ES2248251T3 - Modulo de potencia con componentes electronicos de potencia y procedimiento de fabricacion del mismo. - Google Patents
Modulo de potencia con componentes electronicos de potencia y procedimiento de fabricacion del mismo.Info
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Abstract
Módulo de potencia (1) de componentes electrónicos de potencia (7) que comprende una base (3) que constituye un intercambiador de calor encargado de evacuar las disipaciones de potencia por efecto joule de los susodichos componentes de potencia, caracterizado por el hecho de que la susodicha base (3) comprende una superficie provista de una película (4) de aleación de aluminio, estando recubierta la susodicha piel (4) por una capa aislante (5) de óxido de aluminio obtenida por anodización de la susodicha película (4), constituyendo la susodicha capa aislante (5) un sustrato sobre el cual se realizan pistas metalizadas (6) con el fin de recibir los susodichos componentes electrónicos (7), estando la otra superficie de la susodicha base (3) en contacto con un fluido de refrigeración.
Description
Módulo de potencia con componentes electrónicos
de potencia y procedimiento de fabricación del mismo.
La invención se refiere a un módulo de potencia
de componente electrónico de potencia y a un procedimiento de
fabricación de un módulo de potencia como ese. La invención hace
referencia más particularmente a un módulo de potencia que comprende
una base que constituye un intercambiador de calor encargado de
evacuar las disipaciones de potencia por efecto joule de los
componentes de potencia.
La presente invención encuentra aplicación para
la fabricación de onduladores en el ámbito de las medias potencias
especialmente para las aplicaciones de carretera de tipo vehículos
eléctricos para los cuales las potencias son del orden de 30 a 200KW
y las tensiones en los terminales de los módulos de potencia son del
orden de 500 V a 2000 V.
Un módulo de potencia según el preámbulo de la
reivindicación 1 es conocido por el documento
EP-A-0798954.
Se conoce la realización de un módulo de potencia
constituido por componentes de potencia soldados a una película de
aluminio dispuesta en una superficie de un sustrato cerámico de
nitruro de aluminio AlN, estando la otra superficie del sustrato
cerámico AlN recubierta por una película de aluminio y unida a una
base de compuesto AlSiC que constituye un intercambiador de calor.
En un módulo de potencia como ese, el sustrato de AlN garantiza el
aislamiento eléctrico de los componentes de alto potencial con
respecto a la base de AlSiC puesta a la masa, sin embarga un
sustrato como ese de nitruro de aluminio AlN es relativamente
costoso y solamente está disponible en el comercio con un espesor
mínimo de 0.635 mm mientras que para ciertas aplicaciones, y
especialmente para soportar las tensiones en los vehículos
eléctricos, un espesor de 0.1 mm sería suficiente para garantizar el
aislamiento. Todos estos inconvenientes conducen a módulos de
potencia demasiado onerosos para las aplicaciones automóviles.
El objetivo de la presente invención es pues
proponer un módulo de potencia que procure una buena disipación
térmica de la potencia liberada por los componentes de potencia y
que sea simple y económica de fabricar.
La invención tiene por objeto un módulo de
potencia de componentes electrónicos de potencia que comprende una
base que constituye un intercambiador de calor encargado de evacuar
las disipaciones de potencia por efecto joule de los componentes de
potencia, caracterizado por el hecho de que la base comprende una
superficie provista de una película de aleación de aluminio, estando
esta última recubierta por una capa aislante de óxido de aluminio
obtenida por anodización de la película de aleación de aluminio,
constituyendo la capa aislante de óxido de aluminio un sustrato
sobre el cual se realizan pistas metalizadas con el fin de recibir
los componentes electrónicos, estando la otra superficie de la base
en contacto con un fluido de refrigeración.
Según modos particulares de realización, el
módulo de potencia puede comprender una o varias de las
características siguientes tomadas aisladamente o según todas las
combinaciones técnicamente posibles:
- -
- la base es de compuesto AlSiC;
- -
- la base es de aluminio;
- -
- la base en contacto con el fluido de refrigeración comprende cuñas o microcanales que se sumergen en el interior del fluido, estando realizadas las cuñas o microcanales directamente sobre la base o sobre una película de aluminio añadida a la base;
- -
- las pistas metálicas se realizan por depósito de cobre;
- -
- los componentes de potencia se sueldan sobre las pistas de cobre;
- -
- los componentes de potencia son componentes IGBT;
- -
- tres grupos de componentes IGBT se sueldan sobre un mismo sustrato, estando separadas unas de otras las pistas de cada grupo de IGBT de tal modo que dos sustratos constituyen un ondulador trifásico.
La invención concierne igualmente un
procedimiento de fabricación del módulo de potencia descrito
precedentemente, caracterizado por el hecho de que la capa de óxido
de aluminio se obtiene por anodización de la película de aleación de
aluminio en ácido sulfúrico a alrededor de 0ºC.
Según modos particulares de realización, el
procedimiento de fabricación puede comprender una o varias de las
características siguientes tomadas aisladamente o según todas las
combinaciones técnicamente posibles:
- -
- la capa de óxido obtenida se sumerge en agua caliente para formar hidróxido de aluminio en la superficie con el fin de reducir la porosidad de la capa de óxido de aluminio;
- -
- la película de aleación de aluminio que recubre la base se obtiene directamente durante el moldeo de la base mediante una forma adaptada del molde;
- -
- la capa de óxido de aluminio se metaliza por depósito electrolítico de cobre sobre pistas previamente activadas por tratamiento con láser Ultra Violeta, siendo entonces las pistas de cobre niqueladas por procedimiento electroless.
Se comprenderá mejor los objetivos, aspectos y
ventajas de la presente invención, a partir de la descripción dada a
continuación de varios modos de realización de la invención,
presentados a título de ejemplo no limitativo, y haciendo referencia
a las figuras anexas, en las cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática de corte
de un módulo de potencia, según un primer modo de realización de la
invención, montado en un colector de agua;
- la figura 2 es una vista inferior del módulo de
potencia de la figura 1;
- la figura 3 es una vista superior del módulo de
potencia de la figura 1;
- la figura 4 es una vista esquemática de corte
de un módulo de potencia según un segundo modo de realización de la
invención.
Para facilitar la lectura de la figura, solamente
se han representado los elementos necesarios para la comprensión de
la invención.
La figura 1 representa un módulo de potencia 1
asociado a un colector de agua 10 de plástico moldeado que comprende
un canal 11 por el cual circula agua de refrigeración.
El módulo de potencia 1 comprende una base 3 de
compuesto AlSiC (Aluminio Carburo Silicio) fijada de manera estanca
al colector de agua 10 y que comprende una superficie inferior
provista de cuñas 3b, representadas en la figura 2, que se sumergen
en el canal de fluido 11 del colector 10 y que favorecen el
intercambio térmico entre la base de AlSiC y el fluido de
refrigeración.
La superficie superior de la base 3 de AlSiC
comprende una película 4 de aleación de aluminio que está recubierta
por una capa 5 de óxido de aluminio con un espesor desde 50 \mum
hasta 100 \mum que garantiza un aislamiento eléctrico que permite
soportar tensiones diferenciales entre las dos superficies de la
capa de óxido de aluminio de más de 1000V sin ruptura.
La base 3, provista de su capa 5 de óxido de
aluminio, constituye un sustrato sobre el cual se metalizan pistas 6
que siguen un trazado predeterminado para servir de colector de
corriente a tres grupos de componentes IGBT 7 soldados sobre las
susodichas pistas metalizadas 6. Ventajosamente, tal como se ha
representado en la figura 3 las pistas 6 de alimentación de cada uno
de los tres IGBT están separadas unas de otras con el fin de
permitir la realización de un semi-ondulador
trifásico en un solo sustrato.
El procedimiento de fabricación de un módulo de
potencia como ese se describe a continuación.
La base 3 de AlSiC se realiza de manera clásica
por inyección de aluminio en un molde sobre fibras de carburo de
silicio, estando adaptada la forma del molde para que la película 4
de aluminio se forme en la superficie superior de la base 3 de
AlSiC. En una variante de realización no representada, la superficie
inferior de la base 3 en contacto con el fluido de refrigeración
podrá igualmente comprender una película de aluminio, que presente
cuñas o microcanales, realizada directamente durante la operación de
moldeo de la base 3 mediante una forma adaptada del molde.
La película 4 de aleación de aluminio de la base
3 se recubre entonces con una capa 5 de óxido de aluminio por
anodización de la película 4 en ácido sulfúrico. A temperatura
ambiente, esta anodización permite obtener un espesor de óxido de
aluminio del orden de 20 \mum, estando limitado el espesor de
óxido de aluminio por la disolución del óxido formado en el ácido.
De manera preferente, la anodización se efectuará a una temperatura
de 0ºC con el fin de obtener un espesor de óxido de aluminio más
importante, hasta 100 \mum, y el depósito de óxido obtenido de
este modo será sumergido en agua caliente con el fin de disminuir la
porosidad de la capa 5 de óxido de aluminio por formación de
hidróxido de aluminio.
Por supuesto, el espesor de la capa 5 de óxido de
aluminio formado de este modo depende igualmente de la proporción de
aluminio en la aleación utilizada para constituir la película 4, ya
que cuanto más rica sea en aluminio la aleación utilizada más
importante será el espesor de la capa 5 de óxido de aluminio creada
por anodización.
La superficie superior 5a de la capa 5 de óxido
de aluminio se metaliza entonces por depósito electrolítico de cobre
sobre pistas 6 previamente activadas por tratamiento láser UV
después niqueladas por procedimiento electroless, siendo reforzada
la adherencia de las capas metálicas por un recocido a
400-500ºC tolerado por el aluminio y sus aleaciones.
Un procedimiento similar de metalización se describe en la petición
de patente FR-A1-2 681 078. Los
componentes IGBT 7 se sueldan entonces de manera clásica sobre las
pistas 6 de cobre.
Un procedimiento de fabricación como ese permite
tener una muy buena conducción térmica entre la capa de óxido de
aluminio 5 y la película 4 gracias a la interpenetración entre la
capa 5 y la película 4. Por otro lado, la película 4, al ser
obtenida directamente durante el moldeo de la base 3 de AlSiC, forma
un solo cuerpo con la base 3, sin interfaz de separación, lo que
garantiza una excelente conductividad térmica entre la película 4 y
la base 3.
En consecuencia, un procedimiento de fabricación
como ese permite realizar un módulo de potencia poco costoso que
garantiza una buena refrigeración de los componentes de potencia
debido a la muy buena conductividad térmica entre las diferentes
capas del módulo de potencia. Por otro lado, el sustrato obtenido de
este modo presenta muy pocas diferencias de dilatación térmica entre
las capas y posee pues una muy buena fiabilidad presentando muy poco
riesgo de deslaminación de las soldaduras después de un número
importante de ciclos térmicos. Un procedimiento de fabricación como
ese permite igualmente adaptar el espesor de la capa de óxido de
aluminio que constituye el aislante eléctrico a las necesidades del
módulo de potencia con el fin de minimizar el espesor de capa de
óxido y reducir de este modo su resistencia térmica.
La figura 4 presenta un segundo modo de
realización del módulo de potencia según la invención
diferenciándose del primer modo de realización descrito
precedentemente por el hecho de que la base 3 está realizada
enteramente de aleación de aluminio. Conformemente a esta figura 4,
el módulo de potencia 1 comprende una base 3 de aluminio que
presenta una superficie inferior, en contacto con el líquido de
refrigeración, provista de cuñas 3b obtenidas directamente durante
el moldeo de la base 3 de aluminio. La superficie superior de la
base 3 está recubierta por una capa 5 de óxido de aluminio obtenida
por anodización según un procedimiento similar a aquel descrito para
el primer modo de realización de la invención. Se metalizan pistas
sobre la capa 5 de óxido de aluminio, según un procedimiento similar
a aquel descrito para el primer modo de realización, con el fin de
servir de colector de corriente a tres grupos de componentes IGBT 7,
siendo soldados estos últimos sobre las pistas por medio de una
soldadura blanda de tipo estaño, plomo o plata capaz de acomodar las
dilataciones diferenciales.
Una variante como esa de realización de la
invención permite reducir todavía más el coste de fabricación del
módulo de potencia al suprimir la utilización de compuesto de AlSiC
y remplazarlo por aleación de aluminio. Sin embargo, el módulo de
potencia obtenido de este modo presentará una menor fiabilidad en
ciclos térmicos debido a la mayor dilatación diferencial entre los
componentes de potencia y la base de aluminio y necesitará por
consiguiente la utilización de una soldadura blanda para soldar los
componentes.
Claims (12)
1. Módulo de potencia (1) de componentes
electrónicos de potencia (7) que comprende una base (3) que
constituye un intercambiador de calor encargado de evacuar las
disipaciones de potencia por efecto joule de los susodichos
componentes de potencia, caracterizado por el hecho de que la
susodicha base (3) comprende una superficie provista de una película
(4) de aleación de aluminio, estando recubierta la susodicha piel
(4) por una capa aislante (5) de óxido de aluminio obtenida por
anodización de la susodicha película (4), constituyendo la susodicha
capa aislante (5) un sustrato sobre el cual se realizan pistas
metalizadas (6) con el fin de recibir los susodichos componentes
electrónicos (7), estando la otra superficie de la susodicha base
(3) en contacto con un fluido de refrigeración.
2. Módulo de potencia según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la susodicha base (3) es de
compuesto AlSiC.
3. Módulo de potencia según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la susodicha base (3) es de
aluminio.
4. Módulo de potencia según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la superficie de la base
(3) en contacto con el fluido de refrigeración comprende cuñas (3b)
o microcanales que se sumergen en el interior del fluido, estando
realizadas las susodichas cuñas (3b) o microcanales directamente
sobre la base (3) o sobre una película de aluminio añadida a la
susodicha base (3).
5. Módulo de potencia según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que las
pistas metálicas (6) se realizan por depósito de cobre.
6. Módulo de potencia según la reivindicación 5,
caracterizado por el hecho de que los susodichos componentes
de potencia (7) se sueldan sobre las susodichas pistas (6) de
cobre.
7. Módulo de potencia según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que los
susodichos componentes de potencia (7) son componentes IGBT.
8. Módulo de potencia según la reivindicación 7,
caracterizado por el hecho de que tres grupos de componentes
IGBT (7) se sueldan sobre un mismo sustrato, estando separadas unas
de otras las pistas (6) de cada grupo de IGBT (7) de tal modo que
dos sustratos constituyen un ondulador trifásico.
9. Procedimiento de fabricación de un módulo de
potencia según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado por el hecho de que la susodicha capa (5) de
óxido de aluminio se obtiene por anodización de la película (4) de
aleación de aluminio en ácido sulfúrico a alrededor de 0ºC.
10. Procedimiento de fabricación según la
reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que la capa
(5) obtenida de este modo se sumerge en agua caliente para formar
hidróxido de aluminio en la superficie con el fin de reducir la
porosidad de la susodicha capa (5) de óxido de aluminio.
11. Procedimiento de fabricación según una
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, caracterizado por
el hecho de que la película (4) de aleación de aluminio que recubre
la base (3) se obtiene directamente durante el moldeo de la
susodicha base (3) mediante una forma adaptada del molde.
12. Procedimiento de fabricación según una
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por
el hecho de que la capa (5) de óxido de aluminio se metaliza por
depósito electrolítico de cobre sobre pistas (6) previamente
activadas por tratamiento con láser Ultra Violeta, siendo entonces
las susodichas pistas de cobre (6) niqueladas por procedimiento
electroless.
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