Полупроводниковое управляемое выпрямительное устройство и способ его изготовления Советский патент 1983 года по МПК H01L25/02 

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено световодами, при чем каждая направляюшая трубка

и световод с одной стороны.прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а с другой - к светоизлучающему диоду с возможностью оптического соединения каждого светоизлучающего диода с полупроводниковым1{1 элементами и каждого полупроводникового элемента со светоизлучающими диодами.

3.Способ изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства, включающий операции крепления силовых полупроводниковых элементов к общему металлическому

основанию через теплопроводящий электроизолирующий слой, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрической изоляции при одновременном повышении степени интеграции устройства, на одну сторону общего металлического основания предварительно наносят фиксированный по толщине слой теплопроводящего компаунда, после чего приклеивают контактные пластины и 171ИНЫ с напаянными на них силовыми полупроводниковь5ми эле;ментами, а общее металлическое основа ние из алюминиевого сплава перед нанесением фиксированного по толщине слоя компаунда предварительно анодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парах воды.

1. Полупроводниковое управляем выпрямительное устройство для преоб разования электрической энергии, за герметизированное компаундом, содер жащее силовые полупроводниковЕле эле менты, часть которых снабжена светочувствительной поверхностью и оптй чески связана со светоизлучающими диодами, при этом полупроводниковые элементы прикреплены с одной стороны к общему металлическому основанию через металлические фасонные шины и контактные плаетины, изолированные теплопроводящим слоем от основания и соединяющие каждый силовой элемент с двумя токовыми выводами устройства, светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеющей пазы для размещения светоизлучающих диодов и выводов к ним, отличающее с я тем, что, с целью повышения йадежностК устройства 11 работе путем снижения тепловыделений и уменьшения перегрева светоизлучающих диодов, оно дополнительно снабжено направляющими трубками с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью, каждая из которых одним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силового элемента, а в другом конце трубки размещен светоизлучающий диод, закрепленный в пазах изолирующей детали своими выводами, связанными с управляющими выводами устройства.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в полупроводниковых преобразователях электрической энергии станциях управления и электроприводах постоянного и переменного тока.

Известны полупройодниковые полууправляемые и управляемые выпрямительные устройства, представляющие собой однофазные или трехфазные устройства, построенные с применением дискретных полупроводниковых приборов, например, диодов и тиристоров, монтируемых на отдельные радиаторы или на одном общем радиаторе при условии обеспечения общего электрического потенциала монтируемых приборов или их электрической изоляции от радиатора Щ.

Однако монтаж дискретных полупроводниковых приборов на общий радиатор представляет определенные трудности, которые могут быть устранены при использовании устройства большой интеграции с изоляцией выпрямительных структур iT основания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковое выпрямительное устройство дл преобразования электрической энергии содержащее полупроводниковые структуры с ,р п переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам, фасонным шинам, и через электроизолирующий теплопроводящий слой - к общему металлическому основнию и загерметизированные компаундом. Способ изготовления полупроводникового устройства включает в себя операции прижима полупроводниковых

структур к основанию и герметизгщии компаундами. И.

Недостатками устройства являются уменьшение надежности его работы изза перегрева полупроводниковых элементов: Светоизлучающего диода и силовых, выпрямительных элементов ввиду недостаточной эффективности оптической связи и Увеличенных значений контактного электрического и теплового сопротивлений при прижиме выпрямительных элементов к фасонI ной металлической шине и контактной

пластине и к металлическому основанию через электроизолирующий теплопроводящий слой и изолирующее кольцо Неидеальность поверхностей прижимаеквлх деталей и сложность конструкции реализующей прижим двух соседних

выпрямительных элементов к контактным пластинам и самой контактной пластины к основанию и их электрическое соединение между собой и с внешними выводами, приводит к увеличению указанных сопротивлений, определяющих собой тепловьвделение

|и перегрев этих элементов.

; Целью изобретения является повышение надежности устройства в работе путем снижения тепловыделений и уменьшения перегрева светоизлучагощих диодов, а также уйучшение электрической изоляции при одновременном повышении степени интеграции устройства.

Указанная цель достигается тем, что по.г1упроводниковое управляемое выпрямительное устройство, загерметизированное компаундом, содержащее силовые полупроводниковые элементы, часть которых снабжена светочувстви тельной поверхностью и оптически

связана со светоизлучающими диодами, .при этом полупроводниковые элементы прикреплены с одной стороны к общему металлическому основанию через металлическите фасонные шины и контактные пластины, изолированные теплопроводя(дим слоем от основания и соединяющие каждый силовой элемент с двумя токовыми выводами устройства, светоизлучающие диоды закреплены на изолирующей детали, имеющей пазы -для размещения светоизлучающих диодов и выводов к ним, дополнительно снабжено направляющими трубками с гладкой, отражающей излучение, внутренней поверхностью, каждая из которых одним концом прикреплена к светочувствительной поверхности силового элемента, а в другом конце трубки размещен светоизлучающий диод, закрепленный в пазах изолирующей детали своими выводами, связанными с управляющими выводами устройства.

Кроме того, устройство снабжено световодами, причем каждая направляющая трубка и световод с одной стороны прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а с другой - к светоизлучающему диоду с возможностью оптического соединения каждого светоизлучающего диода с полупроводниковыми элементами и каждого полупроводникового элемента со светоизлучающими диодами. .

Согласно способу изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства, включающему операции крепления силовых полупроводниковых элементов к общему металлическо основанию через теплопроводящий электроизолирующий слой, на одну dTopOHy общего металлического основания предварительно наносят фиксированный по толщине слой теплопроводящего компаунда, после чего приклеивают контактные пластины и шины с напаянными на них силовыми полупроводниковыми элементами, а общее металлическое основание из гтюминиевого сплава перед нанесением фиксированного по толщине слоя компаунда предварительно анодируют и анодный окисел уплотняют, например, в парах воды.

На фиг. 1 изображено устройство, реализующее последовательное соединение двух оптотиристорных структур, разрез; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - устройство, реализующее тиристорный трехфазный мост постоянного тока с оптронным управлением, раэрез; на фиг. 4 - то же, вид сверху; на фиг. 5 - устройство, реализующее два изолированных оптоприбОра, разрез; на фиг. 6 - то же, вид сверху; на фиг, 7 - часть изолирующей детали и соединения направляющей трубки со светодиодом и полупроводниковым элементом.

Устройство содержит корпус 1, оковые выводы 2 устройства, крыш ку 3 корпуса, управляющие выводы ч устройства, изолирующую деталь 5, светоизлучающий диод б, направляющую трубку 7, изолирующий теплопроводящий слой 8, полупроводниковые элементы 9 с р- И переходами и токовыми выводами, металлические пластины и фасонные шины 10, металлическое основание 11, герметизирующий компаунд 12, эластичный компаунд 13, соединительные-проводники. 14 и световоды 15. На металлическом основании 11 размещены изолирующий слой 8, контактные металлические пластины и фасонные шины 10, полупроводниковые элементы 9 с р-п переходами

и токовыми выводами, например диоды, тиристоры, транзисторы, а также со светочувствительной поверхностью, например фотодиод, фототиристоры, фототранзисторы, светоизлучающие

диоды 6 и направляющие трубки 7 с двумя открытыми концами, которые крепятся одним концом к светочувст;вительной прверхности полупроводнико1вого элемента 9, а в другом конце Направляющей трубки размещен светоизлучающий диод 6 или световоды 15, которые соединяют светоизлучающие диоды 6 со светочувствительной поверхностью полупроводникового элемента 9, корпус 1, который крепится

на металлическом основании 11, и изолирующая деталь 5, прикрепленная к корпусу 1, в котором выполнены пазы и отверстия и размещены управляющие выводы устройства, светоизлучающие диоды 6, выводы которых электрически соединены с управляющими выводгичи 4 устройства, световоды 15, токовые выводы 2 устройства, электрически соединенные с помощью

фасонных шин и пластин 10 и проводников 14 с полупроводниковьми эле- , ментами 9, герметизирующий компаунд 12 заполняющий корпус 1 устройства, и крышка 3 корпуса с выступами для разделения токовых и управляющих выводов.

В первом варианте устройства каждая направляющая трубка 7 с гладкой, отражающей излучение, внутрейней поверхностью прикреплена одним концом к светочувствительной поверх ности полупроводникового, например, тиристорного элемента 9, а в другом конце направл5пощей трубки размещен

светодиод 6, электрически соединенный с внешними управляющими выводаит 4 устройства или с другими светодиодами 6, а полупроводниковые элементы 9 электрически соединены кажДЫЯ С двумя токовыми выводами 2 устройства и между собой с помощью соединительных проводников 14 контактных пластин и фасонных шин 10, укрепленных через теплопроводящий изолирующий слой 8 на общем металлическом основании 11. Во втором варианте устройства каждая направляющая трубка 7 с глад крй, отражающей излучение, внутренней, поверхностью также прикреплена к светочувствительной поверхности полупроводникового, например, тири торного элемента 9, а в другом кон це направляющей трубки 7 размещ ен светодиод б, электрически соединенный с двумя изолированными от други светодиодов, внешними управляющими выводами 4 устройства, а каждый полупроводниковый элемент 9 электри чески соединен с помощью контактных пластин 10, укрепленных через теплопроводящий электроизолирующий слой 8 на общем металлическом основании 11, и соединительных проводников 14 с двумя изолированными от других полупроводниковых элементов токовыми выводами 2 устройства. - В третьем, варианте устройства каждая направляющая трубка 7 и световод 15 одним концом прикреплены к светочувствительной поверхности полупроводникового элемента, а другим - к светодиоду б с возможностью оптического соединения каждого светоднода 6 с одним или несколькими полупроводниковыми элементами 9 и каждого полупроводникового элемента 9 с одним или несколькими светодиодами 6, электрически соединенными о внешними управляющими выводами 4 устройства или с другими свето диодами 6, а полупроводниковые элементы 6 электрически соединены каждый с двумя токовыми выводами 2 уст ройства и между собой с помощью сре динительных проводников 14 и контак ных металлических пластин и фасонных шин 10, прикрепленных к общему металлическому основанию 11 через теплопроводящий электроизолирующий юлой 8. Способ изготовления полупроводникового управляемого выпрямительного устройства заключается в следу щем . На одну сторону общего металлического основания 11 предварительно наносят фиксированный по толщине слой 8 теплопроводящего компаунда, после чего приклеивают контактные пластины и шины 10 с напаянными на них силовыми полупроводниковыми эле ментами 9 а общее металлическое основание 11 из алюминиевого сплава перед нанесением фиксированного по толщине слоя компаунда предваритель но анодируют и анодный окисел уплот няют, например, в парах воды. Устройство работает следующим образом. При подаче электрического сигнала на управляющие выводы 4 устройства через светоизлучающие диоды б протекает электрический ток в прямом направлении, вызывая излучение, прямо пропорциональное величине прямого тока. Излучение распространяется по световоду 15 или внутри направляющей трубки 7 с гладкой отражающей излучение внутренней поверхностью к фоточувствительной поверхности полупроводникового элемента 9, например, фототиристорного, генерируя в этом элементе фото-ЭДС или фототок, который переключает фототиристор в проводящее состояние, если управляющий импульс достаточной величины подается на светодиод 6 в любой момент времени в течение: полупериода,, когда к фототиристорному элементу приложено напряжение а прямом направлении. Устройство монтируется непосредственно на радиаторе, так как токоведущие элементы 2, 10, 14 и 9 устройства изолированы от металлического основания 11 и обеспечено низкое тепловое сопротивление, и подключается выводами 4 непосредственно к системе импульсно-фазового управления, без промежуточного изолирующего трансформатора, а выводами 2 к напряжению питания и к нагрузке. Подключение устройства обл.егчено односторонним расположением токовых 2 и управляющих 4 выводов, их конструкцией, например под винт, и функциональной законченностью устройства, в котором скрлтр выполнена значительная часть комм: тации полупроводниковых элементов с помсадью металлических пластин и фасонных шин 10 и соединительных проводников 14. Управление светочувствительными структурами осуществляется светодиодами 6, например арсенидогалиевьми, с помощью направляющей трубки 7 с двумя отверстиями и помещенных в трубку световодов 15, прикрепленных одним концом к светочувствительной поверхности полупроводниковых элементов 9, с1 другим концом - к светодиоду б с помощью оптического клея, например, кремнийорганического. Управление светочувствительными структурами возможно также при помещении светодиодов непосредственно в направляющую трубку 7 с гладкой, отражгиощей излучение, внутренней поверхностью. ,При этом каждый светоизлучающий диод б соединяется через направляющую трубку 7 непосредственно или с помощью световодов 15 с одной или несколькими полупроводниковыми элементами, а каждый полупроводниковый элемент 9 соединяют с одним или несколькими светодиодами 6 выводы которых припаивают к управляющим выводам 4 устройства,.укреплен ным на изолирующем элементе 5, образуя различные схемы соединения. Снижение теплов,ыделений и умень шение перегрева снетоизлучающих диодов для повышения надежности его работы достигается включением в сос;Тав устройства конструктивных элементов, обеспечивающих улучшенное оптическое управление выпрямительными элементами, что позволяет снизить прямой ток через светоизлучающиЯ ,диод и его перегрев.

Предлагаемым способом изготовления обеспечивается сборка элементов устройств, низкая величина теплового сопротивления, высокая электрическая прочность изоляции от.основания и светоизлучающих диодов при достаточной светопередаче, гермети зация от внешних воздействий, повышение степени интеграции устройства при уменьшении веса и габаритов. ЛШЖШ г is к 9 W 1

/

f f

У

««.4.

/V

Фиг..