Результат интеллектуальной деятельности: Кассета для сплавления элементов силовых полупроводниковых диодов

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано при сплавлении элементов силовых полупроводниковых приборов.

Известна конструкция кассеты (Коутный Й., Кудлак Я., Микушек Я. Технология серийного производства транзисторов и полупроводниковых диодов. Перевод с чешского Пшениснова В.Н. М., Энергия, 1968, с. 217), состоящей из трех частей. В нижней части выполняется полость, в которую последовательно закладываются термокомпенсатор, выполненный из ковара или молибдена, припойная прокладка и пластина кремния. После этого на нижнюю часть накладывается средняя часть конструкции, в сквозное отверстие которой помещается алюминиевый цилиндрик, формирующий контакт к диоду. Для устранения выпадения цилиндрика на среднюю часть конструкции кассеты накладывают верхнюю часть, имеющую форму пластины, а в сечении - прямоугольника.

К недостаткам данной кассеты следует отнести: сложность конструкции, требующей постоянной сборки и разборки в процессе эксплуатации; герметизацию элементов полупроводникового диода тремя частями конструкции кассеты, затрудняющую выход паров легкоиспаряющихся материалов, что повышает вероятность выброса элементов из полости, следовательно, требует дополнительных элементов конструкции, устраняющих этот недостаток; затрудненный выход паров загрязнений адсорбируемых поверхностями элементов конструкции полупроводникового диода, приводящий к их осаждению на поверхностях полости и сквозного отверстия средней части. Поэтому при использовании подобной конструкции необходимо вводить в технологический процесс дополнительную операцию очистки этих поверхностей.

Известна конструкция кассеты (Коутный Й., Кудлак Я., Микушек Я. Технология серийного производства транзисторов и полупроводниковых диодов. Перевод с чешского Пшениснова В.Н. М., Энергия, 1968, с. 52), в которой предусмотрен элемент, прижимающий своим весом в направлении сверху вниз элементы полупроводникового диода. Это устраняет возможность смещения элементов полупроводникового диода и улучшает смачиваемость поверхностей диода и термокомпенсатора припоем.

Однако, наличие механизма прижима элементов полупроводникового диода не устраняет процесс загрязнения поверхности полости кассеты и, следовательно, также требует введения дополнительной операции очистки поверхности полости от слоя загрязнений.

Известна конструкция кассеты (Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов. М., Высшая школа, 1974, с. 106), помещаемая на съемник, выполненная в виде полости в углероде, в которую вставляют нижнюю пробку. В отверстие пробки помещается дозированный цилиндрик сплава для формирования электрода. После этого на поверхность указанной пробки последовательно укладывают кристаллы полупроводникового диода, кольца из базового сплава и кристаллодержатели. Поднимая кассету над съемником, опускают нижнюю пробку, освобождая пространство полости кассеты для помещения в нее верхней пробки. Верхняя пробка имеет сквозное отверстие, через которое загружают электрод полупроводникового диода. При сплавлении полученной структуры происходит выделение паров легколетучих элементов, загрязняющих поверхность полости. В процессе проведения технологического процесса происходит увеличение толщины этого слоя, что препятствует закладке и выемке нижней, верхней пробок и полупроводникового диода из полости кассеты. Поэтому в технологический процесс вводят дополнительную операцию очистки поверхности полости кассеты. Кроме этого рост толщины слоя загрязнений герметизирует элементы в полости кассеты, в результате в рабочем объеме полости увеличивается давление паров легколетучих материалов, последние, прорываясь в локальной области полости во внешнюю среду, способны выбросить нижнюю и верхнюю пробки из полости кассеты. В результате этого при сплавлении образуются бракованные конструкции полупроводниковых диодов.

Наиболее близкая по технической сущности к предлагаемому изобретению (патент №2555209, МПК H01b 21/67, опубликованный 10.07.2015) кассета, содержащая основание, выполненное из пластины углерода, в объеме которой по образующей элементов полупроводниковых диодов изготавливаются п-образные полости, в которые по легкопрессовой посадке помещаются керамические стержни диаметром 4-7 миллиметров, причем высота полостей в углеродной пластине составляет (1,5-2) диаметра керамических стержней, выступающих над поверхностью углеродной пластины на высоту, превышающую на (10-20)% высоту элементов полупроводниковых диодов, собранных в единую конструкцию.

Однако применение подобной конструкции кассеты в автоматизированном производстве приводит к необходимости повышения требований к соблюдению строгой соосности элементов диода и устройства, держащего эти элементы, т.к. любое отклонение приводит к взаимодействию этого устройства с торцами керамических стержней, что, безусловно, приведет к их поломке.

В основу изобретения поставлена задача повышения производительности закладки и выемки элементов полупроводниковых диодов и значительного облегчения процесса набора элементов структуры полупроводникового диода как в ручном, так и в автоматизированном режимах.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем основание, выполненное из пластины углерода, в котором внедрены по окружности керамические стержни, причем внутренний диаметр, проводимый по внутренней образующей керамических стержней равен диаметру термокомпенсатора полупроводникового прибора, согласно изобретению на керамические стержни установлена пластина, в которой соосно керамическим стержням выполнены п-образные полости глубиной 1,5-2,5 диаметра керамических стержней, ограничивающие пространство для вкладывания термокомпенсатора. Причем диаметр этого пространства равен диаметру термокомпенсатора или превышает его на 10%, внутри этого пространства изготавливается п-образная полость такого же диаметра на глубину, равную глубине п-образных полостей, соосных стержням. В потолочной поверхности данной п-образной полости, необходимой для вкладывания термокомпенсатора и элементов полупроводникового диода, выполнено сквозное отверстие конусной формы с диаметром меньшего основания конуса, равного диаметру, проведенному по внутренней образующей керамических стержней, и имеющее наклон боковой поверхности, равный 3-5 градусам.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 - схема устройства кассеты для сплавления элементов конструкции полупроводниковых диодов;

на фиг. 2 - вид сверху на устройство кассеты для сплавления элементов конструкции полупроводниковых диодов;

на фиг. 3 - разрез углеродной пластины 3.

Кассета для сплавления элементов конструкции полупроводниковых диодов содержит углеродную пластину 1, керамические стержни 2, углеродную пластину 3, термокомпенсатор 4, припойную прокладку 5, полупроводниковый диод 6, припойную прокладку 7, токовывод 8.

Устройство осуществляется следующим образом. Вдоль окружности, равной или больше на 10% диаметра термокомпенсатора, располагаются п-образные полости 9 глубиной 1,5-2,5 диаметра керамических стержней 2. Выполнение глубины п-образной полости 9 менее 1,5 диаметра керамических стержней приводит к их ненадежному закреплению из-за пластических свойств углерода и скола частиц приповерхностного слоя углерода в области взаимодействия поверхностей углерода и керамики. В процессе эксплуатации, т.е. при наборе и выемке элементов полупроводникового диода, происходит механическое воздействие на керамические стержни, приводящие к их расшатыванию и выпадению из полости. Данное явление приводит к смещению элементов полупроводникового диода и появлению конструкционного брака в серии сплавляемых элементов. Изготовление полостей 9 глубиной более 2,5 диаметров керамических стержней приводит к нецелесообразному увеличению толщины углеродной пластины 3 и ее веса, что затрудняет ее эксплуатацию в технологическом процессе сплавления элементов полупроводниковых диодов и увеличивает стоимость кассеты.

Внутри пространства, ограниченного диаметром внутренней образующей п-образных полостей 9, изготавливается п-образная полость 10, равная им по глубине и имеющая диаметр, равный диаметру термокомпенсатора или превышающий его на 10%. В первом случае происходит полная центровка элементов полупроводникового диода в процессе сплавления. Аналогичные требования выполняются и в случае увеличения диаметра в пределах 10%. Однако увеличение диаметра более чем на 10% приводит к ощутимому смещению элементов полупроводникового диода и появлению брака. В потолочной поверхности данной полости 10 изготавливается сквозное конусной формы отверстие 11 (фиг. 3) с диаметром основания, равным диаметру, проведенному по внутренней образующей керамических стержней, и имеющее наклон боковой поверхности, равный α=3-5 градусам. Изготовление наклона боковой поверхности конусного отверстия α менее 3 градусов приводит к необоснованному увеличению требований к точности помещения элементов диода в кассету, т.е. затрудняет перевод этой операции в автоматический режим, а следовательно, приводит к удорожанию технологического процесса без увеличения его качества. С другой стороны увеличение наклона боковой поверхности сквозного отверстия α более 5 градусов создает условия смещения элементов прибора относительно оси симметрии в процессе их падения на дно кассеты. При сплавлении это смещение нарушает конструкцию прибора, существенно ухудшая его характеристики.

Размер диаметра сквозного отверстия в области поверхности потолка п-образной полости 10 равен внутреннему диаметру, проведенному по образующей керамических стержней, т.к. если он будет больше, то в области границы взаимодействия поверхности пластины и торцов керамических стержней за счет последних образуется выступ, который будет сбивать элементы полупроводникового прибора, нарушая структуру расположения элементов его конструкции. С другой стороны уменьшение этого диаметра приводит к задержке процесса осаждения элементов структуры полупроводникового прибора на дно кассеты и нарушению механизма их набора в кассету. Кроме этого элементы, взаимодействуя с уступом, изменяют траекторию своего падения на дно кассеты, что приводит к браку при производстве полупроводниковых приборов.

При использовании предлагаемого устройства набор элементов полупроводниковых приборов значительно упрощается, не препятствуя его автоматизации. Кроме этого предлагаемое устройство полностью исключает взаимодействие керамических стержней с технологической оснасткой, что увеличивает их долгодействие.