Силовой полупроводниковый диод

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к диодам. Область применения разработанной конструкции диода настолько широка, что позволяет говорить о масштабной замене иностранной электронно-компонентной базы в оборонной и общепромышленной сферах: системы автоматики, системы управления электронных приводов, источники питания, сварочные аппараты инверторного типа с силой тока от 10А до 150А и напряжением свыше 2000В.
Уровень техники
Известен силовой импульсный полупроводниковый диод (патент РФ на полезную модель №70411, кл. МПК H01L 29/86, опубл. 20.01.2008), имеющий p-n-n+ структуру, на катодную и анодную поверхности которой нанесена металлизация. Боковая поверхность структуры спрофилирована в виде прямой фаски. Кроме того, в периферийной области структуры со стороны катода сформирован р+-слой в виде кольца шириной равной величине разницы радиусов катодной и анодной металлизации и глубиной не превышающей глубину n+-слоя.
Известен диод силовой (патент РФ на изобретение №2411611, кл. МПК H01L 29/861, H01L 21/329, опубл. 10.02.2011), который содержит внутренний контакт, на котором закреплена непланарная полупроводниковая кремниевая структура трубчатой формы из сплошного слитка кремния, выращенного в направлении <111>, на которой закреплен трубчатой формы наружный контакт. Внутренний контакт выполнен в виде медной втулки с продольной внутренней полостью для прохождения хладагента или в виде гибкой спирали из меди, навитой виток к витку, на наружной поверхности которой пайкой закреплен бандаж в виде слоя из молибдена. На внешней поверхности непланарной структуры сформирована высоколегированная р+-область кремния путем напыления слоя алюминия для закрепления трубчатой формы наружного токоподводящего контакта. Непланарная полупроводниковая композиция и закрепленный на ней наружный токоподводящий контакт смонтированы между стеклокерамическими шайбами, закрепленными на бандаже.
Известен силовой высоковольтный диод штыревого типа (патент РФ на полезную модель №103232, кл. МПК H01L 29/861, опубл. 27.03.2011), состоящий из держателя пружин (прочный стальной стакан) с шайбой байонетного замка, изолятора держателя пружин из высокопрочного диэлектрика, причем в нем используется система перегородок, расположенных в промежутках между разнополярными деталями конструкции, а именно изолятор держателя пружин из высокопрочного диэлектрика - фторопласта и втулка (изолятор внутреннего вывода) из высокопрочного диэлектрика - пресс-материала, собираемые с перекрытием по краям элементов.
Недостатком известных устройств является сложность их конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству - прототип - является простейший силовой диод (страница в сети интернет https://static.chipdip.ru/lib/583/DOC001583243.pdf, опубл. в апреле 2015), который содержит пластиковый корпус, полупроводниковый кристалл, медные вывод и основание для отвода тепла.
Недостатком известного диода является то, что устройство имеет относительно узкий тепловой диапазон работы, недостаточную прочность пластикового корпуса диода, сложность технологии герметизации пластиком, так как для достижения высокой адгезии корпуса к основанию необходимы изменения в конструкции основания, выводов (замки, проточки), что значительно усложняет и удорожает производство.
Недостатком прототипа является невысокая температура эксплуатации прибора, около 250°С, вследствие особенностей эпоксидных смол, а также увеличенное время застывания компаунда по сравнению с пластиком.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в расширении теплового диапазона работы устройства и повышении прочности корпуса диода.
Данная задача достигается за счет инкапсулирования (корпусирования) полупроводниковой кремниевой структуры устройства модифицированным эпоксидным компаундом.
Техническим результатом является пониженное тепловое сопротивление и повышение прочности корпуса, путем применения корпуса из модифицированного компаунда.
Указанный технический результат достигается тем, что силовой полупроводниковый диод содержит силовой вывод, корпус, внутри которого расположена полупроводниковая кремниевая структура и основание, причем согласно полезной модели, корпус изготовлен из модифицированного эпоксидного компаунда.
Силовой вывод и основание диода могут быть изготовлены из меди с никелевым покрытием.
В качестве эпоксидного компаунда может быть использован компаунд модифицированный добавками: SiO2, BN, пластификатор – ДЭГ-1, отвердитель – полиэтилполиамин.
Силовой полупроводниковый диод может быть дополнительно оснащен охладителем.
Преимуществом заявленного устройства является простота, дешевизна корпусирования и высокая адгезия корпуса к основанию, так как нет необходимости конструктивно усложнять основание и выводы прибора (изготовление замков, проточек) для увеличения адгезии корпуса.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлен общий вид силового полупроводникового диода.
На фигуре приняты следующие обозначения: 1 – силовой вывод, 2 –корпус, 3 – основание.
Осуществление полезной модели
Силовой полупроводниковый диод включает силовой вывод 1, корпус 2, изготовленный из модифицированного эпоксидного компаунда, внутри которого расположена полупроводниковая кремниевая структура и основание 3.
Эпоксидный компаунд может быть модифицирован следующими добавками: SiO2, BN, пластификатор ДЭГ-1, отвердитель – полиэтилполиамин.
Силовой вывод 1 и основание 3 диода могут быть изготовлены из меди с никелевым покрытием.
Силовой полупроводниковый прибор может быть оснащен охладителем (радиатором), на фиг. не показано.
Устройство работает следующим образом. Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц. Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактам. На одном наблюдается избыток электронов, а на другом их дефицит.
3
Изготовление корпуса 2 диода производится на этапе сборки устройства путем заливки компаунда, объемом ~1,5 см, нагретого до температуры 40±5°С под давлением в литьевую форму при нормальных условиях окружающей среды. Отверждение корпуса 2 устройства производится при температуре 60±10°С в течение 60 минут с последующей стабилизацией в течение 8 часов при температуре 160±10 °С.
Пример реализации.
Был изготовлен диод заявленной конструкции, состоящий из медного основания 3 и вывода 1, покрытых никелем, кремниевой полупроводниковой структуры, корпус 2 которой изготовлен из модифицированного эпоксидного компаунда, со следующими параметрами:
th(j-c)
1. Тепловое сопротивление переход-корпус (R), К/Вт – 0,15-0,25
2. Разрушающее напряжение при сжатии, МПа – 100-120
3. Разрушающее напряжение при статическом изгибе изгиб, МПа – 110-120
Также было проведено сравнение теплового сопротивления данного диода с диодом в пластиковом корпусе марки 80EBU04. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение параметров диодов в пластиковом корпусе и в корпусе, изготовленном из модифицированного эпоксидного компаунда:
Основное отличие от известных силовых полупроводниковых диодов это изготовление корпуса из модифицированного эпоксидного компаунда. Такое техническое решение данной полезной модели обеспечивает пониженное тепловое сопротивление и повышенную прочность корпуса, за счет применения корпуса из модифицированного компаунда. Повышенная прочность устройства достигается за счет снижения теплового сопротивления корпус-кремниевая структура.
Преимуществами разработанного диода также являются простая конструкция, повышенная надежность.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства как силового полупроводникового прибора, а именно диода, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».