CS215798B1

CS215798B1 - Power semiconductor module

Info

Publication number: CS215798B1
Application number: CS506980A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Kolman; Vladimir Jirutka; Jiri Pliva
Original assignee: Bohumil Kolman; Vladimir Jirutka; Jiri Pliva
Priority date: 1980-07-17
Filing date: 1980-07-17
Publication date: 1982-09-15

Abstract

Vynález se týká výkonového polovodičového modulu s nejméně dvěma polovodičovými systémy, tepelně vodivě a elektricky izolovaně spojenými se základnou tak, že každý polovodičový systém dosedá na vývodní kontaktní plech, který je přes keramickou podložku tepelně vodivě spojen se základnou a na horní kontakt každého polovodičového systému dosedá další vývodní, resp. propojovací kontaktní plech, na němž je umístěna elektricky izolační vložka, přičemž vývodní a propojovací kontaktní plechy jsou k polovodičovým systémům a k základně přitlačovány pomocí centrálního šroubu upevněného v základně a soustavy pružin. Polovodičové systémy spolu s vývodními a propojovacími kontaktními plechy a s přítlačným systémem jsou uspořádány v dutině pouzdra, pružiny přítlačného systému jsou provedeny jako talířové, jsou nasazeny na dříku centrálního šroubu a opírají se o tuhý příčník, který dosedá na elektricky izolační vložky.The invention relates to a power semiconductor module with at least two semiconductor systems, thermally conductively and electrically insulatedly connected to the base in such a way that each semiconductor system rests on a lead-out contact plate, which is thermally conductively connected to the base via a ceramic substrate, and another lead-out or connecting contact plate rests on the upper contact of each semiconductor system, on which an electrically insulating insert is placed, whereby the lead-out and connecting contact plates are pressed against the semiconductor systems and the base by means of a central screw fixed in the base and a system of springs. The semiconductor systems together with the lead-out and connecting contact plates and the pressing system are arranged in the cavity of the housing, the springs of the pressing system are designed as disc-shaped, are mounted on the shaft of the central screw and are supported by a rigid crossbar, which rests on the electrically insulating inserts.

Description

(54) Výkonový polovodičový modul(54) Power semiconductor module

Vynález se týká výkonového polovodičového modulu s nejméně dvěma polovodičovými systémy, tepelně vodivě a elektricky izolovaně spojenými se základnou tak, že každý polovodičový systém dosedá na vývodní kontaktní plech, který je přes keramickou podložku tepelně vodivě spojen se základnou a na horní kontakt každého polovodičového systému dosedá další vývodní, resp. propojovací kontaktní plech, na němž je umístěna elektricky izolační vložka, přičemž vývodní a propojovací kontaktní plechy jsou k polovodičovým systémům a k základně přitlačovány pomocí centrálního šroubu upevněného v základně a soustavy pružin. Polovodičové systémy spolu s vývodními a propojovacími kontaktními plechy a s přítlačným systémem jsou uspořádány v dutině pouzdra, pružiny přítlačného systému jsou provedeny jako talířové, jsou nasazeny na dříku centrálního šroubu a opírají se o tuhý příčník, který dosedá na elektricky izolační vložky.The present invention relates to a power semiconductor module with at least two semiconductor systems thermally conductive and electrically insulated to a base such that each semiconductor system abuts an outlet contact plate that is thermally conductively connected to the base via a ceramic substrate and abuts the top contact of each semiconductor system other outlet, respectively. an interconnecting contact sheet on which the electrically insulating insert is disposed, wherein the outlet and interconnecting contact sheets are pressed against the semiconductor systems and the base by means of a central screw mounted in the base and the spring assembly. The semiconductor systems together with the outlet and interconnecting contact plates and the thrust system are arranged in the housing cavity, the thrust system springs are disk-shaped, mounted on a central bolt shaft, and are supported by a rigid cross-member that abuts the electrically insulating inserts.

215 798215 798

Vynález ee týká výkonového polovodičsvého modulu β nejméně dvěma polovodičovými systémy, tepelně vodivě a elektricky izolovaně spojenými se základnou.The invention relates to a power semiconductor module β by at least two semiconductor systems thermally conductive and electrically insulated to a base.

Výkonové polovodičové moduly jsou polovodičové součástky, obsahující několik polovodi čových systémů, zpravidla zapouzdřených v plastu, sloužící k usměrňování, regulaci a ovládání střídavého proudu. Moduly jsou osazeny polovodičovými systémy diodovými, tyristorovými, případně tranzistorovými nebo jejich kombinacemi. Podle způsobu vnitřního propojení může být modul použit např. jako větev usměrňovaciho můstku nebo jako ovladač střídavého proudu.Power semiconductor modules are semiconductor components containing several semiconductor systems, usually encapsulated in plastic, for rectifying, regulating and controlling AC. Modules are equipped with semiconductor systems diode, thyristor, eventually transistor or their combinations. Depending on the internal connection method, the module can be used, for example, as a rectifier bridge branch or as an AC controller.

Z hlediska vnitřní konstrukce lze výkonové polovodičové moduly dělit na dva typy, na moduly pájené a na moduly s přítlačnou konstrukcí. U pájeného typu jsou všechny styky tvořeny pájkou a u typu s přítlačnou konstrukcí se jedná o tlakové kontakty. Pájený typ modulu se skládá z masivní měděné základny, která slouží k odvodu ztrátového tepla z polovodičových systémů a k připevnění modulu aa chladič. Na základnu jsou připájeny Izolační keramické podložky např. z berylnaté, korundové nebo jiné keramiky. Před pájením musí být kera mické destičky vhodně pokoveny, např. směsí molybdenu - manganu, nebo napařením tenké kovové vrstvy, která je ještě galvanicky zesílena. Po obvodu destičky musí zůstat nepokovená část, aby byla zajištěna požadovaná izolační pevnost. Na keramickou destičku je připájen dolní kontakt a na něj vlastní polovodičový systém, na který je déle připájen horní kontakt. Vzhledem k pnfatí po připájení musí být oba kontakty z masivního materiálu, aby nedošlo k poškození vlastního polovodičového systému. Kontakty polovodičových systémů jsou spojeny propojovacími plechy podle požadovaného typu zapojení navzájem a vývodními plechy s vnějšími vývody modulu.In terms of internal construction, power semiconductor modules can be divided into two types, soldered modules and modules with a pressure structure. In the brazed type, all connections are made of solder and in the push-pull type the contacts are pressure contacts. The soldered module type consists of a solid copper base, which is used to dissipate the heat loss from the semiconductor systems and to attach the module and the heatsink. Insulating ceramic pads made of beryllium, corundum or other ceramics are soldered to the base. Prior to soldering, the ceramic plates must be suitably plated, eg with a mixture of molybdenum-manganese, or by vapor deposition of a thin metal layer which is still galvanized. A non-plated portion must remain around the wafer to ensure the required insulation strength. The lower contact is soldered to the ceramic plate and the semiconductor system is soldered to it, for which the upper contact is soldered longer. Due to the surge after soldering, both contacts must be made of solid material to prevent damage to the semiconductor system itself. The contacts of the semiconductor systems are connected to each other by connecting plates according to the required type of connection and by the output plates with external module outlets.

Proti polovodičovému modulu pájenému je modul s přítlačnou konstrukcí sestaven z většího počtu dílů, které však nejsou tak masívní. Díly přítlačné konstrhkc· jsou jednodušší a lze je vyrábSt ekonomicky výhodnými operacemi lisováním, případně se jedná o díly normalizované. Proti pájenému modulu však dochází k úspoře energie potřebné k pájení, napaření keramických destiček, galvanického pokovení a k úspoře materiálů pro napařování, pokovení, pájení a zejména materiálů pro dolní kontakt. Z ekonomického hlediska je polovodičový modul β přítlačnou konstrukcí výhodnější.Against a brazed semiconductor module, the module with a thrust structure is made up of a plurality of parts, but not so massive. The press-fit parts are simpler and can be produced by economically advantageous pressing operations, or they can be standard parts. Compared to the soldered module, however, the energy required for soldering, steaming of ceramic plates, electroplating and saving of materials for steaming, metallization, soldering and especially materials for bottom contact is saved. From an economic point of view, the semiconductor module β is a thrust construction.

Jsou známy polovodičové moduly, kde jsou polovodičové prvky uspořádány ve vybráních pouzdra uzavřeného dnem a víkem a dosedají na vývodní kontaktní pásky izolované od základny destičkou např. z berylnaté keramiky. Kontaktní pásky spojují elektricky vybrání pouzdra a jsou spolu s kontaktními elektrodami přitlačovány k polovodičovým prvkům pomocí listových pružin, opírajících se o můstek, ležící mezi vybráními a upevněných šroubem zašroubovaným do masívní rovné základny s otvory pro připevnění chladiče. Vnější silové vývody jsou provedeny přehnutými pásky.Semiconductor modules are known in which the semiconductor elements are arranged in recesses of the housing closed by the bottom and the lid and abut the outlet contact strips insulated from the base by a plate of e.g. beryllium ceramic. The contact strips connect the housing recess electrically and, together with the contact electrodes, are pressed against the semiconductor elements by means of leaf springs resting on a bridge lying between the recesses and fastened by a screw screwed into a solid flat base with holes for fastening the cooler. External power outlets are made by folded straps.

Přítlačná konstrukce polovodičového modulu musí zajistit potřebný přítlak systému na podložku, a tím zaručit dobrý elektrický a tepelný kontakt se základnou. Vlastní konstrukce musí být z prostorového hlediska úsporná. Dále je třeba, aby montáž přítlačné konstrukce byla jednoduchá a nastavení a zajištění přítlačné síly bylo snadné.The thrust design of the semiconductor module must provide the necessary system pressure to the mat to ensure good electrical and thermal contact with the base. The design itself must be space-saving. Furthermore, the assembly of the pressing structure must be simple and the setting and securing of the pressing force is easy.

215 798215 798

Tyto požadavky splňuje výkonový polovodičový modul podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že polovodičové systémy spolu s vývodními a propojovacími kontaktními plechy a s přítlačným systémem jsou uspořádány v dutině pouzdra, přičemž pružiny přítlačného systému jsou provedeny jako talířové, jsou nasazeny na dříku centrálního šroubu a opírají se o tuhý příčník, který dosedá na elektricky izolační vložky.The power semiconductor module according to the invention fulfills these requirements, characterized in that the semiconductor systems together with the outlet and interconnecting contact plates and the thrust system are arranged in a cavity of the housing, the thrust system springs being disk-shaped, mounted on the central screw shaft and they rest on a rigid cross-piece that abuts the electrically insulating inserts.

Pro osazení modulu tyristorovými systémy je ve vývodním, resp. propojovacím kontaktním plechu, v horním kontaktu, v elektricky izolační vložce a v tuhém příčníku vytvořen otvor pro řídící vývod, spojený s konektorovým kolíkem, upevněným ve víku modulu. Alternativně je soustava talířových pružin umístěna mezi tuhý příčník a elektricky izolační vložku každého polovodičového systému.For mounting the module with thyristor systems is in outlet, resp. an opening for a control terminal is connected in the top contact, in the electrically insulating insert and in the rigid crossbeam, connected to the connector pin fixed in the module cover. Alternatively, the disk spring assembly is disposed between the rigid cross member and the electrically insulating insert of each semiconductor system.

Základna je vytvořena ve tvaru obdélníku, který je po celém obvodu osazen, přičemž v obou kratších stranách obdélníku jsou v osazené části vytvořeny otvory pro připojení modulu na chladič.The base is formed in the form of a rectangle, which is fitted over the entire circumference, with holes on both shorter sides of the rectangle in the shoulder to connect the module to the heatsink.

Dutina pouzdra modulu je zalita izolační hmotou.The module housing cavity is covered with insulating material.

Výkonový polovodičový modul podle, vynálezu splňuje požadavek jednoduché montáže přítlačné konstrukce. Použití talířových pružin jako pružného elementu je výhodné, protože jsou pro požadovanou sílu rozměrově menší než jiné druhy pružin a potřebné síly lze dosáhnout malým stlačením. Výroba talířových pružin je snadná a jejich použitím je dosaženo snížení hmotnosti modulu. Konstrukce základny modulu podle vynálezu zaručuje potřebnou tuhost a je jí dosaženo větší vzdáleností PN přechodu polovodičového systému od vnějšího prostředí, čímž je zaručena lepší odolnost proti pronikání vlhkosti.The power semiconductor module according to the invention meets the requirement of simple mounting of the clamping structure. The use of disc springs as a resilient element is advantageous because they are smaller in dimension than the other spring types for the required force and the required forces can be achieved by small compression. Disc springs are easy to manufacture and reduce module weight. The construction of the base of the module according to the invention ensures the required rigidity and is achieved by a greater PN distance of the transition of the semiconductor system from the external environment, thereby ensuring better resistance to moisture penetration.

Výkonový polovodičový modul podle vynálezu je znázorněn na příčném řezu na výkresu.The power semiconductor module according to the invention is shown in cross-section in the drawing.

V dutině pouzdra 1 modulu, uzavřeného víkem 2 jsou uspořádány dva polovodičové systémy 2» ^v daném případě tyristory, z nichž každý dosedá ny vývodní kontaktní plech 4, resp.In the cavity of the module housing 1 closed by the cover 2, two semiconductor systems 2, ⁱⁿ this case thyristors, are arranged, each of which abut the outlet contact plate 4 and / or the contact plate.

2, který je přes keramickou podložku 6 tepelně vodivě spojen se základnou 7. Na herní kontakty 8 polovodičových systémů 3 dosedá další vývodní 2» resp· propojovací 4a kontaktní plech, na kterém je umístěna elektricky izolační vložka 10. Vývodní kontaktní plechy £, 2» 9,, procházejí víkem 2 a tvoří vnější přívody modulu. Dokonalý elektrický a tepelný kontakt zajišžuje přítlačná konstrukce, skládající se z centrálního šroubu 11, na jehož dříku je nasazena talířová pružina 12, opírající se o tuhý příčník 13, který dosedá na elektricky izolační vložky 10. Centrální šroub 11 je zašroubován do základny J a na jeho dříku mezi tuhým příčníkem 13 a základnou 7 je nasazena izolační trubička 14. Pro osazení polovodičového modulu tyristory jsou ve vývodním 9 resp. propojovacím 4a kontaktním plechu, horních kontaktech 8, v elektricky izolačních vložkách 10 a v tuhém příčníku 13 vytvořeny otvory pro řídicí vývody 15. spojené s konektorovými kolíky 16. upevněnými ve víku £ modulu. Místo jedni talířové pružiny 12 přítlačné konstrukce může být použito několika paralelně řazených pružin a alternativně mohou být talířové pružiny 12 umístěny mezi tuhý příčník 13 a elektricky izolační vložky 10. Velikost přítlačné síly se nastaví a zjistí utažením centrálního šroubu 11. Přítlačná síla se přenáší tuhým příčníkem 13 na jednotlivé polvodičové systémy 2·2, which is thermally conductively connected to the base 7 via a ceramic substrate 6. The contact contacts 8 of the semiconductor systems 3 are supported by a further outlet 2 »or a contact 4a contact plate on which the electrically insulating insert 10 is located. 9, extend through the lid 2 and form the outer leads of the module. A perfect electrical and thermal contact is ensured by a thrust structure consisting of a central bolt 11 with a disc spring 12 mounted on its stem, supported by a rigid cross-member 13 that bears on the electrically insulating inserts 10. The central bolt 11 is screwed into the base J and onto An insulating tube 14 is mounted on its shank between the rigid crossbar 13 and the base 7. For the installation of the semiconductor module, thyristors are provided in the outlet 9 and 9 respectively. openings for the control terminals 15 connected to the connector pins 16 fixed in the module cover 6 are formed in the electrically insulating inserts 10 and in the rigid cross-member 13 by the contact plate 4a of the contact plate 4, the upper contacts 8, Instead of a single disc spring 12 of the thrust structure, several parallel springs may be used and alternatively, the disc springs 12 may be positioned between the rigid crossbar 13 and the electrically insulating bushes 10. The amount of thrust force is adjusted and determined by tightening the central screw 11. 13 for single semiconductor systems 2 ·

215 798215 798

Základna 7 je vytvořena ve tvaru obdélníku, který je po celém obvodu osazen. Polovodičové systémy 2 jsou potom umístěny na obdélníkovém výstupku. Dosedací plocha pod systémy vyžaduje kvalitní opracován o co nejmenší drsností a zachováaním rovinnosti. Obvodová plocha zase vzhledem k tmelení cxlu z plastu vyžaduje vyšší drsnost pro dosažení lepší adheze. V osazení části základny 7 jsou v obou kratších stranách vytvořeny otvory 17 pro připojení modulu na chladič.The base 7 is formed in the form of a rectangle which is fitted over the entire circumference. The semiconductor systems 2 are then placed on a rectangular projection. The mating surface under the systems requires high-quality machining with as little roughness and flatness as possible. The peripheral surface in turn, due to the cementing of the plastic material, requires higher roughness to achieve better adhesion. In the shoulder portion of the base 7, holes 17 are provided on both shorter sides for connecting the module to the radiator.

V případě potřeby může být získána větší izolační pevnost tím, že keramická podložka 6 přesahuje přes obvod výstupku základny 7, vzniklý osazením, a tím lze účelně využít stykovou plochu pro co největší PN systém.If desired, greater insulating strength can be obtained by placing the ceramic pad 6 over the periphery of the step 7 of the base formed by the step 7, whereby the contact surface can be conveniently used for the largest possible PN system.

Po montáži všech dílů modulu je před uzavřením víka 2. zalita dutina pouzdra 1 izolační hmotou 18.After assembly of all module parts, the cavity of the housing 1 is sealed with insulating material 18 before closing the lid 2.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

1. A power semiconductor module with at least two semiconductor systems, thermally conductive and electrically insulated connected to the base, such that each semiconductor system abuts an outlet contact plate, which is thermally conductively connected to the base via a ceramic substrate and the other contact of each semiconductor system abuts another outlet, respectively. an interconnecting contact sheet on which an electrically insulating insert is placed, wherein the outlet and interconnecting contact sheets are pressed against the semiconductor systems and the base by means of a central bolt mounted in the base and spring assembly, characterized in that the semiconductor systems together with the outlet and interconnecting contact sheets and The springs (12) of the thrust system are designed as disc-shaped, mounted on the shank of the central screw (11) and rest on a rigid cross-member (13) which bears on the electrically insulating inserts.

2. Power semiconductor module according to claim 1, characterized in that in the outlet (9) resp. an interconnecting (4a) contact plate, in the upper contact (8) of the semiconductor system (3), in the electrically insulating insert (10) and in the rigid cross-member (13), a hole for the control terminal (15) connected to the connector pin (16) mounted in the module cover (2).

Power semiconductor module according to Claims 1 and 2, characterized in that the disk spring assembly (12) is located between the rigid cross member (13) and the electrically insulating insert (10) of each semiconductor system (3).

Power semiconductor module according to Claims 1, 2 and 3, characterized in that the base (7) is in the form of a rectangle which is fitted over the entire circumference, with openings (17) in the stepped portion for connection at both shorter sides of the rectangle. the radiator module.

Power semiconductor module according to Claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the cavity of the module housing (1) is encapsulated with an insulating material (18).