МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С ПОВЫШЕННОЙ КОММУТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ

Полезная модель относится к конструкции силовых полупроводниковых приборов (СПП), а именно к конструкции мощных диодов, тиристоров, транзисторов, фототиристоров, реверсивно-включаемых динисторов и др., применяемых в преобразователях электрической энергии (выпрямителях, инверторах, ключах переменного тока и др.), а также для коммутации токов микро- и субмиллисекундного диапазонов в мощных полупроводниковых коммутаторах для импульсных применений.
Известна конструкция мощного полупроводникового прибора [1], состоящего из полупроводниковой структуры (ПС), анодная сторона которой неразъемно соединена с молибденовым термокомпенсатором (МТ) методом высокотемпературного сплавления, а катодная сторона полупроводниковой структуры металлизирована толстым слоем алюминия толщиной 10-25 мкм, нанесенного методом электроннолучевого напыления. Готовая полупроводниковая структура размещена в таблеточном корпусе между двумя основаниями (электродами), через серебряную прокладку толщиной 0,1-0,2 мм со стороны металлизации полупроводниковой структуры.
2
3
2
Недостатком данной конструкции является то, что при протекании через полупроводниковую структуру тока плотностью свыше 5000 А/см происходит увеличение мощности потерь и разогрев полупроводниковой структуры до температуры свыше 600°C, вследствие чего происходит расплавление катодной алюминиевой металлизации, деградация металлизированной поверхности омического контакта с последующим выходом прибора из строя. Причиной плавления алюминиевого слоя является неравномерное растекание тока по поверхности катодной металлизации, которое ведет к процессу эрозии в контактном соединении со стороны катода при протекании импульсов тока с предельными для кремниевых приборов плотностями тока, достигающими значений 5-8×10 А/см. Связано это с неравномерным распределением усилия сжатия в контактной системе «металлизированный слой ПС - серебряная прокладка - медное основание». Полупроводниковая структура, сплавленная с молибденовым термокомпенсатором, всегда имеет биметаллический изгиб, поэтому добиться полной однородности контакта не удается. Это приводит к увеличению электрического и теплового сопротивлений в контактных соединениях СПП, повышению мощности потерь, снижению рабочих и ударных токов, коммутирующей способности СПП в импульсных режимах и, в конечном итоге, к сокращению срока службы.
Задачей полезной модели является повышение коммутирующей способности мощных полупроводниковых приборов, в том числе для импульсных применений, при одновременном увеличении ресурса работы за счет минимизации электрического и теплового сопротивлений в контактных соединениях.
Указанная задача достигается за счет того, что полупроводниковый прибор состоит из полупроводниковой структуры, одна сторона которой неразъемно соединена с термокомпенсатором, а другая покрыта многослойной металлизацией, а сама структура сжата между основаниями корпуса через токопроводяшую прокладку из благородного металла, расположенную со стороны металлизации, причем материал верхнего слоя многослойной металлизации полупроводниковой структуры аналогичен материалу токопроводящей прокладки, а сама прокладка неразъемно соединена с полупроводниковой структурой низкотемпературным спеканием с помощью металлосодержащей пасты, состоящей из того же материала, что и прокладка.
На Фиг. 1 показан схемотехнический разрез полупроводникового прибора согласно заявке, который состоит из полупроводниковой структуры 1, термокомпенсатора 2, соединенного со структурой со стороны анода, многослойного металлизированного слоя 3 на поверхности катода, металлической прокладки 4, соединенной неразъемно с полупроводниковой структурой 1 посредством спеченного слоя 5, полученного из металлосодержащей пасты и двух оснований 6 корпуса прибора.
Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере изготовления реверсивно-включаемого динистора на кремниевой шайбе диаметром 3 дюйма. Полупроводниковая структура реверсивно-включаемого динистора (РВД) изготовлялась на основе нейтронно-легированного кремния марки КОФ80-80 и состояла из чередующихся тиристорных p-n-p-n- и диодных p-n-секций, включенных встречно-параллельно. Анодная сторона РВД неразъемно соединялась с молибденовым термокомпенсатором методом сплавления
высокотемпературным припоем из силумина в конвейерной печи в среде водорода при температуре 700°C. На поверхность катодной стороны РВД методом магнетронного напыления в едином технологическом цикле наносилась многослойная металлизация с диаметром контакта 70 мм, состоящая из последовательности слоев: алюминий, титан, никель и серебро, с последующим вжиганием многослойной металлизации в вакууме. После этого для получения требуемых блокирующих характеристик на периферии кремниевой структуры РВД формировалась двухступенчатая фаска, с последующим травлением и защитой фаски кремнийорганическим компаундом. Затем на металлизированную поверхность катода РВД наносился слой серебросодержащей пасты толщиной 75 мкм и проводилась его сушка при температуре 150°C в течение 15 мин. После этого на прошедший сушку слой серебросодержащей пасты помещался серебряный диск толщиной 200 мкм (прокладка) с диаметром соответствующим размеру металлизированной катодной поверхности и слоя серебросодержащей пасты. Полученная сборка из полупроводниковой структуры с нанесенным слоем серебросодержащей пасты и серебряной прокладкой сжималась в прессе с усилием 45 кН и выдерживалась при температуре 260°C в течение 5 мин. Изготовленная полупроводниковая структура собиралась в металлокерамический корпус с медными основаниями и проводились квалификационные испытания.
Результаты испытаний показали, что данная конструкция обеспечивает коммутацию одиночных импульсов длительностью до 500 мкс амплитудой 300 кА в течение 10000 циклов при повторяющемся импульсном напряжении в закрытом состоянии 2000 В, что обеспечивает повышение коммутирующей способности полупроводниковых приборов на 10-20%, с одновременным увеличением срока службы на порядок выше, чем у приборов подобных прототипу.
Источник информации:
[1] Расчет силовых полупроводниковых приборов / Дерменжи П.Г., Кузьмин В.Α., Крюкова Н.Н. и др. Под ред. В.А. Кузьмина. - М: Энергия, 1980. С. 5-9.