СПОСОБ ПРИВАРКИ ВЫВОДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ПРИБОРЕ Российский патент 2014 года по МПК B23K31/02 B23K20/10 B23K101/40 

Изобретение относится к способам приварки вывода в полупроводниковом приборе и может найти применение в производстве силовых полупроводниковых приборов.

Известен /1/ комбинированный способ микросварки давлением, сочетающий нагрев, давление и ультразвуковые колебания крутильной формы.

Основным недостатком данного способа является то, что использование крутильных колебаний инструмента при ультразвуковой сварке (УЗС) усложняет конструкцию сварочного узла установки.

Известен способ термокомпрессионной сварки /2/, при котором к деталям прикладывают начальное давление, нагревают их V-образным электродом, а добавочное давление прикладывают в период максимальной скорости пластического течения металлического проводника.

Основной недостаток: загрязнения и оксидные пленки на соединяемых поверхностях остаются в зоне соединения, что способствует повышению переходного сопротивления контактов «вывод - пленочная металлизация», а при эксплуатации силовых полупроводниковых приборов снижению их надежности

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является способ сварки давлением /3/, при котором к деталям в процессе начального давления на V-образный электрод дополнительно подают ультразвуковые колебания, а при добавочном давлении амплитуду колебаний уменьшают до нуля.

К недостаткам данного способа сварки давлением следует отнести следующее: добавочное давление на привариваемый вывод приводит к его повышенной деформации, которая способствует формированию напряженного участка в месте перехода сварного соединения в вывод, что приводит к уменьшению прочности сварного соединения. Кроме того, при снижении амплитуды колебаний до нуля, то есть отключение ультразвукового генератора, температура в зоне контакта «вывод - пленочная металлизация» падает. Поэтому для развития взаимодействия на границе соединяемых металлов, как в плоскости, так и в объеме контакта требуется увеличение времени сварки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это упрощение конструкции сварочного узла установки; повышение прочности сварных соединений; сокращение времени сварки; повышение надежности силовых полупроводниковых приборов.

Эта задача достигается тем, что в способе приварки вывода в полупроводниковом приборе, включающем подачу на V-образный электрод импульса тока с приложением начального давления и подачей на него ультразвуковых колебаний, последующее приложение добавочного давления с уменьшением амплитуды ультразвуковых колебаний до нуля, с целью упрощения конструкции сварочного узла установки за счет применения УЗ колебаний направленных вдоль оси привариваемого вывода, повышения прочности сварных соединений в результате снижения деформации вывода при сварке, сокращения времени сварки за счет повышения температуры на границе соединяемых металлов, повышения надежности силовых полупроводниковых приборов в результате уменьшения переходного сопротивления контактов «вывод - пленочная металлизация», ультразвуковые колебания подают вдоль оси привариваемого вывода, а в момент приложения добавочного давления на V-образный электрод подают повышенный импульс тока, обеспечивающий инициирование пластической деформации соединяемых материалов за счет скачкообразного увеличения температуры в зоне соединения.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ приварки вывода в полупроводниковом приборе отличается от известного тем, что с целью упрощения конструкции сварочного узла установки за счет применения УЗ колебаний направленных вдоль оси привариваемого вывода, повышения прочности сварных соединений в результате снижения деформации вывода при сварке, сокращения времени сварки за счет повышения температуры на границе соединяемых металлов, повышения надежности силовых полупроводниковых приборов в результате уменьшения переходного сопротивления контактов «вывод - пленочная металлизация» ультразвуковые колебания подают вдоль оси привариваемого вывода, а в момент приложения добавочного давления на V-образный электрод подают повышенный импульс тока, обеспечивающий инициирование пластической деформации соединяемых материалов за счет скачкообразного увеличения температуры в зоне соединения.

Таким образом, заявленный способ приварки вывода в полупроводниковом приборе соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявленного способа с другими известными способами /1, 2/ из известного уровня техники также не позволило выявить в них признаки, заявляемые в отличительной части сравнения.

Сущность изобретения представлена на циклограмме процесса приварки вывода в полупроводниковом приборе, на которой представлены следующие параметры: Q-давление, прикладываемое к свариваемым деталям; J - импульс тока, подаваемый на инструмент (V-образный электрод); F - ультразвуковые колебания заданной амплитуды; S - площадь взаимодействия вывода с металлизацией кристалла/корпуса; P - прочность контакта «вывод - пленочная металлизация»; T - температура в зоне соединения; t₁-t₄ - время формирования сварного соединения.

Для реализации способа приварки вывода в полупроводниковом приборе используют установку, снабженную V-образным электродом с продольной канавкой на рабочей поверхности. При этом ультразвуковые колебания направлены вдоль оси привариваемого вывода, что упрощает конструкцию сварочного узла установки. На столике установки размещают корпус силового полупроводникового прибора с полупроводниковым кристаллом. Привариваемый ленточный вывод проходит через боковое отверстие V-образного электрода и совмещается с контактной площадкой кристалла.

В течение времени t₁-t₃ осуществляют начальное давление V-образного электрода (Q) на соединяемые детали; на V-образный электрод подают импульс тока (J), разогревая соединяемые детали до температуры (T), не приводящей к пластической деформации соединяемых поверхностей. Одновременно с начальным давлением (Q) и подачей импульса тока (J) на V-образный электрод подают ультразвуковые колебания (F) с заданной амплитудой.

При подаче УЗ-колебаний на преобразователь V-образный электрод начинает вибрировать вдоль оси вывода, создавая условия для разрушения оксидных пленок на свариваемых поверхностях и формирования физического контакта.

Известно, что при УЗС площадь очагов взаимодействия (S) соединяемых поверхностей «вывод - пленочная металлизация» составляет около 50% площади сварного контакта.

В течение времени t₃-t₄ амплитуду колебаний V-образного электрода уменьшают до нуля. К электроду прикладывают добавочное давление Q и одновременно подают повышенный импульс тока J, что способствует увеличению температуры T в зоне соединения и интенсивной пластической деформации соединяемых материалов.

В процессе образования соединения инициирование интенсивной пластической деформации соединяемых материалов путем скачкообразного увеличения температуры приводит к увеличению прочности (P) контактов «вывод - пленочная металлизация» и сокращению времени сварки.

Увеличение температуры и интенсивной пластической деформации приводят к полному удалению оксидных пленок и загрязнений из зоны соединения; повышают площадь заполнения микронеровностей соединяемых поверхностей; привариваемый вывод подвергается незначительному давлению и, следовательно, не способствует формированию напряженного участка в месте перехода сварного соединения в вывод. При этом площадь взаимодействия (S) вывода с пленочной металлизацией сопоставима с площадью сварного контакта, что снижает переходное сопротивление контакта «вывод - пленочная металлизация», а при эксплуатации силовых полупроводниковых приборов повышает их надежность.

После приварки вывода к полупроводниковому кристаллу V-образный электрод перемещается на позицию приварки вывода к траверсе корпуса. Циклограмма процесса приварки вывода на траверсе корпуса аналогична приварке вывода на кристалле.

Таким образом, использование предлагаемого способа приварки вывода в полупроводниковом приборе обеспечивает, по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Упрощается конструкция сварочного узла установки.

2. Повышается прочность сварных соединений.

3. Сокращается время сварки.

4. Повышается надежность силовых полупроводниковых приборов.

Источники информации

1. Россошинский А.А., Табелев В.Д. Комбинированный способ микросварки давлением // Автоматическая сварка, 1967, №11. C.35

2. А.с. СССР 719830 B23К 19/00. Способ термокомпрессионной сварки/ В.Е. Атауш, Р.Б. Рудзит, С.В. Карпенко, В.П. Леонов, Э.Г. Москвин (СССР). - Опубл. В Б.И., 1980, №9.

3. Патент РФ 2271909 B23К 31/02. Способ сварки давлением/ В.В. Зенин, Ю.Е. Сегал, Ю.Л. Фоменко, В.Я. Пьяных, А.В. Рягузов, В.А. Шарапов, (РФ). - Опубл в Б.И., 2006, №8.

Изобретение может быть использовано для приварки металлических выводов при производстве силовых полупроводниковых приборов. На V-образный электрод подают импульс тока с приложением начального давления и подачей ультразвуковых колебаний вдоль оси привариваемого вывода. Прикладывают добавочное давление с уменьшением амплитуды ультразвуковых колебаний до нуля. В момент приложения добавочного давления на V-образный электрод подают повышенный импульс тока, обеспечивающий инициирование пластической деформации соединяемых материалов за счет скачкообразного увеличения температуры в зоне соединения. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции сварочного узла, повышение прочности сварных соединений, сокращение времени сварки и повышение надежности силовых полупроводниковых приборов. 1 ил.

Способ приварки вывода в полупроводниковом приборе, включающий подачу на V-образный электрод импульса тока с приложением начального давления и подачей на него ультразвуковых колебаний, последующее приложение добавочного давления с уменьшением амплитуды ультразвуковых колебаний до нуля, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания подают вдоль оси привариваемого вывода, а в момент приложения добавочного давления на V-образный электрод подают повышенный импульс тока, обеспечивающий инициирование пластической деформации соединяемых материалов за счет скачкообразного увеличения температуры в зоне соединения.