Способ изготовления выпрямительных элементов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТи ЕСНИХРЕСПУБЛИН 1, 21/2 51) 4 1113 всисорзрр Е ИЗОБРЕТЕ ОПИСАК АВТОРСКОМ 4:ь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТМЙ У СВИДЕТЕЛЬСТВ(71). Научно-исследовательский инстут производственного объединения(54) (57)МИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий нанесение на поверхность выпрямительного элемента слоя алюминия или сплавов на основы алюминия и его соединение с электродом из серебра илисплавов на основе серебра, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения качества выпрямительныхэлементов, соединение выпрямительного элемента с электродом осуществляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры230-250 С со скоростью 0,1-15 сИзобретение относится к области .электротехники, а более точно к спо собам изготовления выпрямительных элементов.Изобретение может быть использо вано при изготовлении силовых полупроводниковых приборов с прижимными контактами таблеточной и штыревой конструкции.Известен способ изготовления выпрямительного элемента, включающий 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 физическойнепрерывностью вдоль границы раздела между смежными поверхностями, т.е. жесткого непосредственного крепления электрода из серебра или его сплавов к металлизированной поверхности полупроводниковой структуры, что приводит к увеличению теплового сопротивления полупроводникового прибора в целом.При токовом.циклировании полупроводникового прибора происходит разогрев и охлаждение элементов, при этом в силу разности коэффициентов термического расширения контактирующие элементы меняют свои линейные размеры в разной степени, в силу чего про- З 5исходит проскальзывание электрода из серебра или его сплавов по контактирующим с ним поверхностям.По мере циклирования полупроводниковых приборов, изготовленных выше 40 описанным способом, происходит пластическая деформация электрода из серебра, так называемое выжимание электрода, в силу действия повторяющихся растягивающих сил из-за трения. Это45 заключается в увеличении исходного диаметра электрода, утонении периферийных областей и, как следствие уменьшении эффективного пятна контакта, по которому происходит передача50 электрической и тепловой энергии, Помимо этого, выжимание электрода из серебра приводит к ослаблению усилия сжатия и, соответственно, к возрастанию теплового сопротивления, перегреву и ускорению деградации электрических и эксплуатационных свойств. На периферийных участках электрода из серебра возможно отсутствие плотного контакта и развитие процессов электроэррозии.Наиболее близким техническим решением является способ изготовления выпрямительного элемента, включающий нанесение на поверхность выпрями- тельного элемента слоя алюминия илисплавов 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 выпрями- тельных элементов, включающем нанесение на поверхность выпрямительного элемента слоя алюминия или сплавовна основе алюминия и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, соединение выпрямительного элемента с электродом осуществляют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры 230-250 С со скоростью О,1- 15 сИспользование диффузионной сварки для осуществления жесткого непосредственного соединения электрода с металлизированной полупроводниковой структурой обуславливает создание (возникновение) металлических связей между поверхностными а;омами 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 при11142жимных контактов, где теплопередачаосуществляется помимо теплопроводности еще конвекцией и излучением.Таким образом, диффузионное сварное соединение электрода с металлизированной полупроводниковой структуройпозволяет улучшить качество изготовляемых выпрямительных элементов засчет уменьшения деградации эксплуатационных характеристик., так как этим 10способом легко обеспечивается плотный Физический контакт по всей номинальной поверхности и минимизируется тепловое сопротивление, одновременно исключая выжимание электрода в 15процессе циклирования. Последнее достигается тем, что радиальные растягивающие усилия, возникающие в процессе циклирования, воспринимаютсяне только электродом, как в случае 20свободно расположенных электродов, аи той поверхностью, к которой жесткодиффузионной сваркой присоединенэлектрод,В процессе диффузионной сварки вобласти сварного шва происходит образование твердого раствора алюминия ссеребром, При охлаждении после сварОки при температуре 390 С (согласнодиаграмме состояния) происходит пери тектоидная реакция распада пересыщенного твердого раствора с образованием интерметаллического соединенияМ + Ая А 1. Другими словами, должна происходить диффузионная перестрой 35ка кристаллической решетки пересыщенного твердого раствора с образованиеминтерметаллического соединения. Образование промежуточного слоя такогоинтерметаллида крайне нежелательно в 40силу того, что он повышает тепловоесопротивление, приводит к существенной потере прочности и пластичностижесткого непосредственного соединенияэлектрода из серебра или его сплавов 45с алюминиевой металлизацией, а это,в свою очередь, может лривестн к разрушению соединения, особенно в случае циклического воздействия нагрузок, возникающих при циклировании.Проведение охлаждения после дифФузионной сварки с определенной скоростью предотвращает образование илокализацию нежелательного слоя интерметаллидов. Это достигается припроведении охлаждения со скоростью0,1-15 с в диапазоне температур,начиная с температуры сварки до 53 4250-230 С. Таким образом, происходитзакалка, т.е. фиксация неравновесного состояния пересыщенного твердогораствора алюминия в серебре. При темопературе ниже 230 С диффузионные процессы настолько замедляются, что образование прослойки интерметаллидов ,становится невозможным. При охлажденни в указанном диапазоне температур со скоростью менее 0,1 св зоне сварного соединения образуется толстый слой интерметаллида Ая А 1.При скорости охлаждения больше 15 споявляется опасность образованиятрещин в полупроводниковой структуреиз-за теплового удара и отсутствиявремени для релаксации напряжений.Сущность изобретения поясняетсяподробным описанием примеров его осуществления.При изготовлении выпрямительногоэлемента собирается пакет, состоящий из двух дисковых электродов серебра и металлизированной полупроводниковой структуры, у которой может быть многослойная металлизацияразными металлами, но при этом внешними слоями металлизации с обеих сто"рон должен быть алюминий или егосплавы, Собранный пакет нагревают до.температуры сварки 550 С в вакуумео66,5 мПа, сжимают с удельным усилием15 мПа в течение 300 с и после сварки охлаждают до температуры 230- 250 С со скоростью от 0,1 до 15 с формируя при этом одновременно жесткие непосредственные сварные соединения обоих электродов с полупроводниковой структурой.П р и м е р 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 аш- миниевой Фольги, В качестве электродов использованы диски серебра марки 9999 диаметром 32 мм толщиной О, 1 мм. Диффузионная сварка осуществляется по приведенному выше режиму, а охлаждение от 550 до 230 С ведут со скоростью 0,15 с . Проведенные после сварки металлографические и микрорентгеноснектральные исследования зоны сварного соединения однозначно засвидетельствовали отсутствие в зоне сварки слоя интерметаллидов АязА 1. Последующие испытания диоПредварительные расчеты показали,что использование предлагаемого спо соба при изготовлении выпрямительных элементов только для диодов засчет снижения рассеиваемой мощностипотерь может принести народнохозяйственный эффект порядка 400 тыс.руб,Редактор П.Горькова Техред Н,Глущенко Корректор Л,Патай Заказ 911/3 Тираж 699 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 5 11142 дов ДЧ 143-1000 А показали их высокие электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики.П р и м е р 2. Изготавливают выпрямительные элементы тиристора 5 Т 171-200/320, диаметром 32 мм. Кремниевая полупроводниковая структура, соединенная с вольфрамовым диском и металлизированная с обеих сторон дисками алюминия, соединяется с электро- Ю ,дами из серебра диаметром 32 мм толщиной 0,12 мм способом диффузионной сварки по указанному режиму, Охлаждео ние в интервале температур 550-250 С вели со скоростью 14 с. Металло графическими исследованиями на пяти выпрямительных элементах отмечено отсутствие прослойки интерметаллидов в сварной зоне и трещин в полупроводниковой структуре. 20Испытания выпрямительных элементов в приборах показали высокие характеристики и преимущества предлагаемого способа в части электрических и теп,повых параметров.П р. и м е р 3, Изготавливали выпрямительные элементы диода ДЧ 151- -100, диаметром 18 мм. Жесткое непосредственное применение электродов из серебра ведут одновременно с созданием алюминиевой металлизации кремниевой структуры способом диффузионной сварки. Собирают пакет, состоящий из диска серебра толщиной 0,05 мм, диска алюминия толщиной 0,02 мм, крем 35 ниевой структуры, диска алюминия 0,1 мм, диска вольфрама 1,5 мм, диска алюминия 0,05 мм, диска серебра 0,05 мм. Диффузионная сварка пакетао производилась при температуре 550 С, сжимающем удельном усилии 15 мПа в течение 300 с в вакууме 66,5 мПа. Охлаждение после сварки до температуры 230 С ведут со скоростью 4,5 с 53 6Металлографические исследования показали отсутствие интерметаллидов в сварном соединении серебра с алюминием, а испытания сварных выпрями- тельных лементов в приборе показали высокие электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики,Способ изготовления выпрямитель- ного 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 уменьшения толщины электрода из серебра или его сплавов.Указанные преимущества дают возможность использовать предложенный способ при изготовлении выпрямительных 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 линий электропередач.