RU212525U1

RU212525U1 - LOW DROP SMD DIODE

Info

Publication number: RU212525U1
Application number: RU2022105938U
Authority: RU
Inventors: Денис Михайлович Пригодский; Светлана Анатольевна Прокопенко; Денис Анатольевич Холодков; Андрей Сергеевич Шабанов
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Полезная модель относится к области электроники, а именно к микроэлектронному конструированию, представляет собой диод с малым падением напряжения для поверхностного монтажа, и может быть использована в разработке и изготовлении различных полупроводниковых изделий в металлокерамическом корпусе для поверхностного монтажа. Диод содержит в корпусе эпитаксиальный кремниевый кристалл n-типа и два вывода, при этом корпус выполнен в виде основания и крышки, выполненных из однотипной алюмонитридной керамики с теплопроводностью не менее 160 Вт/м⋅К и температурным коэффициентом линейного расширения не более 5,6⋅10^-6/°С, расположенных соосно и герметично соединенных между собой по периметру; выводы для поверхностного монтажа, формируемые из выводной металлической рамки, изогнутой два раза под прямым углом после выхода из боковых противоположных сторон корпуса между основанием и крышкой, при этом выводы для поверхностного монтажа крепятся с внутренней стороны основания, огибают его и располагаются на внешней стороне основания в одной установочной плоскости для поверхностного монтажа; эпитаксиальный кремниевый кристалл n-типа расположен на внутренней части одного из выводов и соединен перемычкой с другим выводом, при этом внутренняя полость крышки герметизируется заливочным компаундом. Техническим результатом полезной модели является снижение теплового сопротивления «переход-корпус» при температурных воздействиях. Техническим результатом полезной модели является снижение теплового сопротивления «переход-корпус» при температурных воздействиях. 1 ил., 1 табл.The utility model relates to the field of electronics, namely to microelectronic design, is a diode with a low voltage drop for surface mounting, and can be used in the development and manufacture of various semiconductor products in a ceramic-metal package for surface mounting. The diode contains an n-type epitaxial silicon crystal and two terminals in the housing, while the housing is made in the form of a base and a cover made of the same type of aluminum nitride ceramic with a thermal conductivity of at least 160 W/m⋅K and a linear thermal expansion coefficient of not more than 5.6⋅ 10 ^-6 /°C, located coaxially and hermetically connected to each other along the perimeter; surface mount leads formed from a lead metal frame bent twice at a right angle after leaving the side opposite sides of the housing between the base and the cover, while the surface mount leads are attached to the inside of the base, go around it and are located on the outside of the base in one mounting plane for surface mounting; an n-type epitaxial silicon crystal is located on the inside of one of the terminals and is connected by a jumper to the other terminal, while the internal cavity of the cover is sealed with a potting compound. The technical result of the utility model is to reduce the thermal resistance of the "junction-housing" under temperature effects. The technical result of the utility model is to reduce the thermal resistance of the "junction-housing" under temperature effects. 1 ill., 1 tab.

Description

Полезная модель относится к области электроники, а именно к микроэлектронному конструированию, и может быть использована в разработке и изготовлении мощных диодов с малым падением напряжения и прочих полупроводниковых изделий в металлокерамическом корпусе для поверхностного монтажа.The utility model relates to the field of electronics, namely to microelectronic design, and can be used in the development and manufacture of high-power diodes with a low voltage drop and other semiconductor products in a ceramic-metal package for surface mounting.

Известны кремниевые диоды с малым падением напряжения (диоды Шоттки) серии SS16 компании «Vishay» (https://www.vishay.com/docs/8874), содержащие в плоском корпусе эпитаксиальный кремниевый кристалл n-типа, защищенный пластиковым корпусом от внешних воздействий, и два вывода для поверхностного монтажа, которые выполнены из металлической ленты, изогнутой два раза под прямым углом после выхода из боковых противоположных сторон пластмассового корпуса.Silicon diodes with a low voltage drop (Schottky diodes) of the SS16 series from Vishay (https://www.vishay.com/docs/8874) are known, containing an n-type epitaxial silicon crystal in a flat package, protected by a plastic case from external influences , and two surface mount leads, which are made of a metal strip bent two times at a right angle after exiting the opposite sides of the plastic case.

Данное решение принято в качестве прототипа.This decision was taken as a prototype.

Недостатком прототипа является повышенное тепловое сопротивление «переход-корпус» при температурных воздействиях.The disadvantage of the prototype is the increased thermal resistance of the "junction-case" under temperature influences.

Это обусловлено применением в конструкции материала с относительно низкой теплопроводностью, а также высоким значением температурного коэффициента линейного расширения, что снижает работоспособность диода при температурных воздействиях.This is due to the use in the design of a material with a relatively low thermal conductivity, as well as a high value of the temperature coefficient of linear expansion, which reduces the performance of the diode under temperature effects.

Полезная модель устраняет недостаток прототипа.The utility model eliminates the drawback of the prototype.

Техническим результатом полезной модели является снижение теплового сопротивления «переход-корпус» при температурных воздействиях.The technical result of the utility model is to reduce the thermal resistance "transition-housing" under temperature effects.

Технический результат достигается тем, что диод с малым падением напряжения для поверхностного монтажа содержит в корпусе эпитаксиальный кремниевый кристалл n-типа и два вывода, корпус выполнен в виде основания и крышки, выполненных из однотипной алюмонитридной керамики с теплопроводностью большей либо равной 160 Вт/м⋅К и температурным коэффициентом линейного расширения меньше либо равным 5,6⋅10^-6/°С, расположенных соосно и герметично соединенных между собой по периметру; выводы для поверхностного монтажа, формируемые из выводной металлической рамки, изогнутой два раза под прямым углом после выхода из боковых противоположных сторон корпуса между основанием и крышкой, при этом выводы для поверхностного монтажа крепятся с внутренней стороны основания, огибают его и располагаются на внешней стороне основания в одной установочной плоскости для поверхностного монтажа; эпитаксиальный кремниевый кристалл n-типа расположен на внутренней части одного из выводов и соединен перемычкой с другим выводом, при этом внутренняя полость крышки герметизируется заливочным компаундом.The technical result is achieved by the fact that the diode with a low voltage drop for surface mounting contains an n-type epitaxial silicon crystal and two leads in the housing, the housing is made in the form of a base and a cover made of the same type of aluminum nitride ceramics with a thermal conductivity greater than or equal to 160 W/m⋅ K and the temperature coefficient of linear expansion is less than or equal to 5.6⋅10 ^-6 /°C, located coaxially and hermetically connected to each other along the perimeter; surface mount leads formed from a lead metal frame bent twice at a right angle after leaving the side opposite sides of the housing between the base and the cover, while the surface mount leads are attached to the inside of the base, go around it and are located on the outside of the base in one mounting plane for surface mounting; an n-type epitaxial silicon crystal is located on the inside of one of the terminals and is connected by a jumper to the other terminal, while the internal cavity of the cover is sealed with a potting compound.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где:The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where:

1 - основание;1 - base;

2 - крышка;2 - cover;

3 - выводы для поверхностного монтажа;3 - leads for surface mounting;

4 - эпитаксиальный кремниевый кристалл n-типа;4 - epitaxial silicon crystal n-type;

5 - перемычки;5 - jumpers;

6 - заливочный компаунд.6 - casting compound.

В таблице представлены значения теплопроводности и температурного коэффициента линейного расширения для пластика, алюмонитридной керамики и кремния.The table shows the thermal conductivity and temperature coefficient of linear expansion for plastic, aluminum nitride ceramics and silicon.

Устройство содержит корпус в виде основания 1 и крышки 2, выполненных из однотипной алюмонитридной керамики с теплопроводностью не менее 160 Вт/м⋅К и температурным коэффициентом линейного расширения не более 5,6⋅10^-6/°С, расположенных соосно и герметично соединенных между собой по периметру; выводы 3 для поверхностного монтажа, формируемые из выводной металлической рамки, изогнутой два раза под прямым углом после выхода из боковых противоположных сторон корпуса между основанием 1 и крышкой 2, при этом выводы 3 для поверхностного монтажа крепятся с внутренней стороны основания 1, огибают его и располагаются на внешней стороне основания 1 в одной установочной плоскости для поверхностного монтажа; эпитаксиальный кремниевый кристалл 4 n-типа расположен на внутренней части одного из выводов 3 и соединен перемычкой 5 с другим выводом 3, при этом внутренняя полость крышки 2 герметизируется заливочным компаундом 6.The device contains a body in the form of a base 1 and a cover 2, made of the same type of aluminum nitride ceramics with a thermal conductivity of at least 160 W/m⋅K and a temperature coefficient of linear expansion of not more than 5.6⋅10 ^-6 /°C, located coaxially and hermetically connected between along the perimeter; terminals 3 for surface mounting, formed from an output metal frame, bent twice at a right angle after leaving the side opposite sides of the housing between base 1 and cover 2, while terminals 3 for surface mounting are attached to the inside of base 1, go around it and are located on the outside of base 1 in one mounting plane for surface mounting; an n-type epitaxial silicon crystal 4 is located on the inside of one of the terminals 3 and is connected by a jumper 5 to the other terminal 3, while the internal cavity of the cover 2 is sealed with a potting compound 6.

Пайка выводной рамки к внутренней стороне основания 1 проводится в вакууме высокотемпературными припоями типа ПСр72, после чего выводная рамка обрезается, загибается и формируются выводы 3 для поверхностного монтажа, которые огибают основание 1 и располагаются на его внешней стороне в одной установочной плоскости для поверхностного монтажа. Расстояние между выводами 3 для поверхностного монтажа обеспечивается технологическими возможностями при изготовлении. Пайка эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа к одному из выводов 3 для поверхностного монтажа проводится с внутренней стороны низкотемпературными серебряными припоями типа ПСр2,5, перемычка 5 может быть сделана, например, из алюминиевой или золотой проволоки и присоединяется к кремниевому эпитаксиальному кристаллу 4 n-типа и выводу 3 методом термокомпрессионной или ультразвуковой сварки. В зависимости от мощности диода вместо одной перемычки 5 может использоваться несколько таких перемычек. Защита эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа и перемычки 5 от влаги и других воздействий осуществляется специальным заливочным компаундом 6. Крышка 2 имеет внутреннюю полость, форма и размеры которой могут быть любыми и должны обеспечивать свободное расположение эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа и перемычки 5. Основание 1 и крышка 2 герметично соединяются между собой по периметру, например, клеем типа ВТ-25 или низкотемпературным стеклоприпоем.Soldering of the lead frame to the inner side of the base 1 is carried out in a vacuum with high-temperature solders of the PSr72 type, after which the lead frame is cut off, bent and leads 3 for surface mounting are formed, which go around the base 1 and are located on its outer side in one mounting plane for surface mounting. The distance between the terminals 3 for surface mounting is provided by technological capabilities in the manufacture. Soldering of the epitaxial silicon crystal 4 n-type to one of the conclusions 3 for surface mounting is carried out from the inside with low-temperature silver solders of the PSr2.5 type, the jumper 5 can be made, for example, from aluminum or gold wire and is attached to the silicon epitaxial crystal 4 n- type and terminal 3 by thermocompression or ultrasonic welding. Depending on the power of the diode, several such jumpers can be used instead of one jumper 5. The protection of the n-type epitaxial silicon crystal 4 and jumper 5 from moisture and other influences is carried out by a special casting compound 6. The cover 2 has an internal cavity, the shape and dimensions of which can be any and should ensure the free location of the n-type epitaxial silicon crystal 4 and jumper 5 Base 1 and cover 2 are hermetically connected to each other along the perimeter, for example, with BT-25 glue or low-temperature glass solder.

Корпус выполнен в виде параллелепипеда, но может иметь и другую форму. Материалы основания 1, крышки 2 и выводов 3 для поверхностного монтажа имеют соизмеримый температурный коэффициент линейного расширения, близкий к полупроводниковым кристаллам. Основание 1 и крышка 2 выполнены из однотипного теплоотводящего керамического материала на основе плоской алюмонитридной керамики, тем самым обеспечиваются стабильные параметры и характеристики диода с малым падением напряжения для поверхностного монтажа.The body is made in the form of a parallelepiped, but may have a different shape. The materials of the base 1, cover 2, and surface mount terminals 3 have a comparable temperature coefficient of linear expansion, close to that of semiconductor chips. The base 1 and the cover 2 are made of the same type of heat-removing ceramic material based on flat aluminum nitride ceramic, thereby ensuring the stable parameters and characteristics of the SMD low dropout diode.

Эпитаксиальный кремниевый кристалл 4 n-типа диода с малым падением напряжения для поверхностного монтажа изготовлен на основе кремниевой эпитаксиальной структуры n-типа с выпрямляющим электрический ток переходом металл-полупроводник. В отличие от стандартного диода с двумя областями р и n типа, выпрямляющие свойства диода с малым падением напряжения для поверхностного монтажа обуславливаются только одним типом легирования полупроводника и выпрямляющим контактом к нему - диод Шоттки. Такой диод обладает следующими главными преимуществами: меньше величина прямого падения напряжения, более высокое быстродействие, выпрямляющие свойства сохраняются при больших частотах и плотностях электрического тока. Получение выпрямляющего или барьерного контакта для определенного типа проводимости полупроводника зависит от соотношения между значениями работы выхода электронов из полупроводника и металла. Для кремния n-типа работа выхода электронов из полупроводника должна быть меньше, чем работа выхода электронов из металла, для кремния р-типа работа выхода электронов из полупроводника должна быть больше, чем работа выхода электронов из металла. Барьерный контакт может быть изготовлен из ванадия, платины, палладия, молибдена, титана, никеля, хрома, вольфрама и их силицидов. Расположение металлизированных контактных площадок эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа - двустороннее. Устройство работает следующим образом.The 4n-type low dropout voltage dropout n-type silicon epitaxial diode for surface mounting is based on an n-type silicon epitaxial structure with a metal-semiconductor junction that rectifies electric current. Unlike a standard dual-region p and n type diode, the rectifying properties of a low dropout SMD diode are determined by only one type of semiconductor doping and rectifying contact to it - the Schottky diode. Such a diode has the following main advantages: less direct voltage drop, higher speed, rectifying properties are preserved at high frequencies and electric current densities. Obtaining a rectifying or barrier contact for a certain type of semiconductor conductivity depends on the ratio between the values of the work function of electrons from the semiconductor and metal. For n-type silicon, the work function of electrons from a semiconductor must be less than the work function of electrons from a metal; for p-type silicon, the work function of electrons from a semiconductor must be greater than the work function of electrons from a metal. The barrier contact can be made from vanadium, platinum, palladium, molybdenum, titanium, nickel, chromium, tungsten and their silicides. The location of the metallized contact pads of the epitaxial silicon crystal 4 n-type is bilateral. The device works as follows.

При воздействии мощных токовых импульсов на диод с малым падением напряжения для поверхностного монтажа происходит разогрев эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа, соединенного перемычкой 5 с одним из выводов 3 для поверхностного монтажа. Для предотвращения перегрева и наступления теплового пробоя диода с малым падением напряжения для поверхностного монтажа отвод тепла от эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа, защищенного заливочным компаундом 6, осуществляется через выводы 3 для поверхностного монтажа, а также с помощью корпуса в виде основания 1 и крышки 2, выполненных из однотипного теплоотводящего керамического материала на основе плоской алюмонитридной керамики (AlN). В данном техническом решении применена керамика AlN с теплопроводностью от 160 Вт/м⋅К до 240 Вт/м⋅К и ТКЛР от 4,7⋅10^-6/°С до 5,6⋅10^-6/°С. При использовании материала с теплопроводностью менее 160 Вт/м⋅К, эффективность отвода тепла от эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа будет снижаться, а при теплопроводности более 240 Вт/м⋅К, тепловое сопротивление «переход-корпус» будет еще меньше. При температурных воздействиях основное влияние на термо- и энергоциклостойкость диода с малым падением напряжения для поверхностного монтажа оказывает температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала корпуса и его соизмеримость с ТКЛР эпитаксиального кремниевого кристалла 4 п-типа. При использовании материала с ТКЛР менее 4,7⋅10^-6/°С, термо- и энергоциклостойкость при температурных воздействиях будет улучшаться, а при ТКЛР более 5,6⋅10^-6/°С, ухудшаться.When exposed to powerful current pulses on a diode with a small voltage drop for surface mounting, the epitaxial silicon crystal 4 n-type is heated, connected by a jumper 5 to one of the outputs 3 for surface mounting. To prevent overheating and thermal breakdown of the SMD low-drop voltage diode, heat removal from the n-type epitaxial silicon crystal 4 protected by potting compound 6 is carried out through the surface mount leads 3, as well as using the case in the form of a base 1 and a cover 2, made of the same type of heat-removing ceramic material based on flat aluminum nitride ceramics (AlN). This technical solution uses AlN ceramics with thermal conductivity from 160 W/m⋅K to 240 W/m⋅K and TCLE from 4.7⋅10 ^-6 /°С to 5.6⋅10 ^-6 /°С. When using a material with a thermal conductivity of less than 160 W/m⋅K, the efficiency of heat removal from the 4n-type epitaxial silicon crystal will decrease, and with a thermal conductivity of more than 240 W/m⋅K, the junction-to-body thermal resistance will be even lower. Under thermal influences, the thermal and energy-cycling resistance of a low-drop voltage SMD diode is mainly influenced by the temperature coefficient of linear expansion (TCLE) of the package material and its commensurability with the TCLE of an n-type epitaxial silicon crystal 4. When using a material with TCLE less than 4.7⋅10 ^-6 /°C, thermal and energy cycle resistance under temperature effects will improve, and when TCLE is more than 5.6⋅10 ^-6 /°C, it will deteriorate.

В полезной модели пластиковый корпус заменяется на корпус из теплоотводящего керамического материала на основе плоской алюмонитридной керамики, из которой изготовлены основание 1 и крышка 2, теплопроводность AlN на два порядка лучше, чем теплопроводность пластикового корпуса прототипа (таблица). Это снижает тепловое сопротивление «переход-корпус» и позволяет отводиться теплу от эпитаксиального кремниевого кристалла 4 n-типа эффективнее при воздействии мощных токовых импульсов. Основание 1 и крышка 2 выполнены из однотипного теплоотводящего керамического материала на основе плоской алюмонитридной керамики, имеющей ТКЛР на порядок ниже, чем используемый пластиковый корпус прототипа (таблица). Поэтому предлагаемое техническое решение улучшает температурные и эксплуатационные характеристики диода при температурных воздействиях.In the utility model, the plastic case is replaced by a case made of a heat-removing ceramic material based on flat aluminum nitride ceramics, from which the base 1 and cover 2 are made, the thermal conductivity of AlN is two orders of magnitude better than the thermal conductivity of the plastic case of the prototype (table). This reduces the junction-case thermal resistance and allows heat to be removed from the 4n-type epitaxial silicon crystal more efficiently when exposed to powerful current pulses. The base 1 and the cover 2 are made of the same type of heat-removing ceramic material based on flat aluminum nitride ceramics, which has a TCLE an order of magnitude lower than the used prototype plastic case (table). Therefore, the proposed technical solution improves the temperature and performance characteristics of the diode under temperature effects.

Таким образом, использование единого теплоотводящего керамического материала на основе плоской алюмонитридной керамики для основания 1 и крышки 2 позволяет снизить тепловое сопротивление «переход-корпус» при температурных воздействиях.Thus, the use of a single heat-removing ceramic material based on flat aluminum nitride ceramics for base 1 and cover 2 makes it possible to reduce the thermal resistance of the "transition-case" under temperature influences.

Диод с малым падением напряжения для поверхностного монтажаLow Dropout SMD Diode

Claims

SMD diode with a low voltage drop containing an n-type epitaxial silicon crystal and two leads in the package, characterized in that the package is made in the form of a base and a cover made of the same type of aluminum nitride ceramic with a thermal conductivity greater than or equal to 160 W/m⋅K and the temperature coefficient of linear expansion is less than or equal to 5.6⋅10 ^-6 /°C, located coaxially and hermetically connected to each other along the perimeter; surface mount leads formed from a lead metal frame bent twice at a right angle after leaving the side opposite sides of the housing between the base and the cover, while the surface mount leads are attached to the inside of the base, go around it and are located on the outside of the base in one mounting plane for surface mounting; an n-type epitaxial silicon crystal is located on the inside of one of the terminals and is connected by a jumper to the other terminal, while the internal cavity of the cover is sealed with a potting compound.