Мощный полупроводниковый прибор с прижимными контактами

Полезная модель относится к конструкции силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, двунаправленных тиристоров, фототиристоров, динисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором), применяемых в выпрямителях, инверторах, ключах переменного тока, циклоконвертерах, разрядных ключах накопителей электрической энергии.
Известна конструкция [1] мощного полупроводникового прибора с прижимными контактами, состоящего из металлокерамического корпуса и выпрямительного элемента, сжатого между силовыми электродами корпуса. Выпрямительный элемент представляет собой полупроводниковую структуру неразъемно соединенную с молибденовым термокомпенсатором методом сплавления в вакуумной или конвейерной печах при температуре 640-720°С с использованием алюминиевых преформ. Минимальные электрические и тепловые сопротивления полупроводникового прибора обеспечиваются путем приложения нормированного усилия сжатия к внешним контактным поверхностям прибора.
Недостатком данной конструкции является то, что из-за разности коэффициентов термического расширения между полупроводниковой структурой и молибденовым термокомпенсатором имеет место биметаллический изгиб контактных поверхностей выпрямительного элемента, как со стороны кремниевой структуры, так и со стороны термокомпенсатора, достигающий 150 мкм и более. Этот изгиб частично компенсируется внешним усилием, прикладываемым к прибору при сборке его с охладителем, однако полного спрямления выпрямительного элемента не происходит из-за неоднородности изгиба контактных поверхностей выпрямительного элемента. При этом в контактных соединениях между элементом и силовыми электродами корпуса образуются воздушные зазоры, приводящие к увеличению электрических и тепловых контактных сопротивлений внутри прибора. Это в свою очередь снижает рабочие токи и токи перегрузки полупроводникового прибора.
Целью полезной модели является повышение нагрузочной и перегрузочной способности полупроводниковых приборов, за счет снижения электрических и тепловых контактных сопротивлений внутри прибора.
Это достигается за счет того, что в мощном полупроводниковом приборе с прижимными контактами, состоящем из металлокерамического корпуса и выпрямительного элемента, представляющего собой полупроводниковую структуру неразъемно соединенную с термокомпенсатором и сжатого между силовыми электродами корпуса, термокомпенсатор выполнен в виде диска из металломатричного композитного материала алюминий - карбид кремния с объемным содержанием наполнителя 75-85 %, при этом приповерхностный слой диска термокомпенсатора со стороны полупроводниковой структуры представляет собой слой из матричного алюминия толщиной 100-500 мкм, на котором расположены слои алюминия толщиной 1-2 мкм, титана 0,2-0,4 мкм, никеля 0,5-0,7 мкм и серебра 1,0-2,0 мкм, а на другой стороне диска расположен слой алюминия толщиной 10-20 мкм.
В предлагаемой конструкции полупроводникового прибора биметаллический изгиб выпрямительного элемента уменьшен за счет использования в качестве материала термокомпенсатора вместо молибдена металломатричного композита алюминий - карбид кремния с большим объемным содержанием карбид кремния, имеющего высокую теплопроводность и низкий коэффициент термического расширения. При этом остаточный биметаллический изгиб выпрямительного элемента компенсируется положительной разницей толщин между приповерхностным слоем матричного алюминия, расположенного на термокомпенсаторе со стороны полупроводниковой структуры, и слоем алюминия с противоположной стороны термокомпенсатора. Кроме этого, высокое значение удельной теплоемкости композитного материала алюминий - карбид кремния, превышающее в три раза удельную теплоемкость молибдена улучшает устойчивость полупроводниковых приборов к импульсным перегрузкам по току. Указанные выше интервалы объемного содержания наполнителя в металломатричном композитном материале и толщин металлических слоев на термокомпенсаторе обеспечивают воспроизводимое получение минимальных биметаллических изгибов выпрямительных элементов и улучшение нагрузочной и перегрузочной способности полупроводниковых приборов.
На фигуре показан схематический разрез выпрямительного элемента полупроводникового прибора согласно заявке, который состоит из полупроводниковой структуры 1 с нанесенным на одну из ее поверхностей слоя серебра 2 и термокомпенсатора 3 из металломатричного композитного материала алюминий - карбид кремния с приповерхностным слоем, состоящим из матричного алюминия 4 и слоев алюминия 5, титана 6, никеля 7 и серебра 8, соединенного неразъемно с полупроводниковой структурой посредством спеченного слоя серебра 9. Внешние поверхности выпрямительного элемента со стороны термокомпенсатора и полупроводниковой структуры покрыты соответственно слоями алюминия 10 и 11.
+
+
Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере изготовления мощного тиристора типа Т353-800 32 класса на кремниевой пластине диаметром 56 мм. Полупроводниковая структура тиристора изготовлялась на основе нейтронно-легированного кремния марки КОФ60-180 и состояла из чередующихся р-р-n-р-n слоев. После формирования этих слоев с помощью высокотемпературных процессов диффузии легирующих примесей, окисления и фотолитографии на анодную сторону тиристорной структуры напылялся слой серебра толщиной 1,2 мкм.
Термокомпенсатор тиристора изготавливался в виде диска диаметром 56 мм, толщиной 3 мм из металломатричного композитного материала алюминий - карбид кремния, полученного вакуумно-компрессионным методом на основе порошка карбида кремния, являющегося наполнителем, и алюминиевого литейного сплава, являющегося матрицей, с объемным содержанием наполнителя 80%. При этом на одной стороне диска в процессе вакуумно-компрессионной пропитки сформирован слой алюминия толщиной около 300 мкм, идентичный по своему составу матричному алюминию. После прецизионной механической обработки и очистки контактных поверхностей на слой матричного алюминия методом магнетронного напыления в едином технологическом цикле наносилась многослойная металлизация в следующей последовательности и толщинами каждого слоя: алюминий - 1 мкм, титан - 0,3 мкм, никель - 0,5 мкм, серебро - 1,2 мкм. На металлизированные поверхности кремниевой структуры и термокомпенсатора наносился слой серебросодержащей пасты толщиной 50 мкм. Поверхности кремниевой структуры и термокомпенсатора со слоями нанесенной пасты совмещались друг с другом. Сборка сжималась в прессе с усилием 10-20 МПа и выдерживалась при температуре 250°С. При этом происходило образование спеченного слоя серебра и прочное соединение кремниевой структуры с термокомпенсатором. На контактные поверхности, изготовленного таким образом элемента, магнетронным напылением наносились слои алюминия толщиной 15 мкм с обеих сторон элемента. После этого с целью получения требуемых блокирующих характеристик на кремниевой структуре тиристора формировалась двухступенчатая фаска с последующим травлением и защитой кремнийорганическим компаундом. На заключительном этапе изготовления мощного тиристора выпрямительный элемент собирался в металлокерамический корпус и проводились квалификационные испытания.
Результаты испытаний показали, что в предлагаемой конструкции мощного тиристора с прижимными контактами по сравнению с прототипом изгиб выпрямительного элемента уменьшается с 180 мкм до 35 мкм, тепловое сопротивление снижается с 0,022°С/Вт до 0,0187°С/Вт, предельный ток повышается с 870 А до 1000 А, а ударный ток возрастает с 19 кА до 25 кА, что обеспечивает более высокую надежность прибора при эксплуатации в рабочих и аварийных режимах. Кроме этого, масса выпрямительного элемента с термокомпенсатором из композитного материала алюминий - карбид кремния в три раза ниже по сравнению с молибденовым прототипом, что существенно уменьшает удельную материалоемкость прибора.
Список литературы:
1. Расчет силовых полупроводниковых приборов / Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Крюкова Н.Н. и др. Под ред. В.А. Кузьмина. - М.: Энергия, 1980. С. 5-9.