Способ изготовления выпрямительных элементов

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий нанесение на поверхность вьшрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основы алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выпрямительных элементов, соединение выпрямительного элемента с электродом осуществляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры 230-250 С со скоростью 0,1-15 с .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ и ЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

091 Ий) (51)4 Н 01 L 21/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТМЙ (21) 3540851/18-25 (22) 03.02.83 (46) 23.03.87. Бюл. У 11 (71)- Научно-исследовательский инсти- тут производственного объединения

"T33 им. М.И.Калинина" (72) Э.P.Ãàëèíñêèé, О.М.Корольков, Г.Н.Сурженков, Г.K.Tooucoo и Е.Д.Хуторяиский (53) 621.382(088.8) (56) Патент СИ1А В 3717797, кл. 317-23, опубл. 1973.

Патент Швейцарки У 520403, кл. Н 01 Ь 1/14, опубл. 1970. (54)(57} спосов изГотовления выпгяМИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий нанесение на поверхность выпрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основы алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения качества выпрямительных элементов, соединение выпрямительного элемента с электродом осуществляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры

230-250 С со скоростью 0,1-15 с

1114253

Изобретение относится к области .электротехники, а более точно к спо собам изготовления выпрямительных элементов.

Изобретение может быть использовано при изготовлении силовых полупроводниковых приборов с прижимными контактами таблеточной и штыревой конструкции.

Известен способ изготовления выпрямительного элемента, включающий соединение полупроводниковой структуры с электродом из серебра или его сплавов путем прижатия электрода к металлизированной поверхности полупроводниковой структуры с помощью, пружинной шайбы.

Недостатками этого способа является то, что он не обеспечивает непосредственного контакта с физической непрерывностью вдоль границы раздела между смежными поверхностями, т.е. жесткого непосредственного крепления электрода из серебра или его сплавов к металлизированной поверхности полупроводниковой структуры, что приводит к увеличению теплового сопротивления полупроводникового прибора в целом.

При токовом.циклировании полупроводникового прибора происходит разогрев и охлаждение элементов, при этом в силу разности коэффициентов термического расширения контактирующие элементы меняют свои линейные размеры в разной степени, в силу чего про- З исходит проскальзывание электрода из серебра или его сплавов по контактирующим с ним поверхностям.

По мере циклирования полупроводниковых приборов, изготовленных выше40 описанным способом, происходит пластическая деформация электрода из серебра, так называемое выжимание электрода, в силу действия повторяющихся растягивающих сил из-за трения. Это

45 заключается в увеличении исходного диаметра электрода, утонении периферийных областей и, как следствие, уменьшении эффективного пятна контакта, по которому происходит передача

0 электрической и тепловой энергии. Помимо этого, выжимание электрода из серебра приводит к ослаблению усилия сжатия и, соответственно, к возрастанию теплового сопротивления, перегреву и ускорению деградации электрических и эксплуатационных свойств. На периферийньгх участках электрода из серебра возможно отсутствие плотного контакта и развитие процессов электроэррозии.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления выпрямительного элемента, включающий нанесение на поверхность выпрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основе алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра.

В этом способе электрод крепится к поверхности полупроводниковой структуры кремниевым резиновым клеем.

Введение дополнительного промежуточного слоя клея приводит к возрастанию теплового сопротивления и импульсного прямого напряжения, При токовом циклировании выпрямительного элемента происходит разогрев и охлаждение элементов, в результате чего B слое клея происходят процессы старения, что приводит к деградации электрических и эксплуатационных свойств приборов в целом.

Цель изобретения — повышение качества выпрямительных элементов за счет снижения теплового сопротивления и уменьшения деградации электрических и эксплуатационных свойств, Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления выпрямительных элементов, включающем нанесение на поверхность выпрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основе алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, соединение выпрямительного элемента с электродом осушествляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры 230-250 С со скоростью О,115 с

Использование диффузионной сварки для осуществления жесткого непосредственного соединения электрода с металлизированной полупроводниковой структурой обуславливает создание (возникновение) металлических связей между поверхностными а;омами элект-рода и атомами поверхности металлизированной олупроводниковой структуры на всей номинальной площади контакта, что гарантирует снижение теплового сопротивления в силу действия наиболее эффективного атомно-молекулярного механизма теплопроводности в этом контакте в отличие от других, чисто при11142 жимных контактов, где теплопередача осуществляется помимо теплопроводности еще конвекцией и излучением.

Таким образом, диффузионное сварное соединение электрода с металлизи- 5 рованной полупроводниковой структурой позволяет улучшить качество изготовляемых выпрямительных элементов за счет уменьшения деградации эксплуатационных характеристик., так как этим N) способом легко обеспечивается плотный физический контакт по всей номинальной поверхности и минимизируется тепловое сопротивление, одновременно исключая выжимание электрода в 15 процессе циклирования. Последнее достигается тем, что радиальные растягивающие усилия, возникающие в процессе циклирования, воспринимаются не только электродом, как в случае 20 свободно расположенных электродов, а и той поверхностью, к которой жестко диффузионной сваркой присоединен электрод.

В процессе диффузионной сварки в области сварного шва происходит образование твердого раствора алюминия с серебром. При охлаждении после сварО ки при температуре 390 С (согласно диаграмме состояния) происходит пери-30 тектоидная реакция распада пересыщенного твердого раствора с образованием интерметаллического соединения

М + Ад А1. Другими словами, должна происходить диффузионная перестрой35 ка кристаллической решетки пересыщенного твердого раствора с образованием интерметаллического соединения. Образование промежуточного слоя такого интерметаллида крайне нежелательно в 40 силу того, что он повышает тепловое сопротивление, приводит к существенной потере прочности и пластичности жесткого непосредственного соединения электрода из серебра или его сплавов 45 с алюминиевой металлизацией, а это, в свою очередь, может лривестн к разрушению соединения, особенно в случае циклического воздействия нагрузок, возникающих при циклировании.

Проведение охлаждения после диффузионной сварки с определенной скоростью предотвращает образование и локализацию нежелательного слоя интерметаллидов. Это достигается при проведении охлаждения со скоростью

0,1-15 с в диапазоне температур, начиная с температуры сварки до

53 4

250-230 С. Таким образом, происходит закалка, т.е. фиксация неравновесного состояния пересыщенного твердого раствора алюминия в серебре. При темо пературе ниже 230 С диффузионные процессы настолько замедляются, что образование прослойки интерметаллидов ,становится невозможным. При охлаж-! денни в указанном диапазоне температур со скоростью менее 0,1 с в зо )не сварного соединения образуется толстый слой интерметаллида Ая А1.

При скорости охлаждения больше 15 с появляется опасность образования трещин в полупроводниковой структуре из-за теплового удара и отсутствия времени для релаксации напряжений.

Сущность изобретения поясняется подробным описанием примеров его осуществления.

При изготовлении выпрямительного элемента собирается пакет, состоящий из двух дисковых электродов серебра и металлизированной полупроводниковой структуры, у которой может быть многослойная металлизация разными металлами, но при этом внешними слоями металлизации с обеих сторон должен быть алюминий или его сплавы, Собранный пакет нагревают до. температуры сварки 550 С в вакууме о

66,5 мПа, сжимают с удельным усилием

15 мПа в течение 300 с и после сварки охлаждают до температуры 230250 С со скоростью от О,) до )5 с формируя при этом одновременно жесткие непосредственные сварные соединения обоих электродов с полупроводниковой структурой.

Пример l. Изготавливают выпрямительный элемент диода ДЧ )43 -1000 А диаметром 32 мм. Кремниевая полупроводниковая структуры соединена с вольфрамовым диском и металлизирована с обеих сторон дисками asuoминиевой фольги, В качестве электродов использованы диски серебра марки 9999 диаметром 32 мм толщиной

О, 1 мм. Диффузионная сварка осуществляется по приведенному выше режиму, а охлаждение от 550 до 230 С ведут со скоростью 0 15 с . Проведенные после сварки металлографические и микрорентгеноснектральные исследования зоны сварного соединения однозначно засвидетельствовали отсутствие в зоне сварки слоя интерметаллидов А@зА1. Последующие испытания диоПредварительные расчеты показали, что использование предлагаемого спо40 соба при изготовлении выпрямительных элементов только для диодов за счет снижения рассеиваемой мощности потерь может принести народнохозяйственный эффект порядка 400 тыс.руб.

Редактор П.Горькова Техред Н.Глущенко

Корректор Л,Патай

Заказ 911/3

Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 11142 дов ДЧ 143-1000 А показали их высокие электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики.

Пример 2. Изготавливают выпрямительные элементы тиристора 5

Т171-200/320, диаметром 32 мм. Кремниевая полупроводниковая структура, соединенная с вольфрамовым диском и металлизированная с обеих сторон дисками алюминия, соединяется с электро- 1О

;дами из серебра диаметром 32 мм толщиной 0,12 мм способом диффузионной сварки по указанному режиму. Охлаждео ние в интервале температур 550-250 С вели со скоростью 14 с . Металло- 15 графическими исследованиями на пяти выпрямительных элементах отмечено отсутствие прослойки интерметаллидов в сварной зоне и трещин в полупроводниковой структуре. 20

Испытания выпрямительных элементов в приборах показали высокие характеристики и преимущества предлагаемого способа в части электрических и теп,повых параметров.

П р. и м е р 3. Изготавливали выпрямительные элементы диода ДЧ 151-100> диаметром 18 мм. Жесткое непосредственное применение электродов из серебра ведут одновременно с созданием алюминиевой металлизации кремниевой структуры способом диффузионной сварки. Собирают пакет, состоящий из диска серебра толщиной 0,05 мм, диска алюминия толщиной 0,02 мм, крем 35 ниевой структуры, диска алюминия

0,1 мм, диска вольфрама 1,5 мм, диска алюминия 0 05 мм, диска серебра

0,05 мм. Диффузионная сварка пакета о производилась при температуре 550 С, сжимающем удельном усилии 15 мПа в течение 300 с, в вакууме 66,5 мПа.

Охлаждение после сварки до температуры 230 С ведут со скоростью 4,5 с

53 6

Металлографические исследования показали отсутствие интерметаллидов в сварном соединении серебра с алюминием, а испытания сварных выпрямительных лементов в приборе показали высокие электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики, Способ изготовления выпрямительного элемента по настоящему изобретению по сравнению с известными обладает следующими достоинствами: позволяет изготавливать выпрямительные элементы, имеющие меньшее тепловое сопротивление; позволяет повысить стойкость полупроводникового прибора к эксплуатационным нагрузкам в целом;

".îçâîëÿåò жестко непосредственно крепить электроды из серебра или его сплавов одновременно с созданием всех контактных соединений в выпрямительном элементе; позволяет экономить серебро путем уменьшения толщины электрода из серебра или его сплавов.

Указанные преимущества дают возможность использовать предложенный способ при изготовлении выпрямительных элементов для широкого ассортимента силовых полупроводниковых приборов, наиболее значимо проявляясь в приборах, работающих в ключевом режиме, например, в регуляторах электропривода, в сварочном оборудовании, в преобразователях и инверторах линий электропередач.