ES2311648T3 - Modulo de potencia y conjunto de modulos de potencia. - Google Patents
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Abstract
Conjunto que comprende por lo menos un módulo de potencia (12) de una sola pieza, comprendiendo cada módulo: - por lo menos una traza metálica recortada (14), que comprende unas pistas entre las cuales subsisten unos intersticios (15) que forman unos pasos que atraviesan la traza metálica (14) en su espesor, - por lo menos un componente electrónico de potencia (16), dispuesto sobre la traza metálica recortada y conectado eléctricamente a la traza metálica recortada, - un material (30, 56) eléctricamente aislante que asegura la cohesión mecánica del módulo de potencia, - una cara de enfriado, comprendiendo por lo menos una parte de esta cara de enfriado (28) la traza metálica recortada (14), y - unas patas (40) de conexión eléctrica de la traza metálica recortada (14) con unos elementos exteriores al módulo (12), comprendiendo el conjunto por lo menos dos módulos de potencia, y un órgano (42, 58) de alojamiento de los módulos de potencia (12), que comprende una cara que comprende la cara de enfriado (28) de cada módulo de potencia (12), caracterizado porque la cara de enfriado (28) de cada módulo de potencia (12) presenta las pistas de la traza metálica recortada y unas partes complementarias de material eléctricamente aislante que llenan los intersticios (15), estando estas partes complementarias formadas por el material (30, 56) eléctricamente aislante que asegura la cohesión metálica del módulo de potencia (12), estando esta cara destinada a ser puesta en contacto directo con unos medios de enfriado exteriores al módulo.
Description
Módulo de potencia y conjunto de módulos de
potencia.
La presente invención se refiere a un conjunto
que comprende por lo menos un módulo de potencia de una sola pieza
que comprende por lo menos una traza metálica recortada, por lo
menos un componente electrónico de potencia conectado
eléctricamente a la traza metálica recortada y un material
eléctricamente aislante que asegura la cohesión del módulo de
potencia. Este último presenta además una cara de enfriado destinada
a ser puesta en contacto directo con unos medios de enfriado
exteriores al módulo.
La invención se refiere asimismo a un conjunto
de dichos módulos de potencia.
En general, un módulo de potencia del tipo
citado comprende por lo menos un componente electrónico de potencia
soldado o pegado sobre un sustrato.
Este sustrato es, por ejemplo un sustrato de
tipo DBC (por "Direct Bounded Copper"), que comprende tres
capas. Una primera capa está constituida por una traza metálica
grabada que forma las conexiones de un circuito eléctrico, una
segunda capa intermedia es una placa de material eléctricamente
aislante tal como una cerámica, por ejemplo óxido de alúmina, y una
tercera capa es una placa metálica constituida por cobre o por cobre
niquelado. El conjunto constituido por el sustrato de tipo DBC y
por los componentes electrónicos de potencia soldados o pegados es
a su vez soldado sobre una placa de cobre, que constituye un soporte
mecánico y disipador térmico.
El sustrato puede también ser de tipo SMI
(Sustrato Metálico Aislado). En este caso, la placa de cerámica
está reemplazada por una placa de resina, que puede soportar una
primera capa constituida por una traza metálica de cobre muy fina.
La tercera capa de disipación térmica puede en este caso estar
constituida por una placa metálica de alumi-
nio.
nio.
En el caso en que el sustrato utilizado es un
sustrato de tipo DBC, el módulo de potencia es robusto y soporta
una alta potencia pero a un precio de coste elevado. En el caso de
un sustrato de tipo SMI, la traza metálica recortada puede ser más
compleja y se pueden disponer un mayor número de componentes
electrónicos de potencia sobre ésta, pero el módulo es menos
resistente a las altas potencias y a las exigencias de entorno
severas.
En los dos casos, el camino térmico entre los
componentes electrónicos de potencia y de los medios de enfriado
exteriores al módulo de potencia es largo puesto que necesita
atravesar por lo menos las diferentes capas del sustrato.
La invención prevé evitar los inconvenientes de
los módulos de potencia clásicos, proporcionando un conjunto que
comprende por lo menos un módulo de potencia cuya fabricación es
poco cara, y cuya estructura permite un enfriado eficaz con la
ayuda de medios de enfriado exteriores.
El documento US nº 6.703.703 describe un
conjunto que comprende por lo menos un módulo de potencia de una
sola pieza, del tipo que comprende:
- -
- por lo menos una traza metálica recortada, que comprende unas pistas entre las cuales subsisten unos intersticios que forman unos pasos que atraviesan la traza metálica en su espesor,
- -
- por lo menos un componente electrónico de potencia, dispuesto sobre la traza metálica recortada y conectado eléctricamente a la traza metálica recortada,
- -
- un material eléctricamente aislante que asegura la cohesión mecánica del módulo de potencia,
- -
- una cara de enfriado, comprendiendo por lo menos una parte de esta cara de enfriado la traza metálica recortada, y
- -
- unas patas de conexión eléctrica de la traza metálica recortada con unos elementos exteriores al módulo. El conjunto comprende por lo menos dos módulos de potencia, y un órgano de alojamiento de los módulos de potencia, que comprende una cara que comprende la cara de enfriado de cada módulo de potencia.
La invención tiene por objeto un conjunto que
comprende por lo menos un módulo de potencia del tipo citado, cuya
cara de enfriado de cada módulo de potencia comprende las pistas de
la traza metálica recortada y unas partes complementarias de
material eléctricamente aislante que llenan los intersticios,
estando estas partes complementarias formadas por el material
eléctricamente aislante que asegura la cohesión metálica del módulo
de potencia, estando esta cara de enfriado destinada a ser puesta en
contacto directo con unos medios de enfriado exteriores al
módulo.
módulo.
El contacto entre la traza metálica recortada y
los medios de enfriado exteriores es directo, lo que reduce
sensiblemente el camino térmico. Además, la ausencia de capas
aislantes y disipadoras de calor entre la traza metálica recortada
y los medios de enfriado permite reducir los costes de
fabricación.
Un módulo de potencia según la invención puede
además presentar una o varias de las características siguientes:
- -
- las partes complementarias están sobremoldeadas alrededor de las pistas de la traza metálica recorta-da;
- -
- el material eléctricamente aislante forma una caja cuyo fondo constituye por lo menos una parte de la cara de enfriado;
- -
- la caja presenta un espacio interior delimitado por unas paredes laterales y que contiene el componente electrónico de potencia y sus medios de conexión con la traza metálica recortada, y un material de relleno llena el espacio libre alrededor del componente electrónico de potencia y de sus medios de conexión entre las paredes laterales;
- -
- el material de relleno se selecciona de entre un gel de silicona y una resina de tipo epoxi o poliuretano;
- -
- el material eléctricamente aislante forma un bloque sobremoldeado alrededor de la traza metálica recortada y del componente electrónico de potencia;
- -
- el módulo comprende unas patas de soporte y de conexión eléctrica de la traza metálica recortada con unos elementos exteriores al módulo;
- -
- los elementos exteriores al módulo de potencia comprenden unos medios de mando de éste;
- -
- el componente electrónico de potencia es uno de los elementos de entre un diodo, un transistor de tipo MOS, un transistor de tipo IGBT y un circuito integrado del tipo ASIC; y
- -
- el material eléctricamente aislante es una resina del tipo epoxi o poliuretano.
La invención tiene por objeto un conjunto de
módulos de potencia que comprende por lo menos un módulo de potencia
del tipo citado, que presenta una cara que comprende la cara de
enfriado de cada módulo de potencia.
Un conjunto de módulos de potencia según la
invención puede presentar además la característica según la cual
comprende una caja de ensamblaje cuyo fondo constituye por lo menos
una parte de la cara que comprende la cara de enfriado de cada
módulo de potencia.
La invención se comprenderá mejor con la ayuda
de la descripción siguiente, dada únicamente a título de ejemplo y
con referencia a los planos adjuntos, en los que:
- la figura 1 representa esquemáticamente en
sección un conjunto de módulos de potencia según un primer modo de
realización de la invención;
- la figura 2 representa esquemáticamente en
sección un conjunto de módulos de potencia según un segundo modo de
realización de la invención;
- las figuras 3 y 4 son unas ampliaciones del
detalle III de la figura 1 según dos variantes; y
- la figura 5 es una ampliación del detalle V de
la figura 1 según una variante.
El conjunto 10 de módulos de potencia
representado en la figura 1 puede comprender varios módulos de
potencia 12, de los que uno solo está representado en esta figura,
reunidos en una única caja de ensamblaje 42.
Este módulo de potencia 12 comprende una traza
metálica recortada 14 que forma por lo menos un conjunto de
conexiones eléctricas sobre las cuales están dispuestos unos
componentes electrónicos de potencia 16. La traza metálica 14 está
recortada en pistas entre las cuales subsisten unos intersticios 15
que forman unos pasos que atraviesan la traza metálica 14 en su
espesor. Un componente electrónico de potencia 16 es por ejemplo un
componente bipolar tal como un diodo, un componente tripolar tal
como un transistor de tipo MOS o IGBT, o bien un componente más
complejo tal como un circuito integrado de tipo ASIC.
En el ejemplo representado en la figura 1, cada
componente electrónico de potencia 16 está fijado a la traza
metálica recortada 14 por una soldadura 18 que permite también un
contacto eléctrico entre el componente y la traza metálica. La cara
libre de cada componente electrónico de potencia 16, opuesta a la
cara soldada a la traza metálica 14, está a su vez conectada
eléctricamente a otro punto de la traza metálica 14.
Esta conexión está asegurada por una banda
metálica 20 soldada o estañada, por una parte, a la traza metálica
recortada 14 y, por otra parte, o bien directamente a la cara libre
del componente electrónico de potencia 16, o bien a una placa
metálica 22 solidarizada a la cara libre del componente electrónico
de potencia 16 por medio de una soldadura 24. La banda metálica 20
presenta una sección que es función de la intensidad de la
corriente destinada a circular en ésta. Sin embargo, está
dimensionada, en espesor y en longitud, de manera que pueda
deformarse, en particular en razón de las dilataciones térmicas, sin
ejercer tensión mecánica sobre el componente electrónico de
potencia 16.
El módulo de potencia 12 comprende una caja de
resina 26 que contiene los componentes 16. El fondo 28 de esta caja
es compuesto: está constituido por una traza metálica recortada 14
que soporta los componentes 16 y por unas partes de resina 30
complementarias, que llenan los intersticios 15 de la traza
metálica.
Así, observado en sección, el fondo 28 aparece
como una placa de una sola pieza, que resulta del ensamblaje de las
pistas metálicas separadas de la raza metálica recortada 14 y de las
partes de resina 30, del mismo espesor, que las une.
Este fondo 28 constituye una cara de enfriado
del módulo de potencia 12 destinada a ser puesta en contacto con
unos medios de enfriado exteriores (no representados).
Un procedimiento apropiado para obtener las
partes de resina 30 es sobremoldearlas alrededor de las pistas de
la traza metálica recortada 14. En este caso, cada intersticio 15 es
llenado de resina en estado fundido cuando tiene lugar el
sobremoldeado.
El enganchado mecánico de cada parte de resina
30 en el intersticio 15 que la contiene está asegurado por una
correspondencia de formas. En el ejemplo ilustrado, se trata de
formas en cubetas, obtenidas por estrechamiento de la sección de
cada intersticio en forma de dos planos inclinados opuestos 31, como
se aprecia en la figura 5.
Se comprende que esta forma en cubeta impide que
cada parte de resina 30 se escape del intersticio 15 por el
exterior de la caja 26.
Por el lado interior a la caja 26, un material
de relleno 36, tal como por ejemplo un gel de silicona, una resina
epoxi o una resina de poliuretano, llena el espacio libre alrededor
de los componentes electrónicos de potencia 16 y de sus medios de
conexión a la traza metálica 14 recortada, entre unas paredes
laterales 32 que delimitan la caja 26.
Este material de relleno 36 impide el escape de
las partes de resina 30 por la cara del fondo 28 interior a la caja
26.
Así, por la acción combinada de las formas en
cubeta por una parte, del material de relleno 36 por otra parte,
las partes de resina 30 son solidarizadas a las pistas y aseguran el
comportamiento mecánico, o cohesión, de la traza metálica recortada
14.
Acumulativamente, el material de relleno 36
forma una masa rígida que asegura la cohesión de conjunto del
módulo de potencia 12 y hace del mismo un bloque de una sola
pieza.
Una tapa rígida 38 cierra la caja 26. Esta tapa
sólo se justifica en la hipótesis en que el material de relleno 36
no es suficientemente rígido para asegurar una protección
satisfactoria de los componentes electrónicos de potencia 16 que es
el caso de un gel de silicona.
El módulo de potencia 12 comprende, atravesando
cada pared lateral 32 de la caja 26, unas patas 40 de soporte y
reconexión eléctrica de la traza metálica con el exterior del
módulo.
Finalmente, un collarín periférico 41 se
extiende alrededor de la caja 26, justo por debajo de las patas 40.
Este collarín cumple una función de estanqueidad que será descrita
ulteriormente con referencia a las figuras 3 y 4.
La caja de ensamblaje 42, que está destinada a
contener varios módulos 12, comprende un fondo 44 perforado por
aberturas 43 de las que cada una es ligeramente más ancha que el
fondo 28 del módulo de potencia correspondien-
te.
te.
La caja de ensamblaje 42 comprende asimismo unas
paredes laterales 45, más altas que la caja 26 del módulo de
potencia 12, de manera que dichas paredes laterales delimitan entre
ellas un volumen apropiado para contener íntegramente dicho módulo
de potencia.
Están previstos unos conectores eléctricos 46,
48 sobre la caja de ensamblaje 42 para conectar cada módulo de
potencia 12 a una fuente de potencia (no representada) por una
parte, a unos dispositivos externos (no representados) por otra
parte.
La conexión eléctrica con la fuente de potencia
se efectúa por un borne conductor 46 soportado por una excrecencia
lateral de la caja de ensamblaje 42, conteniendo esta excrecencia
una banda metálica 47 que se extiende desde la base del borne 46
hasta el interior de la caja de ensamblaje, en la que una porción
terminal de dicha banda metálica 47 que penetra en el interior de
la caja se encuentra en un receptáculo constituido por el fondo 44
de la caja de ensamblaje 42 y por un borde interno 49 en resalte de
dicho fondo. Este receptáculo desemboca hacia arriba (con respecto
a la figura 1), es decir en dirección opuesta al fondo 44. La
porción terminal de la banda metálica 47 está así descubierta y
puede asegurar la conexión eléctrica con el módulo de potencia 12,
como será descrito ulteriormente.
Están también previstos unos medios de conexión
para cada entrada/salida con los dispositivos externos. En el
ejemplo ilustrado, un conector externo 48 contiene una banda
metálica 50 que se extiende hasta el interior de la caja de
ensamblaje 42 apoyándose sobre el fondo y que presenta, como la
banda metálica 47 descrita anteriormente, una porción terminal
liberada que permite asegurar la conexión eléctrica con el módulo de
potencia 12.
El contorno de cada abertura 43 practicada en el
fondo 44 de la caja de ensamblaje 42 está conformado en un
escalonado 52 cuya superficie está dirigida hacia el interior de
dicha caja 42 de ensamblaje.
Este escalonado está dimensionado para cooperar
con el collarín periférico 41 de la caja 26 del módulo de potencia
12, de manera que la cara externa del fondo 28 de dicha caja 26 se
encuentra enrasada con la cara externa del fondo 44 de la caja de
ensamblaje 42.
Así, cada caja 26 de módulo de potencia 12
obtura la abertura 43 correspondiente de la caja de ensamblaje 42
prolongando el fondo 44 de ésta.
Un material de relleno 56 llena el volumen
dejado en la caja de ensamblaje 42, alrededor de los módulos de
potencia 12, y una tapa opcional 54 recubre la totalidad del volumen
interior de la caja de ensamblaje estando fijada en el extremo
superior de las paredes laterales 42.
Se describirá ahora la colocación de uno o
varios módulos de potencia 12 en la caja de ensamblaje 42.
Siendo la caja de ensamblaje 42, desprovista de
tapa, presentada en la posición representada en la figura 1, cada
módulo de potencia 12 es acoplado por la parte superior en el
interior de la caja de ensamblaje 42, en la vertical de una
abertura 43 correspondiente.
El fondo 28 de cada módulo de potencia 12
penetra en la abertura 43 correspondiente y pasa a colocarse en el
mismo plano que el fondo de la caja de ensamblaje 42 mientras que su
collarín periférico 41 se coloca en el escalonado 52 formado en el
contorno de la abertura 43.
Simultáneamente, las patas 40 de soporte y de
conexión eléctrica pasan a colocarse sobre las bandas metálicas 47
y 50 de los conectores 46 y 48 de la caja de ensamblaje 42.
El módulo de potencia 12 descansa entonces por
sus patas 40 de soporte y de conexión en la caja de ensamblaje 42.
Las patas 40 de soporte y de conexión son a continuación soldadas a
las bandas metálicas 47 y 50 para asegurar una conexión de calidad
con el exterior.
Después de esta operación, el material de
relleno 56 es introducido en la caja de ensamblaje 42 para ocupar
todo el volumen disponible alrededor de los módulos de potencia 12,
y después la caja de ensamblaje es cerrada por la colocación de la
tapa 54.
El conjunto 10' de módulos de potencia
representado en la figura 2 es un segundo modo de realización de la
invención.
En este modo de realización, la caja 26 está
reemplazada por un bloque de resina 56 del mismo volumen,
sobremoldeado alrededor de la traza metálica recortada 14, de los
componentes electrónicos de potencia 16 y de las bandas metálicas
20. Como anteriormente, la traza metálica 14 constituye una parte
del fondo 28 del módulo de potencia 12 destinado a ser puesto en
contacto con unos medios de enfriado exteriores.
En este modo de realización, la caja de
ensamblaje 42 está reemplazada por otro bloque de resina 58,
sobremoldeado alrededor del bloque de resina 56 que presenta un
volumen idéntico al de la caja de ensamblaje 42.
Los contactos eléctricos entre las patas 40 de
soporte y de conexión y los conectores 46 y 48 del conjunto 10' son
idénticos a los del conjunto 10.
En la figura 3 se observa en detalle una pata 40
de soporte y de conexión 40 del módulo de potencia 12 que descansa
sobre el fondo 44 del conjunto 10 de módulos de potencia de la
figura 1.
Se aprecia asimismo que el collarín 41,
descansando sobre el escalonado 52, asegura el cierre estanco de la
abertura 43 de la caja de ensamblaje 42, lo que permite verter el
material de relleno 56 en la caja de ensamblaje 42 antes de cerrar
la tapa 54.
En la presente descripción, se entiende por
cierre estanco una obturación suficiente para que el material de
relleno 56 no se escape por el fondo de la caja de ensamblaje
42.
Una primera solución para asegurar esta
estanqueidad está representada en la figura 3 y consiste en disponer
una cinta adhesiva 62 entre el collarín 41 y el escalonado 52.
\newpage
Otra solución, representada en la figura 4,
consiste en prever un resalte en cada una de las dos caras
enfrentadas que constituyen el collarín 41 y el escalonado 52,
encontrándose este resalte sobre la arista libre de dicha cara, de
manera que delimita con dicha cara una garganta apropiada para
recibir el resalte de la otra cara.
El fondo de la garganta formada en el escalonado
52 está provisto de un adhesivo 68 contra el cual se apoya el
resalte del collarín 41.
La figura 5 representa un detalle del fondo 28
del módulo de potencia 12 según una variante de realización. Se
observa en esta figura que, en esta variante, la traza metálica
recortada 14 es protuberante con respecto a la resina sobremoldeada
30. Así, cuando el fondo 28 es puesto en contacto con unos medios de
enfriado exteriores, es la traza metálica recortada 14 la que está
en contacto directo con estos últimos.
Esta configuración se obtiene por una forma
apropiada de la cavidad del molde utilizado para sobremoldear la
traza metálica recortada 14.
Se desprende claramente que un módulo de
potencia según la invención es de concepción simple y permite un
contacto directo entre los elementos disipadores de energía térmica
del módulo de potencia, por un parte, y de los medios de enfriado
exteriores al módulo.
Se observará por último que la invención no está
limitada al modo de realización descrito anteriormente.
En efecto, como variante, la cara de la traza
metálica destinada a ser puesta en contacto directo con los medios
de enfriado exteriores enrasa con la cara correspondiente del fondo
28 de la caja 26.
Claims (11)
1. Conjunto que comprende por lo menos un módulo
de potencia (12) de una sola pieza, comprendiendo cada módulo:
- -
- por lo menos una traza metálica recortada (14), que comprende unas pistas entre las cuales subsisten unos intersticios (15) que forman unos pasos que atraviesan la traza metálica (14) en su espesor,
- -
- por lo menos un componente electrónico de potencia (16), dispuesto sobre la traza metálica recortada y conectado eléctricamente a la traza metálica recortada,
- -
- un material (30, 56) eléctricamente aislante que asegura la cohesión mecánica del módulo de potencia,
- -
- una cara de enfriado, comprendiendo por lo menos una parte de esta cara de enfriado (28) la traza metálica recortada (14), y
- -
- unas patas (40) de conexión eléctrica de la traza metálica recortada (14) con unos elementos exteriores al módulo (12),
comprendiendo el conjunto por lo menos dos
módulos de potencia, y un órgano (42, 58) de alojamiento de los
módulos de potencia (12), que comprende una cara que comprende la
cara de enfriado (28) de cada módulo de potencia (12),
caracterizado porque la cara de enfriado
(28) de cada módulo de potencia (12) presenta las pistas de la traza
metálica recortada y unas partes complementarias de material
eléctricamente aislante que llenan los intersticios (15), estando
estas partes complementarias formadas por el material (30, 56)
eléctricamente aislante que asegura la cohesión metálica del módulo
de potencia (12), estando esta cara destinada a ser puesta en
contacto directo con unos medios de enfriado exteriores al
módulo.
2. Conjunto según la reivindicación 1,
caracterizado porque el órgano de alojamiento es una caja de
ensamblaje (42) cuyo fondo (44) constituye por lo menos una parte
de la cara que comprende la cara de enfriado (28) de cada módulo de
potencia (12).
3. Conjunto según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque, estando las patas de conexión (40)
alojadas en el órgano de alojamiento (42, 58), dichas patas son
conectadas a unos conectores (46, 48) de conexión eléctrica del
conjunto (10) con una fuente de potencia y unos dispositivos
externos.
4. Conjunto según la reivindicación 3,
caracterizado porque comprende unas bandas metálicas (47) de
conexión eléctrica de las patas de conexión (40) de cada módulo a
los conectores de conexión (46).
5. Conjunto según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las partes
complementarias (30; 56) están sobremoldeadas alrededor de las
pistas de la traza metálica recortada (14).
6. Conjunto según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende una
caja (26) que presenta un espacio interior delimitado por unas
paredes laterales (32) y que contiene un componente electrónico de
potencia (16) y sus medios de conexión a la traza metálica recortada
(14), y porque un material de relleno (36) llena el espacio libre
alrededor del componente electrónico de potencia y de sus medios de
conexión entre las paredes laterales (32).
7. Conjunto según la reivindicación 6,
caracterizado porque el material de relleno (36) se
selecciona de entre un gel de silicona y una resina de tipo epoxi ó
poliuretano.
8. Conjunto según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el material
eléctricamente aislante (56) forma un bloque sobremoldeado
alrededor de la traza metálica recortada (14) y de un componente
electrónico de potencia (16).
9. Conjunto según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los elementos
exteriores al módulo de potencia comprenden unos medios de mando de
éste.
10. Conjunto según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el componente
electrónico de potencia (16) es un elemento seleccionado de entre
un diodo, un transistor de tipo MOS, un transistor de tipo IGBT y
un circuito integrado de tipo ASIC.
11. Conjunto según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el material
(30; 56) eléctricamente aislante es una resina de tipo epoxi o
poliuretano.
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