ES2222674T3 - Componente electronico de potencia que comprende medios de refrigeracion. - Google Patents
Componente electronico de potencia que comprende medios de refrigeracion.Info
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Abstract
Componente electrónico (28, 228) de potencia, que comprende una primera estructura (19; 208) de material compuesto transmisora del calor y aislante de la electricidad, que soporta, al menos, un circuito semiconductor (20; 220) de potencia cuya cara opuesta a dicha primera estructura de material compuesto esté provista de resaltos (23; 223) de conexión; comprendiendo dicha primera estructura (19; 208) de material compuesto dos capas conductoras o semiconductoras, respectivamente, adyacente (18; 206) y opuesta (10; 202) a dicho circuito semiconductor (20; 220), en el que dichos resaltos (23; 223) de conexión están fijados, por su cara opuesta a dicha primera estructura (19; 208) de material compuesto, a una red plana (118; 306) de elementos conductores aislados entre sí, estando integrada dicha red en, al menos, una segunda estructura (119; 308) de material compuesto transmisora del calor y aislante de la electricidad, que incluye una capa conductora o semiconductora opuesta (110; 302) a dicho circuito semiconductor, y en el que la capa opuesta (10, 110; 202, 302) de, al menos, una de dichas primera (19; 208) o segunda (119; 308) estructuras de material compuesto comprende medios (12, 112; 210, 310) de paso para un fluido transmisor de calor.
Description
Componente electrónico de potencia que comprende
medios de refrigeración.
La presente invención se refiere a un componente
electrónico de potencia.
De manera habitual, los componentes electrónicos
de potencia, que se utilizan en particular para fabricar inversores
destinados a la tracción ferroviaria, comprenden una suela hecha,
por ejemplo, de cobre. Esta suela está provista de una pluralidad
de estructuras de materiales compuestos de tipo
conductor-aislante-conductor que
asumen, a la vez, funciones de transmisión del calor y de
aislamiento de la electricidad. Dichas estructuras están hechas, por
ejemplo, en forma de apilamiento
cobre-cerámica-cobre denominado,
también, Direct Bonded Copper (DBC). Estas estructuras de
materiales compuestos pueden ejecutarse, también, en forma de
sustratos metálicos aislados (SMA) que incluyan una capa inferior
de aluminio o de cobre, una capa intermedia de resina epoxídica y
una capa superior de cobre constituida, eventualmente, por varias
partes.
La demanda de patente
DE-A-4311839 menciona estructuras de
silicio para la transmisión del calor que comprenden medios de paso
para un fluido transmisor del calor, y la demanda de patente
EP-A-0871352 menciona una estructura
transmisora del calor para componentes electrónicos.
En cada estructura de material compuesto se
disponen varios circuitos semiconductores de potencia, que son, por
ejemplo, transistores bipolares de puerta aislada, denominados
IGBT, o bien, incluso, diodos. Además, estos circuitos
semiconductores se cubren, por una de sus caras, con resaltos de
conexión, y se fijan a la capa metálica libre de la estructura de
material compuesto por su cara desprovista de resaltos. Estos
circuitos se fijan en dicha capa metálica por ejemplo, mediante
soldadura blanda con estaño-plomo o, también, con
estaño-plomo-plata.
En cada resalto de conexión se sueldan, luego,
varios hilos de aluminio que tienen, típicamente, un diámetro de 380
a 500 micras. Cada uno de estos hilos se suelda, también, con la
capa metálica superior de la estructura de material compuesto. A
continuación, este conjunto formado por la suela, las estructuras
de materiales compuestos y los circuitos de semiconductores de
potencia se dispone en una caja llena de gel de silicona, y se
cubre con una tapa de resina epoxídica, a fin de formar un
componente electrónico de potencia.
Este componente se dispone, de manera habitual,
en un elemento de refrigeración, que puede ser una placa
refrigerada por agua, un cambiador de calor mediante aire o,
también, una base de evaporador de un "tubo térmico". Un
elemento de este tipo está destinado a mantener la temperatura a la
que se somete el componente electrónico de potencia en un valor
inferior a 125ºC, con objeto de mantener su integridad.
De manera general, el problema de la
refrigeración es particularmente crucial en el ámbito de los
componentes electrónicos de potencia, en la medida en que esta
temperatura umbral de, aproximadamente, 125ºC determina el valor de
la corriente que puede admitir el componente.
En particular, si se desea aumentar la capacidad
nominal de corriente de tales componentes, es necesario aumentar la
cantidad de material semiconductor utilizado, lo que, de modo
evidente, da lugar a un aumento del coste.
En consecuencia, la invención tiene por objeto
mejorar la refrigeración de los componentes electrónicos de
potencia, con el fin de aumentar la corriente soportada por estos
componentes para un volumen y, por tanto, un coste determinados, o
bien, disminuir el volumen y, por tanto, el precio de coste para
una corriente nominal determinada.
La invención se propone, más concretamente,
obtener un componente electrónico de potencia cuya estructura global
sea diferente de la de los componentes de la técnica anterior y, en
consecuencia, permita mejorar su refrigeración.
Con este fin, la invención tiene por objeto un
componente electrónico de potencia que incluya una primera
estructura de material compuesto transmisora del calor y aislante
de la electricidad, que soporte, al menos, un circuito
semiconductor de potencia, cuya cara opuesta a dicha primera
estructura de material compuesto esté provista de resaltos de
conexión, comprendiendo dicha primera estructura de material
compuesto dos capas conductoras o semiconductoras, respectivamente,
adyacente y opuesta a dicho circuito semiconductor, caracterizado
porque dichos resaltos de conexión están fijados, por su cara
opuesta a dicha primera estructura de material compuesto, a una red
plana de elementos conductores aislados entre sí, estando integrada
dicha red en, al menos, una segunda estructura de material compuesto
transmisora del calor y aislante de la electricidad, que comprenda
una capa conductora o semiconductora opuesta a dicho circuito
semiconductor, y porque la capa opuesta de, al menos, una de dichas
primera o segunda estructuras de material compuesto comprende
medios de paso para un fluido transmisor del calor.
Según otras características de la invención:
- la capa opuesta al circuito semiconductor está
hecha de material semiconductor, en particular, de silicio;
- la capa semiconductora opuesta al circuito
semiconductor comprende una primera y una segunda plaquetas, unidas
entre sí, estando provista de ranuras al menos una de las
plaquetas, y los medios de paso del fluido transmisor del calor
comprenden canales pasantes dispuestos en dicha capa opuesta al
circuito semiconductor, conformándose estos canales por cooperación
de formas entre las plaquetas;
- las plaquetas están provistas de series de
ranuras respectivas y los canales están conformados a una y otra
parte del plano de unión de las dos plaquetas, por cooperación de
formas entre dichas ranuras enfrentadas.
- los canales tienen una sección transversal de
forma hexagonal;
- la capa opuesta al circuito semiconductor está
hecha de material metálico;
- los medios de paso del fluido transmisor del
calor desembocan en la cara distal de la capa metálica opuesta al
circuito semiconductor de potencia;
- los medios de paso comprenden, al menos, un
canal que se extiende en, al menos, una parte de, al menos, una
dimensión de la capa conductora opuesta al circuito
semiconductor;
- las resaltos están asegurados en la red plana
adyacente de la segunda estructura de material compuesto mediante
soldadura con, al menos, un saliente de
estaño-plomo-plata, y
- los resaltos están separados del o de cada
saliente merced a un revestimiento adherido al o a cada saliente, en
particular, una capa delgada de
titanio-níquel-oro.
La invención se describirá a continuación con
referencia a los dibujos adjuntos, proporcionados a título de
ejemplos no limitativos y en los que:
- las figuras 1 a 3 son vistas esquemáticas que
muestran la realización de una capa que pertenece a una estructura
de material compuesto incluida en un componente electrónico de
potencia conforme a la invención;
- la figura 4 es una vista esquemática que
muestra la estructura de material compuesto formada a partir de la
capa representada en las figuras 1 a 3, en cuya estructura está
dispuesto un circuito semiconductor de potencia;
- la figura 5 es una vista esquemática, a mayor
escala, del circuito semiconductor de la figura 4;
- la figura 6 es una vista esquemática que
muestra un componente conforme a la invención, que comprende dos
estructuras de materiales compuestos, tales como las representadas
en la figura 4;
- las figuras 7 a 9 son vistas esquemáticas que
muestran una variante de realización de una estructura de material
compuesto de un componente electrónico de potencia según la
invención, y
- la figura 10 es una vista esquemática que
muestra un componente según la invención, que incluye dos
estructuras tales como las representadas en las figuras 8 y 9.
Las figuras 1 a 3 muestran la fabricación de una
capa semiconductora destinada a ser integrada en un componente
electrónico de potencia según la invención. Esta fabricación
recurre, en primer lugar, a dos plaquetas representadas en la
figura 1 y denominadas, de manera convencional, primera plaqueta 2 y
segunda plaqueta 4, que están hechas de silicio monocristalino.
Dichas plaquetas presentan dos dimensiones análogas, es decir, que
tienen un espesor e de, aproximadamente, 1 mm, y dimensiones
principales de, aproximadamente, 50 por 50 mm.
Como muestra la figura 2, a continuación se
procede a hacer ranuras 6 en la primera plaqueta 2. Estas ranuras se
ejecutan, de manera en sí conocida, por medio de un procedimiento
de grabado en húmedo por ataque químico. Teniendo en cuenta la
naturaleza del silicio monocristalino, esta operación es
particularmente fácil y da lugar a la formación de ranuras que
presentan un perfil en U con partes laterales inclinadas,
efectuándose el grabado siguiendo los planos cristalinos. El ángulo
\alpha que define la inclinación de las partes laterales 6A de
las ranuras es de, aproximadamente, 57º. Estas ranuras se hacen en
paralelo a una de las direcciones principales de la plaqueta, entre
dos bordes opuestos.
La operación de grabado se interrumpe cuando la
profundidad p de la ranura 6 sea igual a, aproximadamente, la mitad
de su anchura L. En el ejemplo de realización considerado se hacen,
aproximadamente, 50 ranuras en la plaqueta 2, lo que corresponde a
una densidad de, aproximadamente, 10 ranuras por cm. Las ranuras 6
pueden, también, presentar forma de V.
La figura 2 muestra, únicamente, la realización
de las ranuras 6 en la plaqueta 2, entendiéndose que, en el modo de
ejecución descrito, se hacen, en la segunda plaqueta 4, ranuras
análogas que, en lo que sigue, se designarán mediante la referencia
8.
A continuación, se procede a unir las dos
plaquetas 2 y 4. Con este fin, se disponen las series de ranuras
respectivas 6, 8 enfrentadas unas con otras y, después, de manera
conocida, se unen las dos plaquetas por soldadura. Esta operación
se hace a una temperatura de, aproximadamente, 600ºC.
La capa formada por la unión de las dos plaquetas
2 y 4 se designa, globalmente, mediante la referencia 10. Dicha capa
está provista de una pluralidad de canales 12 hechos por
cooperación de formas de las ranuras 6 y 8, enfrentadas, que están
dispuestas en las plaquetas 2 y 4 respectivas. Estos canales 12, que
se extienden a una y otra parte del plano P de unión de las dos
plaquetas 2, 4, son de forma sensiblemente hexagonal y tienen una
anchura L sensiblemente igual a su altura H. Estos canales son
abiertos, o pasantes, es decir, que se extienden entre dos cantos
opuestos de la capa 10.
En el presente ejemplo, hay hechas dos ranuras en
las dos plaquetas 2 y 4. Puede estar previsto, también, ejecutar
tales ranuras en una única plaqueta, formándose los canales
mediante estas ranuras y la superficie plana de la otra
plaqueta.
A continuación, como muestra la figura 4, se
aplica, en la capa 10, una capa aislante 16 de silicio, sobre la que
se dispone una capa suplementaria 18 de silicio monocristalino, a
fin de formar una estructura 19 de material compuesto. La
fabricación de esta estructura 19, que incluye las capas 10, 16 y
18, se efectúa de manera clásica, mediante procedimientos de
aplicación de capas delgadas y electrolíticos utilizados de manera
clásica en la electrónica.
Un circuito semiconductor 20 de potencia, tal
como un IGBT o un diodo, se fija, de manera clásica, en la cara
libre de la capa 18 por medio de una capa 22, de
estaño-plomo, de soldadura. Debe hacerse notar que,
a diferencia de los componentes electrónicos de potencia clásicos,
los resaltos 23 del circuito 20 no se conectan con la capa 18 por
medio de hilos de aluminio.
La figura 5 muestra una fase siguiente de la
fabricación de un componente electrónico de potencia conforme a la
invención, cuya fase consiste, en primer lugar, en revestir la cara
libre de los resaltos 23 con una capa múltiple 24 de
titanio-níquel-oro, cuyo espesor sea
de, aproximadamente, 0,8 micras, y que se deposita, por ejemplo,
mediante un procedimiento de pulverización.
En esta capa múltiple 24, se dispone un saliente
26 hecho de estaño-plomo-plata, cuyo
tamaño corresponda al del resalto 12. En el ejemplo considerado,
este saliente tiene una composición de, aproximadamente, 2% de
estaño, 95,5% de plomo y 2,5% de plata. Debe señalarse que la
presencia de una capa múltiple 24 proporciona un comportamiento
mecánico excelente al saliente 26 en el resalto 23.
A continuación, se procede a hacer una segunda
estructura de material compuesto, designada globalmente mediante la
referencia 119, destinada a asumir funciones de transmisión del
calor y de aislamiento de la electricidad.
Esta estructura 119 comprende capas 110 y 116
idénticas a las 10 y 16 de la estructura 19. La capa 116 se cubre
mediante una red plana 118 de elementos conductores aislados entre
sí, cuya configuración esté adaptada a la del circuito
semiconductor 20 que esta red plana 118 tiene que cubrir.
Después, se da la vuelta a esta segunda
estructura 119, y se pone en contacto la red plana 118 de esta
segunda estructura con cada saliente 26 dispuesto en los resaltos
23 del circuito semiconductor 20 de potencia. A continuación, se
procede a fundir los salientes 26 calentándolos a, aproximadamente,
330ºC durante 10 segundos, por ejemplo. Los resaltos 23 se fijan,
entonces, en la red plana 118 de la estructura 119 de material
compuesto, cuya red 118 se denominará adyacente, a diferencia de la
capa 110, denominada opuesta.
El componente electrónico de potencia así
formado, y designado globalmente mediante la referencia 28,
entonces, está en disposición de ser refrigerado, a la vez, por las
capas 10 y 110. En efecto, los canales 12 y 112 previstos en dichas
capas están destinados al paso de un fluido, gaseoso o líquido,
transmisor del calor y, con este fin, están conectados con una
fuente de fluido de este tipo.
La conformación del componente electrónico 28 de
potencia de la invención permite, además, prescindir de los hilos de
aluminio previstos, habitualmente, en los componentes de la técnica
anterior. En el caso presente, la red plana 118 de la segunda
estructura 119 de material compuesto asume el papel habitualmente
reservado a estos hilos de aluminio.
Las figuras 7 a 9 representan la ejecución de
otra estructura de material compuesto destinada a ser integrada en
un componente electrónico de potencia conforme a la invención.
Esta fabricación hace uso, en primer lugar, de
una estructura de material compuesto de tipo
conductor-aislante-conductor en su
conformación habitual, representada en la figura 7. Esta estructura
incluye una primera capa 202, o capa inferior, hecha, por ejemplo,
de cobre y que tiene superpuesta una capa aislante 204, intermedia,
que soporta una segunda capa metálica 206, o capa superior, también
de cobre. Las capas conductoras 202 y 206 tienen, por ejemplo, un
espesor de 3 a 4 mm y dimensiones principales de 48x48 mm, mientras
que la capa aislante 204 tiene un espesor de 0,635 mm y dimensiones
principales de 50x50 mm.
Las figuras 8 y 9 representan una estructura de
material compuesto destinada a ser integrada en un componente
conforme a la invención, cuya estructura se designa globalmente
mediante la referencia 208 y que está hecha a partir de la
estructura representada en la figura 7. La capa inferior 202 de esta
estructura 208 está provista de una pluralidad de canales o
conductos 210 destinados a constituir medios de paso para un fluido
transmisor del calor. Estos canales están hechos en paralelo a una
de las dimensiones principales de la capa inferior 202, a partir de
la cara inferior de ésta, como muestra, en particular, la figura 8.
Cada uno de estos canales se extiende en una parte sustancial del
espesor de esta capa inferior 2, es decir, por ejemplo, en una
altura comprendida entre 2 y 3 mm. Puede preverse, también, que los
canales 210 se extiendan en todo el espesor de la capa inferior
202. La anchura de estos canales, por ejemplo, es de 200 micras y
su longitud está comprendida entre 40 y 50 mm. En el ejemplo de
realización descrito, estos canales 210 están previstos en número
de 50, aproximadamente, de modo que dos canales vecinos estén
separados por una distancia comprendida entre 200 y 300 micras.
A continuación, tal como muestra la figura 8, hay
que disponer en la cara superior de la capa 206 dos circuitos
semiconductores 220 de potencia idénticos al 20 de las figuras 4 a
6. Después, se dispone un saliente 226 de
estaño-plomo-plata en cada resalto
223 de estos circuitos semiconductores, de modo análogo al descrito
con referencia a la figura 5.
Luego se procede a fabricar una segunda
estructura de material compuesto, designada globalmente mediante la
referencia 308, que incluye capas 302 y 304 idénticas a las 202 y
204.
La capa 304 se cubre, además, con una red plana
306 de elementos conductores aislados entre sí, cuya configuración
esté adaptada a la del circuito semiconductor 220 que cubra esta
red plana.
A continuación, se da la vuelta a esta estructura
308, y se pone en contacto su red plana 306 con el saliente 326.
Luego se funde dicho saliente de modo conforme a lo que se ha
descrito con referencia a la figura 6.
Los resaltos 223 se fijan, entonces, a la red
plana 306 de la segunda estructura 308 de material compuesto, cuya
red 306 se denominará adyacente, a diferencia de la capa 302,
denominada opuesta.
El componente electrónico de potencia así
formado, designado globalmente mediante la referencia 228,
entonces, está en disposición de ser refrigerado a la vez por las
capas 202, 302 opuestas al circuito semiconductor 220. En efecto,
los canales 210, 310 dispuestos en dichas capas son apropiados para
el paso de un fluido, gaseoso o líquido, transmisor del calor y,
con este fin, están conectados con una fuente de fluido de este
tipo.
En el ejemplo considerado, los canales desembocan
en la cara distal de las capas 202 y 302, es decir, su cara más
alejada del circuito semiconductor 220.
El componente electrónico de potencia conforme a
la invención permite lograr los objetivos antes mencionados. En
efecto, dicho componente permite prescindir de los hilos de
aluminio previstos en los componentes de la técnica anterior. Ahora
bien, estos hilos constituyen un factor limitador en relación con el
problema de la refrigeración, en la medida en que se calientan de
manera proporcional al cuadrado de la corriente que los atraviesa y
son difíciles de refrigerar, ya que están sumergidos en gel de
silicona. Además, estos hilos de aluminio pueden estar en el origen
de graves funcionamientos defectuosos del conjunto del componente
electrónico de potencia. En efecto, en funcionamiento, dichos hilos
están sometidos a ciclos térmicos, de modo que pueden llegar a
romperse.
El componente de la invención, además de carecer
de tales hilos de aluminio, asegura una doble refrigeración,
simultánea, de los circuitos semiconductores de potencia que lo
constituyen, a la vez, desde sus caras inferior y superior.
Además, las estructuras de materiales compuestos
que forman el componente según la invención asumen, además de sus
funciones habituales de transmisión del calor y de aislamiento de la
electricidad, la función suplementaria de refrigeración. Ello
permite, por tanto, limitar el número de interfaces entre las
diferentes capas que constituyen el componente de la invención, ya
que el elemento de refrigeración está integrado en cada estructura
de material compuesto. También tiene el efecto de aumentar el
coeficiente de intercambio por convección con el fluido transmisor
del calor que circule en los canales dispuestos en la capa opuesta
de cada estructura de material compuesto.
Ello permite, para una corriente nominal
determinada, utilizar un volumen de silicio claramente muy inferior
al necesario para la fabricación de los componentes electrónicos de
potencia de la técnica anterior. Además, para un volumen de silicio
comparable al utilizado en un componente de la técnica anterior, la
corriente soportada por el componente conforme a la invención es
notablemente más elevada.
Claims (10)
1. Componente electrónico (28, 228) de potencia,
que comprende una primera estructura (19; 208) de material compuesto
transmisora del calor y aislante de la electricidad, que soporta,
al menos, un circuito semiconductor (20; 220) de potencia cuya cara
opuesta a dicha primera estructura de material compuesto esté
provista de resaltos (23; 223) de conexión; comprendiendo dicha
primera estructura (19; 208) de material compuesto dos capas
conductoras o semiconductoras, respectivamente, adyacente (18; 206)
y opuesta (10; 202) a dicho circuito semiconductor (20; 220), en el
que dichos resaltos (23; 223) de conexión están fijados, por su
cara opuesta a dicha primera estructura (19; 208) de material
compuesto, a una red plana (118; 306) de elementos conductores
aislados entre sí, estando integrada dicha red en, al menos, una
segunda estructura (119; 308) de material compuesto transmisora del
calor y aislante de la electricidad, que incluye una capa
conductora o semiconductora opuesta (110; 302) a dicho circuito
semiconductor, y en el que la capa opuesta (10, 110; 202, 302) de,
al menos, una de dichas primera (19; 208) o segunda (119; 308)
estructuras de material compuesto comprende medios (12, 112; 210,
310) de paso para un fluido transmisor de calor.
2. Componente (28) según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha capa opuesta (10, 110) de, al
menos, una de dichas primera o segunda estructuras de material
compuesto está hecha de material semiconductor, en particular, de
silicio.
3. Componente según la reivindicación 2,
caracterizado porque dicha capa semiconductora opuesta (10,
110) de, al menos, una de dichas primera o segunda estructuras de
material compuesto comprende una primera y una segunda plaquetas
(2, 4, 102, 104), unidas una con otra, estando provista de ranuras
(6, 8, 106, 108) al menos una de las plaquetas, y porque los medios
de paso del fluido transmisor del calor comprenden canales pasantes
(12, 112) dispuestos en dicha capa opuesta (10, 110) de, al menos,
una de dichas primera o segunda estructuras de material compuesto,
conformándose dichos canales por cooperación de formas entre dichas
plaquetas (2, 4, 102, 104).
4. Componente según la reivindicación 3,
caracterizado porque dichas plaquetas están provistas de
series de ranuras respectivas (6, 8), y los canales (12, 112) están
conformados, a una y otra parte del plano (P) de unión de las dos
plaquetas (2, 4, 102, 104), por cooperación de formas entre dichas
ranuras (6, 8, 106, 108) enfrentadas.
5. Componente según la reivindicación 4,
caracterizado porque dichos canales (12, 112) tienen una
sección transversal de forma hexagonal.
6. Componente (228) según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha capa opuesta (202, 302) de, al
menos, una de dichas primera o segunda estructuras de material
compuesto está hecha de material metálico.
7. Componente según la reivindicación 6,
caracterizado porque dichos medios (210, 310) de paso para el
fluido transmisor del calor desembocan en la cara distal de la capa
metálica (202, 302) opuesta a dicho circuito semiconductor (220) de
potencia.
8. Componente según la reivindicación 7,
caracterizado porque dichos medios de paso comprenden, al
menos, un canal (210, 310) que se extiende en, al menos, una parte
de, al menos, una dimensión de dicha capa metálica (202, 302)
opuesta de, al menos, una de dichas primera o segunda estructuras
de material compuesto.
9. Componente (28; 228) según una cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
dichos resaltos (23; 223) están fijados en dicha red plana (118;
306) de la segunda estructura (119; 308) de material compuesto
mediante soldadura con, al menos, un saliente (26; 226) de
estaño-plomo-plata.
10. Componente según la reivindicación 9,
caracterizado porque dichos resaltos (23; 223) están
separados del o de cada saliente (26; 226) mediante un
revestimiento adherido al o a cada saliente, en especial una capa
delgada (24) de
titanio-níquel-oro.
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