Полупроводниковое устройство

 

68+»! ЙNQT@ Кто МЬФ „

О П И С А Н И Е (и) 503563

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ооаэ Советских

Социалистических

Республик

К ГЗАТЕНТУ (61) Зависимый от патента (51) М, Kë."- H 011. 23/26

1 (22) Заявлено 25.02.71 (21) 1630418/26-25 (32) Приоритет 05.03.70 (31) 2909/70 (33) Швеция

Опубликовано 15.02.76. Бюллетень № 6

Государственный комитет

Совета Министров СССР (53) УДК 621.382.002 (088.8) ло делам изобретений н открытий

Дата опубликования описания 15.04.76 (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Нилс Эрик Андерссон и Тибор Фаркас (Швеция) Иностранная фирма

«Алменна Свенска Электриска Актиеболагет» (Швеция) (71) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых пр иб оров.

Известные полупроводниковые устройства, содержащие полупроводниковую структуру, охлазкдаемую, по крайней мере, с одной стороны жидкостью или газом.

Полупроводниковые устройства, в которых соединительные элементы припаяны к полупроводнико вым элементам, охла кдаются потоком охлаждающей жидкости, находящейся в контакте с соединительным элементом.

Однако, когда полупроводниковые элементы запрессованы между соединительными элементами, трудно обеспечить равномерную нагрузку полупроводниковых элементов. Равномерная нагрузка очень важна для обеспечения хорошего тепло вого и электрического контакта между соединительным элементом и системой вдоль всей поверхности полупроводнико вой системы, а также равномерной механической нагрузки по всей поверхности полупроводниковой системы. Неравномерное распределение нагрузки может вызвать образование трешин в хрупкой полупроводниковой пластинке, Цель изобретения — эффектовrtop устранение потерь тока в полупроводниковом элементе и равномерное распределение механической нагрузки по всей поверхности полупроводникового элемента.

0То достигается тем, что в предлагаемом

yñT1IойстВе одна из стенок охлаждающей снс5 темы, находящаяся в механическом контакте с выпрямительным элементом, выполнена подвижной.

Подвижная стенка, выполнена из металла с хорошей электропроводностью и теплопроводностью, например меди, серебра, золота, алюминия, латуни, никеля, молибдена или сплавов, содерзкащих один илн несколько этих элементов. Лучше использовать медь, серебро и алюминий, а также сплавы, содержащие эти металлы, например медный цирконий (Хг

0,10 — 0,30%, остальное CU), медный хром (Сг 0,2 — 1%, остальное Сп), медное серебро (Ag 0,08%, остальное Cu), силумин (Si 12%, А1 88%) и дюралюминий (Мп 0,5%, 11д 0 5%, 20 Си 4% и А195%).

Стенка контейнера является подвижной потому, что другие стенки передвижныс нли раздвижные. Последний вид может быть, например, в форме гармошки, которая раздвн25 гается в направлении полупроводникового элемента. Подвижная стенка, обращенная к полупроводниковому элементу, может не быть очень тонкой. Она может иметь толщину, на503563

1О

2О

40

GO

3 пример, до 5 мм. Однако лучший эффект при тонкой стенке, предпочтительно толщиной

0,05 — 1 мм и подогнанной к поверхности полупровс цинкового элемента.

Стенка контейнера может быть подвижной потому, что другие стенки контейнера неподвижны.

В этсм случае подвижная стенка состоит из тонкой мембраны. Подвижная стенка имеет толщину 0,05 — 2 мм, преимущественно 0,05 — 1 мм.

Охла;кдающей жидкостью может быть вода, масло или газ, например воздух. Давление ох;. аждающей жидкости должно быть

10 — 5, 0 кгс/см, преимущественно 50—

500 кгс, см . желательно, чтобы охлаждающая жидкос; ь проходила непрерывно через контейнер, но она может подаваться в контейнер и выходить из него периодически.

Кром полупроводниковой пластинки, например кремниевой или германиевой, полупровод». иковый элемент может иметь, по крайней мере, одну опорную пластину из молибдена, вольфрама или другого материала, имеющего примерно одинаковый коэффициент расширения с материалом полупроводниковой гластинки. Однако возможно, чтобы кроме полупроводниковой пластинки, полупроводниковый элемент состоял только из тонких металлических слоев, расположенных на одной или обеих сторонах полупроводниковой пластинки и наносимых путем испарения, распыления катода или электролитического покрытия. Металлические слои могут быть получены в соединении с введением примесей в полупроводниковую пластинку или путем отдельного последующего процесса. Эти слои могут быть образованы из золота, серебра, меди, алюминия, никеля, свинца, индия илп сплавов, содержащих один из этих металлов. Полупроводниковый элемент может также состоять только из полупроводниковой пластинки, но в этом случае требуется, чтобы пластин ка имела слои с высоким содержанием примесей на поверхности.

Пред;: агаемое устройство может охлаждаться одной или обеих сторон.

Для жадобной герметизации подвижная стенка контейнера может упираться непосредственно в полупроводниковый элемент без применени . промежуточных деталей. Таким образом . ..ежду полупроводниковым элементом и подвгжной стенкой достигается. особенно хороши.. электрический и тепловой контакт, Благодаря равномерной нагрузке на полупровод»:.ик изобретение может быть использовано з полупроводниковых устройствах, не имеющ»:х опорных пластин. Из-за отсутствия опорных пластин между полупроводниковой пластин <ой и подвижной стенкой достигается хороший контакт. В этом случае полупроводниковьп: элемент состоит только из полупровод»: иковой пластинки с тонкими металлическими слоями на поверхности. Это, например, тонкие поверхностные слои, образованпые при легировании металлами, например, сплавами золота и сурьмы и алюминия, или при диффузии легирующих присадок, например мышьяка и галлия.

На фиг. 1 представлено предлагаемое полупроводниковое устройство, охлаждаемое только с одной стороны, разрез; на фиг. 2 и

3 — то же, разрез, охлаждение с обеих сторонн.

В полупроводниковом устройстве, показанном на фиг. 1, круглая кремниевая пластинка 1 типа Р-М-iV + со слоем алюминиевого припоя (не показан) на нижней поверхности припаяна к опорной пластине 2, изготовленной из молибдена или другого материала, имеющего примерно такой же коэффициент теплового расширения, как у. кремния. На ее верхней поверхности образован контакт в виде слоя 3 из сплава золота и сурьмы. Полупроводниковый элемент, состоящий из элементов 1, 2, 3, герметически заделан в корпус, имеющий основание 4, например, из меди, которое служит соединительным элементом, и деталь в виде крышки, состоящую из двух колец 5 и б, например, из меди или сплава железа и никеля, кольца 7 из изолирующего материала, например фарфора, и металлическую крышку 8 из меди или стали. На крышке закреплена чашеобразная деталь 9, имеющая сильфон из меди или нержавеющей стали, таким образом нижняя стенка 10 перемещается в вертикальном направлении и может прижиматься к полупроводниковому элементу. Крышка 8 и чашеобразная деталь 9 образуют контейнер с полостью 11. Нижняя стенка 10, т. е. стенка контейнера, имеет толщину 1,5 мм. Чашеобразная деталь, которая является соединительным элементом, имеет стенку толщиной 0,5 мм.

Полость 11 образована впускным отверстием 12 и выпускным отверстием 13 для охлаждающей жидкости, например масла или воды, которая циркулирует через полость для охлаждения полупроводниковои пластинки и прижимает нижнюю стенку 10 к полупроводниковому элементу. Давление жидкости в контейнере равно 150 кгс/см .

Охлаждающая жидкость подается в полость 11 по направлению к центральной части нижней стенки по трубе 14. Различные детали полупроводниковых устройств крепят друг к другу пайкой, сваркой или сваркой давлением. Полупроводниковый элемент не крепят к основанию 4 или к нижней стенке 10, а он удерживается в контакте с ним только за счет прижатия нижней стенки контейнера к полупроводниковому элементу во время циркуляции охлаждающей жидкости. Ток подключается к деталям 4 и 8.

Полупроводниковый элемент, показанный на фиг. 2, герметически закрыт в корпусе, состоящем из двух тонких металлических пластин 15 и 16, например из меди или же лезоникелевого сплава, которые припаяны к кольцу 17 из изолирующего материала, напри.

503563 мер фарфора, с помощью припоя из серебра и меди. IIo обеим сторонам полупроводникового элемента расположены цилиндрические контейнеры 18 и 19 для охлаждающей жидкости, которые изготовлены, например, из стали. Их днища имеют форму тонких медных мембран 20 и 21, припаянных к ста tb}loму контейнеру с помощью припоя пз меди и серебра. Толщина стенки мембраны 0,5 мм.

Охлаждающая жидкость, например вода, масло или воздух, входит через отверстия 22 и 23, выходит через отверстия 24 и 25. Давление охлаждающей жидкости 150 кгс/см .

Два контейнера удерживаются на соответствующем расстоянии один от друго-.о несколькими болтами 26 из изолирующего материала, расположенными во фланцах 27 и

28 вокруг контейнеров. Контакт между полупроводниковым элементом и мембранами 20 и 21 достигается только за счет давления охлаждающей жидкости. Ток можно подводить к контейнерам 18 и 19 или к специальным соединительным медным проводникам, которые соединены с мембранами 20 и 21.

В устройстве на фиг, 3 полупроводниковая кремниевая пластинка 29 типа Р-N-P-N на одной стороне имеет алюминиевый контакт, напаянный в виде тонкого слоя 30, а на другой стороне контакт из сплава золото — сурьма, припаянного в виде тонкого слоя 31. Контейнеры 32 и 33 имеют днища в форме мембран с толщиной 0,2 мм, которые упираются прямо в контакты 30 и 31 полупроводниковой пластинки без промежуточных опорных пластин. Тонкие мембраны в комбинации с давлением жидкости или газа позволяют применять полупроводниковую пластинку без опорных пластин, поэтому возможность повреждения полупроводниковой пластинки в результате неравномерной нагрузки является минимальной. Полупроводниковая пластинка гсрметпзирована, так как контейнеры имеют фланцы 34 и 35 по своим поверхностям вокруг обшивки, которые припаяны к фарфоровому кольцу 36, например, посредством припоя из сплава медь — серебро. Давление воды может быть 150 кгс/см . Фланцы и болты из изолирующего материала для крепления контейнеров в соответствующих положениях друг относительно друга имеют конструкцию, аналогичную описанной. Управляющий электрод

37 тиристора проходит через отверстие в фарфоровом кольце, причем зазор вокруг управляющего электрода герметически уплотнен и соединен с проводником 38.

Формула изобретения

1. Полупроводниковое устройство, содержащее выпрямительный элемент и систему его принудительного охлаждения, выполнен20 ную в виде контейнера, установленную, по крайней мере, с одной его стороны и прижатую к выпрямительному элементу, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения и обеспечения равномер25 ной механической нагрузки выпрямительного элемента, одна из стенок охлаждающей системы, находящаяся в механическом контакте с выпрямптельным элементом, выполнена подвижной.

ЗО 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подвижная стенка выполнена в виде мембраны, например, пз металла.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что охлаждающей средой яв35 ляется жидкость, например вода, масло.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что давление охлаждающей жидкости равно 10 — 500 кг/см2.

5. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю40 щ е е с я тем, что охлаждающей средой является воздух.

Редактор И. Шубина

Корректор 3. Тарасова

Заказ 713/16 Изд. № 1101 Тираж 977 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, %-35, Раушская наб., д. 415

Типография, пр. Сапунова, 2

1 2

Фьг.1

Составитель Г. Корнилова

Техред Т. Курилко