Способ герметизации высоковольтных полупроводниковых приборов с аксиальным расположением выводов Советский патент 1993 года по МПК H01L23/28 

Изобретение относится к области полупроводникового приборостроения и может быть использовано для изготовления приборов с аксиальным расположением выводов, в частности высоковольтных столбов малой, средней и большой мощности.

Цель изобретения - получение заданных размеров корпуса за счет уменьшения вытекания компаунда при повышенной тем-, пературе через вертикальные боковые прорези.

Для использования кассет из полиэтилена нужно решать следующее техническое противоречие: с одной стороны, в кассете должны быть боковые прорези, с другой - полиэтилен не обладает эластичностью силиконовой резины и ее смачиваемостью, в связи с чем при повышенных температурах (70-80°С) из-за разжижения компаунда в первые моменты полимеризации происходит его вытекание через боковые прорези. Вытекание усугубляется еще и тем, что кассеты претерпевают изгиб из-за внутренних напряжений, возникающих при отливке под давлением. Этот изгиб приводит к значительному расширению боковых прорезей. Противоречие решается путем сжатия определенным образом кассеты эластичным ободом, опоясывающим кассету.

Сущность технического решения заключается в том, что сжимающий эластичный обод имеет вдоль боковой стенки кассеты трапециевидную форму, реализуемую его зацеплением за выступающие выводы арматур, помещенные в ячейки. Вследствие такой формы обода периферийные части кассеты при повышенной температуре испытывают сжатие вдоль продольной оси и одновременно прижимаются к основанию плоского поддона, на котором сушатся в печи. Центральная часть кассеты испытывает при этом продольное сжимающее усилие. Вышеуказанная форма эластичного обода обеспечивает в процессе сушки сжатие боу

Ј

00

к

Os

ел

4

ковых прорезей, что препятствует вытеканию компаунда в процессе заливки и полимеризации и позволяет тем саМым реализовать поставленную цель.

Пример. Полупроводниковые столбы КЦ103, КЦ106, КЦ117, КЦ118 - высоковольтные приборы с аксиальным расположением выводов диаметром 0,6 мм. Корпус приборов, например, КЦ106 имеет форму прямоугольного параллелепипеда с габаритными размерами 6,2x7x22 мм. Корпус формируется из эпоксидного компаунда - ЭКМ - заливной в формы из силиконовой резины. Процесс отливки форм производится в металлических изложницах, производство сопровождается выделением химически вредных веществ.

В качестве альтернативного варианта была опробована герметизация высоковольтных столбов в кассетах из полиэтилена высокого давления. Кассеты изготавливались на термопластавтомате Д-3328 при удельных давлениях до 1400 ктс/см и температурах- пластикации полиэтилена в 140-150°С. Сам материал - полиэтилен не смачивается ЭКМ, однако выгрузка корпусов прямоугольной формы из ячеек кассеты затруднена.

На чертеже показана кассета, используемая для герметизации, где показаны: вертикальная боковая прорезь 1, кассета 2 из полиэтилена, эластичный обод 3, прибор 4, вертикальный паз 5. Стенки кассеты выполнены достаточно тонкими - 1,5 мм для облегчения загрузки арматур и выгрузки приборов. Арматура столба - это спаянные между собой диоды с внешними аксиальными выводами.

Загрузка арматур в ячейки кассеты осуществляется с помощью прорезей в боковых стенках. Наличие этих прорезей облегчает процессы загрузки-выгрузки. Прорезь с минимальным зазором формируют следующим образом. Сначала высверливают через кондуктор отверстия диаметром 0,6 мм в боковых стенках, затем разрезают боковую стенку от верха ячейки до отверстия лезвием. Изгибая кассету за края в специальном приспособлении, вставляют в ячейки арматуры, а выводы - через боковые прорези в отверстия, после чего шприцем осуществляют заливку ЭКМ в ячейки кассеты. Сушат компаунд в кассетах при Т - 70- 80°С в течение 2 ч, после чего приборы извлекают из ячеек и досушивают при Т - 160°С в течение 12 ч. Эпоксидный компаунд при Т - 70-80°С в начале полимеризации сильно разжижается. Например, если при Т - 30°С его вязкость равна 130-150 с, то при 80°С через 10 с прогрева она падает

до 37-45 с. По этой причине изгибы кассеты, деформации ее за счет внутренних напря- жений, несоответствие размеров вывода и отверстий, т.е. все, что приводит к расширению прорезей в боковых стенках, способствует вытеканию компаунда при повышенной температуре.

В табл.1 представлены результаты герметизации по 5 кассетам, в каждой из которых размещены по 14 ячеек. Процесс осуществлен в едином технологическом цикле без специальных мер, предотвращающих вытекание компаунда. Высоту ячейки h изменяли в пределах 5-12 мм. Представленные в табл.1 результаты соответствуют h 1 мм.

Результаты табл.1 показывают: наибольшим деформациям подвержены периферийные ячейки кассеты; отсутствует

закономерность в поведении центральных ячеек. По-видимому, что обусловлено влиянием остаточных деформаций, возникающих из-за неоднородностей исходного материала и разброса режимов (Р и Т) формовки. Для одной и той же кассеты в пределах 4-6 заливок вышеуказанное поведение хорошо воспроизводится. Для исключения вытекания компаунда через боковые вертикальные прорези нами были опробованы

следующие методы: зажим кассеты в струбцину с одновременным ее прижимом по краям и в центре к плоскому поддону печи; принудительный изгиб кассеты за счет прижима ее к сферически вогнутой поверхности

поддона (0,25 м Яизгиба S 0,5 мм); стягивание кассеты эластичным ободом после загрузки арматур. В табл.2 представлены результаты герметизации по 1 и 2 способам. Данные табл.2 - способ 1 - указывают

на отсутствие какой-либо закономерности в поведении ячеек при их горизонтальном сдавливании, ч го обусловлено структурными неоднородностями кассет, разбросом свойств компаунда. Общая же тенденция

очевидна: сдавливание кассет с помощью

струбцины не устраняет вытекание через прорези в центральной части кассеты. В способе 2 герметизации выбор радиуса искривления поддона обусловлен тем, что,

начиная с R 0,5 м, компаунд не вытекает через боковые прорези, а при R 0,25 м в центральной части чассеты (преимущественно) происходит перетекание компаунда между ячейками и образование скошенных

верхних граней из-за большой деформации ячеек. Таким образом, искривление поверхности кассеты, устраняя один вид брака - вытекание, приводит к возникновению другого- нарушению формы.

Указанные методы 1 и 2 не решают поставленной задачи, однако полученные результаты позволяют сформулировать следующие требования: периферийные и центральные ячейки должны быть сжаты вдоль продольной оси кассеты, центральная часть должна иметь радиус изгиба R 0,5 м. Эти требования реализуются в способе герметизации 3, в котором кассету после загрузки в нее арматур обжимают эластичным ободом из резины. Преимущество этого метода перед предыдущим состоит в том, что. располагая обод различным образом вдоль боковой стенки, можно регулировать степень деформации в различных областях кассеты. Для опробования спосо- ба на торцовых стенках кассеты был изготовлен вертикальный паз для зацепления обода на различной высоте относительно дна. Регулирование формы обода вдоль бо- ковой стенки осуществлялось путем различного его зацепления за выступающие выводы арматур. Во всех случаях обод прилегал по всей боковой стенке кассеты непосредственно к полиэтилену. Варьируя высотой расположения обода по торцоиым сюнкьм кассеты и различным видам зацепления за выводы - количеств выводов сиг зу обода и поверх него - удалось оптимизировать форму обода вдоль Боко- вой стенки с учетом разброса механических снойств кассет и исходной их длины для получения наибольшего выхода год -tux приборов по габаритным размерам. Нами были опробованы кассеты на 9,14 и 22 ячейки. В табл.3 представлены результаты опробования вдоль боковой стенки кассеты для трех вышеуказанных размеров полиэтиленовых кассет и 5 мм h 12 мм. Силу сжати обода изменяли в пределах 450 г Р 2: 800 г. Меньшие усилия оказывались недостаточными, чтобы нивелировать разброс в свойствах кассет, а большие приводили значительным изменениям габаритных размеров при любых формах обода,

Данные табл.3 показывают, что оптимальным вариантом является трапецмеоид- ная форма обода вдоль боковой стенки кассеты, причем боковые pebpa трапеции должны располагаться над выводами арма- тур, а центральная часть обода - около 1/3 длины кассеты - должна располагаться под выводами, Полученная закономерность соответствует расположению обода на торцо

вой стенке в ее верхней части На основе опытов установлено, что общим свойством, независимо от размеров кассет, является прохождение обода у периферийных ячеек поверх выводов арматур. В противном случае при Тсушки 70-80°С кассета изгибается дугой открытыми поверхностями вверх. В результате происходит расширение боковых прорезей и возникает массовый брак по габаритам. Сжатием кассет с помощью горизонтально расположенного вдоль боковой стенки обода приводит к следующим результатам: если обод располагать выше выводов, то при температурах сушки происходит изгиб кассеты, приводящий к нарушению формы приборов - конусность, скосы поверхности. Если обод располагать снизу выводов -- изгиб в противоположную сторону, сопровождаемый браком из-зэ вытекания компаунда. Осуществить подбором местоположение горизонтально расположенного обода, сжимающего боковые про- рези,не удзется из-за различия свойств изготавливаемых при высоком давлении кассет,

Применение кассет из полиэтилена позволит снизить их себестоимость, изъять из производства дефицитную силиконовую ре- зиьу, улучшить экологию производства. В настоящее время организуется опытный учэсток f ерметизации.

Формула изобретения

1.Способ герметизации выбоковольт- ных полупроводниковых приборов с аксиальным расположением выводов, включающий загрузку арматур приборов в ячейки кассеты и заливку эпоксидным компаундом, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных за счет уменьшения вытекания компаунда в зазор между боковыми прорезями кассеты и выводами, Kacceiy, выполненную из полиэтилена высокого давления, сжимают в направлении ее продольной оси с помощью эластичного обода, располагая обод так, чтобы он имел трапециевидную форму на обеих боковых стенках кассеты, причем боковые ребра трапетим располагают над выводами герметизируемых арматур, а основание трапеции располагают под выводами.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что длину основания трапеции выбиоа- ают равной 1/3 длины кассеты.

Таблица 1

Сущность способа: использовано принудительное сжатие кассеты с арматурой приборов эластичным ободом, имеющим определенную геометрическую конфигурацию. 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

+ - брак по габаритам,корпуса из-за вытекания компаунда; - - годный прибор.Таблица 2

(способ 1)

ff кассеты

Ячейка

Il lJini IIIinZU°IIIi Ii3T

1

2

f о

Кассета 1 - XHtatne с усилием 0,7

Кассета 2 - сжатие с усилием 2

кгс см

If кас- Сеты

Ячейка.

III I TfIIIIIIIIIEiЈi:II iiE Ј

1

2 3

о о

Кассета 1 - R « 0,75 м, кассета 2 - R 0,5 м, кассета 3 - R 0,3 м

о - конус поперечника корпуса 5 за счет деформации формы ячейки,

- - годный прибор,

V - нарушение грани (скос),

+ - вытекание компаунда через боковые прорези.

Ячейка

Таблица 2 (способ 2)

Ячейка.

У V

V о V

о о

Тип кассеты

Тип зацепления

Ячейка

ч

I 2 1 3 1 5 6 7 8 1 9 Ю | 11 Тт2 | 1зТй 15 Г 1б 17 I 18 Г 19 20J21 J22

ячеек

яч. яч. яч. яч.

яч.

«Ч .

яч.

яч. яч. яч. яч.

яч. яч. яч.

яч. яч.

Обод над выводом

сверху, под остальными - снизу

обод над 3-мя выводамисверху,под остальными - снизу

Обод над ч-мя выводами сверху, под остальными - снизу Обод над 6-ю выводами свер-, ху, под остальными - снизу Обод над 8-ю вывода ми, под остальными - снизу

Обод над 10-ю выводами

+

+ +

-f- - - +

- + + - + + +

,tV о - + V + +

о +

+

Ячейка

ч

-f- - - - + - + + + +

+ + + + +

со

+ +

+ +

-и +

о + +

+

о

+

+ +

IS

з Ч s