Полупроводниковое устройство

Полупроводниковое устройство

Реферат

 

Использование: полупроводниковая техника. Сущность изобретения: полупроводниковое устройство содержит несущую плату, по крайней мере одну установленную на этой несущей плате изоляционную подложку по крайней мере с одним расположенным на ее верхней поверхности проводящим элементом, обратная сторона которой обращена к несущей плате, корпус, внутри которого расположена изоляционная подложка, полупроводниковые элементы и/или приборы, расположенные внутри корпуса. Область, расположенная между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки, покрыта слоем смолы или неорганического стекла, внешний край которого расположен между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки, благодаря чему это устройство обладает с точки зрения величины выдерживаемого им напряжения высокой надежностью. Представлены три варианта полупроводниковых устройств. Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового устройства, обладающего высокой надежностью и практически неменяющимся выдерживаемым напряжением. 3 с. и 8 з.п.ф-лы, 26 ил.

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому устройству, в корпусе которого расположены залитые смолой полупроводниковые элементы и/или приборы.

Примером полупроводникового устройства, аналогичного предлагаемому в настоящем изобретении, является силовое полупроводниковое устройство, описанное в выложенной заявке на патент Японии Hei 8-125071. Конструкция этого полупроводникового силового устройства схематично показана в поперечном сечении на фиг. 10 приложенных к данному описанию чертежей. В этом устройстве имеется припаянная к металлической несущей плате керамическая подложка 3a с верхней и нижней медными пластинами 3b и выводом, идущим от медной пластины 3b, расположенной на верхней поверхности керамической подложки 3a. Керамическая (изоляционная) подложка 3a, внешний край которой покрыт клеем 14 из кремнийорганического каучука, расположена в корпусе 6 и залита сверху гелем 5b из кремнийорганического каучука.

Свободное пространство между клеммным блоком 8, гелем 5b из кремнийорганического каучука и корпусом 6 заполнено эпоксидной смолой 15.

В этом полупроводниковом устройстве клей 14 из кремнийорганического каучука, который нанесен на внешний край керамической подложки 3a, препятствует падению выдерживаемого подложкой 3b напряжения.

Такое известное полупроводниковое устройство обладает рядом недостатков. Во-первых, наличие эпоксидной смолы 15, которой залит гель 5b из кремнийорганического каучука, приводит к тому, что при расширении и сжатии этого геля во время работы полупроводникового устройства на поверхности раздела, как показано стрелкой на фиг. 11, между слоем геля 5b из кремнийорганического каучука и слоем клея 14 из кремнийорганического каучука происходит расслаивание из-за возникновения внутренних механических напряжений 16, как показано стрелкой 16 на фиг. 10. Следствием такого расслаивания является пробой диэлектрика керамической подложки 3a.

Во-вторых, расширение и сжатие клея 14 из кремнийорганического каучука (стрелка 17) может привести к изгибу и образованию трещин на внешнем крае керамической подложки 3a. При образовании трещин в керамической подложке 3a длина пути утечки тока между несущей платой 1 и медной пластиной, расположенной на поверхности керамической подложки 3a, снижается, и выдерживаемое полупроводниковым устройством напряжение, как очевидно, падает.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении перечисленных выше недостатков известного полупроводникового устройства и создании полупроводникового устройства, обладающего высокой надежностью и практически неменяющимся выдерживаемым напряжением.

Эта задача решается с помощью полупроводникового устройства согласно изобретению, содержащего несущую плату, по крайней мере одну установленную на этой несущей плате изоляционную подложку по крайней мере с одним расположенным на ее верхней поверхности проводящим элементом, обратная сторона которой обращена к несущей плате, корпус, внутри которого расположена изоляционная подложка, полупроводниковые элементы и/или приборы, расположенные внутри корпуса, и первую смолу, которой заполнен этот корпус, при этом область, расположенная между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки, покрыта слоем второй смолы, внешний край которой расположен между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки.

При этом край проводящего элемента может быть покрыт второй смолой.

Следует отметить, что напряжение, которое выдерживает вторая смола, больше напряжения, которое выдерживает первая смола.

Причем напряжение, которое выдерживает вторая смола, больше напряжения, которое выдерживает проводящий элемент, а расстояние между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки больше толщины изоляционной подложки.

Предпочтительно всю область, расположенную между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки, покрыть слоем второй смолы.

Целесообразно в качестве первой смолы использовать гелевую изоляцию, при этом корпус имеет крышку, между которой и поверхностью гелевой изоляции имеется свободное пространство.

Целесообразно также внешний край изоляционной подложки частично покрыть слоем второй смолы, которая нанесена на него в нескольких местах, в том числе как минимум в его углах.

Полупроводниковое устройство в соответствии с изобретением снабжено изоляционной прокладкой, приклеенной к слою второй смолы.

Предпочтительно к поверхности изоляционной подложки между краем расположенного на ней проводящего элемента и ее внешним краем приклеить лист из смолы, а область между краем проводящего элемента и внешним краем изоляционной подложки, включая расположенный в этой области лист из смолы, покрыть слоем второй смолы.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения полупроводниковое устройство содержит полупроводниковые интегральные схемы, по крайней мере одну изоляционную подложку по крайней мере с одной распложенной на ней пластиной с электродами, на которой смонтированы интегральные схемы, несущую плату, на которой установлена изоляционная подложка, корпус, который соединен с внешним краем несущей подложки, гелевую изоляцию, которой изнутри заполнен корпус, первую изоляционную смолу, слой которой нанесен на поверхность изоляционной подложки между ее внешним краем и пластиной с электродами, и вторую изоляционную смолу, слой которой нанесен на поверхность несущей платы между корпусом и внешним краем изоляционной подложки.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения силовое полупроводниковое устройство включает заполненный гелевой изоляцией корпус из изоляционной смолы, внутри которого расположена несущая плата, на которой установлена по крайней мере одна изоляционная подложка по крайней мере с одной расположенной на ней пластиной с электродами, при этом граничная область между поверхностью изоляционной подложки и краем пластины с электродами на участке между внешним краем изоляционной подложки и краем пластины с электродами покрыта слоем неорганического стекла.

Предложенная конструкция полупроводникового устройства позволяет уменьшить возникающие в слое второй смолы напряжения, которые могут привести к расслоению первой и второй смолы или к изгибу внешнего края изоляционной подложки, и исключает возможность падения выдерживаемого полупроводниковым устройством напряжения.

Наличие двух слоев изоляции позволяет дополнительно увеличить выдерживаемое полупроводниковым устройством напряжение и тем самым еще больше повысить его надежность.

Преимуществом предложенного полупроводникового устройства, у которого область, расположенная между участком утечки по крайней мере одной изоляционной подложки, расположенной между несущей платой и по крайней мере одной проводящей пластиной с контактами и схемой соединений, и внешним краем этой проводящей пластины, является то, что эта область покрыта слоем неорганического материала, который имеет более высокое, чем у изоляционного геля, напряжение пробоя и высокое выдерживаемое напряжение местного разряда, как, например, некристаллическое и неорганическое стекло (например, стекло из Bi₂O₃-B₂O₃) с коэффициентом теплового расширения (7,5-9,0)10^-6/^oC и выдерживаемым эффективным напряжением 10 кВ.

Ниже изобретение более подробно поясняется описанием примеров выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - поперечное сечение части модульного силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения, на фиг. 2 - вид сверху полупроводниковых схем, собранных на подложке из нитрида алюминия устройства по фиг. 1, на фиг. 3 - поперечное сечение всего полупроводникового устройства, часть которого показана на фиг. 1, на фиг. 4 - вид сверху полупроводниковых схем, собранных на подложке из нитрида алюминия силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, на фиг. 5 - изображение в аксонометрии полупроводниковых схем, собранных на подложке из нитрида алюминия силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, на фиг. 6 - поперечное сечение части полупроводникового устройства, которое в аксонометрии показано на фиг. 5, на фиг. 7 - поперечное сечение части модульного силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, на фиг. 8 - поперечное сечение части модульного силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 9 - зависимость напряжения пробоя диэлектрика от длины пути утечки тока в подложке из нитрида алюминия известного и предлагаемого в настоящем изобретении силового полупроводникового устройства, на фиг. 10 - поперечное сечение, на котором показана конструкция известного силового полупроводникового устройства, на фиг. 11 - чертеж поперечного сечения известного полупроводникового устройства, поясняющий механизм возникновения в нем пробоя диэлектрика, на фиг. 12 - чертеж поперечного сечения предлагаемого в настоящем изобретении полупроводникового устройства, поясняющий механизм возникновения в нем пробоя диэлектрика, на фиг. 13 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 14 - вид сверху полупроводниковых схем, собранных на подложке из нитрида алюминия силового полупроводникового устройства по фиг. 13, на фиг. 15 - поперечное сечение всего полупроводникового устройства, часть которого показана на фиг. 13, на фиг. 16 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 17 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 18А - изображение в аксонометрии изоляционной прокладки полупроводникового устройства по фиг. 17, на фиг. 18Б - поперечное сечение изоляционной прокладки и изоляционной подложки, установленной на несущую плату полупроводникового устройства по фиг. 17, на фиг. 19 - поперечное сечение другого варианта выполнения показанной на фиг. 18Б изоляционной прокладки и изоляционной подложки, установленной на несущей плате, на фиг. 20 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 21 - вид сверху полупроводниковых схем, собранных на подложке из нитрида алюминия силового полупроводникового устройства по фиг. 20, на фиг. 22 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 23 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 24 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, на фиг. 25 - поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения, и на фиг. 26 - таблица, в которой указаны свойства различных видов неорганического стекла и смол.

Ниже со ссылками на соответствующие чертежи подробно рассмотрены различные варианты конструкции предлагаемого в настоящем изобретении силового полупроводникового устройства.

На фиг. 1 показано поперечное сечение части первого варианта предлагаемого в настоящем изобретении модульного силового полупроводникового устройства.

Показанная на фиг. 1 изоляционная подложка 3a, изготовленная из нитрида алюминия (AlN), верхняя и нижняя стороны которой покрыты тонкими медными пластинами 3b, установлена на металлической несущей плате 1, изготовленной из Al-SiC. Нижняя сторона подложки 3a из нитрида алюминия обращена к верхней стороне несущей платы 1, а расположенная на ней тонкая медная пластина 3b соединена с верхней стороной несущей платы 1 припоем 2, в частности оловянисто-свинцовым припоем (Sn-40мас. %, Pb). К внешнему краю несущей платы 1 клеем 7 изнутри приклеен изготовленный из изоляционной смолы корпус 6. Этот корпус 6 заполнен гелем 5а кремнийогранической изоляции, которая закрывает сверху подложку 3a из нитрида алюминия, тонкие медные пластины 3b, расположенные на верхней и нижней сторонах подложки 3a, и слой 4 кремнийорганической изоляции, нанесенный на внешний край подложки 3a, что более подробно описано ниже.

В рассматриваемом варианте на поверхность подложки 3a из нитрида алюминия между ее внешним краем и краем расположенной на ней тонкой медной пластины 3b нанесен показанный на фиг. 1 слой 4 кремнийорганической изоляции в виде смолы. Эффективное напряжение, выдерживаемое кремнийорганической смолой слоя 4 (21 кВ/мм), больше эффективного напряжения, выдерживаемого гелевой изоляцией 5а (14 кВ/мм). Такое решение позволяет повысить выдерживаемое напряжение пробоя подложки 3a из нитрида алюминия по сравнению с полупроводниковым устройством, в котором подложка 3a из нитрида алюминия покрыта только гелевой изоляцией 5а. Эффективное напряжение, выдерживаемое слоем 4 кремнийорганической смолы, больше, чем у подложки 3a из нитрида алюминия (10-13 кВ/мм). Кроме того, поскольку расстояние между внешним краем подложки 3a из нитрида алюминия и краем расположенной на ней тонкой медной пластины 3b больше толщины подложки 3a из нитрида алюминия, толщина слоя 4 из кремнийорганической смолы в направлении утечки тока также оказывается больше толщины подложки 3a из нитрида алюминия. Поэтому напряжение пробоя являющейся диэлектриком кремнийорганической смолы в направлении утечки тока будет больше, чем у подложки 3a из нитрида алюминия. Поскольку пробой диэлектрика обычно не происходит на поверхности утечки тока и зависит только от конструкции подложки 3a из нитрида алюминия, такая конструкция позволяет не только легко определить, но и задать соответствующее напряжение пробоя.

В рассматриваемой конструкции полупроводникового устройства край и расположенный рядом с краем участок расположенной на подложке 3a тонкой медной пластины 3b также покрыты слоем 4 кремнийорганической смолы. Наличие покрытия из слоя 4 кремнийорганической смолы на участке медной пластины 3b с максимальной напряженностью электрического поля также повышает напряжение пробоя, которое может выдержать устройство.

В этом варианте предлагаемого устройства край слоя 4 из кремнийорганической смолы, нанесенный на внешний край подложки 3a из нитрида алюминия, расположен на внешней поверхности подложки 3a. Иными словами, в этой конструкции слой 4 кремнийорганической смолы не касается поверхности несущей платы 1, расположенной между местом соединения корпуса 6 с несущей платой 1 и краем того участка несущей платы 1, на котором она соединена с подложкой 3a. Поэтому даже при возникновении из-за расширения или сжатия гелевой изоляции 5а или кремнийорганической смолы в слое 4 внутренних напряжений, эти напряжения не будут передаваться на не связанную со слоем 4 кремнийорганической смолы несущую плату 1. Снижение напряжений, возникающих в слое 4 кремнийорганической смолы, в гелевой изоляции 5a и в подложке 3a из нитрида алюминия, снижает вероятность отделения слоя 4 кремнийорганической смолы от гелевой изоляции 5a или вероятность возникновения пробоя в подложке 3a из нитрида алюминия. Таким образом, предлагаемая в этом варианте изобретения конструкция силового полупроводникового устройства исключает вероятность снижения выдерживаемого им напряжения и повышает за счет этого его надежность.

На фиг. 2 показан вид сверху собранных на подложке из нитрида алюминия элементов и/или приборов первого показанного на фиг. 1 варианта предлагаемого в изобретении полупроводникового устройства. На подложке 3a из нитрида алюминия расположено несколько тонких медных пластин 3b. К этим медным пластинам 3b припаяны полупроводниковые ИС силовых полупроводниковых элементов и/или приборов, такие, как биполярные транзисторы 100 с изолированным затвором (БТИЗ), диоды 110 и др. , а также главные и вспомогательные вводы/выводы 9 и 10 и другие необходимые элементы схемы. Медная пластина, к которой припаяны главные вводы/выводы 9, электрически соединена с каждой полупроводниковой ИС алюминиевыми проводами 200. Вся поверхность подложки 3a из нитрида алюминия у ее внешнего края покрыта сплошным слоем 4 кремнийорганической смолы. Наличие такого покрытия на внешнем крае подложки 3a из нитрида алюминия повышает напряжение пробоя, которое выдерживает подложка, и снижает вероятность его падения при работе устройства. Тем самым надежность силового полупроводникового устройства, которая зависит от выдерживаемого им напряжения, существенно повышается.

На фиг. 3 показано поперечное сечение всего полупроводникового устройства, часть которого изображена на фиг. 1 и 2. В этом устройстве имеется несколько припаянных к несущей плате 1 показанных на фиг. 1 и 2 подложек 3a из нитрида алюминия и главные и вспомогательные вводы/выводы 9 и 10, которые проходят через клеммный блок 8 и имеют выходящие наружу из корпуса 6 концы, соединенные с внешними схемами. Изготовленный из смолы корпус 6 соединен с внешним краем несущей платы 1. Клеммный блок 8 образует крышку, которой сверху закрыт корпус 6. Внутри корпуса 6 расположены подложки 3a из нитрида алюминия, главные и вспомогательные вводы/выводы 9 и 10 и все элементы, образующие силовое полупроводниковое устройство. В корпус 6 залита гелевая изоляция 5а, которая закрывает подложки 3a из нитрида алюминия, медные пластины 3b, главные и вспомогательные вводы/выводы 9 и 10, все элементы, образующие силовое полупроводниковое устройство, и нанесенные на подложки слои 4 кремнийорганической смолы. Первый слой гелевой изоляции 5а залит вторым слоем гелевой изоляции 5b. Двукратная заливка в корпус гелевой изоляции, образующей в нем два слоя изоляции, снижает вероятность образования пузырьками свободного пространства рядом с подложками 3a из нитрида алюминия, расположенными на них медными пластинами 3b, соединенными с ними элементами разводки, главными и вспомогательными вводами/выводами 9 и 10, элементами, образующими силовое полупроводниковое устройство, и у поверхности слоев 4 кремнийорганической смолы. Внутри корпуса 6 между клеммным блоком 8 и вторым слоем гелевой изоляции 5b имеется свободное пространство 11. При наличии такого свободного пространства 11, поглощающего расширение слоев гелевой изоляции 5а и 5b, не происходит возникновения механических напряжений сжатия в клеммном блоке 8. Благодаря этому возникающие при расширении и сжатии слоев гелевой изоляции 5a и 5b напряжения в слое 4 кремнийорганической смолы снижаются, и напряжение, которое выдерживает силовое полупроводниковое устройство во время его работы, не падает.

Сборка отдельных элементов полупроводникового устройства в корпусе 6 происходит следующим образом. Сначала к подложкам 3a из нитрида алюминия крепятся ИС; для этого ИС вместе с соответствующим припоем с высокой температурой плавления, таким, как припой (Pb-5 мас.%, Sn-1,5 мас.%, Ag), нагревают до 350^oC в атмосфере H₂, после чего методом термокомпрессионного соединения с использованием алюминиевой проволоки выполняют соответствующую разводку ИС. Затем подложки 3a из нитрида алюминия крепят к несущей плате 1 припоем с низкой температурой плавления, например припоем (Sn-40 мас.%, Pb); для этого подложки вместе с припоем нагревают до 240^oC в атмосфере H₂. После этого с помощью соответствующего приспособления, например дозатора, на каждую подложку 3a из нитрида алюминия по всему периметру между краем медной пластины 3b и внешним краем подложки 3a наносят слой 4 кремнийорганической смолы. Эту операцию следует выполнять таким образом, чтобы кремнийорганическая смола не затекала на несущую плату 1. После нанесения на подложки слоя 4 кремнийорганической смолы их нагревают до 150^oC и выдерживают при этой температуре в термостатированной камере в течение одного часа до полного затвердевания смолы. Затем к расположенным на подложках 3a из нитрида алюминия медным пластинам 3b припаивают главные и вспомогательные вводы/выводы 9 и 10, после чего к внешнему краю несущей платы 1 приклеивают изготовленный из изоляционной смолы корпус 6. Затем в корпус 6 заливают гелевую изоляцию 5a и 5b и после удаления из нее газа корпус вместе с залитой в него изоляцией нагревают до полного ее затвердевания.

На фиг. 9 показана зависимость между длиной пути тока утечки в подложке из нитрида алюминия (AlN) и напряжением пробоя диэлектрика в силовом полупроводниковом устройстве, выполненном по этому варианту изобретения, и в обычном полупроводниковом устройстве. Из показанной на фиг. 9 зависимости следует, что в предлагаемом в изобретении полупроводниковом устройстве при той же, что и в обычном полупроводниковом устройстве, длине пути утечки тока в подложке из AlN напряжение пробоя диэлектрика значительно выше. Достигаемый при этом эффект больше, чем эффект, который можно было бы получить за счет геометрического увеличения длины пути утечки тока. В показанном на фиг. 11 обычном полупроводниковом устройстве такого типа пробой диэлектрика происходит в гелевой изоляции 5a или на поверхности раздела между подложкой 3a из нитрида алюминия и слоем гелевой изоляции 5a. В предлагаемом в изобретении устройстве, выполненном по этому варианту изобретения, пробой диэлектрика может произойти в слое 4 кремнийорганической смолы или в подложке 3a из нитрида алюминия. Такое различие механизмов возникновения пробоя диэлектрика определяет разницу в значениях напряжения пробоя предлагаемого в этом варианте изобретения полупроводникового устройства и обычного полупроводникового устройства.

В описанную выше конструкцию предлагаемого в изобретении полупроводникового устройства можно внести некоторые изменения. Во-первых, в слое 4 кремнийорганической смолы по внешнему периметру подложки 3a из нитрида алюминия можно выполнить выступ, который однако не должен касаться поверхности несущей платы 1 на участке, расположенном между местом ее соединения с корпусом 6 и местом ее соединения с подложкой 3a из нитрида алюминия. Кроме того, кремнийорганическую смолу слоя 4 можно заменить другим материалом с более высоким, чем у подложки 3a, выдерживаемым напряжением, например полиамидной смолой, у которой выдерживаемое эффективное напряжение составляет около 230 кВ, или полиимидной смолой, которая выдерживает эффективное напряжение около 200 кВ, или другим аналогичным материалом. Кроме того, для изготовления подложки 3a вместо нитрида алюминия можно использовать оксид алюминия или другой материал, например смолу. Тонкие пластины, расположенные на верхней и нижней сторонах подложки, также можно изготовить не из меди, а из другого металла или сплава, обладающего соответствующей электропроводностью. Кроме того, для соединения подложки 3a из нитрида алюминия с несущей платой 1 и соединения медных пластин 3b с полупроводниковыми элементами и вводами/выводами 9 и 10 вместо указанного выше мягкого припоя можно использовать твердый припой. Показанную на фиг. 1 несущую плату 1 можно изготовить не только из Al-SiC, применение которого позволяет уменьшить разницу в коэффициентах теплового расширения полупроводникового материала и материала несущей платы и ограничить влияние возникающих в полупроводниковом устройстве тепловых напряжений на его электрические характеристики, но и из Mo или W. Кроме того, для более эффективного рассеивания тепла в качестве материала для изготовления несущей платы 1 можно использовать и другие металлы, в частности, медь или ее сплавы. В предлагаемом полупроводниковом устройстве можно использовать не только упомянутые выше БТИЗ и диоды, но и другие полупроводниковые приборы и элементы, например силовые транзисторы, МОП-транзисторы, тиристоры и др. Такие полупроводниковые элементы можно собрать не только на подложках 3a из нитрида алюминия, но и на других расположенных в корпусе 6 подложках. Следует подчеркнуть, что все перечисленные выше возможности могут быть реализованы и в других предлагаемых в настоящем изобретении вариантах выполнения силового полупроводникового устройства.

На фиг. 4 показан вид сверху собранных на подложке 3a из нитрида алюминия полупроводниковых элементов силового полупроводникового устройства, выполненного по другому варианту настоящего изобретения. В этом варианте слой 4 кремнийорганической смолы нанесен не по всему внешнему контуру подложки 3a из нитрида алюминия, а только в углах, т.е. в местах наиболее вероятного пробоя диэлектрика. Этим этот вариант отличается от варианта, показанного на фиг. 2. Выполненное таким образом силовое полупроводниковое устройство также имеет более высокое, чем обычное полупроводниковое устройство такого типа, напряжение пробоя, как это показано на фиг. 9. Уменьшение площади, на которую в этом варианте наносится слой 4 кремнийорганической смолы, не только сокращает необходимое для нанесения смолы время и повышает эффективность процесса изготовления таких полупроводниковых устройств, но и создает условия для нанесения более ровного слоя смолы и изготовления большего количества полупроводниковых устройств с высоким напряжением пробоя.

На фиг. 5 в аксонометрии показаны собранные на подложке 3a из нитрида алюминия полупроводниковые элементы силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом изобретения. В этом устройстве используется изготовленная из изоляционной смолы, в частности из полифениленсульфидной смолы (ПФС-смолы), прокладка 12a, форма которой соответствует форме внешнего края подложки 3a из нитрида алюминия и которая приклеена к внешнему краю подложки 3a слоем 4 кремнийорганической смолы 4.

На фиг. 6 изображено поперечное сечение части полупроводникового устройства, вариант выполнения которого показан на фиг. 5. Прокладка 12a из ПФС-смолы приклеена к внешней части подложки 3a из нитрида алюминия между ее внешним краем и краем расположенной на подложке 3a медной пластины 3b нанесенной на этот участок подложки слоем 4 кремнийорганической смолы. В выполненном таким образом полупроводниковом устройстве длина пути утечки тока в подложке 3a из нитрида алюминия увеличена за счет имеющейся в нем изготовленной из ПФС-смолы прокладки 12a. За счет этого в этом устройстве соответственно увеличено и напряжение пробоя промежутка между несущей платой 1 и подложкой 3a из нитрида алюминия. Следует отметить, что вместо полифениленсульфидной смолы для изготовления прокладки 12a можно использовать и другой изоляционный материал, например керамику.

На фиг. 7 изображено поперечное сечение части силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения. В этом варианте длина пути утечки тока в подложке 3a из нитрида алюминия увеличена, как и в варианте по фиг. 6, за счет использования изготовленной из ПФС-смолы прокладки 12b. Однако в отличие от прокладки 12а, показанной на фиг. 6, используемая в этом варианте прокладка 12b, форма которой соответствует форме внешнего контура подложки 3a, упирается в несущую плату 1. Расположенная внутри прокладки 12b подложка 3a из нитрида алюминия припаяна к несущей плате 1. В этом варианте, как и в рассмотренных выше, участок поверхности подложки 3a из нитрида алюминия, расположенный между ее внешним краем и краем расположенной на ней медной пластины 3b, покрыт слоем 4 кремнийорганической смолы. Этот нанесенный на подложку 3a слой 4 кремнийорганической смолы используется в качестве клея, которым изготовленная из ПФС-смолы прокладка 12b своей внутренней стороной приклеена к краю подложки 3a. В такой конструкции длина пути утечки тока определяется размерами изготовленной из ПФС-смолы прокладки 12b и слоем 4 кремнийорганической смолы. И в этом варианте прокладку 12b можно изготовить не из полифениленсульфидной смолы, а из другого изоляционного материала, например из керамики.

Часть поперечного сечения силового полупроводникового устройства, выполненного в соответствии с еще одним вариантом изобретения, показана на фиг. 8. В этом устройстве имеется тонкий лист 13 из изоляционной смолы, например кусок полиимидной пленки, который приклеен к расположенному между внешним краем подложки 3a из нитрида алюминия и краем медной пластины 3b участку подложки. Кроме того, участок возможной утечки тока между внешним краем подложки 3a и краем расположенной на ней медной пластины 3b, включая пленку 13, покрыт слоем 4 кремнийорганической смолы. Необходимое увеличение пути утечки тока в этом варианте обеспечивается в основном наличием пленки 13, которая приклеена к подложке 3a из нитрида алюминия на пути утечки тока, и частично относительно тонким слоем 4 кремнийорганической смолы. Помимо изоляционной пленки, приклеенной к внешней поверхности подложки 3a из нитрида алюминия, в этом устройстве имеется и еще одна изоляционная пленка 13, которая приклеена непосредственно к несущей плате 1. Эта изоляционная пленка 13 закрывает припой, которым к несущей плате 1 припаяна подложка 3a из нитрида алюминия, и расположенную на нижней стороне подложки медную пластину 3b. Этой же пленкой можно при необходимости закрыть и выступающий из-под подложки наружу край припоя, которым подложка крепится к несущей плате, при этом на фиг. 8 такой выступающий из под подложки край припоя не показан. Такая конструкция позволяет еще больше увеличить длину пути утечки тока и за счет этого повысить напряжение, которое может выдержать подложка 3a.

Рассмотренные выше варианты позволяют создать изолированное силовое полупроводниковое устройство модульного типа, которое может выдержать напряжение свыше 4500 В. На базе рассмотренных в этих вариантах устройств можно, в частности, изготовить отдельные модули с БТИЗ, выдерживающие напряжение порядка 5000-6000 В. Из предлагаемых в изобретении модулей с биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ) можно собрать силовой выпрямитель для преобразования переменного тока высокого напряжения в постоянный ток. При этом за счет уменьшения количества соединенных последовательно модулей с БТИЗ можно, как очевидно, соответствующим образом уменьшить и габариты всего выпрямителя.

Ниже со ссылками на фиг. 13-19 рассмотрен еще несколько вариантов выполнения предлагаемого в изобретении силового полупроводникового устройства.

Поперечное сечение части одного из предлагаемых в этих вариантах силового полупроводникового устройства показано на фиг. 13.

В показанном силовом полупроводниковом устройстве имеется изоляционная подложка 3a, изготовленная из изоляционного материала, например из нитрида алюминия (AlN), с пластиной 3b с электродами (образованными, например, тонким слоем нанесенной на подложку меди), которая соединена с несущей платой 1, изготовленной из металла, например Mo, композитного материала, например Al-SiC, или из материала, изготовленного спеканием, например CuCuO₂, припоем 2, например припоем (Sn-40 мас.%, Pb). Участок изоляционной подложки 3a, расположенный между ее внешним краем и краем пластины 3b с электродами, т.е. расположенный на краю подложки 3a участок утечки тока, покрыт слоем 4 смолы, которая выдерживает более высокое напряжение, чем гелевая изоляция или гель из кремнийорганической смолы, у которого эффективное напряжение пробоя диэлектрика составляет 14 кВ. При изготовлении гелевой изоляции из кремнийорганической смолы, у которой эффективное напряжение пробоя диэлектрика составляет 21 кВ, на край подложки на участке утечки тока можно нанести слой 4, например, полиамидной смолы, эффективное напряжение пробоя которой составляет 230 кВ. В рассматриваемом устройстве имеется изготовленный из изоляционной смолы корпус 6, который клеем 7 крепится к внешнему краю несущей платы 1. Поверхность несущей платы 1 на участке, расположенном между корпусом 6 и внешним краем подложки 3a, покрыта другим слоем 37 смолы с высоким выдерживаемым напряжением, а сверху подложка 3a, слой 4 кремнийорганической смолы и слой 37 смолы залиты гелевой изоляцией 5а. Залитый в корпус 6 слой 37 смолы с высоким выдерживаемым напряжением касается внутренней стенки корпуса 6, изоляционной подложки 3a и слоя 4 смолы с высоким выдерживаемым напряжением. При этом слой 37 смолы, которым покрыта поверхность несущей платы 1, не имеет ни одного отверстия. Для нанесения изоляции на внешний край подложки (слой 4 смолы) и на несущую плату (слой 37 смолы) можно использовать как одну и ту же, так и разные по составу смолы с высоким выдерживаемым напряжением, напряжение пробоя которых должно быть больше, чем у гелевой изоляции 5а.

На фиг. 14 подложка из нитрида алюминия, изображенная на фиг. 13, показана сверху вместе с собранными на ней полупроводниковыми элементами, а на фиг. 15 показано поперечное сечение всего полупроводникового устройства, часть которого сверху показана на фиг. 14.

Ниже в общих чертах описана технология изготовления изображенного на фиг. 13, 14 и 15 силового полупроводникового устройства с имеющим высокое напряжение пробоя слоем 4 изоляции. Сначала к изоляционной подложке 3a крепятся показанные на фиг. 14 в увеличенном масштабе полупроводниковые ИС 16a и 16b; для этого эти полупроводниковые ИС вместе с припоем с высокой температурой плавления, таким, как припой (Pb-5 мас.%, Sn-1,5 мас.%, Ag) с температурой плавления 296-305^oC, нагревают до 350^oC в атмосфере H₂. Затем методом термокомпрессионного соединения к полупроводниковым ИС 16а и 16b присоединяют алюминиевые проволоки. После этого изоляционную подложку 3a соединяют с несущей платой 1 припоем с низкой температурой плавления, например припоем (Pb-40 мас.%, Sn); для этого подложку вместе с припоем нагревают до 240^oC в атмосфере H₂.

После этого на внешний край или участок утечки тока изоляционной подложки 3a, соединенной с несущей платой 1, по всему периметру подложки между краем пластины 3b с электродами и внешним краем подложки 3a наносят слой 4 смолы с высоким выдерживаемым напряжением. После нанесения на подложку 3a слоя 4 смолы с высоким выдерживаемым напряжением подложку нагревают до 150^oC и выдерживают при этой температуре в термостатированной камере в течение одного часа до полного затвердевания смолы. Затем к подложке 3a с помощью припойной пасты, например пасты (Pb-60 мас.%, Sn), нагревая подложку и пасту до 240^oC, припаивают вводы/выводы 9 и 10. После этого к внешнему краю несущей платы 1 с помощью клея 7, как показано на фиг. 13, приклеивают изготовленный из изоляционной смолы корпус 6. Затем на участок поверхности несущей платы 1, расположенный между корпусом 6 и внешним краем изоляционной подложки 3a, покрытой слоем 4 смолы, наносят слой 37 смолы, обладающей высоким выдерживаемым напряжением. Затем в корпус 6 заливают гелевую изоляцию 5b, оставля