DE4213486A1

DE4213486A1 - Festkoerperrelais in einzelnem inline-gehaeuse fuer hohe stromdichte

Info

Publication number: DE4213486A1
Application number: DE4213486A
Authority: DE
Inventors: Lada Schovanec
Original assignee: Silicon Power Corp
Current assignee: Silicon Power Corp
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1993-01-28
Also published as: GB2258085A; GB9207757D0; US5134094A; GB2258085B

Description

Die Erfindung bezieht sich generell auf Festkörperrelais und insbesondere auf kleine Festkörperrelais mit einer Leistung unterhalb von 1200 W und mit Schaltfähigkeit zwischen Gleichstrom und Wechselstrom. Das Relais soll in einem einzelnen Inline-Package (SIP) oder -Gehäuse konstruiert sein.

Als elektromechanische Vorrichtungen haben Relais eine bedeutsame Rolle bei der Steuerung großer Spannungen und Ströme mit relativ niedrigen Steuerleistungen gespielt, die an die Spulen des Relais angelegt werden. Relais haben auch dazu gedient, den steuernden Kreis von dem gesteuerten Kreis galvanisch zu trennen.

Fortschritte in der Halbleitertechnik haben den Ersatz von elektromagnetischen Relais durch Festkörperrelais ermöglicht. Eine praktische Beschränkung hinsichtlich der Leistung, die ein Festkörperrelais schalten kann, ist die Fähigkeit der Wärmeabgabe der tatsächlich schaltenden Vorrichtung und ihres Gehäuses. Sowohl gesteuerte Siliciumgleichrichter (SCRs) als auch Triacs werden in Festkörperrelais verwendet, und die Last, die an ein Festkörperrelais angelegt werden kann, ist eine Funktion der Nennleistung der SCR/Triac-Vorrichtung und des Wärmewiderstandes der Verbindung der Vorrichtung mit der Umgebungsluft (bei Luftkühlung).

In der US-PS 41 72 272 (Schneider) vom 23. Oktober 1979 wird ein Gehäuse eines Festkörperrelais mit einem U-förmigen Metallrahmen beschrieben. Das offene Ende des Rahmens erhält eine Schaltungsplatte, die die meisten Relaiskomponenten enthält und an Ort und Stelle mit festem Kunststoffisolierungsmaterial "eingetopft" ist. In dem Patent wird festgestellt, daß das Gehäuse die Stromnennleistung einer gegebenen Relaisschaltung verdoppelt, weil der Metallrahmen bei der Wärmeabfuhr so wirksam sei. Eine Triac- Anordnung (31 in Fig. 9) ist auf dem inneren Boden des Metallrahmens durch Kitt oder Lot angebracht. Die Anwendung eines Triac in dieser Weise beschränkt die Art der Lasten schwerwiegend, die an das Relais angelegt werden können, da eine adäquate dv/dt-Änderung in der Steuerspannung aufrecht erhalten werden muß. Induktive Lasten, wie sie bei Motoren angetroffen werden, sind entweder nur beschränkt oder überhaupt nicht erlaubt. Die einzelne Triac-Vorrichtung als Schaltungspunkt tendiert zur Konzentration der Wärme, welche das Relais abführen muß, und die Wirksamkeit, mit der die Wärme von der Verbindung des Triacs zum Metallrahmen und dann auf die Luft übertragen wird, beschränkt die Gesamtnennleistung des Relais.

US-PS 37 23 769 (Collins) vom 27. März 1973 beschreibt eine optisch isolierte Signalschaltung für ein Festkörperrelais. Das Relais weist außerdem eine Schaltung beim Nulldurchgang mit einer Vollgleichrichterbrücke auf, um Radiostörungen, die sonst erzeugt werden können, zu verringern. Eine Wechselstromlast wird durch zwei Thyristoren gesteuert, die antiparallel geschaltet sind, so daß jeder Thyristor jeweils einen entgegengesetzten Halbzyklus behandelt. Der Ersatz der Thyristoren durch ein Triac wird vorgeschlagen, jedoch wird die Wärmeabfuhr nicht behandelt, die bei jeder dieser Vorrichtungen erzeugt wird, während das zuvor erwähnte Patent von Schneider sich im wesentlichen nur mit der Wärmeabfuhr beschäftigt.

In Kopiermaschinen und Druckern werden Halogenlampen mit hoher Intensität benutzt, die schnell ein- und ausgeschaltet werden müssen. Der Einschaltstrom dieser Lampen kann stoßförmig sein und hohe Werte erreichen und die Fähigkeiten von Festkörperrelais übersteigen, die auf Triacs beruhen. Halogenlampen weisen einen wesentlich höheren Einschaltstoßstrom als normale Glühlampen auf. Für eine gegebene Fläche wird ein Festkörperrelais nach dem Stand der Technik, die ein Triac mit der Fähigkeit für einen Stromstoß von 80 A aufweist, unzuverlässig, weil der maximale Überstrom überschritten wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Fähigkeit der Handhabung von maximalem Überstrom in einer Vorrichtung gesteigert werden, welche die gleiche Fläche aufweist, und zwar auf 250 A (unter Verwendung von 180 Mil² Chips) und auf 500 A (unter Verwendung von 240 Mil² Chips).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörperrelais mit verbesserten Lastfähigkeiten für eine gegebene Packungs- oder Gehäusegröße zu schaffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Festkörperrelais, welches aus paarweise gesteuerten Silicium- Gleichrichtern (SCRs) oder aus npn-bipolaren Transistoren besteht, mit der Trägerschaltung direkt auf ein Aluminiumoxidsubstrat mit Kupfermetallisierung und Wärmeverteiler aufgebracht und in ein thermisch leitendes Epoxiharz eingetaucht.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Stoßbelastungsfähigkeit des Festkörperrelais verbessert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß höhere Ströme von dem Festkörperrelais ausgehalten werden können. Ferner werden Einschränkungen hinsichtlich Belastungen, die für Triacs kennzeichnend sind, vermieden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Zuverlässigkeit der Festkörperrelaisvorrichtung für eine gegebene Packungsgröße und Belastung verbessert wird.

Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden für den Fachkundigen nach dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die in zahlreichen Figuren dargestellt sind, besser ersichtlich. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines Festkörperrelais für Wechselstrom;

Fig. 2A und 2B sind eine Ansicht von vorn bzw. von hinten auf das Relais nach Fig. 1 und zeigen das Aluminiumoxidsubstrat, die SCR-Chips, den Wärmeverteiler, die Eingangs/Ausgangsstifte und Dickfilmkomponenten;

Fig. 3 zeigt die Schaltung einer zweiten Ausführungsform eines Festkörperrelais für Gleichstrom;

Fig. 4A und 4B sind jeweils Ansichten von vorne und hinten auf das Relais nach Fig. 3 und zeigen das Aluminiumoxidsubstrat, den npn-Transistor, den Wärmeverteiler, die Eingangs/Ausgangsstifte sowie Dickfilmkomponenten;

Fig. 5 zeigt eine typische Lastdrosselungskurve für das Festkörperrelais nach Fig. 1 und

Fig. 6A, 6B und 6C zeigen Ansichten von vorne, unten bzw. der Seite eines typischen SIP-Gehäuses, welches für das Festkörperrelais nach Fig. 1 geeignet ist.

Fig. 1, 2A und 2B stellen ein Wechselstrom-Festkörperrelais (SIP) 10 dar, welches ein keramisches Aluminiumoxidsubstrat 11, Eingangs-/Ausgangsstifte 12, 14, 16, 18 sowie einen Wärmeverteiler 20 aufweist. Der Wärmeverteiler 20 besteht vorzugsweise aus einer Kupfermetallisierung, welche ungefähr 0,05 mm dick ist und auf das Substrat 11 aufgebracht ist, ebenso wie die Leitungsbahnen auf der entgegengesetzten Seite des Substrats 11, welche die verschiedenen Komponenten miteinander verbinden, welche die Schaltung des Festkörperrelais bilden. Der Dickfilmwiderstand R1 beträgt 470 R, die Widerstände R2 und R3 47 Ω, die Widerstände R4 und R5 150 Ω und der Widerstand R6 820 Ω. Die Dickfilmwiderstände können durch diskrete leiterlose Versionen ersetzt sein. PC1 ist die Type IL420 von Siemens oder eine äquivalente integrierte Schaltung für Nicht-Nulldurchgangs-Anwendungen, und ein Toshiba TLP3063 oder ein Äquivalent bei alternativen Ausführungsformen mit Nulldurchgang. Die gesteuerten Siliciumgleichrichter SCR1 und SCR2 sind auf Würfel geschnitten mit einer Kantenlänge von 4,57 oder 6,35 mm und sind auf der Vorderseite des Substrats 11 mit Metallisierungsanschlußfeldern leitend verkittet oder verlötet, so daß die Wärme von SCR1 und SCR2 in das Substrat 11 gezogen und über den Wärmeverteiler 20 abgegeben wird. Die Ausgangsleistungschips werden zum mechanischen Schutz von einem der gewöhnlich verwendeten Materialien bedeckt, beispielsweise Silgan J-500 oder einem Äquivalent hierzu, das Festkörperrelais 10 wird daraufhin vorzugsweise in ein thermisch leitendes Epoxiharz getaucht, um das Substrat und alle darauf befestigten Bauteile vollständig abzudichten, wobei die oberen Enden der Eingangs/Ausgangsstifte 12, 14, 16, 18 bedeckt sein können. Ein geeignetes Epoxiharz kann von der Hyson Corporation bezogen werden. Der Epoxiüberzug (der wegen der Klarheit obiger Beschreibung nicht gezeigt ist) schützt die Bauteile der Relaisanordnung 10 gegenüber Feuchtigkeit und Abrieb und sorgt für elektrische Isolierung. Der Mantel vergrößert auch in der Idee die mechanische Festigkeit der Anordnung und ist bei der gleichmäßigen Verteilung der von SCR1 und SCR2 erzeugten Wärme um den Umfang der Relaisanordnung 10 behilflich. In einer beispielhaften Ausführungsform besteht das Substrat 11 aus 96% Aluminiumoxid von 0,6 mm Dicke, 21,59 mm Breite und 40,8 mm Länge. Eine dielektrische Glasschicht unter Verwendung von Überglasierungstinte # 8509 (EMCA) oder einem Äquivalent kann angewendet werden. Die Eingangs/Ausgangsstifte 12, 14, 16, 18 stehen 9 mm vor und sind 5 bis 12 mm voneinander entfernt. Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 listen Beispiele von Eingangs- und Ausgangsspezifikationen der Festkörperrelaisanordnung 10 in der alternativen Ausführungsform mit Nicht-Nulldurchgang auf.

Tabelle I

Eingangsspezifikation

Tabelle 2

Ausgangsspezifikation bei 25°C

Fig. 3, 4A und 4B stellen eine Gleichstromfestkörperrelais (SIP)-Anordnung 110 mit einem keramischen Aluminiumoxidsubstrat 111, mit Eingangs/Ausgangsstiften 112, 114, 116, 118 und mit einem Wärmeverteiler 120 dar. Der Wärmeverteiler 120 besteht vorzugsweise aus einer Kupfermetallisierung, die ungefähr 10 mm dick ist und auf das Substrat abgeschieden ist, wie auch die Leiterbahnen auf der entgegengesetzten Seite des Substrats 111, welche die verschiedenen Bauteile miteinander verbinden, welche die Festkörperrelaisschaltung bilden. Der Dickfilmwiderstand R1 beträgt 10 kΩ, die Widerstände R2 und R3 730 Ω, der Widerstand R4 62 kΩ, der Widerstand R5 22 kΩm, der Widerstand R6 1 kΩ und der Widerstand R7 680 kΩ. Die Dickfilmwiderstände können durch diskrete leiterlose Versionen ersetzt werden. PC1 ist ein Optokoppler. Der Transistor Q1 ist ein npn- Transistor in einem standardmäßigen industriellen Halbleitergehäuse, das gewöhnlich als "SOT23" bezeichnet wird. Der Transistor Q2 ist ein pnp-Transistor in einem standardmäßigen industriellen Gehäuse "SOT89", und Q3 ist ein npn-Leistungstransistor in einem standardmäßigen industriellen Gehäuse "D-Pack" und ist auf Metallisierungsfeldern auf der Vorderseite des Substrats gekittet oder gelötet, so daß die Wärme aus Q3 in das Substrat 11 gezogen und über den Wärmeverteiler 120 abgegeben wird. Q3 kann in Chipform vorliegen. Vorzugsweise wird das Festkörperrelais 110 in ein thermisch leitendes Epoxiharz getaucht, um das Substrat 11 und alle darauf befestigten Bauteile vollständig abzudichten; auch die oberen Enden der Eingangs/Ausgangsstifte 112, 114, 116, 118 können bedeckt sein. Der Epoxiüberzug (der wegen der Klarheit obiger Beschreibung nicht dargestellt ist) schützt die Komponenten der Relaisanordnung 110 gegenüber Feuchtigkeit und Abrieb und sorgt für elektrische Isolation. Der Überzug vergrößert in idealer Weise auch die mechanische Festigkeit der Anordnung und unterstützt die Ausbreitung der hauptsächlich vom Transistor Q3 erzeugten Wärme gleichmäßig um die Relaisanordnung 110 herum. In einer beispielhaften Ausführungsform besteht das Substrat 111 aus 96%igem Aluminiumoxid von 0,635 mm Dicke, 21,59 mm Breite und 40,8 mm Länge. Eine dielektrische Glasschicht unter Verwendung von Überglasierungstinte vom Typ # 8509 (EMCA) oder ein Äquivalent hierzu kann angewendet werden. Die Eingangs/Ausgangsstifte 112, 114, 116, 118 stehen 9,1 mm vor und haben einen Abstand von 5 bis 12,4 mm voneinander.

Fig. 5 ist eine Lastdrosselkurve für die oben beschriebene Festkörperrelaisanordnung 10. Es wird geschätzt, daß die obigen Festkörperrelais einen Wärmewiderstand von 10°C pro Watt aufweisen. Wenn die Umgebungstemperatur über 30°C steigt, ist die Anordnung 10 weniger in der Lage, die Wärme abzuhalten, und die Temperaturen der Halbleiterübergänge der Bauteile SCR1 und SCR2 steigen auf unzulässige Werte an, wenn der maximale Strom nicht begrenzt wird. Bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 60°C ist das Maximum des Laststroms gerade oberhalb 2 A. Eine ähnliche Lastdrosselkurve zu Fig. 5 ist für das Festkörperrelais 110 anwendbar.

Fig. 6a, 6b und 6c zeigen eine Art und Weise, wie der thermisch leitende Epoxiüberzug gebildet werden kann, um die Festkörperrelaisanordnung 10 zu ummanteln. Das Epoxiharz bildet einen Block mit Kantenlängen von 25,4 mm, 43 mm und 12,7 mm. Eine Gießform kann für diesen Zweck verwendet werden, wobei die Anordnung 10 in der Gießform plaziert wird, geschmolzenes Epoxiharz eingegossen wird und dann das Epoxiharz nach den Instruktionen des Herstellers aushärten gelassen wird. Gewisse Anwendungen des Relais hängen davon ab, daß das Festkörperrelais eine Abmessung minimaler Dicke aufweist. Anstelle der rechteckförmigen Gestaltung nach Fig. 6a bis 6c kann es vorteilhaft sein, das Substrat des Festkörperrelais und die Komponenten mit einer dünnen Epoxischicht zu überziehen, die eine hautähnliche Membran bildet.

Ein hauptsächlicher Vorteil für die Anwendung von Kupfer für die Metallisation der Substrate 11 und 111 ist für Substrate auf der Basis von Aluminiumoxid beobachtet worden. Durch die Anwendung spezieller Erhitzungstechniken und Temperaturprofile, die an sich von der keramischen Metallisierung bekannt sind, kann Kupfer dazu gebracht werden, sich molekular mit dem Aluminiumoxid zu verbinden. Wenn ein solches, mit Kupfer metallisiertes Aluminiumoxidsubstrat bei den zuvor beschriebenen Festkörperrelais verwendet wird, wird die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Festkörperrelais im wesentlichen verbessert. Als Minimum wird jegliches Abschälen der Kupfermetallisierungsschicht über die Zeit und nach dem Betrieb bei nahezu maximalen Betriebstemperaturen und Strömen vermindert oder vermieden.

Claims

1. Festkörperrelais für Wechselstrom mit folgenden Merkmalen:
ein erster und ein zweiter gesteuerter Siliciumgleichrichter (SCR1, SCR2);
ein flaches keramisches Substrat (11) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, an welchen der erste und der zweite gesteuerte Gleichrichter (SCR1, SCR2) befestigt sind;
mindestens eine metallische Abscheidung auf entweder einer oder beiden Oberflächen des Substrats (11), welche in der Lage ist, Wärme von den gesteuerten Gleichrichtern über im wesentlichen die gesamte Fläche des Substrats zu verteilen; und
ein thermisch leitender Überzug, welcher das Substrat (11) und beide gesteuerte Gleichrichter (SCR1, SCR2) im wesentlichen einkapselt.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Eingangs/Ausgangsstiften (12, 14, 16, 18) direkt an dem Substrat (11) mechanisch befestigt und elektrisch mit einer Schaltung (10) auf dem Substrat (11) verbunden ist, so daß Steuersignale und Leistungsschaltungen in und aus dem Relais kommuniziert werden.

3. Festkörperrelais für Gleichstrom mit folgenden Merkmalen:
ein npn-Leistungstransistor (Q3);
ein flaches, keramisches Substrat (111) mit einer ersten und zweiten Oberfläche, wobei an der einer ersten Oberfläche der npn-Leistungstransistor (Q3) angebracht ist;
eine Metallabscheidung auf der zweiten Oberfläche des Substrats (11), die in der Lage ist, Wärme von dem npn- Leistungstransistor (Q3) über im wesentlichen die gesamte Fläche des Substrats zu verteilen; und
ein thermisch leitender Überzug, der im wesentlichen das Substrat (111) und den npn-Leistungstransistor (Q3) einkapselt, so daß die Ausbreitung und Verteilung der Wärme vom npn-Leistungstransistor vergrößert wird und dem Substrat und dem npn-Leistungstransistor ein mechanischer Schutz zuteil wird.

4. Eine einzelne Inline-Umhüllung (SIP) mit folgenden Merkmalen:
eine Festkörperrelaisschaltung (10, 110);
ein flaches, keramisches Substrat (11, 111) mit der darauf angebrachten Festkörperrelaisschaltung;
eine Wärmeverteilereinrichtung zur Verteilung der von der Festkörperrelaisschaltung erzeugten Wärme auf die Gesamtheit des flachen keramischen Substrats;
eine Mehrzahl von Eingangs/Ausgangsstiften (12, 14, 16, 18, 112, 114, 116, 118), die unmittelbar an eine Kante des flachen keramischen Substrats mechanisch befestigt sind und elektrisch mit der Festkörperrelaisschaltung in Verbindung stehen, so daß Steuersignale und Leistungsschaltungen in und aus dem SIP kommunizieren; und
ein thermisch leitender Überzug, der im wesentlichen das Substrat einkapselt.

5. Umhüllung (SIP) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeverteilereinrichtung eine Kupferplatierung umfaßt, die sich im wesentlichen über eine erste Oberfläche des flachen keramischen Substrats erstreckt, und zwar entgegengesetzt zu einer zweiten Oberfläche des flachen keramischen Substrats,
daß die Festkörperrelaisschaltung auf dieser zweiten Oberfläche angeordnet ist, so daß der thermische Weg von der Wärmeverteilereinrichtung zu jeglichen wärmeproduzierenden Bauteilen der Festkörperrelaisschaltung relativ kurz ist, und daß der thermisch leitende Überzug in solcher Weise abgeschieden wird, daß er die Wirkung der Wärmeverteilung der Wärmeverteilereinrichtung fördert.

6. Umhüllung (SIP) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flache keramische Substrat Aluminiumoxid aufweist.

7. Verfahren zur Vergrößerung der Stromhandhabungsfähigkeit eines gegebenen Festkörperrelais mit folgenden Schritten:
Aufteilung einer Wechselstromlast in einen ersten Gleichstromzweig und einen zweiten Gleichstromzweig, wobei die Richtung des Gleichstroms im ersten Zweig entgegengesetzt zu der im zweiten Zweig ist,
Steuern des ersten Gleichstromzweiges mit einer ersten Halbleitervorrichtung (SCR1);
Steuern des zweiten Gleichstromzweiges mit einer zweiten Halbleitervorrichtung (SCR2);
Erhitzen eines flachen keramischen Substrats mit einer Metallisierungsschicht, derart, daß eine molekulare Verbindung (Anheftung) zwischen dem Material des keramischen Substrats und dem Metall gebildet wird;
Montieren der ersten und zweiten Halbleitervorrichtung auf das ebene keramische Substrat mit der metallischen Wärmeverteilereinrichtung; und
Einkapseln des ebenen keramischen Substrats und der ersten und zweiten Halbleitervorrichtung mit einem thermisch leitenden Epoxiharz.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung der Metallschicht das Aufbringen von Kupfer auf keramisches Aluminiumoxidsubstrat umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung der Metallisierungsschicht die Aufbringung von Palladiumsilber umfaßt.