Способ изготовления выпрямительных элементов Советский патент 1987 года по МПК H01L21/28 

1 1 Изобретение относится к области электротехники, а более точно к способам изготовления вьтрямительных . элементов. Изобретение может быть использовано при изготовлении силовых полупроводниковых приборов с прижимными контактами таблеточной и штыревой конструкции. Известен способ изготовления выпрямительного элемента, включаюпщй соединение полупроводниковой структуры с электродом из серебра или его сплавов путем прижатия электрода к металлизированной поверхности полупроводниковой структуры с помощью . пружинной шайбы. Недостатками этого способа является то, что он не обеспечивает непосредственного контакта с физическо непрерывностью вдоль границы раздела между смежными поверхностями, т.е. жесткого непосредственного крепления электрода из серебра или его сплавов к металлизированной поверхности полу проводниковой структуры, что приводи к увеличению теплового сопротивления полупроводникового прибора в целом. При ТОКОВОМ:циклировании полупроводникового прибора происходит разогрев и охлаждение элементов, при это в силу разности коэффициентов термического расширения контактирующие элементы меняют свои линейные размеры в разной степени, в силу чего про исходит проскальзывание электрода из серебра или его сплавов по контактирующим с ним поверхностям. По мере циклирования полупроводни ковых приборов, изготовленных вьшеописанным способом, происходит пластическая деформация электрода из серебра, так называемое выжимание элек рода, в силу действия повторяющихся растягивающих сил из-за трения. Это заключается в увеличении исходного диаметра электрода, утонении периферийных областей и, как следствие,, уменьшении эффективного пятна контак та, по которому происходит передача электрической и тепловой энергии. По мимо этого, выжимание электрода из серебра приводит к ослаблению усилия сжатия и, соответственно, к возраста нию теплового сопротивления, перегре ву и ускорению деградации электричес ких и эксплуатационных свойств. На периферийных участках электрода из 32 серебра возможно отсутствие плотного контакта и развитие процессов электроэррозии. Наиболее близким техническим решением является способ изготовления выпрямительного элемента, включающий нанесение на поверхность выпрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основе алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра. В этом способе электрод крепится к поверхности полупроводниковой структуры кремниевым резиновым клеем. Введение дополнительного промежуточного слоя клея приводит к возрастанию теплового сопротивления и импульсного прямого напряжения, При токовом циклировании выпрямительного элемента происходит разогрев и охлаждение элементов, в результате чего в слое клея происходят процессы старения, что приводит к деградации электрических и эксплуатационных свойств приборов в целом. Цель изобретения - повышение качества выпрямительных элементов за счет снижения теплового сопротивления и уменьшения деградации электрических и эксплуатационных свойств. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления выпрямительных элементов, включающем нанесение на поверхность вьшрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основе алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, соединение выпрямительного элемента с электродом осушествляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры 230-250°С со скоростью 0,115 с- . Использование диффузионной сварки для осуществления жесткого непосредственного соединения электрода с металлизированной полупроводниковой структурой обуславливает создание (возникновение) металлических связей между поверхностными аюмами элект- рода и атомами поверхности металлизированной полупроводниковой структуры на всей номинальной площади контакта, что гарантирует снижение теплового сопротивления в силу действия наиболее эффективного атомно-молекулярного механизма теплопроводности в этом контакте в отличие от других, чисто прижимных контактов, где теплопередача осуществляется помимо теплопроводнос ти еще конвекцией и излучением. Таким образом, диффузионное сварное соединение электрода с металлизи рованной полупроводниковой структуро позволяет улучшить качество изготовляемых вьтрямительных элементов за счет уменьшения деградации эксплуата ционных характеристик , так как этим способом легко обеспечивается плотИый физический контакт по всей номинальной поверхности и минимизируется тепловое сопротивление, одновременно исключая выжимание электрода в процессе циклирования. Последнее достигается тем, что радиальные растягиваюпще усилия, возникающие в процессе циклирования, воспринимаются не только электродом, как в случае свободно расположенных электродов, а и той поверхностью, к которой жестко диффузионной сваркой присоединен электрод. В процессе диффузионной сварки в области сварного шва происходит обра зование твердого раствора алюминия с серебром. При охлаждении после сварки при температуре 390 С (согласно диаграмме состояния) происходит пери тектоидная реакщ я распада пересыщенного твердого раствора с образова нием интерметаллического соединения oi +y5p :AgjAl. Другими словами, должна происходить диффузионная перестро ка кристаллической решетки пересьщен ного твердого раствора с образование интерметаллического соединения. Образование промежуточного слоя такого интерметаллида крайне нежелательно в силу того, что ои noBbmiaef тепловое сопротивление, приводит к существенной потере прочности и пластичности жесткого непосредственного соединени электрода из серебра или его сплавов с алюминиевой металлизацией, а это, в свою очередь, может привести к раз рушению соединения, особенно в случае циклического воздействия нагрузок, возникакицих при циклировании. Проведение охлаждения после диффузионной сварки с определенной скоростью предотвращает образование и локализацию нежелательного слоя интерметаллидов. Это достигается при проведении охлаждения со скоростью 0,1-15 с в диапазоне температур, начиная ,с температуры сварки до 250-230С. Таким образом, происходит закалка, т.е. фиксация неравновесного состояния пересьпценного твердого раствора алюминия в серебре. При температуре ниже 230°С диффузионные процессы настолько замедляются, что образование прослойки интерметаллидов ;становится невозможным. При охлаж)деиии в указанном диапазоне температур со скоростью менее 0,1 в зоipie сварного соединения образуется толстый спой интерметаллида Ag.Al-. При скорости охлаждения больше 15 , появляется опасность образования трещин в полупроводниковой структуре из-за теплового удара и отсутствия времени для релаксации напряжений. Сущность изобретения поясняется подробным описанием примеров его осуществления . При изготовлении выпрямительного элемента собирается пакет, состоящий из двух дисковых электродов серебра и металлизированной полупроводниковой структуры, у которой может быть многослойная металлизация разными металлами, но при этом внешними слоями металлизации с обеих сторон должен быть алюминий или его сплавы. Собранньй пакет нагревают до. температуры сварки 550°С в вакууме 66,5 мПа, сжимают с удельным усилием 15 мПа в течение 300 с и после сварки охлаждают до температуры 230250°С со скоростью от О,1 до 15 , формируя при этом одновременно жесткие непосредственные сварные соединения обоих электродов с полупроводниковой структурой. Пример 1, Изготавливают выпрямительный элемент диода ДЧ 143-1000 А диаметром 32 мм. Кремниевая полупроводниковая структуры соединена с вольфрамовым диском и металлизирована с обеих сторон дисками алюминиевой фольги, В качестве электродов использованы диски серебра марки 9999 диаметром 32 мм толщиной 0,1 мм. Диффузионная сварка осуществляется по приведенному выше режиму, а охлаждение от 550 до ведут со скоростью 0,15 с . Проведенные после сварки металлографические и микрорентгеноспектральные исследования зоны сварного соединения однозначно засвидетельствовали отсутствие в зоне сварки слоя интерметаллидов AgjAl. Последующие испытания диодов ДЧ 143-1000 А показали их высоки электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики. Пример 2. Изготавливают выпрямительные элементы тиристора Т171-200/320, диаметром 32 мм. Кремниевая полупроводниковая структура, соединенная с вольфрамовым диском и металлизированная с обеих сторон дис ками алюминия, соединяется с электро :дами из серебра диаметром 32 мм толщиной 0,12 мм способом диффузионной сварки цо указанному режиму. Охлажде ние в интервале температур 550-250 С вели со скоростью 14 . Металлографическими исследованиями на пяти .выпрямительных элементах отмечено от сутствие прослойки интерметаллидов в сварной зоне и трещин в полупроводниковой структуре, Испытания выпрямительных элементо в приборах показали высокие характеристики и преимущества предлагаемого способа в части электрических и теп|повых параметров, Пр. имер 3. Изготавливали выпрямительные элементы диода ДЧ 151-100, диаметром 18 мм. Жесткое непосредственное применение электродов и серебра ведут одновременно с созданием алюминиевой металлизации кремниевой структуры способом диффузионной сварки. Собирают пакет, состоящи из днска серебра толщиной 0,05 мм, диска алюминия толщиной 0,02 мм, кре ниевой структуры, диска алюминия 0,1 мм, диска вольфрама 1,5 мм, диска алюминия 0,05 мм, диска серебра 0,05 мм. Диффузионная сварка пакета производилась при температуре 550 С,

сжимающем удельном усилии 15 мПа в течение.зоб с, в вакууме 66,5 мПа, Охлаждение после сварки до температуры 230с ведут со скоростью 4,5 с .

ных элементов только для диодов за счет снижения рассеиваемой мощности потерь может принести народнохозяйственный эффект порядка 400 тыс.руб. Металлографические исследования показали отсутствие интерметаллидов в сварном соединении серебра с алюминием, а испытания сварных выпрямительных -члементов в приборе показали высокие электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики. Способ изготовления выпрямительного элемента по настоящему изобретению по сравнению с известными обладает следующими достоинствами: позволяет изготавливать выпрямительные элементы, имеющие меньшее тепловое сопротивление; позволяет повысить стойкость полупроводникового прибора к эксплуатационным нагрузкам в целом; позволяет жестко непосредственно крепить электроды из серебра или его сплавов одновременно с созданием всех контактных соединений в выпрямительном элементе; позволяет экономить серебро путем здаеньшения толщины электрода из серебра или его сплавов, Указанные преимущества дают возможность использовать предложенный способ при изготовлении вьшрямительных элементов для широкого ассортимента силовых полупроводниковых приборов, наиболее значимо проявляясь в приборах, работающих в ключевом режиме, например, в регуляторах электропривода, в сварочном оборудовании, в преобразователях и инверторах лиНИИ электропередач, Предварительные расчеты показали, что использование предлагаемого способа при изготовлении вьтрямитель

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий нанесение на поверхность вьшрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основы алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выпрямительных элементов, соединение выпрямительного элемента с электродом осуществляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры 230-250 С со скоростью 0,1-15 с .