КОНСТРУКЦИЯ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА Российский патент 2003 года по МПК H01L29/00 H01L29/06 

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике и может быть использовано при создании новых приборов силовой полупроводниковой электроники.

Известны конструкции полупроводниковых диодов, предназначенных для запрессовки в охладитель, содержащие металлический корпус, являющийся одним из электродов прибора, полупроводниковый выпрямительный элемент, вывод, являющийся вторым электродом прибора, материал, герметизирующий полупроводниковый прибор (патент US 5005069 от 02 апреля 1991 года, патент US 5886403 от 23 мая 1999 года и патент US 6060776 от 09 мая 2000 года).

Общим недостатком конструкций по патентам US 5005069, US 5886403 и US 6060776 является то, что в конструкции диодов электрический контакт между полупроводниковым элементом, корпусом и выводом обеспечивается с помощью пайки. Из-за возникающих механических напряжений в паяных контактах эти приборы имеют низкую циклостойкость к коммутации электрического тока, то есть к многократному повторению циклов "включить - выключить", и а также невысокую стойкость к резкой смене температуры.

Признаки аналогов по патентам US 5005069, US 5886403 и US 6060776, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения, являются следующими, наличие:
металлического корпуса, предназначенного для запрессовки в охладитель, являющегося одним из электродов прибора,
полупроводникового выпрямительного элемента,
вывода, являющегося вторым электродом прибора,
герметизирующего материала.

Причина, препятствующая получению требуемых технических решений в аналогах, является следующей - наличие паяных контактов между корпусом, выводом и полупроводниковым выпрямительным элементом, приводящих к возникновению в полупроводниковом элементе механических напряжений, в результате чего полупроводниковый прибор имеет низкую циклостойкость и низкую стойкость к резкой смене температуры.

Известны конструкции полупроводникового прибора с прижимными контактами, содержащие:
металлическое основание, являющееся одним из электродов прибора,
вывод, являющийся вторым электродом прибора,
полупроводниковый выпрямительный элемент,
направляющую втулку,
тарельчатые пружины, обеспечивающие прижимной электрический контакт между основанием, полупроводниковым выпрямительным элементом и выводом,
изолятор, предназначенный для электрической изоляции вывода от основания,
кольцо, закрепленное на основании, в котором размещены полупроводниковый выпрямительный элемент и тарельчатые пружины,
крышку из изоляционного материала, с помощью которой обеспечивается герметизация полупроводникового прибора (патент US 3858096 от 31 декабря 1974 г. , патент US 3950778 от 13 апреля 1976 г., патент US 4305087 от 08 декабря 1981 г., патент US 4792844 от 20 декабря 1988 г.).

Общим недостатком конструкции по патентам US 3858096, US 3950778, US 4305087, US 4792844, US 5760425 является то, что корпус полупроводникового прибора является составным, состоящим из основания и кольца, укрепленного на основании, причем внутренняя полость кольца изготовлена в виде цилиндра с постоянным диаметром по высоте, значение которого больше диаметра полупроводникового выпрямительного элемента и тарельчатых пружин, вследствие чего габаритные размеры полупроводникового прибора с прижимным контактом больше габаритных размеров полупроводниковых приборов с паяными контактами, что ограничивает область применения приборов с прижимными контактами в устройствах, например, предназначенных для использования на транспорте, в которых корпус полупроводникового прибора запрессовывается в охладитель и должен иметь минимальные размеры.

За прототип принята конструкция полупроводникового прибора по патенту US 5760425 от 02 июня 1998 года, содержащая:
корпус, состоящий из металлического основания, являющегося одним из электродов полупроводникового прибора, кольца, установленного на основании, и крышки из изоляционного материала,
вывод, являющийся вторым электродом полупроводникового прибора,
- полупроводниковый выпрямительный элемент,
центрирующее кольцо,
тарельчатые пружины.

Причина, препятствующая получению требуемых технических решений в прототипе по патенту US 5760425, является следующей: корпус полупроводникового прибора является составным, содержащим плоское основание и кольцо, укрепленное на основании, имеющее одинаковый внутренний диаметр по высоте, который больше диаметра полупроводникового выпрямительного элемента и тарельчатых пружин. Габаритные размеры этого прибора значительно больше габаритных размеров полупроводниковых приборов с паяными контактами. По этой причине область применения полупроводникового прибора по патенту US 5760425 ограничена. Сущность предлагаемого изобретения выражается в том, что конструкция силового полупроводникового прибора содержит:
металлический корпус, являющийся одним из электродов прибора,
вывод, являющийся вторым электродом прибора,
полупроводниковый выпрямительный элемент,
изолятор, предназначенный для электрической изоляции вывода от корпуса,
центрирующее кольцо,
тарельчатые пружины.

Металлический корпус прибора выполнен из цельного материала в форме полого баллончика, имеющего нижнюю часть, на донышке которой размещен выпрямительный элемент и центрирующее кольцо, и верхнюю часть, предназначенную для размещения в ней тарельчатых пружин, имеющую наружный и внутренний диаметры больше соответствующих диаметров нижней части, бортик вблизи открытого торца корпуса, служащий для передачи механического усилия, образованный за счет утонения стенок верхней части, деформируемых для фиксации тарельчатых пружин в сжатом состоянии с образованием над ними полости, предназначенной для герметизирующего материала, имеющей уменьшение диаметра у открытого торца корпуса. Между нижней и верхней частями корпуса прибора под тарельчатыми пружинами находится уплотнительный диск из эластичного материала. На выводе прибора под изолятором надето уплотнительное кольцо из эластичного материала.

Общими признаками заявляемых и известных технических решений являются наличие:
металлического корпуса, являющегося одним из электродов прибора,
вывода, являющегося вторым электродом прибора,
полупроводникового выпрямительного элемента,
центрирующего кольца,
тарельчатых пружин,
электрического изолятора, предназначенного для изоляции вывода от корпуса.

Отличительными признаками являются:
металлический корпус прибора изготовлен из цельного материала в форме полого баллончика с донышком, имеющего нижнюю и верхнюю части,
верхняя часть имеет наружный и внутренний диаметры больше соответствующих диаметров нижней части, бортик вблизи открытого торца корпуса, служащий для передачи механического усилия, образованный за счет утонения стенок верхней части,
полупроводниковый выпрямительный элемент расположен на донышке в нижней части, тарельчатые пружины находятся в верхней части корпуса,
на внутреннем бортике корпуса между нижней и верхней частями под тарельчатыми пружинами размещен диск из эластичного материала,
на выводе под изолятором расположено уплотняющее кольцо из эластичного материала,
фиксация тарельчатых пружин в сжатом состоянии осуществлена деформацией по окружности утоненных стенок верхней части корпуса с образованием полости над тарельчатыми пружинами, имеющей уменьшение диаметра к открытому торцу корпуса.

Авторы считают, что заявляемые технические решения соответствуют критерию "существенные отличия", так как технические решения, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, им неизвестны.

На фиг.1 представлена конструкция силового полупроводникового диода; на фиг. 2 - ее изображение в изометрии; на фиг.3 - конструкция силового полупроводникового прибора, имеющего три электрода, например, тиристора.

Полупроводниковый прибор, изображенный на фиг.1, состоит из корпуса 1, изготовленного из цельного металла, вывода 2, полупроводникового выпрямительного элемента 3, центрирующего кольца 4 из изоляционного материала, прокладок 5 из мягкого металла, нижней плоской шайбы 6, изолятора 7, тарельчатых пружин 8, верхней плоской шайбы 9, уплотнительного диска из эластичного материала 10, уплотнительного кольца 11, герметизирующего материала 12.

Корпус 1 изготовлен из цельного металла в форме полого баллончика с донышком 13 и плоским выступом 14, имеющего нижнюю 15 и верхнюю 16 части. Нижняя часть прибора предназначена для его запрессовки в охладитель. Наружный и внутренний диаметры верхней части больше соответствующих диаметров нижней части. Верхняя часть 16 корпуса 1 имеет утонение стенок 17 у открытого торца корпуса. Полупроводниковый выпрямительный элемент 3 расположен внутри центрирующего кольца 4 на плоском выступе 14 донышка 13 между прокладками 5. Вывод 2 с надетыми на него нижней плоской шайбой 6 уплотнительным кольцом 11 и изолятором 7 прижат к полупроводниковому выпрямительному элементу 3 тарельчатыми пружинами 8, находящимися в верхней части корпуса. На внутреннем бортике 18 между нижней 15 и верхней 16 частями корпуса под тарельчатыми пружинами размещен диск 10 из эластичного материала.

Прижимной электрический контакт между корпусом 1, полупроводниковым выпрямительным элементом 3 и выводом 2 создается посредством усилия тарельчатых пружин, фиксация которых в сжатом состоянии осуществлена деформацией по окружности утоненных стенок 17 верхней части корпуса с образованием полости над тарельчатыми пружинами для герметизирующего материала 12. Для исключения удаления герметизирующего материала, диаметр этой полости у открытого торца корпуса меньше, чем у наружного бортика 19, предназначенного для передачи механического усилия при запрессовке полупроводникового прибора в охладитель.

В целях исключения попадания герметизирующего материала 12 в зону прижимного контакта применены уплотнительные кольцо 11 и диск 10 из эластичного материала.

На фиг. 2 проведено изображение конструкции силового полупроводникового диода в изометрии.

На фиг.3 приведена конструкция полупроводникового прибора, имеющего три электрода, например, тиристора, аналогичная конструкции, изображенной на фиг.1.

Полупроводниковый прибор, изображенный на фиг.3, состоит из корпуса 20, изготовленного из цельного металла в форме полого баллончика с донышком 25 и выступом 24, наружным бортиком 23, имеющего нижнюю 21 и верхнюю 22 части. Нижняя часть прибора предназначена для его запрессовки в охладитель. Наружный и внутренний диаметры верхней части больше соответствующих диаметров нижней части. Верхняя часть корпуса имеет утонение стенок у открытого торца корпуса. Силовой вывод 30 имеет прорезь, в которой проложен управляющий электрод 31 полупроводникового выпрямительного элемента 26, размещенного между термокомпенсирующими дисками 27 и 28 внутри изоляционного центрирующего кольца 29 с бортиком. Силовой вывод 30 изолирован от корпуса 20 посредством электрического изолятора 34, в котором размещены тарельчатые пружины 33, управляющий вывод 32 и уплотнительное кольцо 35. Полость, образованная в результате деформации утоненных стенок верхней части корпуса, над изолятором предназначена для герметизирующего материала 36, попадание которого в зону прижимного контакта исключается наличием уплотнительного кольца 35, надетого на вывод, и диска 37, расположенного на бортике центрирующего кольца под тарельчатыми пружинами и изолятором.

Предлагаемая конструкция силового полупроводникового прибора имеет следующие преимущества перед прототипом:
1. Нижняя часть корпуса, запрессовываемая в охладитель, имеет малые габариты, аналогичные габаритам приборов с паяными контактами, и ее размеры не зависят от размеров тарельчатых пружин.

2. Предложенная конструкция применима для силовых полупроводниковых приборов как с двумя, так и тремя электродами. При этом размер нижней части корпуса, запрессовываемой в охладитель, не зависит от количества электродов.

3. Исключено попадание герметизирующего материала в зону прижимного контакта и его удаление из корпуса.

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике. Конструкция силового полупроводникового прибора содержит металлический корпус, являющийся одним из электродов прибора, вывод, являющийся вторым электродом прибора, полупроводниковый выпрямительный элемент, изолятор, предназначенный для электрической изоляции вывода от корпуса, центрирующее кольцо, тарельчатые пружины. При этом металлический корпус прибора выполнен из цельного материала в форме полого баллончика, имеющего нижнюю часть, на донышке которой размещен выпрямительный элемент и центрирующее кольцо, и верхнюю часть, предназначенную для размещения в ней тарельчатых пружин, имеющую наружный и внутренний диаметры больше соответствующих диаметров нижней части, бортик вблизи открытого торца корпуса, служащий для передачи механического усилия. Бортик образован за счет утонения стенок верхней части, деформируемых для фиксации тарельчатых пружин в сжатом состоянии с образованием над ними полости для герметизирующего материала, имеющей уменьшение диаметра к открытому торцу корпуса. Между нижней и верхней частями корпуса прибора под тарельчатыми пружинами находится уплотнительный диск из эластичного материала, на выводе прибора под изолятором надето уплотнительное кольцо из эластичного материала. Техническим результатом является улучшение конструкции силового полупроводникового прибора, при этом предложенная конструкция применима для приборов как с двумя, так и с тремя электродами, а нижняя часть корпуса имеет малые размеры, которые не зависят от размеров тарельчатых пружин и количества электродов, исключено попадание герметизирующего материала в зону прижимного контакта и его удаление из корпуса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Конструкция силового полупроводникового прибора, содержащая металлический корпус, являющийся одним из электродов прибора, вывод, являющийся вторым электродом прибора, полупроводниковый выпрямительный элемент, изолятор, предназначенный для электрической изоляции вывода от корпуса, центрирующее кольцо, тарельчатые пружины, отличающаяся тем, что металлический корпус прибора выполнен из цельного материала в форме полого баллончика, имеющего нижнюю часть, на донышке которой размещены выпрямительный элемент и центрирующее кольцо, и верхнюю часть, предназначенную для размещения в ней тарельчатых пружин, имеющую наружный и внутренний диаметры больше соответствующих диаметров нижней части, бортик вблизи открытого торца корпуса, служащий для передачи механического усилия, образованный за счет утонения стенок верхней части, деформируемых для фиксации тарельчатых пружин в сжатом состоянии с образованием над ними полости для герметизирующего материала, имеющей уменьшение диаметра к открытому торцу корпуса. 2. Конструкция силового полупроводникового прибора по п. 1, отличающаяся тем, что между нижней и верхней частями корпуса прибора под тарельчатыми пружинами находится уплотнительный диск из эластичного материала. 3. Конструкция силового полупроводникового прибора по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на выводе прибора под изолятором надето уплотнительное кольцо из эластичного материала.