СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С ПОЛНОСТЬЮ ПРИЖИМНЫМИ КОНТАКТАМИ
SEMICONDUCTOR POWER DEVICE WITH COMPLETELY SOLDER-FREE CONTACTS

th
Изобретение относится к области конструирования полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве силовых диодов, тиристоров, IGBT и других приборов полностью прижимной конструкции с уменьшенными и стабильными значениями падения напряжения во включенном состоянии (Von) и теплового сопротивления (R).
Известна конструкция силового полупроводникового прибора, содержащая полупроводниковую пластину дискообразной формы, которая расположена между двумя дискообразными термокомпенсаторами, при этом контакт с термокомпенсатором с одной стороны сплавной, с другой стороны - прижимной (Ю.А.Евсеев и П.Г.Дерменжи. Силовые полупроводниковые приборы. - М: Энергоиздат, 1981. - с.80-82, 320 [1]). Коэффициенты линейного температурного расширения материала термокомпенсатора и полупроводника должны быть близки. В случае применения кремния обычно используются молибденовые (Mo) термокомпенсаторы.
В описанной конструкции обеспечивается механическая прочность полупроводниковой пластины, в том числе при термоциклах. Это решение широко применяется в промышленности с 1970-х годов.
Существенными недостатками указанной конструкции являются наличие прогиба сплавленного с полупроводниковой пластиной термокомпенсатора и часто обнаруживаемые не проплавленные области, что приводит и к увеличению Von [В] и
th
R [°C/Вт], и к обломам фаски, т.е. снижению блокирующей способности.
К 1990-м годам повышение качества кремния привело к созданию высоковольтных приборов (до 6 кВ), соответственно, на пластинах с толщиной свыше 0,8 мм. Возросло также и качество механической обработки как полупроводниковых пластин, так и Мо термокомпенсаторов. Это позволило перейти к созданию полностью прижимных конструкций приборов, где кремниевая (Si) пластина свободно помещена и зажимается между двумя термокомпенсаторами (Free Floating Silicon Technology, FFST по терминологии фирмы ABB).
В конструкции силового полупроводникового прибора (заявка ЕР №0254910, кл. H01L 29/744, публ. 1988-02-03 [2]) полупроводниковая пластина с двусторонней металлизацией свободно помещена между двумя Мо термокомпенсаторами. В промышленности данная конструкция появилась и используется до настоящего времени на фирмах Mitsubishi и ABB. Mo термокомпенсаторы свободно вкладываются в мягкое защитное кольцо, надетое на края Si пластины.
th
Недостатком данного решения является то, что при первом сжатии прибора (обычно для испытаний) контактирующие поверхности взаимно «впечатываются», т.е. отпечатываются края, проявляются отклонения от плоскостности и плоскопараллельности деталей. Помимо этого часто требуется, чтобы приборы допускали хранение и транспортировку в разжатом состоянии, и неоднократное приложение и снятие усилия сжатия. Для свободно расположенных деталей это приводит к их некоторому смещению и потере первоначального контакта, наиболее низкоомного и с наименьшим R.
Наиболее близким к предлагаемому решению является решение, описанное в докладе (Prikhodko A.I. and Surma A.M. Proton irradiated 6kV GTO with full pressure contacts, - Conf.Proc. on EPE - 97, Trondheim, 1997, pp.1.507 - 1.512 [3]), где силовой полупроводниковый прибор с полностью прижимными контактами содержит полупроводниковую пластину со слоями n- и p-типа проводимости, расположенную между катодным и анодным термокомпенсаторами с фланцами с диаметром бóльшим, чем диаметр полупроводниковой пластины, размещенными внутри изолирующего кольца.
Однако в описанной конструкции [3] не может быть создано достаточное усилие сжатия, фиксирующее взаимное положение полупроводниковой пластины и термокомпенсаторов, т.к. изолирующее кольцо контактирует только с боковой поверхностью фланцев термокомпенсаторов, а сама возможность достижения взаимной фиксации элементов не указана.
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение и стабильность значений падения напряжения во включенном состоянии Von и теплового сопротивления прибора Rth путем обеспечения фиксированного положения полупроводниковой пластины относительно верхнего и нижнего термокомпенсаторов.
Для этого в силовом полупроводниковом приборе с полностью прижимными контактами, содержащем полупроводниковую пластину со слоями n- и р-типа проводимости, расположенную между катодным и анодным термокомпенсаторами с фланцами с диаметром бóльшим, чем диаметр полупроводниковой пластины, размещенными внутри изолирующего кольца, новым является то, что края изолирующего кольца охватывают фланцы термокомпенсаторов, заходя на наружные поверхности катодного и анодного термокомпенсаторов не менее чем на 1 мм, при этом изолирующее кольцо выполнено из упругого материала.
2
В предлагаемом решении за счет захода краев упругого изолирующего кольца на поверхность катодного и анодного термокомпенсаторов и растягивающей деформации кольца при его установке создается предварительное усилие сжатия (стягивающее усилие) со значениями в диапазоне от 1,5 до 150 кг/см, в результате чего возрастает надежность конструкции.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
На чертеже показана конструкция прибора по предлагаемому решению.
Силовой полупроводниковый прибор с полностью прижимными контактами содержит полупроводниковую пластину (1) со слоями n- и p -типа проводимости, расположенную между катодным (2) и анодным (3) термокомпенсаторами с фланцами с диаметром бóльшим, чем диаметр полупроводниковой пластины, которые размещены внутри изолирующего кольца (4). Изолирующее кольцо выполнено из упругого материала, например, капролона. Края (5) изолирующего кольца заходят на наружные поверхности фланцев не менее чем на 1 мм, что создает предварительное усилие сжатия.
При заходе края изолирующего кольца на поверхности фланцев менее чем на 1 мм при пересборках приборов с охладителем возможно смещение изолирующего кольца с края фланца термокомпенсатора, что приводит к потере требуемого предварительного усилия сжатия.
th
В нашем случае за счет наличия предварительного усилия сжатия полученные значения Von и R сохраняются в процессе работы как после хранения и транспортировки прибора в разжатом состоянии, так и после неоднократной пересборки прибора с охладителем.
Пример выполнения
По предлагаемому решению были изготовлены приборы - силовые запираемые тиристоры на кремниевых пластинах с исходным удельным сопротивлением 350 Ом·см, с диаметром 52 мм и толщиной 1 мм. Молибденовые термокомпенсаторы вместе с фланцами имели диаметры 56 мм. Диаметры контактных поверхностей кремниевой пластины со слоями n-и p - типа проводимости и термокомпенсаторов составляли 47 мм.
Первая группа приборов (по предлагаемому решению) была собрана в корпус с применением упругих изолирующих колец, края которых заходили на наружную поверхность фланцев термокомпенсаторов примерно на 2 мм.
Вторая группа приборов (по прототипу) была собрана с изолирующими кольцами меньшей высоты, не заходящими на фланцы термокомпенсаторов.
В обоих случаях манжеты крышки и корпуса приборов при герметизации соединялись с одинаковым натягом.
Для эксперимента были отобраны по 3 прибора из каждой группы.
th
В таблице приведены значения Von и R приборов при приложении первого усилия (для испытаний), а также после 3-х пересборок приборов с охладителями.
№ прибора
Первоначальные значения
Значения после трех пересборок с охладителями
Von (при I=1000 А) [В]
R<sub>th</sub>[°C/Вт]
Von(при 1=1000 А) [В]
R<sub>th </sub>[°C/Вт]
Первая группа
1
2,8
0,015
2,8
0,015
2
3,0
0,018
3,0
0,018
3
3,1
0,02
3,1
0,02
Вторая группа
1
3,15
0,025
Не включается
2
2,75
0,02
2,9
0,028
3
2,9
0,022
3,1
0,032
th
Из таблицы видно, что значения Von и R в приборах первой группы после пересборок с охладителями не изменились, а в приборах второй группы - повысились, и один прибор не включился из-за смещения деталей и локального замыкания управляющий электрод-катод.
Предлагаемое решение может быть использовано в конструкциях силовых преобразовательных модулях, в том числе с оптоэлектронным управлением.