1 1 Изобретение относитс к области электротехники, а более точно к способам изготовлени вьтр мительных . элементов. Изобретение может быть использовано при изготовлении силовых полупроводниковых приборов с прижимными контактами таблеточной и штыревой конструкции. Известен способ изготовлени выпр мительного элемента, включаюпщй соединение полупроводниковой структуры с электродом из серебра или его сплавов путем прижати электрода к металлизированной поверхности полупроводниковой структуры с помощью . пружинной шайбы. Недостатками этого способа вл етс то, что он не обеспечивает непосредственного контакта с физическо непрерывностью вдоль границы раздела между смежными поверхност ми, т.е. жесткого непосредственного креплени электрода из серебра или его сплавов к металлизированной поверхности полу проводниковой структуры, что приводи к увеличению теплового сопротивлени полупроводникового прибора в целом. При ТОКОВОМ:циклировании полупроводникового прибора происходит разогрев и охлаждение элементов, при это в силу разности коэффициентов термического расширени контактирующие элементы мен ют свои линейные размеры в разной степени, в силу чего про исходит проскальзывание электрода из серебра или его сплавов по контактирующим с ним поверхност м. По мере циклировани полупроводни ковых приборов, изготовленных вьшеописанным способом, происходит пластическа деформаци электрода из серебра , так называемое выжимание элек рода, в силу действи повтор ющихс раст гивающих сил из-за трени . Это заключаетс в увеличении исходного диаметра электрода, утонении периферийных областей и, как следствие,, уменьшении эффективного п тна контак та, по которому происходит передача электрической и тепловой энергии. По мимо этого, выжимание электрода из серебра приводит к ослаблению усили сжати и, соответственно, к возраста нию теплового сопротивлени , перегре ву и ускорению деградации электричес ких и эксплуатационных свойств. На периферийных участках электрода из 32 серебра возможно отсутствие плотного контакта и развитие процессов электроэррозии . Наиболее близким техническим решением вл етс способ изготовлени выпр мительного элемента, включающий нанесение на поверхность выпр мительного элемента сло алюмини или сплавов на основе алюмини и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра. В этом способе электрод крепитс к поверхности полупроводниковой структуры кремниевым резиновым клеем. Введение дополнительного промежуточного сло кле приводит к возрастанию теплового сопротивлени и импульсного пр мого напр жени , При токовом циклировании выпр мительного элемента происходит разогрев и охлаждение элементов, в результате чего в слое кле происход т процессы старени , что приводит к деградации электрических и эксплуатационных свойств приборов в целом. Цель изобретени - повышение качества выпр мительных элементов за счет снижени теплового сопротивлени и уменьшени деградации электрических и эксплуатационных свойств. Поставленна цель достигаетс тем, что в способе изготовлени выпр мительных элементов, включающем нанесение на поверхность вьшр мительного элемента сло алюмини или сплавов на основе алюмини и его соединение с электродом из серебра или сплавов на основе серебра, соединение выпр мительного элемента с электродом осушествл ют путем диффузионной сварки с последующим охлаждением до температуры 230-250°С со скоростью 0,115 с- . Использование диффузионной сварки дл осуществлени жесткого непосредственного соединени электрода с металлизированной полупроводниковой структурой обуславливает создание (возникновение) металлических св зей между поверхностными аюмами элект- рода и атомами поверхности металлизированной полупроводниковой структуры на всей номинальной площади контакта, что гарантирует снижение теплового сопротивлени в силу действи наиболее эффективного атомно-молекул рного механизма теплопроводности в этом контакте в отличие от других, чисто прижимных контактов, где теплопередача осуществл етс помимо теплопроводнос ти еще конвекцией и излучением. Таким образом, диффузионное сварное соединение электрода с металлизи рованной полупроводниковой структуро позвол ет улучшить качество изготовл емых вьтр мительных элементов за счет уменьшени деградации эксплуата ционных характеристик , так как этим способом легко обеспечиваетс плотИый физический контакт по всей номинальной поверхности и минимизируетс тепловое сопротивление, одновременно исключа выжимание электрода в процессе циклировани . Последнее достигаетс тем, что радиальные раст гиваюпще усили , возникающие в процессе циклировани , воспринимаютс не только электродом, как в случае свободно расположенных электродов, а и той поверхностью, к которой жестко диффузионной сваркой присоединен электрод. В процессе диффузионной сварки в области сварного шва происходит обра зование твердого раствора алюмини с серебром. При охлаждении после сварки при температуре 390 С (согласно диаграмме состо ни ) происходит пери тектоидна реакщ распада пересыщенного твердого раствора с образова нием интерметаллического соединени oi +y5p :AgjAl. Другими словами, должна происходить диффузионна перестро ка кристаллической решетки пересьщен ного твердого раствора с образование интерметаллического соединени . Образование промежуточного сло такого интерметаллида крайне нежелательно в силу того, что ои noBbmiaef тепловое сопротивление, приводит к существенной потере прочности и пластичности жесткого непосредственного соединени электрода из серебра или его сплавов с алюминиевой металлизацией, а это, в свою очередь, может привести к раз рушению соединени , особенно в случае циклического воздействи нагрузок , возникакицих при циклировании. Проведение охлаждени после диффузионной сварки с определенной скоростью предотвращает образование и локализацию нежелательного сло интерметаллидов . Это достигаетс при проведении охлаждени со скоростью 0,1-15 с в диапазоне температур, начина ,с температуры сварки до 250-230С. Таким образом, происходит закалка, т.е. фиксаци неравновесного состо ни пересьпценного твердого раствора алюмини в серебре. При температуре ниже 230°С диффузионные процессы настолько замедл ютс , что образование прослойки интерметаллидов ;становитс невозможным. При охлаж )деиии в указанном диапазоне температур со скоростью менее 0,1 в зоipie сварного соединени образуетс толстый спой интерметаллида Ag.Al-. При скорости охлаждени больше 15 , по вл етс опасность образовани трещин в полупроводниковой структуре из-за теплового удара и отсутстви времени дл релаксации напр жений. Сущность изобретени по сн етс подробным описанием примеров его осуществлени . При изготовлении выпр мительного элемента собираетс пакет, состо щий из двух дисковых электродов серебра и металлизированной полупроводниковой структуры, у которой может быть многослойна металлизаци разными металлами, но при этом внешними сло ми металлизации с обеих сторон должен быть алюминий или его сплавы. Собранньй пакет нагревают до. температуры сварки 550°С в вакууме 66,5 мПа, сжимают с удельным усилием 15 мПа в течение 300 с и после сварки охлаждают до температуры 230250°С со скоростью от О,1 до 15 , формиру при этом одновременно жесткие непосредственные сварные соединени обоих электродов с полупроводниковой структурой. Пример 1, Изготавливают выпр мительный элемент диода ДЧ 143-1000 А диаметром 32 мм. Кремниева полупроводникова структуры соединена с вольфрамовым диском и металлизирована с обеих сторон дисками алюминиевой фольги, В качестве электродов использованы диски серебра марки 9999 диаметром 32 мм толщиной 0,1 мм. Диффузионна сварка осуществл етс по приведенному выше режиму, а охлаждение от 550 до ведут со скоростью 0,15 с . Проведенные после сварки металлографические и микрорентгеноспектральные исследовани зоны сварного соединени однозначно засвидетельствовали отсутствие в зоне сварки сло интерметаллидов AgjAl. Последующие испытани диодов ДЧ 143-1000 А показали их высоки электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики. Пример 2. Изготавливают выпр мительные элементы тиристора Т171-200/320, диаметром 32 мм. Кремниева полупроводникова структура, соединенна с вольфрамовым диском и металлизированна с обеих сторон дис ками алюмини , соедин етс с электро :дами из серебра диаметром 32 мм толщиной 0,12 мм способом диффузионной сварки цо указанному режиму. Охлажде ние в интервале температур 550-250 С вели со скоростью 14 . Металлографическими исследовани ми на п ти .выпр мительных элементах отмечено от сутствие прослойки интерметаллидов в сварной зоне и трещин в полупроводниковой структуре, Испытани выпр мительных элементо в приборах показали высокие характеристики и преимущества предлагаемого способа в части электрических и теп|повых параметров, Пр. имер 3. Изготавливали выпр мительные элементы диода ДЧ 151-100 , диаметром 18 мм. Жесткое непосредственное применение электродов и серебра ведут одновременно с созданием алюминиевой металлизации кремниевой структуры способом диффузионной сварки. Собирают пакет, состо щи из днска серебра толщиной 0,05 мм, диска алюмини толщиной 0,02 мм, кре ниевой структуры, диска алюмини 0,1 мм, диска вольфрама 1,5 мм, диска алюмини 0,05 мм, диска серебра 0,05 мм. Диффузионна сварка пакета производилась при температуре 550 С,1 1 The invention relates to the field of electrical engineering, and more specifically to manufacturing methods of manufacture. items. The invention can be used in the manufacture of power semiconductor devices with clamping contacts tablet and pin design. A known method of making a rectifying element involves connecting a semiconductor structure with an electrode made of silver or its alloys by pressing the electrode against the metallized surface of the semiconductor structure with. spring washers. The disadvantages of this method are that it does not provide direct contact with physical continuity along the interface between adjacent surfaces, i.e. rigidly attaching an electrode of silver or its alloys to the metallized surface of the semiconductor structure, which leads to an increase in the thermal resistance of the semiconductor device as a whole. IN CURRENT: cycling of a semiconductor device, elements are heated and cooled, while due to the difference in thermal expansion coefficients, the contacting elements change their linear dimensions to varying degrees, which causes slipping of the silver or its alloys on the surfaces in contact with it. As semiconductor devices made in the above described manner are cycled, plastic deformation of the silver electrode occurs, the so-called squeezing of an electrode, by virtue of Repeating tensile forces due to friction. This consists in increasing the initial diameter of the electrode, thinning the peripheral areas and, as a result, reducing the effective spot of the contact over which the transfer of electrical and thermal energy takes place. In addition, squeezing the electrode from silver leads to a weakening of the compressive force and, accordingly, to an increase in the thermal resistance, overheating and accelerated degradation of the electrical and operational properties. On the peripheral parts of the electrode of 32 silver, the absence of tight contact and the development of electroerrosion processes are possible. The closest technical solution is a method of making a rectifying element, comprising applying to the surface of a rectifying element a layer of aluminum or aluminum-based alloys and combining it with an electrode of silver or silver-based alloys. In this method, the electrode is attached to the surface of the semiconductor structure with silicon rubber glue. The introduction of an additional intermediate layer of glue leads to an increase in thermal resistance and pulsed direct voltage. During the current cycling of the rectifying element, elements are heated and cooled, as a result of which aging processes occur in the layer of glue, which leads to degradation of the electrical and operational properties of devices whole The purpose of the invention is to improve the quality of rectifying elements by reducing thermal resistance and reducing the degradation of electrical and operational properties. The goal is achieved by the fact that in the method of making rectifying elements, including applying to the surface of the reinforcing element a layer of aluminum or aluminum-based alloys and its connection with an electrode made of silver or alloys based on silver, the connection of the rectifying element with an electrode is carried out by diffusion welding followed by cooling to a temperature of 230-250 ° C at a rate of 0.115 s-. The use of diffusion welding to achieve a rigid direct connection of the electrode with the metallized semiconductor structure creates (arises) metallic bonds between the surface ayums of the electrode and the surface atoms of the metallized semiconductor structure over the entire nominal contact area, which guarantees the reduction of thermal resistance due to the effect of the most efficient atom -molecular mechanism of thermal conductivity in this contact, unlike others, pure pressure contacts, where the heat transfer is carried out in addition to heat conduction by convection and radiation. Thus, diffusion welded electrode with metallized semiconductor structure allows to improve the quality of thermal elements produced by reducing the degradation of performance characteristics, since this method easily ensures close physical contact across the entire nominal surface and minimizes thermal resistance, at the same time eliminating squeezing electrode during cycling. The latter is achieved by the fact that the radial tensile forces arising during the cycling process are perceived not only by the electrode, as in the case of freely located electrodes, but also by the surface to which the electrode is rigidly diffusion-welded. In the process of diffusion welding, the formation of a solid solution of aluminum with silver occurs in the weld area. When cooled after welding at a temperature of 390 ° C (according to the state diagram), the peritectoidal reaction of decomposition of the supersaturated solid solution occurs with the formation of the intermetallic compound oi + y5p: AgjAl. In other words, a diffusion rearrangement of the crystal lattice of the interstitial solid solution should take place with the formation of an intermetallic compound. The formation of an intermediate layer of such an intermetallic is extremely undesirable due to the fact that oi noBbmiaef thermal resistance leads to a significant loss of strength and plasticity of the rigid direct connection of the electrode made of silver or its alloys with aluminum metallization, and this, in turn, can lead to the destruction of the compound , especially in the case of cyclic loads, occurring during cycling. Conducting cooling after diffusion welding at a certain rate prevents the formation and localization of an undesirable layer of intermetallic compounds. This is achieved by conducting cooling at a rate of 0.1-15 seconds in the temperature range, starting from the welding temperature to 250-230 ° C. Thus, quenching occurs, i.e. fixing the non-equilibrium state of the recovered aluminum solid solution in silver. At temperatures below 230 ° C, diffusion processes slow down so much that the formation of an intermetallic interlayer is impossible. When cooling in the specified temperature range at a rate of less than 0.1, a thick intermetallic compound Ag.Al- is formed in the welded joint's joint. When the cooling rate is greater than 15, there is a risk of cracking in the semiconductor structure due to thermal shock and lack of time for stress relaxation. The invention is explained in detail with examples of its implementation. In the manufacture of a rectifying element, a package is assembled consisting of two silver disk electrodes and a metallized semiconductor structure, which may have multi-layer metallization with different metals, but the outer layers of metallization must be aluminum or its alloys on both sides. The assembled package is heated to. welding temperatures of 550 ° C in a vacuum of 66.5 MPa, compressed with a specific force of 15 MPa for 300 seconds and after welding cooled to a temperature of 230250 ° C with a speed from 0 to 1 to 15, forming at the same time rigid direct welds of both electrodes with semiconductor structure. Example 1 A rectifying element of a DCH 143-1000 A diode with a diameter of 32 mm is made. Silicon semiconductor structures are connected to a tungsten disk and metallized on both sides by aluminum foil disks. Silver 9999 silver disks with a diameter of 32 mm and a thickness of 0.1 mm are used as electrodes. Diffusion welding is carried out according to the above regime, and cooling from 550 to lead with a speed of 0.15 seconds. The metallographic and X-ray spectroscopic studies of the weld zone carried out after welding unambiguously testified to the absence of the AgjAl intermetallic layer in the welding zone. Subsequent tests of the DCH 143-1000 A diodes showed their high electrical, thermal and operating characteristics. Example 2. The rectifying elements of thyristor T171-200 / 320, with a diameter of 32 mm, are made. A silicon semiconductor structure connected to a tungsten disk and metallized on both sides with aluminum disks is connected to silver electrons with a diameter of 32 mm and a thickness of 0.12 mm by means of diffusion welding of the indicated mode. Cooling in the temperature range 550–250 C was conducted at a speed of 14. Metallographic studies on five extrusion elements indicated the absence of an intermetallic interlayer in the welded zone and cracks in the semiconductor structure. Testing of rectifying elements in the devices showed high characteristics and advantages of the proposed method in terms of electrical and thermal parameters, Ex. Measure 3. The rectifying elements of the DF 151-100 diode, 18 mm in diameter, were made. Rigid direct use of electrodes and silver is carried out simultaneously with the creation of aluminum metallization of the silicon structure by means of diffusion welding. A package consisting of a 0.05 mm thick dnsk of silver, a 0.02 mm thick aluminum disc, a crevium structure, a 0.1 mm aluminum disc, a 1.5 mm tungsten disc, a 0.05 mm aluminum disc, a silver 0 disc is assembled. , 05 mm. Diffusion welding of the package was carried out at a temperature of 550 ° C.
сжимающем удельном усилии 15 мПа в течение.зоб с, в вакууме 66,5 мПа, Охлаждение после сварки до температуры 230с ведут со скоростью 4,5 с .a compressive specific force of 15 mPa for 60 seconds; in a vacuum of 66.5 mPa; cooling after welding to a temperature of 230 s is carried out at a speed of 4.5 s.
ных элементов только дл диодов за счет снижени рассеиваемой мощности потерь может принести народнохоз йственный эффект пор дка 400 тыс.руб. Металлографические исследовани показали отсутствие интерметаллидов в сварном соединении серебра с алюминием , а испытани сварных выпр мительных -члементов в приборе показали высокие электрические, тепловые и эксплуатационные характеристики. Способ изготовлени выпр мительного элемента по насто щему изобретению по сравнению с известными обладает следующими достоинствами: позвол ет изготавливать выпр мительные элементы, имеющие меньшее тепловое сопротивление; позвол ет повысить стойкость полупроводникового прибора к эксплуатационным нагрузкам в целом; позвол ет жестко непосредственно крепить электроды из серебра или его сплавов одновременно с созданием всех контактных соединений в выпр мительном элементе; позвол ет экономить серебро путем здаеньшени толщины электрода из серебра или его сплавов, Указанные преимущества дают возможность использовать предложенный способ при изготовлении вьшр мительных элементов дл широкого ассортимента силовых полупроводниковых приборов , наиболее значимо про вл сь в приборах, работающих в ключевом режиме , например, в регул торах электропривода , в сварочном оборудовании, в преобразовател х и инверторах лиНИИ электропередач, Предварительные расчеты показали, что использование предлагаемого способа при изготовлении вьтр мительelements for diodes only, by reducing the power dissipation, losses can result in a national effect of about 400 thousand rubles. Metallographic studies showed the absence of intermetallic compounds in the welded joint of silver with aluminum, and tests of welded rectifying elements in the device showed high electrical, thermal, and operational characteristics. The method of making the rectifying element according to the present invention in comparison with the known ones has the following advantages: it allows the production of rectifying elements having a lower thermal resistance; allows you to increase the resistance of the semiconductor device to operating loads in general; allows rigidly directly attaching the electrodes of silver or its alloys simultaneously with the creation of all contact joints in the rectifying element; allows you to save silver by creating the thickness of an electrode made of silver or its alloys. These advantages make it possible to use the proposed method in the manufacture of reinforcing elements for a wide range of power semiconductor devices, most significantly manifested in devices operating in key mode, for example, in regulating tori of electric drive, in welding equipment, in converters and inverters of power transmission line, Preliminary calculations showed that the use of the proposed method both in the manufacture of a mortar