Полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии и способ его изготовления Советский патент 1982 года по МПК H01L25/02 

39838i 0

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниково выпрямительное устройство преобразов теля электрической энергии, содержащее полупроводниковые структуры с р-п-переходами и выводами, прижатые « контактным металлическим пластинам и через электроизолирующий теплопроводящий слой - к общему металлическо му основанию и загерметизированные компаундом. Способ изготовления полу проводникового устройства включает операции прижима полупроводниковых структур к основанию и герметизацию компаундом f 3 . Известное полупроводниковое устройство и способ его изготовления об ладают рядом недостатков, одним из которых является малая интеграция элементов в устройстве и )хесткая связь между ними, что ограничивает его функциональные возможности реализацией последовательного соединения двух элементов, общая томка которых соединяется с одним из трех токовых выводов прибора. Конструкция устройства не позволяет также установить фоточувствительные и светоизлучающие структуры и соединительные элементы к ним для реализа ции изолированного управления, например, тиристорными приборами. Так,например, для изготовления трехфазной регулируемой реверсивной мостовой схемы преобразователя электроэнергии необходимо применить в упомянутых устройствах и дополнительные коммутации и управления тиристорами, р том числе развязывающие трансформаторы и задающие генераторы к ним, что соответственно снижает об щую надежность преобразователя элект роэнергии. Другим недостатком известного уст ройства и способа его изготовления является отсутствие контроля прижима в процессе изготовления прибора, например, по изменению параметров контактируемой структуры и отсутствии элементов, улучшающих тепловой контакт при достижении критической тем пературы в процессе эксплуатации. Вышеуказанные недостатки консТру

ции ограничивают надежность устройства и преобразователя электроэнергии, построенного на его основе.

Целью изобретения является устраизолированный от других структур токовой вывод, а также электрический контактс общими токовыми выводами. нение указанных недостатков за счет повышения степени интеграциии универсальности устройства, улучшение теплового и электрического контактов с полупроводниковыми структурами, осуществление контроля параметров структуры при прижиме и улучшения теплового контакта при достижении критических значений температур, т. е. повышение надежности работы устройства при одновременном расширении его функциональных возможностей. Указанная цель достигается тем, что полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя электрической энергии, содержащее полупроводниковые структуры с р - п переходами и выводами, прижатые к контактным металлическим пластинам, фасонным шинам и через электроизолирующий токопроводящий слой - к общему металлическому основанию и загерметизированные компаундом, снабжено нажимными болтами и опорным элементом, в котором выполнены отвеостия и резьба по окружности отверстий для перемещения нажимных болтов, прижимающих каждую полупроводниковую структуру через фасонную шину к контактной пластине и каждую контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию и образующих выводы тока, причем каждая полупроводниковая структура изолирована теплопроводящим изолирующим кольцом от прижимного болта, прижимающего данную структуру к фасонной металлической шине и к контактной металлической пластине, и имеет электрический контакт с одним нажимным болтом, прижимающим контактную пластину через изолирующий теплопроводящий слой к основанию ,и электрический контакт с вторым нажимным болтом, прижимающим через фасоннун шину и второе изолирующее кольцо соседнюю структуру к второй контактной пластине и общему металлическому основанию; две или более структуры прижаты нажимными болтами к общей контактной металлической пластине, изолированной от основания теплопроводящим слоем, причем каждая из этих структур имеет электрический контакт с одним прижимным болтом, образующим образованными прижимными болтами к общей контактной металлической пластине} опорный элемент жестко соедине с металлическим основанием; в опорном элементе выполнены пазы, в которых размещены управляющие выводы или световолокна и светодиоды и токовые выводы к ним; в нажимных болтах выполнены сквозные пазы, в которых раз мещены упр авляющие выводы тиристорных структур или световолокна и светодиоды; электроды структуры, металл ческие шины, пластины и нажимные болты покрыты слоем металла с температурой плавления, превышающей npe-f дельно допустимую температуру р-п перехода на 5-10. Способ изготовления полупроводникового устройства, включающий операции прижима полупроводниковых структур к основанию и герметизации компа ундом, при прижиме структуры одновре менно измеряют обратный ток через р-п переход и обратное напряжение, приложенное к структуре, и при крити ческих значениях этих параметров при жим прекращают, после чего осуществляют герметизацию. На фиг. 1 схематически изображено полупроводниковое устройство, разрез на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, разрез; на фйг. k часть дополнительного устройства; на фиг. 5 - место соединения структуры с основанием, шинами и нажимным болтом; на фиг. 6 - полупроводниковое устройство, вид спереди; на фиг. 7 дополнительный элемент; на фиг. 8 фиксирующая деталь. Схема полупроводникового устройст ва. включает нажимные болты 1 -,металлическое основание 2, опорный элемен 3, корпус устройства, полупроводни ковую структуру 5, светозолокно 6 светодиоды 7, металлические фасонные шины 8 и 9, винты 10, втулку П .токо вые выводы 12 светодиодов, изолирующий слой 13, металлическую пластину И, изолирующее кольцо 15, фиксирующую деталь 16, оптический клей 17, дополнительное стекловолокно. 18, оптический клей 19, отверстие 20 в фиксирующей детали, отверстие 21 с нарезкой под нажимные болты, отверстия 22 для винтов. Устройство содержит металлическое основание 2, на котором расположены изолирующий слой 13 (например, из 9 6 окиси берилия), металлические пластины 1 А, на которых помещены полупроводниковые структуры 5 (например, диоды, транзисторы, тиристоры, фототиристоры, оптотиристоры); металлические фасонные шины 8 и 9; кольца 15, которые изолируют шину 8 от шины 9 на полупроводниковой структуре 5; нажимные болты 1, прижимающие полупроводниковые структуры к основанию 2; няжимные болты 1а, прижимакадие металлические пластины lA к основанию 2; опорный элемент 3 в котором выполнены отверстия 21 с резьбой, в которые ввинчиваются нажимные болты 1 и 1а, а также отверстия 22 под винты 10, которые закрепляют дополнительньгй элемент 3 с корпусом и металлическим основанием 2 с помощью втулок IVf которые прикреплены к металлическому основанию 2, например, с помощью пайки; световолокна 6, которые соединяют оптотиристорные структуры со светодиодами 7 и расроложены в пазах дополнительного элемента 3 и нажимных болтов 1; токовые выводы светодиодов 12, расположенные в опорном элементе 3; фиксирующую деталь 16, которая фиксирует полупроводниковые структуры 5 и металлические шины 8 и 9 с помощью отверстий 20. Для изготовления полупрюводникового устройства используются кремниевые р - п-структуры, р-п-р-п-структуры с электрическим и оптическим управлением. Изготавливаются структуры 5 по известной технологии. Для изготовления металлического основания 2 используется листовая медь, из которой методом штамповки вырубается основание. Основание покрывается никелем. К основанию в водородной печи припаивается пластина окиси берилия 13, сверху - ее пластина из меди l, а также четыре втулки по краям основания . На основание затем помещаются по-лупроводниковые структуры 5 с верхним и нижним термокомпенсатором, покрытым тонким слоем металла с температурой плавления в интервале 130ISO C, фиксируются на пластинах с помощью специальной фикtиpyющeй детали из пластмассы 16. На верхние электроды структур помещаются металлические шины 8 и 9, на которые накладываются кольца из изолирующего материала 15, например, окиси берилия, затем снова металлические шины 8 и 9, сверху которых накладываются болты 1 которые прижимают металлические шины 8 и 9 и изолирующее кольцо 15 к струк турам 5, а структуры 5 - к основанию 2. Нажимные болты 1 перемещаются в отверстиях с резьбой в опорном элементе 3 например, из пластмассы, которой с помощью винтов 10 неподвижно закрепляют с корпусом и основанием 2 устройства. В процессе прижима полупроводниковых структур 5 к основанию 2 одновременно измеряют обратный ток структуры при определенном обратном напряжение (нап|: им.ер, 500 В). С pocTOiM давления обратный ток возрастает и при увеличении его, например, на 10-50 мА при 25°С, прижим прекращают. Прижим металлических шин 8 и 9 к верхним электродам структуры осуществляют с помощью изолирующего кольца 15, так что структура 5.находится в тепловом контакте с нажимным болтом 1, который прижимает данную структуру к основанию, а в электрическом коьггакте - с соседним нажимным болтом 1, который прижимает соседнюк структуру к основанию.. Это дает возможность затем упростить про цесс соединения структур в определен ную электрическую цепь, например в последовательную однофазную цепочку из. двух диодов, двух тиристоров., двух оптотиристоров, Металлические шины 8-9, .Т. изоли рующие кольца 15. концы нажимных бол тов 1 и 1а покрыты металлом с температурой плавления в интервале 130150°С. При работе полупроводникового уст ройства при максимальных температурах р-п-структур (например, для диодов с) возможен перегрев структур за счет недостаточного прижима одного из болтов, тогда металл на электродах структуры, шинах, кольцах и болтах расплавляется и улучшает теплово контакт структуры с основанием устро ства. Управление оптотиристоров осущест вляется светодиодами 7, расположенны ми в опорном элементе 3, с помощью световолокон 6, расположенных в пазах опорного элемента 3 и нажимных болтах 1, прижимающих структуры к основанию. Световолокна подсоединяют ся к структуре 5 и светодиоду 7 с ПОМОЩЬЮ оптического клея 19, например кл.-. Управление оптотиристоров возможно также при помещении светодиодов непосредственно на поверхности структур, через пазы нажимных болтов. После сборочных операций устройство герметизируют, помещая заливочный материал, например пластмассу ЭЗК-k, в корпус устройства. Описанное полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя энергии с нажимными контактами может быть использовано для выпрямления переменного тока в различных выпрямителях,-ДЛЯ управления различными агрегатами постоянного и переменного тока, в различной комму тационной аппаратуре. Использование предлагаемого полупроводникового выпрямительного устройства преобразователя электроэнергии дает значительный эффект по сравнению с использованием известных полупроводниковых приборов за счет повышения в 5-10 раз показателей надежности и срока службы нового изделия и снижения издержек у потребителя, связанных-с вероятным отказом, а также за счет упрощения монтажа. Экономический эффект составляет 27-51 руб. на один модуль в зависимости от типоисполнения. Формула изобретения 1. Полупроводниковое выпрямительное устройство преобразователя 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 основанию и загерметизированные компаундом, отличающееся тем, что, с целью повыщения надежности при одновременном расширении функциональных возможностей, оно снабжено нажимными болтами и опорным элементом, в котором выполнены отверстия и резьба по окружности отверстий для перемещения нажимных болтов, прижимающих каждую полупроводниковую структуру через фасонную шину к контактной пластине и каждую контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию и образующих выводы тока. причем каждая полупроводниковая структура изолирована теплопроводящим изолирующим кольцом от прижимного болта, прижимающего данную структуру к фасонной металлической шине и к контактНОИ металлической пластине, и имеет электрический контакт с одним нажимным болтом, прижимающим контактную пластину через электроизолирующий теплопроводящий слой к основанию, и электрический контакт с вторым нажим ным болтом, прижимающим через фасонную шину и второе изолирующее кольцо соседнюю структуру к второй контактной пластине и общему металлическому основанию. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что две и боле структуры прижаты нажимными болтами к общей контактной металлической пла стине, изолированной от основания теплопроводящим слоем, причем каждая из этих структур имеет электриче кий контакт с одним прижимным болтом образующим изолированный от других структур токовый вывод, а также элек рический контакт с оба(ими токовыми выводами, образованными-прижимными болтами к общей контактной металлической пластине. 3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что опорный элемент жестко соединен с металлическим основанием. 4.Устройство по пп. 1-3 отличающееся тем, что в опор ном элементе выполнены пазы, в которых размещены управляющие выводы или а световолокна и светодиоды и токовые выводы к ним. 5. Устройство по пп, I-, отличающееся тем, что в нажим5 ных болтах выполнены сквозные пазы, в которых размещены управляющие выводы тиристорных структур или световог локна и светодиоды. 6 Устройство по пп. 1-5, о т личающееся тем, что электроды структуры, металлические шины, пластины и нажимные болты покрыты слоем металла с температурой плавления, превышающей предельно допустимую температуру р-п перехода на 5 10°С.. 7. Способ изготовления, полупроводникового устройства, включающий операции прижима полупроводниковых структур к основанию и герметизации компаундом, отличающийся тем, что при прижиме структуры одновременно измеряют обратный ток через р-п переход и обратное напряжение, приложенное к структуре, и при критических значениях Этих параметров, прижим прекращают, после чего осуществляют герметизацию. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Великобритании W 136629 кл. Н 01 1/Й, опублик. 11.09.7. 2.Патент ФРГ W 2336361, кл. Н 01 23/40, опублик. 27.11.75. 3.Патент ФРГ № , кл. Н 01 25/08, опублик. 16.03-78 (прототип). „

J-

f2

/

/J

(Риг.

i5

иг.5

Фиг 6