ES2359548T3 - Módulo electrónico de potencia y componente de potencia destinado a equipar dicho módulo. - Google Patents

Módulo electrónico de potencia y componente de potencia destinado a equipar dicho módulo. Download PDF

Info

Publication number
ES2359548T3
ES2359548T3 ES02291371T ES02291371T ES2359548T3 ES 2359548 T3 ES2359548 T3 ES 2359548T3 ES 02291371 T ES02291371 T ES 02291371T ES 02291371 T ES02291371 T ES 02291371T ES 2359548 T3 ES2359548 T3 ES 2359548T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
substrate
component
power module
power
semiconductor component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES02291371T
Other languages
English (en)
Inventor
Christophe Beuille
Fabrice Breit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom Transport SA
Original Assignee
Alstom Transport SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Transport SA filed Critical Alstom Transport SA
Application granted granted Critical
Publication of ES2359548T3 publication Critical patent/ES2359548T3/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/47—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing liquids, e.g. forced water cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/22—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/254—Diamond
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0272—Adaptations for fluid transport, e.g. channels, holes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/06—Thermal details
    • H05K2201/064—Fluid cooling, e.g. by integral pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10166—Transistor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124—On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/49126—Assembling bases

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Módulo electrónico de potencia, que comprende por lo menos un componente semiconductor de potencia (2) dispuesto sobre un sustrato (1) eléctricamente aislante, caracterizado porque dicho componente semiconductor de potencia (2) comprende una cara unida a dicho sustrato (1) que está en parte recubierta por una capa de diamante (3) y en parte metalizada (4), estando dicha parte metalizada (4) en contacto con una pista conductora (5) realizada en la superficie del sustrato (1) y estando dicha parte recubierta de diamante (3) frente a una abertura (8) realizada en el sustrato (1), comprendiendo dicho sustrato (1) una cara opuesta al componente semiconductor (2) que es refrigerada por un fluido portador del calor (6), fluyendo dicho fluido en dicha abertura (8) y en la superficie de la parte recubierta de diamante (3).

Description

La presente invención se refiere a un módulo electrónico de potencia que comprende por lo menos un componente de potencia dispuesto sobre un sustrato eléctricamente aislante y a un componente semiconductor de potencia destinado a equipar dicho sustrato. El módulo electrónico de potencia según la invención está destinado en particular a ser utilizado para el montaje de transistores bipolares de rejilla aislada, denominados componentes IGBT, en los circuitos de distribución de energía del campo ferroviario.
Es conocido que las prestaciones de los módulos electrónicos de potencia se encuentran limitadas por la temperatura alcanzada por los componentes electrónicos de potencia en funcionamiento. Por ejemplo, más allá de 150 ºC, las prestaciones de un chip de silicio se degradan considerablemente. Por lo tanto, es muy importante evacuar eficazmente el calor disipado por efecto joule, con el fin de mantener en los componentes una temperatura de funcionamiento óptima y poder aumentar así las capacidades utilizables o la fiabilidad del sistema.
Habitualmente, los módulos electrónicos de potencia destinados a la tracción ferroviaria están constituidos por un componente de potencia soldado sobre un sustrato que comprende un borde eléctricamente aislante de nitruro de aluminio AlN recubierto en sus caras inferior y superior por una metalización de cobre mediante un procedimiento denominado DBC (Direct Bonding Cupper), refrigerándose el sustrato mediante un radiador unido a la capa de cobre inferior. No obstante, este tipo de módulos electrónicos adolecen del inconveniente de tener unas capas de enganche a nivel de las soldaduras y metalizados que constituyen unas barreras térmicas que reducen considerablemente las capacidades de transmisión de calor a través del sustrato, lo cual limita la disipación de energía a través del radiador de refrigeración.
Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es proponer un módulo electrónico de potencia que solucione estos inconvenientes garantizando una excelente refrigeración de los componentes de potencia.
Con este fin, la invención tiene por objeto un módulo electrónico de potencia que comprende por lo menos un componente semiconductor de potencia dispuesto sobre un sustrato eléctricamente aislante, caracterizado porque el componente semiconductor de potencia comprende una cara unida al sustrato, recubierta en parte por una capa de diamante y en parte metalizada, estando la parte metalizada en contacto con una pista conductora realizada sobre la superficie del sustrato y estando la parte recubierta de diamante frente a una abertura realizada en el sustrato, comprendiendo este último una cara opuesta al componente semiconductor que está refrigerada por un fluido portador de calor, fluyendo el fluido portador de calor en la abertura y en la superficie de la parte recubierta de diamante.
Según unas formas de realización particulares, el módulo electrónico de potencia puede comprender una o varias de las características siguientes consideradas individualmente o según todas las combinaciones técnicamente posibles:
-
la cara del componente semiconductor de potencia que está unida al sustrato está metalizada en su periferia y recubierta de una capa de diamante en el resto de la superficie;
-
la capa de diamante se deposita sobre el componente de potencia mediante CVD (Chimical Vapor Deposition);
-
la capa de diamante que recubre el componente de semiconductor de potencia forma un sobreespesor que se inserta en la abertura del sustrato, comprendiendo esta última una forma complementaria a la forma de la capa de diamante;
-
el componente semiconductor de potencia es un componente IGBT;
-
el sustrato está realizado en nitruro de aluminio AIN o en alúmina.
La invención se refiere asimismo a un componente semiconductor de potencia destinado a equipar un módulo electrónico de potencia de este tipo, caracterizado porque comprende una cara destinada a ser unida a un sustrato que en parte está metalizado y en parte está recubierto por una capa de diamante.
Según otra característica del componente semiconductor de potencia según la invención, la cara está metalizada en su periferia y recubierta de una capa de diamante en el resto de la superficie.
Los objetivos, aspectos y ventajas de la presente invención se pondrán más claramente de manifiesto mediante la siguiente descripción de una forma de realización de la invención, presentada a título de ejemplo no limitativo, y haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
-
la figura 1 es una vista esquemática en sección de una forma de realización del módulo electrónico de potencia según la invención;
-
la figura 2 es una vista esquemática desde la parte inferior del componente de potencia que equipa el módulo de potencia de la figura 1.
Para facilitar la lectura de los dibujos, sólo se representan los elementos necesarios para la comprensión de la invención.
La figura 1 representa un módulo electrónico de potencia que comprende un componente semiconductor de potencia 2, tal como un componente IGBT, dispuesto sobre un sustrato 1 de nitruro de aluminio AIN o de alúmina.
El componente IGBT 2, representado esquemáticamente en la figura 2, presenta una cara inferior provista en su periferia de una pista conductora 4 que constituye un colector y que está recubierta en su centro por una capa de diamante 3 de forma rectangular. El componente IGBT 2 presenta asimismo, clásicamente, de una conexión de mando y un emisor en su cara superior. La capa de diamante 3 que recubre el conjunto de la cara inferior del componente IGBT, con la excepción de la parte reservada a la pista conductora, se obtiene de forma conocida mediante deposición química en fase vapor (CVD) sobre la cara de silicio del componente 2, en un espesor del orden de 150 m, realizándose la pista conductora 4 por medio de una máscara mediante metalización de la periferia de la cara del componente 2 en un espesor del orden de 5 m.
De acuerdo con la figura 1, el componente IGBT 2 está unido al sustrato 1 haciendo que la pista conductora 4 entre en contacto con una pista conductora de cobre, 5 soportada por el sustrato 1, y que el sobreespesor de la capa de diamante 3 se inserte en una abertura 8 de forma complementaria realizada en el sustrato 1. Esta abertura 8 atraviesa el sustrato 1 y desemboca en la cara inferior del sustrato 1 que es barrida por un fluido portador del calor 6, canalizado, por otra parte, por la pared 7 de una caja de refrigeración.
El módulo de potencia así realizado presenta un componente IGBT, del que la mayor parte de la cara inferior se refrigera por conducción a través de la capa de diamante que está en contacto con el fluido portador de calor, permitiendo de este modo, gracias a la excelente conductividad térmica de la capa de diamante del orden de 1.500 a
2.000 W/m.K, evacuar una gran cantidad de energía térmica en la dirección del fluido portador del calor, garantizando al mismo tiempo un buen aislamiento eléctrico entre el fluido portador del calor y el componente de potencia gracias a las propiedades dieléctricas del diamante. Además, dicho módulo de potencia presenta la ventaja de poder ser utilizado con los componentes de tecnología vertical, en los cuales la corriente eléctrica atraviesa el componente, gracias a la conexión del componente semiconductor de potencia a nivel de la periferia de su cara inferior.
El módulo electrónico de potencia según la invención garantiza por lo tanto una refrigeración óptima del componente semiconductor de potencia, lo cual permite utilizar los componentes IGBT con una tensión o una corriente eléctrica más intensas y, por lo tanto, reducir el número de componentes necesarios para la realización de un convertidor de potencia en una cadena de tracción de un vehículo ferroviario.
Resulta evidente que la invención no está limitada en ningún modo a la forma de realización descrita e ilustrada, presentada únicamente a título de ejemplo. Es posible realizar modificaciones, en particular desde el punto de vista de la constitución de los diversos elementos o por sustitución de equivalentes técnicos, sin apartarse por ello del ámbito de protección de la invención.
Así, en unas variantes de realización no representadas, el emplazamiento y la forma de la pista conductora y de la capa de diamante sobre la cara inferior del componente semiconductor de potencia podrán realizarse de forma diferente.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Módulo electrónico de potencia, que comprende por lo menos un componente semiconductor de potencia (2) dispuesto sobre un sustrato (1) eléctricamente aislante, caracterizado porque dicho componente semiconductor de potencia (2) comprende una cara unida a dicho sustrato (1) que está en parte recubierta por una capa de diamante
    (3) y en parte metalizada (4), estando dicha parte metalizada (4) en contacto con una pista conductora (5) realizada en la superficie del sustrato (1) y estando dicha parte recubierta de diamante (3) frente a una abertura (8) realizada en el sustrato (1), comprendiendo dicho sustrato (1) una cara opuesta al componente semiconductor (2) que es refrigerada por un fluido portador del calor (6), fluyendo dicho fluido en dicha abertura (8) y en la superficie de la parte recubierta de diamante (3).
  2. 2.
    Módulo electrónico de potencia según la reivindicación 1, caracterizado porque la cara del componente semiconductor de potencia (2) que está unida al sustrato está metalizada en su periferia y recubierta de una capa de diamante (3) en el resto de su superficie.
  3. 3.
    Módulo electrónico de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque dicha capa de diamante (3) se deposita sobre el componente semiconductor de potencia (2) mediante CVD (Chimical Vapor Deposition).
  4. 4.
    Módulo electrónico de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 3, caracterizado porque la capa de diamante (3) que recubre el componente de semiconductor de potencia (2) forma un sobreespesor que se inserta en la abertura (8) del sustrato, comprendiendo dicha abertura (8) una forma complementaria a la forma de la capa de diamante (3).
  5. 5.
    Módulo electrónico de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el componente semiconductor de potencia (2) es un componente IGBT.
  6. 6.
    Módulo electrónico de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicho sustrato (1) está realizado en nitruro de aluminio AIN o en alúmina.
  7. 7.
    Componente semiconductor de potencia destinado a equipar un módulo de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende una cara destinada a unirse a un sustrato (1) metalizada en su periferia y recubierta de una capa de diamante (3) en el resto de su superficie.
  8. 8.
    Componente semiconductor de potencia según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho componente es un componente IGBT.
ES02291371T 2001-06-20 2002-06-04 Módulo electrónico de potencia y componente de potencia destinado a equipar dicho módulo. Expired - Lifetime ES2359548T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0108099 2001-06-20
FR0108099A FR2826508B1 (fr) 2001-06-20 2001-06-20 Module electronique de puissance et composant de puissance destine a equiper un tel module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2359548T3 true ES2359548T3 (es) 2011-05-24

Family

ID=8864548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES02291371T Expired - Lifetime ES2359548T3 (es) 2001-06-20 2002-06-04 Módulo electrónico de potencia y componente de potencia destinado a equipar dicho módulo.

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6738253B2 (es)
EP (1) EP1271646B1 (es)
JP (1) JP4139144B2 (es)
CA (1) CA2389822C (es)
DE (1) DE60239246D1 (es)
ES (1) ES2359548T3 (es)
FR (1) FR2826508B1 (es)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6992887B2 (en) * 2003-10-15 2006-01-31 Visteon Global Technologies, Inc. Liquid cooled semiconductor device
US8125781B2 (en) 2004-11-11 2012-02-28 Denso Corporation Semiconductor device
US7190581B1 (en) * 2005-01-11 2007-03-13 Midwest Research Institute Low thermal resistance power module assembly
US20070236883A1 (en) * 2006-04-05 2007-10-11 Javier Ruiz Electronics assembly having heat sink substrate disposed in cooling vessel
EP2056345A1 (de) * 2007-11-02 2009-05-06 Plansee Se Wärmesenkenmodul für elektronische Bauteile oder Schaltkreise sowie Verfahren zu dessen Herstellung
US9252069B2 (en) * 2010-08-31 2016-02-02 Teledyne Scientific & Imaging, Llc High power module cooling system
US9480149B2 (en) * 2013-12-10 2016-10-25 Brocade Communications Systems, Inc. Printed circuit board with fluid flow channels
US10366936B2 (en) 2014-06-18 2019-07-30 Element Six Technologies Limited Electronic device component with an integral diamond heat spreader
US9601327B2 (en) * 2014-08-15 2017-03-21 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma High-power electronic device packages and methods
US11022383B2 (en) 2016-06-16 2021-06-01 Teledyne Scientific & Imaging, Llc Interface-free thermal management system for high power devices co-fabricated with electronic circuit
FR3093396A1 (fr) * 2019-02-28 2020-09-04 Valeo Systemes Thermiques Carte electronique et ensemble associe pour commander un groupe moto-ventilateur d'un vehicule automobile

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5146314A (en) * 1990-03-09 1992-09-08 The University Of Colorado Foundation, Inc. Apparatus for semiconductor circuit chip cooling using a diamond layer
JP2532352B2 (ja) * 1992-05-25 1996-09-11 マンネスマン・アクチエンゲゼルシャフト 流体により冷却される出力トランジスタ装置
US5354717A (en) * 1993-07-29 1994-10-11 Motorola, Inc. Method for making a substrate structure with improved heat dissipation
EP0637078A1 (en) * 1993-07-29 1995-02-01 Motorola, Inc. A semiconductor device with improved heat dissipation
JP2991010B2 (ja) * 1993-09-29 1999-12-20 富士電機株式会社 半導体装置およびその製造方法
US5923086A (en) * 1997-05-14 1999-07-13 Intel Corporation Apparatus for cooling a semiconductor die
JP2001168256A (ja) * 1999-12-13 2001-06-22 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体素子用放熱構造体とそれを備えた半導体装置
US6573592B2 (en) * 2001-08-21 2003-06-03 Micron Technology, Inc. Semiconductor die packages with standard ball grid array footprint and method for assembling the same

Also Published As

Publication number Publication date
DE60239246D1 (de) 2011-04-07
EP1271646B1 (fr) 2011-02-23
CA2389822C (fr) 2008-05-06
CA2389822A1 (fr) 2002-12-20
EP1271646A3 (fr) 2005-12-14
FR2826508A1 (fr) 2002-12-27
EP1271646A2 (fr) 2003-01-02
US6738253B2 (en) 2004-05-18
JP4139144B2 (ja) 2008-08-27
US20020196610A1 (en) 2002-12-26
FR2826508B1 (fr) 2004-05-28
JP2003037232A (ja) 2003-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6625024B2 (en) Power converter enclosure
US8405992B2 (en) Power-electronic arrangement
CN107863328B (zh) 使用冷却流体冷却并且包括屏蔽层的封装体
US9099426B2 (en) Trench-assisted thermoelectric isothermalization of power switching chips
JP6037045B2 (ja) 半導体モジュール
US11149937B2 (en) Functionally graded manifold microchannel heat sinks
US9460981B2 (en) Semiconductor module
ES2359548T3 (es) Módulo electrónico de potencia y componente de potencia destinado a equipar dicho módulo.
CN106558563B (zh) 功率模块和具有其的车辆
EP3589102B1 (en) Heat transfer structure, power electronics module, cooling element, method of manufacturing a heat transfer structure and method of manufacturing a power electronics component
CN107452688B (zh) 半导体装置
KR101519071B1 (ko) 제습기용 열전모듈 어셈블리
CN109390300B (zh) 半导体装置
US20240087984A1 (en) Semiconductor module assembly having a cooling body and at least one semiconductor module
JP4146888B2 (ja) 半導体モジュールと半導体モジュールの製造方法
US12136585B2 (en) Compact power electronics module with increased cooling surface
JP3920403B2 (ja) 熱電変換装置
ES2717849T3 (es) Sustrato para circuito electrónico de potencia y módulo electrónico de potencia que utiliza dicho sustrato
JP6555177B2 (ja) 半導体モジュール
CN224111361U (zh) 半导体器件及功率模块
CN221928061U (zh) 功率模块和包括该功率模块的电子产品
US20230253291A1 (en) Power semiconductor module arrangement and methods for producing a semiconductor arrangement
KR101443977B1 (ko) 전력 모듈용 방열 시스템
CN115513191B (zh) 封装器件、封装模组及电子设备
US11721608B2 (en) Power electronics assemblies having vapor chambers with integrated pedestals