Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный диод в металлопластмассовых корпусах

Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный диод в металлопластмассовых корпусах для радиомонтажа и применения радиоэлектронной аппаратуры различного применения. Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является улучшение частотных и динамических характеристик, расширение температурного рабочего диапазона быстродействующих высоковольтных диодов, снижение их стоимостных характеристик. Данная задача достигается тем, что в конструкциях сверхбыстровосстанавливающихся высоковольтных диодов в металлопластмассовых корпусах по типу DO, ТО, SOT, ISOWATT, ISOPLUS и др. вместо карбид-кремниевых кристаллов диодов Шоттки или JBS диодов используется меза-планарный эпитаксиальный кристалл p-i-n арсенид-галлиевого диода. Конструкция ультрабыстродействующего высоковольтного арсенид-галлиевого p-i-n диода в металлопластмассовом корпусе содержит металлический кристаллодержатель 1, керамику с металлизацией 2, кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода 3, выводы корпуса 4, выводы кристалл-корпус 5, кремнийорганический компаунд 6, пластмассовый корпус 7.

Полезная модель представляет собой мощный, высоковольтный, высокоэнергетичный, ультрабыстрый диод, в металлопластмассовых корпусах типа DO, ТО, DPAK, SOT и др. для радиомонтажа в электронной аппаратуре и может быть использована в производстве в радиоэлектронной, электротехнической и др. областях.

Конструкции современных мощных высокоскоростных высоковольтных диодов выполнены в металлопластмассовых корпусах типа ТО 220 АВ, ТО 262, PLUS 220, ISOPLUS 220, ТО 263, PLUS 220 SMD, ТО 247 AD, ISOPLUS 247, ТО 268АА, ТО 264, PLUS 264, ISOPLUS 264, ТО 3P, ТО 218, SOT 227 и др., а также в пяти-, семивыводных модификациях на токи до 150 А и напряжения до 1500 В используют следующие кремниевые, арсенид-галлиевые и карбид-кремниевые диодные кристаллы:

1 Диффузионные кремниевые высоковольтные быстродействующие диодные кристаллы. выполненные термическими, фотолитографическими (литографическими), вакуумными, химическими, плазмохимическими и другими технологичеcкими процессами на высокоомных или мультиэпитаксиальных и монокристаллических структурах, подложках n⁺ - n типа.

2 Кремниевые высоковольтные быстродействующие диодные кристаллы с барьерным металлическим контактом Шоттки.

3 Арсенид-галлиевые высокоскоростные диодные кристаллы с металлическим барьером Шоттки.

4 Карбид-кремниевые высокоэнергетичные кристаллические диодные структуры с металлическим барьером Шоттки.

Эксплуатационные требования в радиоэлектронной аппаратуре, особенно в современных плотноупакованных вторичных источниках питания с удельной мощностью до 5-7 КВт/дм³ особое значение приобретает температурная стабильность импульсных, частотных свойств, быстродействие применяемых диодов в ВЧ преобразователях: инверторах, корректорах мощности, синхронных выпрямителях и др. Эффективность и возможности кремниевых диффузионных диодов и с барьером Шоттки при температурах корпуса свыше 80-100°С резко снижаютcя, а при t=125°С на корпусе или окружающей среды эффективность кремниевых высокоскоростных высоковольтных диодов близка к нулю. Все это требует наличия и применения радиаторов или дополнительных конструктивных условий для улучшения КПД кремниевых приборов при повышенной температуре эксплуатации, что влечет за собой увеличение массогабаритных характеристик, паразитных реактивных составляющих, снижение КПД устройства в целом.

Использование арсенид-галлиевых диодов Шоттки более эффективно, но их можно использовать только в ограниченном диапазоне рабочих токов до 30-50 А, напряжений до 300 В, т.е. они достаточно эффективны в бортовой аппаратуре в определенном интервале мощностей, их применение в статических сетевых преобразователях невозможно.

Более эффективны для этих целей карбид-кремниевые диодные структуры с барьером Шоттки и JBS Шоттки карбид-кремниевые кристаллы.

Прототипом данной предполагаемой полезной модели являются следующие карбид-кремниевые диоды Шоттки CSD 100 60, C2D 101 20D, C2D 201 20D фирмы CREE (США) (www.cree.com), JDB10S60C, JDT16S60C фирмы Infineon (Германия) (www.infineon.com), SDP20S120D фирмы SemiSouth Laboratories. Inc. (США) (www.semisouth.com) и др. в металлопластмассовых корпусах типа ТО 220-3-45 (D2PAK), ТО 220-2-2, ТО 263-2, ТО 247-2, ТО 263-2, ТО 247-2, ТО 247-3 и др. с рабочими токами до 20 и более ампер и напряжениями до 1200 В, временами восстановления 15-40 нсек., при рабочих температурах корпуса и р-n перехода до 175°С.

Анализ статических и динамических характеристик таких приборов показывает их превосходство над кремниевыми диффузионными диодами, кремниевыми и арсенид-галлиевыми диодами Шоттки.

Но имеются и существенные недостатки:

- Прямое падение напряжения U_F при протекании прямого тока сильно зависит от рабочей температуры корпуса. Значение U_F при рабочих температурах корпуса -25°С и +125°С в 1,5 раза на относительно низковольтных приборах (до 600 В) и практически в два раза на высоковольтных карбид-кремниевых диодах Шоттки при рабочих температурах корпуса 175°С и выше значение U_F почти утраивается. Это приводит к резкому росту так называемой динамической составляющей U_F, которая может возрасти в несколько раз в реальной эксплуатации в радиоэлектронной аппаратуре, а это в свою очередь приведет к росту потерь динамической мощности переключения и, как следствие, снижению КПД преобразовательных устройств в целом.

- Имеет место фактор нестабильности характеристик барьерного перехода металл-полупроводник. При эксплуатации в жестких климатических условиях, повышенной мощностной нагрузке наблюдается ухудшение электрофизических свойств барьерного перехода Шоттки.

- Технология создания карбид-кремниевых диодов Шоттки является на порядок более трудоемкая, чем на кремнии.

- Современный технологический уровень пока не позволяет создать карбид-кремниевые диоды с характеристиками, превышающими 50-75 А, 1200 В на чип, хотя развитие такого класса полупроводниковых приборов, как биполярные транзисторы с изолированным затвором требует создание чипов на 150 А, 1200 В с остаточными напряжениями не выше 2,0-2,3 В при протекании прямого тока, что на сегодня пока невозможно.

Основной технической задачей предполагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных и динамических характеристик, расширение температурного рабочего диапазона быстродействующих высоковольтных диодов.

Данная задача достигается тем, что в конструкции высоковольтных быстродействующих диодов в металлопластмассовых пластмассовых корпусах используется кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода взамен карбид-кремниевых кристаллов диодов Шоттки или JBS кристаллов. Арсенид-галлиевые p-i-n диоды выполняются в металлопластмассовых корпусах по типу DO, ТО, SOT: ТО 220-3-45 (D2PAK), ТО 220-2-2, ТО 263-2, ТО 247-2, ТО 263-2, ТО 247-2, ТО 247-3, SOT227, в т.ч. в пяти-, семивыводных и др., содержащих в конструкции металлический кристаллодержатель, металлические выводы, напаянный кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода, герметизирующий компаунд, объемный пластмассовый герметизированный корпус или электрически нейтральный кристаллодержатель комбинированного типа из металлического фланца и крепленной на него теплопроводящей изолирующей керамики из материалов на основе BeO, AlN, Si₃N₄, Al ₂O₃, BM, SiC-AlN, SiC SiC-алмаз, AlN-алмаз и др., имеющей на монтажной поверхности определенные металлизированные участки под пайку одного, двух, трех, четырех и более кристаллов диодов на основе арсенид галлия.

Меняя топологию металлизированных участков керамического кристаллодержателя, можно выполнить различные схемотехнические варианты диодных сборок в пластмассовом корпусе.

Результаты испытаний собранных приборов с широкозонными полупроводниками показывают, что при использовании термостойких пластмасс максимальная температура корпуса T_c может быть 175°С, при температуре р-n перехода T_j арсенид-галлиевого p-i-n диода 250°С (для сравнения у карбид-кремниевых диодов Шоттки предельная температура р-n перехода в пластмассовом корпусе совпадает с температурой корпуса и равна 175°С). Значение предельной температуры 250°С р-n перехода GaAs p-i-n диода обусловлено наличием на поверхности кристалла напаянного в корпус кремнийорганического компаунда типа КЛТ-30, выдерживающего рабочие температуры свыше 250°С и наличие медного или медносплавного растекателя (кристаллодержателя) под кристаллом.

На фиг.1, 2, 3 показаны конструктивное исполнение арсенид-галлиевых p-i-n диодов в металлопластмассовых корпусах, содержащих металлический кристаллодержатель 1, керамику с металлизацией 2, кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода 3, выводы корпуса 4, выводы кристалл-корпус 5, пластмассовый корпус 6.

Металлические детали 1, 2 металлопластмассового корпуса изготавливаются методом штамповки, арсенид-галлиевый кристалл 2 изготавливается методом жидкостной эпитаксии катодного p-i-n слоя на низкоомную анодную р⁺ - подложку с последующей эпитаксией n^- и n⁺ - слоев на катодный p-i-n слой, созданием соответствующих меза-областей, металлических контактов к анодной и катодной областям кристалла и защитой меза-области кремнийорганическими покрытиями.

Напайка кристалла 3 производится на металлический кристаллодержатель 1 или комбинированный металлокерамический кристаллодержатель с теплоотводящей керамикой 2, электрические выводы кристалл-корпус 5 выполняются методом ультразвуковой или термокоменсационной разварки или пайки из металлической проволоки или ленты, на кристалл наносится защитный полимеризирующийся кремнийорганический компаунд 1, корпус 6 герметизируется термостойкой пластмассой методом горячего литья-прессования.

1. Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный диод в металлопластмассовых корпусах, содержащих металлический или металлосплавной кристаллодержатель, напаянный на него диодный кристалл или несколько кристаллов, электрические выводы корпуса, электрические внутрикорпусные соединения, кремнийорганическую защиту кристалла, герметизирующую термостойкую пластмассу, отличающийся тем, что карбид-кремниевые диодные кристаллы с металлическим барьером Шоттки заменены меза-планарными эпитаксиальными кристаллами p-i-n диода на основе арсенида галлия.

2. Диод по п.1, отличающийся тем, что в металлопластмассовых корпусах кристаллодержатель выполнен электрически нейтральным на основе системы металл-теплоотводящая керамика с двусторонней металлизацией последней определенных топологических рисунков или определенных металлизированных участков для различного схемотехнического монтажа нескольких арсенид-галлиевых p-i-n диодных меза-планарных эпитаксиальных кристаллов.