Корпус мощного полупроводникового прибора

КОРПУС МОЩНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции корпуса для мощного полупроводникового прибора и может быть использовано при изготовлении мощных полупроводниковых приборов. Заявляемое изобретение решает задачу увеличения максимальной мощности и предельного тока полупроводникового прибора, а также повышения его надежности в экстремальных условиях эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в корпусе мощного полупроводникового прибора, содержащем металлическое основание с закрепленным на нем термокомпенсатором, соединенным серебросодержащим припоем с обечайкой, в обечайке выполнены два сквозных отверстия для выводов и выемка с размещенным в ней третьим выводом,расположенная между сквозными отверстиями, в сквозных отверстиях обечайки расположены изоляторы с внутренними отверстиями, в которых размещены выводы, выполненные с медным сердечником и траверсами таким образом, что траверсы расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов - снаружи, причем корпус и выводы покрыты слоем никеля и золота; металлическую крышку; обечайка выполнена из меди, к обечайке серебросодержащим припоем присоединен ободок, выполненный из ковара, а крышка прикреплена к ободку шовнороликовой сваркой, изоляторы выполнены из вакуум-плотной керамики методом горячего прессования с нанесенным слоем металлизации за исключением торцов, выводы присоединены к изоляторам пайкой серебросодержащим припоем; сквозные отверстия выполнены с разгрузочной канавкой, расположенной с внешней стороны обечайки, а внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные по торцам изоляторов; внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные только на внешних торцах изоляторов, причем изоляторы выступают над поверхностью обечайки не более 0,5 мм. Турцевич Аркадий Степанович,Глухманчук Владимир Владимирович, Солодуха Виталий Александрович, Выговский Станислав Вячеславович, Осипов Александр Александрович, Горобец Григорий Александрович, Керенцев Анатолий Федорович (BY) 016718 Изобретение относится к электронной технике, а именно к конструкции корпуса для мощного полупроводникового прибора. Известен корпус мощного полупроводникового прибора [1], содержащий металлическое основание,металлическую крышку, соединенную с основанием, два металлических вывода, расположенных в основании так, что одни концы каждого вывода расположены внутри корпуса, а другие выходят наружу через сквозные отверстия в основании и они изолированы от металлического основания изоляторами из стекла. Само металлическое основание выполняет роль третьего вывода. На металлическом основании закреплена медная пластина, на которую присоединен термокомпенсатор из молибдена, а все элементы корпуса покрыты никелем. После присоединения полупроводникового кристалла припоем к никелированному термокомпенсатору и соединения контактных площадок кристалла транзистора с металлическими выводами основание закрывают стальным баллоном и герметизируют контурно-рельефной контактной сваркой. Применение медной пластины обеспечивает отвод тепла от кристалла транзистора, что позволяет использовать данный корпус для мощных транзисторов. Однако корпус не лишен недостатков. Данный корпус не обеспечивает предельную мощность транзистора более 150 Вт и максимальный ток более 30 А, так как основание, выполненное из стали, обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению отвода тепла и перегреву активной структуры при токах 30 А и более. В данном устройстве также наблюдается недостаточная надежность в экстремальных условиях эксплуатации из-за существенного различия в коэффициентах термического линейного расширения (КТЛР) стали и стеклянного изолятора,в результате чего в стеклоспае возникают механические напряжения сжатия, приводящие к образованию сквозных и несквозных микротрещин в стекле, что резко увеличивает вероятность снижения герметичности после термоциклирования. Кроме того, стеклоспай обладает низкой устойчивостью к механическим деформациям при эксплуатации, приводящим к образованию микротрещин в стекле, что также снижает герметичность корпуса. Недостаточная надежность также обусловлена тем, что никелевое покрытие корпуса вызывает необходимость присоединения кристалла транзистора с помощью припоя, который в результате циклического воздействия электрической мощности претерпевает структурные изменения, что ухудшает отвод тепла от кристалла и приводит к росту теплового сопротивления и снижению предельной мощности транзистора. Большие габариты корпуса 39,22622 мм и большой вес 16,3 г исключают возможность применения его в современных малогабаритных блоках радиоэлектронной аппаратуры специального назначения. Известен корпус мощного полупроводникового прибора [2], содержащий основание, выполненное из керамики, металлическую крышку, соединенную с лицевой поверхностью основания по периметру посредством металлического ободка сваркой, металлическую контактную площадку, расположенную на лицевой поверхности основания для расположения и соединения полупроводникового кристалла транзистора с основанием, и три металлических вывода, расположенных так, что одни концы выводов расположены на лицевой поверхности основания, а другие выходят наружу через сквозные отверстия, выполненные в основании, отличающийся тем, что основание выполнено из высокотеплопроводящей керамики, сквозные отверстия выполнены на расстоянии между осями не менее 3 мм друг от друга одновременно с основанием посредством горячего прессования, крышка выполнена из алюминия, а металлический ободок, металлическая контактная площадка и внутренние поверхности сквозных отверстий выполнены посредством сканирования лучом лазера лицевой поверхности основания в местах соответствующего их расположения, соединение лицевой поверхности основания с крышкой посредством металлического ободка выполнено холодной сваркой. Данное устройство имеет хорошие результаты по изоляции металлических выводов благодаря большому расстоянию между ними. Однако данный корпус также имеет существенные недостатки. Не обеспечивается предельная мощность более 100 Вт и предельный ток более 30 А, так как полупроводниковый кристалл и выводы расположены в основании из алюмонитридной керамики, обладающей невысокой теплопроводностью(210 Вт/мС) по сравнению с медью (405 Вт/мС), что приводит к перегреву кристалла и росту теплового сопротивления. Кроме того, в данном устройстве наблюдается недостаточная надежность из-за образования напряженно-деформированного состояния в результате воздействия высоких удельных нагрузок в процессе герметизации холодной сваркой и роста механических напряжений, приводящих к снижению герметичности в экстремальных условиях эксплуатации. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является корпус мощного полупроводникового прибора [3], содержащий металлическое основание с закрепленным на нем термокомпенсатором, соединенным серебросодержащим припоем с обечайкой, в обечайке выполнены два сквозных отверстия для выводов и выемка с размещенным в ней третьим выводом, расположенная между сквозными отверстиями, в сквозных отверстиях обечайки расположены изоляторы с внутренними отверстиями из стекла, в которых размещены выводы, выполненные с медным сердечником и траверсами, таким образом, что траверсы расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов - снаружи, причем корпус и выводы покрыты слоем никеля и золота; металлическую крышку.-1 016718 Данная конструкция корпуса обеспечивает возможность монтажа кристаллов на эвтектику золотокремний, чем и достигается устойчивость приборов к циклическому воздействию электрической мощности. Однако данный корпус мощного полупроводникового прибора также имеет ряд существенных недостатков. Данный корпус обеспечивает предельную мощность транзистора не более 150 Вт, так как обечайка, выполненная из стали марки Ст. 10, характеризуется низкой теплопроводностью. Поэтому при работе на токах более 30 А происходит перегрев обечайки, полупроводникового кристалла и выводов,проходящих сквозь обечайку, что вызывает рост теплового сопротивления прибора и электрического сопротивления внешнего вывода. Также в данном устройстве наблюдается недостаточная надежность, так как два вывода корпуса соединены с помощью стекла С-76-4 с обечайкой из стали, которые имеют существенное различие в коэффициентах термического линейного расширения (КТЛР), что способствует возникновению в стеклоспае механических напряжений, приводящих к образованию сквозных и несквозных микротрещин в стекле и снижению герметичности после термоциклирования. Так как стеклоспай обладает низкой устойчивостью к механическим деформациям выводов при эксплуатации, приводящим к образованию микротрещин в стекле, это также снижает герметичность корпуса. Заявляемое изобретение решает задачу увеличения максимальной мощности и предельного тока полупроводникового прибора, а также повышения его надежности в экстремальных условиях эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в корпусе мощного полупроводникового прибора, содержащем металлическое основание с закрепленным на нем термокомпенсатором, соединенным серебросодержащим припоем с обечайкой, в обечайке выполнены два сквозных отверстия для выводов и выемка с размещенным в ней третьим выводом, расположенная между сквозными отверстиями, в сквозных отверстиях обечайки расположены изоляторы с внутренними отверстиями, в которых размещены выводы, выполненные с медным сердечником и траверсами, таким образом, что траверсы расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов - снаружи, причем корпус и выводы покрыты слоем никеля и золота; металлическую крышку; обечайка выполнена из меди, к обечайке серебросодержащим припоем присоединен ободок, выполненный из ковара, а крышка прикреплена к ободку шовно-роликовой сваркой, изоляторы выполнены из вакуум-плотной керамики методом горячего прессования с нанесенным слоем металлизации за исключением торцов, выводы присоединены к изоляторам пайкой серебросодержащим припоем; сквозные отверстия выполнены с разгрузочной канавкой, расположенной с внешней стороны обечайки, а внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные по торцам изоляторов; внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные на внешних торцах изоляторов, причем изоляторы выступают над поверхностью обечайки не более 0,5 мм. Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый корпус мощного полупроводникового прибора отличается от известного тем, что обечайка выполнена из меди, к обечайке серебросодержащим припоем присоединен ободок, выполненный из ковара, а крышка прикреплена к ободку шовно-роликовой сваркой, изоляторы выполнены из вакуум-плотной керамики методом горячего прессования с нанесенным слоем металлизации за исключением торцов, выводы присоединены к изоляторам пайкой серебросодержащим припоем; сквозные отверстия выполнены с разгрузочной канавкой, расположенной с внешней стороны обечайки, а внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные по торцам изоляторов; внутренние отверстия изоляторов содержат фаски,расположенные на внешних торцах изоляторов, причем изоляторы выступают над поверхностью обечайки не более 0,5 мм. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. При изготовлении обечайки не из меди происходит снижение предельной мощности и предельного тока мощного транзистора, так как ухудшаются условия отвода тепла и растет тепловое сопротивление. При изготовлении изоляторов с внутренними отверстиями не из вакуум-плотной керамики и без покрытия металлизацией, за исключением торцов, снижается надежность из-за ухудшения герметичности. При отсутствии разгрузочных канавок в отверстиях медной обечайки снижается надежность, так как герметичность спая медь-керамический изолятор будет ухудшаться из-за возникновения термических механических напряжений, приводящих к образованию микротрещин. При отсутствии фасок на торцах внутренних отверстий керамических изоляторов из вакуумплотной керамики с нанесенным слоем металлизации за исключением торцов ухудшается надежность изза снижения электрической прочности из-за образования наплывов припоя, образующихся на торцевой поверхности керамических изоляторов со стороны размещения навески припоя на выводах, присоединенных к изоляторам пайкой серебросодержащим припоем. При отсутствии фаски на внешней стороне внутреннего отверстия изоляторов из вакуум-плотной керамики, а изоляторы выступают над поверхностью обечайки более 0,5 мм ухудшается надежность изза снижения электрической прочности в результате образования наплывов припоя, образующихся на-2 016718 торцевой поверхности керамических изоляторов со стороны размещения навески припоя на выводах,присоединенных к изоляторам пайкой серебросодержащим припоем и снижения герметичности, так как увеличивается вероятность повреждения выступающей части керамического изолятора. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-23. На фиг. 1-5 показан корпус мощного полупроводникового прибора (заявляемое изобретение), содержащий металлическое основание 1 с закрепленным на нем термокомпенсатором 2, соединенное серебросодержащим припоем с медной обечайкой 3, в медной обечайке 3 выполнены два сквозных отверстия 4 для выводов 5 и выемка 6 с размещенным в ней третьим выводом 7, размещенная между сквозными отверстиями, в сквозных отверстиях 4 медной обечайки 3 расположены изоляторы 8 с внутренними отверстиями из вакуум-плотной керамики с нанесенным слоем металлизации 9 за исключением торцов, в которых размещены выводы 5, выполненные с медным сердечником 10 и траверсами 11 таким образом,что траверсы 11 расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов 5 - снаружи, выводы 5 присоединены к изоляторам 8 с внутренними отверстиями пайкой серебросодержащим припоем, к обечайке 3 серебросодержащим припоем присоединен ободок 12, выполненный из ковара, корпус и выводы 5, 7 покрыты слоем никеля 13 и золота 14, металлическая крышка 15 прикреплена к ободку 12 шовнороликовой сваркой. На фиг. 6 показана обечайка 3 корпуса мощного полупроводникового прибора, содержащая два сквозных отверстия 4 и выемку 6 между сквозными отверстиями, сквозные отверстия 4 в медной обечайке 3 выполнены с разгрузочной канавкой 16, расположенной с внешней стороны обечайки 3. На фиг. 7 показан изолятор 8 с внутренними отверстиями из вакуум-плотной керамики с нанесенным слоем металлизации 9 за исключением торцов и содержащий фаски 17, расположенные по торцам изоляторов. На фиг. 8 показан изолятор 8 с внутренним отверстием из вакуум-плотной керамики с нанесенным слоем металлизации 9 за исключением торцов и содержащий одну фаску 17, расположенную на торце на внутреннем отверстии изолятора. На фиг. 9-13 показан корпус мощного полупроводникового прибора (заявляемое устройство), содержащий металлическое основание 1 с закрепленным на нем термокомпенсатором 2, соединенное серебросодержащим припоем с медной обечайкой 3, в медной обечайке 3 выполнены два сквозных отверстия 4 для выводов 5 и выемка 6 с размещенным в ней третьим выводом 7, расположенная между сквозными отверстиями, сквозные отверстия 4 в медной обечайке 3 выполнены с разгрузочной канавкой 16,расположенной с внешней стороны обечайки 3, внутренние отверстия изоляторов 8 содержат фаски 17,расположенные по торцам изоляторов 8, в сквозных отверстиях 4 медной обечайки 3 расположены изоляторы 8 с внутренними отверстиями с нанесенным слоем металлизации 9 за исключением торцов, внутри которых размещены выводы 5, выполненные с медным сердечником 10 и траверсами 11, таким образом, что траверсы 11 расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов 5 - снаружи, выводы 5 присоединены к изоляторам 8 пайкой серебросодержащим припоем, к медной обечайке 3 серебросодержащим припоем присоединен ободок 12, выполненный из ковара, корпус и выводы 5, 7 покрыты слоем никеля 13 и золота 14, металлическая крышка 15 прикреплена к ободку 12 шовнороликовой сваркой. На фиг. 14-18 показан корпус мощного полупроводникового прибора (заявляемое изобретение), содержащий металлическое основание 1 с закрепленным на нем термокомпенсатором 2, соединенное серебросодержащим припоем с медной обечайкой 3, в медной обечайке 3 выполнены два сквозных отверстия 4 для выводов 5 и выемка 6 с размещенным в ней третьим выводом 7, расположенная между сквозными отверстиями, сквозные отверстия 4 в медной обечайке 3 выполнены с разгрузочной канавкой 16,расположенной с внешней стороны обечайки 3, а внутренние поверхности изоляторов 8 содержат фаски 17, расположенные на внешних торцах изоляторов 8, причем изоляторы выступают над поверхностью медной обечайки 3 не более 0,5 мм. На фиг. 19-23 показан мощный полупроводниковый прибор в металлокерамическом корпусе, изготовленный в соответствии с заявляемым изобретением, где металлическое основание 1 из меди с закрепленным на нем термокомпенсатором 2 соединено с медной обечайкой 3 серебросодержащим припоем, в медной обечайке 3 выполнены два сквозных отверстия 4 для выводов 5 из материала медь-ковар и выемка 6 с размещенным в ней третьим выводом 7, расположенная между сквозными отверстиями, изоляторы 8 с нанесенным слоем металлизации 9 заисключением торцов расположены в сквозных отверстиях 4 медной обечайки 3, в которых размещены выводы 5, выполненные с медным сердечником 10 и траверсами 11, таким образом, что траверсы 11 расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов 5 - снаружи, выводы 5 присоединены к изоляторам 8 пайкой серебросодержащим припоем; ободок 12, выполненный из ковара, присоединен к внешней части медной обечайки 3 серебросодержащим припоем, все элементы корпуса и вывода 5, 7 покрыты слоем никеля 13 и слоем золота 14, полупроводниковый кристалл 18 размещен на поверхности термокомпенсатора 2 и соединен контактно-реактивной пайкой с помощью эвтектики золото-кремний 19, контакты полупроводникового кристалла соединены с траверсами 11 вывода 5 с помощью алюминиевых проволочек 20 диаметром 100-500 мкм, металлическая крышка 15 соединена с ободком 12 по периметру с помощью шовно-роликовой сварки.-3 016718 Корпус мощного полупроводникового прибора может быть изготовлен следующим образом. Металлическое основание 1 изготавливают из бескислородной меди, закрепляют на нем термокомпенсатор 2 из материала МД 40 пайкой. Обечайку 3 размером 10,713,7 мм, изготовленную из профильной медной трубы, присоединяют к металлическому основанию 1 серебросодержащим припоем. В обечайке 3 выполняют два сквозных отверстия 4 требуемого диаметра и выемку 6 для третьего вывода 7, в отверстиях 4 и 6 снаружи обечайки выполняют разгрузочные канавки 16 увеличенным диаметром 3,4 мм. Изоляторы 8 с внутренними отверстиями, содержащие фаски 17 размером 0,2245 и покрытые слоем металлизации 9 толщиной от 20 до 40 мкм за исключением торцов, располагают в сквозных отверстиях 4 обечайки 3. Выводы 5 с медным сердечником 10 и траверсами 11 располагают в изоляторах 8 так, что траверсы 11 расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов 5 снаружи, и присоединяют серебросодержащим припоем к внутренней части изоляторов 8. Ободок 12, выполненный из ковара, присоединяют к внешней части обечайки 3 серебросодержащим припоем, затем все элементы корпуса и выводы 5, 7 покрывают слоем никеля 13 и слоем золота 14. На поверхности термокомпенсатора 2 размещают полупроводниковый кристалл 18 и соединяют его контактно-реактивной пайкой с помощью эвтектики золото-кремний 19. Контакты полупроводникового кристалла соединяют с траверсами 11 выводов 5 с помощью алюминиевых проволочек 20 диаметром от 100 до 500 мкм. Металлическую крышку 15 соединяют с ободком 12, присоединенным к обечайке 3, по периметру с помощью шовно-роликовой сварки. В процессе испытаний мощного транзистора определены предельная мощность и предельный ток, а также надежность по герметичности корпуса в условиях циклического воздействия смены температур в пределах от -196 до +200 С (табл. 1, 2). Таблица 1 Сопоставление достигнутого уровня качества корпуса мощного полупроводникового прибора согласно заявляемому изобретению и прототипа-5 016718 Таблица 2 Показатели качества корпуса мощного полупроводникового прибора согласно заявляемому изобретению Примечания. Показатели качества корпуса мощного полупроводникового прибора: Как видно из табл. 1 и 2, заявляемый корпус мощного полупроводникового прибора по сравнению с прототипом имеет значительные преимущества, а именно: в 1,4 раза больше предельная мощность; в 1,28 раза больше предельный ток; в 1,23 раза больше устойчивость к термоударам при температуре от -196 до +200 С. Таким образом, предлагаемый корпус мощного полупроводникового прибора по сравнению с прототипом позволяет повысить предельную мощность и предельный ток транзистора, а также повысить надежность мощного транзистора в экстремальных условиях эксплуатации. Источники информации 1. Технические условия ПАЯ 0.336.004 ТУ. Корпус КТ-9, КТ-8.-6 016718 2. Патент РФ 2 273915, МКИ H01L 23/055. Корпус для мощного транзистора, опубл. 10.04.2006 г. 3. Технические условия КУШР.432253.001 ТУ. Корпус КТ-97 В. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Корпус мощного полупроводникового прибора, содержащий металлическое основание с закрепленным на нем термокомпенсатором, соединенное серебросодержащим припоем с обечайкой, в обечайке выполнены два сквозных отверстия для двух выводов и выемка с размещенным в ней третьим выводом,расположенная между сквозными отверстиями, в сквозных отверстиях обечайки расположены изоляторы с внутренними отверстиями, в которых размещены выводы, выполненные с медным сердечником и траверсами, таким образом, что траверсы расположены внутри корпуса, а противоположные концы выводов- снаружи, причем корпус и выводы покрыты слоем никеля и золота; металлическую крышку, отличающийся тем, что обечайка выполнена из меди, к обечайке серебросодержащим припоем присоединен ободок, выполненный из ковара, а крышка прикреплена к ободку шовно-роликовой сваркой, изоляторы выполнены из вакуум-плотной керамики методом горячего прессования с нанесенным слоем металлизации за исключением торцов, выводы присоединены к изоляторам пайкой серебросодержащим припоем. 2. Корпус по п.1, отличающийся тем, что сквозные отверстия выполнены с разгрузочной канавкой,расположенной с внешней стороны обечайки, а внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные по торцам изоляторов. 3. Корпус по п.1, отличающийся тем, что внутренние отверстия изоляторов содержат фаски, расположенные на внешних торцах изоляторов, причем изоляторы выступают над поверхностью обечайки не более 0,5 мм.