ES2327964T3 - Modulo semiconductor de potencia. - Google Patents
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Abstract
Un módulo de semiconductor de potencia (1) en un diseño de contacto por presión, para disponerlo en un disipador de calor (2), que comprende por lo menos un sustrato (5), por lo menos dos componentes del semiconductor de potencia (60) dispuestos sobre el mismo, un alojamiento (3) y elementos de conexión de la carga dirigidos hacia fuera (40, 42, 44) y elementos de conexión de control y que comprende un dispositivo de presión (70) para introducir presión sobre los elementos de conexión de la carga para el contacto eléctrico de los mismos con trayectorias conductoras (54) del sustrato, en el que el sustrato (5) comprende un cuerpo de material aislante (52) y dichas trayectorias conductoras (54) con el potencial de la carga están dispuestas sobre una primera superficie principal del mismo, encaradas al interior del módulo de semiconductor de potencia, en el que los elementos de conexión de la carga están cada uno de ellos configurados como cuerpos conformados de metal provistos de por lo menos un elemento de contacto (404, 424), una sección en forma de tira (402, 422, 442) y patas de contacto (400, 420, 440) que emanan de la misma, la sección en forma de tira está dispuesta paralela a la superficie del sustrato y a una distancia del mismo y las patas de contacto se extienden desde la sección en forma de tira hasta el sustrato (5) y entran en contacto con éstos de una manera apropiada para el circuito, y en el que los elementos de conexión de la carga (40, 42, 44) forman una pila y en este caso, una capa intermedia elástica (46) está dispuesta entre elementos de conexión de la carga respectivamente adyacentes en el área de las respectivas secciones en forma de tira (402, 422, 442).
Description
Módulo semiconductor de potencia.
La invención describe un módulo de semiconductor
de potencia en un diseño de contacto por presión para disponerlo en
un disipador térmico. Los módulos de semiconductor de potencia como
tales son conocidos, por ejemplo, a partir del documento DE 197 19
703 A1 que es el punto de partida de la invención.
Los módulos de semiconductor de potencia de este
tipo de acuerdo con la técnica anterior consisten en un alojamiento
con por lo menos un componente eléctricamente aislante dispuesto en
su interior, preferiblemente para el montaje directo en un
disipador térmico. El sustrato por su parte consiste en un cuerpo de
material aislante con una pluralidad de trayectorias de conexión
metálicas mutuamente aisladas colocadas sobre el mismo y componentes
del semiconductor de potencia colocados sobre el mismo y conectados
a estas trayectorias de conexión de una manera apropiada para el
circuito. Además, estos módulos de semiconductor de potencia
conocidos tienen elementos de conexión para conexiones de cargas
exteriores y auxiliares así como elementos de conexión colocados en
su interior. Estos elementos de conexión para las conexiones
apropiadas para el circuito en el interior del módulo de
semiconductor de potencia generalmente están configurados como
conexiones de unión por cable.
Los módulos de semiconductor de potencia
conectados por presión son también conocidos tales como aquellos
conocidos a partir de los documentos DE 42 37 362 A1, DE 199 03 875
A1 o DE 101 27 947 C1. En el primer documento mencionado, el
dispositivo de presión comprende un elemento de presión estable
preferiblemente de metal para crear presión, un elemento de colchón
elástico para almacenar la presión y un elemento de puente para
introducir presión en áreas separadas de la superficie del
sustrato. El elemento de puente preferiblemente está configurado
como un moldeado de plástico con una superficie encarada al elemento
de colchón a partir de la cual emanan una pluralidad de dedos de
presión en la dirección de la superficie del sustrato.
Por medio de un dispositivo de presión de este
tipo, el sustrato es presionado sobre un disipador térmico y de ese
modo la transferencia de calor entre el sustrato y el disipador
térmico se produce continuamente y de forma fiable. En este caso,
el elemento de colchón elástico sirve para mantener relaciones de
presión constante bajo diferentes cargas térmicas y sobre el ciclo
de vida completo del módulo de semiconductor de potencia.
El documento DE 199 03 875 A1 desarrolla
adicionalmente el elemento de presión conocido porque por una parte
tiene una relación particularmente ventajosa de peso y estabilidad y
por otra parte tiene canales de alimentación eléctricamente
aislados. Para esto el elemento de presión está configurado como un
moldeado de plástico con un núcleo de metal interior. Este núcleo
de metal tiene ranuras para la alimentación a través de los
elementos de conexión, preferiblemente elementos de conexión
auxiliares en un diseño de contacto por resorte. El moldeado de
plástico encierra estas ranuras de tal manera que los elementos de
conexión auxiliares están eléctricamente aislados del núcleo de
metal por medio del moldeado de plástico.
También son conocidos elementos de presión
adicionalmente desarrollados, los cuales tienen una pluralidad de
dedos de presión sobre la superficie de los mismos encarados al
sustrato. El núcleo de metal en este caso preferiblemente tiene una
deformación previamente ajustada. En la combinación de ambas medidas
un elemento de presión de este tipo puede proporcionar la
funcionalidad completa del dispositivo de presión anteriormente
mencionado.
A partir del documento DE 101 57 947 C1 es
conocido un módulo de semiconductor de potencia en el que los
elementos de conexión de la carga están configurados de tal manera
que corren en secciones próximas de forma adyacente,
perpendiculares a la superficie del sustrato y tienen patas de
contacto que emanan de las mismas, las cuales realizan el contacto
eléctrico a las trayectorias conductoras y al mismo tiempo ejercen
presión sobre el sustrato y establecen de ese modo el contacto
térmico del mismo con un disipador de calor. La presión es
introducida de ese modo y almacenada por medios de acuerdo con la
técnica anterior. Módulos adicionales del semiconductor de potencia
son conocidos a partir del documento EP 0 138 048 A2 y a partir del
documento EP 1 367 643 A2.
Es el objeto de la presente invención
proporcionar un módulo de semiconductor de potencia en un diseño de
contacto con presión, en el que el aislamiento interno del módulo de
semiconductor de potencia está mejorado y la configuración del
diseño de contacto de presión está simplificada.
El objeto se consigue de acuerdo con la
invención mediante las medidas de las características de la
reivindicación 1. Formas de realización preferidas se describen en
las reivindicaciones subordinadas.
La idea inventiva arranca a partir de una
disposición de un módulo de semiconductor de potencia en un diseño
de contacto en un disipador de calor, que comprende por lo menos un
sustrato, por lo menos dos componentes del semiconductor de
potencia dispuestos sobre el mismo, por ejemplo, transistores
bipolares, un alojamiento y elementos de conexión de la carga y de
control dirigidos hacia fuera. El propio sustrato comprende un
cuerpo de material aislante y trayectorias conductoras al potencial
de carga están dispuestas en la primera superficie principal del
mismo encaradas hacia el interior del módulo de semiconductor de
potencia. Además, el sustrato preferiblemente tiene por lo menos
una trayectoria conductora con el potencial de control para el
accionamiento de los componentes del semiconductor de potencia.
El módulo de semiconductor de potencia
adicionalmente tiene elementos de conexión de la carga cada uno de
ellos configurados como cuerpos conformados en metal con un
dispositivo de contacto, una sección en forma de tira y provista de
una pluralidad de patas de contacto que emanan desde la misma. Las
respectivas secciones en forma de tira están dispuestas en paralelo
a la superficie del sustrato y a una distancia desde el mismo. Las
patas de contacto que emanan de la sección en forma de tira se
extienden tan lejos como el sustrato y forman los contactos de las
conexiones de la carga apropiadas para el circuito. Con este
propósito, estas patas de contacto preferiblemente están en
contacto con las trayectorias conductoras con el potencial de carga
sobre sustrato, alternativamente directamente con los componentes
del semiconductor de potencia.
De acuerdo con la invención, los elementos de
conexión de la carga forman una pila y en este caso, una capa
intermedia elástica está dispuesta entre elementos de conexión de la
carga respectivamente adyacentes en el área de las respectivas
secciones en forma de tira. Comparada con la técnica anterior con
únicamente un dispositivo de almacenaje de la presión, esta
disposición de una pluralidad de capas intermedias tiene la ventaja
de que los elementos de conexión de la carga individuales no están
dispuestos rígidamente sino flexiblemente uno con respecto al otro
y de ese modo se mejora sustancialmente la seguridad del contacto.
Además, las tolerancias de fabricación en la longitud de la
respectiva pata de contacto de los elementos de conexión de la carga
individuales se compensan unas con otras. Debido a la configuración
de la pila de elementos de conexión de la carga de acuerdo con la
invención, todas las patas de contacto presionan con la misma fuerza
sobre sus respectivos puntos de contacto en el sustrato o en los
componentes del semiconductor de potencia.
Se puede preferir particularmente que las
secciones en forma de tira de los elementos de conexión de la carga
y las patas de contacto estén fabricados de un cuerpo de metal plano
utilizando la tecnología de estampado y plegado, conectados a los
dispositivos de contacto (404, 424, 444) y laminados después con una
capa intermedia elástica (46) para formar una pila (4).
Este procedimiento de fabricación tiene la
ventaja de que, debido a la fabricación previa de la pila,
únicamente unos pocos componentes individuales se tienen que
disponer unos con respecto a los otros cuando se monta el módulo de
semiconductor de potencia.
La solución inventiva se explica adicionalmente
con referencia a las formas de realización ejemplares de las
figuras 1 y 2.
La figura 1 muestra una sección a través de un
módulo de semiconductor de potencia de acuerdo con la invención.
La figura 2 muestra una pila de elementos de
conexión de la carga del semiconductor de potencia de acuerdo con
la invención en una vista tridimensional.
La figura 1 muestra una sección a través de un
módulo de semiconductor de potencia (1) de acuerdo con la invención.
Éste comprende un alojamiento (3) con una pieza de alojamiento en
forma de bastidor la cual está firmemente unida al disipador
térmico (2) de la disposición. En este caso, la pieza del
alojamiento en forma de bastidor encierra el por lo menos un
sustrato (5). Éste a su vez comprende un cuerpo de material aislante
(52), preferiblemente una cerámica aislante tal como por ejemplo
óxido de aluminio o nitrato de aluminio.
En la primera superficie principal encarada al
interior del módulo de semiconductor de potencia (1), el sustrato
(5) tiene una laminación de metal estructurada de forma inherente.
Las secciones individuales de esta laminación de metal, la cual
preferiblemente está configurada como una laminación de cobre, forma
aquí las trayectorias conductoras (54) del módulo de semiconductor
de potencia (1). La segunda superficie principal del sustrato (5)
tiene una laminación de cobre no estructurada (58) de acuerdo con la
técnica anterior.
Colocados sobre las trayectorias conductoras
(54) del sustrato están los componentes del semiconductor de
potencia que se pueden controlar o controlados (60), tales como, por
ejemplo, transistores bipolares de puerta aislada
(IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) cada uno con diodos supresores o MOS-FET conectados en anti-paralelo. Éstos están conectados a trayectorias conductoras adicionales (54) de una manera apropiada al circuito, por ejemplo, por medio de conexiones de unión de cable (62).
(IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) cada uno con diodos supresores o MOS-FET conectados en anti-paralelo. Éstos están conectados a trayectorias conductoras adicionales (54) de una manera apropiada al circuito, por ejemplo, por medio de conexiones de unión de cable (62).
Los elementos de conexión de la carga (40, 42,
44) con los diversos potenciales necesarios se utilizan para la
conexión exterior del circuito electrónico de potencia en el
interior del módulo de semiconductor de potencia (1). Con este
propósito, los elementos de conexión de la carga (40, 42, 44) están
configurados como cuerpos conformados de metal, cada uno de ellos
provisto de una sección en forma de tira (402, 422, 442) paralela a
la superficie del sustrato. En este caso, las secciones en forma de
tira (402, 422, 442) forman una pila (4, véase la figura 2), en la
que las secciones en forma de tira de los elementos individuales de
conexión de la carga (40, 42, 44) están cada una de ellas separadas
entre sí por medio de una capa intermedia elástica (46), en este
caso un colchón de silicona y están eléctricamente aisladas unas con
respecto a las otras. Es particularmente preferible que estos
colchones de silicona (46) estén unidos mediante adhesivo a las
secciones en forma de tira puesto que la pila (4) está configurada
de ese modo como una unidad de montaje. Elementos de conexión
auxiliares necesarios no están representados en esta vista en
sección por razones de claridad.
El módulo de semiconductor de potencia (1) de
acuerdo con la invención preferiblemente tiene una capa intermedia
configurada como un cuerpo conformado de material aislado (30) entre
la pila de las secciones en forma de tira (402, 422, 442) de los
elementos de conexión de la carga (40, 42, 44) y el sustrato (5). El
cuerpo conformado de material aislante (30) tiene ranuras (32) para
la alimentación a través de las patas de contacto (400, 420, 440)
de la pila (4, véase la figura 2).
El dispositivo de presión (70) para la conexión
térmica del módulo de semiconductor de potencia (1) al disipador
térmico (2) y al mismo tiempo para el contacto eléctrico de los
elementos de conexión de la carga (40, 42, 44) con las trayectorias
conductoras (54) del sustrato (5) está formado por un elemento de
presión (72) para crear presión sobre la pila (4, véase la figura
2). Para esto el elemento de presión tiene dedos de presión (74) de
acuerdo con la técnica anterior. También puede ser preferible que
esté dispuesta una capa elástica adicional de la misma
configuración que la capa intermedia (46) entre el elemento de
presión (72) con un lado inferior plano y la pila (4).
El elemento de presión (72) adicionalmente puede
estar diseñado de acuerdo con la técnica anterior como un moldeado
de plástico con un núcleo de metal interior adecuado y estructuras
de refuerzo adicionales (76). De forma similar es preferible que el
elemento de presión (72) al mismo tiempo sirva como una cubierta
para el módulo de semiconductor de potencia (1).
La figura 2 muestra una vista tridimensional de
una pila (4) de elementos de conexión de la carga (40, 42, 44) del
módulo de semiconductor de potencia de acuerdo con la invención.
Éste muestra los elementos de conexión de la carga (40, 42, 44)
cada uno de ellos comprendiendo una pluralidad de patas de contacto
(400, 420, 440) que emanan de las secciones en forma de tira
asociadas (402, 422, 442). Los dispositivos de contacto (404, 424,
424) forman las conexiones exteriores del módulo de semiconductor de
potencia.
En cada caso, un colchón de silicona provisto de
un grosor mínimo de 1 mm está dispuesto entre las secciones en
forma de tira (402, 422, 442) como una capa intermedia elástica
(46). En este caso, la respectiva capa intermedia elástica (46) al
mismo tiempo forma el aislamiento eléctrico de los elementos de
conexión de la carga vecinos (40, 42, 44) así como el elemento que
trasmite la presión y que almacena la presión del módulo de
semiconductor de potencia.
Es particularmente ventajoso que los elementos
de conexión de la carga (40, 42, 44) estén conectados a la
respectiva capa intermedia (46) en el área de las secciones en forma
de tira (402, 422, 442) para formar una unidad de montaje. Esto
puede estar configurado, por ejemplo, por medio de una conexión
mediante adhesivo. Sin embargo, particularmente se prefiere que se
utilice un procedimiento de laminación como técnica de unión.
La pila (4) además tiene ranuras (406, 426, 446,
466) en las secciones en forma de tira (402, 422, 442) y la capa
intermedia (46) para la alimentación a través de elementos de
conexión auxiliares configurados como resortes helicoidales, los
cuales no están representados.
Claims (7)
1. Un módulo de semiconductor de potencia (1) en
un diseño de contacto por presión, para disponerlo en un disipador
de calor (2), que comprende por lo menos un sustrato (5), por lo
menos dos componentes del semiconductor de potencia (60) dispuestos
sobre el mismo, un alojamiento (3) y elementos de conexión de la
carga dirigidos hacia fuera (40, 42, 44) y elementos de conexión de
control y que comprende un dispositivo de presión (70) para
introducir presión sobre los elementos de conexión de la carga para
el contacto eléctrico de los mismos con trayectorias conductoras
(54) del sustrato, en el que el sustrato (5) comprende un cuerpo de
material aislante (52) y dichas trayectorias conductoras (54) con
el potencial de la carga están dispuestas sobre una primera
superficie principal del mismo, encaradas al interior del módulo de
semiconductor de potencia, en el que los elementos de conexión de
la carga están cada uno de ellos configurados como cuerpos
conformados de metal provistos de por lo menos un elemento de
contacto (404, 424), una sección en forma de tira (402, 422, 442) y
patas de contacto (400, 420, 440) que emanan de la misma, la sección
en forma de tira está dispuesta paralela a la superficie del
sustrato y a una distancia del mismo y las patas de contacto se
extienden desde la sección en forma de tira hasta el sustrato (5) y
entran en contacto con éstos de una manera apropiada para el
circuito, y en el que los elementos de conexión de la carga (40, 42,
44) forman una pila y en este caso, una capa intermedia elástica
(46) está dispuesta entre elementos de conexión de la carga
respectivamente adyacentes en el área de las respectivas secciones
en forma de tira (402, 422, 442).
2. El módulo de semiconductor de potencia (1)
según la reivindicación 1 en el que la capa intermedia elástica
(46) está configurada como un colchón de silicona provisto de un
grosor mínimo de 1 mm.
3. El módulo de semiconductor de potencia (1)
según la reivindicación 1 en el que la capa intermedia elástica
(46) al mismo tiempo forma el aislamiento eléctrico de los elementos
de conexión de la carga (40, 42, 44) adyacentes al mismo.
4. El módulo de semiconductor de potencia (1)
según la reivindicación 3 en el que los elementos de conexión de la
carga (40, 42, 44) están conectados para formar un conjunto en el
área de las secciones en forma de tira (402, 422, 442), todos los
elementos de conexión de la carga están de ese modo eléctricamente
aislados unos con respecto a los otros y en el que el dispositivo
de presión introduce presión sobre esta pila y las patas de
contacto (400, 420, 440) están por lo tanto conectadas a las
trayectorias conductoras (54) del sustrato (5) de una manera
eléctricamente conductora.
5. El módulo de semiconductor de potencia (1)
según la reivindicación 1 en el que una capa elástica adicional
está dispuesta entre un elemento de presión (72) del dispositivo de
presión (70) y la pila.
6. El módulo de semiconductor de potencia (1)
según la reivindicación 1 en el que la pila (4) está configurada
mediante unión por adhesivo.
7. El módulo de semiconductor de potencia (1)
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el
dispositivo de presión (70) y la pila tienen ranuras (406, 426, 446,
466) para el paso de elementos de conexión auxiliares configurados
como resortes helicoidales.
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