ES2312145T3 - Modulo semiconductor de potencia. - Google Patents
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Abstract
Módulo semiconductor de potencia, dotado de un sustrato en forma de plaquita (22), que sobre una primera superficie principal (24) tiene una capa (26) para la disipación de calor y que en la segunda superficie principal opuesta (28) está dotada de una estructura de pistas conductoras (30) sobre las que están dispuestos los componentes semiconductores de potencia (32) y elementos de conexión (36) para contactos de carga y auxiliares y con un cuerpo envolvente (38) que recubre la segunda superficie principal (28) de los sustratos (22) en forma de plaquita, de manera que el sustrato (22) en forma de plaquita está diseñado con un primer orificio central (54) y el cuerpo envolvente (38) está diseñado con un segundo orificio central (56), cuyos orificios están alineados axialmente entre sí y están dispuestos para insertar a través de los mismos un elemento de fijación (16), teniendo el cuerpo envolvente (38) una superficie de recubrimiento (40) y una pared circundante (42) y la superficie de recubrimiento (40) está dotada de una sección en forma de manguito (58) que limita al segundo orificio central (56), cuya sección hace tope contra la segunda superficie principal (28) del sustrato (22), caracterizado porque la superficie de recubrimiento (40) del cuerpo envolvente (38) está diseñada con un refuerzo mecánico (72) entre la sección en forma de manguito (58) que, limita el segundo orificio central (56) del cuerpo envolvente (38) y la pared circundante (42) del cuerpo envolvente (38) y porque el refuerzo (72) está constituido por nervios (74) que se extienden radialmente hacia afuera desde la sección (58) en forma de manguito que rodea el segundo orificio central (56).
Description
Módulo semiconductor de potencia.
La presente invención se refiere a un módulo
semiconductor de potencia con un sustrato en forma de plaquita, que
sobre una primera superficie principal tiene una capa para la
disipación de calor y que sobre la segunda superficie principal
opuesta está diseñado con una estructura de pistas conductoras sobre
las que están dispuestos componentes semiconductores de potencia y
elementos de conexión para contactos de carga y auxiliares y con un
cuerpo envolvente que recubre la segunda superficie principal del
sustrato en forma de plaquita de manera que, el sustrato en forma
de plaquita está diseñado con un primer orificio central y el cuerpo
envolvente está diseñado con un segundo orificio central, cuyos
orificios están alineados axialmente entre sí y están previstos
para insertar a través de ellos un elemento de fijación, teniendo el
cuerpo envolvente una superficie de recubrimiento y una pared
circundante, y la superficie de recubrimiento está diseñada con una
sección en forma de manguito que rodea el segundo orificio central,
cuya sección hace tope contra la segunda superficie principal del
sustrato.
Los módulos semiconductores de potencia de este
tipo se describen en el prospecto de la firma solicitante
"Semikron innovation ^{+} service; Partners in Power, 11238850 E
06.2000 (TH 094-000367)" como módulos de
potencia "SEMITOP 1", "SEMITOP 2", "SEMITOP
3"\cdoto en el prospecto de la solicitante a "Semikron
innovation ^{+} service, IGBT, 112375070 E 06.99 (TH
094-990306)" en la página 9 como "SEMITOP",
"SEMITOP 2", "SEMITOP 3" (ver
XP-2432753).
Los módulos semiconductores del tipo "SEMITOP
3" presentan como parámetro eléctrico, por ejemplo para una
tensión nominal de 1200V, una intensidad de corriente nominal de 35A
(para una temperatura funcional de 80ºC) o bien para una tensión
nominal de 600V una intensidad nominal de 45A (para igual
temperatura de funcionamiento de 80ºC).
Por el documento EP 0 205 746 A2 se conoce un
módulo semiconductor de potencia con un cuerpo de refrigeración y
con un sustrato cerámico de gran superficie en forma de superficie
de base, de manera que se garantiza un apoyo cerámico, eficaz,
duradero del sustrato contra el cuerpo envolvente así como un buen
contacto térmico duradero entre un sustrato y el cuerpo de
refrigeración y preferentemente estos apoyos son estabilizados por
correspondientes nervios en el cuerpo envolvente.
La invención se propone el objetivo de dar a
conocer un módulo semiconductor de potencia del tipo antes indicado
que presenta una densidad de energía todavía más elevada, es decir
para la correspondiente tensión nominal una intensidad de corriente
más elevada y que presenta una construcción simplificada.
Este objetivo es conseguido mediante un módulo
semiconductor del tipo indicado en la parte introductoria de la
presente invención mediante las características de la reivindicación
independiente 1.
El módulo semiconductor de potencia de acuerdo
con la invención presenta, por ejemplo para una tensión nominal de
1200V, una intensidad nominal de 75A (para una temperatura de
trabajo de 80ºC) o bien para una tensión nominal de 600V una
intensidad de corriente nominal por ejemplo de 110A (para 80ºC de
temperatura de trabajo). De ello se deduce que la potencia del
módulo semiconductor de potencia según la invención es más del doble
en comparación con un módulo semiconductor de potencia del tipo
conocido SEMITOP 3. Este aumento de la potencia nominal del módulo
semiconductor de potencia según la invención se relaciona con el
aumento de las dimensiones de la superficie de base del sustrato en
forma de plaquita y del cuerpo envolvente y por lo tanto del módulo
semiconductor de potencia según la invención. La densidad de
energía, es decir, la potencia nominal con referencia a la
superficie base del módulo semiconductor de potencia se aumenta no
obstante en el orden del 20%.
En un módulo semiconductor de potencia de
acuerdo con la invención se ha demostrado como recomendable que el
sustrato en forma de plaquita presente una superficie de la base de
forma sensiblemente cuadrada y que el cuerpo envolvente tenga
dimensiones de la base adecuadas a aquellas.
El refuerzo se consigue de manera ventajosa
mediante medios que se extiende de forma radial desde la sección en
forma de casquillo limitativo del segundo orificio central del
cuerpo envolvente. Estos nervios de refuerzo están realizados como
mínimo en la cara externa de la superficie superior o tapa del
cuerpo envolvente. Igualmente es posible, por ejemplo, el realizar
los nervios de refuerzo en la cara externa y en la cara interna de
la superficie superior o tapa del cuerpo envolvente o en caso
necesario, solamente en la cara interna de la superficie superior o
tapa del cuerpo envolvente.
En el módulo semiconductor de potencia según la
presente invención, los nervios que constituyen los refuerzos están
construidos de forma distribuida regularmente en la periferia de la
sección en forma de casquillo limitativa del segundo orificio
central del cuerpo envolvente, para conseguir unas circunstancias
regulares de distribución de esfuerzos en el cuerpo envolvente.
En una realización preferente del módulo
semiconductor de potencia según la invención los nervios se
extienden desde un reborde anular de la sección en forma de
casquillo limitativo del segundo orificio central que sobresale de
la superficie superior o tapa.
La superficie superior o tapa del cuerpo
envolvente está dotada preferentemente de orificios pasantes a
través de los cuales se extienden los elementos de conexión para
las conexiones de carga y auxiliares desde el cuerpo envolvente del
módulo semiconductor de potencia pudiendo entrar en contacto con una
placa conductora.
El recinto interno cerrado por el sustrato
constituido en forma de plaquita y el cuerpo envolvente está lleno
preferentemente en su mayor parte con un material aislante
solidificable o solidificado. Este tipo de material aislante es por
ejemplo del tipo de una masilla.
Otras características, peculiaridades y ventajas
se desprenderán de la descripción siguiente de un ejemplo de
realización que se ha mostrado en los dibujos muy ampliada y no
representada a escala, del módulo semiconductor de potencia según la
presente invención.
En las figuras se muestran:
La figura 1, es una representación del módulo
semiconductor en una representación según una excepción
longitudinal, en combinación con un cuerpo de refrigeración
mostrado en sección y una placa conductora mostrada a si mismo en
sección, así como un elemento de fijación para efectuar la fijación
del módulo semiconductor de potencia sobre el cuerpo de
refrigeración, de manera que el módulo semiconductor de potencia, el
cuerpo de refrigeración y la placa de conducción, así como elemento
de fijación, se han mostrado separados entre sí, y
La figura 2 muestra una vista del módulo
semiconductor de potencia en la dirección de observación de la
flecha II-II de la figura 1.
La figura 1 muestra en sección longitudinal una
representación del módulo semiconductor de potencia (10) y de modo
separado y en representación de sección longitudinal el cuerpo de
refrigeración (12) así como la placa de conductores (14) y un
elemento de fijación (16) para la fijación del módulo semiconductor
de potencia (10) al cuerpo de refrigeración (12). Con este
objetivo, el cuerpo de refrigeración (12) está dotado de un orificio
roscado (18) en el que se puede acoplar por roscado un elemento de
fijación (16) constituido en forma de un tornillo (20).
El módulo semiconductor de potencia presenta un
sustrato en forma de plaquita (22) que está realizada en un
material de óxido cerámico. El sustrato (22) en forma de plaquita
presenta en su primera superficie principal (24) una capa
conductora del calor (26) y está construida en la segunda superficie
principal opuesta (28) con una estructura (30) de pistas
conductoras. La capa conductora de calor (26) y la estructura de
pistas conductoras (30) están realizadas, por ejemplo, por capas de
cobre o bien delgadas láminas de cobre que están unidas de manera
firme con el sustrato en forma de plaquita (22).
Sobre la estructura de pistas conductoras (30)
se han previsto elementos semiconductores de potencia (32), es
decir la estructura de pistas conductoras (30) sirve para la
conexión de los elementos semiconductores de potencia (32). Esta
conexión tiene lugar por ejemplo, mediante cables de conexión
(34).
Sobre la estructura de pistas conductoras (30)
se han dispuesto además elementos de conexión (36) para contactos
de carga y contactos auxiliares que pueden entrar en contacto con la
placa de conductores (14) o bien pueden estar en contacto con
esta.
El módulo semiconductor de potencia (10)
presenta un cuerpo (38) que recubre la segunda superficie o cara
principal (28) del sustrato en forma de plaquita. El cuerpo (38)
presenta una superficie de recubrimiento (40) y una pared
circundante (42). La pared circundante (42) presenta una superficie
circundante de tope (44) que descansa en la sección del borde
circundante (46) de la segunda superficie principal (28) del
sustrato (22) en estado montado del módulo semiconductor de
potencia (10). La superficie de tope circundante (44) de la pared
circundante (42) del cuerpo envolvente (38) está separada del cuello
circundante (48) de la pared (42) mediante una ranura circundante
(50) que está realizada en la pared (42) del cuerpo envolvente (38).
El cuello circundante (48) descansa sobre el borde externo (52) del
sustrato en forma de plaquita (22).
El sustrato (22) en forma de plaquita está
dotado de un primer orificio central (54).
El cuerpo envolvente (38) está dotado de un
segundo orificio central (56). Dicho segundo orificio central (56)
está limitado por una sección en forma de manguito escalonado (58)
que se aleja de la superficie de recubrimiento (40) y que se
encuentra con una superficie de tope anular (60) muy cerca de la
segunda superficie principal (28) del sustrato en forma de plaquita
(22). Mediante una sección de acoplamiento anular (62) el manguito
escalonado (58) se encuentra en el primer orificio central (54) del
sustrato (22). La sección de entrada anular (62) está separada de
la superficie de tope anular (60) mediante una ranura circundante
(64) que está realizada en el manguito escalonado (58).
Con el numeral de referencia 66 se ha designado
un elemento anular que está dispuesto en la expansión (68) de la
cara superior del segundo orificio central del cuerpo (38) para la
cabeza (70) del tornillo (20).
La superficie de recubrimiento (40) del cuerpo
(38) está dispuesta entre la sección en forma de manguito (58) y la
pared circundante (42) del cuerpo (38) con un refuerzo mecánico
(72). Un refuerzo mecánico (72) está constituido por nervios (74)
que se extienden con separación regular entre sí desde la sección
extrema superior (76) de la sección en forma de manguito escalonado
(58) radialmente en dirección hacia la periferia, tal como se puede
apreciar en la figura 2 en la que se han mostrado las mismas
características que en la figura 1 con los mismos numerales de
referencia. La sección superior (76) constituye una unión en forma
anular de la sección (58) en forma de manguito escalonado.
El sustrato (22) en forma de plaquita presenta
una superficie de base como mínimo sensiblemente cuadrada y el
cuerpo envolvente (38) presenta medidas de la superficie de base del
mismo que se corresponden con aquellas. La superficie de
recubrimiento (40) del cuerpo envolvente (38) está dotada de
orificios pasantes (78) por los que se extienden los elementos de
unión (36) para las conexiones de carga y conexiones auxiliares que
salen del cuerpo envolvente (38).
El cuerpo envolvente (38) está realizado de
manera correspondiente en sus cuatro esquinas (80) (ver figura 2)
con un elemento de separación (82) en forma de zócalo para la placa
de conductores (14).
El reborde (76) sobresale de la cara superior
(84) de la superficie de recubrimiento (40) del cuerpo envolvente
(38).
En el recinto interno (86) delimitado por un
sustrato (22) en forma de plaquita y el cuerpo envolvente (38) se
encuentra un material aislante (88). Dicho material aislante (88)
está constituido por una masilla eléctricamente aislante mediante
la cual la tapa (38) está unida mecánicamente con el sustrato en
forma de plaquita (22) de manera firme y con estanqueidad, con el
módulo semiconductor de potencia (10).
- 10
- Módulo semiconductor de potencia
- 12
- Cuerpo de refrigeración (para 10)
- 14
- Placa conductora
- 16
- Elemento de fijación (para 10 sobre 12)
- 18
- Orificio roscado (en 12)
- 20
- Tornillo (de 16)
- 22
- Sustrato en forma de placa (de 10)
- 24
- Primera superficie principal (de 22)
- 26
- Capa conductora del calor (sobre 24)
- 28
- Segunda superficie principal (de 22)
- 30
- Estructura de pista conductora (sobre 28)
- 32
- Elemento semiconductor de potencia (sobre 30)
- 34
- Cables de unión (entre 32 y 30)
- 36
- Elemento de conexión (sobre 30 para 14)
- 38
- Cuerpo envolvente (de 10)
- 40
- Superficie de recubrimiento (de 38)
- 42
- Pared circundante (de 38)
- 44
- Superficie de tope circundante (de 42)
- 46
- Sección de reborde circundante (de 22 o 28)
- 48
- Cuadro circundante (de 42 sobre 52)
- 50
- Ranura circundante (entre 48 y 44)
- 52
- Borde externo (de 22)
- 54
- Primer orificio central (en 22)
- 56
- Segundo orificio central (de 38)
- 58
- Manguito escalonado (de 38)
- 60
- Superficie de tope (de 58)
- 62
- Sección de conexión anular (de 58)
- 64
- Ranura circundante (entre 62 y 60)
- 66
- Elemento anular (en 68)
- 68
- Ensanchamiento de la cara superior (de 56)
- 70
- Cabeza (de 20)
- 72
- Refuerzo mecánico (de 38 sobre 40)
- 74
- Nervios (de 72)
- 76
- Sección final superior o bien unión (de 58)
- 78
- Orificios pasantes (en 40 para 36)
- 80
- Esquina (de 38 o 40)
- 82
- Elementos separadores (en 80 para 14)
- 84
- Cara externa (de 40).
Claims (7)
1. Módulo semiconductor de potencia, dotado de
un sustrato en forma de plaquita (22), que sobre una primera
superficie principal (24) tiene una capa (26) para la disipación de
calor y que en la segunda superficie principal opuesta (28) está
dotada de una estructura de pistas conductoras (30) sobre las que
están dispuestos los componentes semiconductores de potencia (32) y
elementos de conexión (36) para contactos de carga y auxiliares y
con un cuerpo envolvente (38) que recubre la segunda superficie
principal (28) de los sustratos (22) en forma de plaquita, de
manera que el sustrato (22) en forma de plaquita está diseñado con
un primer orificio central (54) y el cuerpo envolvente (38) está
diseñado con un segundo orificio central (56), cuyos orificios están
alineados axialmente entre sí y están dispuestos para insertar a
través de los mismos un elemento de fijación (16), teniendo el
cuerpo envolvente (38) una superficie de recubrimiento (40) y una
pared circundante (42) y la superficie de recubrimiento (40) está
dotada de una sección en forma de manguito (58) que limita al
segundo orificio central (56), cuya sección hace tope contra la
segunda superficie principal (28) del sustrato (22),
caracterizado porque
la superficie de recubrimiento (40) del cuerpo
envolvente (38) está diseñada con un refuerzo mecánico (72) entre
la sección en forma de manguito (58) que, limita el segundo orificio
central (56) del cuerpo envolvente (38) y la pared circundante (42)
del cuerpo envolvente (38) y porque el refuerzo (72) está
constituido por nervios (74) que se extienden radialmente hacia
afuera desde la sección (58) en forma de manguito que rodea el
segundo orificio central (56).
2. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 1, caracterizado porque la estructura en forma
de plaquita del sustrato (22) tiene una superficie de base que es,
como mínimo aproximadamente, cuadrada y que el cuerpo envolvente
(38) tiene dimensiones de la superficie de la base acopladas a las
del sustrato.
3. Módulo semiconductor de potencia según ala
reivindicación 2, caracterizado porque el sustrato en forma
de plaquita (22) tiene una superficie de la base por lo menos
aproximadamente cuadrada y porque el cuerpo envolvente (38) tiene
dimensiones de la superficie de la base acoplados a los del
sustrato.
4. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 3, caracterizado porque los nervios (74) están
diseñados para su distribución regular en dirección circunferencial
de la sección en forma de manguito (58) que rodea en segundo
orificio central (56).
5. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 4, caracterizado porque los nervios (74) se
extienden hacia afuera desde un collar anular (76) que sobresale de
la superficie de recubrimiento (40) de la sección (58) en forma de
manguito que rodea el segundo orificio central (56).
6. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 1, caracterizado porque la superficie de
recubrimiento (40) del cuerpo envolvente (38) está dotada de
orificios pasantes (78) a través de los que los elementos de
conexión (36) para las conexiones de carga y auxiliares se extienden
hacia afuera desde el cuerpo envolvente (38).
7. Módulo semiconductor de potencia según una de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
espacio de interior (86) rodeado por el sustrato (22) en forma de
plaquita y el cuerpo envolvente (38) está, por lo menos
parcialmente, lleno de un material aislante (88).
Applications Claiming Priority (2)
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