МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫЙ КОРПУС ТИПА КТ-97 Российский патент 2022 года по МПК H01L23/02 

Изобретение относится к силовой электронике и может быть использовано в мощных низковольтных и высоковольтных полупроводниковых приборах таких как мощные полевые транзисторы, диоды Шоттки и т.п.

Известны металлостеклянные корпуса типа КТ - 97 ИДЯУ.432254.014 ТУ (Фиг. 1), на теплоотводящий фланец которых припаяна рамка из товара с металлостеклянными проходными выводами. Основным недостатком данной конструкции является существенное ограничение выводов по пропускаемому току, так как в таких конструкциях выводы из-за необходимости согласования по тепловому расширению материалов со стеклом делают из специальных сплавов (29НК, 38 НКД), имеющих высокое электрическое сопротивление, превышающее сопротивление меди более, чем в 30 раз. Например, при пропускании непрерывного тока 10 А на выводе диаметром 1 мм и длиной 15 мм выделяется мощность I²⋅R=0,63 Вт, из-за плохой теплопроводности стекла, равной 0,0018-0,003 кал/см⋅сек⋅град (Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 452), вывод из сплава 29НК разогревается до температуры >200°С за 1 минуту. При этом припой ПОС-61, которым обычно проводится монтаж радиоэлектронной аппаратуры плавится.

Известны металлостеклянные корпуса серии ТО 254, ТО 257, ТО 258, ТО 259, НТО 259А, ТО 267, выпускаемые АО «Тестприбор» (А. Максимов Корпуса для полупроводниковых приборов металлостеклянные и металлокерамические. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2010), конструкция которых аналогична представленной на Фиг. 1. Основным недостатком данных корпусов, так же, как и в предыдущем аналоге, является существенное ограничение выводов по пропускаемому току.

Ближайшим аналогом может являться металлостеклянный корпус КТ-97 В-1.05 (чертеж КУШ Р432 264.001), серийно выпускаемый АО «Завод «МАРС», город Торжок, содержащий фланец, стальной ободок (теплопроводность равна 0,15 кал/см⋅сек⋅град. Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 452) с выводами из проволоки МК9 (медь-ковар), впаянными стеклом в отверстиях ободка. Конструкция корпуса аналогична представленной на Фиг. 1 и обладает таким же основным недостатком, как и у выше представленных аналогов. Через выводы такого корпуса можно пропускать несколько больший ток, чем у предыдущих аналогов, поскольку у проволоки МК электрическое сопротивление в 6-8 раз ниже, чем у проволоки из сплавов 29 НК и 38НКД, ободок выполнен из стали, теплопроводность которой примерно в три раза больше, чем у сплавов 29НК и 38НКД, а фланец выполнен из высокотеплопроводной меди. Но наибольший вклад в ограничение пропускаемого тока вносит стекло, плохо проводящее тепло.

Техническим результатом изобретения является расширение эксплуатационных возможностей металлостеклянных корпусов за счет существенного снижения температуры выводов при пропускании через них тока.

Технический результат обеспечивается тем, что в металлостеклянном корпусе типа КТ-97, содержащем теплоотводящий фланец, ободок, в отверстиях которого впаяны стеклом проходящие вовнутрь корпуса выводы, между выходящими вовнутрь корпуса концами выводов и фланцем впаяна вставка из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью. Предпочтительным материалом вставки может быть алюмонитридная керамика или керамика из оксида бериллия. При прохождении тока через вывод, как указывалось ранее, на нем выделяется мощность равняя I²⋅R, где I - ток, проходящий через вывод, a R - его электрическое сопротивление. Ориентировочный тепловой расчет металлостеклянного вывода длиной 15 мм и диаметром 1 мм из проволоки МК. Электрическое сопротивление вывода равно, примерно 0,017 Ом. При прохождении через вывод тока 10 А на выводе выделяется мощность 0,17 Вт, которая может нагреть корпус при непрерывном токе до температуры более 100°С. При прохождении через вывод тока 20 А на выводе выделяется мощность 0,68 Вт, которая может нагреть вывод при непрерывном токе до температуры, превышающей температуру плавления припоя ПОС-61. При наличии вставки из материала с высокой теплопроводностью между выводами и фланцем большая часть тепла будет уходить от вывода на теплоотводящий фланец, с поверхности которого за счет конвекции и излучения тепло отводится в окружающую среду. При этом температура на выводе может снизиться в 1,5-2 раза. В случае же размещения корпуса на радиаторе температура на выводе может снизиться в 3-5 раз.

Сущность заявленного технического решения поясняется Фиг. 2. На теплоотводящем фланце 1 припаян ободок 2, например, из стали, в отверстиях которого стеклом 3 впаяны выводы 4. Между концами выводов 5 и фланцем 1 впаяна вставка 6 из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью.

Измерение нагрева металлостеклянных корпусов типа КТ-97В с выводами из проволоки МК проводили при пропускании тока через два вывода, закороченные внутри корпуса перемычкой. Вставка была выполнена из алюмонитридной керамики. Поверхность вставки со стороны фланца имела сплошную металлизацию для припайки вставки к фланцу, а со стороны выводов в виде изолированных друг от друга контактных площадок для припайки внутренних концов выводов. Температуру измеряли на внутреннем конце вывода и на фланце внутри корпуса. В качестве радиатора, к которому присоединяли фланец корпуса, использовали алюминиевый брусок с размерами 80×30×10 мм. Ток задавали инвертным источником тока UNIV-50А/12В Р, а температуру измеряли температурным пробником модели ТР-01. Измерения проводили на металлостеклянных корпусах с фланцем из меди с выводами длиной 15 мм и диаметром 1 мм при температуре окружающей среды ≈24°С. Результаты измерений приведены в таблицах 1, 2, 3 и 4. Результаты проведенных измерений показывают:

- на корпусе без радиатора и вставки температура вывода при токе 10 А достигает 115°С а фланца 80°С. Температура вывода при токе 20 А через три минуты достигает температуры плавления припоя ПОС-61;

- на корпусе с радиатором без вставки температура вывода при токе 10 А достигает 66,8°С а фланца 35,7°С. Температура вывода при токе 20 А достигает 95°С а фланца 41,4°С;

- на корпусе без радиатора со вставкой температура вывода при токе 10 А достигает 85°С а фланца 83°С. Температура вывода при токе 20 А достигает 125°С а фланца 123°С;

- на корпусе с радиатором и вставкой температура вывода при токе 10 А достигает 35°С а фланца 34°С. Температура вывода при токе 20 А достигает 42,3°С а фланца 40,4°С.

Результаты проведенных измерений подтверждают существенное снижение температуры выводов металлостеклянных корпусов типа КТ-97 при наличии вставки из материала с высокой теплопроводностью, например, из алюмонитридной керамики, керамики из оксида бериллия и т.п., впаянной между выходящими вовнутрь корпуса концами выводов и фланцем.

Изобретение относится к силовой электронике и может быть использовано в мощных низковольтных и высоковольтных полупроводниковых приборах, таких как мощные полевые транзисторы, диоды Шоттки и т.п. Техническим результатом изобретения является расширение эксплуатационных возможностей металлостеклянных корпусов за счёт существенного снижения температуры выводов при пропускании через них тока. Технический результат обеспечивается тем, что в металлостеклянном корпусе типа КТ-97, содержащем теплоотводящий фланец, ободок, в отверстия которого впаяны стеклом проходящие вовнутрь корпуса выводы, между выходящими вовнутрь корпуса концами выводов и фланцем впаяна вставка из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью. Предпочтительным материалом вставки может быть алюмонитридная керамика или керамика из оксида бериллия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

1. Металлостеклянный корпус типа КТ-97, содержащий теплоотводящий фланец, ободок, через отверстия в котором впаяны стеклом проходящие вовнутрь корпуса выводы, отличающийся тем, что между выходящими вовнутрь корпуса концами выводов и фланцем впаяна вставка из материала с высокой теплопроводностью, причем поверхность вставки со стороны фланца имеет сплошную металлизацию для припайки вставки к фланцу, а со стороны выводов - в виде изолированных друг от друга контактных площадок, к которым припаяны внутренние концы выводов.

2. Металлостеклянный корпус по п. 1, отличающийся тем, что вставка выполнена из алюмонитридной керамики.

3. Металлостеклянный корпус по п. 1, отличающийся тем, что вставка выполнена из керамики на основе оксида бериллия.