eng
Выпуск #3/2019
В. Громов, Н. Брюхно, В. Стрекалова, Т. Паньков, С. Алёхин
Новая серия биполярных транзисторов производства ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ»
Новая серия биполярных транзисторов производства ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ»
Просмотры: 1758
В 2018 году предприятие ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» завершило разработку и освоение серии биполярных транзисторов, в том числе транзисторов Дарлингтона и комплементарных. Новые транзисторы, предназначенные для использования в радиоэлектронной аппаратуре специального назначения, могут заменить 23 типа импортных аналогов.
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.184.3.138.142
УДК 621.38 | ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.184.3.138.142
УДК 621.38 | ВАК 05.27.01
Теги: bipolar transistors metal-ceramic metal-polymer packages биполярные транзисторы металло-керамические металло-полимерные корпуса
Огромное количество публикаций посвящено приборам полупроводниковой электроники. Несмотря на возросшую сложность, высокую степень интеграции и жесткие требования к проектным нормам изделий, остается актуальной задача разработки, производства и модернизации базовых элементов, так называемых электронных гвоздей – транзисторов и диодов. Следует отметить, что по мере развития цифровой и аналого-цифровой полупроводниковой электроники уменьшаются проектные нормы изделий, а модернизация дискретных аналоговых электронных компонентов происходит в основном благодаря совершенствованию и освоению новых конструктивно-технологических решений, оптимизации физико-топологических параметров изделий.[1]
В настоящее время при проектировании РЭА используется электронная компонентная база (ЭКБ) для поверхностного монтажа – приборы в корпусных исполнениях типа SOT, SMD, DPAK и др. Эта ЭКБ отличается значительно меньшими габаритными и присоединительными размерами по сравнению с корпусами для навесного монтажа. Миниатюризация корпусов требует уменьшения размеров кристаллов и проектных норм, а также улучшения условий теплоотвода корпусами приборов.
Зарубежные предприятия-изготовители не прекращают модернизацию конструктивно-технологических решений как кристаллов, так и корпусных исполнений. В результате за счет масштабирования кристаллов уменьшаются габаритно-присоединительные размеры ЭКБ. Например, в [1–4] для улучшения характеристик транзисторов предлагается использовать перфорированный эмиттер. На практике это решение было внедрено в серийное производство фирмами Sanyo [2], SТ [3] под торговой маркой «островковая» база и фирмой ON-semiconductor под маркой e2-power [4], что позволило уменьшить габариты кристаллов и улучшить такие параметры транзисторов, как коэффициент усиления, частотные свойства, а также уменьшить потери при работе в ключевых схемах.
Предприятие ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» также проводило модернизацию существующих конструктивно-технологических решений, в том числе корпусных исполнений. Так, вместо стандартных рамок типа ФМФЗ были применены полностью медные рамки с серебряным покрытием [5], что позволило значительно улучшить тепловые параметры корпуса, а также снизить статические потери транзисторов.
Еще одно перспективное направление – разработка ЭКБ двойного назначения в металлополимерных корпусах. Несмотря на то, что металлокерамические корпуса полупроводниковых приборов заслужили репутацию надежных элементов конструкции для жестких условий эксплуатации, их габаритные размеры значительно превышают размеры металлополимерных корпусов. И это требует внесения изменений в конструкцию изделия при импортозамещении полупроводниковых элементов (при этом значительно увеличиваются габаритные размеры и масса изделий). Поскольку металлополимерные корпуса из современных материалов являются на самом деле металлокомпозитными и по потребительским качествам почти не уступают и даже превосходят металлокерамические корпуса, то это направление позволяет расширить сферу применения полупроводниковых приборов в металлополимерных корпусах и реализовать возможность замены импортных изделий на отечественные pin-to-pin.
СЕРИЯ НОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
В процессе создания серии новых транзисторов на предприятии было разработано и освоено 13 типов кремниевых биполярных транзисторов, а именно: пять транзисторов Дарлингтона (из них одна комплементарная пара), комплементарная пара маломощных транзисторов, один мощный транзистор, один цифровой транзистор и четыре маломощных транзистора, в том числе два высоковольтных. Благодаря их серийному производству стала возможной замена 23 импортных аналогов (BCP53-16T1G, BCP56, BCP56-16, BCP56-16T1G, BCP69T1G, BCV47, BCX53, BCX53-16, BCX56-16, BCX56-16, 115, BDP954, BF823.215, FZT658, MJD122, MJD127, MJD31C, MJD32C, MJD32CT4G, TIPI10, TIP122, TIP42G). Условные обозначения разработанных транзисторов, зарубежные аналоги, типы корпусных исполнений, основные характеристики приведены в таблице.
Основные функциональные назначения указанных приборов – ключевые элементы в импульсных схемах, в том числе с широтно-импульсной модуляцией; активные элементы в линейных регуляторах напряжения, линейных усилителях мощности, предусилительных каскадах. Диапазон рабочих температур в диапазоне от –60 до 125 °С.
Для всех типов транзисторов были разработаны поведенческие модели, доступные для потребителя; приведено полное описание логики их функционирования в системах автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры на языке Spice. Данные модели позволят проверить правильность работы схемотехнических решений аппаратуры у потребителя на этапе проектирования.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Одной из основных задач на этапе выбора конструктивно-технологического решения серии транзисторов было обеспечение соответствия высоким требованиям к электрическим и климатическим характеристикам, а также к габаритным и присоединительным размерам изделий с возможностью импортозамещения транзисторов pin-to-pin. Для каждого типа транзисторов было выбрано два корпусных исполнения: металлокерамическое (KT‑99-1, KT‑93-1, KT‑28A‑2.02) и металлополимерное (KT‑28-2, KT‑47, KT‑89). Кроме того, предусмотрено бескорпусное исполнение всех изделий серии.
С учетом высоких требований к габаритам и напряжению насыщения в конструкцию кристаллов мощных транзисторов включен перфорированный эмиттер [1–4] с отрицательной обратной связью по току базы для уменьшения напряжения насыщения на транзисторе и повышения коэффициента усиления. Высоковольтные транзисторы выполнены с полевым электродом по периферии базы и эмиттера.
Транзисторы 2Т226А9 представляют собой цифровые NPN-транзисторы, которые кроме рабочей структуры содержат два поликремниевых резистора. Это позволяет управлять данными приборами непосредственно от ТТЛ или КМОП логических уровней.
Все мощные транзисторы в металлокомпозитных корпусах имеют профилированную двухтолщинную медную рамку (см. рисунок), благодаря которой обеспечивается оптимальное соотношение (равновесие) между снижением электрического сопротивления выводов и технологичностью производства по сравнению со стандартными металлополимерными корпусами, выполненными на составной рамке.
СТОЙКОСТЬ ТРАНЗИСТОРОВ К ТЯЖЕЛЫМ ЗАРЯЖЕННЫМ ЧАСТИЦАМ
В настоящее время важно обеспечить высокие показатели эксплуатационной надежности приборов и аппаратуры в условиях воздействия космического излучения. Стойкость приборов к такому виду излучения предопределяет, в частности, срок активного использования и безотказной работы изделий. Поэтому на предприятии проводились исследования по определению уровней стойкости изделий на основе не только карбида кремния, но и кремния. В результате испытаний были получены уровни стойкости для транзисторов с Uкэ0гр < 280 В – 67 МэВ · см2 / мг, для транзисторов с Uкэ0гр < 340 В – 40 МэВ · см2 / мг и для транзисторов с Uкэ0гр < 400 В – 16 МэВ · см2 / мг. С основными механизмами и особенностями воздействия на изделия тяжелых заряженных частиц можно ознакомиться в отдельной статье [8].
* * *
Таким образом, в ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» разработано 13 типов транзисторов, которыми можно заменить 23 типа импортных аналогов. Корпусные исполнения транзисторов – металлокерамическое и металлополимерное – обеспечивают высокие электрические и надежностные характеристики, допускают импортозамещение изделий pin-to-pin. Продолжением этой работы станет освоение номенклатуры транзисторов исключительно в малогабаритных корпусах типа SOT‑23 и его производных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / Под ред. И. В. Грехова; пер. с англ. – Л.: Энергоатом-издат. Ленингр. отд-ние, 1986. 134 с.
2. Рекламный материал фирмы Sanyo Ultra-high Qality Output Devices [Электронный ресурс]. –
URL: https://electronics.stackexchange.com/questions/189236/what-does-it-mean-when-adoption-of-mbit-processes-is-listed-as-a-feature-of-a/189243-9с.
3. Спецификация транзистора фирмы ST BD239C [Электронный ресурс]. – URL: http://www.tutorialspoint.com/
microwave_engineering/microwave_ engineering_components.htm
4. e2PowerEdgeTM Economic Energy using Low VCEsat BJT“s [Электронный ресурс]. – URL: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TND333-D.PDF
5. Топология интегральной схемы мощного биполярного транзистора на основе кремния. RU2019630015 от 10.01.2019. Правообладатель ЗАО «ГРУППА
КРЕМНИЙ ЭЛ».
6. Lorenz L. Key Power Semiconductor Devices and Development Trends // International Workshop on Physics of Semiconductor Devices. 2007. P. 743–750.
7. Lauenstein J-M. et al. Recent Radiation Test Results for Power MOSFETs // Proceeding of 2013 Nuclear and Space Radiation Effects Conference. 2013.
8. Брюхно Н., Громов В., Паньков Т. Устойчивость карбидокремниевых диодов Шоттки к воздействию тяжелых заряженных частиц // Компоненты и технологии. 2019. № 1. С. 68–70.
В настоящее время при проектировании РЭА используется электронная компонентная база (ЭКБ) для поверхностного монтажа – приборы в корпусных исполнениях типа SOT, SMD, DPAK и др. Эта ЭКБ отличается значительно меньшими габаритными и присоединительными размерами по сравнению с корпусами для навесного монтажа. Миниатюризация корпусов требует уменьшения размеров кристаллов и проектных норм, а также улучшения условий теплоотвода корпусами приборов.
Зарубежные предприятия-изготовители не прекращают модернизацию конструктивно-технологических решений как кристаллов, так и корпусных исполнений. В результате за счет масштабирования кристаллов уменьшаются габаритно-присоединительные размеры ЭКБ. Например, в [1–4] для улучшения характеристик транзисторов предлагается использовать перфорированный эмиттер. На практике это решение было внедрено в серийное производство фирмами Sanyo [2], SТ [3] под торговой маркой «островковая» база и фирмой ON-semiconductor под маркой e2-power [4], что позволило уменьшить габариты кристаллов и улучшить такие параметры транзисторов, как коэффициент усиления, частотные свойства, а также уменьшить потери при работе в ключевых схемах.
Предприятие ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» также проводило модернизацию существующих конструктивно-технологических решений, в том числе корпусных исполнений. Так, вместо стандартных рамок типа ФМФЗ были применены полностью медные рамки с серебряным покрытием [5], что позволило значительно улучшить тепловые параметры корпуса, а также снизить статические потери транзисторов.
Еще одно перспективное направление – разработка ЭКБ двойного назначения в металлополимерных корпусах. Несмотря на то, что металлокерамические корпуса полупроводниковых приборов заслужили репутацию надежных элементов конструкции для жестких условий эксплуатации, их габаритные размеры значительно превышают размеры металлополимерных корпусов. И это требует внесения изменений в конструкцию изделия при импортозамещении полупроводниковых элементов (при этом значительно увеличиваются габаритные размеры и масса изделий). Поскольку металлополимерные корпуса из современных материалов являются на самом деле металлокомпозитными и по потребительским качествам почти не уступают и даже превосходят металлокерамические корпуса, то это направление позволяет расширить сферу применения полупроводниковых приборов в металлополимерных корпусах и реализовать возможность замены импортных изделий на отечественные pin-to-pin.
СЕРИЯ НОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
В процессе создания серии новых транзисторов на предприятии было разработано и освоено 13 типов кремниевых биполярных транзисторов, а именно: пять транзисторов Дарлингтона (из них одна комплементарная пара), комплементарная пара маломощных транзисторов, один мощный транзистор, один цифровой транзистор и четыре маломощных транзистора, в том числе два высоковольтных. Благодаря их серийному производству стала возможной замена 23 импортных аналогов (BCP53-16T1G, BCP56, BCP56-16, BCP56-16T1G, BCP69T1G, BCV47, BCX53, BCX53-16, BCX56-16, BCX56-16, 115, BDP954, BF823.215, FZT658, MJD122, MJD127, MJD31C, MJD32C, MJD32CT4G, TIPI10, TIP122, TIP42G). Условные обозначения разработанных транзисторов, зарубежные аналоги, типы корпусных исполнений, основные характеристики приведены в таблице.
Основные функциональные назначения указанных приборов – ключевые элементы в импульсных схемах, в том числе с широтно-импульсной модуляцией; активные элементы в линейных регуляторах напряжения, линейных усилителях мощности, предусилительных каскадах. Диапазон рабочих температур в диапазоне от –60 до 125 °С.
Для всех типов транзисторов были разработаны поведенческие модели, доступные для потребителя; приведено полное описание логики их функционирования в системах автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры на языке Spice. Данные модели позволят проверить правильность работы схемотехнических решений аппаратуры у потребителя на этапе проектирования.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Одной из основных задач на этапе выбора конструктивно-технологического решения серии транзисторов было обеспечение соответствия высоким требованиям к электрическим и климатическим характеристикам, а также к габаритным и присоединительным размерам изделий с возможностью импортозамещения транзисторов pin-to-pin. Для каждого типа транзисторов было выбрано два корпусных исполнения: металлокерамическое (KT‑99-1, KT‑93-1, KT‑28A‑2.02) и металлополимерное (KT‑28-2, KT‑47, KT‑89). Кроме того, предусмотрено бескорпусное исполнение всех изделий серии.
С учетом высоких требований к габаритам и напряжению насыщения в конструкцию кристаллов мощных транзисторов включен перфорированный эмиттер [1–4] с отрицательной обратной связью по току базы для уменьшения напряжения насыщения на транзисторе и повышения коэффициента усиления. Высоковольтные транзисторы выполнены с полевым электродом по периферии базы и эмиттера.
Транзисторы 2Т226А9 представляют собой цифровые NPN-транзисторы, которые кроме рабочей структуры содержат два поликремниевых резистора. Это позволяет управлять данными приборами непосредственно от ТТЛ или КМОП логических уровней.
Все мощные транзисторы в металлокомпозитных корпусах имеют профилированную двухтолщинную медную рамку (см. рисунок), благодаря которой обеспечивается оптимальное соотношение (равновесие) между снижением электрического сопротивления выводов и технологичностью производства по сравнению со стандартными металлополимерными корпусами, выполненными на составной рамке.
СТОЙКОСТЬ ТРАНЗИСТОРОВ К ТЯЖЕЛЫМ ЗАРЯЖЕННЫМ ЧАСТИЦАМ
В настоящее время важно обеспечить высокие показатели эксплуатационной надежности приборов и аппаратуры в условиях воздействия космического излучения. Стойкость приборов к такому виду излучения предопределяет, в частности, срок активного использования и безотказной работы изделий. Поэтому на предприятии проводились исследования по определению уровней стойкости изделий на основе не только карбида кремния, но и кремния. В результате испытаний были получены уровни стойкости для транзисторов с Uкэ0гр < 280 В – 67 МэВ · см2 / мг, для транзисторов с Uкэ0гр < 340 В – 40 МэВ · см2 / мг и для транзисторов с Uкэ0гр < 400 В – 16 МэВ · см2 / мг. С основными механизмами и особенностями воздействия на изделия тяжелых заряженных частиц можно ознакомиться в отдельной статье [8].
* * *
Таким образом, в ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» разработано 13 типов транзисторов, которыми можно заменить 23 типа импортных аналогов. Корпусные исполнения транзисторов – металлокерамическое и металлополимерное – обеспечивают высокие электрические и надежностные характеристики, допускают импортозамещение изделий pin-to-pin. Продолжением этой работы станет освоение номенклатуры транзисторов исключительно в малогабаритных корпусах типа SOT‑23 и его производных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / Под ред. И. В. Грехова; пер. с англ. – Л.: Энергоатом-издат. Ленингр. отд-ние, 1986. 134 с.
2. Рекламный материал фирмы Sanyo Ultra-high Qality Output Devices [Электронный ресурс]. –
URL: https://electronics.stackexchange.com/questions/189236/what-does-it-mean-when-adoption-of-mbit-processes-is-listed-as-a-feature-of-a/189243-9с.
3. Спецификация транзистора фирмы ST BD239C [Электронный ресурс]. – URL: http://www.tutorialspoint.com/
microwave_engineering/microwave_ engineering_components.htm
4. e2PowerEdgeTM Economic Energy using Low VCEsat BJT“s [Электронный ресурс]. – URL: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/TND333-D.PDF
5. Топология интегральной схемы мощного биполярного транзистора на основе кремния. RU2019630015 от 10.01.2019. Правообладатель ЗАО «ГРУППА
КРЕМНИЙ ЭЛ».
6. Lorenz L. Key Power Semiconductor Devices and Development Trends // International Workshop on Physics of Semiconductor Devices. 2007. P. 743–750.
7. Lauenstein J-M. et al. Recent Radiation Test Results for Power MOSFETs // Proceeding of 2013 Nuclear and Space Radiation Effects Conference. 2013.
8. Брюхно Н., Громов В., Паньков Т. Устойчивость карбидокремниевых диодов Шоттки к воздействию тяжелых заряженных частиц // Компоненты и технологии. 2019. № 1. С. 68–70.
Отзывы читателей
