专利名称：大功率交流固体继电器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够在工业环境中应用的大功率交流固体继电器。
固体继电器以其无触点、无火花、寿命长、可靠性高等优点已广泛应用于电子、信息、交通、矿山机械、纺织、石油化工、舞台灯光等自动化控制领域。
传统的固体继电器主要以成管塑封双向可控硅或成管塑封单向可控硅反并联两种结构作为输出功率器件。塑封双向可控硅受其制造工艺及本身结构的限制，通态电流一般小于等于41A，正反向重复峰值电压小于1000V，且管腿引线截面小(一般不大于1平方毫米)，限制了输出电流大于40A情况下的使用。塑封单向可控硅反并联解决了正反向重复峰值电压问题(一般为1300V-1600V)，输出电流能力有所提高，但很难超过100A。
随着各种新材料、新工艺的问世，固体继电器的性能、工艺也在不断的改善。如近几年出现的DCB(Direct Copper Bonded)铜瓷键合技术，参阅图1所示，是将硅芯片3直接焊在DCB基板2上，作为大功率继电器发展的方向，已备受生产厂家及用户的青睐。通过摸索实践，这种结构在实际生产中也暴露了一些缺点1芯片热耗散不均，制作工艺不稳定，尤其是10mm×10mm以上的芯片，满负荷通电时合格率低。
2不易实现两只芯片性能匹配，影响固体继电器参数的一致性。
本实用新型的目的在于提供一种热导率高，散热快，热疲劳性能优良，易于芯片性能匹配，能够用于工业环境的大功率交流固体继电器。
本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的一种大功率交流固体继电器，包括外壳、底板、由光电耦合器构成的输入电极、采用两个可控硅芯片和两组内部电极及L型输出电极组成两个反向并联的可控硅电路结构的功率输出级、功率输出极的硅芯片通过L型输出电极直接与六角螺栓接线端相连，其特征在于两个可控硅芯片上下面烧焊有复合金属材料，且下面复合金属材料烧焊在铜—瓷基板上，内部电极与基板和可控硅芯片上面复合金属材料相接。外壳可以呈长型或方型结构。底板设置于方型外壳结构的基板下面。
本实用新型采用与芯片热膨胀系数相近且热导率高的新型复合金属材料直接烧焊在芯片的阴、阳电极上，烧焊后可直接测试、筛选，易于实现两只芯片性能匹配，提高固体继电器参数的一致性，提高产品合格率。再将上述烧焊有复合金属材料的芯片烧焊到铜瓷DCB基板上，便于可控硅芯片尽快散热，减少热集中，降低热阻，起到保护芯片的作用，提高芯片大电流下的功耗散热和热疲劳次数。本实用新型结构简单易于制作，输出电流大，正反向重复峰值电压高，在恶劣的工业环境下运行可靠。
图1为现有固态继电器结构示意图的剖视图；图2为本实用新型结构示意图的剖视图；图3为本实用新型结构示意图的俯视图；图4为本实用新型方型外壳结构示意图的俯视图；图5为本实用新型的电路结构原理图。
以下结合附图及较佳实施例对本实用新型作进一步说明参阅图2、图3所示，大功率交流固体继电器主要是由输入电极1、铜—瓷直接键合(DCB)基板2、复合金属材料3、可控硅芯片4、内部电极5、环氧树脂6、输出电极7、外壳8、底板9等构成的。其外壳8可以采用长条型结构，使体积明显减小。由光电耦合器构成输入电极1，采用两个可控硅芯片4和两组跨接片组成的内部电极5及两个L型输出电极7组成两个反向并联的可控硅电路结构构成其功率输出级，且功率输出级的硅芯片4通过L型输出电极7直接与六角螺栓接线端相连，这样电极可以直接引出而不经其它焊接结构连接，使得结构简捷，又克服了原来的锡焊多种弊病，有利于通态电流的加大、采用六角螺栓可使连接更加可靠。本实用新型的不同之处在于两个可控硅芯片4上下面均烧焊有保护硅芯片4的新型复合金属材料3，其热膨胀系数与硅芯片4相近，由于新型复合金属材料3热导率高，散热快，可减少硅芯片4上的热集中，有利于降低产品的热阻，提高热疲劳次数。该复合金属材料3与可控硅芯片4烧焊成一体，形成阴、阳电极，可直接测试、筛选，在性能上进行两只芯片匹配使用，筛选匹配合适后再烧焊在铜—瓷DCB基板2上，可避免热匹配不佳和工艺不稳定等因素造成满负荷通电时合格率低，成本高的弊病。两个内部电极5一端与铜—瓷直接键合基板(DCB)2相接，另一端与可控硅芯片4上面的复合金属材料3相接，形成两组内部电极。两个L型电极直接烧焊在铜—瓷DCB基板2上形成输出电极7，上述两个烧焊有复合金属材料的可控硅芯片4和两组内部电极和输出电极及前述光电耦合器构成的输入电极1组成两个反向并联的可控硅电路结构的功率输出级，输出电流大，正反向重复峰值电压高，热疲劳性能优良。图中的虚线部分是充填的环氧树脂6，其中焊接有其它电子元器件。
参阅图4所示，本实用新型的外壳8也可以制作成方型结构，考虑到铜—瓷基板(DCB)2很薄，当需要设计成方型结构时，一般需在基板2下面再加装铜底板9，以增加强度。
参阅图5所示，本实用新型的电路输入电极1仍采用光电耦合器，只是用两个器件U2、U3相串联，以提高其耐压性。功率输出级则采用与硅热膨胀系数相近且热导率高的新型复合金属材料直接烧焊在两个硅芯片T2、T3的阴、阳极上，且反向并联的结构，以改善该硅芯片的散热条件，利于增大通态电流。
权利要求1.一种大功率交流固体继电器，包括外壳、底板、由光电耦合器构成的输入电极、采用两个可控硅芯片和两组内部电极及L型输出电极组成两个反向并联的可控硅电路结构的功率输出级、功率输出极的硅芯片通过L型输出电极直接与六角螺栓接线端相连，其特征在于两个可控硅芯片(4)上下面烧焊有复合金属材料(3)，且下面复合金属材料(3)烧焊在铜—瓷基板(2)上，内部电极(5)与基板(2)和可控硅芯片(4)上面复合金属材料(3)相接。
2.根据权利要求1所述的大功率交流固体继电器，其特征在于外壳(8)可以呈长型或方型结构。
3.根据权利要求1或2所述的大功率交流固体继电器，其特征在于底板(9)设置于方型外壳结构的基板(2)下面。
专利摘要一种大功率交流固体继电器,包括外壳、底板、由光电耦合器构成的输入电极、采用两个可控硅芯片和两组内部电极及L型输出电极组成两个反向并联的可控硅电路结构的功率输出级、功率输出极的硅芯片通过L型输出电极直接与六角螺栓接线端相连,两个可控硅芯片上下面烧焊有复合金属材料,且下面烧焊在铜一瓷基板上,内部电极与基板和可控硅芯片上面复合金属材料相接。实现两只硅芯片性能匹配,利于固体继电器性能参数的一致性,提高产品合格率。
文档编号H03K17/72GK2403178SQ0020099
公开日2000年10月25日 申请日期2000年1月21日 优先权日2000年1月21日
发明者刘玉兰, 于洋, 王艳华 申请人:北京市科通电子继电器总厂