Струнтуриро-Ванная медь

Рис. 5.13. Принципиальная схема, демонстрирующая применение структурированной меди при изготовлении контактов мощных тиристоров: а - высокая температура; б - низкая температура

ТОНКИЙ омический контакт с наружными поверхностями катода и анода, а компенсационные диски прижимаются непосредственно к омическому контакту (рис. 5.12, в).

Данная структура обладает несколькими преимуществами [Prough, Knobloch, 1977]: в связи с отсутствием припоя снижается уровень термической усталости, исключается изгибание биметаллического элемента из-за плохого сочетания коэффициентов линейного расширения и обеспечивается плоскостность базового элемента и более равномерный прижимной контакт.

Одно из решений проблемы, связанной с возникновением напряжения из-за изгибания биметаллического элемента, предложено в [Glascock, Webster, 1983]. В этом случае кремний соединяется с медным электродом с помощью структурированной меди. Она состоит из большого количества медных проволок, образующих тугую связку. Каждая проволока или волокно имеет возможность перемещаться независимо друг от друга, поэтому несоответствия, возникающие при тепловом расширении, легко устранимы (рис. 5.13).

Структурированная медь способна полностью амортизировать перемещения кремния и меди при термообработке и охлаждении. Таким образом, эффекты, связанные с термической усталостью, в значительной степени устраняются при сохранении высоких теплотехнических и электрических свойств медного электрода.

Другой альтернативой компенсационным пластинам из Молибдена или вольфрама является применение композиционного материала из меди и углерода. В этом случае [Arakawa, Капа, 1983] углеродные волокна встраиваются в медную матрицу. Теплопроводность и электрическая проводимость материала почти такие же, как у меди, а коэффициент линейного расширения ближе к кремнию по сравнению с молибденом или вольфрамом. Как и при использовании структурированной меди, возможно непосредственное соединение данного материала с кремнием путем пайки с обеспечением лучшего контакта, чем традиционными методами.

Создание контакта к управляющему электроду в ряде случаев требует специального подхода. Как видно из конструкции управляющего электрода (§ 3.5), может возникнуть необходи-

мость пропускания сильных токов вдоль зубцов управляюшего электрода гребенчатой конструкции к управляющему выводу в центре тиристора. Поэтому толщина металлизации управляющего электрода и значение удельного объемного электрического сопротивления металла очень важны. Из табл. 5.1 следует, что удельное сопротивление алюминия и золота по сравнению с никелем гораздо ниже, в связи с чем предпочтительнее использовать эти материалы для создания контакта к катоду тиристоров со встречно-гребенчатой геометрией.

5.8. Пассивация поверхности перехода

В п. 2.2.4 обсуждались профили поверхности, обеспечивающие предотвращение пробоя перехода в месте его выхода на поверхность кремния. Рассматривались канавки и углубления, полученные*путем травления, и структуры с фаской, изготовленной с применением механической обработки. Однако во всех случаях на профилированную поверхность требуется наносить покрытие из диэлектрика или пассивирующий слой в связи с действием на поверхность кремния сильных электрических полей. Конкретные требования к пассивирующему слою в значительной степени определяются деталями конструкции тиристора, его монтажом и областью применения. Отметим ряд свойств материала покрытия, которые необходимо учитывать в первую очередь:

1) высокая диэлектрическая прочность;

2) совместимость с другими материалами, использованными при изготовлении и монтаже тиристора;

3) стойкость при действии электрической нагрузки. Покрытие может содержать электрический заряд в объеме или на границе раздела с кремнием. Если заряд подвижен, то происходит его перемещение под действием электрического поля и как следствие возрастает ток утечки тиристОра;

4) стойкость к эффектам, связанным с термической усталостью и обусловленным расширением и сжатием тиристорной структуры при работе прибора. Материал покрытия должен иметь высокий предел текучести или подвергаться пластической деформации без ухудшения свойств при большом количестве термических циклов;

5) покрытие следует наносить или до металлизации (в этом случае на него не должны действовать температуры, при которых происходит спекание или сплавление контактов) или после нее, если температуры, действующие при формировании покрытия, недостаточно высокие, чтобы повредить металлизацию тиристора.

Материалы, пригодные для пассивации, подразделяются на две основные группы: твердые и мягкие. Материалы первой группы, к которым относятся стеклообразная фритта, диоксид

кремния и поликристаллический кремний, обычно применяются перед последней металлизацией, так как в этом случае, как правило, требуется высокотемпературная обработка. Многие пассивирующие материалы наносятся после металлизации. К ним относятся кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды, отверждаемые при температурах ниже температуры металлизации.

5.8.1. Стеклообразная фритта

Пассивирующий слой из стеклообразной фритты традиционно применяется для тиристоров со слабыми токами и напряжением пробоя до 1200 В. В таких приборах можно использовать простые профили, реализованные путем травления (2.2.4.3). Они формируются до проведения металлизации и разделения тиристорных структур. Фритту получают из суспензии в виде тонкодисперсного стеклянного порошка в каком-либо связующем (например, изопропиловом спирте). Затем связующее выжигают, а стекло расплавляют при высокой температуре с образованием соответствующего покрытия на поверхности перехода. Известно три основных метода нанесения стекла: с помощью ножевого устройства, электрофореза и центрифуги.

В первом, наиболее простом случае суспензия распределяется по поверхности кремния ножевым устройством, изготовленным, например, в виде бритвы. Данный метод не позволяет контролировать с вьюокой точностью толщину покрытия из стекла. При электрофорезе прибор помещают в сосуд со встроенным электродом из благородного металла, наполненный суспензией на основе стекла. Если сам прибор выступает в качестве катода, а другой электрод является анодом, то частицы перемещаются к катоду и поверхность тиристора равномерно покрывается порошком стекла.

Для обеспечения более равномерного протекания процесса осаждения в суспензию часто вводят различные добавки, например фтористоводородную кислоту. Преимуществами электрофореза являются высокая однородность слоя стекла и детальное повторение им рельефа поверхности кремния. Кроме того, возможно избирательное маскирование поверхности кремния для предотвращения осаждения стекла на металлические контактные площадки. Применение центрифуги также обеспечивает высокую равномерность при осаждении.

В этом случае кремниевая пластина тиристора помещается на дно сосуда и покрьшается суспензией на основе стекла. После этого сосуд ставят в центрифугу, где при его вращении стекло вытесняется и осаждается на поверхности тиристора. В отличие от электрофореза вводить добавки для поддержания высокой равномерности процесса не требуется, так как при использовании