ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01L25/04 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к полупроводниковым модулям, которые используют в системах управления электродвигателями промышленного и бытового назначения и в различных системах питания радиотехнических изделий.

Цель изобретения повышение надежности работы полупроводниковых модулей и снижение расходов на производство, что обеспечивает возможность выпуска мелкосерийной продукции без увеличения ее стоимости.

Известен полупроводниковый модуль, включающий металлическое основание в виде фланца, на основание напаяна изолирующая керамическая теплопроводящая подложка. На подложке напаян блок арматуры, содержащей полупроводниковые элементы. Токовыводы установлены на фланце через керамические бруски, которые напаяны на фланец. Внутреннее соединение полупроводниковых элементов с токовыводами выполнено алюминиевой проволокой методом ультразвуковой сварки. Герметизация модуля осуществлена методом трансферного прессования с использованием кремнеорганических пресс-композиций [1]
Недостатком этого устройства является невысокая прочность соединения пресс-композиций с фланцем после герметизации трансферным прессованием. Помимо этого данный метод герметизации не обеспечивает необходимую влагостойкость, так как в основном влага проникает внутрь объема полупроводниковых элементов через поверхность, контактирующую с окружающей средой, а не только по разъему металл-пластмасса. Поверхность компаунда, выполняющая функции корпуса, значительно превышает площадь контакта металла с пластмассой.

Такая конструкция полупроводникового модуля при эксплуатации в условиях повышенной влажности требует дополнительных мер защиты, что усложняет конструкцию.

Кроме того, трансферное прессование в условиях мелкосерийного и серийного (до 100000 шт/год) производства экономически не выгодно из-за высокой стоимости пресс-форм для герметизации.

Известен полупроводниковый модуль, включающий металлическое основание в виде фланца в форме многоугольника. На металлическом основании напаяны несколько изолирующих керамических подложек, на которых напаяны полупроводниковые элементы и токовыводы. Полупроводниковые элементы соединены между собой с помощью металлических шин методом пайки. Герметизацию полупроводникового модуля осуществляют следующим образом. На фланец приклеивают полый корпус, открытый сверху. Объем, образованный фланцем с корпусом, заполняют эпоксидным герметизирующим компаундом примерно на три четверти объема. Окончательную герметизацию осуществляют с помощью крышки. Внутренняя сторона крышки имеет сложный рельеф, образованный чередованием плоских и наклонных поверхностей. При соприкосновении внутренней поверхности крышки с заливочным компаундом происходит их соединение по поверхности со сложной конфигурацией, обеспечивающей наибольшую надежность соединения крышки с корпусом [2]
Недостатком данного полупроводникового модуля является недостаточная прочность соединения корпуса с фланцем из-за малой площади сцепления и сложность фиксации корпуса на фланце.

Таким образом, данная конструкция характеризуется недостаточной механической прочностью, которая может привести к разрушению клеевого соединения корпуса с фланцем.

Цель изобретения повышение влагостойкости и механической прочности полупроводникового модуля и, кроме того, упрощение технологии изготовления за счет исключения склеивания плоских поверхностей корпуса и фланца.

Это достигается тем, что в полупроводниковом модуле, включающем заполненный герметиком на основе смолы корпус, содержащий крышку и основание в виде металлического фланца в форме многоугольника и расположенную на нем изолирующую подложку с напаянными токовыводами, полупроводниковые элементы, установленные на изолирующей подложке и соединенные с токовыводами, согласно изобретению фланец выполнен прямоугольной формы и с цилиндрическими выемками, расположенными соосно по середине противоположных сторон, крышка выполнена в форме коробки с расположенными по середине боковых поверхностей выступами, имеющими цилиндрическую форму и входящими в зацепление с фланцем путем сопряжения выступов с выемками на фланце, выемки и выступы неподвижно соединены между собой клеевыми композициями; цилиндрические выемки на фланце выполнены с соотношением радиуса к длине фланца 1:(27-32) соответственно; зазор между сопрягающимися поверхностями выступов на боковых поверхностях крышки и выемок на фланце, входящих в зацепление, составляет 10-15% от радиуса выемки фланца; соединение фланца и крышки выполнено с использованием высокотемпературных композиций на основе элементоорганических соединений; крышка выполнена из влагостойкой и механически прочной пластмассы типа АГ-4.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагаемая в конструкции полупроводникового модуля новая форма фланца позволяет обеспечить более прочное клеевое соединение элементов (крышки и фланца), образующих корпус. Выполнение крышки из влагостойкой и механически прочной пластмассы не только позволяет повысить влагостойкость модулей (по сравнению с прототипом), но и исключить использование для герметизации дорогостоящего метода трансферного прессования с применением кремнеорганических пресс-материалов (по сравнению с аналогом). Дополнительное заполнение объема влагостойкого корпуса эпоксидным герметизирующим компаундом в сочетании с заявленной конструкцией крышки и фланца обеспечивают полную герметизацию корпуса и повышают надежность работы модуля вне зависимости от условий окружающей среды.

В то же время корпуса модулей, полученные и герметизированные методом трансферного прессования с использованием кремнеорганических пресс-композиций, который нашел наибольшее распространение в электронике, благодаря большой поверхности соприкосновения с окружающей средой, имеют существенно более низкую влагостойкость, так как в основном проникновение влаги в корпус происходит как раз через поверхность соприкосновения с окружающей средой.

Высокая стоимость герметизации трансферным прессованием связана со сложностью изготовления и высокой стоимостью пресс-форм и кремнеорганических компаундов. Предложенная конструкция, сохранив высокую механическую прочность корпуса, не имеет этих недостатков и, особенно в мелкосерийном выпуске, позволяет получить существенную экономическую выгоду.

Наиболее целесообразно в данной конструкции полупроводникового модуля использовать предложенные соотношения размеров выемок на фланце и зазора между выступами на боковых поверхностях крышки и выемок на фланце. При таких соотношениях указанных размеров с наибольшей гарантией достигаются полная герметизация и увеличение надежности работы. Увеличение или уменьшение указанных соотношений может привести к нарушению герметизации и к возникновению дополнительных напряжений при совмещении крышки с фланцем, что усложняет процесс сборки и также может привести к нарушению герметизации.

На фиг.1 изображена схема полупроводнокового модуля диодного, вертикальное сечение; на фиг.2 то же, вид снизу.

Модуль состоит из корпуса, содержащего основание в виде металлического фланца 1 прямоугольной формы с выемками 2, изолирующей подложки 3 из керамики с высокой теплопроводностью, напаянной на фланец 1, токовыводов 4, напаянных на изолирующую подложку 3, полупроводниковых элементов 5, установленных на подложке 3 и соединенных с токовыводами 4 алюминиевыми полупроводниками 6, крышки 7 с цилиндрическими выступами 8 на боковых поверхностях; выступы 8 крышки 7 входят в зацепление с выемками 2 на фланце 1 и неподвижно соединены между собой клеевыми композициями 9. В качестве клеевой композиции для соединения крышки и фланца можно использовать клей на основе элементоорганических соединений, например, клей ВК-15, содержащий кремнеорганический сополимер, растворитель и наполнитель в виде окислов, асбеста, стеклянных волокон. Такой клей обладает высокой стойкостью к старению в атмосферных условиях, при воздействии воды и влаги, в озоне, при коронном разряде и солнечном свете. Кроме того, клей имеет хорошие диэлектрические характеристики, стоек к радиационному и одновременно к радиационному и температурному воздействию. Радиус (R) выемки 2 на фланце 1 относится к длине (L) фланца 1 как 1: (27-32). Зазор (δ) между выемками 2 фланца 1 и выступами 8 крышки 7 не превышает 10-15% На поверхность полупроводниковых элементов нанесен защитный слой 10 из эластичного кремнийорганического компаунда. Корпус заполнен герметиком 11 на основе эпоксидной смолы через отверстие 12 в крышке 7.

В качестве герметика, заполняющего корпус, можно использовать смесь эпоксидной смолы с отвердителем в соотношении 3:1. Для изготовления крышки применяют, например, прессовочный материал АГ-4 с теплостойкостью 280^oC, электропрочностью 132 кВ/мм, удельным поверхностным электросопротивлением 10 Ом•см и
σ_и= 10 - 20 кг/кв.мм.
Сборку полупроводникового модуля осуществляют в следующей последовательности.

На фланец 1 одновременно (за один процесс) с помощью низкотемпературного припоя (Т_пл>300^oC) напаивают изолирующую подложку 3 и токовыводы 4 на изолирующую подложку 3. На контактные площадки изолирующей подложки 3 с помощью низкотемпературного припоя (Т_пл<250^oC) напаивают полупроводниковые элементы 5, которые соединяют в мостовую или полумостовую выпрямительную схему с помощью алюминиевых проводников 6. На полупроводниковые элементы 5, соединенные в электрическую схему, наносятся защитный слой 10 из эластичного кремнийоргинического компаунда. Крышку 7 заполняют герметиком 11 через отверстия 12 в крышке 7.

Таким образом, заявленная конструкция позволяет повысить надежность работы, снизить стоимость изделия и делает экономически выгодным выпуск мелкосерийных и серийных изделий, исключает применение дорогостоящего прецизионного прессового оборудования.

Использование: в полупроводниковых приборах, а именно в полупроводниковых модулях, которые используют в системах управления электродвигателями промышленного и бытового назначения и в различных системах питания радиотехнических изделий. Сущность: полупроводниковый модуль включает заполненный герметиком на основе смолы корпус, содержащий крышку и основание в виде металлического фланца в форме многоугольника и расположенную на нем изолирующую подложку с напаянными токовыводами, полупроводниковые элементы, установленные на изолирующей подложке и соединенные с токовыводами, согласно изобретению фланец выполнен прямоугольной формы и цилиндрическими выемками, расположенными соосно по середине противоположных сторон, крышка выполнена в форме коробки с расположенными по середине боковых поверхностей выступами, имеющими цилиндрическую форму и входящими в зацепление с фланцем путем сопряжения выступов с выемками на фланце. Выемки и выступы неподвижно соединены между собой клеевыми композициями; цилиндрические выемки на фланце выполнены с соотношением радиуса к длине фланца 1:(27-32) соответственно. Зазор между сопрягающимися поверхностями выступов на боковых поверхностях крышки и выемок на фланце, входящих в зацепление, составляет 10-15% от радиуса выемки фланца. Соединение фланца и крышки выполнено с использованием высокотемпературных композиций на основе элементоорганических соединений; крышка выполнена из влагостойкой и механически прочной пластмассы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полупроводниковый модуль, включающий заполненный герметиком на основе смолы корпус, содержащий крышку и основание в виде металлического фланца в форме многоугольника и расположенную на нем изолирующую подложку с напаянными токовыводами, полупроводниковые элементы, установленные на изолирующей подложке и соединенные с токовыводами, отличающийся тем, что фланец выполнен прямоугольной формы с цилиндрическими выемками, расположенными соосно по середине противоположных сторон, крышка выполнена в форме коробки с расположенными по середине боковых поверхностей выступами, имеющими цилиндрическую форму и выходящими в зацепление с фланцами путем сопряжения выступов с выемками на фланце, выемки и выступы неподвижно соединены между собой клеевыми композициями. 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические выемки на фланце выполнены с соотношением радиуса к длине фланца 1 (27 32) соответственно. 3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что зазор между сопрягающимися поверхностями выступов на боковых поверхностях крышки и выемок на фланце, входящих в зацепление, составляет 10 15% радиуса выемки фланца. 4. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что соединение фланца и крышки выполнено с использованием высокотемпературных композиций на основе элементоорганических соединений. 5. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что крышка выполнена из влагостойкой и механически прочной пластмассы.