ES2295073T3 - Modulo electronico de potencia y procedimiento de fabricacion del mismo. - Google Patents

Abstract

Módulo que comprende: un substrato metálico (10) a base de aluminio; al menos una barra (12) que constituye la conexión equipotential de material a base de cobre, fijado al substrato por medio de una capa aislante (15); al menos un componente de potencia (16), en contacto directo con la barra sobre una superficie inferior a la de la capa aislante; y una placa de circuito impreso (18) montada sobre la barra o las barras y sobresaliendo, que lleva componentes (34) de disipación térmica reducida del módulo, caracterizado por el hecho de que el módulo comprende además una o varias barras (14) de paso de corriente de potencia a las cuales están unidas unas salidas (32) del componente o de los componentes de potencia (16).

Description

Módulo electrónico de potencia y procedimiento de fabricación del mismo.

La presente invención se refiere a los módulos electrónicos que comprenden un substrato metálico con base de aluminio que comprende al menos un componente de potencia, tal como un transistor. Tal módulo tiene una aplicación particularmente importante, aunque no exclusiva, en el campo automovilístico, donde se utilizan circuitos electrónicos que alimentan elementos del motor y son colocados en un ambiente de temperatura elevada, lo que complica la evacuación del calor disipado por el o los componentes.

Un modo de ensamblaje conocido consiste en montar el transistor (o cualquier otro elemento que disipa calor) sobre el substrato de aluminio relativamente fino (algunos milímetros) separado por una capa delgada aislante. Esta solución presenta limitaciones. La capa aislante, cuya superficie no excede la del componente, tiene una resistencia térmica importante. La inercia térmica del substrato de aluminio es relativamente reducida y no permite absorber variaciones rápidas de la potencia disipada por el componente sin variación notable de la temperatura.

Se conoce igualmente del documento EP-A-489958 un módulo que corresponde al preámbulo de la reivindicación 1, el cual comprende un componente aplicado directamente sobre una placa mediante un remache.

En especial, la presente invención tiene como finalidad proporcionar un módulo que responda mejor que los anteriores conocidos a las exigencias de la práctica, en especial porque reduce la resistencia térmica del circuito de disipación de calor y permite soportar picos rápidos de potencia térmica disipada.

Con este fin la invención propone un módulo que comprende: un substrato metálico a base de aluminio; al menos una barra que constituye la conexión equipotencial de material a base de cobre, fijada al substrato por medio de una capa aislante; al menos un componente de potencia, en contacto directo con la barra o las barras mediante una superficie inferior a la de la capa aislante; y una placa de circuito impreso montada en la barra o las barras y sobresaliendo, que lleva componentes de disipación térmica reducida del módulo, comprendiendo además el módulo una o varias barras de paso de corriente de potencia a las cuales están unidas unas salidas del componente o de los componentes de potencia.

Las barras pueden ser mantenidas fuertemente presionadas contra el substrato mediante remaches o tornillos que se apoyan en la placa, ella misma en apoyo sobre las barras, y cuyo extremo se ajusta en el substrato. Si los tornillos o los remaches no son de material eléctricamente aislante, los mismos son separados de la barra o de las barras por camisas aislantes.

La placa de circuito impreso llevará generalmente unas pistas conductoras en las dos caras, lo que permite asegurar unas conexiones con la barra o las barras y permite montar componentes sobre la cara orientada hacia el substrato allí donde la placa sobresale de las barras.

La placa puede comprender aberturas de paso de las porciones sobresalientes de la barra que llevan un componente de potencia o una conexión de tal componente, lo que facilita el montaje.

La invención también propone un modo de fabricación de un módulo del tipo definido arriba, según el cual:

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se suelda, sobre al menos una barra de material metálico a base de cobre, uno o varios componentes de potencia,

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se reviste una cara mayor de la barra o de las barras, por el lado opuesto al componente o los componentes, con una capa de un material aislante termo-endurecible,

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se monta una placa de circuito impreso dotada de componentes de disipación reducida con relación a la de los componentes de potencia sobre la o las barras,

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se presiona el ensamblado así constituido contra un substrato metálico a base de aluminio mediante tornillos o remaches, y

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se realizan las uniones entre las salidas del componente de potencia y las barras de paso de corriente de potencia.

En la práctica, uno se verá abocado a utilizar barras que tienen una sección mínima de aproximadamente 10 mm^{2}. El material aislante que reviste la cara mayor de las barras puede ser en especial de un tipo que, durante un primer calentamiento, fluye llenando los poros de las caras entre las cuales se encuentra.

Las características anteriores así como otras aparecerán con más claridad con la lectura de la siguiente descripción de un modo particular de realización, ofrecida a título de ejemplo no limitativo. La descripción se refiere a la figura única que la acompaña y que es una vista esquemática en corte de una fracción del módulo.

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El módulo mostrado en la figura 1 comprende un substrato 10 de material metálico a base de aluminio, que constituirá a menudo una de las paredes de una caja de circulación de un fluido que sirve para la refrigeración. Este fluido también puede ser un fluido de trabajo, como por ejemplo el aceite de una bomba eléctrica accionada por el módulo. En el substrato 10 están montadas una o varias barras de cobre mediante una capa aislante 15. La figura muestra dos barras 12 y 14 colocadas en paralelo una a la otra. Una de las barras 12 está destinada a recibir un componente de potencia 16 (o varios componentes de potencia que trabajan en paralelo). La otra barra 14 está destinada a transportar corrientes de potencia que atraviesan el componente 16. El módulo comprende además una placa de circuito impreso 18 grabada por las dos caras para presentar placas de contacto de cobre tales como 20 y 22. En el modo de realización ilustrado, cada barra presenta una parte que sobresale que se ajusta en una abertura correspondiente de la placa de circuito impreso 18.

Las conexiones eléctricas que pueden ser necesarias entre los bordes de contacto 22 de la placa y las barras se consiguen por presión de la placa contra las barras. En el modo de realización ilustrado, los medios que permiten presionar unos contra otros la placa 18, las barras 12 y 14 y el substrato 10 comprenden unos tornillos 24. La cabeza del tornillo se apoya en una parte no metalizada de la placa 18. El vástago de cada tornillo se ajusta en un orificio roscado 26 del substrato 10. Si el tornillo 24 es de material conductor, éste estará rodeado por un anillo aislante 28 al atravesar la barra. En vez del tornillo, es posible utilizar los remaches.

Puesto que cada barra 12 está separada del substrato 10 por una capa aislante 15, los componentes de potencia pueden ser fijados a las barras mediante una soldadura conductora 30, que presenta una conductividad térmica muy superior a la de una capa aislante. La conductividad reducida de la capa 15 es compensada por el hecho de que la misma presenta una superficie mucho mayor que la que tendría una capa aislante colocada directamente bajo el componente 16.

Las corrientes de potencia intercambiadas entre los componentes 16 y el resto del módulo pueden ser transferidas por medio de barras 14, sobre las cuales están soldadas las patas de conexión 32 de los componentes. Las barras 14 tienen una gran sección de paso de corriente, y por lo tanto pérdidas resistivas reducidas, y evacuan el calor generado en la barra y en el componente por un trayecto que tiene una resistencia térmica reducida.

La placa de circuito impreso puede llevar, además de los componentes de potencia, componentes de débil disipación térmica montados de una manera tradicional en la cara de la placa alejada del substrato y/o en la cara orientada hacia el substrato. La figura muestra tal componente 34 fijado a la cara orientada hacia el substrato. La figura muestra tal componente 34 fijado a la cara orientada hacia el substrato, conectado a pistas metalizadas clásicas 36.

En general, se utilizará un substrato de algunos milímetros de espesor y barras de cobre 12 y 14. La placa de circuito impreso podrá ser una placa clásica de materia plástica reforzada por fibras, que llevan pistas y placas de contacto de cobre de algunas decenas de micrones de espesor.

Diversas variantes de realización son posibles. En particular, no es esencial que las barras comprendan las porciones sobresalientes que atraviesan la placa de circuito impreso 18. El módulo puede llevar varias placas, en el que al menos algunas cooperan con las barras.

Se describirá ahora, a título de simple ejemplo, un posible procedimiento de fabricación de un módulo según la invención. Algunas de las operaciones que van a ser descritas pueden ser reemplazadas por otras y el orden de las operaciones puede a menudo ser invertido.

Los diferentes subconjuntos constitutivos del módulo son preparados por separado. Los componentes tales como 34 que no están destinados a ser montados en barras son conectados y fijados a la placa, por ejemplo mediante soldadura por fusión. Cada barra recibe una capa de un material aislante. Se utilizará en general un material termo-endurecible que será depositado como una capa delgada en la cara inferior de cada barra, y después polimerizado. Existen materiales de este tipo que tienen la ventaja de fluir ligeramente y de llenar los poros de la cara o las caras con las que se encuentra durante el calentamiento. Una posibilidad consiste en realizar esta polimerización en las barras separadas. Los componentes de potencia son fijados a las barras respectivas. Se constituye un apilamiento formado por el substrato, las barras provistas del material aislante y la placa (o las placas) equipada y se ejerce una presión de contacto entre los diferentes elementos constitutivos mediante el tornillo o los remaches. Finalmente, se realizan las conexiones eléctricas necesarias entre los componentes de potencia y las barras destinadas a transportar las corrientes de potencia.

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante se muestra únicamente para conveniencia del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Aunque se ha tenido una gran precaución a la hora de recopilar las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la Oficina Europea de Patentes declina cualquier responsabilidad al respecto.

Documentos de la patente citados en la descripción

\bullet EP 489958 A [0003]

Claims (5)

1. Módulo que comprende: un substrato metálico (10) a base de aluminio; al menos una barra (12) que constituye la conexión equipotencial de material a base de cobre, fijado al substrato por medio de una capa aislante (15); al menos un componente de potencia (16), en contacto directo con la barra sobre una superficie inferior a la de la capa aislante; y una placa de circuito impreso (18) montada sobre la barra o las barras y sobresaliendo, que lleva componentes (34) de disipación térmica reducida del módulo, caracterizado por el hecho de que el módulo comprende además una o varias barras (14) de paso de corriente de potencia a las cuales están unidas unas salidas (32) del componente o de los componentes de potencia (16).

2. Módulo según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las barras (12, 14) son mantenidas presionadas contra el substrato metálico (10) mediante remaches o tornillos (24) que se apoyan sobre la placa de circuito impreso (18), ella misma en apoyo sobre las barras (12, 14), y cuyo extremo se ajusta en el substrato metálico (10).

3. Módulo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de que la placa de circuito impreso (18) lleva unas pistas conductoras (20, 22) en las dos caras para asegurar conexiones con la barra o las barras (12, 14) y/o para montar los componentes de disipación térmica reducida en la cara orientada hacia el substrato metálico (10) allí donde la placa sobresale de la barra o las barras (12).

4. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la placa de circuito impreso (18) comprende aberturas de paso de las porciones sobresalientes de la barra o de cada barra (12, 14) que llevan un componente de potencia (16) o una conexión de tal componente.

5. Procedimiento de fabricación de un módulo según cualquiera las reivindicaciones 1 a 4, según el cual:

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se suelda, sobre al menos una barra de material metálico a base de cobre, uno o componentes de potencia,

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se reviste una cara mayor de la barra o las barras, por el lado opuesto del componente o de los componentes, con una capa de un material aislante termo endurecible,

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se monta una placa de circuito impreso dotada de componentes de disipación reducida con relación a la de los componentes de potencia sobre la barra o las barras,

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se presiona el ensamblado así constituido sobre un substrato metálico a base de aluminio mediante tornillos o remaches, y

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se realizan las uniones entre las salidas del componente de potencia y las barras de paso de corriente de potencia.