Способ изготовления выпрямительных элементов

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий диффузионную сварку термокомпенсатора с одной стороной полупроводниковой структуры и металлизацию ее противоположной стороны, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества и уменьшения трудоемкости изготовления выпрямительных элементов, металлизацию осуществляют диффузионной сваркой металлической фольги с полупроводниковой структурой одновременно с приваркой термокомпенсатора. (Л 7 ОО 00 -J - / о 4О5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК з ц Н 01 1 21/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3324123/18-25 (22) 30.07.81 (46) 15.07.84. Бюл. № 26 (72) Э. P. Галинский, В. В. Зумберов, Э. Г. Карпов, О. М. Корольков, В. Л. Кузьмин, Г. Н. Сурженков, Г. К, Тоомсоо и

Е. Д. Хуторянский (71) Научно-исследовательский институт

Таллинского электротехнического завода им. М. И. Калинина (53) 621.382.002 (088.8) (56)1Смирнов В. И., Курупп В. М. Получение катодных контактов силовых полупроводниковых приборов методом электроннолучевого напыления.— В сб. Технология силовых полупроводниковых приборов.

Таллин, «Валгус», 1981, с. 19 — 97.

2. Евсеев Ю. А. Полупроводниковые приборы для мощных высоковольтных устройств. М., «Энергия», 1978, с. 136 — 139,.

3. Зумберов В. В. и др. Диффузионная сварка выпрямительного элемента силового полупроводникового прибора. — «Электротехническая промышленность», сер. «Преобразовательная техника», вып. 7(103), 1978, с. 3 — 5.

„,SU„„1103306 A (54) (57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий диффузионную сварку термокомпенсатора с одной стороной полупроводниковой структуры и металлизацию ее противоположной стороны, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества и уменьшения трудоемкости изготовления выпрямительных элементов, металлизацию осуществляют диффузионной сваркой металлической фольги с полупроводниковой структурой одновременно с приваркой термокомпенсатора.

1103306

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при металлизации и создании контактных соединений в полупроводниковых прибоуах.

Известен способ изготовления выпрямительного элемента силового полупроводникового прибора, при котором создание контакта к кремниевой структуре осуществляется электронно-лучевым напылением (металлизацией) алюминия (1)., Известен также способ изготовления вьшрямительного элемента силового полупроводникового прибора, при котором полупроводниковая структура металлизируется путем химического осаждения никеля, а затем на одной из сторон полупроводниковой структуры крепят с помощью пайки либо сплавления тер мокомпенсатор (материал с коэффициентом термического расширения, близким к Si, чаще всего Мо, W) (2).

Однако металлизация химическим осаждением формирует на поверхности полупроводника слой металла, который из-за своей пористости обуславли вает повышение у выпрямительного элемента импульсного прямого напряжения и теплового сопротивления.

Кроме того, металлизация структуры и крепление к ней термокомпенсатора выполняются двумя отдельными последовательными операциями, что увеличивает трудоемкость изготовления и снижает выход годных выпрям ительных элементов.

При этом крепление термокомпенсатора с помощью жидкой фазы (пайка, сплавление) не обеспечивает необходимой сплошности контакта из-за практической невозможности создания условий полной смачиваемости соединяемых поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ изготовления выпрямительного элемента, включающий диффузионную сварку термокомпенсатора с одной стороной полупроводниковой структуры и металлизацию ее противоположной стороны (3).

Поскольку соединение при диффузионной сварке выполняется в твердой фазе, то такой контакт характеризуется высокой степенью сплошности и вытекающими отсюда улучшенными показателями электрического и теплового сопротивления.

Недостатки данного способа заключаются в повышении у выпрямительного элемента импульсного прямого напряжения и теплового сопротивления вследствие пористости слоя металла, химически осажденного на поверхность полупроводника. Кроме того, металлизация структуры и крепление к ней термокомпенсатора выполняется двумя отдельными операциями, что увеличивает трудоемкость изготовления и снижает выход годных выпрямительных элементов.

55 пакет нагревают, сжимают и выдерживают в течение определенного времени в вакууме, формируя при этом одновременно сварные соединения по плоскостям, отмеченным на

Зо

Цель изобретения — улучшение у выпрямительных элементов таких показателей как импульсное прямое напряжение, тепловое сопротивление, а также уменьшение трудоемкости их изготовления и количества брака.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления, включающему диффузионную сварку термокомпенсатора с одной стороной полупроводниковой структуры и металлизацию ее противоположной стороны, металлизацию осуществляют диффузионной сваркой металлической фольги с полупроводниковой структурой, причем такую металлизацию производят одновременно с приваркой термокомпенсатора.

Кроме того, перед сваркой на поверхности полупроводниковой структуры, подлежащей металлизации, создают выступы высотой не более толщины привариваемой к этой поверхности фольги.

Отличие предлагаемой операции металлизации привариванием металлической фольги от известной металлизации химическим осаждением металла заключается в том, что на поверхность полупроводниковой структуры наносится плотный металлический слой с меньшим тепловым и электрическим сопротивлением, чем это имеет место у пористого, химически осажденного металла. Помимо этого, приваривание металлической фольги позволяет осуществлять операцию металлизации одновременно с опера цией приварки термокомпенсатора, что уменьшает трудоемкость и количество брака при изготовлении выпрямительного элемента по сравнению с известным способом, где операции металлизации структуры и крепления к ней термокомпенсатора выполняются раздельно и последовательно.

Перед проведением металлизации часть поверхности полупроводниковой структуры с помощью фотолитографии травят на глубину не более толщины привариваемой фольги, так как в противном случае, как показывают эксперименты, фольга при последующей приварке разрушается. Образованные таким образом на поверхности структуры выступающие области, вдавливаясь в привариваемую фольгу, практически ее деформируют и формируют на свободной поверхности фольги соответствующим образом выступающие участки, по которым проводят совмещение фотошаблона при последующей фотолитографии указанной фольги.

На фиг. и 2 схематически изображены выпрямительные элементы, изготовленные по предлагаемому способу.

Пакет состоит из дисков 1 и 2 металлической фольги, полупроводниковой структуры 3 и термокомпенсатора 4. Указанный

1103306 анрие. 2. Составитель P. Кононова. Редактор М. Келемеш Техред И. Верес Корректор О. Билак

Заказ 4828/41 Тираж,683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 фиг. 1 горизонтальными тонкими линиями.

Таким образом изготавливают выпрямительный элемент, у которого металлизацию структуры 3 осуществляют привариванием компактного металлического материала (фольги) одновременно с приваркой к противопо- ложной стороне той же структуры термокомпенсатора 4.

При изготовлении выпрямительного элемента тиристора перед сваркой с помощью фотолитографии удаляют часть поверхности полупроводниковой структуры 3, формируя на ней выступы 5 (фиг. 2).

Далее собирается лакет деталей и производят их диффузионную сварку также, как это было описано. При этом выступы 5, высота которых не более толщины металлической фольги, пластически деформируют последнюю и формируют на ее поверхности выступы 6, по которым производят совмещение фотошаблона при последующей фотолитографии фольги 1.

Пример 1. Изготавливают выпрямительные элементы прямой полярности диода.

Диаметр кремниевой структуры и вольфрамового термокомпенсатора указанного диода составляет 18 мм. Такого же диаметра используют алюминиевые диски для металлизации и промежуточной прокладки между термокомпенсатором и структурой, толщиной соответственно 30 и 100 мкм.

Диффузионную сварку перечисленных деталей, расположенных в последовательности согласно фиг. 1, производят при 540 С, сжимающем давлении 15 МПа и сжимающем разряжении в камере 66,5 МПа в течение 5 мин.

Пример 2. Изготавливают выпрямительные элементы тиристора диаметром 32 мм.

Толщину алюминиевых дисков и режим сварки назначают аналогично примеру 1.

Однако перед сваркой способом фотолитографии часть поверхности кремниевой структуры 2 (фиг. 2) удаляют для формирования выступов 5 высотой 3 мкм. После сварки металлизированный слой 1 подвергают фотолитографии для изготовления регенеративного кольца управления, при этом требуемую ориентацию фотошаблона относительно слоя 2 осуществляют по выступам 6.

Выпрямительные элементы, изготовленные по примеру 1, сравниваются с аналогичными, у которых металлизация осуществлялась химическим осаждением никеля, а крепление термокомпенсатора — диффузионной сваркой. Испытания показывают

15 что 93% выпрямительных элементов относятся к 100 А и 7% к 80 А, в то время как у прототипа ни один из изготовленных элементов не полу414лся на 100 А. Среднее импульсное прямое напряжение в первом случае уменьшилось до 1,51 В, по сравне2п нию с 1,73 В в случае прототипа.

Выпрямительные элементы, изготовленные по примеру 2, также сравниваются с аналогичными, у которых металлизация выполнена напылением алюминия, а термокомпенсатор — со структурой сплавления.

Сравнительные испытания показывают, что импульсное прямое напряжение и тепловое сопротивление у выпрямительных элементов, изготовленных по предлагаемому способу, соответственно на 20 и 30% меньше, чем у изготовленных по сравниваемому способу.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет: повысить на

30 — 90% выход приборов с предельными параметрами тока; улучшить качество приборов за счет уменьшения на 10 — 20% импульсного прямого напряжения; уменьшить трудоемкость изготовления приборов за счет исключения самостоятельной операции металлизации.