,одного полупроводникового элемента,на аноде или катоде
которого расположена третья металлическая шина.
Дополнительная металлическая подложка соединена с металлическим основанием методом пайки,а изоляционная подложка,металлические шины,полупроводниковые элементы соединены с дополнительной металлической подложкой методом прижима.
Полупроводниковые элементы расположены на,по крайней мере,одной пластине из металлизированного низкоомного полупроводника,на которой размещена металлическая шина.
Дополнительное изоляционное кольцо заполнено эластичным изоляционным герметиком,а пространство между корпусом и дополнительным изоляционным кольцом заполнено другим изоляционным герметиком, толщина слоя которого равна 1,2-1,5 толщины изоляционной подложки, при этом толщина изоляционного герметика внутри дополнительного изоляционного кольца равна толщине слоя между крышкой и изоляционной подложкой.
Напряжение,которое выдерживает изоляционный слой герметика внутри дополнительного изоляционного кольца,больше напряжения,которое выдерживает изоляционный герметик вокруг дополнительного изоляционного кольца.
В корпусе выполнены пазы,в которых размещены внешние электроды,а в крышке выполнены пазы и выступы,которые фиксируют положение внешних электродов.
По крайней мере одна м€чгаллическая шина соединена с внешним электродом дополнительной перемычкой.
На фиг.1 схематически изображены детали устройства: на металлическ-ом основании 1 размещена дополнительная металлическая подложка 2, на которой размещена изоляционная подложка 3,размеры которой больше размеров дополнительной металлической подложки.На изоляционной подложке 3 размещена первая металлическая шина 4,размеры основания которой совпадают с размерами дополнительной металлической подложки 2.На первой металлической шине 4 размещен полупроводниковый элемент 5 с верхним электродом 6,на котором размещена вторая металлическая шина 7.На поверхности окна управления полупроводникового элемента,например,тиристора,размещен вывод управления 8. На фиг.2 схематически изображено (вид сверху) расположение изоляционной подложки 1 относительно первой металлической шины 2: изоляционная подложка 1 больще по размерам основания первой металлической шины 2 и частично выступает за пределы металлических деталей,что существенно увеличивает электрическую прочность,следовательно,и надежность устройства в цел ом .
На фиг.З схематически изображено полупроводниковое устройство: на металлическом основании 1 размещены дополнительные металлические подложки 2 ,на которых размещены изоляционные подложки 3,на которых размещены первые металлические шины 4.На первых металлических шинах 4 размещены полупроводниковые элементы 5,например, тиристоры,на верхних электродах 6 которых размещены вторые металлические шины 7,на которых размещены изоляционные прокладки 8,на которых размещена пружина 9,в которой выполнены отверстия,в которых размещены винт 10,вывода управления 11 полупроводниковых элементов и винты 12,которые одновременно размещены в отверстиях дополнительных выступов 13 корпуса 14.Вокруг изоляционной подложки 3, первой металлической щины 4 с полупроводниковым элементом 5,верхним электродом 6 и второй металлической шины 7,изоляционной прокладкой 8 размещено дополнительное изоляционное кольцо 15 , внутри которого размещен слой эластичного изоляционного герметика 16,например,КЛ-4,снаружи же размещен слой другого изоляционного герметика 17,например,виксинта.Корпус 14 закрыт крышкой 18. На фиг.4 схематически изображено полупроводниковое устройство,содержащее четыре полупроводниковых элементов: на металлическом основании 1 размещены две дополнительные металлические подложки 2, на которых размещены две изоляционные подложки 3,на которых размещены две первые металлические шины 4,на каждой из которых размещены катод и анод полупроводниковых элементов 5,на аноде и катоде которых размещены вторые металлические щины 6,на которых размещены изоляционные прокладки 7,на которых размещена пружина 8,в отверст-иях которой размещен центральный винт 9 и винты 10,которые одновременно размещены в отверстиях дополнительных выступов 11 корпуса 12.Вокруг каждой группы из двух полупроводниковых элементов размещено дополнительное изоляционное кольцо 13,внутри которого размещещен слой эластичного изоляционного герметика 14,а снаружи слой другого изоляционного герметика 15.Все устройство закрыто крышкой 16. На фиг.З схематически изображено полупроводниковое устройство,содержащее шесть полупроводниковых элементов 1,которые размещены на металлическом основании 2 через ряд деталей,которые соединены между собой пружиной 3,которая размещена в дополнительном изоляционном кольце 4,внутри которого размещен слой одного изоляционного герметика 5,между корпусом 6 и дополнительными изоляционными кольцами 4 размещен слой другого изоляционного герметика 7.Металлические шины 8 соединены с внешними электродами 9,которые размещены в пазах корпуса 6 ,дополнительными перемычками 10.
На фиг.6 схематически изображено полупроводниковое устройство,содержащее металлическое основание 1 ,на котором размещена дополнительная металлическая подложка 2,на которой размещена изоляционная подложка 3,размеры которой больще размеров первой металлической шины 4,на которой размещен первый полупроводниковый элемент 5,на катоде которого размещена вторая металлическая шина 6,на которой размещен анод второго полупроводникового элемента 7,на катоде которого размещена третья металлическая щина 8,на которой размещена изоляционная прокладка 9,на которой размещена пружина 10,в отверстиях которой размещены винты 11 ,которые одновременно размещены в отверстиях дополнительных выступов 12 корпуса 13,который этими винтами 11 закреплен на металлическом основании 1 ,стопка из дополнительной металличе ской подложки,изоляционной подложки,металлических шин,полупроводниковых элементов окружена дополнительным изоляционным кольцом 14,внутри которого размещен слой одного изоляционного герметика 15,снаружи размещен слой второго изоляционного герметика 16.Устройство закрыто крышкой 17.
На фиг.7а схематически изображен вариант полупроводникового устройства,содержащее металлическое основание 1 ,на котором размещена дополнительная металлическая подложка 2,на которой размещена изоляционная подложка 3,на которой размещена первая металлическая шина 4, на которой размещены анод и катод двух полупроводниковых элементов 5,на катоде одного из них размещена вторая металлическая шина 6,на ан оде другого размещена третья металлическая щина7. На фиг.7б схематически изображено полупроводниковое устройство,содержащее металлическое основание 1 ,на котором размещена дополнительная металлическая подложка 2,на которой размещена изоляционная по дложка 3,на которой размещена первая металлическая шина 4,на которой в свою очередь размещены аноды полупроводниковых элементов 5,на катодах которых размещены металлические шины 6. На фиг.7в схематически изображено полупроводниковое устройство,содержащее металлическое основание 1 ,на котором размещена дополнительная металлическая подложка 2,на которой размещена изоляционная по дложка 3,на которой размещена первая металлическая шина 4,на которой размещены анод и катод полупроводниковых элементов 5,на катоде одного из них размещена вторая металлическая шина 6,на аноде другого из них размещена третья металлическая шина 7,на второй и третьей металлических шинах размещены катод и анод еще двух полупроводниковых элементов 8,на аноде и катоде которых размещена пластина из металлизированного низкоомного полупроводника 9,например,поликристаллического кремния,на которой размещена четвертая металлическая щина 10.
Таким образом сформирована цепь из четырех диодов,образующих дионый мост.
На фиг.7г схематически изображено полупроводниковое устройство,содержащее металлическое основание 1,на котором размещена дополнительная металлическая подложка 2,на которой размещена изоляционная подложка 3,на которой размещена первая металлическая щина 4,на которой размещены аноды трех полупроводниковых элементов 5,на катодах которых размещены вторая 6,третья 7,четвертая 8 металлические щины,на которых размещены аноды еще трех полупроводниковых элементов 9,на катодах которых размещена пластина 10 из металлизированного низкоомного полупроводника,например,поликристаллического кремния,на которой размещена пятая металлическая щина 11. Таким образом сформирован диодный мост из щести полупроводниковых элементов.
Это позволяет получить полупроводниковое устройство с различным числом полупроводниковых элементов с достаточной электрической прочностью и надежностью при эк-« плуатации.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с известными техническими рещениями имеет следующие преимущества: -высокая электрическая прочность,особенно в случае высоковольтных
приборов и повыщенная надежность при эксплуатации. Изготовлены опытные образцы полупроводниковых устройств в виде диодных и тиристорных модулей -прижимной вариант однофазного полупроводникового ключа переменного тока,а также образцы мостов, содержащих четыре и щесть полупроводниковых элементов на токи до 100 А и напряжение до 3000 В со следующими характеристиками: -максимально действующий ток в открытом состоянии при температуре корпуса  до 100А,
-установившееся тепловое сопротивление переход-корпус не более 0,41 Вт,
-электрическая прочность изоляции между выходом и основанием не менее 4000 В(действующее значение),
-рост установившегося теплового сопротивления переход-корпус после 3000 циклов нагрева-охлаждения силовых элементов греющим током до  и охлаждения до 4(fC с длительностью цикла 6 минут не более 25% с сохранением остальных электрических параметров полупроводниковых элементов.
тва для построения систем управления различными преобразователями и технологическими процессами.
Авторы  С.В.Машнин
А.С.Машнин