Классификация полупроводниковых приборов и их применение в преобразователях эненргии и передаче информации. Корпус полупроводниковых приборов для поверхностного монтажа Особенности монтажа полупроводниковых приборов и микросхем

Во избежание повреждения полупроводниковых приборов при монтаже необходимо обеспечить неподвижность их выводов вбли­зи корпуса. Для этого следует изгибать выводы на расстоянии не менее 3...5 мм от корпуса и выполнять пайку низкотемператур­ным припоем ПОС-61 на расстоянии не менее 5 мм от корпуса прибора с обеспечением теплоотвода между корпусом и местом пайки. При расстоянии от места пайки до корпуса 8... 10 мм и более ее можно производить без дополнительного теплоотвода (в течение 2...3 с).

Перепайка в монтаже и замена отдельных деталей в схемах с полупроводниковыми приборами должна производиться при от­ключенном питании паяльником с заземленным жалом. При вклю­чении транзистора в схему, находящуюся под напряжением, не­обходимо сначала присоединить базу, затем эмиттер, а потом кол­лектор. Отключение транзистора от схемы без снятия напряжения выполняется в обратной последовательности.

Для обеспечения нормальной работы полупроводниковых при­боров на полной мощности необходимо использовать дополни­тельные теплоотводы. В качестве теплоотводов применяются реб­ристые радиаторы из красной меди или алюминия, которые на­деваются на приборы. При проектировании схем с широким тем­пературным диапазоном работы следует учитывать, что при повышении температуры снижается не только допустимая мощность рассеяния многих типов полупроводниковых приборов, но и до­пустимые напряжения и сила токов переходов.

Эксплуатация полупроводниковых приборов должна осуществ­ляться только в диапазоне требуемых рабочих температур, при этом относительная влажность должна быть до 98 % при темпера­туре 40 °С; атмосферное давление - от 6,7 10 2 до 3 10 5 Па; вибра­ция с ускорением до 7,5g в диапазоне частот 10...600 Гц; много­кратные удары с ускорением до 75g; линейные ускорения до 25g.

Увеличение или уменьшение указанных выше параметров от­рицательно влияет на работу полупроводниковых приборов. Так, изменение диапазона рабочих температур вызывает растрескива­ние кристаллов полупроводников и изменение электрических ха­рактеристик приборов. Кроме того, под действием высокой тем­пературы происходят высыхание и деформация защитных покры­тий, выделение газов и расплавление припоя. Высокая влажность способствует коррозии корпусов и выводов вследствие электро­лиза. Низкое давление вызывает уменьшение пробивного напря­жения и ухудшение теплопередачи. Изменение ускорения ударов и вибрации приводит к появлению механических напряжений и усталости в элементах конструкций, а также механических по­вреждений (вплоть до отрыва выводов) и др.

Для защиты от воздействия вибраций и ускорения конструкция с полупроводниковыми приборами должна иметь амортизацию, а для улучшения влагостойкости должна покрываться защитным лаком.

Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов включает в себя 3 основные операции: присоединение кристалла к основанию корпуса, присоединение выводов и защиту кристалла от воздействия внешней среды. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надёжность конечного изделия. кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Основными требованиями при присоединении полупроводинкового кристалла к основанию корпуса являются высокая надёжность соединения, механическая прочность и в ряде случаев высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке. Операцию присоединения проводят с помощью пайки или приклеивания.

Клеи для монтажа кристаллов могут быть условно разделены на 2 категории: электропроводящие и диэлектрические. Клеи состоят из связующего вещества клеи и наполнителя. Для обеспечения электро- и теплопроводности в состав клея как правило вводят серебро в виде порошка или хлопьев. Для создания теплопроводящих диэлектрических клеев в качестве наполнителя используют стеклянные или ке-рамические порошки.

Пайка осуществляется с помощью проводящих стеклянных или металлических припоев.

Стеклянные припои - это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

Пайка металлическими припоями осуществляется с помощью навесок или прокладок припоя заданной формы и размеров (пре-форм), помещаемых между кристаллом и подложкой. В массовом производстве применяется специализированная паяльная паста для монтажа кристаллов.

Присоединение выводов

Процесс присоединения выводов кристалла к основанию корпуса осуществляется с помощью про-волоки, ленты или жёстких выводов в виде шариков или балок.

Проволочный монтаж осуществляется термокомпресионной, электроконтактной или ультразвуковой сваркой с помощью золотой, алюминиевой или медной проволоки/лент.

Беспроволочный монтаж осуществляется в технологии «перевёрнутого кристалла» (Flip-Chip). Жёсткие контакты в виде балок или шариков припоя формируются на кристалле в процессе создания металлизации.

Перед нанесением припоя поверхность кристалла пассивируется. После литографии и травления, контактные площадки кристалла дополнительно металлизируются. Эта операция проводится для создания барьерного слоя, предотвращения окисления и для улучшения смачиваемости и адгезии. После этого формируются выводы.

Балки или шарики припоя формируются методами электролитического или вакуумного напыления, заполнения готовыми микросферами или методом трафаретной печати. Кристалл со сформированными выводами переворачивается и монтируется на подложку.

Защита кристалла от воздействия внешней среды

Характеристики полупроводникового прибора в сильной степени определяются состоянием его по-верхности. Внешняя среда оказывает существенное влияние на качество поверхности и, соответствен-но, на стабильность параметров прибора. данное воздействие изменяется в процессе эксплуатации, поэтому очень важно защитить поверхность прибора для увеличения его надёжности и срока службы.

Защита полупроводникового кристалла от воздействия внешней среды осуществляется на заклю-чительном этапе сборки микросхем и полупроводниковых приборов.

Герметизация может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

Корпусная герметизация осуществляется путём присоединения крышки корпуса к его основанию с помощью пайки или сварки. Металлические, метало-стеклянные и керамические корпуса обеспечива-ют вакуум-плотную герметизацию.

Крышка в зависимости от типа корпуса может быть припаяна с использованием стеклянных при-поев, металлических припоев или приклеена с помощью клея. Каждый из этих материалов обладает своими преимуществами и выбирается в зависимости от решаемых задач

Для бескорпусной защиты полупроводниковых кристаллов от внешних воздействий используют пластмассы и специальные заливочные компаунды, которые могут быть мягкими или твёрдыми после полимеризации, в зависимости от задач и применяемых материалов.

Современная промышленность предлагает два варианта заливки кристаллов жидкими компаундами:

1. Заливка компаундом средней вязкости (glob-top, Blob-top)
2. Создание рамки из высоковязкого компаунда и заливка кристалла компаундом низкой вязкости (Dam-and-Fill).

Основное преимущество жидких компаундов перед другими способами герметизации кристалла за-ключается в гибкости системы дозирования, которая позволяет использовать одни и те же материалы и оборудование для различных типов и размеров кристаллов.

Полимерные клеи различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя.

Связующий материал

Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но

существенно отличаются по химическим и физическим свойствам.

В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получать высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена.

В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в задачах, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна.

Третий тип связующего вещества - смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе

преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150 о С - 200 о С).

Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в процессе оплавления. Раньше для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось провести процесс нанесения пасты (соблюдая плоскостность), сушки для удаления растворителя и только затем установки кристалла на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве.

Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозирования, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на ещё не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи.

Долгое время имелись сложности с созданием высоко теплопроводящих клеев на основе термопластов и реактопластов. Данные полимеры не позволяли увеличивать содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60-75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15-20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130, DM4030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80-90%.

Наполнитель

Основную роль в создании тепло-, электропроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе

серебро в виде порошка (микросферы) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в сильной степени определяют теплопроводящие, электропроводящие и клеящие свойства материалов. В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок.

При выборе электропроводящего клея следует принимать во внимание следующие факторы:

• Тепло-, электропроводность используемого клея или припоя
• Допустимые технологические температуры монтажа
• Температуры последующих технологических операций
• Механическая прочность соединения
• Автоматизация процесса монтажа
• Ремонтопригодность
• Стоимость операции монтажа

Кроме того, при выборе адгезива для монтажа следует обращать внимание на модуль упругости полимера, площадь и разность КТР соединяемых компонентов, а также толщину клеевого шва. Чем ниже модуль упругости (чем мягче материал), тем большие площади компонентов и большая разница КТР соединяемых компонентов и более тонкий клеевой шов допустимы. Высокое значение модуля упругости вносит ограничение в минимальную толщину клеевого шва и размеры соединяемых компонентов из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений.

Принимая решение о применении полимерных клеев, необходимо учитывать некоторые технологические особенности этих материалов и соединяемых компонентов, а именно:

• длина кристалла (или компонента) определяет величину нагрузки на клеевой шов после охлаждения системы. Во время пайки кристалл и подложка расширяются в соответствии со своими КТР. Для кристаллов большого размера необходимо использовать мягкие (с низким модулем упругости) адгезивы или согласованные по КТР материалы кристалла/подложки. Если различие КТР слишком велико для данного размера кристалла, соединение может быть нарушено что приведет к отслаиванию кристалла от подложки. Для каждого типа пасты производитель, как правило, даёт рекомендации по максимальным размерам кристалла для определённых значений разницы КТР кристалла/подложки;

• ширина кристалла (или соединяемых компонентов) определяет расстояние, которое проходит растворитель, содержащийся в адгезиве, до того как покинет клеевой шов. Поэтому размер кристалла должен учитываться и для правильного удаления растворителя;

• металлизация кристалла и подложки (или соединяемых компонентов) не обязательна. Обычно полимерные клеи имеют хорошую адгезию ко многим неметаллизированым поверхностям. Поверхности должны быть очищены от органических загрязнений;

• толщина клеевого шва. Для всех адгезива, содержащих тепло- , электропроводящий наполнитель, существует ограничение по минимальной толщине клеевого шва dx (см. рисунок). Слишком тонкий шов не будет иметь достаточно связующего вещества, чтобы покрыть весь наполнитель и сформировать связи с соединяемыми поверхностями. Кроме того, для материалов с высоким модулем упругости толщина шва может ограничиваться различными КТР для соединяемых материалов. Обычно для клеев с низким модулем упругости рекомендуемая минимальная толщина шва составляет 20-50 мкм, для клеев с высоким модулем упругости 50-100 мкм;

• время жизни адгезива до установки компонента. После нанесения адгезива растворитель из пасты начинает постепенно испаряться. Если клей высыхает, то не происходит смачивания и приклеивания соединяемых материалов. Для компонентов малого размера, где отношение площади поверхности к объёму нанесённого клея велико, растворитель испаряется быстро, и время после нанесения до установки компонента необходимо минимизировать. Как правило, время жизни до установки компонента для различных клеев варьируется от десятков минут до нескольких часов;

• время жизни до термического отверждения клея отсчитывается от момента установки компонента до помещения всей системы в печь. При длительной задержке может происходить расслоение и растекание клея, что негативным образом сказывается на адгезии и теплопроводности материала. Чем меньше размер компонента и количество нанесённого клея, тем быстрее он может высохнуть. Время жизни до термического отверждения клея может варьироваться от десятков минут до нескольких часов.

Выбор проволоки, лент

Надёжность проволочного/ленточного соединения в сильной степени зависит от правильного вы-бора проволоки/ленты. Основными факторами определяющими условия применения того или иного типа проволоки являются:

Тип корпуса . В герметичных корпусах используется только алюминиевая или медная проволока, поскольку золото и алюминий образуют хрупкие интерметаллические соединения при высоких темпе-ратурах герметизации. Однако для негерметичных корпусов используется только золотая проволока/ лента, поскольку данный тип корпуса не обеспечивает полную изоляцию от влаги, что приводит к коррозии алюминиевой и медной проволоки.

Размеры проволоки/лент (диаметр, ширина, толщина) более тонкие проводники требуются для схем с малыми контактными площадками. С другой стороны, чем выше ток, протекающий через соединение, тем большее сечение проводников необходимо обеспечить

Прочность на разрыв . Проволока/ленты подвергаются внешнему механическому воздействию в течение последующих этапов и в процессе эксплуатации, поэтому, чем выше прочность на разрыв, тем лучше.

Относительное удлинение . Важная характеристика при выборе проволоки. Слишком высокие значения относительного удлинения усложняют контроль формирования петли при создании прово-лочного соединения.

Выбор метода защиты кристалла

Герметизация микросхем может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

При выборе технологии и материалов, которые будут использоваться на этапе герметизации, следу-ет принимать во внимание следующие факторы:

• Необходимый уровень герметичности корпуса
• Допустимые технологические температуры герметизации
• Рабочие температуры микросхемы
• Наличие металлизации соединяемых поверхностей
• Возможность использования флюса и специальной атмосферы монтажа
• Автоматизация процесса герметизации
• Стоимость операции герметизации

В статье приведён обзор технологий и материалов, применяемых для формирования столбиковых выводов на полупроводниковых пластинах при производстве микросхем.

Электрический монтаж радиокомпонентов должен обеспечивать надежную работу аппаратуры, приборов и систем в условиях механических и климатических воздействий, указанных в ТУ на данный вид РЭА. Поэтому при монтаже полупроводниковых приборов (ПП), интегральных схем (ИС) радиокомпонентов на печатные платы или шасси аппаратуры должны соблюдаться следующие условия:

• надежный контакт корпуса мощного ПП с теплоотводом (радиатором) или шасси;
• необходимая конвекция воздуха у радиаторов и элементов, выделяющих большое количество теплоты;
• удаление полупроводниковых элементов от элементов схемы, выделяющих при работе значительное количество теплоты;
• защита монтажа, расположенного вблизи съемных элементов, от механических повреждений при эксплуатации;
• в процессе подготовки и проведения электрического монтажа ПП и ИС механические и климатические воздействия на них не должны превышать значений, указанных в ТУ;
• при рихтовке, формовке и обрезке выводов ПП и ИС участок вывода около корпуса должен быть закреплен так, чтобы в проводнике не возникали изгибающие или растягивающие усилия. Оснастка и приспособления для формовки выводов должны быть заземлены;
• расстояние от корпуса ПП или ИС до начала изгиба вывода должно быть не менее 2 мм, а радиус изгиба при диаметре вывода до 0,5 мм - не менее 0,5 мм, при диаметре 0,6- 1 мм - не менее 1 мм, при диаметре свыше 1 мм - не менее 1,5 мм.

В процессе монтажа, транспортировки и хранения ПП и ИС (особенно полупроводниковых приборов СВЧ) необходимо обеспечивать их защиту от воздействия статического электричества. Для этого все монтажное оборудование, инструменты, контрольно-измерительную аппаратуру надежно заземляют. Чтобы снять статическое электричество с тела электромонтажника, пользуются заземляющими браслетами и специальной одеждой.

Для отвода теплоты участок вывода между корпусом ПП (или ИС) и местом пайки зажимают специальным пинцетом (теплоотводом). Если температура припоя не превышает 533 К ± 5 К (270 °С), а время пайки не более 3 с, пайку выводов ПП (или ИС) производят без теплоотвода или применяют групповую пайку (волной припоя, погружением в расплавленный припой или др.).

Очистку печатных плат (или панелей) от остатков флюса после пайки производят растворителями, которые не влияют на маркировку и материал корпусов ПП (или ИС).

При установке ИС с жесткими радиальными выводами в металлизированные отверстия печатной платы выступающая часть выводов над поверхностью платы в местах пайки должна быть 0,5-1,5 мм. Монтаж ИС этим способом производят после подрезки выводов (рис. 55). Для облегчения демонтажа установку ИС на печатные платы рекомендуется производить с зазорами между их корпусами.

Рис. 55. Формовка жестких радиальных выводов ИС:
1 - отформованные выводы, 2 - выводы перед формовкой

Интегральные схемы в корпусах с мягкими планарными выводами устанавливают на контактные площадки платы без монтажных отверстий. В этом случае их расположение на плате определяется формой контактных площадок (рис. 56).

Рис. 56. Монтаж ИС с плоскими (планарными) выводами на печатную плату:
1 - контактная площадка с ключом, 2 - корпус, 3 - плата, 4 - вывод

Примеры формовки ИС с планарными выводами приведены на рис. 57.

Рис. 57. Формовка плоских (планарных) выводов ИС при установке на плату без зазора (я), с зазором (б)

Установка и крепление ПП и И С, а также навесных радиокомпонентов па печатные платы должны обеспечивать доступ к ним и возможность их замены. Для охлаждения ИС их следует располагать на печатных платах с учетом движения воздушного потока вдоль их корпусов.

Для электрического монтажа ПП и малогабаритных радиокомпонентов сначала их устанавливают на монтажную арматуру (лепестки, штыри и т. п.) и механически закрепляют на ней выводы. Для пайки монтажного соединения применяют бескислотный флюс, остатки которого после пайки удаляют.

Радиокомпоненты к монтажной арматуре крепят либо механически на собственных выводах, либо дополнительно хомутом, скобой, держателем, заливкой компаундом, мастикой, клеем и др. При этом радиокомпоненты закрепляют так, чтобы они не смещались при вибрации и ударах (тряске). Рекомендуемые виды крепления радиокомпонентов (сопротивлений, конденсаторов, диодов, транзисторов) показаны на рис. 58.

Рис. 58. Установка радиокомпонентов на монтажную арматуру:
а, б - резисторов (конденсаторов) с плоскими и круглыми выводами, в - конденсатора ЭТО, г - диодов Д219, Д220, д - мощного диода Д202, е - триодов МП-14, МП-16, ж - мощного триода П4; 1 - корпус, 2 - лепесток, 3 - вывод, 4 - радиатор, 5 - провода, 6 - изоляционная трубка

Механическое крепление выводов радиокомпонентов на монтажной арматуре производится загибкой или скруткой их вокруг арматуры с последующим обжатием. При этом излом вывода при обжатии не допускается. При наличии в контактной стойке или лепестке отверстия вывод радиокомпонента перед пайкой механически закрепляют, продевая его через отверстие и огибая на половину или целый оборот вокруг лепестка или стойки с последующим обжатием. Излишек вывода при этом удаляют боковыми кусачками, а место крепления обжимают плоскогубцами.

Как правило, способы установки радиокомпонентов и крепления их выводов оговариваются в сборочном чертеже на изделие.

Для уменьшения расстояния между радиокомпонентом и шасси на их корпуса или выводы надевают изоляционные трубки, диаметр которых равен или несколько меньше диаметра радиокомпонента. В этом случае радиокомпоненты располагают вплотную друг к другу или к шасси. Изоляционные трубки, надеваемые на выводы радиокомпонентов, исключают возможность замыкания с соседними токопроводящими элементами.

Длина монтажных выводов от места пайки до корпуса радиокомпоиента приводится в ТУ и, как правило, оговаривается в чертеже: для дискретных радиокомпонеитов она должна быть не менее 8 мм, а для ПП - не менее 15 мм. Длина вывода от корпуса до изгиба радиокомпонента также оговаривается в чертеже: она должна быть не менее 3 мм. Выводы радиокомпонентов изгибают шаблоном, приспособлением или специальным инструментом. Причем внутренний радиус изгиба должен быть не меньше удвоенного диаметра или толщины вывода. Жесткие выводы радиокомпонентов (сопротивлений ПЭВ и т. п.) при монтаже отгибать не разрешается.

Радиокомпоненты, подбираемые при настройке или регулировке прибора, следует подпаивать без механического закрепления на полную длину своих выводов. После подбора их номиналов и регулировки прибора радиокомпоненты должны быть подпаяны к опорным точкам с механическим закреплением выводов.

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.

Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.

С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.

Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.

Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

Классификация транзисторов:

По принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.

По значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.

По значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.

По значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.

По функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.

По конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:

1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».

2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.

3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.

Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.

В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.

На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.

Рисунок 3 - Условно - графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости - электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).

Эмиттер (Э) - слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;

Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;

База (Б) - средний слой, управляющий током транзистора.

При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой - выходным (включается нагрузка), третий электрод - общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.

Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора - в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.

К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.

Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.

Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.

Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.

МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.

Подробнее о транзисторах смотрите здесь:

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.

Рисунок 5 - Условно - графическое обозначение тиристоров

Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.

Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.

Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Симисторы (симметричные тиристоры) - проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

Использование: в области изготовления полупроводниковых приборов путем бесфлюсовой пайки на воздухе без применения защитных сред, может быть использовано при сборке диодов Шоттки и биполярных транзисторов путем пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам припоями на основе свинца. Сущность изобретения: способ сборки полупроводниковых приборов заключается в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который помещают навеску припоя и кристалл, а кассету с собранными приборами загружают в конвейерную водородную печь при температуре пайки 370°С. Новым в способе является то, что полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов приборов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами. Техническим результатом изобретения является повышение надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами, улучшение смачивания припоем соединяемых поверхностей, повышение производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам. 2 ил.

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов путем бесфлюсовой пайки на воздухе без применения защитных сред. Оно может быть использовано при сборке диодов Шоттки и биполярных транзисторов путем пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам припоями на основе свинца. Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к корпусу. Известен способ сборки мощных транзисторов кассетным методом, по которому ножка транзистора размещается на направляющих в кассете, а между кристаллом и корпусом размещается навеска припоя, при этом пайка осуществляется в конвейерной печи с восстановительной средой без использования флюсов. Кассета обеспечивает точную ориентацию кристалла относительно ножки прибора и исключает его смещение в процессе пайки. Недостатком известного способа является достаточно высокая трудоемкость изготовления полупроводниковых приборов. Кроме того, наличие оксидных пленок на соединяемых поверхностях ухудшает смачивание и капиллярное течение припоя в соединительном зазоре. Известен способ пайки микрополосковых устройств низкотемпературными припоями без применения флюсов, при котором паяемые поверхности предварительно покрывают металлами или сплавами с температурой плавления, близкой к температуре плавления припоя, но выше ее, а в момент расплавления припоя одной из паяемых деталей сообщают низкочастотные колебания. Основным недостатком указанного способа является низкая производительность данной сборочной операции, т.к. пайка осуществляется дискретно. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ сборки полупроводниковых приборов , заключающийся в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который затем помещают навеску припоя и кристалл. Недостатком данного способа является высокая трудоемкость сборочных операций и низкий процент выхода годных приборов. Кроме того, данный способ не обеспечивает предварительной ориентации и фиксации кристалла относительно корпуса, в результате чего возможны разворот и смещение кристалла еще до начала процесса пайки. Более того, при пайке необходима высокая температура нагрева, что предъявляет определенные требования к кристаллу. Особенно следует отметить наличие непропаев в паяном шве, что способствует увеличению теплового и электрического сопротивления контакта полупроводникового кристалла с корпусом. Поэтому этот способ сборки полупроводниковых приборов является низкоэффективным (или неэффективным), особенно при пайке полупроводниковых кристаллов к корпусам изделий силовой электроники. Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это повышение надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами, улучшение смачивания припоем соединяемых поверхностей, повышение производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам. Эта задача достигается тем, что в способе сборки полупроводниковых приборов, заключающемся в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который помещают навеску припоя и кристалл, а кассету с собранными приборами загружают в конвейерную водородную печь при температуре пайки 370 o C, с целью повышения надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристаллов со структурами, улучшения смачивания припоем соединяемых поверхностей и повышения производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам, полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами. Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что с целью повышения надежности полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами, улучшения смачивания припоем соединяемых поверхностей и повышения производительности сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами. Таким образом, заявляемый способ сборки полупроводниковых приборов соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого способа с другими известными способами из известного уровня техники, также не позволило выявить в них признаки, заявляемые в отличительной части формулы. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображены: на фиг. 1 - схема сборки и пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам, вид сбоку; на фиг. 2 - фрагмент сборки и пайки одного кристалла к корпусу, вид сбоку. Способ сборки полупроводниковых приборов (фиг. 1 и 2) реализуется по схеме, содержащей основание 1, соединенное с вакуумным насосом. На основании закреплена вакуумная присоска 2, в ячейках которой фиксируются коллекторной поверхностью вверх полупроводниковые кристаллы 3 с припоем 4 на паяемой поверхности. На кристаллах размещают корпуса приборов 5. V-образные электроды 6 жестко закреплены в кронштейне 7, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом. Для равномерного нагрева всей площади кристалла при пайке размеры рабочей площади электрода должны быть на 0,6-1,0 мм больше каждой из сторон кристалла. Нагрев корпуса, кристалла и припоя до температуры пайки осуществляется за счет тепла, выделяемого рабочей площадкой V-образного электрода при прохождении через него импульса тока. Для разрушения оксидных пленок и активации соединяемых поверхностей кристалла и корпуса в момент расплавления припоя кристаллы 3 через вакуумную присоску 2 и основание 1 подвергаются воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву от ультразвукового концентратора 8. Давление на каждый кристалл осуществляется массой корпуса и кронштейна с электродами. Примером сборки полупроводниковых приборов может служить сборка диодов Шоттки. На коллекторную поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии последовательно наносят следующие пленки: алюминия - 0,2 мкм, титана - 0,2-0,4 мкм, никеля - 0,4 мкм, а для пайки - припой, например ПСр2,5 толщиной 40-60 мкм. Затем полупроводниковую пластину разделяют на кристаллы. Металлическую пластину, состоящую из 10 корпусов 5 типа ТО-220, покрывают по известной технологии гальваническим никелем толщиной 6 мкм. Процесс сборки диодов Шоттки заключается в следующем: кристаллы 3 коллекторной поверхностью вверх фиксируются в ячейках вакуумной присоски 2, включается вакуумный насос, и за счет разности давлений кристаллы прижимаются к стенкам вакуумной присоски; пластина с корпусами приборов 5 размещается на кристаллах; кронштейн 7 с электродами 6 совмещают с контактными площадками корпусов в местах их пайки с кристаллами 3. При пайке кронштейн 7 с электродами 6 прижимает пластину из корпуса 5 к кристаллам 3. Через электроды, соединенные электрически последовательно друг с другом, пропускается импульс тока. Тепло от рабочей площадки электрода передается корпусам и далее кристаллам, разогревая припой до температуры пайки. В это время кристаллы подвергаются воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву от ультразвукового концентратора 8. Это способствует разрушению оксидных пленок и улучшению смачивания припоем соединяемых поверхностей кристалла и корпуса. Через заданное время отключается ток, и после кристаллизации припоя образуется качественное паяное соединение. Сжимающее усилие кристалла к корпусу при пайке задается массой корпуса и кронштейна с электродами. Так как при импульсной пайке происходит нагрев кристалла через корпус, то коллекторная поверхность нагревается до температуры пайки, а противоположная поверхность кристалла со структурами имеет температуру нагрева значительно ниже, чем коллекторная. Этот фактор способствует повышению надежности полупроводниковых приборов. Таким образом, использование предлагаемого способа сборки полупроводниковых приборов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества. 1. Повышается надежность полупроводниковых приборов за счет снижения температуры нагрева при пайке поверхности кристалла со структурами. 2. Улучшается смачивание припоем соединяемых поверхностей. 3. Повышается производительность сборочных операций за счет групповой пайки кристаллов к корпусам. Источники информации 1. Сборка мощных транзисторов кассетным методом /П.К. Воробьевский, В.В. Зенин, А. И. Шевцов, М.М. Ипатова//Электронная техника. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. - 1979.- Вып. 4.- С. 29-32. 2. Пайка микрополосковых устройств низкотемпературными припоями без применения флюсов / В.И. Бейль, Ф.Н. Крохмальник, Е.М. Любимов, Н.Г. Отмахова//Электронная техника. Сер.7. Электроника СВЧ.- 1982.- Вып. 5 (341).- С. 40. 3. Яковлев Г.А. Пайка материалов припоями на основе свинца: Обзор.- М.: ЦНИИ "Электроника". Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. Вып. 9 (556), 1978, с. 58 (прототип).

Формула изобретения

Способ сборки полупроводниковых приборов, заключающийся в том, что на основании корпуса размещают фильтрующий и легирующий элемент, на который помещают навеску припоя и кристалл, а кассету с собранными приборами загружают в конвейерную водородную печь при температуре пайки 370°С, отличающийся тем, что полупроводниковые кристаллы с припоем на коллекторной стороне фиксируют в перевернутом положении в ячейках вакуумной присоски и совмещают с контактными площадками корпусов приборов, а нагрев до температуры пайки осуществляют на воздухе импульсом тока через V-образные электроды, которые жестко закреплены в кронштейне, электрически последовательно соединены друг с другом и расположены дифференцированно над каждым кристаллом, а в момент расплавления припоя вакуумную присоску с кристаллами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний в направлении, параллельном паяному шву, при этом давление на каждый кристалл осуществляют массой корпуса прибора и кронштейна с электродами.