ES2282745T3 - Modulo de semiconductor de potencia con componente sensor. - Google Patents
Modulo de semiconductor de potencia con componente sensor. Download PDFInfo
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Abstract
Módulo de semiconductor de potencia con placa base (10) o para su montaje directo sobre un cuerpo refrigerante (10), compuesto de una carcasa (50), al menos un sustrato (20) aislante de la electricidad, compuesto a su vez por un cuerpo de material aislante (22) con varias vías de unión (24) metálicas aisladas entre sí que se encuentran sobre su primera superficie principal, alejada del cuerpo refrigerante o de la placa base, componentes de semiconductor de potencia (30) situados sobre dichas vías de unión y unidos a éstas a modo de circuito y al menos un componente sensor (40), que presenta conductores de conexión (42, 44) que lo unen con un circuito de evaluación situado en el exterior del módulo de semiconductor de potencia, el módulo caracterizado por el hecho de que el componente sensor (40) y/o su superficie de montaje orientada al cuerpo refrigerante (10) o a la placa base (10) presentan al menos una unión (60) conductora de la electricidad.
Description
Módulo de semiconductor de potencia con
componente sensor.
El presente invento describe un módulo de
semiconductor de potencia dotado de uno o varios componentes
sensores. Los módulos de semiconductor de potencia actuales, que
son el punto de partida del presente invento, están compuestos de
una carcasa y de al menos un sustrato aislante de la electricidad
dispuesto en su interior, el cual a su vez consta de un cuerpo de
material aislante con varias vías de unión metálicas aisladas entre
sí que se encuentran sobre aquél y componentes de semiconductor de
potencia unidos a dichas vías de unión a modo de circuito.
Ventajosamente, el sustrato presenta sobre su cara inferior una capa
plana de metal similar a las vías de unión. Para controlar el
funcionamiento de este tipo de módulos de semiconductor de potencia,
éstos presentan cada vez más componentes sensores, por ejemplo,
para regular la temperatura. Según el estado de la técnica, se
conocen varias disposiciones de componentes sensores dentro de
módulos de semiconductor de
potencia.
potencia.
A partir de las patentes DE 193 60 902 A1 o DE
100 24 516 A1 se conocen distintas configuraciones de esta clase de
módulos de semiconductor de potencia de alto rendimiento en relación
con su tamaño, los cuales son el punto de partida del presente
invento.
La patente DE 196 30 902 A1, por ejemplo, da a
conocer un módulo de semiconductor de potencia de la clase
mencionada anteriormente. En este caso, se dispone un componente
sensor directamente sobre una vía de unión del sustrato y se
conecta con conductores de conexión que llevan hacia el exterior
mediante uniones por hilo. En esta configuración resulta ventajoso
que el componente sensor, en este caso un sensor de temperatura,
esté dispuesto inmediatamente al lado de los componentes de
semiconductor de potencia cuya temperatura debe controlar. A modo
de sensor de temperatura, se propone una resistencia de chip de
silicio, aunque se conocen también otras configuraciones
alternativas con una disposición similar, como los componentes
SMD.
Por ejemplo, en caso de destrucción del módulo
de semiconductor de potencia provocada por sobrecarga, el componente
sensor y, con éste, un circuito de evaluación unido a éste pueden
recibir un potencial de alta tensión (de hasta varios kilovoltios).
El inconveniente de los módulos de semiconductor de potencia del
estado de la técnica mencionados más arriba es que en caso de un
problema técnico grave, en concreto una avería grave, como una
explosión causada por sobrecarga, el componente sensor puede quedar
expuesto a un potencial de alta tensión. En ese caso, por ejemplo,
pueden soltarse parcialmente algunas uniones por hilo de los
componentes de semiconductor de potencia y entrar en contacto con
el componente sensor o con sus conductores de conexión, exponiéndose
a un potencial de alta tensión. Esto posee además la desventaja de
que el potencial de alta tensión puede alcanzar el circuito de
evaluación a través de las conexiones del componente de
evaluación.
Por ejemplo, en la patente DE 100 24 516 A1 se
dan a conocer otros módulos de semiconductor de potencia en los que
el componente sensor, que también se trata de un sensor de
temperatura, está dispuesto sobre un sustrato propio dentro del
módulo de semiconductor de potencia. Esta disposición sólo es
ventajosa en caso de avería grave cuando se excluye el contacto con
el potencial de alta tensión. Esto se garantiza si el sustrato del
componente sensor está lo bastante separado de las vías de unión que
presentan el potencial de alta tensión o si, mediante otras medidas
publicadas también en la patente DE 100 24 516 A1, se dispone el
componente sensor separado espacialmente del potencial de alta
tensión por medio de un alojamiento envolvente.
El inconveniente de la configuración de este
tipo de módulos de semiconductor de potencia es que para aplicar
con eficacia las medidas mencionadas es necesaria una gran cantidad
de espacio, lo cual reduce la superficie útil y con ello el
rendimiento del módulo de semiconductor. También resulta
desventajoso el hecho de que dichas medidas estructurales aumentan
considerablemente el coste de la fabricación y solo se consigue un
alojamiento envolvente por separación espacial.
El presente invento se basa en el objetivo de
proporcionar un módulo de semiconductor de potencia con al menos un
componente sensor, estando dicho componente sensor dispuesto de tal
modo que incluso en el caso de una avería técnica o grave del
módulo de semiconductor de potencia, el potencial de alta tensión
que pueda existir en el módulo de semiconductor de potencia no
llegue al circuito de evaluación del componente sensor.
Este objetivo se consigue mediante una
disposición de circuito de conformidad con la reivindicación 1,
exponiéndose en las reivindicaciones subordinadas otras
configuraciones especiales.
La idea básica del invento se halla en un
componente de semiconductor de potencia con placa base o para su
montaje directo sobre un cuerpo refrigerante según el estado de la
técnica compuesto de una carcasa con al menos un sustrato aislante
de la electricidad dispuesto dentro de éste. Este sustrato está
compuesto a su vez de un cuerpo de material aislante con varias
vías de unión metálicas aisladas entre sí que se encuentran sobre
su primera superficie principal y, preferentemente, una capa
metálica plana dispuesta sobre su segunda superficie principal.
Sobre estas vías de unión de la primera superficie principal, y
conectados con dichas vías de unión a modo de circuito, se
encuentran varios componentes de semiconductor de potencia. Al
módulo de semiconductor de potencia le corresponde al menos un
componente sensor que está conectado directamente con aquél. Dicho
componente sensor y/o su superficie de montaje presentan al menos
una conexión que los une eléctricamente con el cuerpo refrigerante
o con la placa base. Asimismo, el componente sensor presenta
conductores que conectan con un circuito de evaluación y que surgen
directamente de éstos o de la vía de unión correspondiente a dicho
componente sensor.
La superficie transversal de dichos conductores
de conexión con el cuerpo refrigerante o con la placa base debe
estar diseñada de tal modo que las corrientes entrantes se expulsen
con seguridad hacia el potencial de tierra y no vayan a parar al
circuito de evaluación.
Un componente sensor dispuesto sobre la segunda
superficie principal del sustrato, orientada hacia el cuerpo
refrigerante o hacia la placa base y no dotada de componentes de
semiconductor de potencia, cumple el objetivo planteado de igual
modo. Ventajosamente dicho componente sensor presenta también una
unión eléctrica con el cuerpo refrigerante o con la placa base.
El invento se describe con mayor detalle
haciendo referencia a ejemplos de realización relacionados con las
figuras de la 1 a la 5:
La figura 1 muestra la disposición de un
componente sensor dentro de un módulo de semiconductor de potencia
según el estado de la técnica;
La figura 2 muestra la disposición de un
componente sensor situado sobre un módulo de semiconductor de
potencia según el invento en el lado que está alejado del cuerpo
refrigerante;
La figura 3 muestra la disposición de un
componente sensor situado sobre un módulo de semiconductor de
potencia según el invento en el lado que está orientado hacia el
cuerpo refrigerante;
La figura 4 muestra otra configuración del
módulo de semiconductor de potencia según el presente invento con
un componente sensor situado sobre el lado orientado hacia el cuerpo
refrigerante;
La figura 5 muestra también una configuración
del módulo de semiconductor de potencia según el presente invento
con un componente sensor dispuesto sobre el lado orientado hacia el
cuerpo refrigerante.
La figura 1 muestra una disposición de un
componente sensor en un módulo de semiconductor de potencia según
el estado de la técnica. Se representa un módulo de semiconductor de
potencia para su montaje directo sobre un cuerpo refrigerante 10,
compuesto de una carcasa 50 y al menos un sustrato 20 aislante de la
electricidad. El sustrato, a su vez, está compuesto de un cuerpo de
material aislante 22 con varias vías de unión 24 metálicas y
aisladas entre sí, las cuales se encuentran sobre la primera
superficie principal de aquél alejada del cuerpo refrigerante.
Sobre su segunda superficie principal, orientada hacia el cuerpo
refrigerante, el sustrato presenta un recubrimiento metálico 26
plano igual a las vías de unión de la primera superficie principal.
Sobre las vías de unión 24, y unidos a éstas a modo de circuito
mediante conexiones por hilo 32, existen componentes de
semiconductor de potencia 30. Sobre otras vías de unión 28 se sitúa
un componente sensor 40, en este caso un sensor de temperatura.
Dicho sensor de temperatura 40 controla la temperatura del sustrato
20 y, con ello, la de los componentes de semiconductor de potencia
30 a través de un circuito de evaluación para proteger así todo el
módulo de semiconductor de potencia de su destrucción en caso de
alcanzarse una elevada temperatura durante el funcionamiento.
Adicionalmente el módulo de semiconductor de potencia presenta
conductores de conexión eléctricos 42, 44 que conectan las vías de
unión 28, sobre las que está situado el sensor de temperatura 40,
con un circuito de evaluación dispuesto en el exterior del módulo de
semiconductor de potencia.
La figura 2 muestra la disposición de un
componente sensor sobre la primera superficie principal, alejada
del cuerpo refrigerante, del módulo de semiconductor de potencia
según el presente invento cuya estructura básica es idéntica a la
del módulo de semiconductor de potencia de la figura 1. El
componente sensor 40 está conectado con un circuito de evaluación
externo mediante los conductores de conexión 42, 44. Según el
presente invento, en esta configuración del módulo de semiconductor
de potencia la conexión eléctrica 60 presenta un perfil de
superficie de al menos 30 mm^{2}. Ésta conecta el cuerpo
refrigerante 10, puesto a tierra, a través del recubrimiento
metálico 26 de la segunda superficie principal del sustrato con una
vía de unión 28 y con el sensor de temperatura situado sobre ésta.
Así pues, en caso de avería grave puede conectarse directamente una
conexión de alta tensión al potencial de tierra. Debido a la
adecuación de las dimensiones de la conexión eléctrica se evita la
llegada de potencial de alta tensión al circuito de evaluación. Esto
se consigue conectando directamente la zona que conduce el
potencial de alta tensión con el potencial de tierra.
De manera alternativa, el sensor de temperatura
equiparable al del estado de la técnica mencionado anteriormente
puede disponerse sobre un sustrato propio que no esté provisto de
componentes de semiconductor de potencia. En dicha configuración,
para cumplir con el objetivo planteado, también se prevé una
conexión eléctrica continua o equivalente con el potencial de
tierra.
La figura 3 muestra la disposición de un
componente sensor situado sobre el módulo de semiconductor de
potencia según el presente invento en el lado que está orientado
hacia el cuerpo refrigerante. En este caso vuelve a representarse
un sustrato 20 que presenta vías de unión 24 sobre su primera
superficie principal. Sobre éstas, y unidos con otras vías de unión
por medio de conexiones por hilo 32 a modo de circuito, se
encuentran componentes de semiconductor de potencia 30. Sobre la
segunda superficie principal del sustrato, orientada hacia el
cuerpo refrigerante, se reserva una zona definida para el
recubrimiento metálico 26. En esta zona, se dispone el sensor de
temperatura 40 directamente sobre el cuerpo de material aislante 22,
ventajosamente mediante una unión por adhesión de alta
conductividad térmica. Los conductores de conexión 42, 44 que
conectan con el circuito de evaluación están unidos directamente al
sensor de temperatura 40 y se extienden por el interior de las
paredes de la carcasa 50. Ventajosamente, el sensor de temperatura
40, por su lado alejado del sustrato, está en contacto con el
cuerpo refrigerante 10 de tal modo que permite una conducción
térmica. La disposición del sensor de temperatura sobre la segunda
superficie principal del sustrato 20 resulta ventajosa puesto que
de este modo no se requiere espacio sobre la primera superficie
principal, quedando ésta última libre para la colocación de los
componentes de semiconductor de potencia 30.
La figura 4 muestra otra variación del módulo de
semiconductor de potencia según el presente invento con un
componente sensor 40. Éste último tiene su primera superficie de
montaje, orientada hacia el sustrato, situada sobre la segunda
superficie principal del cuerpo de material aislante 22 del sustrato
20. Aquí se muestra un módulo de semiconductor de potencia con
placa base 10, presentando dicha placa base 10 una cavidad 12 que
posee unas dimensiones apropiadas para alojar un sensor de
temperatura 40 que posea una extensión vertical mayor a la del
recubrimiento metálico 26. La segunda superficie de montaje del
componente sensor, orientada hacia la placa base, está dispuesta
directamente sobre la placa base 10 de modo que conduce la
electricidad.
La figura 5 muestra también una configuración de
un módulo de semiconductor de potencia según el presente invento
dotado de un componente sensor situado sobre el lado orientado hacia
el cuerpo refrigerante 10. En esta ocasión el cuerpo refrigerante
10 presenta una cavidad 12. El sustrato posee en su segunda
superficie principal otro recubrimiento metálico 26a. El sensor de
temperatura está dispuesto a modo de circuito sobre los dos
recubrimientos metálicos 26, 26a de la segunda superficie principal.
Los conductores de conexión 42, 44 también están unidos a estos dos
recubrimientos metálicos. La cavidad 12 del cuerpo refrigerante 10
posee una colocación y unas dimensiones tales que el sensor y sus
conductores de conexión 42, 44 no están en contacto con el cuerpo
refrigerante. El contacto térmico se produce a través de los
recubrimientos metálicos del sustrato. La colocación del sensor de
temperatura en este caso se realiza por medio de soldadura o por
unión adhesiva.
En las disposiciones del componente sensor 40
sobre la segunda superficie principal del sustrato 20 descritas
para las figuras de la 3 a la 5, en caso de avería grave se evita
que el potencial de alta tensión entre en contacto con el
componente sensor y/o sus conductores de conexión.
Claims (6)
1. Módulo de semiconductor de potencia con placa
base (10) o para su montaje directo sobre un cuerpo refrigerante
(10), compuesto de una carcasa (50), al menos un sustrato (20)
aislante de la electricidad, compuesto a su vez por un cuerpo de
material aislante (22) con varias vías de unión (24) metálicas
aisladas entre sí que se encuentran sobre su primera superficie
principal, alejada del cuerpo refrigerante o de la placa base,
componentes de semiconductor de potencia (30) situados sobre dichas
vías de unión y unidos a éstas a modo de circuito y al menos un
componente sensor (40), que presenta conductores de conexión (42,
44) que lo unen con un circuito de evaluación situado en el
exterior del módulo de semiconductor de potencia, el módulo
caracterizado por el hecho de que el componente sensor (40)
y/o su superficie de montaje orientada al cuerpo refrigerante (10)
o a la placa base (10) presentan al menos una unión (60) conductora
de la electricidad.
2. Módulo de semiconductor de potencia con placa
base (10) o para su montaje directo sobre un cuerpo refrigerante
(10), compuesto de una carcasa (50), al menos un sustrato (20)
aislante de la electricidad, compuesto a su vez por un cuerpo de
material aislante (22) con varias vías de unión (24) metálicas
aisladas entre sí que se encuentran sobre su primera superficie
principal, alejada del cuerpo refrigerante o de la placa base,
componentes de semiconductor de potencia (30) situados sobre dichas
vías de unión y unidos a éstas a modo de circuito y al menos un
componente sensor (40), que presenta conductores de conexión (42,
44) que lo unen con un circuito de evaluación situado en el
exterior del módulo de semiconductor de potencia, el módulo
caracterizado por el hecho de que el componente sensor (40)
está dispuesto sobre la segunda superficie principal del sustrato
(20), la cual está orientada hacia el cuerpo refrigerante o la placa
base.
3. Módulo de semiconductor de potencia según la
reivindicación 1 en el que el componente sensor (40) está dispuesto
sobre vías de unión (24) de la primera superficie principal del
sustrato (20) y una de estas vías de unión presenta una conexión
(60) conductora de la electricidad unida al recubrimiento metálico
(26) dispuesto sobre la segunda superficie principal y, a través de
éste, al cuerpo refrigerante (10) o a la placa base (10).
4. Módulo de semiconductor de potencia según la
reivindicación 1 en el que la conexión (60) conductora de la
electricidad que lo une con el cuerpo refrigerante (10) o la placa
base (10) presenta al menos un perfil de 30 mm^{2}.
5. Módulo de semiconductor de potencia según la
reivindicación 1 en el que el componente sensor (40) está
dispuesto sobre su propio sustrato.
6. Módulo de semiconductor de potencia según la
reivindicación 2 en el que el componente sensor (40) está dispuesto
sobre vías de unión (26, 26a) estructuradas de la segunda superficie
principal del sustrato (20) o directamente sobre dicha superficie
principal y presenta una conexión conductora de la electricidad que
lo une al cuerpo refrigerante (10) o a la placa base (10).
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