ES2316889T3 - Modulo semiconductor de potencia. - Google Patents
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Abstract
Módulo semiconductor de potencia (10) con una placa base (20) o para su montaje directo sobre un cuerpo refrigerante, estando el módulo semiconductor de potencia compuesto por una carcasa (30) en forma de bastidor, una tapa (70) y al menos un sustrato (50) eléctricamente aislante situado en el interior de la carcasa (30), el cual a su vez está compuesto de un cuerpo de material aislante (52) con varias pistas de conexión metálicas (54) aisladas entre sí y colocadas sobre aquél, componentes semiconductores de potencia (56) situados sobre aquél y unidos según el circuito con las mencionadas pistas de conexión y elementos de conexión dirigidos hacia fuera para los contactos de carga y auxiliares, en el cual al menos una parte de los elementos de conexión de los contactos auxiliares situados en el interior del módulo semiconductor de potencia tienen forma de conectores de contacto que están dispuestos entre las pistas de conexión (54) y los puntos de contacto (78) sobre una placa impresa (71), presentando dicha placa impresa pistas conductoras (72) que unen los puntos de contacto con elementos de contacto (76) dirigidos hacia fuera, estando dispuestos dichos elementos de contac- to (76) en la placa impresa en una posición distinta de la de los puntos de contacto (78), presentado dichos conectores de contacto (60) forma de muelles de contacto y estando la placa impresa (71) insertada en el interior de la tapa (70) con forma de bastidor de tal manera que forma parte de dicha tapa (70).
Description
Módulo semiconductor de potencia.
El presente invento describe un módulo
semiconductor de potencia compuesto de una carcasa con una placa
base o destinado a su montaje directo sobre un cuerpo refrigerante
y al menos un sustrato eléctricamente aislante dispuesto en su
interior. Dicho sustrato está compuesto, a su vez, por un cuerpo
aislante con varias pistas de conexión metálicas aisladas entre sí
y situadas sobre éste y elementos semiconductores de potencia
dispuestos sobre éstas y unidos según el circuito a las pistas de
conexión. De manera ventajosa, el sustrato presenta sobre su cara
inferior una capa metálica plana parecida a las pistas de conexión.
Asimismo, este tipo de módulos semiconductores de potencia
presentan elementos de conexión para contactos de carga y
auxiliares.
Los módulos semiconductores de potencia sobre
los que está basado el presente invento se divulgan, por ejemplo,
en los documentos DE-4.237.632-A1 y
DE-19.630.173-C2. Esta clase de
módulos semiconductores de potencia presenta por lo menos elementos
de conexión parcialmente conformados como muelles de contacto que
conectan las pistas de conexión del sustrato con conexiones
externas. Estos muelles de contacto están colocados en el módulo
semiconductor de potencia de tal modo que reproducen en el interior
del sustrato la configuración de las conexiones externas.
La desventaja de este estado de la técnica es
que la configuración de las conexiones externas viene dada
directamente por la configuración de las conexiones internas. Esto
obliga a adaptar las conexiones externas, como los circuitos de
excitación, por ejemplo, a la configuración de las conexiones
internas del módulo semiconductor de potencia.
A modo de ejemplo, en el documento
DE-10.025.696-A1 se describe otro
módulo semiconductor de potencia que presenta una placa impresa
dispuesta verticalmente respecto al sustrato. Esta placa impresa
está colocada parcialmente en el interior y parcialmente en el
exterior del módulo semiconductor de potencia y, de este modo,
forma los elementos de conexión del módulo.
En este caso la desventaja consiste en que la
disposición de la placa impresa también determina la configuración
de las conexiones externas.
En el estado de la técnica existe también la
patente US 4.965.710, que divulga un módulo semiconductor de
potencia con un circuito de excitación situado en el interior del
módulo. Este circuito de excitación está conectado a elementos de
conexión externos a través de partes del circuito de separación de
potencial, como optoacopladores. Otra de las patentes que se
encuadra dentro del estado de la técnica es la
EP-1.032.042-A2, que también da a
conocer un módulo semiconductor de potencia con un circuito de
excitación integrado. En este caso, se llevan elementos de conexión
secundarios desde un sustrato hacia fuera de modo que hacen contacto
con la placa del circuito de excitación situada en el interior del
módulo. La patente WO-02/057.152-A2
divulga distintas configuraciones de los elementos de muelle del
interior de un módulo semiconductor de potencia.
Asimismo, en la patente
EP-1.289.014-A1 se divulga un módulo
semiconductor de potencia con elementos de conexión según el estado
de la técnica.
El presente invento tiene como objetivo crear un
módulo semiconductor de potencia en el que la configuración de las
conexiones internas auxiliares se realice según el circuito en
cuestión y, mediante medidas sencillas, pueda adaptarse a una
configuración de conexiones externas auxiliares diferentes, por
ejemplo, para circuitos de excitación.
Este objetivo se consigue mediante un módulo
semiconductor de potencia según la reivindicación 1; en las
reivindicaciones subordinadas se presentan configuraciones
especiales del invento.
La idea central del invento consiste en un
módulo semiconductor de potencia con una placa base o para su
montaje directo sobre un cuerpo refrigerante según el mencionado
estado de la técnica compuesto de una carcasa en forma de bastidor
con al menos un sustrato eléctricamente aislante dispuesto en su
interior y una tapa. Este sustrato consiste, a su vez, en un cuerpo
de material aislante con varias pistas de conexión metálicas
aisladas entre sí situadas en una primera superficie principal del
cuerpo aislante y, preferentemente, una capa metálica plana
dispuesta sobre la segunda superficie principal de éste. Sobre las
pistas de conexión de la primera superficie principal y unidos a
dichas pistas según el circuito concreto se encuentran varios
componentes de semiconductor de potencia. El módulo semiconductor
de potencia del presente invento presenta elementos de conexión
dirigidos hacia fuera para contactos auxiliares y de carga. Al menos
una parte de dichos elementos de conexión de las conexiones
secundarias están situados dentro del módulo semiconductor de
potencia como conectores de contacto, los cuales presentan forma de
muelles de contacto y están dispuestos en un dispositivo de
retención entre pistas de conexión y sobre puntos de contacto
situados sobre una placa impresa. La placa impresa presenta pistas
conductoras que unen dichos puntos de contacto con elementos
dirigidos hacia fuera, que también están dispuestos en la misma
placa impresa. La placa impresa se encuentra insertada en el
interior de una tapa en forma de bastidor y, de este modo, forma
parte de la propia tapa.
De forma ventajosa, mediante la colocación de
otros componentes sobre la placa impresa puede aumentarse la
funcionalidad del módulo semiconductor de potencia.
La ventaja de esta configuración de módulo
semiconductor de potencia reside en el hecho de que la configuración
de las conexiones externas puede seleccionarse independientemente
de la configuración interna. De este modo, por ejemplo, no es
necesario cambiar las placas de excitación en caso de modificación
del sustrato o los sustratos y/o del tipo o la cantidad de
componentes semiconductores de potencia.
A continuación se describirá el invento con más
detalle con ayuda de las figuras de la 1 a la 6.
La figura 1 muestra un módulo parcial de un
módulo semiconductor de potencia en vista superior que contiene
algunas de las características del módulo semiconductor de potencia
según el presente invento;
La figura 2 muestra una configuración de módulo
semiconductor de potencia en vista lateral que contiene algunas de
las características del módulo semiconductor de potencia según el
presente invento;
La figura 3 muestra una realización del módulo
semiconductor de potencia según el presente invento en vista
lateral;
La figura 4 muestra una configuración de módulo
semiconductor de potencia en vista lateral que contiene algunas de
las características del módulo semiconductor de potencia según el
presente invento;
La figura 5 muestra una realización según el
presente invento de un módulo semiconductor de potencia inteligente
en vista lateral;
La figura 6 muestra una disposición de tres
módulos semiconductores de potencia según el presente invento en
vista tridimensional.
La figura 1 muestra un módulo semiconductor de
potencia en vista superior. Se representa un módulo semiconductor
de potencia (10) compuesto por una placa base (20) para su montaje
sobre un cuerpo refrigerante. Para ello, la placa base (20)
presenta una cavidad (22) en la zona próxima a las esquinas. El
módulo consta también de una carcasa con forma de bastidor (30) y
de dos sustratos (50) eléctricamente aislantes. Cada uno de los
sustratos está compuesto a su vez de un cuerpo de material aislante
(52) con varias pistas de conexión metálicas (54) aisladas entre sí
situadas sobre la primera superficie principal del sustrato alejada
de la placa base. En su segunda superficie principal, situada junto
a la placa base, el sustrato presenta una metalización plana (53,
figura 2) similar a las pistas de conexión de la primera superficie
principal. Sobre las pistas de conexión (54) y unidas a éstas según
el circuito concreto mediante conexiones de soldadura de hilo (58),
existen componentes semiconductores de potencia (56) y un
componente sensorial (58). Para realizar el contacto electrónico, el
módulo parcial (10) presenta elementos de conexión (40) para las
conexiones de carga. Las pistas de conexión (54) de los sustratos
(50) están unidas parcialmente entre sí y con los elementos de
conexión (40) mediante conexiones de soldadura de hilo (42, 44,
46).
Por otro lado, el componente semiconductor de
potencia presenta contactos de muelle (60) que están dispuestos en
un bastidor auxiliar no representado. Estos contactos de muelle (60)
conectan las pistas de conexión (54) con los puntos de contacto
situados sobre una placa impresa (71). Los puntos de contacto están
dispuestos sobre la cara inferior de la placa impresa (71), la cual
a su vez presenta sobre ésta pistas conductoras (72) en la cara
inferior orientada hacia el sustrato (50). Dichas pistas conductoras
conectan los puntos de contacto (78) con los elementos auxiliares
de contacto dirigidos hacia fuera, que en este caso se trata de
patillas de contacto (74). De manera alternativa, los elementos de
contacto también pueden ser terminales soldados o patillas
soldadas, por ejemplo. Estos elementos de contacto atraviesan la
tapa (70) y forman de este modo la configuración de conexión
externa. Dicha configuración de conexión externa difiere
sustancialmente de la configuración de conexión interna
representada por los puntos de contacto de los contactos de muelle
sobre el sustrato (50). Así, el componente semiconductor de
potencia permite utilizar una configuración de conexiones externa
totalmente independiente de la configuración interna.
Las figuras de la 2 a la 5 muestran distintos
módulos semiconductores de potencia (10) con una carcasa (30) en
forma de bastidor en vista lateral. Sobre la placa base (20) se
sitúa un sustrato (50) denominado DCB (Direct Copper Bonding). Éste
está compuesto de un cuerpo de material aislante (52), por ejemplo
cerámica de óxido de aluminio o nitruro de aluminio, con una capa
de cobre plana (53) sobre la cara orientada hacia la placa base
(20) y una capa de cobre estructurada (54) sobre la cara alejada de
la placa base (20). Esta capa de cobre (54) representa las pistas
de conexión del módulo semiconductor de potencia. Sobre estas pistas
de conexión (54) se sitúan los componentes (56), por lo general
componentes semiconductores de potencia y componentes sensoriales.
Las conexiones acordes con el circuito se obtienen mediante uniones
de soldadura de hilo(44).
En la figura 2, los elementos de conexión
auxiliares en la primera parte de su recorrido tienen forma de
muelles de contacto (60) que se sitúan entre los puntos de contacto
de las pistas de conexión (54) y los puntos de contacto (78) de una
placa impresa (71). En el resto del recorrido, los elementos de
conexión son pistas conductoras (72) situadas sobre la placa
impresa (71) y patillas de contacto (74) de un conector de patillas
(76) también situado sobre la placa impresa, atravesando las
patillas de contacto (76) la tapa (70).
En la figura 3, los elementos de conexión
auxiliares también tienen forma de muelles de contacto (60) y de
pistas conductoras (72) dispuestas sobre una placa impresa en su
primera parte del recorrido. La placa impresa, en cuyos puntos de
contacto (78) terminan los muelles de contacto, forma parte integral
de la tapa (70). En este caso la tapa presenta configuración de
bastidor envolviendo la placa impresa por sus bordes sin cubrirla
totalmente. Los elementos de contacto (76) que realizan el contacto
exterior tienen forma de patillas soldadas que atraviesan la placa
impresa (71).
En la figura 4 se representa la construcción más
moderna y sencilla, que no se reivindica. En este caso, la tapa
(70) misma tiene forma de placa impresa y las pistas conductoras
(72) se sitúan directamente en su cara interna. Este tipo de
proceso se conoce, por ejemplo, como MID (Molded Interconnect
Devices). Los elementos de contacto (76) de esta figura son
patillas soldadas inyectadas al plástico de la tapa (70).
La figura 5 muestra un módulo semiconductor de
potencia según la figura 3 con una funcionalidad incrementada. La
disposición de otros componentes activos y/o pasivos, como
resistencias, condensadores o circuitos integrados, transforma el
módulo semiconductor de potencia conocido en un módulo semiconductor
de potencia inteligente, ya que en este caso se le asigna
parcialmente la funcionalidad de un circuito de excitación u otro
tipo de circuito (de evaluación o de sensores) directamente en el
interior del módulo o sobre éste.
La figura 5 muestra asimismo un conector de
contacto adicional, un muelle de contacto (60) que une
eléctricamente la placa base (60) y, por tanto, el cuerpo
refrigerante con la placa impresa (71). De este modo, se consigue
un potencial en la placa impresa (71) que puede aprovecharse para,
por ejemplo, circuitos de evaluación colocados en dicha placa.
La figura 6 muestra una disposición de tres
módulos semiconductores de potencia según el presente invento en
vista tridimensional. En este caso, los tres módulos semiconductores
de potencia (10) con un semicircuito puente cada uno conforman un
circuito puente de tres fases. Una tapa común (70) con una
disposición de las pistas conductoras (72) y los elementos de
contacto (76) según la figura 5 cubren los tres módulos individuales
(10).
Claims (5)
1. Módulo semiconductor de potencia (10) con una
placa base (20) o para su montaje directo sobre un cuerpo
refrigerante, estando el módulo semiconductor de potencia compuesto
por una carcasa (30) en forma de bastidor, una tapa (70) y al menos
un sustrato (50) eléctricamente aislante situado en el interior de
la carcasa (30), el cual a su vez está compuesto de un cuerpo de
material aislante (52) con varias pistas de conexión metálicas (54)
aisladas entre sí y colocadas sobre aquél, componentes
semiconductores de potencia (56) situados sobre aquél y unidos
según el circuito con las mencionadas pistas de conexión y elementos
de conexión dirigidos hacia fuera para los contactos de carga y
auxiliares, en el cual al menos una parte de los elementos de
conexión de los contactos auxiliares situados en el interior del
módulo semiconductor de potencia tienen forma de conectores de
contacto que están dispuestos entre las pistas de conexión (54) y
los puntos de contacto (78) sobre una placa impresa (71),
presentando dicha placa impresa pistas conductoras (72) que unen los
puntos de contacto con elementos de contacto (76) dirigidos hacia
fuera, estando dispuestos dichos elementos de contacto (76) en la
placa impresa en una posición distinta de la de los puntos de
contacto (78), presentado dichos conectores de contacto (60) forma
de muelles de contacto y estando la placa impresa (71) insertada en
el interior de la tapa (70) con forma de bastidor de tal manera que
forma parte de dicha tapa (70).
2. Módulo semiconductor de potencia (10) según
la reivindicación 1 en el que sobre la placa impresa (71) se sitúan
componentes electrónicos activos y/o pasivos (80, 82) que están
conectados a las pistas conductoras (72) de dicha placa impresa
según el circuito concreto.
3. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 1 o 2, presentando dicho módulo semiconductor de
potencia (10) al menos un conector de contacto (60) que está unido a
la placa base (20) o a un cuerpo refrigerante.
4. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 1 o 2 en el que los elementos de contacto tienen
forma de conectores de enchufe de patilla o de terminales
soldados.
5. Módulo semiconductor de potencia según la
reivindicación 1 o 2 en el que al menos un sustrato (50) presenta
un componente sensorial.
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