CN116864544A - 一种光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法，光导开关外接电极结构由导电体和金属平台组成，导电体的上下表面平行，侧面与表面保持垂直。导电体上表面通过倒角与侧面过渡，下表面通过椭圆面与侧面过渡，导电体沿中心轴挖有螺纹通孔。金属平台设置于导电体下表面中间区域，与导电体电连接，与欧姆电极通过导电银胶焊接。连接方法包括连接准备、第一外接电极结构和第一欧姆电极对位、导电银胶涂覆、固化、第二外接电极结构安装和绝缘介质灌封六步。本发明能避免电极周围残留气体杂质影响、抑制电场在欧姆电极边缘三相点和金属尖端集中，提高装配精度，匀化欧姆电极边缘处电场分布，提升光导开关可靠性、耐压能力和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其是涉及一种光导开关的外接电极结构及其与光导开关的连接方法。
背景技术
相对于传统开关，高功率光导开关具有闭合时间短(～10ps-～100ps)，重复频率高，时间抖动小(ps级)，功率容量大(MW级)，不受电磁干扰、重量轻、体积小等优势，在光通讯、冲击雷达、THz技术、固态紧凑型脉冲功率系统、超高速电子学和瞬态电磁波技术方面有着广泛的应用前景，是实现脉冲功率系统模块化、紧凑化的关键固态开关器件。
通常光导开关由一对欧姆电极和半绝缘光电导衬底(半导体衬底)构成。根据欧姆电极在半导体衬底上位置的不同，光导开关分为同面结构、异面结构和体结构，同面结构光导开关的一对欧姆电极位于半导体衬底的同一侧，异面结构和体结构光导开关的一对欧姆电极分别位于半导体衬底的两侧，异面结构和体结构不同之处是体结构的两欧姆电极在半导体衬底表面法线方向上的投影重合，异面结构的不重合。不管哪种结构的光导开关，在实际使用中均需要通过外接电极将光导开关的两个欧姆电极(一般是一块芯片)接入外部电路。光导开关在外部电路施加偏置电压(数kV至数十千伏)及激光脉冲触发下，其内部将产生大量载流子，从而实现导通。
然而，光导开关在数kV至数十千伏的高工作电压(数kV)情况下，往往容易发生表面闪络或击穿，使光导开关失效。提高光导开关耐压能力并抑制损伤，设计长寿命和高可靠性的光导开关已成为当下脉冲功率技术领域研究的热点。已有的研究表明，光导开关在高偏置电压工作条件下，半导体衬底内部的电场呈现出非均匀分布的特点，尤其在欧姆电极边缘具有极高的电场分布，其中欧姆电极、半导体衬底和环境介质接触的三相点、外接电极结构焊接装配过程中引入的金属尖端以及绝缘封装之后欧姆电极周围残留的气体杂质往往是场强分布的极值部位，光导开关的损伤往往容易在这些部位积累，并进一步导致开关击穿的发生，这严重影响了光导开关的可靠性、使用寿命和耐压能力。因此，必须对光导开关的外接电极结构进行合理设计，以避免或者降低欧姆电极周围残留的气体杂质影响，抑制电场在欧姆电极边缘三相点、金属尖端的集中，有效匀化电极边缘处电场分布。
由中国工程物理研究院申请的专利“CN201610412978.8，砷化镓光导开关的引线连接结构以及引线焊接工艺”以及中国电子科技集团公司第十三研究所申请的专利“202011357725.8，一种光导开关封装结构”分别提供了两种避免电极焊接时出现金属尖端的外接电极结构。美国学者采用金丝作为外接电极有效避免焊料对光导开关电极和晶片表面的污染。【T.A.Saiz et al.,"PCSS lifetime testing for pulsed powerapplications,"16th IEEE International Pulsed Power Conference,2007,pp.106-109.(光导开关在脉冲功率应用上的寿命测试，第十六届IEEE国际脉冲功率会议论文集，2007年，第106-109页)】。但是，上述这些外接电极结构并没有起到降低欧姆电极边缘三相点处峰值电场的作用。
由西安交通大学申请的专利“202011433128.9，一种匀化平面型光导开关电场的外导体电极结构及光导开关器件和方法”通过在外接电极结构上引入圆弧形倒角结构，能够有效降低器件电极边缘的电场强度，但存在外接电极与欧姆电极焊接时容易引入金属尖端和电极装配误差，绝缘封装时外接电极与半导体衬底贴合处容易残留气体杂质降低光导开关工作稳定性和耐压能力等不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中外接电极与光导开关欧姆电极连接时容易引入金属尖端和电极装配误差，绝缘封装时外接电极与半导体衬底贴合处容易残留气体杂质降低光导开关工作稳定性和耐压能力，欧姆电极边缘三相点处峰值电场无法得到有效降低等不足，提供一种光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法，有效避免欧姆电极周围残留气体杂质影响，抑制电场在欧姆电极边缘三相点、金属尖端的集中，并提高外接电极装配精度，从而匀化欧姆电极边缘处电场分布，提升光导开关可靠性、耐压能力和使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明光导开关外接电极结构由块状金属材料制成，由导电体和金属平台组成。导电体的上表面与下表面保持平行，侧面与上下表面保持垂直。导电体上表面和下表面的形状与光导开关的欧姆电极上表面形状保持一致，即，若欧姆电极上表面形状为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状，则导电体上表面及下表面也为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状。导电体的上表面通过倒角与侧面过渡，下表面通过椭圆面与侧面过渡。导电体沿中心轴OO’挖有一贯穿导电体上表面与金属平台下表面的螺纹通孔，螺纹通孔的直径小于3mm。金属平台设置于导电体的下表面中间区域，金属平台的上表面与导电体的下表面电连接，金属平台的下表面与欧姆电极通过导电银胶焊接，从而将光导开关接入外部电路。
导电体采用金属材料制备，金属材料可以是银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中的任意一种或者银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中任意几种的合金。
导电体的圆倒角半径r以及椭圆面的长轴a和短轴b之间满足关系：1mm<r<b<a<3mm，且r+b<h，h是导电体的上表面与下表面的竖直间距，h为3mm～5mm。
导电体在欧姆电极上表面法线方向上投影的面积大于欧姆电极上表面的面积；导电体的侧面到欧姆电极侧面的水平距离m满足关系：a<m<4mm。
金属平台下表面的形状与欧姆电极上表面的形状一致。即，若欧姆电极上表面形状为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状，则金属平台下表面也为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状。
金属平台下表面的面积小于欧姆电极上表面的面积。金属平台厚度T小于50μm，金属平台的侧面到欧姆电极侧面的水平间距L为0.5mm～2mm。
外接电极结构对欧姆电极边缘处电场匀化程度D的高低由金属平台的厚度T、椭圆面的长轴a和短轴b确定，满足关系：D∝a(Tb)，∝表示正比于。
为了保证外接电极结构与光导开关的两个欧姆电极的装配精度，避免连接时引入金属尖端，提高连接成品率。本发明提供一种如上所述的光导开关外接电极结构与光导开关的连接方法(包括2个外接电极结构与光导开关2个欧姆电极的连接)，包括连接准备、第一外接电极结构和第一欧姆电极对位、导电银胶涂覆、导电银胶固化、第二外接电极结构安装和绝缘介质灌封六个步骤，方法如下：
第一步，连接准备，方法是：
1.1制作电极装配支座，电极装配支座由长方体形金属框和两个空心紧固螺杆(令为第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆)组成。长方体金属框由两个相互平行且竖直间隔在2cm～3mm范围内的平板(令为第一平板和第二平板)以及支撑两个平板的四根形状尺寸完全一样的长条形支撑柱组成。平板的长在50mm～70mm范围内，宽在20mm～50mm范围内，厚度为1mm。四根长条形支撑柱位于长方体金属框中垂直于两个平板的四条棱边上。长条形支撑柱在水平面上的截面为方形，方形的边长为2mm。第一平板和第二平板上各开有1个螺纹通孔(令为第一螺纹通孔和第二螺纹通孔)。第一螺纹通孔和第二螺纹通孔轴心相对，孔直径相同并在5mm～8mm范围内。第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆形状尺寸相同，第一空心紧固螺杆插入第一螺纹通孔中，装配在第一平板上；第二空心紧固螺杆插入第二螺纹通孔中，装配在第二平板上。第一空心紧固螺杆的外直径与第一螺纹通孔相匹配，空心紧固螺杆的空心孔直径在2mm～4mm范围内。
1.2调配导电银胶，将型号为EPO-TEK/H20E的导电银胶的组分A和组分B按照1:1的质量比在玻璃皿上搅拌均匀；
1.3用H190或4009超细无尘布，配合浓度大于90％的酒精对光导开关、第一外接电极结构、第二外接电极结构以及电极装配支座表面进行清洁处理；
1.4将光导开关、第一外接电极结构、第二外接电极结构以及电极装配支座置于无尘真空干燥箱中进行干燥处理，无尘真空干燥箱温度设置为40℃，干燥5分钟后取出。
第二步，将第一外接电极结构和第一欧姆电极进行对位，方法是：
2.1将第一外接电极结构和第一欧姆电极置于第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆之间，调整第一欧姆电极和第一外接电极结构的相对位置，使第一外接电极结构的导电体的侧面到第一欧姆电极侧面的水平距离m满足关系：a<m<4mm。例如，若导电体和欧姆电极均是圆柱形，则m＝导电体的半径-第一欧姆电极的半径。
2.2调整第一欧姆电极和第一外接电极结构相对第一空心紧固螺杆的位置，确保第一外接电极结构上的螺纹通孔在第一空心紧固螺杆的空心孔的覆盖范围内；
2.3旋转第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆，将光导开关和第一外接电极结构锁紧。
第三步，涂覆导电银胶，方法是：
透过第一空心紧固螺杆的空心孔，用细棒将调配好的导电银胶填充至第一外接电极结构中间的螺纹通孔内，导电银胶填充至接近螺纹通孔深度一半的位置，轻轻压实。
第四步，导电银胶固化，方法是：
4.1将电极装配支座连同光导开关和第一外接电极结构整体放入无尘真空干燥箱内，保持无尘真空干燥箱内温度140℃达1小时，固化导电银胶，实现第一外接电极结构与第一欧姆电极的连接；
4.2在无尘真空干燥箱内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱内注入纯度大于99％的氮气，待与室压平衡时，取出并调松第一空心紧固螺杆，卸下已焊接上第一外接电极结构的光导开关，此时第一外接电极结构与第一欧姆电极已焊接在一起。
第五步，安装第二外接电极结构，方法是：
5.1若光导开关为异面结构或体结构，调转光导开关左右的位置，并执行5.1.1；若光导开关为同面结构，转5.2。
5.1.1将第二外接电极结构和第二欧姆电极置于第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆之间，调整第二欧姆电极和第二外接电极结构的相对位置，使第二外接电极结构的导电体侧面到第二欧姆电极侧面水平距离m满足关系：a<m<4mm。例如，若导电体和欧姆电极均是圆柱形，则m＝导电体的半径-第一欧姆电极的半径。
5.1.2调整第二欧姆电极和第二外接电极结构相对第二空心紧固螺杆的位置，确保第二外接电极结构上的螺纹通孔在第二空心紧固螺杆的空心孔的覆盖范围内；
5.1.3旋转第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆，将光导开关和第二外接电极结构锁紧。
5.1.4透过第二空心紧固螺杆的空心孔，用细棒将调配好的导电银胶填充至第二外接电极结构中间的螺纹通孔内，导电银胶填充至接近螺纹通孔深度一半的位置，轻轻压实；
5.1.5将电极装配支座、第二外接电极结构以及连接有第一外接电极结构的光导开关整体放入无尘真空干燥箱内，保持无尘真空干燥箱内温度140℃达1小时，固化导电银胶，实现第二外接电极结构与第二欧姆电极的连接；
5.1.6在无尘真空干燥箱内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱内注入纯度大于99％的氮气，待与室压平衡时，取出并调松第二空心紧固螺杆，卸下已焊接上第二外接电极结构的光导开关。
5.1.7转第六步。
5.2若光导开关为同面结构，如图5所示，调转光导开关左右的位置，并执行以下步骤：
5.2.1将第二外接电极结构和第二欧姆电极置于第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆之间，调整第二欧姆电极和第二外接电极结构的相对位置，使导电体侧面到第二欧姆电极侧面水平距离m满足关系：a<m<4mm。例如，若导电体和欧姆电极均是圆柱形，则m＝导电体的半径-第一欧姆电极的半径。
5.2.2调整第二欧姆电极和第二外接电极结构相对第一空心紧固螺杆的位置，确保第二外接电极结构上的螺纹通孔在第一空心紧固螺杆的空心孔的覆盖范围内；
5.2.3旋转第一空心紧固螺杆和第二空心紧固螺杆，将光导开关和第二外接电极结构锁紧；
5.2.4透过第一空心紧固螺杆的空心孔，用细棒将调配好的导电银胶填充至第二外接电极结构中间的螺纹通孔内，导电银胶填充至接近螺纹通孔深度一半的位置，轻轻压实；
5.2.5将电极装配支座、第二外接电极结构以及连接有第一外接电极结构的光导开关整体放入无尘真空干燥箱内，保持无尘真空干燥箱内温度140℃达1小时，固化导电银胶，实现第二外接电极结构与第二欧姆电极的连接；
5.2.6在无尘真空干燥箱内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱内注入纯度大于99％的氮气，待与室压平衡时，取出并调松第一空心紧固螺杆，卸下已焊接上第二外接电极结构的光导开关。
5.2.7转第六步。
第六步，绝缘介质灌封，方法是：
6.1准备两根形状尺寸一致的条状铜制引线(令为第一外部电路条状铜质引线和第二外部电路条状铜质引线)和两个尺寸规格一致的铜制螺钉(令为第一螺钉和第二螺钉)。条状铜制引线形状为长方体，长在10mm～50mm范围内，宽在3mm～6mm范围内，厚度为0.5mm。铜制螺钉尺寸与螺纹通孔相匹配。用第一螺钉将第一外接电极结构与第一外部电路条状铜质引线电连接，用第二螺钉将第二外接电极结构与第二外部电路条状铜质引线电连接；
6.2在确认各部位连接稳固之后，将连接有第一外接电极结构、第二外接电极结构、第一外部电路条状铜质引线和第二外部电路条状铜质引线的光导开关放置于高耐压(耐压强度大于10kV/mm)的透明绝缘介质(如变压器油)环境中，并预留第一外部电路条状铜质引线的左侧部分和第二外部电路条状铜质引线的右侧部分用于连接外部电路。连接完成。
同现有技术相比，本发明可以达到以下技术效果：
1.本发明外接电极结构相当于是光导开关欧姆电极的扩展，外接电极结构上引入了椭圆面和圆倒角，可有效降低电场线在欧姆电极边缘三相点处的聚集，相对于不含外接电极结构的情况，欧姆电极边缘三相点处的峰值电场能够降低1个数量级以上，匀化了欧姆电极边缘处电场分布，促进光导开关耐压能力和寿命提升。
2.本发明外接电极结构的底部位置设置有金属平台，相对于传统技术，有两方面优点：1)有利于光导开关绝缘封装时绝缘介质对外接电极结构与光导开关欧姆电极之间所形成狭缝的填充，减少狭缝处气体杂质残留。2)金属平台侧面与块状导电体下表面以及欧姆电极上表面构成了半封闭电场屏蔽空间，能够有效消除残留该电场屏蔽空间内的气体杂质对开关稳定性和耐压能力的影响；
3.本发明通过贯穿外接电极结构的螺纹通孔来涂覆导电银胶，从而将金属焊料局限于有限封闭空间内，有效避免了金属尖端焊点的出现，同时最大程度减小了由焊料厚度造成的外接电极连接时装配尺寸与设计尺寸之间的差异，使器件装配环境干净、装配精度高；
4.本发明提供的外接电极结构与光导开关欧姆电极的连接方法步骤简单，装配流程可控，装配要求低，容易操作，电极装配成品率高。
附图说明
图1为本发明外接电极结构的示意图；
图2为本发明外接电极结构的三视图。图2(a)是左视图；图2(b)是主视图；图2(c)是仰视图。
图3为本发明光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法第一步到第四步的操作示意图。图3(a)是连接准备；图3(b)、图3(c)和3(d)是第一外接电极结构和第一欧姆电极对位；图3(e)是导电银胶涂覆；图3(f)和图3(g)是导电银胶固化。
图4为本发明光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法第五步中异面结构情况下第二外接电极结构的安装。图4(a)、图4(b)和图4(c)是第二外接电极结构和第二欧姆电极对位；图4(d)是导电银胶涂覆；图4(e)和图4(f)是导电银胶固化。
图5为本发明光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法第五步中同面结构情况下第二外接电极结构的安装。图5(a)、图5(b)和图5(c)是第二外接电极结构和第二欧姆电极对位；图5(d)是导电银胶涂覆；图5(e)和图5(f)是导电银胶固化。
图6为本发明光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法第六步中外接电极结构与铜制引线的连接。图6(a)是异面结构情况；图6(b)是同面结构情况；图6(c)是体结构情况。
图7为本发明光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法第六步中高耐压透明绝缘介质的灌封。图7(a)是异面结构情况；图7(b)是同面结构情况；图7(c)是体结构情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1，图2所示，本发明光导开关外接电极结构由块状金属材料制成，由导电体1A和金属平台1B组成。导电体1A的上表面与下表面保持平行，侧面与上下表面保持垂直。导电体1A上表面和下表面的形状与光导开关的欧姆电极5上表面形状保持一致，即，若欧姆电极5上表面形状为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状，则导电体1A上表面及下表面也为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状。导电体1A的上表面通过倒角3与侧面过渡，下表面通过椭圆面4与侧面过渡。导电体1A沿中心轴OO’挖有一贯穿导电体1A上表面与金属平台1B下表面的螺纹通孔2，螺纹通孔2的直径小于3mm。金属平台1B设置于导电体1A的下表面中间区域，金属平台1B的上表面与导电体1A的下表面电连接，金属平台1B的下表面与欧姆电极5通过导电银胶6焊接，从而将光导开关接入外部电路。
导电体1A采用金属材料制备，金属材料可以是银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中的任意一种或者银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中任意几种的合金。
导电体1A的圆倒角3半径r以及椭圆面4的长轴a和短轴b之间满足关系：1mm<r<b<a<3mm，且r+b<h，h是导电体1A的上表面与下表面的竖直间距，h为3mm～5mm。
导电体1A在欧姆电极5上表面法线方向上投影的面积大于欧姆电极5上表面的面积；导电体1A的侧面到欧姆电极5侧面的水平距离m满足关系：a<m<4mm。
金属平台1B下表面的形状与欧姆电极5上表面的形状一致。即，若欧姆电极5上表面形状为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状，则金属平台1B下表面也为圆形、椭圆形或其他中心对称的形状。
金属平台1B下表面的面积小于欧姆电极5上表面的面积。金属平台1B厚度T小于50μm，金属平台1B的侧面到欧姆电极5侧面的水平间距L为0.5mm～2mm。
外接电极结构对欧姆电极5边缘处电场匀化程度D的高低由金属平台1B的厚度T、椭圆面4的长轴a和短轴b确定，满足关系：D∝a(Tb)，∝表示正比于。
实施例1：
为证明本发明的有效性，提供一个光导开关外接电极结构实施例如下：
导电体1A的材料为纯铜。导电体1A的上表面通过圆倒角3与导电体1A的侧面过渡，圆倒角3半径r＝1.2mm；导电体1A的下表面通过椭圆面4与导电体1A的侧面过渡，椭圆面4的长轴a＝2.5mm，短轴b＝1.5mm。导电体1A的上表面与下表面的竖直间距h为3.5mm。导电体1A的侧面到欧姆电极5侧面的水平距离m＝3mm。金属平台1B厚度T＝30μm，金属平台1B的侧面到欧姆电极5侧面的水平间距L＝1mm。欧姆电极5上表面形状为直径5mm的圆形；螺纹通孔2的直径为2.5mm。
并提供一种实施例1与光导开关的连接方法(包括2个外接电极结构与光导开关的2个欧姆电极5的连接)。所连接的光导开关的半导体衬底为半绝缘砷化镓材料(电阻率大于107Ω·cm、迁移率大于6000cm2/(V·s))，半导体衬底厚度为0.6mm。连接方法包括连接准备、第一外接电极结构0A和第一欧姆电极5A对位、导电银胶6涂覆、导电银胶6固化、第二外接电极结构0B安装和绝缘介质7灌封六个步骤，方法如下：
第一步，连接准备，方法是：
1.1如图3(a)所示，制作电极装配支座，电极装配支座由长方体形金属框和两个空心紧固螺杆(令为第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B)组成。长方体金属框由两个相互平行且竖直间隔为2.5cm的平板(令为第一平板8A和第二平板8B)以及支撑两个平板的四根形状尺寸完全一样的长条形支撑柱8C组成。平板的长为6cm范围内，宽为3cm，厚度为1mm。四根长条形支撑柱9C位于长方体金属框中垂直于两个平板的四条棱边上。长条形支撑柱9C在水平面上的截面为方形，方形的边长为2mm。第一平板8A和第二平板8B上各开有1个螺纹通孔(令为第一螺纹通孔10A和第二螺纹通孔10B)。第一螺纹通孔10A和第二螺纹通孔10B轴心相对，孔直径均为6mm。第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B形状尺寸相同，第一空心紧固螺杆9A插入第一螺纹通孔10A中，装配在第一平板8A上；第二空心紧固螺杆9B插入第二螺纹通孔10B中，装配在第二平板8B上。第一空心紧固螺杆9A的外直径与第一螺纹通孔10A相匹配，空心紧固螺杆9A的空心孔11直径为3.8mm。
1.2调配导电银胶6，将型号为EPO-TEK/H20E的导电银胶6的组分A和组分B按照1:1的质量比在玻璃皿上搅拌均匀；
1.3用H190或4009超细无尘布，配合浓度为99％的酒精对光导开关、第一外接电极结构0A、第二外接电极结构0B以及电极装配支座表面进行清洁处理；
1.4将光导开关、第一外接电极结构0A、第二外接电极结构0B以及电极装配支座置于无尘真空干燥箱12中进行干燥处理，无尘真空干燥箱12温度设置为40℃，干燥5分钟后取出。
第二步，将第一外接电极结构0A和第一欧姆电极5A进行对位，方法是：
2.1如图3(b)所示，将第一外接电极结构0A和第一欧姆电极5A置于第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B之间，调整第一欧姆电极5A和第一外接电极结构0A的相对位置，使第一外接电极结构0A的导电体1A的侧面到第一欧姆电极5A侧面的水平距离为m＝3mm。此实施例中导电体1A和欧姆电极5A均是圆柱形，m＝导电体1A的半径-第一欧姆电极5A的半径。
2.2如图3(c)所示，调整第一欧姆电极5A和第一外接电极结构0A相对第一空心紧固螺杆9A的位置，确保第一外接电极结构0A上的螺纹通孔2在第一空心紧固螺杆9A的空心孔11的覆盖范围内；
2.3如图3(d)所示，旋转第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B，将光导开关和第一外接电极结构0A锁紧。
第三步，涂覆导电银胶6，方法是：
如图3(e)所示，透过第一空心紧固螺杆9A的空心孔11，用细棒13将调配好的导电银胶6填充至第一外接电极结构0A中间的螺纹通孔2内，导电银胶6填充至接近螺纹通孔2深度一半的位置，轻轻压实。
第四步，导电银胶6固化，方法是：
4.1如图3(f)所示，将电极装配支座连同光导开关和第一外接电极结构0A整体放入无尘真空干燥箱12内，保持无尘真空干燥箱12内温度140℃达1小时，固化导电银胶6，实现第一外接电极结构0A与第一欧姆电极5A的连接；
4.2如图3(g)所示，在无尘真空干燥箱12内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱12内注入纯度大于99％的氮气，待与室压平衡时，取出并调松第一空心紧固螺杆9A，卸下已焊接上第一外接电极结构0A的光导开关，此时第一外接电极结构0A与第一欧姆电极5A已焊接在一起。
第五步，安装第二外接电极结构0B，方法是：
5.1若光导开关为异面结构或体结构，如图4所示，调转光导开关左右的位置，并执行5.1.1；若光导开关为同面结构，转5.2。
5.1.1如图4(a)所示，将第二外接电极结构0B和第二欧姆电极5B置于第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B之间，调整第二欧姆电极5B和第二外接电极结构0B的相对位置，使第二外接电极结构0B的导电体1A侧面到第二欧姆电极5B侧面水平距离为m＝3mm。此实施例中导电体1A和欧姆电极5A均是圆柱形，m＝导电体1A的半径-第一欧姆电极5A的半径。
5.1.2如图4(b)所示，调整第二欧姆电极5B和第二外接电极结构0B相对第二空心紧固螺杆9B的位置，确保第二外接电极结构0B上的螺纹通孔2在第二空心紧固螺杆9B的空心孔11的覆盖范围内；
5.1.3如图4(c)所示，旋转第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B，将光导开关和第二外接电极结构0B锁紧。
5.1.4如图4(d)所示，透过第二空心紧固螺杆9B的空心孔11，用细棒13将调配好的导电银胶6填充至第二外接电极结构0B中间的螺纹通孔2内，导电银胶6填充至接近螺纹通孔2深度一半的位置，轻轻压实；
5.1.5如图4(e)所示，将电极装配支座、第二外接电极结构0B以及连接有第一外接电极结构0A的光导开关整体放入无尘真空干燥箱12内，保持无尘真空干燥箱12内温度140℃达1小时，固化导电银胶6，实现第二外接电极结构0B与第二欧姆电极5B的连接；
5.1.6如图4(f)所示，在无尘真空干燥箱12内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱12内注入纯度大于99％的氮气，待与室压平衡时，取出并调松第二空心紧固螺杆9B，卸下已焊接上第二外接电极结构0B的光导开关。
5.1.7转第六步。
5.2若光导开关为同面结构，如图5所示，调转光导开关左右的位置，并执行以下步骤：
5.2.1如图5(a)所示，将第二外接电极结构0B和第二欧姆电极5B置于第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B之间，调整第二欧姆电极5B和第二外接电极结构0B的相对位置，使导电体1A侧面到第二欧姆电极5B侧面水平距离为m＝3mm。此实施例中导电体1A和欧姆电极5A均是圆柱形，m＝导电体1A的半径-第一欧姆电极5A的半径。
5.2.2如图5(b)所示，调整第二欧姆电极5B和第二外接电极结构0B相对第一空心紧固螺杆9A的位置，确保第二外接电极结构0B上的螺纹通孔2在第一空心紧固螺杆9A的空心孔11的覆盖范围内；
5.2.3如图5(c)所示，旋转第一空心紧固螺杆9A和第二空心紧固螺杆9B，将光导开关和第二外接电极结构0B锁紧；
5.2.4如图5(d)所示，透过第一空心紧固螺杆9A的空心孔11，用细棒13将调配好的导电银胶6填充至第二外接电极结构0B中间的螺纹通孔2内，导电银胶6填充至接近螺纹通孔2深度一半的位置，轻轻压实；
5.2.5如图5(e)所示，将电极装配支座、第二外接电极结构0B以及连接有第一外接电极结构0A的光导开关整体放入无尘真空干燥箱12内，保持无尘真空干燥箱12内温度140℃达1小时，固化导电银胶6，实现第二外接电极结构0B与第二欧姆电极5B的连接；
5.2.6如图5(f)所示，在无尘真空干燥箱12内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱12内注入纯度大于99％的氮气，待与室压平衡时，取出并调松第一空心紧固螺杆9A，卸下已焊接上第二外接电极结构0B的光导开关。
5.2.7转第六步。
第六步，绝缘介质7灌封，方法是：
6.1如图6所示，准备两根形状尺寸一致的第一外部电路条状铜质引线15A和第二外部电路条状铜质引线15B和两个尺寸规格一致的铜制螺钉(令为第一螺钉14A和第二螺钉14B)。条状铜制引线形状为长方体，长为3cm，宽为4mm，厚度为0.5mm。铜制螺钉尺寸与螺纹通孔2相匹配。用第一螺钉14A将第一外接电极结构0A与第一外部电路条状铜质引线15A电连接，用第二螺钉14B将第二外接电极结构0B与第二外部电路条状铜质引线15B电连接；
6.2如图7所示，在确认各部位连接稳固之后，将连接有第一外接电极结构0A、第二外接电极结构0B、第一外部电路条状铜质引线15A和第二外部电路条状铜质引线15B的光导开关放置于高耐压的透明绝缘介质7(在此用变压器油)环境中，并预留第一外部电路条状铜质引线15A的左侧部分和第二外部电路条状铜质引线15B的右侧部分用于连接外部电路。连接完成。
本发明所提供的一种光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法能够有效避免电极周围残留气体杂质影响、抑制电场在欧姆电极边缘三相点和金属尖端集中，原因为：1)本发明外接电极结构在光导开关欧姆电极表面上的投影完全覆盖了光导开关欧姆电极的边缘，相当于是对光导开关欧姆电极边缘的扩展，使原先分布于光导开关欧姆电极上的部分电荷转移到外接电极结构表面上，这些电荷除了产生垂直于外接电极表面的电场外还产生平行于光导开关芯片表面两个方向的横向电场。在外接电极结构下方的多数区域内，这些横向电场相互抵消，从而显著削减了欧姆电极边缘三相点处的峰值电场；2)本发明所述外接电极结构、金属平台的侧面以及光导开关电极上表面形成了半封闭的电场屏蔽空间，该空间内平均电场比三相点处的峰值电场还低两个量级，半封闭空间内残留的气体杂质或金属尖端因处在弱电场区域而有效避免了表面闪络，不至于对开关耐压和寿命产生影响；3)本发明在外接电极结构的下表面与侧面通过椭圆面，相对于圆面或平面过渡，电荷分布更加均匀，进一步匀化了电极边缘处电场。4)本发明通过贯穿外接电极结构的螺纹通孔来涂敷导电银胶，导电银胶涂覆区域被外接电极结构的螺纹通孔完全包裹，并与光导开关芯片表面隔离开，避免了焊接金属尖端的产生和对半导体晶片表面的污染。
实施例1所提供光导开关外接电极结构结构简单，容易加工；所提供的实施例1与光导开关的连接方法，使光导开关的外接电极装配成品率提高到90％以上，且装配质量高，光导开关表面不受金属焊料和气体杂质污染。实验测试显示，连接上实施例1所提供的外接电极结构之后，砷化镓光导开关的寿命提升一倍以上，且工作稳定性和耐压能力均得到提高。
采用本发明所提供的一种光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法，能够有效避免欧姆电极周围残留气体杂质影响，抑制电场在欧姆电极边缘三相点、金属尖端的集中，匀化欧姆电极边缘处电场分布，达到提升光导开关可靠性、耐压能力和使用寿命的目的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光导开关外接电极结构，其特征在于光导开关外接电极结构由块状金属材料制成，由导电体(1A)和金属平台(1B)组成；导电体(1A)的上表面与下表面保持平行，侧面与上下表面保持垂直；导电体(1A)上表面和下表面的形状与光导开关的欧姆电极(5)上表面形状保持一致；导电体(1A)的上表面通过倒角(3)与侧面过渡，下表面通过椭圆面(4)与侧面过渡；导电体(1A)沿中心轴OO’挖有一贯穿导电体(1A)上表面与金属平台(1B)下表面的螺纹通孔(2)；金属平台(1B)设置于导电体(1A)的下表面中间区域，金属平台(1B)的上表面与导电体(1A)的下表面电连接，金属平台(1B)的下表面与欧姆电极(5)通过导电银胶(6)焊接，将光导开关接入外部电路；导电体(1A)在欧姆电极(5)上表面法线方向上投影的面积大于欧姆电极(5)上表面的面积，导电体(1A)的侧面到欧姆电极(5)侧面的水平距离m满足关系：a<m<4mm；金属平台(1B)下表面的形状与欧姆电极(5)上表面的形状一致；金属平台(1B)下表面的面积小于欧姆电极(5)上表面的面积。
2.如权利要求1所述的一种光导开关外接电极结构，其特征在于所述螺纹通孔(2)的直径小于3mm。
3.如权利要求1所述的一种光导开关外接电极结构，其特征在于所述导电体(1A)的圆倒角(3)的半径r以及椭圆面(4)的长轴a和短轴b之间满足关系：1mm<r<b<a<3mm，且r+b<h，h是导电体(1A)的上表面与下表面的竖直间距，h为3mm～5mm。
4.如权利要求1所述的一种光导开关外接电极结构，其特征在于所述金属平台(1B)厚度T小于50μm，金属平台(1B)的侧面到欧姆电极(5)侧面的水平间距L为0.5mm～2mm。
5.如权利要求1所述的一种光导开关外接电极结构，其特征在于所述导电体(1A)采用的金属材料是银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中的任意一种或者银、铜、金、铝、钨、镍、铁、铂中任意几种的合金。
6.一种如权利要求1所述的光导开关外接电极结构与光导开关的连接方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，连接准备，方法是：
1.1制作电极装配支座，电极装配支座由长方体形金属框和两个空心紧固螺杆即第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)组成；长方体金属框由两个相互平行的平板即第一平板(8A)和第二平板(8B)以及支撑两个平板的四根形状尺寸完全一样的长条形支撑柱(8C)组成；四根长条形支撑柱(9C)位于长方体金属框中垂直于两个平板的四条棱边上；第一平板(8A)和第二平板(8B)上各开有第一螺纹通孔(10A)和第二螺纹通孔(10B)；第一螺纹通孔(10A)和第二螺纹通孔(10B)轴心相对，第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)形状尺寸相同，第一空心紧固螺杆(9A)插入第一螺纹通孔(10A)中，装配在第一平板(8A)上；第二空心紧固螺杆(9B)插入第二螺纹通孔(10B)中，装配在第二平板(8B)上；第一空心紧固螺杆(9A)的外直径与第一螺纹通孔(10A)相匹配；
1.2调配导电银胶(6)，将导电银胶(6)的组分A和组分B按照1:1的质量比在玻璃皿上搅拌均匀；
1.3用超细无尘布，配合酒精对光导开关、第一外接电极结构(0A)、第二外接电极结构(0B)以及电极装配支座表面进行清洁处理；
1.4将光导开关、第一外接电极结构(0A)、第二外接电极结构(0B)以及电极装配支座置于无尘真空干燥箱(12)中进行干燥处理后取出；
第二步，将第一外接电极结构(0A)和第一欧姆电极(5A)进行对位，方法是：
2.1将第一外接电极结构(0A)和第一欧姆电极(5A)置于第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)之间，调整第一欧姆电极(5A)和第一外接电极结构(0A)的相对位置，使第一外接电极结构(0A)的导电体(1A)的侧面到第一欧姆电极(5A)侧面的水平距离m满足关系：a<m<4mm；
2.2调整第一欧姆电极(5A)和第一外接电极结构(0A)相对第一空心紧固螺杆(9A)的位置，确保第一外接电极结构(0A)上的螺纹通孔(2)在第一空心紧固螺杆(9A)的空心孔(11)的覆盖范围内；
2.3旋转第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)，将光导开关和第一外接电极结构(0A)锁紧；
第三步，涂覆导电银胶(6)，方法是：
透过第一空心紧固螺杆(9A)的空心孔(11)，用细棒(13)将调配好的导电银胶(6)填充至第一外接电极结构(0A)中间的螺纹通孔(2)内，导电银胶(6)填充至接近螺纹通孔(2)深度一半的位置，轻轻压实；
第四步，导电银胶(6)固化，方法是：
4.1将电极装配支座连同光导开关和第一外接电极结构(0A)整体放入无尘真空干燥箱(12)内，固化导电银胶(6)，实现第一外接电极结构(0A)与第一欧姆电极(5A)的连接；
4.2在无尘真空干燥箱(12)内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱(12)内注入氮气，待与室压平衡时，取出并调松第一空心紧固螺杆(9A)，卸下已焊接上第一外接电极结构(0A)的光导开关，此时第一外接电极结构(0A)与第一欧姆电极(5A)已焊接在一起；
第五步，安装第二外接电极结构(0B)，方法是：
5.1若光导开关为异面结构或体结构，调转光导开关左右的位置，并执行5.1.1；若光导开关为同面结构，转5.2；
5.1.1将第二外接电极结构(0B)和第二欧姆电极(5B)置于第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)之间，调整第二欧姆电极(5B)和第二外接电极结构(0B)的相对位置，使第二外接电极结构(0B)的导电体(1A)侧面到第二欧姆电极(5B)侧面水平距离m满足关系：a<m<4mm；
5.1.2调整第二欧姆电极(5B)和第二外接电极结构(0B)相对第二空心紧固螺杆(9B)的位置，确保第二外接电极结构(0B)上的螺纹通孔(2)在第二空心紧固螺杆(9B)的空心孔(11)的覆盖范围内；
5.1.3旋转第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)，将光导开关和第二外接电极结构(0B)锁紧；
5.1.4透过第二空心紧固螺杆(9B)的空心孔(11)，用细棒(13)将调配好的导电银胶(6)填充至第二外接电极结构(0B)中间的螺纹通孔(2)内，导电银胶(6)填充至接近螺纹通孔(2)深度一半的位置，轻轻压实；
5.1.5将电极装配支座、第二外接电极结构(0B)以及连接有第一外接电极结构(0A)的光导开关整体放入无尘真空干燥箱(12)内，固化导电银胶(6)，实现第二外接电极结构(0B)与第二欧姆电极(5B)的连接；
5.1.6在无尘真空干燥箱(12)内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱(12)内注入氮气，待与室压平衡时，取出并调松第二空心紧固螺杆(9B)，卸下已焊接上第二外接电极结构(0B)的光导开关；
5.1.7转第六步；
5.2若光导开关为同面结构，调转光导开关左右的位置，并执行以下步骤：
5.2.1将第二外接电极结构(0B)和第二欧姆电极(5B)置于第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)之间，调整第二欧姆电极(5B)和第二外接电极结构(0B)的相对位置，使导电体(1A)侧面到第二欧姆电极(5B)侧面水平距离m满足关系：a<m<4mm；
5.2.2调整第二欧姆电极(5B)和第二外接电极结构(0B)相对第一空心紧固螺杆(9A)的位置，确保第二外接电极结构(0B)上的螺纹通孔(2)在第一空心紧固螺杆(9A)的空心孔(11)的覆盖范围内；
5.2.3旋转第一空心紧固螺杆(9A)和第二空心紧固螺杆(9B)，将光导开关和第二外接电极结构(0B)锁紧；
5.2.4透过第一空心紧固螺杆(9A)的空心孔(11)，用细棒(13)将调配好的导电银胶(6)填充至第二外接电极结构(0B)中间的螺纹通孔(2)内，导电银胶(6)填充至接近螺纹通孔(2)深度一半的位置，轻轻压实；
5.2.5将电极装配支座、第二外接电极结构(0B)以及连接有第一外接电极结构(0A)的光导开关整体放入无尘真空干燥箱(12)内，固化导电银胶(6)，实现第二外接电极结构(0B)与第二欧姆电极(5B)的连接；
5.2.6在无尘真空干燥箱(12)内温度自然冷却后，向无尘真空干燥箱(12)内注入氮气，待与室压平衡时，取出并调松第一空心紧固螺杆(9A)，卸下已焊接上第二外接电极结构(0B)的光导开关；
5.2.7转第六步；
第六步，绝缘介质(7)灌封，方法是：
6.1准备两根形状尺寸一致的条状铜制引线即第一外部电路条状铜质引线(15A)和第二外部电路条状铜质引线(15B)和两个尺寸规格一致的铜制螺钉即第一螺钉(14A)和第二螺钉(14B)；铜制螺钉尺寸与螺纹通孔(2)相匹配；用第一螺钉(14A)将第一外接电极结构(0A)与第一外部电路条状铜质引线(15A)电连接，用第二螺钉(14B)将第二外接电极结构(0B)与第二外部电路条状铜质引线(15B)电连接；
6.2在确认各部位连接稳固之后，将连接有第一外接电极结构(0A)、第二外接电极结构(0B)、第一外部电路条状铜质引线(15A)和第二外部电路条状铜质引线(15B)的光导开关放置于透明绝缘介质(7)环境中，并预留第一外部电路条状铜质引线(15A)的左侧部分和第二外部电路条状铜质引线(15B)的右侧部分用于连接外部电路；连接完成。
7.如权利要求6所述的光导开关外接电极结构与光导开关的连接方法，其特征在于1.1步所述第一平板(8A)和第二平板(8B竖直间隔在2cm～3mm范围内，第一平板(8A)和第二平板(8B)的长在50mm～70mm范围内，宽在20mm～50mm范围内，厚度为1mm；长条形支撑柱(9C)在水平面上的截面为方形，方形的边长为2mm；第一螺纹通孔(10A)和第二螺纹通孔(10B)直径在5mm～8mm范围内；空心紧固螺杆(9A)的空心孔(11)直径在2mm～4mm范围内。
8.如权利要求6所述的光导开关外接电极结构与光导开关的连接方法，其特征在于1.2步所述导电银胶(6)型号为EPO-TEK/H20E，1.3步所述超细无尘布型号为H190或4009，酒精要求浓度大于90％；1.4步所述干燥处理时无尘真空干燥箱(12)温度设置为40℃，干燥时间为5分钟。
9.如权利要求6所述的光导开关外接电极结构与光导开关的连接方法，其特征在于4.1步、5.1.5和5.2.5步所述固化导电银胶(6)时，保持无尘真空干燥箱(12)内温度140℃达1小时；4.2步、5.1.6、5.2.6步所述氮气要求纯度大于99％。
10.如权利要求6所述的光导开关外接电极结构与光导开关的连接方法，其特征在于6.1步所述第一外部电路条状铜质引线(15A)和第二外部电路条状铜质引线(15B)形状为长方体，长在10mm～50mm范围内，宽在3mm～6mm范围内，厚度为0.5mm；6.2步所述高耐压的透明绝缘介质(7)的耐压强度大于10kV/mm。
Priority Applications (1)
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| CN202310742332.6A CN116864544A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种光导开关外接电极结构及其与光导开关的连接方法 |
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2023
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