Полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии и способ его изготовления

 

С. В. Маанин и S. Б. Зильберштейн (72} Авторы изобрете имя

Всесоюзный научно-исследовательский и проект+ю.=,, конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в. промывленности, сельском хозяйстве и на транспорте и Специальное проектно«конструкторскоеи технологическое 90ро полупроводниковой техники (71} Заявители (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ

ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к полупроводниковой технике и предназначено для использования s промышленных преобразователях, выпрямителях, станМциях управления электродвигателем в электроприводах.

Известны полупроводниковые выпрямительные устройства и приборы с при жимными контактами и способы их изготовления, в которых выпрямительные элементы приводятся в контакт с охлаждающей пластиной пружинами, действующими между- верхней контактной поверхностью выпрямительного элемента и металлическим корпусом, механически прикрепленным к охлаждающей пластине, петлями, верхняя контактная поверхность элемента электрически изолируется от охлаждающей пластины, которая действует в качестве одного вывода элемента.

Для прижима элементов используют зажимные приспособления, Перед установкой выпрямительных элементов в эа-, жимном приспособлении отжимают упругий элемент зажимного приспособления. с заданным усилием. Затем упругий элемент фиксируется в таком предвари- " тельно напряженном состоянии специальным фиксатором, после чего отжатое зажимное приспособление прижимают к выпрямительному элементу, в прилегающему к основанию, противодей ствуя предварительному напряжению упругого элемента.

Выпрямительный элемент скрепляется с основанием с таким усилием, при .котором на фиксаторе усилие уже отсутствует B 3 и f23.

Применение специальных пружин, коzo торые необходимо определенным образом прижимать к выпрямительному элементу, фиксировать усилие прижима, приводит к усложнению конструкции прибора и спооба его изготовления °

3 983840

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии, содержа- . s щее полупроводниковые структуры с р-и-переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам и через электроизолирующий теплапроводящий слой - к общему металлическо- 10 му основанию и загерметизированные компаундом. Способ изготовления полупроводникового устройства включает операции прижима полупроводниковых структур, к основанию и герметизацию 15 компаундом ГЗ 3

Известное полупроводниковое устройство и способ его изготовления обладают рядом недостатков, одним из которых является малая интеграция элементов в устройстве и жесткая связь между ними, что ограничивает его функциональные возможности реализацией последовательного соединения двух элементов, общая точка ко- 5 торых соединяется с одним из трех токовых выводов прибора. Конструкция устройства не позволяет также установить фоточувствительные и светоизлучающие структуры и соединительные элементы к ним для реализации изолированного управления, например, тиристорными приборами.

Так,например, для изготовления трехфазной регулируемой реверсивной мостовой схемы преобразователя электроэнергии необходимо применить в упомянутых устройствах и дополнительные коммутации и управления тиристорами, в том числе развязывающие 40 трансформаторы и задающие генераторы к ним, что соответственно снижает общую надежность преобразователя электроэнергии.

30!

Другим недостатком известного устройства и способа его изготовления является отсутствие контроля прижима в процессе изготовления прибора, например по изменению параметров конУ

50 тактируемой структуры и отсутствИЬ элементов, улучшающих тепловой контакт при достижении критической температуры в процессе эксплуатации.

Вышеуказанные недостатки конструк55 ции ограничивают надежность устройства и преобразователя электроэнергии, построенного на его основе.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков за счет

I повышения степени интеграции и универсальности устройства, улучшение теплового и электрического контактов с полупроводниковыми структурами, осуществление контроля параметров структуры при прижиме и улучшения теплового контакта при достижении критических значений температур, т. е. повышение надежности работы устройства при одновременном расширении его функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии, содержащее полупроводниковые структуры с р — и переходами и выводами, прижатые к контактным мет алли че ским пластинам, фасонным шинам и через электроизолирующий токопроводящий слой - к общему металлическому основанию и загерметизированные компаундом, снабжено нажимными болтами и опорным элементом, в котором выполнены отвеостия и резьба по окружности отверстий для перемещения нажимных болтов, прижимающих каждую полупроводниковую структуру через фасонную шину к контактной пластине и каждую контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию и образующих выводы тока, причем каждая полупроводниковая структура изолирована теплопроводящим изолирующим кольцом от прижимного болта, прижимающего данную структуру к фасонной-металлической шине и к контактной металлической пластине, и имеет электрический контакт с одним нажимным болтом, прижимающим контактную пластину через изолирующий теплопроводящий слой к основанию,и электрический контакт с вторым нажимным болтом, прижимающим через фасонную шину и второе изолирующее кольцо соседнюю структуру к второй контактной пластине и общему металлическому основанию; две или более структуры прижаты нажимными болтами к общей контактной металлической пластине, изолированной от основания теплопроводящим слоем, причем каждая из этих структур имеет электрический контакт с одним прижимным болтом, образующим изолированный от других структур токовой вывод, а также электрический контакт с общими токовыми выводами.

5 9838 образованными прижимными болтами к общей контактной металлической пластине, опорный элемент жестко соединен с металлическим основанием; в опорном элементе выполнены пазы, в которых размещены управляющие выводы или световолокна и светодиоды и токовые выводы к ним; в нажимных болтах выполнены сквозные пазы, в которых размещены управляющие выводы тиристорных структур или световолокна и cseтодиоды; электроды структуры, металлические шины, пластины и нажимные болты покрыты слоем металла с температурой плавления, превышающей пре дельно допустимую температуру р-и перехода на 5-10О.

Способ изготовления полупроводникового устройства, включающий операции прижима полупроводниковых структур к основанию и герметизации компаундом, при прижиме структуры одновременно измеряют обратный ток через р-п переход и обратное напряжение,. приложенное к структуре, и при крити" 5 ческих значениях этих параметров прижим прекращают, после чего осущест" вляют герметизацию.

На фиг. 1 схематически изображено полупроводниковое устройство, разрез> 50 на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, разрез; на фиг. часть дополнительного устройства; на фиг. 5 - место соединения структуры с основанием, шинами и нажимным бол- 55 том; на фиг. 6 - полупроводниковое устройство, вид спереди; на фиг. дополнительный элемент; на фиг. 8фиксирующая деталь.

Схема полупроводникового устройст- 4В ва включает нажимные болты 1;металлическое основание 2, опорный элемент корпус 4 устройства, полупроводниковую структуру 5, световолокно 6 светодиоды 7, металлические фасонные 45 шины 8 и 9, винты 10, втулку 11,токовые выводы 12 светодиодов, изолирующий слой 13, металлическую пластину

14, изолирующее кольцо 15, фиксирующую деталь 16, оптический клей 17, 50 дополнительное стекловолокно 18, оптический клей 19, отверстие 20 в фиксирующей детали, отверстие 2 1 с нарезкой под нажимные болты, отверстия 22 дпя винтов. 55

40 6

Устройство содержит металлическое основание 2, на котором расположены изолирующий слой 13 (например, из окиси берилия ), металлические пласти« ны 14, на которых помещены полупровод= никовые структуры 5 (например, диоды, транзисторы, тиристоры, фототирис» торы, оптотиристоры); металлические фасонные шины 8 и 9; кольца 15, которые изолируют вину 8 or шины 9 на полупроводниковой структуре 5; нажямные болты 1, прижимающие полупроводниковые структуры к основанию 2; н жимные болты lа, прижимающие метал-: лические пластины 14 к основанию 2; опорный элемент 3, в котором выполнены отверстия 21 с резьбой, в которые ввинчиваются нажимные болты

1 и lа, а также отверстия 22 под винты 10, которые закрепляют дополнительный элемент 3 с корпусом 4 и металлическим основанием 2 с помощью втулок 11., которые прикреплены к металлическому основанию 2, например, с помощью пайки; световолокна 6, которые соединяют оптотиристорные структуры со светодиодами 7 и расволожены в пазах дополнительного элемента 3 и нажимных болтов 1; токовые выводы светодиодов 12, расположенные s опорном элементе 3; фиксирующую деталь 16, которая фиксирует полупроводниковые структуры 5 и металлические шины 8 и 9 с помощью отверстий 20.

Для изготовления полупроводникового устройства используются кремниевые р — n-структуры» р-п-р-и-структуры с электрическим и оптическим управлением. Изготавливаются структуры

5 по известной технологии. Для изготовления металлического основания 2 используется листовая медь, из которой методом штамповки вырубается основание. Основание покрывается никелем. К основанию в водородной печи припаивается пластина окиси берилия

13, сверху - ее пластина из меди 14, а также четыре втулки по краям основ ания .

На основание затем помещаются по-лупроводниковые структуры 5 с верхним и нижним термокомпенсатором, покрытым тонким слоем металла с температурой плавления в интервале 130150оС фиксируются на пластинах с помощью специальной фиксирующей детали из пластмассы 16. На верхние электроды структур помещаются металлические шины 8 и 9, на которые накладываются кольца из изолирующего матери98384 формула изобретения

7 ала 15, например, окиси берилия, затем снова металлические шины 8 и сверху которых накладываются болты 1, которые прижимают металлические шины

8 и 9 и изолирующее кольцо 1 к струк- турам g, а структуры 5 — к основанию

2. Нажи>лные болты 1 перемещаются в отверстиях с резьбой в опорном элементе 3, например, из пластмассы, которой с помощью винтов 10 неподвижно закрепляют с корпусом 4 и основанием

2 устройства. В процессе прижима полупроводниковых структур к основанию 2 одновременно измеряют обратный ток структуры при определенном обрат- 15 ном напря>кеник> (нап(зи>лер, 500 В) .

С росгом давления обратный ток возрастает и при увеличении его, например, на 10-. 0 мА при 25ОС, прижим прекращают. Прижим металлических шин 20

8 и 9 к верхним электродам структуры осуществляют с помощью. изолирующего кольца 15, так что структура 5 находится в тепловом контакте с нажимным болтом 1, который прижимае г данную структуру к основанию, а в электрическом контакте — с соседним нажимным болтом 1, который прижимает соседнюю структуру к основанию. Это дает возможность затем уг>ростит ь г>роцесс соединения структур в определенную эгектри ескую цепь, например в последова гельную од:лофазную цепочку из. двух диодов, двух тиристоров, двух оптотиристоров. 35

Иеталли -!еские шины 8-9, 14. изолирующие кольца 1 > канць> нажимных болтов 1 и 1а покрыты металлом с температурой плавления в ин — åðâàëå 130150 С.

>0

При работе полупроводникового уст ройства при максимальных температурах р-и-структур (наг>ример„для диодов

140 С) возможен перегрев структур за

Q счет недостаточного прижима одного из болтов, тогда металл на электродах структуры, шинах, кольцах и болтах расплавляется и улучшает тепловои контакт структуры с основанием устройства. 50

Управление оптотиристоров осущест— вляется светодиодами 7, расположенными в опорном элементе 3, с помощью световолокон 6, расположенных в па55 зах опорного элемента 3 и нажимных болтах 1, прижимающих структуры к основанию. Светсволокна подсоединяются к структуре 5 и светодиоду 7 с

0 8 помощью оптического клея 19, например кл,-4. Управление оптотиристоров возмо>кно также при помещении светодиодов непосредственно на поаерхности структур, через пазы нажимных болтов.

После сборочных операций устройство герметизируют, помещая заливочный материал, например пластмассу ЭЗК-Й, в корпус устройства. Описанное полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя энергии с нажимными контактами может быть использовано для выпрямления переменного тока в различных выпрямителях,.для управления различными агрегатами постоянного и переменного тока,. в различной коммутационной аппаратуре.

Использование предлагаемого полупроводникового выпрямительного устройства преобразователя электроэнергии дает значительный эффект по сравнению с использованием известных полупроводниковых приборов за счет повышения в g-10 раз показателей надежности и срока службы нового изделия и снижения издержек у потребителя, связанных с вероятным отказом, а также за счет упрощения монтажа.

Экономический эффект составляет

27-51 руб. на один модуль в зависимости от типоисполнения.

1. Полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии, содержащее полупроводниковые структуры с р-и переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам, фасонным шинам и через электроизолирующий теплопроводящий слой — к общему м талпическому основанию и загерметизированные компаундом, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повыщения надежности при одновременном расширении функциональных возмо>кностеи, оно снабжено нажимными болтами и опорным элементом, B KoTopoM Bblflo>l нены отверстия и резьба по окружности отверстий для перемещения нажимных болтов, прижимающих каждую полупроводниковую структуру через фасонную шину к контактной пластине и каждую контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию и образующих выводы тока, 983840

10 причем каждая полупроводниковая структура изолирована теплопроводящим изолирующим кольцом от прижимного болта, прижимающего,данную структуру к Фасонной металлической шине и к контакт- % ной металлической пластине, и имеет электрический контакт с одним нажимным болтом, прижимающим контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию, и электрический контакт с вторым нажимным болтом, прижимающим через Фасонную шину и второе изолирующее кольцо соседнюю структуру к второй контактной пластине и общему металлическому основанию..2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что две и более структуры прижаты нажимными болтами к общей контактной металлической пла- О стине, изолированной от основания теплопроводящим слоем, причем каждая из этих структур имеет электрический контакт с одним прижимным болтом, образующим изолированный от других структур токовый вывод, а также электрический контакт с общими токовыми выводами, образованными прижимными болтами к общей контактной металлической пластине. зо

Устройство по пп. 1 и 2, о-л и ч а ю щ е е с я тем, что опорный элемент жестко соединен с металлическим основанием.

Устройство по пп. 1-3, о т - 3 л и ч а ю щ е е с я тем, что в опорном элементе выполнены пазы, в кото-. рых размещены управляющие выводы или световолокна и светодиоды и токовые выводы к ним.

5. Устройство по пп. 1-4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что в нажимных болтах выполнены сквозные пазы, в которых размещены управляющие выво" ды тиристорных структур или светово» локна и светодиоды.

6 Устройство по пп. 1-5, о тл и чающее с я тем, что электроды структуры, металлические шины, пластины и нажимные болты покрыты слоем металла с температурой плавления, превышающей предельно допусти" мую температуру р-и перехода на 510 С.

7. Способ изготовления полупроводникового устройства, включающий операции прижима полупроводниковых структур к основанию и герметизации компаундом, отличающийся тем, что при прижиме структуры одновременно измеряют обратный ток через р-и переход и обратное напряжение, приложенное к структуре, и при критических значениях этих параметров прижим прекращают, после чего осуще" ствляют герметизацию.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

Патент Великобритании и 1366294 кл. Н 01 1/14, опублик. 11.09.74 °

2. Патент ФРГ 8 2336361, кл. Н О1 23/40, опублик. 27.11.75.

3. Патент ФРГ V 2641032, кл. Н 01 25/08, опублик. 16.03.78 (прототип};

8. 7

РО г

ВНИИПИ Заказ 9939/65 Тираж 7б1 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4