КАССЕТА ДЛЯ СПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Российский патент 2015 года по МПК H01L21/67 

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано при сплавлении элементов силовых полупроводниковых приборов.

Известна конструкция кассеты (Коутный Й., Кудлак Я., Микушек Я. Технология серийного производства транзисторов и полупроводниковых диодов./Пер. с чешского В.Н.Пшениснова. М., Энергия, 1968, с.217), состоящей из трех частей. В нижней части выполняется полость, в которую последовательно закладываются термокомпенсатор, выполненный из ковара или молибдена, припойная прокладка и пластина кремния. После этого на нижнюю часть накладывается средняя часть конструкции, в сквозное отверстие которой помещается алюминиевый цилиндрик, формирующий контакт к диоду. Для устранения выпадения цилиндрика на среднюю часть конструкции кассеты накладывают верхнюю часть, имеющую форму пластины, а в сечении прямоугольника. К недостаткам данной кассеты следует отнести: сложность конструкции, требующей постоянной сборки и разборки в процессе эксплуатации; герметизация элементов полупроводникового диода тремя частями конструкции кассеты затрудняет выход паров легкоиспаряющихся материалов, что повышает вероятность выброса элементов из полости, следовательно, требует дополнительных элементов конструкции, устраняющих этот недостаток; затрудненный выход паров загрязнений, адсорбируемых поверхностями элементов конструкции полупроводникового диода, приводит к их осаждению на поверхностях полости и сквозного отверстия средней части. Поэтому при использовании подобной конструкции необходимо вводить в технологический процесс дополнительную операцию очистки этих поверхностей.

Известна конструкция кассеты (Коутный Й., Кудлак Я., Микушек Я. Технология серийного производства транзисторов и полупроводниковых диодов./Пер. с чешского В.Н.Пшениснова. М., Энергия, 1968, с.52), в которой предусмотрен элемент, прижимающий своим весом в направлении сверху вниз элементы полупроводникового диода. Это устраняет возможность смещения элементов полупроводникового диода и улучшает смачиваемость поверхностей диода и термокомпенсатора припоем. Однако наличие механизма прижима элементов полупроводникового диода не устраняет процесс загрязнения поверхности полости кассеты, и, следовательно, также требует введения дополнительной операции очистки поверхности полости от слоя загрязнений.

Наиболее близка по технической сущности к предлагаемому изобретению (Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов. М., Высшая школа, 1974, с.106) конструкция кассеты, помещаемая на съемник, выполненная в виде полости в углероде, в которую вставляют нижние пробки. В отверстия пробок помещаются дозированные цилиндрики сплава для формирования электродов. После этого на поверхность указанной пробки последовательно укладывают кристаллы полупроводникового диода, кольца из базового сплава и кристаллодержатели. Поднимая кассету над съемником, опускают нижнюю пробку, освобождая пространство полости кассеты для помещения в нее верхней пробки. Верхняя пробка имеет сквозное отверстие, через которые загружают электрод полупроводникового диода. При сплавлении полученной структуры происходит выделение паров легколетучих элементов, загрязняющих поверхность полости. В процессе проведения технологического процесса происходит увеличение толщины этого слоя, что препятствует закладке и выемке нижней, верхней пробок и полупроводникового диода из полости кассеты. Поэтому в технологический процесс вводят дополнительную операцию очистки поверхности полости кассеты. Кроме этого, рост толщины слоя загрязнений герметизирует элементы в полости кассеты, в результате в рабочем объеме полости увеличивается давление паров легколетучих материалов, прорываясь в локальной области полости во внешнюю среду, они способны выбросить нижнюю и верхнюю пробки из полости кассеты. В результате этого при сплавлении образуются бракованные конструкции полупроводниковых диодов.

В основу поставлена задача проведения процесса сплавления в кассете, конструкция которой значительно снижает загрязнение рабочей поверхности кассеты при одновременном образовании свободного истечения паров легколетучих материалов во внешнюю среду.

Указанная цель при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем пластину углерода, согласно изобретению в объеме полупроводниковой пластины по образующей элементов полупроводниковых диодов изготавливаются п-образные полости, в которые по легкопрессовой посадке помещаются керамические стержни диаметром 4-7 миллиметров, причем высота полостей в углеродной пластине составляет (1,5-2) диаметра керамических стержней, выступающих над поверхностью углеродной пластины на высоту, превышающую на (10-20)% высоту элементов полупроводниковых диодов, собранных в единую конструкцию (фиг.1).

На фиг.1 изображена конструкция кассеты, которая содержит углеродную пластину 1, керамические стержни 2, токовывод 3, припойную прокладку 4, полупроводниковый диод 5, припойную прокладку 6 и термокомпенсатор 7.

Устройство осуществляется следующим образом.

По образующей элементов полупроводникового диода изготавливаются п-образные полости, в которые по легкопрессовой посадке помещаются керамические стержни, ограничивающие смещение элементов конструкций полупроводникового диода. В образовавшееся пространство последовательно помещаются элементы конструкции полупроводникового диода.

При помещении заполненной кассеты в печь резистивного нагрева происходит воздействие тепла непосредственно на все элементы конструкции полупроводникового диода. Это приводит к тому, что припойные прокладки 4, 6 одновременно расплавляются и смачивают поверхности сплавляемых элементов, препятствуя их загрязнению. Выделяемые при этом пары легко испаряемых материалов свободно истекают во внешнюю среду, практически не взаимодействуя с рабочей поверхностью кассеты, что значительно упрощает ее эксплуатацию.

Главным условием образования конструкции кассеты является выполнение в основании п-образных полостей глубиной h=(1-2) диаметра керамических стержней. Выполнение неравенства h<1 диаметра керамических стержней приводит к ненадежному закреплению керамических стержней из-за пластических свойств углерода и скола частиц приповерхностного слоя углерода в области взаимодействия поверхностей углерода и керамики. В процессе эксплуатации, т.е. набора и выемке элементов полупроводникового диода, происходит механическое воздействие на керамические стержни, приводящие к их расшатыванию и выпадению из полости. Данное явление приводит к смещению элементов полупроводникового диода и появлению конструкционного брака в серии сплавляемых элементов. Изготовление полостей с h>2 диаметров керамических стержней приводит к нецелесообразному увеличению толщины углеродной пластины и ее веса, что затрудняет ее эксплуатацию в технологическом процессе сплавления элементов полупроводниковых диодов и увеличивает стоимость кассеты. Углерод обладает малыми величинами коэффициента трения, поэтому для прочного закрепления керамических стержней в полостях необходимо использовать легкопрессовую посадку. Использование более прочных посадок может привести к расколу пластины и необратимому выходу кассеты из строя.

Элементы полупроводникового диода собираются в кассете в вертикальную конструкцию (столбик), поэтому превышение керамических стержней над конструкцией элементов менее 10% приводит при переноске заполненной кассеты к выпадению термокомпенсатора 7 и припойной прокладки 6, что требует возвращения готовой, т.е. заполненной, кассеты на сборочный участок. С другой стороны, увеличение этого размера более чем на 20% значительно усложняет процесс набора элементов в кассету, нецелесообразно увеличивает размеры кассеты и расход керамического материала.

Изготовление керамических стержней диаметром менее 4 миллиметров снижает их прочность и в процессе эксплуатации кассеты наблюдаются частые их сколы, что недопустимо увеличивает количество брака в процессе сплавления элементов диода.

Увеличение диаметра керамических стержней более 7 миллиметров может привести к их контакту, т.е. превращает полость кассеты в подобие полости стандартной кассеты. Кроме этого, взаимодействие керамических стержней ограничивает использование предлагаемых кассет для сплавления элементов диаметром менее ⌀5 миллиметров.

При выполнении такого устройства газообразные продукты, выделяющиеся при нагреве кассеты и элементов полупроводниковых диодов, легко покидают область сплавления, не деформируя положения элементов в конструкции полупроводникового диода.

Предлагаемая конструкция кассеты позволяет устранить механические напряжения в области приповерхностного слоя полупроводника, возникающие за счет разницы коэффициентов линейного расширения, и уменьшить величину обратного тока диода на 24-30%.

Изобретение относится к области силовой электроники. Кассета для сплавления элементов конструкции полупроводниковых диодов содержит основание, выполненное из пластины углерода, в котором по образующей окружности термокомпенсатора изготовлены п-образные полости глубиной h=(1-2) диаметра керамических стержней. В полости установлены керамические стержни диаметром 4-7 миллиметров, выступающие над поверхностью углеродной пластины на высоту Н>(10-20)% высоты элементов полупроводниковых диодов, собранных в единую конструкцию. Изобретение обеспечивает снижение загрязнения рабочей поверхности кассеты при одновременном образовании свободного истечения паров легколетучих материалов во внешнюю среду. 1 ил.

Кассета для сплавления элементов конструкции полупроводниковых диодов, содержащая основание, выполненное из пластины углерода, отличающаяся тем, что в основании изготовлены п-образные полости глубиной h=(1-2) диаметра керамических стержней, в которых размещены керамические стержни диаметром 4-7 миллиметров, выступающие над поверхностью углеродной пластины на высоту Н>(10-20)% высоты элементов полупроводниковых диодов, собранных в единую конструкцию.